(57)【要約】  【課題】  長期信頼性が向上したヒータを提供する。  【解決手段】  本発明の一態様のヒータ１０は、セラミック体１と、セラミック体１の主面に設けられた、金属粒子を含む発熱抵抗体２とを備えており、発熱抵抗体２は、断面視したときに、セラミック体１に接する第１の面２１における金属粒子よりも第１の面２１の反対側に位置する第２の面２２における金属粒子の方が主面に平行な方向に長い。主面に平行な方向に長い粒子を有する第２の面２２は、主面に垂直な方向の界面が少なくなっている。これにより、仮にクラックが発生したとしても、発生したクラックの進展を抑制することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック体と、該セラミック体の主面に設けられた、金属粒子を含む発熱抵抗体とを備えており、該発熱抵抗体は、断面視したときに、前記セラミック体に接する第１の面における前記金属粒子よりも前記第１の面の反対側に位置する第２の面における前記金属粒子の方が前記主面に平行な方向に長いことを特徴とするヒータ。
【請求項２】
前記発熱抵抗体は、前記第２の面における空隙率が前記第１の面における空隙率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
【請求項３】
前記発熱抵抗体は、前記第２の面における前記金属粒子の形状が、前記主面に平行な方向に広がった形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
【請求項４】
前記発熱抵抗体は、前記第２の面における前記金属粒子の形状が、前記主面に平行な方向において長手方向と短手方向とを有する形状であるとともに、前記第２の面における複数の前記金属粒子は、それぞれの長手方向が揃うように配列していることを特徴とする請求項３に記載のヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の製造工程または液晶表示装置の製造工程等において、半導体ウエハ等の各試料を加熱するための部品としてヒータが知られている。ヒータとしては、例えば、特許文献１に記載のヒータ基板が挙げられる。特許文献１に記載のヒータ基板は、セラミック基体と、セラミック基体の裏面に形成された発熱体回路とを備えている。ヒータ基板は、セラミック基体の主面に被加熱物を搭載して用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２８６１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のヒータ基板は、ヒートサイクル下において、セラミック基体と発熱体回路との間に熱応力が生じる場合があった。これにより、発熱体回路ののうちセラミック基体と接する面からクラックが生じ、発熱体回路のうちセラミック基体と接する面の反対側の面にまで到達する場合があった。その結果、ヒータ基板の長期信頼性を向上させることが困難であった。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、長期信頼性を向上したヒータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様のヒータは、セラミック体と、該セラミック体の主面に設けられた、金属粒子を含む発熱抵抗体とを備えており、該発熱抵抗体は、断面視したときに、前記セラミック体に接する第１の面における前記金属粒子よりも前記第１の面の反対側に位置する第２の面における前記金属粒子の方が前記主面に平行な方向に長いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一態様のヒータによれば、発熱抵抗体のうちセラミック体に接する第１の面における金属粒子よりも第１の面の反対側に位置する第２の面における金属粒子の方が主面に平行な方向に長い。主面に平行な方向に短い粒子を有する第１の面においてセラミック基体との間に発生する熱応力を低減することができる。これにより、発熱抵抗体におけるクラックの発生を低減できる。また、主面に平行な方向に長い粒子を有する第２の面は、主面に垂直な方向の界面が少なくなっている。これにより、仮にクラックが発生したとしても、発生したクラックの進展を抑制することができる。これらの結果、ヒータの長期信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態のヒータを示す断面図である。
