(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱面を有するセラミックス製の基体と、この基体内に埋設されている複数体の抵抗発熱体と、各抵抗発熱体に対してそれぞれ交流電力を供給するために各抵抗発熱体ごとに設けられている一対の端子と、各抵抗発熱体に対応する各対の端子に対してそれぞれ前記交流電力を供給するために接続されている交流電源と、各交流電源と各対の端子との間にそれぞれ介在する絶縁トランスとを備え、前記抵抗発熱体が、前記基体の厚さ方向に層状をなして設けられている複数の平面状抵抗発熱体からなり、これらの複数の平面状抵抗発熱体がそれぞれ平面的に見て互いに異なる部分において発熱密度増加部分を備えていることを特徴とする、加熱装置。
【請求項２】
前記セラミックスの体積抵抗率の温度係数が負であることを特徴とする、請求項１記載の加熱装置。
【請求項３】
前記セラミックスが窒化アルミニウムであることを特徴とする、請求項２記載の加熱装置。
【請求項４】
前記抵抗発熱体を構成する材質の体積抵抗率の温度係数が正であることを特徴とする、請求項２または３記載の加熱装置。
【請求項５】
前記平面状抵抗発熱体が、前記基体の前記加熱面と略平行に配設されていることを特徴とする、請求項１記載の加熱装置。
【請求項６】
前記複数の平面状抵抗発熱体のうちのいずれか一つのみに前記交流電力を供給して発熱させた場合の前記加熱面内の温度分布が、５０℃以内であることを特徴とする、請求項１または５記載の加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスヒーターを用いた加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置においては、熱ＣＶＤなどによってシランガスなどの原料ガスから半導体薄膜を製造する当たって、基板であるウエハーを加熱するためのセラミックスヒーターが具えられている。
【０００３】
セラミックスヒーターにおいては、いわゆる２ゾーンヒーターと呼ばれる構成のものが知られている。２ゾーンヒーターにおいては、セラミックス基体中に、モリブデンなどの高融点金属からなる内側抵抗発熱体と外側抵抗発熱体とを埋設し、これら抵抗発熱体にそれぞれ別個の電流導入端子を接続し、各抵抗発熱体に所定の電圧を印加することにより、内側抵抗発熱体および外側抵抗発熱体を独立に制御する。
【０００４】
また、特開平５−３２６１１２号公報においては、セラミックスヒーターの抵抗発熱体を、複数の高融点金属などからなる回路パターンによって構成し、それぞれの回路パターンを互いの欠損部分が補われるようにして配置している。具体的には、一つの回路パターンの折れ目又は折り返し部などにおいて、他の回路パターンを重ね合わせている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特に半導体ウエハーを加熱する用途においては、加熱面の温度を全体に均一に制御することが必要であり、使用条件下で例えば加熱面の全体にわたって±５℃以下といった厳格な仕様を満足することが要求されている。２ゾーン制御方式のセラミックスヒーターにおいても、通常はこうした仕様を満足することは可能であった。しかし、本発明者が更に検討を進めた結果、室温−５００℃といった温度範囲において加熱面の温度の均一性が保持されていたセラミックスヒーターであっても、例えば６００℃以上の温度範囲になると急激に加熱面における温度差が大きくなることがあった。こうした場合には、通常ヒーターの基体の外周部分の特定部位にヒートスポットが発生すると共に、例えば図２に示すように、抵抗発熱体の全長の抵抗値が上昇せず、かえって低下する傾向が見られた。
【０００６】
