(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナ製基板と、このアルミナ製基板の接合面の全領域を覆うアルミナ製被覆板を備えるとともに、前記アルミナ製基板と前記アルミナ製被覆板とのいずれかの接合面に凹溝を設け、この凹溝に、添加剤無添加で焼結され、焼結密度が 2.8ｇ／ｃｍ3 以上、室温での電気比抵抗が１Ω・ｃｍ以下の炭化珪素焼結体からなるヒータエレメントを装填し、このヒータエレメントに一端が接続された給電用電極を備えたセラミックスヒータであって、
前記アルミナ製基板と前記アルミナ製被覆板とは、ＳｉＯ2 を 75 重量％以上、Ｂ2 Ｏ3 を 10 重量％以上、Ａｌ2 Ｏ3 を 10 重量％以下、Ｎａ2 ＯとＫ2 Ｏとを合量で 5重量％以下を含むホウ珪酸アルミニウムを主成分とするガラス質接合剤により、気密に接合されてなることを特徴とするセラミックスヒータ。
【請求項２】
接合後の接合層の厚みが 20 〜180 μｍであることを特徴とする請求項１記載のセラミックスヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体基板等を加熱するため反応チャンバ内に設置されるセラミックスヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体基板等を加熱するため反応チャンバ内に設置されるセラミックスヒータとしては、表面に凹溝を設けたセラミックス製基板と、前記凹溝に充填された導電性セラミックスのヒータエレメントと、前記セラミックス製基板と前記ヒータエレメントの全領域を覆い被加熱物を載置するセラミックス製被覆板と、前記ヒータエレメントに一端が接続された少なくとも一対の電極を少なくとも備えたものが知られている。
【０００３】
〔問題点〕
このような従来のセラミックスヒータにあっては、セラミックス製基板とセラミックス製被覆板とは各種の耐熱性接合剤を用いて接合されているが、繰り返しの昇温、降温の熱負荷や、高温雰囲気に長時間晒されるため、以下のような問題点が惹起していた。
【０００４】
▲１▼  従来のセラミックスヒータは、接合部に微細なクラックが入りやすく、気密性を長期にわたり確保することができない。
▲２▼  導電性セラミックスを用いた従来のヒータエレメントにあっては、焼結助剤や導電性を付与するための添加剤（以下、これらの添加剤を単に「添加剤」という）が添加されているが、これらの添加剤が蒸発し、気密性が失われた前記接合部を通じて反応チャンバ内に流入し、半導体基板の汚染源となる。
▲３▼  導電性セラミックスを用いた従来のヒータエレメントは、添加剤が母材とは異種物質であるため、均一分散化が困難であり、そのため局所的な異常発熱が起こりやすく、この異常発熱により接合層の一部が溶融して前記接合部にリークが生じて気密性が損なわれ、前記▲１▼と同様に前記添加物が半導体基板の汚染源となる。
▲４▼  導電性セラミックスを用いた従来のヒータエレメントは、高温強度が十分でないため、熱衝撃による変形、破損が起こりやすい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の技術における問題点に鑑みて成されたものであり、その問題点を解決するため具体的に設定された課題は、接合部の気密性を向上させると共にその気密性が長期にわたって確保されることにより、反応チャンバ内を汚染することがなく、また、接合部の気密性が損なわれたとしても反応チャンバ内が汚染されることがなく、さらに、ヒータエレメントが破断することがない製品寿命の長いセラミックスヒータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明における請求項１に係るセラミックスヒータは、アルミナ製基板と、このアルミナ製基板の接合面の全領域を覆うアルミナ製被覆板を備えるとともに、前記アルミナ製基板と前記アルミナ製被覆板とのいずれかの接合面に凹溝を設け、この凹溝に、添加剤無添加で焼結され、焼結密度が 2.8ｇ／ｃｍ3 以上、室温での電気比抵抗が１Ω・ｃｍ以下の炭化珪素焼結体からなるヒータエレメントを装填し、このヒータエレメントに一端が接続された給電用電極を備えたセラミックスヒータであって、前記アルミナ製基板と前記アルミナ製被覆板とは、ＳｉＯ2 を 75 重量％以上、Ｂ2 Ｏ3 を 10 重量％以上、Ａｌ2 Ｏ3 を 10 重量％以下、Ｎａ2 ＯとＫ2 Ｏとを合量で 5重量％以下を含むホウ珪酸アルミニウムを主成分とするガラス質接合剤により、気密に接合されてなることを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項２に係るセラミックスヒータは、接合後の接合層の厚みが 20 〜180 μｍであることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
