(57)【要約】【課題】        ヒータ基板の支持構造を耐久性の高いものとし、急速冷却を繰り返し行っても信頼性が高く、均熱性も高いヒータユニットを提供する。【解決手段】    本発明のヒータユニットは、ヒータ基板と、該ヒータ基板の熱を遮蔽する遮熱体とを、支持体で支持したヒータユニットであって、前記ヒータ基板に貫通孔が形成され、該貫通孔に前記支持体が挿通されて固定されていることを特徴とする。前記ヒータユニットと遮熱体の間に冷却ブロックを備えることが冷却速度を向上できるので好ましい。また、前記支持体とヒータ基板との熱膨張係数の差が、５ｘ１０−６／℃以下であることが好ましい。【選択図】      図１
2005267931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスヒータ基板と、該セラミックスヒータ基板を支持する支持体とで構成されたヒータユニットにおいて、前記セラミックスヒータ基板に貫通孔が形成され、該貫通孔に前記支持体が挿通され固定されていることを特徴とするヒータユニット。
【請求項２】
前記ヒータユニットはセラミックスヒータ基板を冷却するための冷却ブロックを備え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】
前記支持体とセラミックスヒータ基板との熱膨張係数の差が、５ｘ１０−６／℃以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のヒータユニット。
【請求項４】
前記支持体の熱伝導率が、５０Ｗ／ｍＫ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のヒータユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エッチング装置、スパッタ装置、プラズマＣＶＤ装置、減圧プラズマＣＶＤ装置、メタルＣＶＤ装置、絶縁膜ＣＶＤ装置、低誘電率膜（Ｌｏｗ−Ｋ）ＣＶＤ装置、ＭＯＣＶＤ装置、デガス装置、イオン注入装置、コータデベロッパなどの半導体製造装置に使用されるヒータユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体の製造工程では、被処理物である半導体基板（ウェハ）に対して成膜処理やエッチング処理など様々な処理が行われる。このような半導体基板に対する処理を行う半導体製造装置では、半導体基板を保持し、半導体基板を加熱するためのセラミックスヒータが用いられている。
【０００３】
このような従来のセラミックスヒータは、例えば特開平４−７８１３８号公報に開示されている。特開平４−７８１３８号公報に開示されたセラミックスヒータは、抵抗発熱体が埋設され、容器内に設置され、ウェハー加熱面が設けられたセラミックス製のヒータ部と、このヒータ部のウェハー加熱面以外の面に設けられ、前記容器との間で気密性シールを形成する凸状支持部と、抵抗発熱体へと接続され、容器の内部空間へと実質的に露出しないように容器外へ取り出された電極とを有する。
【０００４】
この発明では、それ以前のヒータである金属製のヒータで見られた汚染や、熱効率の悪さの改善が図られているが、ヒータの温度分布が大きくなると、ヒータ部と凸状支持部との接合部に応力が集中して、ヒータが破壊することがある。
【０００５】
また、特願２００２−１６３７４７号公報では、半導体の生産性を高めることを目的として、製造時間を短縮するために、セラミックスヒータを強制冷却するための冷却ブロックを備えたヒータユニットを提案した。この提案において、特許文献１と同様の支持構造とすれば、冷却ブロックによって急速に冷却されるので、前記ヒータ部と凸状支持部との接合部の破壊の危険性は、更に大きなものとなる。
【０００６】
更に、特許文献１のような凸状支持部ではなく、図７（ａ）に示すように、支持体の先端を雄ねじ加工し、ヒータ基板に雌ねじ加工して支持体をヒータ基板にねじ込んで固定する方法もある。しかし、昇温と降温を繰り返すうちに、図７（ｂ）に示すように、ヒータ基板に亀裂２０が発生し、支持できなくなることがあった。
【０００７】
半導体製造は、連続操業による大量生産で、製品の低価格化競争が行われており、製造装置は、上記のような危険性を極力排除して、長時間連続操業時において、高い信頼性が要求されている。また、ウェハ加熱面の温度分布も高い均熱性が求められている。
【特許文献１】特開平０４−０７８１３８号公報
【特許文献２】特願２００２−１６３７４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、ヒータ基板の支持構造を耐久性の高いものとし、急速冷却を繰り返し行っても信頼性が高く、均熱性も高いヒータユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のヒータユニットは、ヒータ基板と、該ヒータ基板を支持体で支持したヒータユニットであって、前記ヒータ基板に貫通孔が形成され、該貫通孔に前記支持体が挿通されて固定されていることを特徴とする。
【００１０】
