TW201809320A - 發熱構件 - Google Patents

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佐藤靖洋
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Abstract

提供一種即使重複高溫且長時間的使用，體積電阻率也難以變化之發熱構件。藉由形成於基材部12上之薄膜加熱器部13由包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜構成，當作具有適合當作加熱器使用的體積電阻率，且即使重複規定的溫度變化或溫度保持，體積電阻率也難以變化之發熱構件11。

Description

發熱構件
本發明是關於用以均勻地保持加溫對象物的溫度之發熱構件。
近年來在半導體製程的晶圓的微細加工多半採用乾式蝕刻(dry etching)等的真空或在減壓下進行的乾式法。利用電漿(plasma)的乾式蝕刻的情形在晶圓有來自電漿的熱輸入(heat input)。因晶圓溫度會影響蝕刻速率(etching rate)，故若在晶圓內的溫度分布有不均，則蝕刻的深度會產生不均。因此，如專利文獻1~3所記載的，將加熱器單元(heater unit)配置於晶圓之下，以均勻地保持晶圓的面內溫度。
在半導體製造裝置內的一部分製作加熱器的手法有各式各樣，作為一個手法可舉出熔射(thermal spraying)。藉由熔射可得到薄且均勻的厚度的膜，設計的自由度也高。藉由熔射形成加熱器的情形，如專利文獻1~3所記載的，作為熔射材料往往使用高熔點金屬(high melting metal)之鎢(W)。
[專利文獻1] 日本國特開2002-43033號公報 [專利文獻2] 日本國特開2009-170509號公報 [專利文獻3] 日本國特開2016-27601號公報
本發明人們注視使用幾次由以鎢作為熔射材料形成的熔射塗膜構成的加熱器的時候，加熱器的特性會由初期的特性變化。而且，為了調查其原因進行了實驗的結果判明了，以鎢作為熔射材料形成的熔射塗膜若長久維持300℃左右的高溫狀態則鎢的氧化進行，在返回到室溫時，與升溫前比較體積電阻率(volume resistivity)會變化。若加熱器的體積電阻率變化，則加溫對象物的溫度控制不會成為正確者，而且，有在部分地發生體積電阻率的變化時會損及溫度分布的均勻性之問題。
因此，本發明是鑑於習知技術的問題點，其目的為提供一種即使重複高溫且長時間的使用，體積電阻率也難以變化之發熱構件。
本發明人們為了找到取代鎢的材料重複許多的實驗的結果發現，包含特殊的氧化鈦(titanium oxide)的熔射塗膜即使重複高溫且長時間的使用，體積電阻率也難以變化，據此達到解決課題。
也就是說，本發明的發熱構件其特徵在於包含：基材部，與形成於該基材部上之薄膜加熱器(thin film heater)部，前述薄膜加熱器部由包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜構成。
若藉由二氧化鈦(TiO2 )形成薄膜加熱器部，則體積電阻率過高而難以當作加熱器操作。另一方面，雖然鈦金屬可當作加熱器利用，但是若重複高溫且長時間的使用，則有體積電阻率變動的憂慮。可是，藉由薄膜加熱器部以由包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)，亦即氧原子數對鈦原子數的比率為未滿2的氧化鈦的熔射塗膜構成者，在具有適合當作加熱器使用的體積電阻率上，即使在高溫域長時間保持，體積電阻率的變動也少。
前述熔射塗膜包含Tix1 Oy1 (其中滿足0＜y1/x1＜1.5)及Tix2 Oy2 (其中滿足1.5≦y2/x2≦2.0)較佳。而且前述熔射塗膜中，Tix1 Oy1 (其中滿足0＜y1/x1＜1.5)的質量比(mass ratio)的合計值比Tix2 Oy2 (其中滿足1.5≦y2/x2≦2.0)的質量比的合計值大更佳。
前述薄膜加熱器部的寬度為1~20mm較佳。而且，前述薄膜加熱器部的厚度為30~1000μm較佳。進而前述薄膜加熱器部的線間距離(spacing)為0.5~50mm較佳。
與本發明有關的發熱構件的構成不被限定，例如也能以在前述薄膜加熱器部之上配設陶瓷絕緣層之構成。
依照本發明，藉由發熱構件以包含：基材部，與形成於該基材部上之薄膜加熱器部，該薄膜加熱器部以由包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)，亦即氧原子數對鈦原子數的比率為未滿2的氧化鈦的熔射塗膜構成者，具有適合當作加熱器使用的體積電阻率，且即使重複規定的溫度變化或溫度保持，也可難以使體積電阻率變化。
實施形態1 圖1是顯示與本發明的一形態有關的發熱構件的基本的構成之斜視示意圖。圖1所示的發熱構件11可如下而製作。
首先，準備具有絕緣表面的基材部12，以規定的條件將熔射材料熔射到基材部12的該表面上，形成薄膜加熱器部13。薄膜加熱器部13的圖案也可以藉由預先將基材部12的表面遮蔽(masking)成圖案狀，將全面熔射而製作，且在熔射到基材部12的全面後將該熔射塗膜的表面遮蔽成圖案狀，藉由機械加工或噴砂(blast)加工除去不要的熔射塗膜而製作也可以。
薄膜加熱器部13的形成後藉由熔射Al2 O3 等的絕緣材料，形成覆蓋基材部12的表面及薄膜加熱器部13的表面全體之絕緣層14。
