(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱化学気相蒸着法により製造された熱分解窒化ホウ素からなる支持基板の表面に、熱化学気相蒸着法により熱分解グラファイトからなる発熱層を接合し、さらに発熱層を覆って熱化学気相蒸着法により、支持基板と同じ材質の熱分解窒化ホウ素からなる保護層を形成した一体型の抵抗加熱式の複層セラミックスヒータにおいて、該熱分解グラファイト中に炭化ホウ素がホウ素濃度として０．００１重量％以上３０重量％以下の範囲で混在し、前記発熱層の表面粗さの凹凸の平均間隔Ｓｍが２μｍ以上１００μｍ以下、最大高さＲｙが３μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする複層セラミックスヒータ。
【請求項２】
請求項１に記載の複層セラミックスヒータの製造方法であって、まず、熱化学気相蒸着法により熱分解窒化ホウ素からなる前記支持基板を製造し、次に、前記発熱層の原料として三塩化ホウ素（ＢＣｌ3 ）、三フッ化ホウ素（ＢＦ3 ）の少なくとも１種と炭化水素を用いて、熱分解グラファイト中に炭化ホウ素がホウ素濃度として０．００１重量％以上３０重量％以下の範囲で混在するように、熱化学気相蒸着法により前記発熱層を形成し、次いで、熱化学気相蒸着法により熱分解窒化ホウ素からなる前記保護層を形成することを特徴とする複層セラミックスヒータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスまたは光デバイス製造プロセス等における熱処理工程に使用される複層セラミックスヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体プロセスや光プロセスに使用される抵抗加熱式ヒータとしては、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、窒化ホウ素等の焼結セラミックスからなる支持基板に、発熱体としてモリブデン、タングステン等の高融点金属の線材や箔を巻き付けるか、接着し、その上に電気絶縁性セラミックス板を載せたものが用いられてきた。また、これを改良したものとしては、電気絶縁性セラミックス支持基板の上に導電性セラミックスの発熱層を設け、その上に、電気絶縁性セラミックスの被覆を施した抵抗加熱式セラミックスヒータが開発され、絶縁性、耐食性を向上させている。
【０００３】
通常、セラミックス支持基板には、原料粉体に焼結助剤を添加して焼結した焼結体が使用されている。しかし、焼結助剤が添加されているため、加熱時の不純物汚染や耐食性の低下が懸念される。さらに、焼結体であるため耐熱衝撃性という点でも問題であり、特に大型になれば、焼結性の不均一から発生する基材の割れ等が懸念され、急激な昇降温を必要とするプロセスには適用できないという問題があった。
【０００４】
そこで、熱化学気相蒸着法（以下、熱ＣＶＤ法ということがある）によって成膜された熱分解窒化ホウ素（以下、ＰＢＮということがある）からなる支持基板の表面に熱ＣＶＤ法によって成膜された熱分解グラファイト（以下、ＰＧということがある）からなる発熱層が支持基板の表面に接合され、さらに発熱層の上に支持基板と同じ材質の緻密な層状の保護層によって覆われた一体型の抵抗加熱式の複層セラミックスヒータが開発され、高純度で化学的に安定な熱衝撃に強いヒータとして、急速な昇降温を必要とする様々な分野、特に半導体ウエーハ等を１枚づつ処理する枚葉式であって、温度を階段的に変えて処理する連続プロセス等において幅広く使用されている。
【０００５】
また、この複層セラミックスヒータの構成部材は、全て熱ＣＶＤ法で作製されているために、粉末を焼結してつくる焼結体セラミックスに見られるような粒界は存在せず、緻密でガスを吸蔵せず、従って脱ガスしないので、真空内プロセスで真空度に影響を与えないヒータとしても使用が拡大している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この発熱層である熱分解グラファイトの生成直後の表面は非常に平滑であるため、その上にさらに保護層を接合した場合、その保護層がヒータの使用中に剥れてきてしまうという問題がある。これは、例えば発熱層のＰＧと保護層のＰＢＮとの間には殆ど化学的な結合が期待できないためであって、剥れないように密着性を高めるためにはアンカー効果を付与しなければならない。そのためには熱分解グラファイト生成直後の表面に研削等の粗面化処理を施してから、保護層を接合させなければならなかった。つまり、熱分解グラファイトの表面を荒らしてアンカー効果を高める処理が必要であり、その分、生産性が低く、コストが割高となっていた。