本発明の課題は、加熱面を有するセラミックス製の基体と、この基体内に埋設されている複数体の抵抗発熱体と、各抵抗発熱体に対してそれぞれ交流電力を供給するために各抵抗発熱体ごとに設けられている一対の端子と、各抵抗発熱体に対応する各対の端子に対してそれぞれ交流電力を供給するために接続されている交流電源とを備えている加熱装置において、高温領域を含む広い温度範囲で、加熱面における温度差の増加やヒートスポットの発生を防止できるようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、加熱面を有するセラミックス製の基体と、この基体内に埋設されている複数体の抵抗発熱体と、各抵抗発熱体に対してそれぞれ交流電力を供給するために各抵抗発熱体ごとに設けられている一対の端子と、各抵抗発熱体に対応する各対の端子に対してそれぞれ前記交流電力を供給するために接続されている交流電源と、各交流電源と各対の端子との間にそれぞれ介在する絶縁トランスとを備え、前記抵抗発熱体が、前記基体の厚さ方向に層状をなして設けられている複数の平面状抵抗発熱体からなり、これらの複数の平面状抵抗発熱体がそれぞれ平面的に見て互いに異なる部分において発熱密度増加部分を備えている加熱装置に係るものである。
【０００８】
本発明者は、こうした加熱装置において、高温領域で加熱面の温度差の増大やヒートスポットが生ずる原因について検討した。まず、本発明者は、ヒートスポット（例えば図３に示す）を観測した結果、ヒートスポットの平面的形態が抵抗発熱体の埋設の方向（周方向）に沿って発生している可能性があると考えた。更に、図２に示すように高温領域で抵抗発熱体の抵抗値（全長の抵抗値）が低下する傾向が見られたことに注目した。通常、温度が上昇すると金属の体積抵抗値も上昇するので、図２に見られるような抵抗値の低下は、抵抗発熱体の材質等の変化によるものではなく、セラミックス側にあるものと考えられる。
【０００９】
本発明者はこの観点から更に検討し、ある温度以上になると、各抵抗発熱体の近接領域間でセラミックスを通して漏れ電流が発生するものと考えた。特にセラミックスが負の温度係数を有している場合には、漏れ電流が発生し易い。漏れ電流が発生すると、抵抗発熱体内の電流値が局所的に上昇し、発熱量が増加し、これによって漏れ電流が一層増大する傾向がある。こうしたプロセスによって漏れ電流が拡大し、ヒートスポットが発生するものと考えられる。
【００１０】
この仮定に立ち、各抵抗発熱体に対して絶縁トランスを介在させることで各抵抗発熱体間の電流を遮断したところ、例えば図４に示すようにヒートスポットはほぼ解消され、加熱面の温度差が著しく縮小することが分かった。
【００１１】
セラミックスの種類は限定されないが、体積抵抗率の温度係数が負であり、かつその温度係数が大きいという観点からは、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素が好ましく、耐蝕性の観点から窒化アルミニウムが特に好ましい。
【００１２】
本発明は、抵抗発熱体の材質の体積抵抗率の温度係数が正である場合に特に有用である。抵抗発熱体の具体的な材質としては、タンタル、タングステン、モリブデン、白金、レニウム、ハフニウム及びこれらの合金である高融点金属を使用することが好ましく、特に、セラミックス基体を窒化アルミニウムから構成した場合においては、モリブデン及びモリブデン合金であることが好ましい。また、高融点金属以外に、カーボン、ＴｉＮ、ＴｉＣなどの導電性材料を使用することもできる。
【００１３】
好ましくは、抵抗発熱体が、基体の厚さ方向に層状をなして設けられている複数の平面状抵抗発熱体からなり、これらの複数の平面状抵抗発熱体がそれぞれ平面的に見て互いに異なる部分において発熱密度増加部分を備えている。更に好ましくは、平面状抵抗発熱体が、基体の加熱面と略平行に配設されている。こうした実施形態について、図１を参照しつつ、更に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る加熱装置を示す模式図である。図１においては、説明の便宜のために装置の詳細については記載を省略するとともに、装置の各部分の大きさも実際の加熱装置とは異なった尺度で描いている。
【００１５】
セラミックスヒーター１は、基体２と、基体２中に埋設されている上部平面状抵抗発熱体３及び下部平面状抵抗発熱体４を具えている。基体２の例えば中央部には電流導入端子５及び６が設けられている。
【００１６】
抵抗発熱体３、４は、それぞれ基体２の加熱面２Ａと略平行となるように埋設されている。上部平面状抵抗発熱体３は、基体２の外周部において発熱密度増加部分３Ａを有しており、下部平面状抵抗発熱体４は、基体２の内周部において発熱密度増加部分４Ａを有している。
【００１７】