據此，具有基材部12，與在基材部12上形成圖案的薄膜加熱器部13，進而得到基材部12與薄膜加熱器部13藉由絕緣層14被覆的發熱構件11。藉由薄膜加熱器部13加熱的對象物既可隔著基材部12被加熱，也可隔著絕緣層14被加熱。
薄膜加熱器部13具有可當作加熱器使用的固有電阻值，在薄膜加熱器部13的兩端部安裝端子及引線(lead wire)15、16，可藉由施加規定的電壓使電流流到薄膜加熱器部13內，將載置於基材部12或絕緣層14上的對象物加熱。
雖然絕緣層14的成分未被特別限定，但Al2 O3 、Y2 O3 、ZrO2 等的氧化物陶瓷(oxide ceramics)較適合。絕緣層14以熔射法形成也可以，且以熔射法以外的手法形成也可以
薄膜加熱器部13由熔射塗膜構成。若是熔射法，則不被基材的尺寸或形狀限制，可高精度且均勻地塗佈(coating)薄膜。而且，作為得到後述的薄膜加熱器部13所包含的特殊的氧化鈦的方法，熔射法較適合。熔射法的種類未被特別限定。而且，在此處的熔射法也包含有所謂的冷噴塗法(cold spray method)。
基材部12的形狀為板狀、碗狀、柱狀、筒狀、錐形等未被特別限定。也就是說，基材部12的表面既可以為平坦，也可以為彎曲。而且，如筒狀般基材部12的內部被挖掉的情形，薄膜加熱器部13也可以形成於基材部12的外側面上，且形成於內側面上也可以。
基材部12除了以陶瓷、石英玻璃等構成的絕緣構件之外，也可以為在鋁合金、鈦合金、銅合金、不銹鋼(stainless steel)等的導電構件的表面被覆有絕緣膜。該絕緣膜無須覆蓋導電構件的全部，只要至少覆蓋形成有薄膜加熱器部13的面即可。而且，在陶瓷、石英玻璃等的絕緣構件的表面被覆有其他的絕緣膜也可以。
基材部12更具備水冷構造也可以。據此基材部的溫度被固定，可更容易進行薄膜加熱器部13的溫度控制。而且，基材部12具備水冷構造時覆蓋上述導電構件的表面的絕緣膜使用釔穩定氧化鋯(Yttria Stabilized Zirconia)(YSZ)等熱傳導率(thermal conductivity)低的材料較佳。
圖2是顯示薄膜加熱器部的典型圖案之平面示意圖。如圖2所示，薄膜加熱器部13是在基材部12上形成圖案，具有複數個互相平行的直線部，與在末端彼此連接該等直線部的彎曲部，全體成為鋸齒形圖案，構成疑似的面。若作成一片物的面狀圖案，則電流僅集中於直線地連結施加有電壓的端子19a、19b間的區域及其附近，電流不遍及到外緣部，溫度分布產生了不均。藉由將薄膜加熱器部13如圖2般作成線狀圖案，可使電流流動於薄膜加熱器部13全體，可去除溫度分布的不均。上述彎曲部不被限定於彎曲成直角者，也可以以描繪弧形的方式彎曲者。
在圖2中雖然顯示了薄膜加熱器部13成為鋸齒形狀的圖案，但薄膜加熱器部13未被嚴密要求溫度均勻性的情形，或以未損及溫度均勻性的尺寸或形狀者為對象的情形也可以為僅由直線部構成者或僅由曲線部構成者，可依照需要進行設計變更。
薄膜加熱器部13的厚度t(參照圖1)為30~1000μm的範圍較佳。藉由薄膜加熱器部13的厚度t以30μm以上，可容易發揮作為加熱器優良的功能，藉由以1000μm以下，可防止尺寸的極端的擴大。
與薄膜加熱器部13的縱向正交的方向的寬度s為1~20mm的範圍較佳。藉由薄膜加熱器部13的寬度s以1mm以上，可降低斷線的可能性，藉由以20mm以下，可防止在形成於薄膜加熱器部13之上的絕緣層14發生剝落。
薄膜加熱器部13的線間距離d為0.5~50mm的範圍較佳。藉由薄膜加熱器部13的線間距離d以0.5mm以上，可迴避短路，藉由以50mm以下，可更抑制溫度分布的不均。
構成薄膜加熱器部13的熔射塗膜為多孔體(porous body)，其平均孔隙率(mean porosity)為1~10%的範圍較佳。在比1%小的孔隙率中，存在於塗膜內的殘留應力(residual stress)的影響變大，有容易破裂的可能性。在超過10%的孔隙率中，各種氣體容易侵入到孔隙(pore)內，塗膜的耐久性往往會降低。平均孔隙率藉由光學顯微鏡觀察熔射塗膜的剖面，對觀察影像進行二值化(binarization)處理，將塗膜內部的黑色區域視為孔隙部分，可藉由算出該黑色區域的全體所佔的面積的比例而進行測定。
薄膜加熱器部13必須包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)，亦即氧原子數對鈦原子數的比率為未滿2的氧化鈦。較佳為薄膜加熱器部13包含以Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)為主成分。此處的[主成分]是指以質量基準包含最多的成分。作為Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的具體例可舉出TiO、Ti2 O、Ti3 O、Ti2 O3 等。薄膜加熱器部13既可以單一包含該等化合物的任一個，也可以混合包含複數個該等化合物。
薄膜加熱器部13由包含Tix1 Oy1 (其中滿足0＜y1/x1＜1.5)及Tix2 Oy2 (其中滿足1.5≦y2/x2≦2.0)的熔射塗膜構成較佳。作為Tix1 Oy1 (其中滿足0＜y1/x1＜1.5)例如可舉出TiO、Ti2 O、Ti3 O等。作為Tix2 Oy2 (其中滿足1.5≦y2/x2≦2.0)例如可舉出TiO2 、Ti2 O3 等。據此，即使在高溫被長時間保持，成分變化也少，可抑制體積電阻率的變化，故作為加熱器的穩定性增加。更佳為薄膜加熱器部13由如下構成：由Tix1 Oy1 (其中滿足0＜y1/x1＜1.5)、Tix2 Oy2 (其中滿足1.5≦y2/x2≦2.0)及只有不可避免的雜質構成的熔射塗膜。最佳為薄膜加熱器部13由如下構成：由Tix1 Oy1 (其中滿足0＜y1/x1＜1.5)及只有不可避免的雜質構成的熔射塗膜。
