KR101525634B1

KR101525634B1 - 세라믹 히터 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101525634B1
Application number: KR1020100027355A
Authority: KR
Inventors: 게이이치 나카무라; 가즈히로 노보리
Original assignee: 엔지케이 인슐레이터 엘티디
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2015-06-03
Also published as: JP2010257956A; JP5345580B2; US8481892B2; TW201041424A; US20100243635A1; KR20100109438A; TWI501684B

Abstract

본 발명은 더미 부재를 이용하지 않고 세라믹 히터의 가열면의 온도 균일성을 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 세라믹 히터의 제조 방법은, 질화알루미늄 분말을 주체로 하고, 희토류 산화물 분말을 0.03 중량%∼1 중량% 함유하는 저온 소결 원료 분말로 이루어진 내층 성형체(32)의 표리 양면을, 금속 메쉬로 이루어진 저항 발열체(14, 16)를 개재시켜 체적 저항률이 10¹⁵Ω㎝ 이상인 질화알루미늄 소결체로 이루어진 한 쌍의 외층(30, 30) 사이에 유지한 상태에서 1600℃∼1750℃에서 소성함으로써 세라믹 히터(10)를 얻는 것이다.

Description

세라믹 히터 및 그 제조 방법{CERAMIC HEATER AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은 세라믹 히터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 제조 장치에 있어서는, 열 CVD 등에 의해 실란 가스 등의 원료 가스를 사용하여 웨이퍼에 반도체 박막을 생성하는 데 있어서, 그 웨이퍼를 가열하기 위한 세라믹 히터가 채용되고 있다. 이 세라믹 히터는, 웨이퍼의 가열면의 온도를 예컨대 700℃의 고온으로 유지해야 하지만, 성막성이나 수율, 제품 품질을 향상시키기 위해서는 웨이퍼 가열면의 온도 분포를 매우 좁은 범위 내에서 제어하는 것이 요구된다.

예컨대, 특허문헌 1에는 몰리브덴으로 이루어진 저항 발열체를 질화알루미늄 소결체에 매립한 세라믹 히터에 있어서, 가열면의 온도 균일성을 향상시키는 기술이 개시되어 있다. 구체적으로는, 산화이트륨 분말을 함유하는 질화알루미늄 분말을 프레스 성형하여 성형체로 할 때에, 그 성형체의 중앙 부근에 몰리브덴제의 저항 발열체를 매설하고, 성형체의 상하면에 가까운 위치에 원판 형상 또는 링 형상의 몰리브덴제 더미재를 매설하며, 그 성형체를 핫 프레스법에 의해 1800℃에서 소결하여 소결체로 하고, 그 소결체로부터 더미 부재를 연삭 가공에 의해 제거함으로써, 세라믹 히터를 제조하고 있다. 이러한 세라믹 히터에서는, 소성 공정에서 저항 발열체 내에 탄화몰리브덴이 생성된다. 저항 발열체 내에서 탄화몰리브덴이 편재하면, 그 탄화몰리브덴이 생성된 부분에서는 저항치가 높아져서 발열량이 증대되기 때문에, 가열면의 온도 균일성을 손상시키게 된다. 특허문헌 1에서는, 더미재를 매설한 성형체를 소결함으로써, 저항 발열체 내에서의 탄화몰리브덴의 생성을 억제하고, 소성에 의한 저항 발열체의 저항 변화를 억제하여, 그 결과, 가열면의 온도 균일성을 향상시키는 데에 성공하였다.

일본 특허 공개 제2003-288975호 공보

그러나, 전술한 특허문헌 1에서는, 더미 부재를 매설한 성형체를 소결한 후의 소결체로부터 더미 부재를 연삭 가공에 의해 제거하기 때문에, 더미 부재가 필요한 만큼, 그 가격이 세라믹 히터에 반영되고, 그에 따라 세라믹 히터가 비싸진다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 더미 부재를 이용하지 않고 세라믹 히터의 가열면의 온도 균일성을 높이는 것을 주목적으로 한다.

본 발명은 전술한 주목적을 달성하기 위해서 이하의 수단을 채용하였다.

즉, 본 발명의 세라믹 히터의 제조 방법은, 질화알루미늄 분말을 주체로 하고, 희토류 산화물 분말을 0.03 중량%∼1 중량% 함유하는 저온 소결 원료 분말로 이루어진 내층 성형체의 표리 양면을, 금속 메쉬로 이루어진 저항 발열체를 개재시켜 체적 저항률이 10¹⁵Ω㎝ 이상인 질화알루미늄 소결체로 이루어진 한 쌍의 외층 사이에 유지한 상태에서 1600℃∼1750℃에서 핫 프레스 소성함으로써 세라믹 히터를 얻는 것이다.