端子５の一端は上部平面状抵抗発熱体３に接続されており、端子６の一端は下部平面状抵抗発熱体４の発熱密度増加部分４Ａに接続されている。そして、端子５及び６の他端には、リード線８及び９が接続されている。リード線９は絶縁トランス１０Ａを解して交流電源１１Ａに対して接続されている。リード線８は絶縁トランス１０Ｂを解して交流電源１１Ｂに接続されている。各交流電源１１Ａ、１１Ｂからの供給電力は互いに独立して制御可能である。
【００１８】
基体２の背面側には円筒状部材７が接合されており、電流導入端子部５及び６の他端、すなわち、これらの端子部の基体２から外部に突出した部分を保護している。
【００１９】
高温領域においてセラミックスの抵抗値が低下すると、例えば発熱密度増加部分３Ａと発熱体４との間で漏れ電流が発生し、ヒートスポットの原因となる。本発明によって、こうした各層の抵抗発熱体間の漏れ電流を防止できる。
【００２０】
また、図１のような加熱装置によれば、更に次のような作用効果が得られる。例えば図１のような２ゾーンセラミックスヒーターを長時間稼動させると、基体及び各抵抗発熱体は頻繁に加熱冷却される。そして、この加熱冷却の熱サイクルにより、基体を構成するセラミックスと抵抗発熱体を構成する高融点金属との熱膨張率が異なることに起因して、抵抗発熱体に接続された電流導入端子には、熱膨張差に起因する剪断応力が発生する。このような剪断応力が端子に頻繁に作用すると、端子が疲労破壊によって切断される可能性がある。
【００２１】
また、一般に、抵抗発熱体と電流導入端子とはロウ材によって接合されているが、抵抗発熱体とロウ材との熱膨張差による剪断応力によって、これらの接合部分が切断されてしまう可能性がある。
【００２２】
かりに電流導入端子が一つの抵抗発熱体と切断されてしまうと、その抵抗発熱体には電流が流れず、発熱しない状態になる。このため、セラミックス基体の内部に大きな温度差が生じ、セラミックスの内部にクラックが発生する可能性がある。
【００２３】
一方、例えば図１に示す加熱装置によれば、複数の平面状抵抗発熱体のそれぞれが、平面的に見て互いに異なる部分（重複しない領域）に発熱密度増加部分を具えている。これによって、２ゾーンヒーターとしての機能を問題なく果たすことができる。なぜなら、内周側の温度を上昇させたいときには抵抗発熱体４への供給電力を増加させて発熱密度増加部分４Ａの寄与を大きくする。外周側の温度を上昇させたいときには抵抗発熱体３への供給電力を増加させて発熱密度増加部分３Ａの寄与を大きくできるからである。
【００２４】
これと共に、例えば上部平面状抵抗発熱体３が発熱しなくなった場合には、下部平面状抵抗発熱体４のみが発熱することになる。しかし、この場合にも、発熱密度増加部分４Ａにおける発熱量とそれ以外の部分における発熱量との差は、従来の２ゾーンヒーターに比べると小さい。従って、基体の外周側と内周側との温度差は比較的に小さく、クラック発生までは至りにくい。
【００２５】
図１に示すセラミックスヒーターにおいては、上部平面状抵抗発熱体３および下部平面状抵抗発熱体４が、基体２の加熱面２Ａと略平行となるように配設されている。これにより、セラミックス基体２中における上下方向の熱の伝導が極めて均一に行われる。従って、加熱面２Ａ上に被加熱物、例えば半導体ウエハーを載置した場合に、ウエハーを均一に効率よく加熱することができる。なお、ここでいう略平行とは、幾何学的に見て完全に平行な場合に加えて、−０．５〜０．５度の範囲内にあるものをいう。
【００２６】
また、本発明のセラミックスヒーターにおいては、各平面状抵抗発熱体によって加熱した際において、基体の加熱面内の温度分布が５０℃以内であることが好ましく、さらには２０℃以内であることが好ましい。これによって、例えば、図１における上部平面状抵抗発熱体３に電流が流入しなくなり、発熱体として作用しなくなった場合においても、下部平面状抵抗発熱体４のみでかなり均一な加熱が可能となるために、基体内の温度分布が不均一となってクラックの発生などをより効果的に抑制することができる。さらには、加熱面２Ａにおける被加熱物をより均一に加熱することができるようになる。
【００２７】
本発明の加熱装置における抵抗発熱体の形態は、本発明の目的を達成することができれば、限定されるものではない。例えば網状物、コイルスプリング状物、及びリボン状物などから構成することができる。セラミックスヒーターを稼働した場合の加熱冷却の熱サイクルに対して著しい耐性を付与するためには、網状物あるいはコイルスプリング状物から抵抗発熱体を構成することが好ましい。また、抵抗発熱体の平面形状は特に限定されない。