【図２】図１に示したヒータの領域Ａを拡大した部分拡大断面図である。
【図３】本発明のヒータの変形例を示す部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態に係るヒータ１０について、図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は本発明の一実施形態のヒータ１０を示す断面図である。図１に示すように、本発明の一実施形態のヒータ１０は、セラミック体１と、セラミック体１の下面に設けられた発熱抵抗体２と、セラミック体１の内部に設けられた吸着電極３とを備えている。
【００１１】
＜セラミック体１の構成＞
セラミック体１は、上面に試料保持面１１を有する板状の部材である。セラミック体１は、上面の試料保持面１１において、例えば、シリコンウエハ等の試料を保持する。ヒータ１０は、平面視したときのセラミック体１の形状が円形状の部材である。セラミック体１は、例えばアルミナ質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス、窒化珪素質セラミックスまたはイットリア質セラミックス等のセラミック材料からなる。セラミック体１の下面には、発熱抵抗体２が設けられている。セラミック体１の寸法は、例えば、径を２００〜５００ｍｍ、厚みを２〜１５ｍｍに設定できる。
【００１２】
このヒータ１０によって試料を保持する方法としては、様々な方法を用いることができるが、本実施形態のヒータ１０は静電気力によって試料を保持する。そのため、ヒータ１０は、セラミック体１の内部に吸着電極３を備えている。
【００１３】
吸着電極３は、２つの電極から構成されている。２つの電極は、一方が電源の正極に接続され、他方が負極に接続される。２つの電極は、それぞれ略半円板状に形成され、半円の弦同士が対向するように、円形状のセラミック体１の内部に配置される。２つの電極が合わさって、吸着電極３全体の外形が円形状となっている。この吸着電極３全体による円形状の外形の中心は、同じく円形状のセラミック体１の外形の中心と同一に設定される。吸着電極３は、例えばタングステンまたはモリブデン等の金属材料からなる。
【００１４】
＜発熱抵抗体２の構成＞
発熱抵抗体２は、セラミック体１の上面の試料保持面１１に保持された試料を加熱するための部材である。発熱抵抗体２は、セラミック体１の下面に設けられている。発熱抵抗体２に電圧を印加して電流を流すことによって、発熱抵抗体２を発熱させることができる。発熱抵抗体２で発せられた熱は、セラミック体１の内部を伝わって、セラミック体１の上面における試料保持面１１に到達する。これにより、試料保持面１１に保持された試料を加熱することができる。発熱抵抗体２は、複数の湾曲部を有する線状のパターンであって、セラミック体１の下面のほぼ全面に形成されている。これにより、ヒータ１０の上面において熱分布にばらつきが生じることを抑制できる。
【００１５】
発熱抵抗体２は、導体成分およびガラス成分を含んでいる。導体成分としては、例えば銀パラジウム、白金、アルミニウムまたは金等の金属粒子を含んでいる。ガラス成分が発泡してしまうことを抑制するために、金属材料としては大気中で焼結可能な金属を選択することが好ましい。また、ガラス成分としては、珪素、アルミニウム、ビスマス、カルシウム、ホウ素および亜鉛等の材料の酸化物を含んでいる。
【００１６】
ヒータ１０の温度制御には以下の方法を用いることができる。具体的には、セラミック体１に熱電対を接触させてこの熱電対の熱起電力を測定することによって発熱抵抗体２の温度を測定できる。また、セラミック体１に、測温抵抗体を接触させてこの測温抵抗体の抵抗を測定することによっても発熱抵抗体２の温度を測定できる。以上のようにして測定した発熱抵抗体２の温度に基づいて、発熱抵抗体２に印加する電圧を調整することによって、ヒータ１０の温度が一定になるように制御することができる。
【００１７】
上述した通り、発熱抵抗体２は、原料としてガラス成分を含んでいる。発熱抵抗体２は
、ガラス成分を含んでいることによって、焼結に必要な温度が低くなっている。また、発熱抵抗体２は、ガラス成分を有することによって、セラミック体１との密着性が向上している。