前記ヒータユニットに冷却ブロックを備えることが冷却速度を向上できるので好ましい。前記支持体とヒータ基板との熱膨張係数の差が、５ｘ１０−６／℃以下であることが好ましい。このような熱膨張係数の差となる組合せとしては、前記ヒータ基板のセラミックスが、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素からなる群より選ばれたいずれか１つであり、前記支持体が、タングステン、モリブデン、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ―Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる群より選ばれたいずれか１つであることが好ましい。
【００１１】
また、前記支持体の熱伝導率が、５０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましく、前記支持体がＦｅ―ＮｉーＣｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、チタン、クロム鋼、Ｔｉ―Ｎｉ合金、ステンレスからなる群より選ばれたいずれか１つであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ヒータ基板と支持体との固定が安定し、信頼性並びに均熱性が高いヒータユニットを提供することができる。更に、冷却ブロックを備えれば、冷却速度を向上させることができる。このようなヒータユニットを搭載した半導体製造装置は、従来の装置よりもウェハの温度分布がより均一になり、信頼性が高く、生産性も向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態の一例を図１を参照して説明する。図１は、本発明のヒータユニット１を示す断面模式図である。ヒータユニット１は、ヒータ基板２を支持体４で支持し、半導体製造装置の架台１０に取り付けられている。ヒータ基板には、ヒータに給電するための電極６や温度測定手段７が接続される。
【００１４】
また、ヒータユニット１には、冷却ブロック５を、ヒータ基板に当接または分離可能なように昇降手段８を介して取り付けてもよい。ヒータ基板を冷却する時、冷却ブロック５をヒータ基板２に当接させることにより、ヒータ基板２を急速に冷却することが可能となる。急速冷却しても、本発明の構造であれば、ヒータ基板と支持体との接続部分において、ヒータ基板が破壊する危険性が極めて少なくなる。また、ヒータで発生した熱を遮断するための遮熱体３を取り付けてもよい。遮熱体を取り付けることによって、ヒータの熱の拡散が抑制され、電力消費量を抑えることが出来る。遮熱体３は、前記支持体４で支持してもよい。
【００１５】
図２は、ヒータ基板２と支持体４との取付部分を拡大したものであり、ヒータ基板２には、貫通孔４０が設けられ、先端部が雄ねじ加工され、段差部４３を設けた支持体４が、該貫通孔に挿入され、ナット４２で固定される。ヒータ基板２には、ナット４２を収納できるように、ザグリ部４１を設けることが好ましい。この時、支持体及びナットは、搭載されるウェハ等の被処理物に接触しないように設置することが好ましい。支持体やナットが被処理物に接触する場合、被処理物とヒータ基板との距離が不均一になり、被処理物の温度バラツキが大きくなることがあるので好ましくない。
【００１６】
ヒータ基板の熱は、支持体を通して逃げていく。この熱の逃げは、ヒータ基板の温度の均一性を阻害するので、支持体４の断面積は、機械的強度を損なわない範囲で、小さいことが好ましく、３ｍｍ２以上、３０ｍｍ２以下が好ましい。３ｍｍ２未満では、機械的強度が不足するので、ヒータ基板や遮熱体を充分支持することが困難となる。また、３０ｍｍ２を超えると、伝熱量が増大し、ヒータ基板の均熱性が劣ることになる。
【００１７】
そこで、図３に示すように、支持体４の段差部４３に変えて、突起部４４を設けた方が、均熱性の観点からは好ましい。また、図４に示すように、突起部４４は、公知の材質で作製されたリング４５としてもよい。このようにすることによって、支持体の加工費が低減できる。
【００１８】
更に、図５に示すように、支持体４の先端を突起４７加工して、支持体をヒータ基板の上から挿入し、ナット４６で固定することもできる。このように、ヒータ基板に貫通孔を設けて、該貫通孔に支持体を挿入し、固定する構造であれば、固定の方法は特に限定されるものではない。また、遮熱体も支持する場合は、たとえば図６に示すように支持体４を遮熱体の貫通孔に挿入し、ナット４２で固定し、さらに別の支持体をつないでもよい。
【００１９】
また、図２〜図５に示すように、セラミックヒータ基板は、支持体とナットで挟まれて固定されている。支持体の熱膨張係数が、ヒータ基板の熱膨張係数より小さい場合、ヒータ基板を昇温すると、熱膨張係数の差に起因する圧縮応力がヒータ基板にかかることになる。熱膨張係数の差が大き過ぎれば、この圧縮応力によって、ヒータ基板が破壊もしくは支持体が破壊、変形することがある。
【００２０】
逆に、支持体の熱膨張係数が大きい場合は、昇温に伴って支持体が膨張して、固定がゆるむことになり、ヒータ基板が、外部からの衝撃や振動によって、動いたり、場合によっては破壊することがある。従って、支持体とヒータ基板との熱膨張係数の差は、２５℃〜５００℃の温度範囲で、５ｘ１０−６／℃以下であることが好ましい。２ｘ１０−６／℃であれば、更に好ましい。
【００２１】