ただし、この実施の形態は、本発明をより良く理解させるため具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、発明内容を限定するものではない。
【０００９】
図１に例示するように、セラミックスヒータ１は、表面に凹溝２が設けられたアルミナ製の基板３と、添加剤が添加されることなく焼結され、所定の焼結密度と電気比抵抗とを有する炭化珪素焼結体からなり、凹溝２に装填されたヒータエレメント４と、基板３とヒータエレメント４の全領域を覆い、被加熱物を載置するアルミナ製の被覆板５と、ヒータエレメント４に一端が接続され、耐熱性に優れたニッケルにより形成された電極６と、被加熱物を載置する被覆板５の温度を測定する熱電対７と、被覆板５内に埋設された静電チャック用電極８とを備え、基板３と被覆板５との間に、接合後に所定の厚みとなるガラス質接合剤の接合層９を設け、気密に接合する。
【００１０】
基板３と被覆板５との間を接合するガラス質接合剤は、ＳｉＯ2 を 75 重量％以上、Ｂ2 Ｏ3 を 10 重量％以上、Ａｌ2 Ｏ3 を 10 重量％以下、Ｎａ2 ＯとＫ2 Ｏとを合量で 5重量％以下を含むホウ珪酸アルミニウムを主成分とするガラス質接合剤とする。
そして、ガラス質接合剤からなる接合層９は、接合後の厚みを 20 〜180 μｍとする。
【００１１】
特に、基板３と被覆板５との接合部の気密性を大幅に向上させ、長期にわたって気密性を維持するためには、ＳｉＯ2 を 80 重量％、Ｂ2 Ｏ3 を 13 重量％、Ａｌ2 Ｏ3 を 2重量％、Ｎａ2 ＯとＫ2 Ｏとを合量で 4重量％含むホウ珪酸アルミニウムを主成分とするガラス質接合剤が望ましく、この場合に接合層９の接合後の厚みが 120μｍであることが望ましい。
【００１２】
接合層９の厚みが 20 μｍ未満の場合は、接合層９の端部におけるフィレットの形成が不十分であることから、接合部の気密性を確保することができず、また、接合強度も不足する。一方、接合層９の厚みが 180μｍ超の場合では、接合部の気密性および接合強度が確保できるものの接合時の加熱処理により溶融したガラス質接合剤が接合部の端部から流出してアルミナ製の基板３と被覆板５とを平行に接合することができず、もって製品歩留りが低下し、接合作業にも支障をきたす。
【００１３】
このガラス質接合剤は、基板３や被覆板５の原料であるアルミナとの濡れ性が良好であり、基板３と被覆板５との接合強度を高め、優れた接合性を示す。
また、このガラス質接合剤のガラス軟化点は 600〜750 ℃と高く、高温雰囲気に晒されても接合層９が劣化しない。
【００１４】
さらに、このガラス質接合剤の熱膨張係数が 5.0〜9.5 ×10-6／℃であり、基板３や被覆板５の熱膨張係数（ 7.3〜7.8 ×10-6／℃）と一致もしくは近似し、もって、繰り返しの昇温、降温の熱負荷時の熱応力による接合層９の破損、すなわちクラックの発生を回避することができ、接合層９の気密性を長期にわたって確保することができるようになる。
【００１５】
基板３と被覆板５との材料をアルミナとしたのは、アルミナはセラミックス材料の中でも電気比抵抗の温度依存性が小さく、高温度域まで良好な絶縁性を維持することができ、ヒータエレメント４をサンドイッチ構造に挟持したセラミックスヒータを形成した場合に、ヒータエレメント４同士の間や、ヒータエレメント４と被覆板５の上に載置されたウエハとの間で、電流がリークしてショートするようなことが起こらないからであり、また、アルミナは生産性に優れているからである。
【００１６】
次に、ヒータエレメント４としては、添加剤を無添加の状態で焼結し、焼結密度が 2.8ｇ／ｃｍ3 以上、室温での電気比抵抗が１Ω・ｃｍ以下の炭化珪素焼結体からなるものを用いる。
【００１７】
このヒータエレメント４は、添加剤が無添加すなわち異種物質を添加することなく焼結された炭化珪素焼結体により形成したものであるから、均質であり、その結果として局所的な異常発熱を生じることがなく、接合層９の一部が溶融して漏れを生じるような不測の事態を防止でき、接合層９の気密性を強固に確保することができる。
【００１８】