【００１８】
ここで、発熱抵抗体２は、図２に示すように、断面視したときに、セラミック体１に接する第１の面２１における金属粒子よりも第１の面２１の反対側に位置する第２の面２２における金属粒子の方が、主面に平行な方向に長い。主面に平行な方向に短い粒子を有する第１の面２１において、セラミック基体との間に発生する熱応力を低減することができる。これにより、発熱抵抗体２におけるクラックの発生を低減できる。また、主面に平行な方向に長い粒子を有する第２の面２２は、主面に垂直な方向の界面が少なくなっている。これにより、仮に第１の面２１においてクラックが発生したとしても、発生したクラックが第２の面２２にまで進展することを抑制することができる。これらの結果、ヒータ１０の長期信頼性を向上させることができる。
【００１９】
発熱抵抗体２が銀とパラジウムとの合金から成る場合であれば、第１の面２１における主面に平行な方向の金属粒子の長さを３μｍ程度に、第２の面２２における主面に平行な方向の金属粒子の長さを５μｍ程度に設定できる。
【００２０】
第２の面２２における粒子を主面に平行な方向に長くする方法としては、以下の方法を用いることができる。具体的には、粒径の異なる金属粒子を含むペーストを複数回塗布する。第１の面２１のペーストに含まれる金属粒径を小さく、第２の面２２のペーストに含まれる金属粒径を大きくすることで、第２の面２２における粒子を主面に平行な方向に長くすることができる。
【００２１】
さらに、発熱抵抗体２は、第２の面２２における空隙率が第１の面２１における空隙率よりも小さいことが好ましい。これにより、第１の面２１においてクラックが発生したとしても、第２の面２２の近傍においてクラックの進展を抑制できる。これにより、ヒータ１０の長期信頼性を向上させることができる。
【００２２】
第２の面２２における空隙率を第１の面２１における空隙率よりも小さくする方法としては、以下の方法を用いることができる。具体的には、第１の面２１のペーストに用いるガラス成分の融点を、第２の面２２のペーストに用いるガラス成分の融点よりも、高くなるようにガラス成分を使い分ければよい。そして、発熱抵抗体２の焼成中に、第２の面２２のペーストに用いるガラス成分の融点よりも高く、且つ、第１の面２１のペーストに用いるガラス成分の融点よりも低い温度で一定時間加熱する工程を設ければよい。これにより、第２の面２２のペースト中でのみガラス成分が溶融することになることから、第２の面２２における空隙率を小さくすることができる。また、空隙率の確認には、以下の方法を用いることができる。具体的には、ＳＥＭ観察によって第１の面２１における単位面積当たりの空隙の総面積と第２の面２２における単位面積当たりの空隙の総面積とを比較すればよい。
【００２３】
さらに、発熱抵抗体２は、図３に示すように、第２の面２２における金属粒子の形状が、主面に平行な方向に広がった形状であることが好ましい。これにより、仮に第２の面２２からクラックが発生したとしても、クラックの進行方向が第２の面２２に対して鋭角になるため、クラックを進展しにくくすることができる。これにより、ヒータ１０の長期信頼性を向上させることができる。
【００２４】
第２の面２２における金属粒子の形状を、主面に平行な方向に広がった形状にするためには、以下の方法を用いることができる。具体的には、発熱抵抗体２を形成した後に、ラップ研磨機等で発熱抵抗体２の表面（第２の面２２）を研磨すればよい。これにより、第
２の面２２における金属粒子が、主面に平行な方向において変形する。その結果、第２の面２２における金属粒子を主面に平行な方向に広がった形状にすることができる。
【００２５】
さらに、発熱抵抗体２は、第２の面２２における金属粒子の形状が、主面に平行な方向において長手方向と短手方向とを有する形状であるとともに、第２の面２２における複数の金属粒子が、それぞれの長手方向が揃うように配列していることが好ましい。これにより、電流の流れやすい方向が揃うので、隣り合う金属粒子同士が同じ熱量を発生することになるため、温度分布にムラが生じることを抑制できる。これにより、ヒータ１０の試料保持面１１における均熱性を向上させることができる。
【００２６】