ヒータ基板の材質は、温度分布の均一性を重視するならば、熱伝導率の高い窒化アルミニウムや炭化珪素が好ましい。信頼性を重視するならば、窒化珪素が高強度で熱衝撃にも強いので好ましい。これらのセラミックスの熱膨張係数は、３．５ｘ１０−６〜５ｘ１０−６／℃であるので、熱膨張係数の差が、２５℃〜５００℃の温度範囲で、５ｘ１０−６／℃以下である支持体としては、タングステン、モリブデン、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ―Ｎｉ−Ｃｏ合金のいずれかであることが好ましい。支持体とナットは同じ材質であることが好ましいが、これらの材質であれば任意の組合せとしてもかまわない。
【００２２】
また、支持体を通してヒータ基板の熱が逃げ、ヒータ基板の温度分布が不均一になるので、熱の逃げを少なくしてヒータ基板をより均熱化するために、支持体の熱伝導率は、低いことが望ましく、支持体の熱伝導率は、５０Ｗ／ｍＫ以下が好ましい。
【００２３】
このような材質としては、Ｆｅ―ＮｉーＣｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、チタン、クロム鋼、Ｔｉ―Ｎｉ合金、ステンレスのいずれかであることが好ましい。この場合も、支持体とナットは同じ材質であることが好ましいが、これらの材質であれば任意の組合せとしてもかまわない。
【００２４】
ヒータ基板のセラミックスは、前記セラミックスの中でも、性能とコストのバランスを考慮すれば、熱伝導率が高く、耐食性にも優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が好適である。以下に、本発明のヒータ基板の製造方法をＡｌＮの場合で詳述する。
【００２５】
ＡｌＮの原料粉末は、比表面積が２．０〜５．０ｍ２／ｇのものが好ましい。比表面積が２．０ｍ２／ｇ未満の場合は、窒化アルミニウムの焼結性が低下する。また、５．０ｍ２／ｇを超えると、粉末の凝集が非常に強くなるので取扱いが困難になる。更に、原料粉末に含まれる酸素量は、２ｗｔ％以下が好ましい。酸素量が２ｗｔ％を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。また、原料粉末に含まれるアルミニウム以外の金属不純物量は、２０００ｐｐｍ以下が好ましい。金属不純物量がこの範囲を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。特に、金属不純物として、ＳｉなどのＩＶ族元素や、Ｆｅなどの鉄族元素は、焼結体の熱伝導率を低下させる作用が高いので、含有量は、それぞれ５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
ＡｌＮは難焼結性材料であるので、ＡｌＮ原料粉末に焼結助剤を添加することが好ましい。添加する焼結助剤は、希土類元素化合物が好ましい。希土類元素化合物は、焼結中に窒化アルミニウム粉末粒子の表面に存在するアルミニウム酸化物あるいはアルミニウム酸窒化物と反応して、窒化アルミニウムの緻密化を促進するとともに、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を低下させる原因となる酸素を除去する働きもあるので、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を向上させることができる。
【００２７】
希土類元素化合物は、特に酸素を除去する働きが顕著であるイットリウム化合物が好ましい。添加量は、０．０１〜５ｗｔ％が好ましい。０．０１ｗｔ％未満であると、緻密な焼結体を得ることが困難であるとともに、焼結体の熱伝導率が低下する。また、５ｗｔ％を超えると、窒化アルミニウム焼結体の粒界に焼結助剤が存在することになるので、腐食性雰囲気で使用する場合、この粒界に存在する焼結助剤がエッチングされ、脱粒やパーティクルの原因となる。更に、好ましくは焼結助剤の添加量は、１ｗｔ％以下である。１ｗｔ％以下であれば、粒界の３重点にも焼結助剤が存在しなくなるので、耐食性が向上する。
【００２８】
また、希土類元素化合物は、酸化物、窒化物、フッ化物、ステアリン酸化合物などが使用できる。この中で、酸化物は安価で入手が容易であり好ましい。また、ステアリン酸化合物は、有機溶剤との親和性が高いので、窒化アルミニウム原料粉末と焼結助剤などを有機溶剤で混合する場合には、混合性が高くなるので特に好適である。
【００２９】
次に、これら窒化アルミニウム原料粉末や焼結助剤粉末に、所定量の溶剤、バインダー、更には必要に応じて分散剤や邂逅剤を添加し、混合する。混合方法は、ボールミル混合や超音波による混合等が可能である。このような混合によって、原料スラリーを得ることができる。
【００３０】
得られたスラリーを成形し、焼結することによって窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。その方法には、コファイアー法とポストメタライズ法の２種類の方法が可能である。
【００３１】
まず、ポストメタライズ法について説明する。前記スラリーをスプレードライアー等の手法によって、顆粒を作成する。この顆粒を所定の金型に挿入し、プレス成形を施す。この時、プレス圧力は、９．８ＭＰａ以上であることが望ましい。９．８ＭＰａ未満の圧力では、成形体の強度が充分に得られないことが多く、ハンドリングなどで破損し易くなる。
【００３２】
