(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも底部と円筒状の直胴部を有する立体形状で、電気絶縁性セラミックスからなる支持基材の表面に、所定のヒータパターンを形成した発熱層を有し、該ヒータパターンを覆って電気絶縁性セラミックスからなる被覆層を有し、前記底部の外面を加熱面とし、前記直胴部に電源と接続するための端子部を形成したセラミックスヒータであって、前記直胴部に形成する、前記加熱面と前記端子部を結ぶ導電経路の幅が、前記ヒータパターンの線幅の７倍以上であることを特徴とするセラミックスヒータ。
【請求項２】
前記導電経路が、絶縁性を確保するために必要な幅を除いて、前記直胴部の全面に形成されて成ることを特徴とする請求項１に記載したセラミックスヒータ。
【請求項３】
前記直胴部の円周方向に沿ってスリットが形成されて成ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したセラミックスヒータ。
【請求項４】
少なくとも底部と円筒状の直胴部を有する立体形状で、電気絶縁性セラミックスからなる支持基材の表面に、所定のヒータパターンを形成した発熱層を有し、該ヒータパターンを覆って電気絶縁性セラミックスからなる被覆層を有し、前記底部の外面を加熱面とし、前記直胴部に電源と接続するための端子部を形成したセラミックスヒータであって、前記直胴部に前記底部と該直胴部の伝熱経路を遮断するためのスリットを形成して成ることを特徴とするセラミックスヒータ。
【請求項５】
前記スリットが、前記直胴部の底部側に近接して、同一円周上に形成されて成ることを特徴とする請求項４に記載したセラミックスヒータ。
【請求項６】
前記支持基材が熱分解窒化ホウ素、前記発熱層が熱分解グラファイト、及び前記被覆層が熱分解窒化ホウ素からなる請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載した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、半導体デバイスの製造工程における半導体ウエーハの加熱や、ＣＶＤ法、スパッタ法によって薄膜を形成する際の基材の加熱に使用されるセラミックスヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造工程における半導体ウエーハの加熱や、ＣＶＤ法、スパッタ法によって薄膜を形成する際の基材の加熱に使用されるセラミックスヒータには、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素などの燒結体や熱分解窒化ホウ素等からなる支持基材の上に、導電性セラッミクスからなる発熱層を接合し、機械加工によって所望のヒータパターンを形成した後、さらに該発熱層が電気的に短絡するのを防止するため、その上に電気絶縁性セラミックスからなる被覆層を設けてなるセラミックスヒータ（以下、単にヒータということがある）が使用されている。通常、これらは平板形状のヒータであり、被覆層の一部を削り取って発熱層を露出させ、加熱面のある一部分に電源と接続するための端子を形成している。
【０００３】
また、電気絶縁性セラミックスとして熱分解窒化ホウ素、導電性セラミックスとして熱分解グラファイトを用いたセラミックスヒータは、熱分解窒化ホウ素、熱分解グラファイトが両者共に化学気相蒸着法で製造されるために、燒結法で製造されたものと比べて高純度なものとなるので、半導体ウエーハが不純物によって汚染されることを防止できるという利点があり、加熱プロセスに有利である。
【０００４】
しかし、プロセスガスに例えば、アンモニア、酸素などの高温で炭素を浸食するガスが含まれる場合、端子部に露出している熱分解グラファイトが浸食され、ヒータの寿命が著しく短いものとなる。
これを防ぐために、ヒータを底部と円筒状の直胴部を有する立体形状、即ちカップ形状にすることが行われている。カップの底部の外面にヒータパターンを形成して加熱面とし、カップの直胴部に端子を形成することで端子を加熱面から離し、端子部の温度を低温化することによってプロセスガスによる浸食が起こらないようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ヒータがカップ形状であっても、熱分解窒化ホウ素が６０〜８０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の熱伝導率を有するために加熱面からの熱が直胴部に伝わりやすく、プロセスガスによる浸食を無視できる範囲ではあるが、直胴部の温度上昇は避けられない。