또한, 본 발명의 세라믹 히터는, 평균 결정 입경이 1 ㎛∼2 ㎛이고 탄소량이 300 ppm∼600 ppm인 질화알루미늄을 주체로 하는 중간 소결체와, 이 중간 소결체의 표리 양면에 배치된 금속 메쉬로 이루어진 제1 및 제2 저항 발열체와, 평균 결정 입경이 5 ㎛∼7 ㎛이고 탄소량이 상기 중간 소결체보다 적어 200 ppm∼400 ppm이며, 상기 제1 및 제2 저항 발열체를 개재시켜 상기 중간 소결체를 사이에 유지하는 한 쌍의 질화알루미늄을 주체로 하는 외측 소결체를 포함한 것이다. 여기서, 외측 소결체는, 희토류 산화물에서 유래한 성분을 함유하고, 중간 소결체는, 희토류 산화물에서 유래한 성분이 상기 외측 소결체에 비하여 적은 것이 바람직하다. 희토류 산화물에서 유래한 성분은, 외측 소결체에서는 4 중량%∼7 중량%가 바람직하고, 중간 소결체에서는 0.03 중량%∼1 중량%가 바람직하다. 저항 발열체는, φ0.1 ㎜∼0.2 ㎜의 몰리브덴 세선을 편조한 재료에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 제1 및 제2 저항 발열체를 700℃로 가열했을 때의 세라믹 히터의 가열면의 최고 온도와 최저 온도의 차가 5℃ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 세라믹 히터의 제조 방법에 따르면, 더미 부재를 이용하지 않고 세라믹 히터의 가열면의 온도 균일성을 높일 수 있다. 즉, 내층 성형체의 표리 양면을, 저항 발열체를 개재시켜 질화알루미늄 소결체로 형성된 한 쌍의 외층 사이에 유지한 상태에서 1600℃∼1750℃에서 핫 프레스 소성하기 때문에, 1800℃ 이상으로 가열 소성하는 경우에 비하여 저항치가 높고 발열량이 큰 탄화상(炭化相)이 저항 발열체 내에서 편재하여 발생하는 것을 억제할 수 있고, 저항 발열체의 저항 변화를 억제할 수 있으며, 나아가서는 세라믹 히터의 가열면의 온도 균일성을 높일 수 있다.

본 발명의 세라믹 히터에 따르면, 제1 저항 발열체와 제2 저항 발열체 사이에서 전류가 누설되지 않고, 게다가 가열면(기체의 표면)의 온도 균일성(이후, 균열성이라고 함)이 높기 때문에, 반도체 박막의 성막 장치의 일 부품으로서 적합하다. 이러한 세라믹 히터는, 전술한 세라믹 히터의 제조 방법에 의해 얻을 수 있다.

도 1은 세라믹 히터(10)의 평면도이다.
도 2는 세라믹 히터(10)의 정면도(단면도)이다.
도 3은 제1 투영 패턴(24)의 설명도이다.
도 4는 제2 투영 패턴(26)의 설명도이다.
도 5는 양 투영 패턴(24, 26)을 중첩시킨 모습을 나타낸 설명도이다.
도 6은 세라믹 히터(10)의 제조 공정을 나타낸 설명도이다.
도 7은 실시예 4의 세라믹 히터의 절단 단면의 사진(일부 확대도를 포함)이다.
도 8은 실시예 4의 세라믹 히터의 반사 전자상(BEI)의 사진이다.
도 9는 실시예 4의 세라믹 히터의 2차 전자상(SEI)의 사진이다.

본 발명의 세라믹 히터의 제조 방법에 있어서, 저온 소결 원료 분말은, 질화알루미늄 분말을 주체로 하고, 희토류 산화물 분말을 0.03 중량%∼1 중량% 함유하는 혼합 분말이다. 여기서, 희토류 산화물로서는, 예컨대 산화이트륨(Y₂O₃), 사마륨(Sm₂O₃), 유로퓸(Eu₂O₃) 등을 들 수 있다. 또한, 희토류 산화물 분말의 함유량이 0.03 중량% 미만인 경우에는, 소결 후의 열전도율이 너무 작아져서 균열성이 악화되기 때문에 바람직하지 못하고, 1 중량%를 초과하는 경우에는, 소결성이 현저히 악화되어 균열성이 악화되기 때문에 바람직하지 못하다.

본 발명의 세라믹 히터의 제조 방법에 있어서, 금속 메쉬는 예컨대 몰리브덴이나 텅스텐 등을 들 수 있지만, 이 중 몰리브덴이 바람직하다. 금속 메쉬는, φ0.1 ㎜∼0.2 ㎜의 금속 세선을 편조한 재료에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다. 금속 세선이 φ0.1 mm 미만이면, 너무 가늘어서 레이저 가공에 의해 판 형상의 금속 메쉬로부터 원하는 형상으로 잘라내는 것이 곤란해지기 때문에 바람직하지 못하고, 0.2 ㎜를 초과하면, 전기 저항이 너무 낮아 히터로서 충분히 기능하지 못할 우려가 있기 때문에 바람직하지 못하다. 또한, 도전재 페이스트를 인쇄함으로써 저항 발열체를 제작하는 것도 생각할 수 있지만, 그 경우에는, 저항 발열체를 설계대로의 전기저항으로 하는 것이 매우 곤란하여 가열면의 균열성을 높일 수 없다.