成形体の密度は、バインダーの含有量や焼結助剤の添加量によって異なるが、１．５ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。１．５ｇ／ｃｍ３未満であると、原料粉末粒子間の距離が相対的に大きくなるので、焼結が進行しにくくなる。また、成形体密度は、２．５ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。２．５ｇ／ｃｍ３を超えると、次工程の脱脂処理で成形体内のバインダーを充分除去することが困難となる。このため、前述のように緻密な焼結体を得ることが困難となる。
【００３３】
次に、前記成形体を非酸化性雰囲気中で加熱し、脱脂処理を行う。大気等の酸化性雰囲気で脱脂処理を行うと、ＡｌＮ粉末の表面が酸化されるので、焼結体の熱伝導率が低下する。非酸化性雰囲気ガスとしては、窒素やアルゴンが好ましい。脱脂処理の加熱温度は、５００℃以上、１０００℃以下が好ましい。５００℃未満の温度では、バインダーを充分除去することができないので、脱脂処理後の積層体中にカーボンが過剰に残存するので、その後の焼結工程での焼結を阻害する。また、１０００℃を超える温度では、残存するカーボンの量が少なくなり過ぎるので、ＡｌＮ粉末表面に存在する酸化被膜の酸素を除去する能力が低下し、焼結体の熱伝導率が低下する。
【００３４】
また、脱脂処理後の成形体中に残存する炭素量は、１．０ｗｔ％以下であることが好ましい。１．０ｗｔ％を超える炭素が残存していると、焼結を阻害するので、緻密な焼結体を得ることができない。
【００３５】
次いで、焼結を行う。焼結は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、１７００〜２０００℃の温度で行う。この時、使用する窒素などの雰囲気ガスに含有する水分は、露点で−３０℃以下であることが好ましい。これ以上の水分を含有する場合、焼結時にＡｌＮが雰囲気ガス中の水分と反応して酸窒化物が形成されるので、熱伝導率が低下する可能性がある。また、雰囲気ガス中の酸素量は、０．００１ｖｏｌ％以下であることが好ましい。酸素量が多いと、ＡｌＮの表面が酸化して、熱伝導率が低下する可能性がある。
【００３６】
更に、焼結時に使用する治具は、窒化ホウ素（ＢＮ）成形体が好適である。このＢＮ成形体は、前記焼結温度に対し充分な耐熱性を有するとともに、その表面に固体潤滑性があるので、焼結時に積層体が収縮する際の治具と積層体との間の摩擦を小さくすることができるので、歪みの少ない焼結体を得ることができる。
【００３７】
得られた焼結体は、必要に応じて加工を施す。次工程の導電ペーストをスクリーン印刷する場合、焼結体の表面粗さは、Ｒａで５μｍ以下であることが好ましい。５μｍを超えるとスクリーン印刷により回路形成した際に、パターンのにじみやピンホールなどの欠陥が発生しやすくなる。表面粗さはＲａで１μｍ以下であればさらに好適である。
【００３８】
上記表面粗さを研磨加工する際には、焼結体の両面にスクリーン印刷する場合は当然であるが、片面のみにスクリーン印刷を施す場合でも、スクリーン印刷する面と反対側の面も研磨加工を施す方がよい。スクリーン印刷する面のみを研磨加工した場合、スクリーン印刷時には、研磨加工していない面で焼結体を支持することになる。その時、研磨加工していない面には突起や異物が存在することがあるので、焼結体の固定が不安定になり、スクリーン印刷で回路パターンがうまく描けないことがあるからである。
【００３９】
また、この時、両加工面の平行度は０．５ｍｍ以下であることが好ましい。平行度が０．５ｍｍを超えるとスクリーン印刷時に導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平行度は０．１ｍｍ以下であれば特に好適である。さらに、スクリーン印刷する面の平面度は、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。０．５ｍｍを超える平面度の場合にも、導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平面度も０．１ｍｍ以下であれば特に好適である。
【００４０】
研磨加工を施した焼結体に、スクリーン印刷により導電ペーストを塗布し、電気回路の形成を行う。導電ペーストは、金属粉末と必要に応じて酸化物粉末と、バインダーと溶剤を混合することにより得ることができる。金属粉末は、セラミックスとの熱膨張係数のマッチングから、タングステンやモリブデンあるいはタンタルが好ましい。
【００４１】
また、ＡｌＮとの密着強度を高めるために、酸化物粉末を添加することもできる。酸化物粉末は、ＩＩａ族元素やＩＩＩａ族元素の酸化物やＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などが好ましい。特に、酸化イットリウムはＡｌＮに対する濡れ性が非常に良好であるので、好ましい。これらの酸化物の添加量は、０．１〜３０ｗｔ％が好ましい。０．１ｗｔ％未満の場合、形成した電気回路である金属層とＡｌＮとの密着強度が低下する。また３０ｗｔ％を超えると、電気回路である金属層の電気抵抗値が高くなる。
【００４２】
導電ペーストの厚みは、乾燥後の厚みで、５μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。厚みが５μｍ未満の場合は、電気抵抗値が高くなりすぎるとともに、密着強度も低下する。また、１００μｍを超える場合も、密着強度が低下する。