また、カップ型ヒータでは端子部と加熱面を結ぶために、直胴部に導電経路が形成されるが、この部分の発熱が直胴部の温度上昇を助長してしまうという問題がある。
【０００６】
従って、ヒータ使用温度が高い場合には、ヒータとその取り付け部材の熱膨張係数の不一致のために直胴部が径方向に引っ張られてヒータが破損したり、また周辺部材の劣化を早めるという問題が生じる。
【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、ヒータ使用温度が高い場合でも、直胴部の温度上昇を極力防止して、ヒータ及びその周辺部材の破損、劣化を減らすことのできる長寿命の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を図ることを主たる目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本発明は、少なくとも底部と円筒状の直胴部を有する立体形状で、電気絶縁性セラミックスからなる支持基材の表面に、所定のヒータパターンを形成した発熱層を有し、該ヒータパターンを覆って電気絶縁性セラミックスからなる被覆層を有し、前記底部の外面を加熱面とし、前記直胴部に電源と接続するための端子部を形成したセラミックスヒータであって、前記直胴部に形成する、前記加熱面と前記端子部を結ぶ導電経路の幅が、前記ヒータパターンの線幅の７倍以上であることを特徴とするセラミックスヒータである。
【０００９】
このような構成にすると、導電経路の幅が加熱面のヒータ部分、即ちヒータパターンの線幅の７倍以上と広くなるため、抵抗値が小さくなる。その結果、この部分での発熱は抑えられ、直胴部の温度上昇を抑制することができる。
従って、ヒータ及びその周辺部材の破損、劣化を減らし、長寿命のセラミックスヒータとすることができる。
【００１０】
この場合、導電経路が、絶縁性を確保するために必要な幅を除いて、直胴部の全面に形成されて成ることが好ましい。
このように、導電経路を直胴部の全面に形成すれば、導電経路の幅が加熱面のヒータ部分よりも十分に広くなるため、抵抗値は一層小さくなり、直胴部での発熱が著しく抑えられ、ヒータ及びその周辺部材の破損、劣化をさらに減らし、長期間安定性に優れたものとすることができる。
【００１１】
さらに、上記において直胴部の円周方向に沿ってスリットが形成されて成るものとすることができる。
このように、導電経路の幅を広げると共に、直胴部の円周方向に沿ってスリットを形成すると、底部と直胴部との伝熱経路が、効果的に遮断されるため、加熱面から直胴部への熱伝導は抑えられ、直胴部の温度上昇を一層防止することができ、ヒータ及びその周辺部材の破損、劣化をさらに減らし、長期間安定性に優れたものとすることができる。
【００１２】
また、本発明は、少なくとも底部と円筒状の直胴部を有する立体形状で、電気絶縁性セラミックスからなる支持基材の表面に、所定のヒータパターンを形成した発熱層を有し、該ヒータパターンを覆って電気絶縁性セラミックスからなる被覆層を有し、前記底部の外面を加熱面とし、前記直胴部に電源と接続するための端子部を形成したセラミックスヒータであって、前記直胴部に前記底部と該直胴部の伝熱経路を遮断するためのスリットを形成して成ることを特徴とするセラミックスヒータである。
【００１３】
このように、スリットを形成するだけでも、底部と直胴部との伝熱経路が遮断されるため、加熱面から直胴部への熱伝導は抑えられ、直胴部の温度上昇を抑制することができる。
従って、ヒータ及びその周辺部材の破損、劣化を減らし、長寿命のセラミックスヒータとすることができる。
【００１４】
そして、この場合、スリットが、直胴部の底部側に近接して、同一円周上に形成されて成ることが好ましい。
このように、スリットを直胴部の底部側のより近い部分に形成するほど、加熱面からの熱伝導が効果的に遮断され、また直胴部の同一円周上に形成することにより、底部と直胴部との伝熱経路がより効果的に遮断されるため、加熱面から直胴部への熱伝導は抑えられ、直胴部の温度上昇を効果的に防止することができる。従って、ヒータ及びその周辺部材の破損、劣化をさらに減らし、長期間安定性に優れたものとすることができる。
【００１５】
さらに、本発明では、支持基材が熱分解窒化ホウ素、前記発熱層が熱分解グラファイト、及び前記被覆層が熱分解窒化ホウ素からなるセラミックスヒータとすることができる。