【０００７】
そこで本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、発熱層である熱分解グラファイトの表面を荒らしてアンカー効果を高める粗面化処理を施すことなく粗面化することができ、かつヒータの使用中に保護層が剥れることのない長寿命の複層セラミックスヒータを提供し、半導体プロセスの操業の安定化を図ることを主な目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明は、少なくともセラミックスからなる支持基板の表面に、熱分解グラファイトからなる発熱層を接合し、さらに発熱層を覆って支持基板と同じ材質の保護層を形成した一体型の抵抗加熱式の複層セラミックスヒータにおいて、該熱分解グラファイト中に炭化ホウ素がホウ素濃度として０．００１重量％以上３０重量％以下の範囲で混在していることを特徴とする複層セラミックスヒータである。
【０００９】
このように、発熱層である熱分解グラファイト中に炭化ホウ素をホウ素濃度として０．００１重量％以上３０重量％以下の範囲内に制御して混在させることにより、生成直後の炭化ホウ素混在熱分解グラファイト層の表面に微小な凹凸が形成されて、粗面化処理なしでアンカー効果を発揮する表面が形成される。従って、その上に形成された保護層はアンカー効果により良く密着、接合し、ヒータ使用中に保護層が剥れるようなことは殆どなくなり、寿命の長い複層セラミックスヒータとすることができる。
【００１０】
この場合、本発明は、発熱層の表面粗さの凹凸の平均間隔Ｓｍが２μｍ以上１００μｍ以下、最大高さＲｙが３μｍ以上３０μｍ以下である。
【００１１】
このような範囲内に炭化ホウ素混在熱分解グラファイト発熱層の表面粗さを制御すれば、発熱層の表面はアンカー効果を現すように確実に粗面化されており、その上に形成される保護層はアンカー効果により密着し、ヒータ使用中に保護層が剥離してヒータが劣化したり、剥れた保護層が不純物汚染源となるようなことは殆どなくなり、寿命の長いものとすることができる。
【００１２】
そして本発明は、支持基板および保護層を形成するセラミックスを、熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）とする。
【００１３】
この材質で支持基板および保護層を形成すると、高純度で耐熱性が優れると共に炭化ホウ素混在熱分解グラファイト発熱層との密着性に優れ、特にヒータ使用中に保護層が剥離するようなことは起こらず、耐久性の高いヒータとすることができる。
【００１４】
さらに、本発明は、支持基板、保護層および発熱層が、熱化学気相蒸着法で製造されたものとした。
このように、支持基板、保護層および発熱層の各薄膜層を熱化学気相蒸着法により合成すると、高純度、高密度で、寸法精度に優れた物を作ることができ、耐熱性、化学的安定性、相互の密着性に優れ、絶縁不良や剥離の極めて少ない長寿命の複層セラミックスヒータとすることができる。
【００１５】
次に本発明は、前述の複層セラミックスヒータの製造方法であって、まず、熱化学気相蒸着法により熱分解窒化ホウ素からなる前記支持基板を製造し、次に、前記発熱層の原料として三塩化ホウ素（ＢＣｌ3 ）、三フッ化ホウ素（ＢＦ3 ）の少なくとも１種と炭化水素を用いて、熱分解グラファイト中に炭化ホウ素がホウ素濃度として０．００１重量％以上３０重量％以下の範囲で混在するように、熱化学気相蒸着法により前記発熱層を形成し、次いで、熱化学気相蒸着法により熱分解窒化ホウ素からなる前記保護層を形成することを特徴とする複層セラミックスヒータの製造方法である。
【００１６】
このように、発熱層の原料としてＢＣｌ3 、ＢＦ3 の少なくとも１種と炭化水素、例えばメタンガスを用いて熱ＣＶＤ法により炭化ホウ素混在熱分解グラファイト発熱層を支持基板上に成膜すれば、発熱層表面にアンカー効果のある粗面が生成し、この上に形成される保護層はアンカー効果によりよく密着し、ヒータ使用中に保護層が剥離することはなくなると共に、耐酸化性に優れ、長期間安定化した複層セラミックスヒータを製造することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明者等は、複層セラミックスヒータの絶縁保護層がヒータ使用中にしばしば剥離して異物や汚染物質となり、これらが例えば熱処理中の半導体ウエーハを汚染するような事態を回避するには、発熱層の表面と保護層裏面との間の密着性を改善する必要があり、そのためには発熱層の熱分解グラファイトを改質すればよいことに想到し、諸条件を精査して本発明を完成させたものである。