본 발명의 세라믹 히터의 제조 방법에 있어서, 외층은, 체적 저항률이 10¹⁵Ω㎝ 이상인 질화알루미늄 소결체로 형성되어 있다. 체적 저항률이 10¹⁵Ω㎝ 미만인 경우에는, 저항 발열체에 전류를 흘렸을 때에 웨이퍼나 표면측 근방에 매설되는 RF 전극 등에 전류가 누설되어 웨이퍼 상의 플라즈마를 불안정하게 하는 경우가 있다. 이러한 질화알루미늄 소결체는, 예컨대, 질화알루미늄 분말에 희토류 산화물 분말을 4 중량%∼7 중량% 함유하는 고온 소결 원료 분말로 이루어진 성형체를 1800∼1900℃에서 소성하여 얻을 수 있다.

본 발명의 세라믹 히터의 제조 방법에서는, 내층 성형체의 표리 양면을 저항 발열체를 개재시켜 한 쌍의 질화알루미늄 소결체로 이루어진 외층 사이에 유지한 상태에서 1600℃∼1750℃에서 소성한다. 이 때의 온도가 1600℃ 미만이면 내층 소결체가 치밀해지지 않기 때문에 열전도율이 너무 작아져서 강도가 저하되고, 균열성이 악화되기 때문에 바람직하지 못하며, 1750℃를 초과하면 소결한 내층의 체적 저항률이 현저히 낮아지고, 또한, 저항 발열체의 저항 변화율이 현저히 커지기 때문에, 누설 전류의 증가, 균열성의 악화가 발생하기 때문에 바람직하지 못하다. 또한, 내층 성형체는, 한 쌍의 외층 사이에 유지되기 전에 성형한 것을 이용하여도 좋고, 금형 내에서 한 쌍의 외층에 의해 원료 분말을 사이에 넣고 프레스함으로써 원료 분말을 성형하여도 좋다.

본 발명의 세라믹 히터의 제조 방법에 있어서, 내층 성형체를 외층 사이에 유지하기 전에, 이 외층에 저항 발열체의 형상에 맞는 홈을 형성하고, 이 홈에 저항 발열체를 끼워 두는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 저항 발열체를 확실하고도 용이하게 위치 결정할 수 있다.

본 발명의 세라믹 히터의 제조 방법에 의해 제작된 세라믹 히터는, 희토류 산화물에서 유래한 성분을 함유하는 질화알루미늄 소결체로 형성된 기체와, 이 기체의 표면측 근방에 배치된 금속 메쉬로 이루어진 제1 저항 발열체와, 이 기체의 이면측 근방에 배치된 금속 메쉬로 이루어진 제2 저항 발열체를 구비한 것이다.