【００１６】
このように、ヒータの支持基材及び被覆層を熱分解窒化ホウ素で形成し、また発熱層を熱分解グラファイトで形成すると、高純度なものとなるので、半導体ウエーハの不純物による汚染を防止することができると共に、耐熱性に優れており、また熱分解窒化ホウ素は熱分解グラファイトとの密着性に優れているため、特にヒータ使用中に被覆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。
【００１７】
従って、このような材質で本発明を構成すれば、導電経路の幅が広く、スリットで伝熱を遮断していることとも相まって、直胴部の温度上昇をより効果的に防止することができ、ヒータ及びその周辺部材の破損、劣化をさらに減らし、長期にわたり安定性に非常に優れたセラミックスヒータとすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
ここで、図１及び図２は、本発明のセラミックスヒータの一例を示したもので、各図面の（ａ）は平面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は正面図である。
【００１９】
本発明者等は、前述した問題点を解決すべく種々調査、検討を重ねた結果、機械加工によってヒータパターンを形成する際に、直胴部に形成する、加熱面と端子部を結ぶ導電経路の幅を広げ、さらに直胴部の円周方向に沿ってスリットを入れることが、極めて有効であることを見出し、諸条件を精査して本発明を完成させた。
【００２０】
まず、本発明のセラミックスヒータの製造方法について説明する。
支持基材及び被覆層の電気絶縁性セラミックスとしては、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムと窒化ホウ素との複合体、熱分解窒化ホウ素又は酸化ケイ素等が用いられる。また、発熱層には、導電性セラミックス又は金属からなるヒータパターンが接合されるが、導電性セラミックスとしては熱分解グラファイト、金属としては高融点金属（鉄、銅、ニッケル、モリブデン、タンタル、タングステン等）、高融点金属合金（Ｎｉ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ等）、貴金属（銀、白金、ロジウム等）、またはこれら貴金属合金（Ｐｔ−Ｒｈ等）等が用いられる。
ここでは、電気絶縁性セラミックスとして熱分解窒化ホウ素、導電性セラミックスとして熱分解グラファイトを用いたセラミックスヒータについて説明する。
【００２１】
始めに、グラファイト製のサセプタ上に三塩化ホウ素とアンモニアを原料とし、熱分解窒化ホウ素を化学気相蒸着させて支持基材２を形成し、さらに炭化水素ガスを原料とし、発熱層となる熱分解グラファイトを化学蒸着させる。
次に、熱分解グラファイトに機械加工を施すことによって所定のヒータパターン３を形成し、さらに発熱層が電気的に短絡するのを防止するため、ヒータパターン３を覆って電気絶縁層として、再度、熱分解窒化ホウ素の被覆層４を形成する。
最後に端子部５を形成してセラミックスヒータ１が完成する。
【００２２】
ここで、本発明では機械加工によってヒータパターン３を形成する際に、直胴部Ｂに形成する、加熱面Ａと端子部５を結ぶ導電経路６の幅を、ヒータパターン３の線幅の７倍以上であるように形成する。
【００２３】
通常、ヒータパターン３の線幅は、ヒータの均熱性と使用電圧の兼ね合い、また発熱層の剥離防止などの理由により、数ｍｍ〜十数ｍｍの範囲である。
一方、ウエーハ加熱用ヒータあるいは板状サンプル加熱用ヒータの実用的な直径は、被加熱物の直径にもよるが、おおよそ３０ｍｍ以上である。
【００２４】
そこで、これらの条件を考慮した上で上述のように、導電経路の幅をヒータパターンの線幅の７倍以上に設定することにした。このようにすれば、導電経路の抵抗値は小さくなり、その結果、この部分での発熱は抑えられ、直胴部の温度上昇を防止することができる。
通常、導電経路はヒータパターンの２乃至４倍程度の幅で設けられている。本発明では、従来技術の約２倍以上となる、７倍以上の大きさの幅で設けたため、導電経路の発熱抑制の効果が顕著に認められる。
また、導電経路の幅の寸法は、電気的に短絡しない範囲において、ヒータパターンの線幅の寸法との差が大きいほど、導電経路の抵抗値は小さくなるので、直胴部の温度上昇を防止することができる。
【００２５】