【００２８】
平面状抵抗発熱体をを網状物から構成する場合は、所定部分を高密度に編み込むか、あるいは網状物を構成する素材の所定部分の断面積を小さくすることによって、発熱密度増加部分を形成する。
平面状抵抗発熱体をコイルスプリング状物から構成する場合は、所定部分の巻数やピッチを増加させたり、所定部分のコイルを構成する同心円の直径を大きくすることによって、発熱密度増加部分を形成する。
平面状抵抗発熱体をリボン状物から構成する場合は、所定部分のリボン幅を小さくすることによって、発熱密度増加部分を形成する。
【００２９】
【実施例】
図１に概略的に示す加熱装置を製造した。具体的には、還元窒化法によって得られた窒化アルミニウム粉末を使用し、この粉末にアクリル系樹脂バインダーを添加し、噴霧造粒装置によって造粒し、造粒顆粒を得た。３層のシート状成形体を順次一軸加圧成形し、３層の成形体を積層し、一体化した。この一軸加圧成形体の中には、モリブデン製のコイル状の抵抗発熱体３および４を埋設した。
【００３０】
この成形体をホットプレス型中に収容し、密封した。昇温速度３００℃／時間で温度を上昇させ、この際、室温〜１０００℃の温度範囲で減圧を行った。この温度の上昇と同時に圧力を上昇させた。最高温度を１８００℃とし、最高温度で４時間保持し、圧力を２００ｋｇｆ／ｃｍ2 とし、窒素雰囲気下で焼成し、焼結体を得た。この焼結体を機械加工し、更に仕上げ加工してヒーターを得た。基体２の直径を２４０ｍｍとし、厚さを１８ｍｍとし、絶縁性誘電層の厚さを１ｍｍにした。抵抗発熱体３と４との間隔を５．５ｍｍとした。
【００３１】
本発明例においては、図１に概略的に示す回路を作製した。比較例においては、絶縁トランス１０Ａ、１０Ｂを設けず、各リード線９、８をそれぞれ交流電源１１Ａ、１１Ｂに対して直接に接続した。
【００３２】
各交流電源からの供給電力を制御することによって、加熱装置の加熱面の平均温度を約４００℃から７５０℃の間で変化させ、抵抗発熱体４の一対の端子６間の抵抗値の温度変化を測定した。この結果を図２に示す。
【００３３】
また、加熱面の平均温度が７００℃のときの加熱面の表面温度分布をサーモビューアで測定した。比較例による測定結果を図３に示し、本発明例の測定結果を図４に示す。図３、図４においては、暖色の領域は温度が高く、寒色の領域は温度が低いことを示している。例えば、赤色から黄色、緑色、青色へと向かって温度が低下していく。そして、色階調の一段階の変化が、２．５℃の温度差の存在に対応している。言い換えると、異なる色に彩色された隣接する領域の間では、２．５℃の温度差がある。従って、このサーモビューアによる観測結果から、加熱面の最高温度と最低温度との差を算出できる。この結果は、比較例においては２６℃であり、本発明例においては７．５℃であった。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、前記加熱装置において、高温領域を含む広い温度範囲内で、加熱面における温度差の増加やヒートスポットの発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る加熱装置を示す概略図である。
【図２】加熱面の平均温度を約４００℃−７５０℃の温度範囲内で変化させたときの、抵抗発熱体４の抵抗値の変化を示すグラフである。
【図３】比較例の加熱装置の加熱面の温度分布をサーモビューアで測定した結果を示す図である。
【図４】本発明例の加熱装置の加熱面の温度分布をサーモビューアで測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１  加熱装置        ２  基体        ２Ａ  加熱面        ３、４  抵抗発熱体        ３Ａ、４Ａ  発熱密度増加部分        ５、６  各対の端子        ８、９  リード線        １０Ａ、１０Ｂ  絶縁トランス１１Ａ、１１Ｂ  交流電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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