【００４３】
また、形成する回路パターンが、ヒータ回路（発熱体回路）の場合は、パターンの間隔は０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。０．１ｍｍ未満の間隔では、発熱体に電流を流したときに、印加電圧及び温度によっては漏れ電流が発生し、ショートする。特に、５００℃以上の温度で使用する場合には、パターン間隔は１ｍｍ以上とすることが好ましく、３ｍｍ以上であれば更に好ましい。
【００４４】
次に、導電ペーストを脱脂した後、焼成する。脱脂は、窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気中で行う。脱脂温度は５００℃以上が好ましい。５００℃未満では、導電ペースト中のバインダーの除去が不十分で金属層内にカーボンが残留し、焼成したときに金属の炭化物を形成するので、金属層の電気抵抗値が高くなる。
【００４５】
焼成は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、１５００℃以上の温度で行うのが好適である。１５００℃未満の温度では、導電ペースト中の金属粉末の粒成長が進行しないので、焼成後の金属層の電気抵抗値が高くなり過ぎる。また、焼成温度はセラミックスの焼結温度を超えない方がよい。セラミックスの焼結温度を超える温度で導電ペーストを焼成すると、セラミックス中の含有する焼結助剤などが揮散しはじめ、更には導電ペースト中の金属粉末の粒成長が促進されてセラミックスと金属層との密着強度が低下する。
【００４６】
次に、形成した金属層の絶縁性を確保するために、金属層の上に絶縁性コートを形成することができる。絶縁性コートの材質は、電気回路との反応性が小さく、ＡｌＮとの熱膨張係数差が、５．０ｘ１０−６／Ｋ以下であれば特に制約はない。例えば、結晶化ガラスやＡｌＮ等が使用できる。これらの材料を例えばペースト状にして、所定の厚みのスクリーン印刷を行い、必要に応じて脱脂を行った後、所定の温度で焼成することにより形成することができる。例えば、ＡｌＮの場合、ＡｌＮ粉末に焼結助剤として所定量のＩＩａ族元素あるいはＩＩＩａ族元素の酸化物や炭酸化物を加え、混合し、これにバインダーや溶剤を加え、ペーストとして、該ペーストをスクリーン印刷により、前記金属層の上に塗布することができる。
【００４７】
この時、添加する焼結助剤量は、０．０１ｗｔ％以上であることが好ましい。０．０１ｗｔ％未満では、絶縁性コートが緻密化せず、金属層の絶縁性を確保することが困難となる。また、焼結助剤量は２０ｗｔ％を超えないことが好ましい。２０ｗｔ％を超えると、過剰の焼結助剤が金属層中に浸透するので、金属層の電気抵抗値が変化してしまうことがある。塗布する厚みに特に制限はないが、５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満では、絶縁性を確保することが困難となるからである。
【００４８】
また、導電ペーストとして、銀やパラジウム、白金などの混合物や合金を使用することも可能である。これらの金属は、銀の含有量に対してパラジウムや白金を添加することによって、導体の体積抵抗率が増加するため、回路パターンに応じてその添加量を調整すればよい。またこれらの添加物は回路パターン間のマイグレーションを防止する効果があるため、銀１００重量部に対して、０.１重量部以上添加することが好ましい。
【００４９】
これらの金属粉末に、ＡｌＮとの密着性を確保するために、金属酸化物を添加することが好ましい。例えば酸化アルミニウムや酸化ケイ素、酸化銅、酸化ホウ素、酸化亜鉛、酸化鉛、希土類酸化物、遷移金属元素酸化物、アルカリ土類金属酸化物などを添加することができる。添加量としては、０.１ｗｔ％以上、５０ｗｔ％以下が好ましい。含有量がこれより少ないと、窒化アルミニウムとの密着性が低下するため好ましくない。また、含有量がこれより多いと、銀等の金属成分の焼結が阻害されるため好ましくない。
【００５０】
これら金属粉末と無機物の粉末を混合し、更に有機溶剤やバインダーを添加し、ペースト状にし、上記同様スクリーン印刷により回路形成することができる。この場合、形成した回路パターンに対して、窒素などの不活性ガス雰囲気中もしくは大気中にて７００℃から１０００℃の温度範囲にて焼成する。
【００５１】
更にこの場合、回路間の絶縁を確保するために、結晶化ガラスやグレーズガラス、有機樹脂などを塗布し、焼成、もしくは硬化させることで絶縁層を形成することができる。ガラスの種類としては硼珪酸ガラス、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、などが使用できる。これら粉末に有機溶剤やバインダーを添加し、ペースト状にし、スクリーン印刷により塗布する。塗布する厚みに特に制限はないが、５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満では、絶縁性を確保することが困難となるからである。また焼成温度としては、上記回路形成時の温度より低温であることが好ましい。上記回路焼成時より高い温度で焼成すると、回路パターンの抵抗値が大きく変化するため好ましくない。
【００５２】