特に、導電経路６は、絶縁性を確保するために必要な幅を除いて、直胴部Ｂの全面に形成されて成るものが好ましい。電気的に短絡しない範囲で、導電経路の幅を最大限に、つまり絶縁性を確保した幅を除いた残りの直胴部の全面に形成すれば、発熱するヒータ部分の幅との差が最大限になるため、相対的に抵抗値は最小になる。従って、直胴部での発熱は著しく抑えられる。
また、ここでいう絶縁性を確保するために必要な幅は、直胴部の発熱層、被覆層の材質及びヒータの直径、厚さ等に応じ、任意に調節することができる。
【００２６】
例えば、図１のセラミックスヒータ１は、導電経路６が、ヒータパターン３の約３０倍の幅を有し、絶縁性を確保するための部分８の幅９を除いて直銅部Ｂの全面に形成されたものである。任意に幅９を調節できる、絶縁性を確保するための部分８を除き、少なくとも導電経路６がヒータパターン３の線幅の７倍以上の幅を有し、好ましくは導電経路６の幅を直胴部Ｂの全面に形成すれば、直胴部Ｂでの発熱は著しく抑えられる。
【００２７】
さらに、例えば機械加工によってヒータパターン３を形成する際に、図２に示すように、直胴部Ｂの円周方向に沿ってスリット７を入れてもよい。このスリット７によって、底部Ａと直胴部Ｂとの伝熱経路が、効果的に遮断されるため、加熱面Ａから直胴部Ｂへの熱伝導は抑えられ、直胴部Ｂの温度上昇を防止することができる。
ここで、上述のような広い幅の導電経路に加えて、スリットを設けた場合、直胴部での発熱が抑えられ、さらに直胴部への熱伝導も抑えられる。よって、両者を組み合わせたことによる相乗効果で、直胴部の温度上昇を著しく抑制することが可能になる。
【００２８】
また、本発明では、直胴部Ｂに底部Ａと直胴部Ｂの伝熱経路を遮断するためのスリット７を単独で形成するようにしてもよい。スリットの数及び形状には、ヒータの形状保持や強度に影響のない限り特に制限はなく、直胴部に機械加工を施して所望の形状のスリットを形成することができる。
【００２９】
この場合、スリット７が直胴部Ｂの底部側に近接して、同一円周上に形成されることが好ましい。
このように、スリットを直胴部Ｂの底部側のより近い部分に形成するほど、加熱面Ａからの高温の熱がより効果的に遮断される。また、熱伝導が同一円周上で生じるため、スリット７を直胴部Ｂの同一円周上に形成することにより、底部Ａと直胴部Ｂとの伝熱経路がより効果的に遮断される。従って、加熱面Ａから直胴部Ｂへの熱伝導は抑えられ、直胴部Ｂの温度上昇を効果的に防止することができる。
【００３０】
図２に示した例では、直胴部Ｂの底部側の近い部分の同一円周上にスリット７を形成したセラミックスヒータ１である。必ずしも同一円周上でなくとも、円周方向に沿って形成してあればよい。ヒータの形状保持ができるのであれば、円周上に複数のスリットを直胴部の違う高さに入れることもできる。
【００３１】
本発明に適用されるセラミックスヒータ１は、支持基材２及び被覆層４が、電気絶縁性の高いセラミックスである熱分解窒化ホウ素からなり、発熱層３が、耐熱性が高く、適度な抵抗率を有する熱分解グラファイトからなるように形成するのが好ましい。熱分解窒化ホウ素は、熱分解グラファイトとの密着性に優れ、特にヒータ使用中に被覆層から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。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明を実施例と比較例とを挙げて説明する。
（実施例１）
アンモニア４ＳＬＭと三塩化ホウ素２ＳＬＭを圧力１０Ｔｏｒｒ、温度１８５０℃で反応させて、直径６５ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ、高さ７０ｍｍのカップ型の熱分解窒化ホウ素製支持基材を作製した。
次に、この支持基材上にメタンを圧力５Ｔｏｒｒ、温度１７５０℃で熱分解させて厚さ５０μｍの熱分解グラファイト層を設け、これに機械加工を施して図１のようにヒータパターンを形成し、加熱面と端子部を結ぶ導電経路の幅は９５ｍｍとした。
【００３３】
さらに、この上に再度厚さ１００μｍの熱分解窒化ホウ素を支持基材と同一の条件で反応させ、発熱層が電気的に短絡するのを防止するための被覆層とした。この後、カップの直胴部に電源と接続するための端子を形成してセラミックスヒータを完成させた。
【００３４】
次に、ヒータを真空容器内にセットして電源と接続し、ヒータの加熱面中心部と直胴部に設けた端子部から円周方向に１５ｍｍの地点に温度測定用の熱電対を取り付けた。この後、真空容器内部を４×１０−２Ｔｏｒｒに減圧した。次いで、ヒータに通電し、ヒータ加熱面の温度が１２００℃になるまで昇温させた。このときの端子部の温度は６５５℃であった。