이 세라믹 히터에 있어서, 저항 발열체를 700℃로 가열했을 때의 가열면에 있어서의 최고 온도와 최저 온도의 차는 5℃ 이하이며, 바람직하게는 3℃ 이하이다. 또한, 이 세라믹 히터에 있어서, 내층 성형체의 소결체는, 외층에 비하여 희토류 산화물에서 유래한 성분이 적고, 결정 입경이 미세하며, 탄소량이 많다. 종래, Y₂O₃을 1 중량% 이하로만 함유하는 원료 분말을 소결한 경우, 얻어지는 질화알루미늄 소결체의 체적 저항률은 통상 10¹⁰∼10¹²Ω㎝로 낮다. 이 때문에, 누설 전류가 발생하여 충분한 발열량을 얻을 수 없는 등의 문제가 생긴다. 그러나, 본 발명의 세라믹 히터의 제조 방법에 의해 얻어지는 세라믹 히터는 Y₂O₃을 1 중량% 이하로만 함유하는 원료 분말을 소결했음에도 불구하고, 누설 전류의 발생을 볼 수 없었다. 그 이유로는, 저온 소결 원료 분말을 치밀한 외층의 소결체로 덮어 소성함으로써, 소결 공정에 있어서의 탄소의 산일(散逸)이 억제되고, 내층의 소결체의 결정 입경이 미세하여 탄소량이 많아졌기 때문이라고 생각된다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태의 세라믹 히터(10)의 평면도, 도 2는 그 정면도(단면도)이다. 세라믹 히터(10)는 산화이트륨에서 유래한 성분을 함유하는 질화알루미늄 소결체로 형성된 기체(12)와, 이 기체(12)의 표면측 근방에 배치된 몰리브덴 메쉬로 이루어진 제1 저항 발열체(14)와, 기체(12)의 이면측 근방에 배치된 몰리브덴 메쉬로 이루어진 제2 저항 발열체(16)를 구비하고 있다. 기체(12)의 크기는 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 직경 330 ㎜∼340 ㎜, 두께 20 ㎜∼30 ㎜이다. 제1 저항 발열체(14)를 기체(12)의 가열면(12a)에 투영시킨 제1 투영 패턴(24)을 도 3에 나타낸다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1 저항 발열체(14)는, 중심 부근에 배치된 2개의 단자 중 한쪽 단자에서 시작되어 일필서의 요령으로 배선된 후 다른 한쪽 단자에 이르고 있다. 또한, 제2 저항 발열체(16)를 기체(12)의 가열면(12a)에 투영시킨 제2 투영 패턴(26)을 도 4에 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 저항 발열체(16)는, 중심 부근에 배치된 2개의 단자 중 한쪽 단자에서 시작되어 일필서의 요령으로 배선된 후 다른 한쪽 단자에 이르고 있다. 또한, 양 투영 패턴(24, 26)을 중첩시킨 모습을 도 5에 나타낸다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 제2 투영 패턴(26)은 제1 투영 패턴(24)의 간극에 들어가 있다. 즉, 제1 저항 발열체(14)만으로는 가열면(12a)에 온도 불균일이 발생하기 쉽기 때문에, 그것을 보완하기 위해서 제2 저항 발열체(16)가 전술한 형상으로 형성되어 있는 것이다. 또한, 제1 및 제2 투영 패턴(24, 26)을 중첩시켰을 때에 양자가 일치하도록 제1 및 제2 저항 발열체(14, 16)를 형성하여도 좋다.

다음에, 이러한 세라믹 히터(10)의 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 6은 세라믹 히터(10)의 제조 공정을 나타내는 설명도이다. 우선, 외층(30)을 2개 제조한다. 이 외층(30)은, 질화알루미늄 분말에 대하여, 희토류 산화물 분말을 4 중량%∼7 중량% 첨가하여 혼합하고, 혼합 분말을 프레스 성형하여 외층 성형체로 하며, 이 외층 성형체를 핫 프레스법에 의해 1800℃∼1900℃에서 소결시켜 얻는다. 각 분말을 혼합하는 데 있어서, 예컨대, 각 분말을 유기 용매 내에서 습식 혼합함으로써 슬러리로 하고, 이 슬러리를 건조 조립(造粒)하여 혼합 분말로 하여도 좋다. 습식 혼합을 행할 때에는 포트밀(pot mill), 트로멜, 아트리션밀(attrition mill) 등의 혼합 분쇄기를 사용하여도 좋다. 또한, 습식 혼합 대신에 건식 혼합하여도 좋다. 혼합 분말을 프레스 성형하여 외층 성형체로 하는 데 있어서, 혼합 분말을 1축 가압 성형함으로써 성형체를 제작하는 것이 바람직하다. 1축 가압 성형에서는, 혼합 분말을 형에 충전하여 상하 방향으로 압력을 가하여 성형하기 때문에, 고밀도의 성형체를 얻을 수 있다. 또한, 높은 치수 정밀도가 요구되는 경우에도 적합하다. 외층 성형체를 핫 프레스법에 의해 소결시키는 데 있어서, 예컨대, 진공 또는 불활성 분위기 하에서, 프레스 압력 50 kgf/㎠∼300 kgf/㎠로 핫 프레스 소성을 행하여도 좋다. 소성 시간은 소성 조건에 따라 적절하게 설정하면 되는데, 예컨대 1∼10시간 사이에서 적절하게 설정하면 된다. 또한, 불활성 분위기란, 소성에 영향을 부여하지 않는 가스 분위기이면 되고, 예컨대 질소 분위기, 아르곤 분위기 등을 들 수 있다. 불활성 분위기의 도입에 의해, 특히 대형의 소결체를 얻는 경우에 균열성이 더욱 높아져서 균일한 소결체를 얻을 수 있다. 이와 같이 하여 얻어지는 외층(30)의 체적 저항률은 1×10¹⁵Ω㎝ 이상이 된다.

다음에, 외층(30)의 한 면에, 제1 저항 발열체(14)의 형상과 합치하는 형상의 홈(30a)을 형성하고, 이 홈(30a)에 제1 저항 발열체(14)를 끼워 넣는다. 또한, 다른 하나의 외층(30)의 한 면에, 제2 저항 발열체(16)의 형상과 합치하는 형상의 홈(30b)을 형성하고, 이 홈(30b)에 제2 저항 발열체(16)를 끼워 넣는다.