第２の面２２における金属粒子の形状を、主面に平行な方向において長手方向と短手方向とを有する形状にするとともに、長手方向が揃うように配列させるためには、以下の方法を用いることができる。具体的には、発熱抵抗体２を形成した後に、ラップ研磨機等で発熱抵抗体２の表面（第２の面２２）を研磨すればよい。これにより、第２の面２２における金属粒子を、主面に平行な方向において長手方向と短手方向とを有する形状にするとともに、長手方向が揃うように配列させることができる。
【００２７】
図１に戻って、上述したヒータ１０を用いたプラズマエッチング装置１００の一部を説明する。プラズマエッチング装置１００は、真空チャンバ（図示せず）と、真空チャンバ内に配置された、高周波印加用電極（図示せず）を有するベースプレート４と、ベースプレート４に搭載されたヒータ１０とを備えている。
【００２８】
ベースプレート４は、内部に冷却媒体用の流路（図示せず）およびヒータ１０の上面にヘリウムやアルゴン等の伝熱ガスを流す流路を内蔵した板状の部材である。ベースプレート４としては、例えば、アルミニウムまたはチタン等の金属材料、炭化珪素等のセラミック材料あるいは炭化珪素とアルミニウムとの複合材等を用いることができる。
【００２９】
ヒータ１０の発熱抵抗体２は絶縁層５によって覆われている。絶縁層５としては、セラミックフィラー入りの接着材またはセラミック材料等が用いられる。この絶縁層５は、樹脂層６によってベースプレート４の上面に接着されている。
【００３０】
樹脂層６としては、接着性の樹脂を用いることができる。具体的には、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂またはアクリル樹脂等を用いることができる。なお、樹脂層６はフィラーを含有していても構わない。フィラーを含有することによって、樹脂層６の熱伝導性を向上させることができる。フィラーとしては、セラミック材料または金属材料等の樹脂材料よりも高い熱伝導性を有しているものであればよい。具体的には、フィラーが金属から成る場合には、例えばアルミニウムから成るものを用いることができる。また、フィラーがセラミック材料から成る場合には、アルミナ、炭化珪素、窒化アルミニウムまたは窒化珪素を用いることができる。
【００３１】
プラズマエッチング装置１００は、ベースプレート４およびチャンバ内に対向する高周波印加用電極（図示せず）を備えている。この対向する高周波印加用電極に、例えば、１３．５６ＭＨｚ等の高周波を印加してプラズマを発生させる。
【００３２】
＜ヒータ１０の製造方法＞
以下では、図１および図３に示したヒータ１０の製造方法の一例について説明する。なお、セラミック体１にアルミナセラミックスを用いた場合を例に説明するが、窒化アルミニウムセラミックス等の他のセラミック材料の場合であっても同様の手法で製造できる。
【００３３】
まず、主原料となる０．１〜２μｍの粒径のアルミナ粉末と微量の焼結助剤とを所定量
秤量し、ボールミル中でイオン交換水または有機溶媒および高純度アルミナ製ボールと共に２４〜７２時間の湿式粉砕混合を行なう。
【００３４】
こうして粉砕混合した原料スラリー中に、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールまたはアクリル樹脂等の有機バインダおよび補助的な有機材料として可塑剤ならびに消泡剤を所定量添加し、さらに２４〜４８時間混合する。混合された有機−無機混合スラリーは、ドクターブレード法、カレンダーロール法、プレス成形法または押し出し成形法等によって厚さ２０μｍ〜２０ｍｍのセラミックグリーンシートに成形される。
【００３５】
そして、セラミック体１を形成するセラミックグリーンシートに、吸着電極３を形成するための白金またはタングステン等のペースト状電極材料を公知のスクリーン印刷法等によって印刷成形する。
【００３６】
ここで、セラミック体１における所定の位置に吸着電極３が形成されるように、ペースト状電極材料の印刷されていないセラミックグリーンシートとペースト状電極材料の印刷された電極形成グリーンシートとを重ねて積層する。積層は、セラミックグリーンシートの降伏応力値以上の圧力を印加しながら所定の温度で積層するが、圧力印加手法としては、一軸プレス法または等方加圧法等の公知の技術を応用すればよい。得られた積層体を所定の温度および所定の雰囲気中にて焼成することで、吸着電極３が埋設されたセラミック体１が作製される。
【００３７】