次に、必要に応じて更にセラミックス焼結体を積層することができる。積層は、接合剤を介して行うのが良い。接合剤は、酸化アルミニウム粉末や窒化アルミニウム粉末に、ＩＩａ族元素化合物やＩＩＩａ族元素化合物とバインダーや溶剤を加え、ペースト化したものを接合面にスクリーン印刷等の手法で塗布する。塗布する接合剤の厚みに特に制約はないが、５μｍ以上であることが好ましい。５μｍ未満の厚みでは、接合層にピンホールや接合ムラ等の接合欠陥が生じやすくなる。
【００５３】
接合剤を塗布したセラミックス焼結体を、非酸化性雰囲気中、５００℃以上の温度で脱脂する。その後、積層するセラミックス基板を重ね合わせ、所定の荷重を加え、非酸化性雰囲気中で加熱することにより、セラミックス焼結体同士を接合する。荷重は、５ｋＰａ以上であることが好ましい。５ｋＰａ未満の荷重では、充分な接合強度が得られないか、もしくは前記接合欠陥が生じやすい。
【００５４】
接合するための加熱温度は、セラミックス焼結体同士が接合層を介して十分密着する温度であれば、特に制約はないが、１５００℃以上であることが好ましい。１５００℃未満では、十分な接合強度が得られにくく、接合欠陥を生じやすい。前記脱脂ならびに接合時の非酸化性雰囲気は、窒素やアルゴンなどを用いることが好ましい。
【００５５】
以上のようにして、ヒータ基板となるセラミックス積層焼結体を得ることができる。なお、電気回路は、導電ペーストを用いずに、例えば、ヒータ回路であれば、モリブデン線（コイル）、静電吸着用電極やＲＦ電極などの場合には、モリブデンやタングステンのメッシュ（網状体）を用いることも可能である。
【００５６】
この場合、ＡｌＮ原料粉末中に上記モリブデンコイルやメッシュを内蔵させ、ホットプレス法により作製することができる。ホットプレスの温度や雰囲気は、前記ＡｌＮの焼結温度、雰囲気に準ずればよいが、ホットプレス圧力は、０．９８ＭＰａ以上加えることが望ましい。０．９８ＭＰａ未満では、モリブデンコイルやメッシュとＡｌＮの間に隙間が生じることがあるので、ヒータの性能が出なくなることがある。
【００５７】
次に、コファイアー法について説明する。前述した原料スラリーをドクターブレード法によりシート成形する。シート成形に関して特に制約はないが、シートの厚みは、乾燥後で３ｍｍ以下が好ましい。シートの厚みが３ｍｍを超えると、スラリーの乾燥収縮量が大きくなるので、シートに亀裂が発生する確率が高くなる。
【００５８】
上述したシート上に所定形状の電気回路となる金属層を、導体ペーストをスクリーン印刷などの手法により塗布することにより形成する。導電ペーストは、ポストメタライズ法で説明したものと同じものを用いることができる。ただし、コファイアー法では、導電ペーストに酸化物粉末を添加しなくても支障はない。
【００５９】
次に、回路形成を行ったシート及び回路形成をしていないシートを積層する。積層の方法は、各シートを所定の位置にセットし、重ね合わせる。この時、必要に応じて各シート間に溶剤を塗布しておく。重ね合わせた状態で、必要に応じて加熱する。加熱する場合、加熱温度は、１５０℃以下であることが好ましい。これを超える温度に加熱すると、積層したシートが大きく変形する。そして、重ね合わせたシートに圧力を加えて一体化する。加える圧力は、１〜１００ＭＰａの範囲が好ましい。１ＭＰａ未満の圧力では、シートが充分に一体化せず、その後の工程中に剥離することがある。また、１００ＭＰａを超える圧力を加えると、シートの変形量が大きくなりすぎる。
【００６０】
この積層体を、前述のポストメタライズ法と同様に、脱脂処理並びに焼結を行う。脱脂処理や焼結の温度や、炭素量等はポストメタライズ法と同じである。前述した、導電ペーストをシートに印刷する際に、複数のシートにそれぞれヒータ回路や静電吸着用電極等を印刷し、それらを積層することで、複数の電気回路を有する通電発熱ヒータを容易に作成することも可能である。このようにして、ヒータ基板となるセラミックス積層焼結体を得ることができる。
【００６１】
なお、発熱体回路などの電気回路が、セラミックス積層体の最外層に形成されている場合は、電気回路の保護と絶縁性の確保のために、前述のポストメタライズ法と同様に、電気回路の上に絶縁性コートを形成することができる。
【００６２】
得られたセラミックス積層焼結体は、必要に応じて加工を施す。通常、焼結した状態では、半導体製造装置で要求される精度に入らないことが多い。加工精度は、例えば、被処理物搭載面の平面度は０．５ｍｍ以下が好ましく、さらには０．１ｍｍ以下が特に好ましい。平面度が０．５ｍｍを超えると、被処理物とヒータ基板との間に隙間が生じやすくなり、ヒータ基板の熱が被処理物に均一に伝わらなくなり、被処理物の温度ムラが発生しやすくなる。
【００６３】
また、ヒータ基板の面粗さは、Ｒａで５μｍ以下が好ましい。Ｒａで５μｍを超えると、ヒータ基板とウェハとの摩擦によって、ＡｌＮの脱粒が多くなることがある。この時、脱粒した粒子はパーティクルとなり、ウェハ上への成膜やエッチングなどの処理に対して悪影響を与えることになる。さらに、表面粗さは、Ｒａで１μｍ以下であれば、好適である。以上のようにして、ヒータ基板本体を作製することができる。
【００６４】
次に、ヒータ基板に電極を取り付ける。取付は、公知の手法で行うことができる。例えば、ヒータ基板のウェハ保持面と反対側から電気回路までザグリ加工を施し、電気回路にメタライズを施すかあるいはメタライズなしで直接活性金属ろうを用いて、モリブデンやタングステン等の電極を接続すればよい。その後必要に応じて電極にメッキを施し、耐酸化性を向上させることができる。このようにしてヒータ基板を作製することができる。
