(57)【要約】【課題】所望の温度分布を実現できるヒータパターンを経験に頼ることなく容易に設計することができるヒータユニットを提供すること。を提供すること。【解決手段】ベース部材１２と、ベース部材１２に設けられ、複数の同心円上の円弧部を有するヒータ線２０とを備え、複数の同心円のうち少なくとも一部の同心円の半径はγ関数に基づいて定められている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース体と、
このベース体に設けられ、複数の同心円上の円弧部を有する発熱抵抗線状体とを備え、
前記複数の同心円のうち少なくとも一部の同心円の半径はγ関数に基づいて定められていることを特徴とするヒータユニット。
【請求項２】
前記一部の同心円は、その径方向において複数の領域に分割され、各領域毎に異なるγ関数が定められていることを特徴とする請求項１に記載のヒータユニット。
【請求項３】
前記γ関数は、少なくとも１つ以上の領域において１以上であることを特徴とする請求項２に記載のヒータユニット。
【請求項４】
内部に複数の同心円上の円弧部を有する発熱抵抗線状体を埋設してなるヒータユニットの製造方法であって、
前記複数の同心円の半径をγ関数に基づいて算出し、前記発熱抵抗線状体の配置パターンを設計する配置パターン設計工程と、
設計された配置パターンに基づいて温度分布を演算する温度分布演算工程と、
演算された温度分布を評価する評価工程と、
ベース体に発熱抵抗線状体を形成する発熱抵抗線状体形成工程とを備えていることを特徴とするヒータユニットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体の製造工程等に用いられる温度制御装置に組み込まれる円盤状のヒータユニット、ヒータユニット製造方法に関し、特に同心円状に設けられた発熱抵抗線状体の配置パターンを最適化できるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
円盤状のヒータユニットは、例えば半導体の製造における成膜工程、エッチング工程、フォトレジスト塗布工程、或いは液晶表示ディスプレイの製造における露光工程等を行う各種の処理装置に適用が可能であり、特に被処理体の冷却の円滑な制御のために用いられている（特許文献１参照）。このようなヒータユニットは、セラミック材等のベース部材に線状発熱体が同心円状の配置パターンで埋設された構成となっている。
【０００３】
このようなヒータユニットは、発熱体を適切なパターンに設計することにより被処理体に均一に伝達することができることから、発熱体の配置パターンに格別の配慮をする必要がある（特許文献２，３参照）。
【０００４】
ヒータパターンの設計に際してはまずヒータユニットに求められる発熱量からヒータ線の総抵抗値を求め、それを元に円弧の本数を設定する。ヒータユニットの発熱面の温度分布は、同心円状に並べられた円弧状の線状発熱体の各直径、すなわち線状発熱体の配置パターン（以下、「ヒータパターン」と称する。）を調整することで制御可能となる。
【０００５】
例えば、中心部の過熱を防止し、かつ、ヒータユニットの発熱面の全体にわたって温度分布の均一性を確保するために、同心円の間隔を周辺部を密とし、中心部を粗とする設計手法が一般的である。なお、このようなヒータパターンとした場合であっても十分な均一性が確保できるとは限らないことから、ヒータパターンの設計と温度分布評価とを繰り返し行い、熟練した設計者の経験によってヒータパターンの微調整を行っていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２２８２７０号公報（２頁）
【０００７】
【特許文献２】
特開２００１−２６７０４３号公報（３頁及び図１、３）
【０００８】
【特許文献３】
特開２００２−２４６３０５号公報（３頁及び図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したヒータパターンの設計方法であると次のような問題があった。すなわち、均一な温度分布を実現するには熟練した設計者に頼らざるを得ず、誰にでも容易に設計できるわけではなかった。また、設計パラメータが多いことから、所望の温度分布を得るには設計と温度分布評価を多数繰り返さなければならず、設計工数の増大を招いていた。
【００１０】
特に温度分布の高度な均一性を求める場合や、大面積化の傾向があるシリコンウエハやガラス基板等の被処理体を処理する場合には、その温度分布が線状発熱体の配置パターンに大きく影響されることから、ヒータパターンをより適正なものとしなければならない。このとき、大径のヒータユニットの場合は、円弧状の発熱抵抗線状体の本数が多くなることから、全ての円弧の直径を設計変数にすると、調整すべきパラメータが多数となる。例えば２１の同心円上に円弧状の発熱抵抗線状体が設けられている場合、それぞれの間隔を３水準変化させて評価すると３の２１乗、すなわち、約１００億条件の組み合わせが考えられる。実験計画法を利用しても８１条件を温度分布評価する必要がある。