다음에, 질화알루미늄 분말에 대하여, 희토류 산화물 분말을 0.03 중량%∼1 중량% 첨가하여 혼합하고, 혼합 분말(저온 소결 원료 분말)을 조제한다. 혼합 분말의 조제나 프레스 성형에 대해서는 외층 성형체와 동일하게 하여 행할 수 있다. 그리고, 성형용 금형에, 홈(30b)에 제2 저항 발열체(16)를 끼워 넣은 외층(30)을 제2 저항 발열체(16)가 위를 향하도록 세팅하고, 계속해서 조금 전에 준비한 저온 소결 원료 분말을 충전하여 홈(30a)에 제1 저항 발열체(14)를 끼워 넣은 외층(30)을 제1저항 발열체(14)가 저온 소결 원료 분말을 향하도록 더 세팅하며, 50 ㎏/㎠∼100 ㎏/㎠의 압력으로 프레스 성형을 행한다. 이에 따라, 두께 3 ㎜∼20 ㎜(바람직하게는 5 ㎜∼15 ㎜)의 내층 성형체(32)의 표리 양면에, 제1 저항 발열체(14)를 끼워 넣은 외층(30)과 제2 저항 발열체(16)를 끼워 넣은 외층(30)이, 각 저항 발열체(14, 16)가 내층 성형체(32)를 향하도록 배치된 샌드위치 구조의 성형체(34)를 얻는다.

다음에, 핫 프레스용 금형에 샌드위치 구조의 성형체(34)를 세팅하고, 핫 프레스법에 의해 1600℃∼1750℃에서 저온 소결시켜 세라믹 히터(10)를 얻는다. 이 때의 저온 소결은, 예컨대, 진공 또는 불활성 분위기 하에서 프레스 압력 50 kgf/㎠∼300 kgf/㎠의 조건으로 행하여도 좋다. 소성 시간은, 소성 조건에 따라 적절하게 설정하면 되지만, 예컨대 2시간∼4시간 사이에서 설정하는 것이 바람직하다.

얻어진 세라믹 히터(10)는, 기체(12)를 갖지만, 이 기체(12)는, 내층 성형체(32)와 외층(30)이 소결에 의해 일체화된 것이다. 구체적으로는, 기체(12)는, 내층 성형체(32)가 저온 소결된 중간 소결체와, 이 중간 소결체를 사이에 유지하는 한 쌍의 외측 소결체[외층(30)에서 유래]로 구성된다(도 7 참조). 중간 소결체는, 희토류 산화물에서 유래한 성분이 외측 소결체에 비하여 적어 결정 입경이 1 ㎛∼2 ㎛이고 탄소량이 300 ppm∼600 ppm이다. 외측 소결체는, 희토류 산화물에서 유래한 성분을 함유하고, 평균 입경이 5 ㎛∼7 ㎛이고 탄소량이 중간 소결체보다 적어 200 ppm∼400 ppm이다. 또한, 제1 및 제2 저항 발열체(14, 16)는 저온 소결 후에는 몰리브덴상과 탄화몰리브덴상을 함유하지만, 저항치가 높고, 발열량이 큰 탄화몰리브덴상은 저온이기 때문에 생성량이 적어 제1 저항 발열체(14) 내에서 눈에 띄게 편재하는 일은 없다. 이 결과, 제1 및 제2 저항 발열체(14, 16)는, 그 전체 길이에 걸쳐 저항치가 크게 변동되는 일은 없고, 저항 발열체의 저항 분포가 설계대로 유지되기 때문에, 세라믹 히터(10)의 가열면의 최고 온도와 최저 온도의 차는 5℃ 이하로 된다. 또한, 제1 및 제2 저항 발열체(14, 16)에 전류를 흘렸을 때에 누설 전류가 발생하지 않기 때문에, 제1 및 제2 저항 발열체(14, 16) 사이의 소결체는 내층 성형체(32)가 Y₂O₃을 1 중량% 이하밖에 함유하지 않은 원료 분말을 소결한 것임에도 불구하고, 체적 저항률이 10¹⁵Ω㎝ 정도의 높은 값으로 되어 있다.

(실시예)

(실시예 1)

우선, 직경이 360 ㎜, 두께가 6 ㎜인 외층(30)을 2개 제조하였다. 즉, 평균입경 1 ㎛, 순도 99.9%의 질화알루미늄 분말에 대하여, 평균 입경 1.5 ㎛, 순도 99.9%의 산화이트륨 분말 5 중량%를 첨가하여 혼합하고, 혼합 분말을 100 kgf/㎠로 1축 가압 성형하여 외층 성형체로 하였다. 이 외층 성형체를 핫 프레스법에 의해 소결시켜 외층(30)을 얻었다. 이 때의 소결은, 질소 분위기 하, 프레스 압력 200 kgf/㎠로 1820℃에서 2시간 동안 행하였다. 얻어진 외층(30)의 체적 저항률은 2×10¹⁵Ω㎝였다. 또한, 체적 저항률은, 같은 조건에서 작성한 질화알루미늄 소결체로부터 샘플을 잘라내어 JIS C2141(전기 절연용 세라믹 재료의 시험 방법)에 기초하여 측정하였다.