而且，薄膜加熱器部13由包含Tix1 Oy1 (其中滿足0＜y1/x1＜1.5)及Tix2 Oy2 (其中滿足1.5≦y2/x2≦2.0)的熔射塗膜構成的情形，Tix1 Oy1 (其中滿足0＜y1/x1＜1.5)的質量比的合計值比Tix2 Oy2 (其中滿足1.5≦y2/x2≦2.0)的質量比的合計值大較佳。據此，薄膜加熱器部13的體積電阻率不過大，可節省電力消耗(power consumption)。而且，即使在高溫被長時間保持，成分變化也少，即使發生成分變化，也容易保持可作為加熱器使用的範圍的體積電阻率。
薄膜加熱器部13適合藉由以Ti粉末或Ti粉末與TiO2 粉末的混合物當作熔射材料的熔射法製作。即使使用僅由鈦粉末構成的熔射材料，也因藉由熔射法透過由火焰造成的高熱與空氣中的氧使得鈦的氧化進行，故可形成包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜。而且，藉由熔射法或熔射條件的變更，也能微調熔射塗膜中的Ti與O的比率。
薄膜加熱器部13藉由由TiO2 構成的熔射塗膜構成的情形，如後述因體積電阻率過大，故很難當作加熱器操作。相對於此，若是包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)，亦即氧原子數對鈦原子數的比率為未滿2的氧化鈦之熔射塗膜，則可得到適當的體積電阻率，可發揮作為薄膜加熱器部13優良的功能。而且，具有這種組成的薄膜加熱器部13即使長時間曝露於高溫環境，體積電阻率也難以變動，作為加熱器的穩定性優良。
以下顯示依照本發明的氧化鈦塗膜，與以往作為加熱器被採用的鎢塗膜之測定各自的體積電阻率的實驗結果。
製作藉由熔射法形成包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的氧化鈦塗膜的樣品(sample)當作試樣A。首先，以Al2 O3 粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法(atmospheric plasma spraying method)在鋁基材上形成厚度300μm的Al2 O3 塗膜。其次，以Ti粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在Al2 O3 塗膜上形成包含厚度150μm的Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜(關於組成的詳細如下列表1所示)。最後，以Y2 O3 粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在包含該Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜上形成厚度300μm的Y2 O3 塗膜。
製作藉由熔射法形成鎢塗膜的樣品當作試樣B。以Al2 O3 粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在鋁基材上形成厚度300μm的Al2 O3 塗膜。其次，以鎢粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在Al2 O3 塗膜上形成厚度150μm的鎢塗膜。最後，以Y2 O3 粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在鎢塗膜上形成厚度300μm的Y2 O3 塗膜。
對試樣A如下所示重複室溫到300℃的升溫及冷卻，以4端子法測定了在升溫時的各溫度的體積電阻率(Ω·cm)。將測定結果顯示於圖3。 第1次：由室溫升溫到300℃保持3小時。然後放置到室溫為止。 第2次：由室溫升溫到300℃保持3小時。然後放置到室溫為止。 第3次：由室溫升溫到300℃保持3小時。然後放置到室溫為止。 第4次：由室溫升溫到300℃保持3小時。然後放置到室溫為止。 第5次：由室溫升溫到300℃保持18小時。然後放置到室溫為止。 第6次：由室溫升溫到300℃保持70小時。然後放置到室溫為止。
對試樣B如下所示重複室溫到300℃的升溫及冷卻，以4端子法測定了在升溫時的各溫度的體積電阻率(Ω·cm)。將測定結果顯示於圖4。 第1次：由室溫升溫到300℃保持3小時。然後放置到室溫為止。 第2次：由室溫升溫到300℃保持7小時。然後放置到室溫為止。 第3次：由室溫升溫到300℃保持20小時。然後放置到室溫為止。 第4次：由室溫升溫到300℃保持70小時。然後放置到室溫為止。
如圖4所示，在試樣B中薄膜加熱器部13的體積電阻率隨著溫度上升而增加，但一停止升溫放置到室溫為止，就返回到接近加熱前的初期的狀態的體積電阻率的值。但是，在加熱前的室溫下的體積電阻率，與在一次加熱後的室溫下的體積電阻率不一致，顯示了增加的傾向。而且，該傾向為升溫的次數越增加，越顯著地顯現，若比較在初期狀態的室溫下的體積電阻率，與經過4次的升溫過程在冷卻後的室溫下的體積電阻率，則可看到0.5×10-4 (Ω·cm)左右的體積電阻率的變化。而且如圖4所示，這種體積電阻率的增加傾向不僅初期值(室溫時)，升溫後(例如300℃時)也看得到，在任一個溫度狀態都被確認了體積電阻率增加。進而確認了這種體積電阻率的變化在薄膜加熱器部13上被覆有陶瓷絕緣層14的情形也會發生。