【００６５】
更に、ヒータ基板と遮熱体とを支持体で支持することにより、本発明のヒータユニットを得ることができる。
【実施例１】
【００６６】
１００重量部の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末と、イットリウム換算で０．６重量部のステアリン酸イットリウム粉末を混合し、ポリビニルブチラールをバインダー、ジブチルフタレートを溶剤として、それぞれ１０重量部、５重量部混合して、スプレードライにより顆粒を作成後、プレス成形し、７００℃窒素雰囲下で脱脂し、窒素雰囲気中、１８５０℃で焼結し、窒化アルミニウム焼結体を作製した。なお、窒化アルミニウム粉末は、平均粒径０．６μｍ、比表面積３．４ｍ２／ｇのものを使用した。前記窒化アルミニウム焼結体を加工し、直径３３０ｍｍ、厚み１２ｍｍとした。このＡｌＮ焼結体の熱膨張係数は、４．５ｘ１０−６／℃であり、熱伝導率は１７０Ｗ／ｍＫであった。
【００６７】
また、平均粒径が２．０μｍのＷ粉末を１００重量部として、Ｙ２Ｏ３を１重量部と、５重量部のバインダーであるエチルセルロースと、溶剤としてブチルカルビトールを用いてＷペーストを作製した。混合にはポットミルと三本ロールを用いた。このＷペーストをスクリーン印刷で、前記加工した窒化アルミニウム焼結体上に、発熱体回路パターンを形成した。その後、９００℃、窒素雰囲気中で脱脂し、窒素雰囲気中１８００℃で焼成した。
【００６８】
発熱体回路パターンを形成した面に、ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系のガラスペーストを用いて、給電部を除いて１００μｍの厚さに塗布し、窒素雰囲気中７００℃で焼成した。また、給電部には、金ロウでタングステン端子を取付け、タングステン端子にニッケル電極をネジ止めし、ヒータ基板を完成させた。
【００６９】
また、遮熱体として、ステンレス製の有底円筒形状（輻射率０．１８）のものを用意した。内面の高さは３１ｍｍで、内径は３３３ｍｍ、側面の厚みは１．５ｍｍとし、底面の厚みは３ｍｍとした。
【００７０】
また、冷却ブロックとして、直径３３０ｍｍ、厚み５ｍｍの純アルミニウム板を２枚用意した。純アルミニウム板の熱伝導率は、２００Ｗ／ｍＫである。このうちの１枚に、幅５ｍｍ、深さ３ｍｍの冷却媒体を流すための流路を加工により形成した。さらにこの流路の外周に、Ｏ−リングを挿入するための、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの溝を形成した。また冷却媒体の出入り口に貫通孔を形成した。これら２枚のアルミニウム板をＯ−リングを挿入して、ネジ止めにて固定した。
【００７１】
これらのヒータ基板２、遮熱体３、冷却ブロック５を図１に示すように、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製で直径３ｍｍの円柱形状の支持体４で支持して装置架台１０に固定し、設置した。支持体は、３本を同心円上に均等に配置した。なお、遮熱体の底と冷却ブロックには、給電配線６や温度測定手段７および支持体４を挿入するための貫通孔を設けた。遮熱体の底には、冷却ブロックを昇降するためのエアーシリンダー等の昇降手段８を挿入するための貫通孔も設けた。また、装置架台と容器との距離は、３０ｍｍとし、容器とヒータ基板の距離は、２４ｍｍとした。なお、ナットの材質もＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製とした。
【００７２】
ヒータ基板と支持体の固定は、図２に示すような形状とした。支持体の直径は５ｍｍ、ナットとの固定部にはＭ３のネジを形成した。また、遮熱体と支持体との固定は、図６に示すように、遮熱体にＭ３のネジが通るような貫通孔を形成し、支持体の先端にＭ３のネジを形成し、ナットで固定した。
【００７３】
また、比較のために、図７（ａ）に示すように、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製で直径３ｍｍの円柱形状の支持体４の先端をＭ３のネジ加工したものを用いて、ヒータ基板に雌ねじ加工して取り付けたヒータユニットも用意した。遮熱体と支持体の取付は、前記実施例と同様にした。
【００７４】
以上のように用意したヒータユニットを用いて、温度サイクル試験を実施した。まず、３００℃まで１０分間で昇温し、３００℃で２分間保持した後、自然空冷にて約２０分間で８０℃まで冷却し、再び３００℃まで１０分間で昇温するというサイクルを最大１０００回行い、ヒータユニットが破壊するまでの回数を調べた。また、３００℃で２分間保持後、冷却水を流した冷却ブロックをヒータ基板に当接させ、強制冷却によって、８０℃まで８分間で冷却し、冷却ブロックを分離してから再び３００℃まで１０分間で昇温するという、強制冷却温度サイクル試験も行った。
【００７５】
サイクル試験中は、１２インチウェハ温度計をヒータ基板に搭載し、その温度分布を測定できるようにした。本発明のヒータユニットでは、強制冷却しない温度サイクル試験でも、強制冷却温度サイクル試験でも、１０００回のサイクル試験中、温度分布に以上は発生せず、良好な温度分布を維持していた。