【００３５】
（実施例２）
図２に示すように、加熱面と端子部を結ぶ導電経路の幅が１２ｍｍであり、直胴部の加熱面側、加熱面から距離１０ｍｍの同一円周上に幅２ｍｍのスリットを形成したヒータパターン及び形状とした以外は、実施例１と同様にしてセラミックスヒータを完成させた。
【００３６】
次に、ヒータを真空容器内にセットして電源と接続し、ヒータの加熱面中心部と直胴部に設けた端子部から円周方向に１５ｍｍの地点に温度測定用の熱電対を取り付けた。この後、真空容器内部を４×１０−２Ｔｏｒｒに減圧した。次いで、ヒータに通電し、ヒータ加熱面の温度が１２００℃になるまで昇温させた。このときの端子部の温度は７８５℃であった。
【００３７】
（比較例）
図３に示すようなヒータパターンを形成し、加熱面と端子部を結ぶ導電経路の幅が１２ｍｍであるものとした以外は、実施例１と同様にしてセラミックスヒータを完成させた。
次に、ヒータを真空容器内にセットして電源と接続し、ヒータの加熱面中心部と直胴部に設けた端子部から円周方向に１５ｍｍの地点に温度測定用の熱電対を取り付けた。この後、真空容器内部を４×１０−２Ｔｏｒｒに減圧した。次いで、ヒータに通電し、ヒータ加熱面の温度が１２００℃になるまで昇温させた。このときの端子部の温度は８３５℃であった。
実施例１、実施例２、及び比較例の結果を表１に示した。
【００３８】
【表１】
0004000236.tif 000002
【００３９】
表１より明らかなように、導電経路が、絶縁性を確保するための幅を除いて直銅部の全面に形成された場合では、直胴部での発熱は著しく抑えられている。また、直胴部の底部側の近い部分の同一円周上にスリットを形成した場合でも、底部と直胴部との伝熱経路が遮断されるため、加熱面から直胴部への熱伝導は抑えられ、直胴部の温度上昇が抑制されている。
【００４０】
また、セラミックスヒータの材質は、支持基材及び被覆層に熱分解窒化ホウ素を、発熱層に熱分解グラファイトを用いたが、ヒータ使用中に被覆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た。
【００４１】
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。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、導電経路が、ヒータパターンの７倍以上の幅を有し、さらに導電経路の幅を直胴部の全面に形成すれば、導電経路が加熱面のヒータ部分の線幅よりも十分に広くなるため、抵抗値はかなり小さくなり、直胴部での発熱が著しく抑えられる。また、スリットを直胴部の底部側のより近い部分の円周上に形成することによって、底部と直胴部との伝熱経路が遮断されるため、加熱面から直胴部への熱伝導は抑えられ、直胴部の温度上昇を防止することができる。
これにより、ヒータ使用温度が高い場合でも、ヒータとその取り付け部材の熱膨張係数の不一致のために直胴部が径方向に引っ張られてヒータが破損したり、また周辺部材の劣化を早めるという問題を防ぐことができる。
【００４３】
従って、半導体製造工程において、長期間安定性に優れたセラミックスヒータを提供することができ、コストを改善すると共に、半導体プロセスの安定操業が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックスヒータの一例を示す図面である。（ａ）平面図、（ｂ）右側面図、（ｃ）正面図。
【図２】本発明のセラミックスヒータの他の一例を示す図面である。（ａ）平面図、（ｂ）右側面図、（ｃ）正面図。
【図３】従来のセラミックスヒータの一例を示す図面である。（ａ）平面図、（ｂ）右側面図、（ｃ）正面図。
【符号の説明】
１…セラミックスヒータ、  ２…支持基材、  ３…発熱層（ヒータパターン）、
４…被覆層、  ５…端子（端子部）、  ６…導電経路、  ７…スリット、
８…絶縁性を確保するための部分、  ９…絶縁性を確保するための部分の幅。
Ａ…底部（加熱面）、  Ｂ…直胴部。
【図１】
0004000236.tif 000003
【図２】
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【図３】
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