次に、セラミック体１をマシニングセンター、ロータリー加工機または円筒研削盤を用いて所定の形状、厚みに加工する。さらに、試料保持面１１を規定の表面粗さに加工した後に、ブラスト加工機等で溝を形成する。
【００３８】
次に、そのセラミック体１の下面をサンドブラストで粗面にした後に、銀パラジウム等の金属成分と、珪素、ビスマス、カルシウム、アルミニウムおよびホウ素等の材料の酸化物から成るガラス成分とを添加したペーストを塗布して、約８００℃の温度で焼成して発熱抵抗体２を形成する。さらに、ラップ研磨機等で発熱抵抗体２を研磨することで、第２の面２２における金属粒子が、主面に平行な方向において変形する。その結果、第２の面２２における金属粒子を主面に平行な方向に広がった形状にすることができる。
【００３９】
以上のようにして、ヒータ１０を製造することができる。
【実施例】
【００４０】
本実施例ではセラミック体１にアルミナセラミックスを用いたヒータ１０について説明する。
【００４１】
まず、主原料となる粒径が０．１〜２μｍのアルミナ粉末と微量の焼結助剤とを所定量秤量し、ボールミル中でイオン交換水、有機溶媒または有機分散剤および高純度アルミナ製ボールと共に４８時間の湿式粉砕混合を行なった。こうして粉砕混合した原料スラリー中に、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、アクリル樹脂等の有機バインダ、補助的な有機材料として可塑剤および消泡剤を所定量添加し、さらに３時間の混合を行なった。混合された有機−無機混合スラリーを、ドクターブレード法で１００μｍのセラミックグリーンシートに成形した。
【００４２】
そして、セラミック体１を形成するセラミックグリーンシートに、吸着電極３を形成するためのタングステンのペースト状電極材料をスクリーン印刷によって形成した。ここで、セラミック体１における所定の位置に吸着電極３が形成されるように、ペースト状電極材料の印刷されていないセラミックグリーンシートとペースト状電極材料の印刷された電
極形成グリーンシートとを積層して、一軸プレスで加圧して積層体を成形した。次に、得られた積層体を１５７０℃の温度で水素ガスの還元雰囲気中にて焼成した。セラミック体１をマシニングセンター、ロータリー加工機または円筒研削盤を用いて所定の形状にして、吸着電極３から試料保持面１１までの厚みが０．３ｍｍ、セラミック体１の全体の厚みが２ｍｍになるように加工した。
【００４３】
その後、金属成分として銀パラジウムを含み、ガラス成分として、珪素、ホウ素およびビスマスの各酸化物を含むペーストを塗布した。ペーストに含まれる金属粒径の大きさは３μｍ程度に設定した。その後、さらに、金属粒径を４μｍ程度に設定した同成分のペーストを塗布した。その後、７８０〜８５０℃で焼成した。この焼成により、発熱抵抗体２を形成した。発熱抵抗体２の寸法は、幅を１．５ｍｍ、厚みを０．５ｍｍに設定した。
【００４４】
また、比較例として、発熱抵抗体を金属粒径が３μｍ程度に設定されたペーストを１回のみ塗布した後に焼成を行なったヒータを作製した。
【００４５】
次に、作製したヒータ１０に対して耐久試験を行なった。試料保持具の下面を２０℃に冷却した状態で、発熱抵抗体２に２５０Ｖの電圧を印加した。具体的には、ヒータ１０の温度が１３０℃に到達するまで電圧を印加して、１３０℃になった時点で電圧の印加を停止して、ヒータ１０が５０℃になるまで冷却を行ない、再度２５０Ｖの電圧を印加してヒータ１０を１３０℃にするというサイクルテストを行なった。
【００４６】
その結果、比較例のヒータでは５００サイクル後に発熱抵抗体の抵抗値が上昇していたが、本発明の実施例では５００サイクル後であっても発熱抵抗体２の抵抗値に変化が見られなかった。
【００４７】
このとき、実施例のヒータ１０の発熱抵抗体２の第１の面２１における金属粒子の粒径は３μｍ程度であり、第２の面２２における金属粒子の粒径は３μｍ程度であった。
【符号の説明】
【００４８】
セラミック体：１
発熱抵抗体：２
第１の面：２１
第２の面：２２
吸着電極：３
ベースプレート：４
絶縁層：５
樹脂層：６
ヒータ：１０
試料保持面：１１
プラズマエッチング装置：１００
【図１】
2014216221.tif 000003
【図２】
2014216221.tif 000004
【図３】
2014216221.tif 000005