【００１１】
また、大面積化するほど設計パラメータが非常に多くなり、そのヒータパターンを少ない変数で定量的に表現することが困難となり、誰にでも容易に設計ができるというものではなかった。
【００１２】
そこで本発明は、所望の温度分布を実現できるヒータパターンを短時間で、かつ、容易に設計することができるヒータユニット及びヒータユニット製造方法を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明のヒータユニット及びヒータユニット製造方法は次のように構成されている。
【００１４】
（１）ベース体と、このベース体に設けられ、複数の同心円上の円弧部を有する発熱抵抗線状体とを備え、前記複数の同心円のうち少なくとも一部の同心円の半径はγ関数に基づいて定められていることを特徴とするヒータユニット。
【００１５】
（２）上記（１）に記載されたヒータユニットであって、前記一部の同心円は、その径方向において複数の領域に分割され、各領域毎に異なるγ関数が定められていることを特徴とする。
【００１６】
（３）上記（２）に記載されたヒータユニットであって、前記γ関数は、少なくとも１つ以上の領域において１以上であることを特徴とする。
【００１７】
（４）内部に複数の同心円上の円弧部を有する発熱抵抗線状体を埋設してなるヒータユニットの製造方法であって、前記複数の同心円の半径をγ関数に基づいて算出し、前記発熱抵抗線状体の配置パターンを設計する配置パターン設計工程と、設計された配置パターンに基づいて温度分布を演算する温度分布演算工程と、演算された温度分布を評価する評価工程と、ベース体に発熱抵抗線状体を形成する発熱抵抗線状体形成工程とを備えていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るヒータユニット１０を一部切欠して示す斜視図、図２はカバー部材１３を取り外した状態を示す平面図である。
【００１９】
ヒータユニット１０は、例えば８インチウエハ加熱用の１ゾーンセラミックスヒータであり、円盤状の外形を有するユニット本体１１と、ユニット本体１１内部に設けられたヒータ線（発熱抵抗線状体）２０とを備えている。
【００２０】
ユニット本体１１は、窒化アルミニウム、マグネシアまたはアルミナのセラミックス焼結体からなり、円板状のベース部材１２と、円板状のカバー部材１３とを備えている。なお、ベース部材１２には、金属端子１４，１５が埋設されていおり、それぞれの一端部がベース部材１２の下面側に突出し、これら金属端子１４，１５は図示しない外部電源に接続可能となっている。
【００２１】
ヒータ線２０は、ベース部材１２の中心部を中心とした複数の同心円の上に円弧状に配置されている。ヒータ線２０は両端部に電極２１，２２を備えており、電極２１は金属端子１４に、電極２２は金属端子１５にそれぞれ接続されされている。
【００２２】
ヒータ線２０はモリブデン、タングステン、ニオブ及びタンタルから選択される１種または２種以上の高融点金属の溶射膜からなる。なお、ヒータ線２０はベース部材１２の表面に溶射により成膜されることで形成されている。
【００２３】
ここで、ヒータ線２０を溶射により成膜した理由について説明する。すなわち、ヒータ線２０を溶射によって成膜すると、箔等と比較して多孔質な金属膜とすることができる。したがって、その表面積が級密な膜に比較して大きくなり、負荷密度（＝発熱量／ヒータ線の総表面積）が、例えば箔からなる膜に比較して１／３〜１／４に小さくなることから、熱の拡散が速やかに行われ、過熱時であっても焼き切れ難くなっている。
【００２４】
また、多孔質であるため、所望の発熱量を得るための断面積に対する寸法（厚さ、または幅）を大きくとれることから、ヒータ線２０の厚さや幅にばらつきがあった場合でも、寸法自体が大きいためにその影響は小さくなり、ヒータ線２０の各部の温度の均一性を向上させることができる。すなわちヒータユニット１０の表面温度の均一性を向上させることができる。
【００２５】
さらに、同様な理由でヒータ線２０を幅広に形成でき、かつ、溶射による膜のためにその位置精度を高められるので、ヒータ線２０が形成されていない部分の面積を箔の場合に比較して小さくでき、これによってもヒータユニット１０の表面温度の均一性を向上させることができる。
【００２６】
次に、ヒータ線２０の配置パターンの決定手順について説明する。ここでは、１ゾーンヒータであるヒータユニット１０の表面の温度分布を均一にすることを目的とする。