另一方面如圖3所示，在試樣A中薄膜加熱器部13的體積電阻率隨著溫度上升而減少，一停止加熱放置到室溫為止，就返回到與加熱前的初期的狀態大致相同的體積電阻率的值。而且，在試樣A中即使在高溫暫時保持後，在室溫時的體積電阻率也幾乎看不到變化，即使重複同樣的升溫及高溫保持，也依然看不到變化。而且，關於試樣A，溫度上升時的體積電阻率的變化量本身也比試樣B中的體積電阻率的變化量小。
由以上確認了，藉由以依照本發明的包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜當作薄膜加熱器部使用，在室溫、升溫時的任一個中體積電阻率的變化都少，可得到穩定的發熱構件。
其次，為了進行更進一步的比較，製作藉由熔射法形成TiO2 塗膜的樣品當作試樣C。首先，以Al2 O3 粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在鋁基材上形成厚度300μm的Al2 O3 塗膜。其次，以TiO2 粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在Al2 O3 塗膜上形成厚度150μm的TiO2 塗膜。最後，以Y2 O3 粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在TiO2 塗膜上形成厚度300μm的Y2 O3 塗膜。而且，準備厚度150μm的Ti塊材基材(bulk substrate)當作試樣D。
將試樣C及試樣D的各自的薄膜加熱器部13升溫到300℃，然後以100小時、原封不動的溫度保持。
而且，為了調查各試樣A~D中的加熱前與300℃、100小時加熱後的薄膜加熱器部的組成，使用Ｘ射線繞射儀(X-ray diffractometer)進行了成分分析。在表1及表2中顯示各熔射塗膜中的剛熔射後、在室溫下的組成，與300℃、100小時熱處理後的組成。而且，為了評價作為加熱器的適當與否，也就試樣C及試樣D以4端子法測定了300℃、100小時加熱後的薄膜加熱器部的體積電阻率(Ω·cm)。如表1及表2所示認定了，相對於在將鈦粉末熔射而得的熔射塗膜(試樣A)中，即使重複高溫的保持，成分比率也為Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的範圍內，在將鎢粉末熔射而得的熔射塗膜(試樣B)中，因重複高溫保持而產生氧化鎢(W3 O8 )。可考慮為該氧化鎢(W3 O8 )影響體積電阻率的變動。
[表1]
[表2]
由以上，顯然藉由以包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜形成形成於發熱構件11中的基材部12上之薄膜加熱器部13，具有適合當作加熱器使用的體積電阻率，且即使重複高溫保持，也可難以使體積電阻率變化。
更進一步準備以下的試樣E~H當作本發明的其他的實施例。
試樣E：以Al2 O3 粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在鋁基材上形成厚度450μm的Al2 O3 塗膜。接著，將熔射噴嘴至基材部的距離設定為135mm，以Ti粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在Al2 O3 塗膜上形成厚度150μm的包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜。
試樣F：以Al2 O3 粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在鋁基材上形成厚度450μm的Al2 O3 塗膜。接著，將熔射噴嘴至基材部的距離設定為220mm，以Ti粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在Al2 O3 塗膜上形成厚度150μm的包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜。
試樣G：以Al2 O3 粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在鋁基材上形成厚度450μm的Al2 O3 塗膜。接著，將熔射噴嘴至基材部的距離設定為360mm，以Ti粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在Al2 O3 塗膜上形成厚度150μm的包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜。
試樣H：以Al2 O3 粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在鋁基材上形成厚度450μm的Al2 O3 塗膜。接著，將熔射噴嘴至基材部的距離設定為500mm，以Ti粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在Al2 O3 塗膜上形成厚度150μm的包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜。
將各試樣E~H的薄膜加熱器部中的利用Ｘ射線繞射儀進行的成分分析的結果，與熔射後室溫狀態下的使用4端子法之體積電阻率(Ω·cm)的測定結果顯示於表3及圖5。