다음에, 한쪽 외층(30)의 한 면에, 폭 6 ㎝(일부를 제외함)의 제1 저항 발열체(14)의 형상과 합치하는 형상의 홈(30a)을 블러스트 가공에 의해 형성하였다. 홈(30a)의 깊이는 0.5 ㎜로 하였다. 또한, 블러스트 가공은 탄화규소제의 입도 #600의 지립을 이용하여 실시하였다. 한편, φ0.12 ㎜의 몰리브덴 세선을 편조한 두께 0.24 ㎜의 판 형상의 몰리브덴 메쉬를 준비하고, 이 몰리브덴 메쉬로부터 레이저 가공에 의해 제1 저항 발열체(14)를 잘라내어 외층(30)의 홈(30a) 안에 끼워 넣었다. 또한, 다른 한쪽 외층(30)에 대해서도 동일한 처리를 행하고, 폭 9 ㎜(일부를 제외함)의 제2 저항 발열체(16)를 외층(30)의 홈(30b) 안에 끼워 넣었다.

다음에, 평균 입경 1 ㎛, 순도 99.9%의 질화알루미늄 분말에 대하여, 평균 입경 1.5 ㎛, 순도 99.9%의 산화이트륨 분말 0.03 중량%를 첨가하여 혼합한 혼합 분말(저온 소결 원료 분말)을 준비하였다. 그리고, 성형용 금형에, 홈(30b)에 제2 저항 발열체(16)를 끼워 넣은 외층(30)을 제2 저항 발열체(16)가 위를 향하도록 하여 세팅하고, 계속해서 조금 전에 준비한 저온 소결 원료 분말을 충전하여 홈(30a)에 제1 저항 발열체(14)를 끼워 넣은 외층(30)을 제1 저항 발열체(14)가 저온 소결 원료 분말을 향하도록 더 세팅하며, 100 ㎏/㎠의 압력으로 프레스 성형을 행하였다. 이에 따라, 두께 6 ㎜의 내층 성형체(32)의 표리 양면을 한 쌍의 외층(30, 30) 사이에 유지한 샌드위치 구조의 성형체(34)를 얻었다.

다음에, 카본제의 케이싱의 상하에 실린더가 삽입된 핫 프레스용 금형에, 샌드위치 구조의 성형체(34)를 세팅하고, 핫 프레스법에 의해 저온 소결시켜 세라믹 히터(10)를 얻었다. 이 때의 저온 소결은, 질소 분위기 하, 프레스 압력 100 kgf/㎠로 1650℃에서 2시간 동안 행하였다. 또한, 저온 소결 후에는 내층 성형체(32)의 두께는 약 절반이 되었다.

가열면의 온도 균일성을 평가하기 위해서, 얻어진 세라믹 히터(10)에 대해, 저항 상승률과 온도 분포를 측정하였다. 저항 상승률은, 다음과 같이 측정하였다. 제1 저항 발열체(14)에 대해, 중심 부근의 2개의 단자 중 한쪽 단자로부터의 설계상의 전기 저항이 값 R0이 되는 제1 포인트를 설정하고, 그 제1 포인트로부터 설계상의 전기 저항이 동일하게 값 R0이 되는 제2 포인트를 설정하며, 이러한 순서로 제8 포인트까지 설정하였다. 제2 저항 발열체(16)에 대해서도 동일하게 하여 제1∼제8 포인트까지 설정하였다. 그리고, 제1 저항 발열체(14)에 있어서의 중심 단자-제1 포인트, 제1 포인트-제2 포인트, ……, 제7 포인트-제8 포인트의 각 전기 저항을 측정하였다. 또한, 제2 저항 발열체(16)에 있어서의 중심 단자-제1 포인트, 제1 포인트-제2 포인트, ……, 제7 포인트-제8 포인트의 각 전기 저항을 측정하였다. 그리고, 각 전기 저항의 측정값에 대해 [100×(측정값-설계값 R0)/설계값 R0]을 구하고, 그 최고치를 저항 상승률(%)로 하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.

또한, 온도 분포는, 다음과 같이 측정하였다. 제1 저항 발열체(14)의 중심 부근의 2개의 단자에 전극 단자(도시하지 않음)를 각각 접속하고, 제2 저항 발열체(16)의 중심 부근의 2개의 단자에 전극 단자(도시하지 않음)를 각각 접속하여 양 저항 발열체(14, 16)에 전류를 흘려 가열면(12a)이 목표 온도 700℃가 되도록 제어하였다. 그리고, 목표 온도 700℃에 도달하여 온도가 안정화한 상태에서 가열면(12a)의 전면(全面)의 온도를 측정하고, 그 때의 최고 온도와 최저 온도의 차를 구하여 이것을 온도 분포(℃)로 하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 저항 상승률은 불과 6%, 온도 분포도 불과 3℃였다. 또한, 적외선 방사 온도계를 이용하여 온도 분포를 측정하였다.