【００２７】
ヒータパターンの設計に際してはまずヒータユニット１０に求められる発熱量からヒータ線２０の総抵抗値を求め、それを元に円弧の本数を設定する。図２は本数が１０本の例を示している。次に温度分布が均一になるパターンを設定する。
【００２８】
温度分布を均一にするには、同心円状に並べられた円弧状の各直径を調整することで可能となる。前述したように、大型のヒータユニット１０が大型となると同心円の数が多くなり、組み合せ数が大きくなることから、多くの条件の評価を行わなければならない。このため、不等間隔のヒータパターンを少ないパラメータで定量的に表現できるよう、ヒータパターンの配列に規則性を持たせることとした。
【００２９】
ここでは規則的な配列としてγ関数に従う配列を採用した。γ関数とは、画像処理等でも使用される関数で、図４の（ａ）のＸ軸にヒータ番号（同心円の内径側からの順序）、Ｙ軸に直径を割り当てた場合、下記のように表される。
【００３０】
Ｙ＝Ｘ（１／γ）                                              …（１）
図４の（ｂ）中Ｔはヒータパターン設定領域を示している。ヒータの仕様により最内径側ヒータ径、最外径側ヒータ径、ヒータの本数が異なることから、ヒータ直径Ｙとヒータ番号Ｘを次のように正規化することで、最内径側ヒータ径、最外径側ヒータ径、ヒータの本数に関わらずヒータパターンをγ関数で表現できる。
【００３１】
正規化されたヒータ径：Ｙ＝（Ｄｉ−Ｄ１）／（ＤＮ−Ｄ１）（１≦ｉ≦Ｎ）
正規化されたヒータ番号：Ｘ＝（ｉ−１）／（Ｎ−１）  （１≦ｉ≦Ｎ）
ここで、ｉは任意の同心円上のヒータ番号を示しており、ｉ＝１はヒータパターン設定領域Ｔ内の最内径側ヒータの番号、ｉ＝Ｎはヒータパターン設定領域Ｔ内の最外径側ヒータの番号を示している。また、Ｄｉは任意の同心円上のヒータの直径、Ｄ１はヒータパターン設定領域Ｔ内の最内径側ヒータの直径、ＤＮはヒータパターン設定領域Ｔ内の最外径側ヒータの直径を示している。
【００３２】
式（１）に示すようなγ関数によれば、上に凸の凸型関数では内径が粗く外側に行くにしたがい密になるヒータパターンを表現できる。図４の（ａ）においては、凸型関数に沿ったヒータパターンα１と、等間隔のヒータパターンα０とを対比して示している。一方、下に凸の凹型の関数では外側が粗く、内側に行くに従い密になるヒータパターンを表現できる。
【００３３】
γ関数は定数であるγ値を０＜γ＜１とすることで凹型関数になり、１＜γとすることで凸型関数にすることができる。すなわち、一つのパラメータγ値の調整で内側が密、外側が密等のヒータパターンを自在に表現することができる。
【００３４】
温度分布が均一となるヒータパターンを設定するにはこのγ値を調整することで行う。すなわち、一般にヒータを等間隔で配置すると中心部が高温となることから、外側に向かって間隔が狭くなるように配置することが適当である。このため一般的には係数γを１以上とし、凸型関数（内側が粗、外側が密のパターン）にすることで温度分布が均一となる。ここで均一性の評価はヒータユニット１０の表面のうち、実際に利用される領域の温度分布の均一性を評価することで行う。
【００３５】
なお、温度分布評価には実測の他、有限要素法によるシミュレーションが用いられ、ヒータ線２０に電流を流したときの表面温度分布を熱伝導解析により予測し、表面温度の均一性を確認する。図５の（ａ）はγ値を変動させた場合における有限要素法によるシミュレーション結果を示す図である。温度分布が不均一である場合はγ値を変更し、再度ヒータパターンを修正し熱伝導解析を行い、温度分布の均一性が仕様を満たすパターンを探索する。
【００３６】
温度分布の均一性の指標には図５の（ｂ）に示すような標準偏差を用いたり、ＳＮ比を利用する。また最適なγ値の設定には最適化手法を利用することができる。最適化するにはヒータユニット１０の表面温度の標準偏差を最小にするγ値を探索する。これによりγ関数にしたがって配置された同心円状のヒータパターンの中から、最も温度分布の均一性に優れたものを選択することができる。
【００３７】
次に、ヒータユニット１０の製造手順について図３の（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。最初に図３の（ａ）に示すように、窒化アルミニウム、マグネシアまたはアルミナのセラミックス原料紛を円盤状に固めて焼結し、ベース部材１２を得る。
【００３８】
次に、図３の（ｂ）に示すようなパターンで、このベース部材１２の表面に溶射によりヒータ線２０を形成する。そして、図３の（ｃ）に示すようにヒータ線２０を覆うようにセラミックス原料粉を被せて固め、焼結することによりカバー部材１３を形成し、孔を穿設して金属端子１４，１５を取り付け、表面を必要に応じて研磨する等してヒータユニット１０を得る。これを半導体製造過程における成膜装置やエッチング装置等に用いることとなる。