如表3及圖5所示得知，有即使是相同的Ti粉末材料，熔射距離越大，Tix Oy (其中滿足1.5≦y/x＜2.0)或TiO2 對熔射塗膜全體的比例越增加，體積電阻率也越增加的傾向。
[表3]
更進一步準備以下的試樣I~K當作本發明的其他的實施例。
試樣I：以Al2 O3 粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在鋁基材上形成厚度450μm的Al2 O3 塗膜。接著，以Ti與TiO2 的混合粉末(Ti/TiO2 =75/25(質量比))當作原料，藉由大氣電漿熔射法在Al2 O3 塗膜上形成厚度150μm的包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜。
試樣J：以Al2 O3 粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在鋁基材上形成厚度450μm的Al2 O3 塗膜。接著，以Ti與TiO2 的混合粉末(Ti/TiO2 =50/50(質量比))當作原料，藉由大氣電漿熔射法在Al2 O3 塗膜上形成厚度150μm的包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜。
試樣K：以Al2 O3 粉末當作原料，藉由大氣電漿熔射法在鋁基材上形成厚度450μm的Al2 O3 塗膜。接著，以Ti與TiO2 的混合粉末(Ti/TiO2 =25/75(質量比))當作原料，藉由大氣電漿熔射法在Al2 O3 塗膜上形成厚度150μm的包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜。
將各試樣I~K的薄膜加熱器部中的利用Ｘ射線繞射儀進行的成分分析的結果，與熔射後室溫狀態下的使用4端子法之體積電阻率(Ω·cm)的測定結果顯示於表4及圖6。
如表4及圖6所示得知，有即使是相同的熔射距離，隨著TiO2 粉末對Ti粉末的混合比例增加，Tix Oy (其中滿足1.5≦y/x＜2.0)或TiO2 對熔射塗膜全體的比例增加，體積電阻率也增加的傾向。此外，在試樣K中雖然在混合粉末中包含TiO2 粉末比Ti粉末還多，但在成為熔射塗膜的時間點TiO2 的比例減少。其理由可考慮為大氣電漿熔射時的TiO2 的還原。如此不僅熔射材料，也能依照熔射法的種類進行所形成的熔射塗膜的成分調整。
[表4]
薄膜加熱器部13係依照用以調節加溫對象物的溫度所需的輸出，決定厚度t、線寬s、長度及體積電阻率並落在規定的電阻值而被設定。用以當作加熱器使用的體積電阻率的大小的大致標準為1.0×10-4 ~1.0×10-2 (Ω·cm)。但是實際上因存在形成薄膜加熱器部13時的不均，故有不成為照設計那樣的電阻值的情形。特別是厚度t及線寬s很重要，厚度t或線寬s局部地變大的情形，由於該部分的電阻值降低而很難發熱，有時會在加溫對象物的一部分產生了溫度低的部分。
在這種情形下，在形成薄膜加熱器部13後，檢測電阻值變低的部分，刮掉薄膜加熱器部13的一部分並修正厚度t或線寬s以使電阻值落在規定的範圍也可以。也就是說，薄膜加熱器部13的厚度t及線寬s不為一樣也可以，在一部分有缺口部分也可以。而且，作為提高溫度均勻性的其他的方法，在薄膜加熱器部13上配設熱擴散板以降低溫度不均也可以。
本發明的發熱構件適合被使用於例如電子零件等的高溫特性調查用的裝置、後述的電漿處理裝置中的溫度控制零件等。
實施形態2 圖7是與本發明的一形態有關的發熱構件所適用的電漿處理裝置之剖面示意圖。如圖7在電漿處理裝置的真空室(vacuum chamber)20內配設有用以保持晶圓27的靜電吸盤25，藉由未圖示的運送臂等使晶圓27取出和放入到真空室20的內外。在真空室20設置有氣體導入裝置22或上部電極28等。靜電吸盤25內建下部電極，在該下部電極與上部電極28連接有高頻電源29。在下部電極與上部電極28之間一施加高頻，所導入的處理氣體就被電漿化，藉由所產生的電漿的離子被引入到晶圓27以進行蝕刻(etching)，此時晶圓27的溫度上升。在晶圓27的周圍配置有聚焦環26，以使在晶圓27的外緣部附近中蝕刻的效果不會降低。在晶圓27的下方設置有保持一定的晶圓27的溫度用的第一薄膜加熱器部23a。在聚焦環26的下方設置有保持一定的聚焦環26的溫度用的第二薄膜加熱器部23b。
圖8是圖7中的靜電吸盤25之放大剖面示意圖。靜電吸盤25具備：保持晶圓27及聚焦環26之基台部32；形成於該基台部32的表面之第一絕緣層33；形成於第一絕緣層33的表面之第一薄膜加熱器部23a及第二薄膜加熱器部23b；以覆蓋該等第一及第二薄膜加熱器部23a、23b的方式形成於第一絕緣層33的表面之第二絕緣層35；形成於第二絕緣層35上的表面之電極部36；以覆蓋電極部36的方式形成於最外層之介電層(dielectric layer)37。也就是說，在本實施形態中的靜電吸盤25設置有上述第一及第二薄膜加熱器部23a、23b，基台部32及第一絕緣層33當作基材部，該等構件構成與本發明的一形態有關的發熱構件。
靜電吸盤25的側面藉由由透過熔射形成的Al2 O3 塗膜構成的被覆層38被覆，以使電漿的影響不會及於靜電吸盤25的內部。
在靜電吸盤25形成有貫通於上下方向的氣孔39，該氣孔39連接於形成於介電層37的表面的未圖示的冷卻溝。例如氦氣經由氣孔39被導入到晶圓27與靜電吸盤25之間。因真空室20內被減壓，故由晶圓27朝靜電吸盤25之導熱性(thermal conductivity)低。藉由將氣體導入到晶圓27與靜電吸盤25之間，熱由晶圓27傳導到靜電吸盤25，據此確保晶圓27的冷卻效果。