[실시예 2 내지 실시예 5, 비교예 1 내지 비교예 3]

실시예 2 내지 실시예 5에서는, 실시예 1에 따라 표 1에 나타내는 조건을 채용하여 세라믹 히터(10)를 제조하고, 그 저항 상승률 및 온도 분포를 측정하였다. 또한, 비교예 1에서는, 산화이트륨을 0.1 중량% 함유하는 질화알루미늄 분말의 성형체에 제1 및 제2 저항 발열체(14, 16)를 매립하고, 그것을 1855℃의 고온에서 소결하여 세라믹스 전체가 산화이트륨을 0.1 중량% 함유하는 질화알루미늄 소결체로 이루어진 세라믹 히터를 제작하며, 그 저항 상승률 및 온도 분포를 측정하였다. 비교예 2, 비교예 3에서는, 내층 성형체(32)를 산화이트륨을 5 중량% 함유하는 질화알루미늄 분말의 성형체로 하고, 이것을 산화이트륨을 5 중량% 함유하는 질화알루미늄 소결체로 이루어진 외층(30, 30) 사이에 유지한 샌드위치 구조의 성형체(34)로 하며, 이것을 1820℃의 고온에서 소결하여 세라믹 히터를 제작하고, 그 저항 상승률 및 온도 분포를 측정하였다. 이들 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 5는 모두 저항 상승률이 5%∼6%로 매우 낮고, 온도 분포도 2℃∼3℃로 매우 낮았다. 이것에 대하여, 비교예 1 내지 비교예 3은 모두 저항 상승률이 35%∼38%로 높고, 온도 분포도 7℃∼10℃로 높아 균열성이 나빴다. 또한, 실시예 1 내지 실시예 5에서는, 제1 저항 발열체(14)와 제2 저항 발열체(16) 사이에 누설 전류가 발생하지 않았기 때문에, 이 사이의 체적 저항률은 10¹⁵Ω㎝ 정도일 것으로 예측된다. 실제, 체적 저항률을 측정한 결과, 후술하는 표 2에 나타내는 바와 같이, 이 예측은 적중하였다.

도 7은 실시예 4의 세라믹 히터의 절단 단면의 사진(부분 확대도 포함)이다. 도 7의 사진에서 희게 보이는 부분은, 외측 소결체로서, 저온 소결 공정 전에 외층(30)이었던 부분이다. 한편, 한 쌍의 외측 소결체 사이에 유지된 짙은 회색 부분은, 중간 소결체로서, 저온 소결 공정 전에 내층 성형체(32)였던 부분이다. 즉, 내층 성형체(32)와 이것을 사이에 유지하는 한 쌍의 외측 소결체가 기체(12)에 해당한다. 또한, 사진으로는 판별하기 어렵지만, 중간 소결체와 외측 소결체의 계면 부근에는 제1 및 제2 저항 발열체가 존재하고 있다.

이 실시예 4의 세라믹 히터에 대해, 중간 소결체와 외측 소결체의 계면 부근의 반사 전자상(BEI)과 2차 전자상(SEI)을 촬영하여 그 미시구조를 조사하였다. 일반적으로, BEI는 조성을 보는 데 적합하고, SEI는 결정 형상을 보는 데 적합하다. 도 8에 BEI의 사진을 나타내고, 도 9에 SEI의 사진을 나타낸다. 또한, 도 8에서 흰 빛을 띤 타원 부분은 몰리브덴 메쉬의 단면이다. 또한, 도 8과 도 9는 각각 다른 부분을 촬영한 것이다. 도 8에서는, Y는 흰 빛을 띤 점으로서 드러나지만, 그러한 흰 빛을 띤 점은 화면의 하측 절반부인 외측 소결체에만 분산되어 있고, 화면의 상측 절반부인 중간 소결체에는 보이지 않는다.

실시예 1 내지 실시예 5, 비교예 1 내지 비교예 3에 대해, 탄소량, 평균 결정 입경, 체적 저항률을 각각 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. 탄소량은 JIS R1603의 고주파 가열-적외선 흡수법을 이용하여 측정하였다. 평균 결정 입경은 SEI의 사진에 찍힌 복수 결정의 입경의 평균값으로 하였다. 체적 저항률은 실시예 1의 외층(30)의 체적 저항률과 동일하게 하여 측정하였다. 실시예 1 내지 실시예 5에 있어서, 중간 소결체의 평균 결정 입경은 1 ㎛∼2 ㎛, 외측 소결체의 평균 결정 입경은 5 ㎛∼7 ㎛였다. 또한, 중간 소결체의 탄소량은 300 ppm∼600 ppm, 외측 소결체의 탄소량은 200 ppm∼400 ppm이며, 중간 소결체 쪽이 외측 소결체보다도 100 ppm∼200 ppm 정도 탄소량이 많았다. 또한, 중간 소결체의 체적 저항률은 8×10¹⁴∼1×10¹⁵Ω㎝였다.