また、添加剤が無添加であることから極めて高純度な焼結体であり、かつ、焼結密度が 2.8ｇ／ｃｍ3 以上の高密度な焼結体であることから、接合部に漏れが生じて気密性が損なわれたとしても、ヒータエレメント４からの添加剤すなわち不純物の蒸発はなく、反応チャンバ内が汚染されることがない。さらに、高温高強度にも優れていることから熱衝撃によるヒータエレメント４の変形や断線がなく、さらに、室温での電気比抵抗値が１Ω・ｃｍ以下という低い値であり、かつ、温度による電気比抵抗値の変化が少ないので、ヒータ表面温度を一定に保持するための電流制御がし易いといった利点を有する。
【００１９】
このような炭化珪素焼結体からなるヒータエレメント４を製造するには、例えば、特開平 4− 65361号公報に記載されている概略下記のいずれかの方法▲１▼，▲２▼で製造することができる。
【００２０】
▲１▼  第１の方法
平均粒子径が 0.1〜 10 μｍの第１の炭化珪素粉末と、非酸化性雰囲気のプラズマ中にシラン化合物またはハロゲン化珪素と炭化水素とからなる原料ガスを導入し、反応系の圧力を１気圧未満から 0.1torrの範囲で制御しつつ気相反応させることによって合成された平均粒子径が 0.1μｍ以下の第２の炭化珪素粉末とを混合し、これを加熱し焼結することによって炭化珪素焼結体を得る。この焼結体を所望のパターンにしたがって放電加工により加工してヒータエレメントとする。
【００２１】
▲２▼  第２の方法
非酸化性雰囲気のプラズマ中にシラン化合物またはハロゲン化珪素と炭化珪素とからなる原料ガスを導入し、反応系の圧力を１気圧未満から 0.1torrの範囲で制御しつつ気相反応させることによって合成された平均粒子径が 0.1μｍ以下である炭化珪素粉末を加熱し、焼結することによって炭化珪素焼結体を得る。この焼結体を所望のパターンにしたがって放電加工により加工してヒータエレメントとする。
【００２２】
このヒータエレメント４を使用してセラミックスヒータ１を製造するには、例えば、次のようにして製造する。
(1)   基板、被覆板の成形
表面に凹溝２を有する基板３は、例えば、表面に凸部が形成された金型を焼結前のアルミナ成形体板にプレス押圧し、焼結して形成する。焼結温度等の焼結条件は従来法に従えば良い。被覆板５も従来法にしたがって形成する。
【００２３】
(2)   ヒータエレメント装填
前記製造方法▲１▼，▲２▼にしたがって製造されたヒータエレメント４を基板３に形成されている凹溝２に装填する。
(3)   接合剤の調整
ガラス質接合剤は所定量比に秤量した原料粉末を湿式混合粉砕し、乾燥、仮焼し、電気炉中で溶融した後、急冷してガラス化したものを 325メッシュアンダー程度まで微粉砕することにより得る。この微粉砕されたガラス質接合剤をスクリーンオイルと混合してペースト化する。
【００２４】
(4)   接合剤の塗布
ペースト状ガラス質接合剤をヒータエレメント４が装填された状態の基板３と被覆板５とのそれぞれの接合面に塗布し、乾燥する。
(5)   基板と被覆板との接合
基板３と被覆板５とのガラス質接合剤が塗布された面を突き合わせ、ヒータエレメント４を凹溝２に装填した状態で挟持するように基板３と被覆板５とを積層し、電気炉中で加熱してガラス質接合剤を溶融し、基板３と被覆板５とを接合する。
(6)   ヒータエレメントと給電用電極との接合
ヒータエレメント４と、耐熱性に優れたニッケル、モリブデン等で形成された給電用電極６とを、各種の耐熱性、導電性に優れた接合材を使用した接合法（例えば、活性金属法）を用いて接合する。
【００２５】
なお、接合後の接合層９の厚みを所定の厚みに調整するには、ペースト状ガラス質接合剤における微粉砕されたガラス質接合剤とスクリーンオイルとの量比、ペースト状ガラス質接合剤の塗布量、接合時の加熱温度、加熱時間等の処理条件を適宜調節することにより行う。
【００２６】
この実施の形態のセラミックスヒータ１では、ヒータエレメント４を挟持する基板３と被覆板５とを接合するガラス質接合剤として前記組成を有し、接合後の接合層９の厚みを特定範囲に限定し、さらにヒータエレメント４を形成する導電性セラミックスを前記特性を有する炭化珪素としたことによって、基板３と被覆板５との接合部の気密性を大幅に向上させることができるとともに、この接合部の気密性を長期にわたって確保することができ、セラミックスヒータ１が反応チャンバを汚染させることがなくなり、耐久性のある製品寿命が長くなる優れたセラミックスヒータ１を実現することができる。
【００２７】
【実施例】
表１にまとめたように接合剤の組成および厚みを種々変更して形成させた実施例を具体的に説明する。
〔実施例１〜３〕