第一及第二薄膜加熱器部23a、23b係藉由通電而發熱。第一及第二薄膜加熱器部23a、23b藉由與在實施形態1顯示的薄膜加熱器部13相同的方法形成，具有同樣的組成。用以將電力送至第一薄膜加熱器部23a的第一供電銷40貫通基台部32及第一絕緣層33而被電連接於第一薄膜加熱器部23a，以調節給予第一薄膜加熱器部23a的輸出。而且，用以將電力送至第二薄膜加熱器部23b的第二供電銷41貫通基台部32及第一絕緣層33而被電連接於第二薄膜加熱器部23b，以調節給予第二薄膜加熱器部23b的輸出。進而用以將電力送至電極部36的第三供電銷43貫通基台部32、第一絕緣層33及第二絕緣層35而被電連接於電極部36，電壓之施加於電極部36被調節。在基台部32中形成有通過冷媒的冷卻路徑42，藉由通過冷卻路徑42的冷媒使基台部32被冷卻。
構成基台部32的材料不被限定，例如可採用：鋁合金、鈦合金、銅合金、不銹鋼等的金屬；AlN、SiC等的陶瓷；該等金屬或陶瓷的複合材(composite)等。流到基台部32的冷卻路徑42的冷媒的溫度為-20~200℃。該冷媒的溫度可依照將晶圓27及聚焦環26冷卻的速度與第一及第二薄膜加熱器部23a、23b的加溫能力進行調節。
形成於基台部32的表面的第一絕緣層33由藉由熔射形成的Al2 O3 塗膜構成，將基台部32與第一薄膜加熱器部23a之間，及基台部32與第二薄膜加熱器部23b之間絕緣。以覆蓋第一及第二薄膜加熱器部23a、23b的方式形成於第一絕緣層33的表面的第二絕緣層35由藉由熔射形成的Al2 O3 塗膜構成，將第一薄膜加熱器部23a與電極部36之間絕緣。第一絕緣層33的厚度及第二絕緣層35的厚度都是50~400μm。可藉由變更第一絕緣層33及第二絕緣層35的厚度或原料，控制第一絕緣層33及第二絕緣層35所產生的排熱效率。
若使第一絕緣層33的厚度及第二絕緣層35的厚度變薄，使原料成為熱傳導係數(heat conduction coefficient)高的原料，則可提高排熱效率。排熱效率一被提高，晶圓27及聚焦環26的冷卻速度就增加。另一方面，藉由使第一絕緣層33的厚度變薄，基台部32容易奪去第一及第二薄膜加熱器部23a、23b的熱，因此需使第一及第二薄膜加熱器部23a、23b高輸出化。若使第一絕緣層33的厚度及第二絕緣層35的厚度變厚，使原料成為熱傳導係數低的原料，則可降低排熱效率。具有低的熱傳導係數的代表的原料有PSZ(部分穩定氧化鋯(Partially Stabilized Zirconia))。一降低排熱效率，晶圓27及聚焦環26的冷卻速度就下降。另一方面，因藉由第一絕緣層33的厚度變大，或原料成為熱傳導係數低者，使基台部32難以奪去第一及第二薄膜加熱器部23a、23b的熱，故無需使第一及第二薄膜加熱器部23a、23b高輸出化。例如在晶圓27及聚焦環26的冷卻速度過大的情形下，只要加大第一絕緣層33的厚度及第二絕緣層35的厚度，使原料成為熱傳導係數低者即可，此情形可降低第一及第二薄膜加熱器部23a、23b的最大輸出(maximum output)。
形成於第二絕緣層35的表面的電極部36是由藉由熔射形成的鎢塗膜構成。藉由電壓被施加於電極部36使晶圓27被吸附於靜電吸盤25。以覆蓋電極部36的方式形成於第二絕緣層35的表面之介電層37是由藉由熔射形成的Al2 O3 塗膜構成。電極部36的厚度為30~100μm，介電層37的厚度為50~400μm。
構成第一絕緣層33、第二絕緣層35及介電層37的Al2 O3 塗膜是分別在基台部32、第一絕緣層33、第二絕緣層35的表面藉由以Al2 O3 粉末當作原料的大氣電漿熔射法形成。構成電極部36的鎢塗膜是在第二絕緣層35的表面藉由以鎢粉末當作原料的大氣電漿熔射法形成。用以得到Al2 O3 塗膜及鎢塗膜的熔射法不限於大氣電漿熔射法，也可以為低壓電漿熔射法(low pressure plasma spraying method)、水電漿熔射法(water plasma spraying method)或高速及低速火焰熔射法(high velocity and low velocity flame spraying method)。
熔射粉末採用粒徑5~80μm的粒度範圍(size range)較佳。其理由乃因若粒徑過小，則粉末的流動性降低無法進行穩定的供給，塗膜的厚度容易成為不均勻，另一方面若粒徑過大，則在未完全熔融下被成膜，過度地被多孔化而使膜質變粗糙。
構成第一絕緣層33、第一及第二薄膜加熱器部23a、23b、第二絕緣層35、電極部36及介電層37的各熔射塗膜的厚度的總和以200~1500μm的範圍較佳，更佳為300~1000μm的範圍。乃因在厚度未滿200μm下，該熔射塗膜的均勻性降低，無法充分地發揮塗膜功能，若超過1500μm，則因該熔射塗膜內的殘留應力的影響變大而容易破裂。
上述的各熔射塗膜為多孔體(porous body)，其平均孔隙率以1~10%的範圍較佳。平均孔隙率可依照熔射法及/或熔射條件進行調整。在比1%小的孔隙率中，存在於各熔射塗膜內的殘留應力的影響變大，有容易破裂之虞。在超過10%的孔隙率中，半導體製程所使用的各種氣體容易侵入各熔射塗膜內，有耐久性(durability)降低之虞。