【００３９】
以上のような製造方法により製作したヒータユニット１０に実際に通電し、その効果を確認した。なお、ここでは、均一の温度分布特性を有するヒータユニット１０について説明したが、特定の温度分布、例えば、外側が高温、内側が低温等のような温度分布を有するようにする場合でも適用することが可能である。
【００４０】
上述したように、本第１実施の形態によれば、大面積であっても表面温度の温度分布が均一なヒータユニット１０が得られるとともに、上述した手順に沿って最適化を行えば熟練設計者で無くても、短時間で最適なヒータパターンを設計することができる。
【００４１】
図６は本発明の第２の実施の形態に係るヒータユニット１０の設計原理を示す図である。すなわち、高度な均一性を求められた場合や大型径のヒータの場合には、ヒータ表面を径方向に複数の領域に分割し、それぞれの領域においてそれぞれγ関数にしたがったヒータパターンを設計することが好ましい。ここでは領域を径方向に沿って２分割にした場合の例を示す。
【００４２】
領域を２分割した場合は、ヒータパターンを定量的に表現するパラメータはγ１、γ２の２つとなる。γ１、γ２を最適化手法により適切な値にすることでさらに温度分布の均一性を高めることができる。また、領域を分割する境界線（円弧）の直径も設計変数として最適化の対象にすることで、さらに精度の高い最適化が可能となる。
【００４３】
ここでは最適化手法として実験計画法と数理計画法を利用してγ１、γ２を最適化した例を示す。図７の（ａ）に示すように、上述した領域が１つの場合（Ｒ１）に比べて領域が２つの場合（Ｒ２）の方が温度のばらつき（標準偏差）が小さくなっていることが分かる。ここで、Ｒ０は等間隔配置の場合を示している。
【００４４】
図７の（ｂ）はγ１，γ２の値と標準偏差との関係を示したものであり、最適値を求めることができる。なお、領域の分割数を増やしてヒータパターンの最適化を行うと均一性の精度も向上するが、最適解の探索工数が増加する。したがって、温度ばらつきが仕様を満たす範囲内で最小の領域分割数で最適化を行うことが実際的である。
【００４５】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。すなわち、上述した実施の形態では、１領域と２領域との場合を示したが３領域以上に分けてもよい。また、ベース部材を中子としてカバー部材を焼結により形成したが、これらを別々に焼成し、ヒータ線を挟むように張り合わせて接合しても良い。なお、１ゾーンヒータの代わりに２ゾーンヒータであってもよい。
【００４６】
さらにヒータユニットを半導体処理装置に用いる場合、ヒータ線が側面から露出しないようにシールしたり、ベース部材またはカバー部材にヒータ線のパターンと同様な凹部を形成してこの凹部にヒータ線が収まるようにし、ベース部材とカバー部材とを密着させるようにしてもよい。
【００４７】
さらにまた、ヒータ線及び他の電極線を溶射により成膜したが、他の成膜法、例えばスクリーン印刷や各種化学蒸着法、物理蒸着法により成膜しても良い。この場合、成膜条件を適宜設定して多孔質の膜となるように成膜することが望ましい。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、所望の温度分布を実現できるヒータパターンを短時間で、かつ、容易に設計することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るヒータユニットを一部切欠して示す斜視図。
【図２】同ヒータユニットを示す平面図。
【図３】同ヒータユニットの製造工程を示す断面図。
【図４】同ヒータユニットの設計原理を示す説明図。
【図５】同ヒータユニットの評価を示す説明図であって、（ａ）はヒータユニットの表面温度の分布図、（ｂ）はγの値と標準偏差との関係を示す図。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るヒータユニットの設計原理を示す説明図。
【図７】同ヒータユニットの評価を示す説明図であって、（ａ）はヒータユニットの表面温度の分布図、（ｂ）はγ１，γ２の値と標準偏差との関係を示す図。
【符号の説明】
１０…ヒータユニット、１２…ベース部材、１３…カバー部材、２０…ヒータ線（発熱抵抗線状体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004281260.tif 000008
【図７】
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