前記セラミックスヒータの製造方法(1) により、表面に幅 5ｍｍ、深さ 3ｍｍの凹溝２がスパイラル状に設けられた直径 220ｍｍ、厚み 15 ｍｍのアルミナ製基板３と、直径 220ｍｍ、厚み 8ｍｍのアルミナ製被覆板５とを形成した。
【００２８】
一方、ヒータエレメント４を、製造方法▲１▼により、焼結助剤や導電性を付与するための添加剤が添加されることなく焼結し、焼結密度が 3.1ｇ／ｃｍ3 、室温での電気比抵抗が 0.05 Ω・ｃｍの炭化珪素焼結体からなり、凹溝２に装填し得る形状に形成した。この場合、第１の炭化珪素粉末の平均粒径は 0.7μｍ、添加量は 95 重量％、第２の炭化珪素の平均粒径は 0.01 μｍ、添加量は 5重量％であり、ホットプレス焼結条件はプレス圧 400ｋｇ／ｃｍ2 、焼結温度 2200 ℃、焼結時間 90 分である。
【００２９】
このヒータエレメント４を前記アルミナ製基板３の凹溝２に装填し、表１に示す組成を有するホウ珪酸アルミニウムからなるガラス質接合剤を用いて、基板３と被覆板５とのそれぞれの接合面に塗布し、乾燥し、その後、ガラス質接合剤が塗布された面を突き合わせて両者を積層し、電気炉中で 1100 ℃に加熱して両者を気密に接合した。接合後の接合層９の厚みは 120μm である。
【００３０】
このようにして得られたセラミックスヒータの接合部の気密性を確認するために、耐久性試験に供した。この試験結果を表１に示す。
なお、耐久性試験の概要は以下の通りである。
セラミックスヒータに通電して、室温から最高温度 250℃まで１時間で昇温し、最高温度に１時間保持し、その後、室温まで徐冷する。このヒートサイクルを 100回負荷した後の前記接合部の気密性をＨｅガスを用いたリークテストにより試験した。
【００３１】
〔実施例４〜６〕
実施例１〜３に準じてセラミックスヒータを作製し、耐久性試験に供した。
ただし、ガラス質接合剤の組成は実施例１の場合と同一であるが、接合層９の厚みを 200μｍ、 50 μｍ、 18 μｍとなるように調整した。
【００３２】
〔比較例１〜４〕
実施例に準じてセラミックスヒータを作製し、耐久性試験に供した。この試験結果を表１に示す。
ただし、ガラス質接合剤の組成は表１に示す通りである。
【００３３】
【表１】
0003964530.tif 000002
【００３４】
〔別態様〕
以上の実施の形態は本発明をより良く理解させるために具体的に説明したものであり、趣旨を変えない限り変更可能である。例えば、前記実施の形態では凹溝は基板側に設けたが、この例ばかりでなく凹溝を被覆板側に設けても良い。この場合は、セラミックスヒータ１は凹溝２を基板３ではなく被覆板５の接合面側に刻設し、炭化珪素焼結体からなるヒータエレメント４を凹溝２に装填する。その他は、すでに説明した実施の形態と同様とする。この場合でもガラス質接合剤からなる接合層９が同様に機能し、同様の気密性および耐久性を具備することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明では、請求項１に係るセラミックスヒータでは、添加剤無添加で焼結され、焼結密度が 2.8ｇ／ｃｍ3 以上、室温での電気比抵抗が１Ω・ｃｍ以下の炭化珪素焼結体からなるヒータエレメントを、アルミナ製の基板と被覆板とのいずれかの接合面に設けられた凹溝に装填し、前記アルミナ製基板と前記アルミナ製被覆板とは、ＳｉＯ2 を 75 重量％以上、Ｂ2 Ｏ3 を 10 重量％以上、Ａｌ2 Ｏ3 を 10 重量％以下、Ｎａ2 ＯとＫ2 Ｏとを合量で 5重量％以下を含むホウ珪酸アルミニウムを主成分とするガラス質接合剤により気密に接合させたことにより、前記基板と前記被覆板との接合部の気密性を大幅に向上させることができ、この接合部の気密性を長期にわたって確保することができて、反応チャンバを汚染させることが防止でき、耐久性があり製品寿命が長い優れたセラミックスヒータが実現できる。
【００３６】
また、請求項２に係るセラミックスヒータでは、接合後の接合層の厚みが 20 〜180 μｍであることから、フィレットの形成が十分にできて必要な接合強度が確保でき、接合部の気密性を強固に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における実施の形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１  セラミックスヒータ
２  凹溝
３  アルミナ製基板
４  ヒータエレメント
５  アルミナ製被覆板
６  給電用電極
７  熱電対
８  静電チャック用電極
９  接合層
【図１】
0003964530.tif 000003