【００１８】
本発明の最大の特徴は、少なくともセラミックスからなる支持基板の表面に、熱分解グラファイトからなる発熱層を接合し、さらに発熱層を覆って支持基板と同じ材質の保護層を形成した一体型の抵抗加熱式の複層セラミックスヒータにおいて、発熱層を構成する熱分解グラファイト中に炭化ホウ素がホウ素濃度として０．００１重量％以上３０重量％以下の範囲内に混在するようにしたことである。
【００１９】
このように、セラミックス支持基板上に、炭化ホウ素がＢ濃度として０．００１〜３０重量％の範囲で混在する熱分解グラファイトを堆積させると、生成直後の表面に微小な凹凸が形成されて、粗面化処理なしでアンカー効果のある表面が形成される。従って、この粗面化された炭化ホウ素含有熱分解グラファイト発熱層の表面上に保護層を形成させれば、アンカー効果によってよく密着、接合し、ヒータ使用中に保護層が剥離することは殆ど無くなり、長寿命の複層セラミックスヒータとすることができる。
【００２０】
この熱分解グラファイト中に混在する炭化ホウ素が、Ｂ濃度で０．００１重量％未満では発熱層表面上の凹凸が小さくてアンカー効果は期待できない。また、３０重量％を超えると凹凸の高さが大きくなり過ぎて発熱層に亀裂が発生してしまうので好ましくない。
【００２１】
また、この炭化ホウ素混在熱分解グラファイト発熱体は、耐酸化性が向上し、通常の熱分解グラファイトの酸化開始温度が８００℃程度であるのに比べて、９００℃から酸化が始まるようになる。１０００℃ではヒータ寿命が６〜２５倍と飛躍的に向上するという有利性も確認された。
【００２２】
この炭化ホウ素含有ＰＧ発熱層の表面粗さについては、凹凸の平均間隔Ｓｍが２μｍ以上１００μｍ以下（０．００２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下）、最大高さＲｙが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲が好ましく、これによってアンカー効果を充分発揮することができる。従って、この範囲の凹凸を有する発熱層の表面上に保護層を形成すれば、アンカー効果によって充分に密着し、ヒータ使用時に保護層が剥離するようなことは起らない。
【００２３】
Ｓｍが２μｍ未満、Ｒｙが３μｍ未満では発熱層表面上の凹凸が小さくてアンカー効果が小さくなってしまう。Ｓｍが１００μｍを超え、Ｒｙが３０μｍを超えると凹凸が大きくなり過ぎて発熱層に亀裂を生じる恐れもあるので、前記範囲内とするのが好ましい。
【００２４】
本発明では、複層セラミックスヒータを構成する部材の内、支持基板および保護層を形成するセラミックスは、熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）とし、ＰＢＮは炭化ホウ素混在熱分解グラファイト発熱層との密着性に優れ、特にヒータ使用中に保護層が剥離するようなことは起こらず、耐久性の高いヒータとすることができる。しかも、このような材質であれば、汎用性もあり、安価であり、耐熱性にも優れたものとなる。
【００２５】
本実施形態における複層セラミックスヒータは、これを構成する支持基板、保護層および発熱層のいずれもが、熱化学気相蒸着法（熱ＣＶＤ法）により製造されたものである。熱ＣＶＤ法によれば、均一で、高純度、高密度の蒸着層が得られ、寸法精度に優れた物を作ることができる。本発明では特に発熱層のＰＧにＢを添加してＢ4 Ｃ混在ＰＧに改質したことにより、保護層の密着性を高め、耐酸化性を向上させると共に絶縁不良や剥離の極めて少ない長寿命の複層セラミックスヒータとすることができる。
【００２６】
本発明のＢ4 Ｃ混在ＰＧ発熱層は、その原料として、三塩化ホウ素（ＢＣｌ3 ）、三フッ化ホウ素（ＢＦ3 ）の少なくとも１種と炭化水素例えばメタンガスを用いて熱ＣＶＤ法により製造することができる。
このように原料ガスにホウ素含有化合物を入れ、その比率を変えることにより、所望のＢ濃度の炭化ホウ素混在熱分解グラファイト発熱層を熱ＣＶＤ法で作製することができる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例および比較例）