이와 같이, Y의 분포의 모습, 각 소결체의 결정 입경 및 탄소량을 조사한 결과, 중간 소결체의 체적 저항률이 높아진 이유는, 결정 입경이 1 ㎛∼2 ㎛이고, 탄소량이 300 ppm∼600 ppm이기 때문이라고 결론지었다. 구체적으로는, 질화알루미늄 분말에 대하여 산화이트륨 분말 0.1 중량%를 첨가한 혼합 분말을 성형하여 그대로 소성한 경우, 체적 저항률은 10¹⁰∼10¹²Ω·㎝로 낮은 값으로 밖에 되지 않는다. 그러나, 실시예 1 내지 실시예 5에서는, 그 혼합 분말을 한 쌍의 외층 사이에 집어넣고 소성하였기 때문에, 혼합 분말로부터 CO 가스 등이 빠져 나오지 않아 탄소 성분이 많이 잔존하고, 그 잔존한 탄소 성분이 입자 성장을 저해하며, 그 결과, 중간 소결체의 결정 입경이 1 ㎛∼2 ㎛로 작아져서 체적 저항률이 높아졌다(10¹⁵Ω㎝ 정도)고 생각된다.

본 발명의 세라믹 히터는 예컨대 반도체 제조 장치의 일 부품으로서 적합하게 이용할 수 있다.

10 : 세라믹 히터
12 : 기체
12a : 가열면
14 : 제1 저항 발열체
16 : 제2 저항 발열체
24 : 제1 투영 패턴
26 : 제2 투영 패턴
30 : 외층
30a, 30b : 홈
32 : 내층 성형체
34 : 샌드위치 구조의 성형체

Claims

질화알루미늄 분말을 주체로 하고, 희토류 산화물 분말을 0.03 중량%∼1 중량% 함유하는 저온 소결 원료 분말로 이루어진 내층 성형체의 표리 양면을, 금속 메쉬로 이루어진 저항 발열체를 개재시켜 체적 저항률이 10¹⁵Ω㎝ 이상인 질화알루미늄 소결체로 이루어진 한 쌍의 외층 사이에 유지시킨 상태에서 1600℃∼1750℃에서 소성함으로써 세라믹 히터를 얻는 공정을 포함하고,
상기 한 쌍의 외층은, 질화알루미늄 분말에 희토류 산화물 분말을 4 중량%∼7 중량% 함유하는 고온 소결 원료 분말로 이루어진 성형체를 1800℃∼1900℃에서 소성한 것인 세라믹 히터의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 내층 성형체를 상기 외층 사이에 유지하기 전에, 이 외층에 상기 저항 발열체의 형상에 맞는 홈을 형성하고, 이 홈에 상기 저항 발열체를 끼워 두는 것인 세라믹 히터의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저항 발열체는, φ0.1 ㎜∼0.2 ㎜의 몰리브덴 세선을 편조한 재료에 의해 형성되어 있는 것인 세라믹 히터의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 기재한 세라믹 히터의 제조 방법에 의해 제조된 세라믹 히터.
평균 결정 입경이 1 ㎛∼2 ㎛이고 탄소량이 300 ppm∼600 ppm(중량 베이스)인 질화알루미늄을 주체로 하는 중간 소결체와,
이 중간 소결체의 표리 양면에 배치된 금속 메쉬로 이루어진 제1 및 제2 저항 발열체와,
평균 결정 입경이 5 ㎛∼7 ㎛이고 탄소량이 상기 중간 소결체보다 적어 200 ppm∼400 ppm(중량 베이스)이며, 상기 제1 및 제2 저항 발열체를 개재시켜 상기 중간 소결체를 사이에 유지하는 한 쌍의 질화알루미늄을 주체로 하는 외측 소결체
를 포함하는 세라믹 히터.
제5항에 있어서, 상기 외측 소결체는, 희토류 원소를 함유하고,
상기 중간 소결체는, 희토류 원소가 상기 외측 소결체에 비하여 적은 것인 세라믹 히터.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 저항 발열체는, φ0.1 ㎜∼0.2 ㎜의 몰리브덴 세선을 편조한 재료에 의해 형성되어 있는 것인 세라믹 히터.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 저항 발열체를 700℃로 가열했을 때의 상기 세라믹 히터의 가열면의 최고 온도와 최저 온도의 차가 5℃ 이하인 것인 세라믹 히터.
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