【００７６】
一方、従来のヒータユニットでは、強制冷却無しでは、７７５回目に温度分布に異常がみられ、サイクル試験を中断して調べたところ、ヒータ基板の支持体との取付部の１箇所で、亀裂が発生していた。また、強制冷却温度サイクル試験では、５５３回目に温度分布に異常が発生し、やはりヒータ基板に亀裂が発生していた。
【実施例２】
【００７７】
実施例１で作製したＡｌＮ製のヒータ基板の他に、窒化珪素製と炭化珪素製のヒータ基板を作製した。窒化珪素製ヒータ基板は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末に、焼結助剤として３重量％のイットリア（Ｙ２Ｏ３）と２重量％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を加え、更にバインダーを添加して、分散混合し、スプレードライにより顆粒を作製後、焼結条件を窒素雰囲気中１６５０℃で４時間とした。その後Ａｇ７０重量Ｐｄを２０重量ガラス成分としてホウケイ酸ガラスを１０重量％加え、更にＡｌＮ製ヒータの時と同様にバインダー溶剤を加え、ペーストを作製し、スクリーン印刷したのち、大気中８５０℃で焼成し、その後ＡｌＮ製ヒータと同様に絶縁コートを施しヒータを作製した。このＳｉ３Ｎ４製ヒータ基板の熱膨張係数は、３．５ｘ１０−６／℃であり、熱伝導率は、２５Ｗ／ｍＫであった。
【００７８】
また、炭化珪素製ヒータ基板は、炭化珪素（ＳｉＣ）粉末に、焼結助剤として２重量％の炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）と１重量％の炭素（Ｃ）を加え、更にバインダーを添加して、分散混合し、スプレードライにより顆粒を作製後、焼結条件をアルゴン雰囲気中２０００℃で７時間とした以外は、ＡｌＮ製ヒータ基板と同様にして作製した。このＳｉＣ製ヒータ基板の熱膨張係数は、４．０ｘ１０−６／℃であり、熱伝導率は、１００Ｗ／ｍＫであった。
【００７９】
支持体とナットの材質を、表１〜３に示すものにしたこと以外は、実施例１と同様にヒータユニットを作成し、実施例１と同様に強制冷却温度サイクル試験を１０００回行った。また、３００℃保持中の温度分布のバラツキをウェハ温度計の最高温度と最低温度の差として測定した。これらの結果を表１〜３に示す。なお、表１がＡｌＮ製ヒータ基板、表２がＳｉ３Ｎ４製ヒータ基板、表３がＳｉＣ製ヒータ基板である。なお、表中熱膨張係数差は、用いたヒータ基板の熱膨張係数と支持体の熱膨張係数の差を示す。
【００８０】
【表１】
2005267931.tif 000003
【００８１】
【表２】
2005267931.tif 000004
【００８２】
【表３】
2005267931.tif 000005
【００８３】
表１〜３から判るように、熱膨張係数の差が、５ｘ１０−６／℃以下であれば、１０００回の温度サイクル試験で破損が発生せず、信頼性に優れている。ただし、ＳｉＣやジルコニアは、セラミックであり、雄ねじを加工するコストが金属に比較して高い。
【００８４】
また、支持体の熱伝導率が、５０Ｗ／ｍＫ以下であれば、ヒータ基板の材質によらず温度分布を１％以内にすることができる。更に、ヒータ基板の材質がＡｌＮの場合は、支持体の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以下であれば、温度分布を０．４％以内にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明によれば、ヒータ基板と支持体との固定が安定し、信頼性並びに均熱性が高いヒータユニットを提供することができる。更に、冷却ブロックを備えれば、冷却速度を向上させることができる。このようなヒータユニットを搭載した半導体製造装置は、従来の装置よりもウェハの温度分布がより均一になり、信頼性が高く、生産性も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明のヒータユニットの断面模式図を示す。
【図２】本発明のヒータユニットの要部断面模式図の一例を示す。
【図３】本発明のヒータユニットの要部断面模式図の他の例を示す。
【図４】本発明のヒータユニットの要部断面模式図の他の例を示す。
【図５】本発明のヒータユニットの要部断面模式図の他の例を示す。
【図６】本発明のヒータユニットの要部断面模式図の他の例を示す。
【図７】従来のヒータユニットの断面模式図を示す。
【符号の説明】
【００８７】
１    ヒータユニット
２    ヒータ基板
３    遮熱体
４    支持体
５    冷却ブロック
６    電極
７    温度計測手段
８    昇降手段
１０    装置架台
２０    亀裂
４０    貫通孔
４１    ザグリ部
４２    ナット
４３    段差部
４４    突起部
４５    ｃリング
４６    ナット
４７    突起部
【図１】
2005267931.tif 000006
【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】
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【図７】
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