先ずＣＶＤ法により、アンモニア（ＮＨ3 ）と三塩化ホウ素（ＢＣｌ3 ）とを１００Ｔｏｒｒの圧力下に１９００℃で反応させて厚さ１ｍｍの熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）製基板を作製した。次にメタンガス（ＣＨ4 ）とＢＣｌ3 の割合を変化させて、１５００℃、５０Ｔｏｒｒの条件下で熱分解して厚さ１００μｍの炭化ホウ素が種々の割合で混在した１２種類の熱分解グラファイト層を形成し、これを発熱層パターンに加工した。
ＰＧ中Ｂ濃度（重量％）は、次の１２水準とした。
０、  ０．０００８、  ０．００１３、  ０．００６、  ０．０３、  ０．１、  ０．４、  ２、  ６、  １８、  ３０、  ３５。
【００２８】
ここで、基板の端材の一部をサンプルとしてＸ線回折装置で定性分析を行った結果、炭化ホウ素の（１０４）面、（０２１）面の回折ピークが現れ、炭化ホウ素がＢ4 Ｃとして生成していることを確認した。
また、表面粗さを触針式表面粗さ測定器を用いて測定し、凹凸の平均間隔Ｓｍと最大高さＲｙを求めた。
【００２９】
次いで、熱分解グラファイト表面を粗面化処理せずにアンモニアと三塩化ホウ素とを１００Ｔｏｒｒの圧力下に１９００℃で反応させて、厚さ１００μｍの熱分解窒化ホウ素製保護層を堆積させ、直径６０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの複層セラミックスヒータを作製した。
【００３０】
そして、これらＰＧ発熱層のＢ濃度を変えた１２種類の複層セラミックスヒータについて、２００℃から１２００℃までの１００００回の繰り返しヒートサイクル試験を行った。
その結果をまとめて表１に示した。
【００３１】
【表１】
0003869160.tif 000002
【００３２】
この結果を見ると、熱分解グラファイト中にホウ素として０．００１重量％以上、３０重量％以下の範囲の炭化ホウ素を混在させることにより、ＰＢＮ保護層が剥離することなく昇降温可能となり、生成直後のＢ4 Ｃ混在熱分解グラファイト層表面にアンカー効果が付与されていることが確認された。そして、このアンカー効果のある発熱層表面を表面粗さで表すと、凹凸の平均間隔Ｓｍで２μｍ以上１００μｍ以下、最大高さＲｙで３μｍ以上３０μｍ以下となる。
【００３３】
このアンカー効果のある発熱層表面について、ホウ素濃度が２重量％の複層セラミックスヒータ（実施例６）の断面を実体顕微鏡で観察した図を図１に示す。炭化ホウ素が混在した熱分解グラファイトの生成直後の表面に、微小な凹凸が形成されて、粗面化処理なしでアンカー効果のある表面が形成され、ＰＢＮ保護層の熱分解窒化ホウ素が強固に密着して接合しているのが判る。
【００３４】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３５】
例えば、本発明の適用にあっては、ＣＶＤ装置における半導体ウエーハの加熱ヒータとして好適とされるが、本発明はこのような例に限定されるものではなく、真空蒸着、イオンプレーティング等の半導体装置等の加熱ヒータとして有効に使用される。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、発熱層を形成する熱分解グラファイト中にホウ素重量で０．００１〜３０重量％の範囲の炭化ホウ素を混在させることにより生成直後の表面にアンカー効果のある微小な凹凸が形成されるので、従来のように表面を荒らしてアンカー効果を高める粗面化処理を省略することができると共に、ヒータの耐酸化性も向上し、長期間安定して使用できる複層セラミックスヒータを供給することができる。従って複層セラミックスヒータの生産性の向上を図り、コストを改善することができると共に半導体プロセスの操業の安定化を図ることができる。
また、本発明の複層セラミックスヒータは、その性能とコストの両方に優れた薄型で低熱容量の急速昇降温可能なヒータであり、このヒータが適用される半導体装置は、その反応室を小型に設計できるため、経済性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複層セラミックスヒータの断面構造を観察した図面である。
【符号の説明】
Ａ…ＰＢＮ保護層、  Ｂ…炭化ホウ素混在熱分解グラファイト発熱層、
Ｃ…ＰＢＮ支持基板。
【図１】
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