在上述的例子中，雖然作為構成第一絕緣層33、第二絕緣層35、介電層37及被覆層38的各熔射塗膜的材料採用Al2 O3 ，但其他的氧化物系陶瓷、氮化物系陶瓷、氟化物系陶瓷、碳化物系陶瓷、硼化物系陶瓷或包含氧化物系陶瓷、氮化物系陶瓷、氟化物系陶瓷、碳化物系陶瓷、硼化物系陶瓷的化合物或混合物也可以。其中以氧化物系陶瓷、氮化物系陶瓷、氟化物系陶瓷或包含氧化物系陶瓷、氮化物系陶瓷、氟化物系陶瓷的化合物較佳。
氧化物系陶瓷在電漿蝕刻製程(plasma etching process)被使用的O系的電漿中穩定，在Cl系的電漿中也顯示比較良好的耐電漿性。因氮化物系陶瓷為高硬度，故與晶圓的摩擦造成的損傷少，磨耗粉等不易產生。而且，因熱傳導率較高，故容易控制處理中的晶圓的溫度。氟化物系陶瓷在F系的電漿中穩定，可發揮優良的耐電漿性。
作為Al2 O3 以外的氧化物系陶瓷的具體例可舉出TiO2 、SiO2 、Cr2 O3 、ZrO2 、Y2 O3 、MgO、CaO。作為氮化物系陶瓷可舉出TiN、TaN、AlN、BN、Si3 N4 、HfN、NbN、YN、ZrN、Mg3 N2 、Ca3 N2 。作為氟化物系陶瓷可舉出LiF、CaF2 、BaF2 、YF3 、AlF3 、ZrF4 、MgF2 。作為碳化物系陶瓷可舉出TiC、WC、TaC、B4 C、SiC、HfC、ZrC、VC、Cr3 C2 。作為硼化物系陶瓷可舉出TiB2 、ZrB2 、HfB2 、VB2 、TaB2 、NbB2 、W2 B5 、CrB2 、LaB6 。
關於第一絕緣層33及第二絕緣層35，在上述之中也是使所需的導熱性與絕緣性並存的材料特別適合，關於介電層37，在上述之中也是兼備導熱性(介電層的熱傳導率高的較佳)、介電性、耐電漿性及耐磨耗性的材料特別適合。
圖9及圖10是分別顯示位於晶圓27的下方的第一薄膜加熱器部23a的圖案例之平面示意圖。
圖9所示的第一薄膜加熱器部23a形成於基台部32上，配合載置於第一薄膜加熱器部23a的上方的晶圓27的形狀疑似地形成圓形狀。更詳細為第一薄膜加熱器部23a形成略同心圓狀。第一薄膜加熱器部23a由位於圓形的基台部32的外緣附近的一方的端部朝圓的對面的地點描繪弧形而延伸，由該對面的地點折回到中心側而彎曲，同樣地描繪弧形並延伸到原先的出發點附近。然後，再度由出發點附近折回到中心側而彎曲，將其重複複數次，慢慢地接近圓的中心而延伸。若到達圓的中心，接著以成為左右對稱的方式由圓的中心朝外緣側描繪複數次弧形而延伸，經過複數次的彎曲，到達位於基台部的外緣附近的另一方的端部。如此，藉由將第一薄膜加熱器部23a描繪成略同心圓狀，可藉由一條線形成可均勻地將面內加熱的圓形的疑似面。
第一薄膜加熱器部23a被以1~20mm的線寬s配線成細長狀。第一薄膜加熱器部23a的線寬s為20mm以下較佳，5mm以下更佳。因第二絕緣層35與第一薄膜加熱器部23a的密著力比第二絕緣層35與第一絕緣層33的密著力低，故若第一薄膜加熱器部23a的線寬s超過20mm，第一絕緣層33的露出範圍變少，則會出現第一薄膜加熱器部23a上的第二絕緣層35剝落的可能性。另一方面，若線寬s比1mm小，則斷線發生的可能性變高。因此，第一薄膜加熱器部23a的線寬s為1mm以上較佳，2mm以上更佳。
第一薄膜加熱器部23a的線間距離d為0.5mm以上較佳，1mm以上更佳。乃因第一薄膜加熱器部23a的線間距離d過小的話會短路。而且，因第二絕緣層35與第一薄膜加熱器部23a的密著力比第二絕緣層35與第一絕緣層33的密著力低，故若第一薄膜加熱器部23a的線間距離d小，第一絕緣層33的露出範圍變少，則會出現第一薄膜加熱器部23a上的第二絕緣層35剝落的可能性。另一方面，若線間距離d過於擴大，則藉由第一薄膜加熱器部23a加熱的面積減少，有損及溫度分布的均勻性之虞。因此，第一薄膜加熱器部23a的線間距離d為50mm以下較佳，5mm以下更佳。
第一薄膜加熱器部23a如圖10藉由內側加熱器部23d與位於其外側的外側加熱器部23f構成也可以。若分成內側加熱器部23d與外側加熱器部23f的兩個構件，則可各自獨立控制，可使靜電吸盤25的內側的區域與外側的區域升溫至互異的溫度。內側加熱器部23d及外側加熱器部23f的線寬s及線間距離d與圖9所示的例子相同也可以，惟在內側加熱器部23d與外側加熱器部23f之間使設計不同也可以。
如此，第一薄膜加熱器部23a的構成數不被限定，依照加熱的區域以如圖9的一個構件構成也可以，且以如圖10的兩個構件構成也可以，或以三個以上的構件構成也可以。
圖11是顯示位於聚焦環26的下方的第二薄膜加熱器部23b的圖案之平面示意圖。如圖11第二薄膜加熱器部23b形成於基台部32上，配合載置於第二薄膜加熱器部23b的上方的聚焦環26的形狀疑似地形成環狀。更詳細為第二薄膜加熱器部23b形成略同心圓狀。第二薄膜加熱器部23b由位於圓形的基台部32的外緣附近的一方的端部朝圓的對面的地點描繪弧形而延伸，由該對面的地點折回到中心側而彎曲，延伸到原先的出發點附近。然後，再度由出發點附近折回到中心側而彎曲，將其重複複數次並形成環狀的一半。然後，就其餘的一半以成為左右對稱的方式描繪弧形而延伸，經過複數次的彎曲，到達位於基台部的外緣附近的另一方的端部。如此，藉由將第二薄膜加熱器部23b描繪成略同心圓狀，可藉由一條線形成可均勻地將面內加熱的環狀的疑似面。
第二薄膜加熱器部23b的線寬s基於與第一薄膜加熱器部23a同樣的理由，20mm以下較佳，10mm以下更佳。而且，第二薄膜加熱器部23b的線寬s為1mm以上較佳，2mm以上更佳。
第二薄膜加熱器部23b的線間距離d基於與第一薄膜加熱器部23a同樣的理由，0.5mm以上較佳，1mm以上更佳。第二薄膜加熱器部23b的線間距離d為50mm以下較佳，5mm以下更佳。
與第一薄膜加熱器部23a一樣，第二薄膜加熱器部23b的構成數不被限定，依照加熱的區域以如圖11的一個構件構成也可以，且以兩個以上的構件構成也可以。
在形成第一薄膜加熱器部23a及第二薄膜加熱器部23b前，預先使將電力送至第一薄膜加熱器部23a的第一供電銷40及將電力送至第二薄膜加熱器部23b的第二供電銷41貫通基台部32及第一絕緣層33，使第一供電銷40的上端面及第二供電銷41的上端面露出到第一絕緣層33的表面。然後，藉由以熔射在第一絕緣層33上形成第一薄膜加熱器部23a及第二薄膜加熱器部23b，使第一供電銷40與第一薄膜加熱器部23a被電連接，使第二供電銷41與第二薄膜加熱器部23b被電連接。電極部36的情形也一樣，預先使將電力送至電極部36的第三供電銷43貫通基台部32、第一絕緣層33及第二絕緣層35，使第三供電銷43的上端面露出到第二絕緣層35的表面。然後，藉由以熔射在第二絕緣層35的表面形成電極部36，使第三供電銷43與電極部36被電連接。
給予第一薄膜加熱器部23a及第二薄膜加熱器部23b的輸出的調整使用閘流體(thyristor)及/或反相器(inverter)等，為了得到所需的升溫狀態，例如100kW/m2 左右的電力被輸出到第一及第二薄膜加熱器部23a、23b。藉由使溫度感測器內建於靜電吸盤25內的所需部位，檢測各部位的溫度，或以非接觸檢測晶圓27乃至聚焦環26的溫度，對第一薄膜加熱器部23a及第二薄膜加熱器部23b進行回饋控制(feedback control)也可以。
上述實施形態為舉例說明而不是限制的說明。例如調換第一薄膜加熱器部23a及第二薄膜加熱器部23b與電極部36的位置也可以。而且，將第一薄膜加熱器部23a及第二薄膜加熱器部23b與電極部36形成於相同層也可以。絕緣層、電極部、供電銷、氣孔及冷卻路徑的形態可依照半導體製程適宜變更。晶圓接觸的介電層的表面以壓花(emboss)狀而控制吸附性也可以。藉由靜電吸盤保持的對象物為哪一種東西都可以，除了晶圓之外，也可以舉出平面面板顯示器(flat panel display)的玻璃基板等。
11‧‧‧發熱構件
12‧‧‧基材部
13‧‧‧薄膜加熱器部
14‧‧‧絕緣層
15、16‧‧‧引線
19a、19b‧‧‧端子
20‧‧‧真空室
22‧‧‧氣體導入裝置
23a‧‧‧第一薄膜加熱器部
23b‧‧‧第二薄膜加熱器部
23d‧‧‧內側加熱器部
23f‧‧‧外側加熱器部
25‧‧‧靜電吸盤
26‧‧‧聚焦環
27‧‧‧晶圓
28‧‧‧上部電極
29‧‧‧高頻電源
32‧‧‧基台部
33‧‧‧第一絕緣層
35‧‧‧第二絕緣層
36‧‧‧電極部
37‧‧‧介電層
38‧‧‧被覆層
39‧‧‧氣孔
40‧‧‧第一供電銷
41‧‧‧第二供電銷
42‧‧‧冷卻路徑
43‧‧‧第三供電銷
d‧‧‧線間距離
s‧‧‧線寬(寬度)
t‧‧‧厚度
圖1是顯示與本發明的一形態有關的發熱構件的基本的構成之斜視示意圖。 圖2是顯示薄膜加熱器部的典型圖案之平面示意圖。 圖3是顯示伴隨著試樣A的薄膜加熱器部的溫度變化之體積電阻率的變化之圖表。 圖4是顯示伴隨著試樣B的薄膜加熱器部的溫度變化之體積電阻率的變化之圖表。 圖5是顯示試樣E~H的薄膜加熱器部的成分比率之圖表。 圖6是顯示試樣I~K的薄膜加熱器部的成分比率之圖表。 圖7是與本發明的一形態有關的發熱構件所適用的電漿處理裝置之剖面示意圖。 圖8是圖7中的靜電吸盤(electrostatic chuck)之放大剖面示意圖。 圖9是顯示位於晶圓的下方的薄膜加熱器部的圖案(pattern)例之平面示意圖。 圖10是顯示位於晶圓的下方的薄膜加熱器部的其他的圖案例之平面示意圖。 圖11是顯示位於聚焦環(focus ring)的下方的薄膜加熱器部的圖案之平面示意圖。
11‧‧‧發熱構件
12‧‧‧基材部
13‧‧‧薄膜加熱器部
14‧‧‧絕緣層
15、16‧‧‧引線
d‧‧‧線間距離
s‧‧‧線寬(寬度)
t‧‧‧厚度

Claims (7)

  1. 一種發熱構件，其特徵在於包含： 基材部；以及 形成於該基材部上之薄膜加熱器部， 該薄膜加熱器部由包含Tix Oy (其中滿足0＜y/x＜2.0)的熔射塗膜構成。
  2. 如申請專利範圍第1項之發熱構件，其中該熔射塗膜包含Tix1 Oy1 (其中滿足0＜y1/x1＜1.5)及Tix2 Oy2 (其中滿足1.5≦y2/x2≦2.0)。
  3. 如申請專利範圍第2項之發熱構件，其中該熔射塗膜中，Tix1 Oy1 (其中滿足0＜y1/x1＜1.5)的質量比的合計值比Tix2 Oy2 (其中滿足1.5≦y2/x2≦2.0)的質量比的合計值大。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之發熱構件，其中該薄膜加熱器部的寬度為1~20mm。
  5. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之發熱構件，其中該薄膜加熱器部的厚度為30~1000μm。
  6. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之發熱構件，其中該薄膜加熱器部的線間距離為0.5~50mm。
  7. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之發熱構件，其中在該薄膜加熱器部之上具有陶瓷絕緣層。
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