JP2001006854A - 複層セラミックスヒーター - Google Patents
複層セラミックスヒーターInfo
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Abstract
点を克服して、特に、温度制御性の優れた複合セラミッ
クスヒーターを提供する。 【解決手段】 本発明の複層セラミックスヒーターは、
熱分解窒化硼素支持基板の表面に、硼素を 0.001〜30重
量%含有する熱分解グラファイトからなるヒーターパタ
ーンが形成され、該ヒーターパターンを覆って、さらに
給電端子部を除いた全表面に熱分解窒化硼素保護層が形
成されていることに技術的特徴がある。
Description
塩化硼素の混合ガスを原料とする熱化学気相蒸着法によ
って形成された請求項1または請求項2に記載の複層セ
ラミックスヒーター。
光デバイスの製造工程に用いられるセラミックスヒータ
ーに関し、特に、急速昇温及び急速冷却が行われる加熱
源として好適な複層セラミックスヒーターに関する。
加熱方式のヒーターとしては、アルミナ、窒化アルミニ
ウム、ジルコニア、窒化硼素などの焼結セラミックスか
らなる支持基板にモリブデン、タングステンなどの高融
点金属の線や箔を巻き付けるか又は接着し、その上に電
気絶縁性のセラミックス板を載せたものが用いられてい
る。また、電気絶縁性を有するセラミックス支持基板上
に導電性セラミックスの発熱層を設け、この表面に電気
絶縁性セラミックスの被覆保護層を形成した抵抗加熱方
式のセラミックスヒーターが開発され、絶縁性及び耐食
性を改善している。
は、通常、焼結セラミックスが使用されるが、これには
焼結助剤が添加されているので、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
耐熱衝撃性にも問題がある。特に、大形の焼結体では、
回避できない焼結の不均一さのために、基板が割れ易く
なる等の不都合が懸念され、急激な昇温と冷却が行われ
るプロセスにおいては、ヒーターへ適用が困難である。
この問題を解決する方法として、熱化学気相蒸着法(熱
CVD法)により形成された熱分解窒化硼素支持基板の
表面に、熱分解グラファイトからなるヒーターパターン
を接合し、さらに、そのヒーターパターンを覆って支持
基板と同じ熱分解グラファイトで保護層を形成した緻密
な層状の膜でできた一体型の抵抗加熱方式の複合セラミ
ックスヒーターが開発されている。
剤等の不純物を含まず、化学的に安定で熱衝撃にも強い
ため、急激な昇降温を必要とする様々な分野、特に、ウ
エハ等を一枚ずつ処理する枚葉処理プロセスにおいて、
温度を段階的に変えて処理する連続プロセス等に幅広く
使用されている。また、このヒーターは、構成部材のす
べてが熱CVD法で作製され、粉末を焼結したセラミッ
クスに特有の粒界が存在しないため、脱ガス現象がな
く、真空内での処理プロセスにおいて、真空度に影響を
与えない。
層として熱分解グラファイトが埋設されている。この熱
分解グラファイトは、抵抗率温度依存性が大きく、負の
温度係数を有するので、温度上昇と共に抵抗率が低下す
るという特性を有する。このため、昇温や降温の際、電
圧又は電流を調節して一定の温度になるように温度調節
計等で制御しても、抵抗値が変わるため電力もそれに従
って変化し、制御が困難である。投入電力とヒーター温
度とは密接な関係があり、例えば、急速に一定温度に昇
温させて安定させるには、制御のプログラムの昇温ステ
ップを細かくする等の工夫をしなければならない。ま
た、室温近傍からの昇温開始時において、投入可能な最
大電圧をかけた場合、発熱層が、抵抗率温度依存性が大
きく負の温度係数を持ち、温度上昇と共に抵抗率が低下
するという特性を有していると、昇温開始時、つまり低
温時の初期抵抗値は高く、電圧制御の場合、電力は抵抗
に反比例するので、初期電圧は最大電力に対して小さく
なり、昇温の立ち上がりが遅れるという問題がある。
は、上記のような従来知られた複合セラミックスヒータ
ーの欠点を克服して、特に、温度制御性の優れた複合セ
ラミックスヒーターを提供することにある。また、他の
課題は、昇温の立ち上がりが遅れることのない複合セラ
ミックスヒーターを提供することにある。
を達成するために、特に、熱分解グラファイトの機能改
善に着目して試作研究を重ね、実用的に極めて望ましい
ヒーターを開発した。すなわち、本発明の複層セラミッ
クスヒーターは、熱分解窒化硼素支持基板の表面に、硼
素を 0.001〜30重量%含有する熱分解グラファイトから
なるヒーターパターンが形成され、該ヒーターパターン
を覆って、さらに給電端子部を除いた全表面に熱分解窒
化硼素保護層が形成されていることに技術的特徴があ
る。なお、支持基板、保護層及びヒーターパターンは熱
化学気相蒸着法によって形成し、このヒーターパターン
を、炭化水素と三塩化硼素の混合ガスを原料とする熱化
学気相蒸着法によって形成するのが好ましい。
として、 0.001〜30重量%の硼素を含有する熱分解グラ
ファイトを用いることにより、発熱層の抵抗率温度依存
性が小さくなるだけでなく、抵抗率そのものの値も小さ
くすることができる。硼素の含有量が、0.001 重量%未
満では、発熱層の抵抗率温度依存性の低下が不充分で、
硼素の添加効果が得られない。また、30重量%を超える
と、緻密な発熱層が形成されず、実用性に優れた発熱層
を得ることができない。従って、硼素含有量は上記の範
囲とされるが、好ましくは0.01〜20重量%である。
チルアルコールのような有機物質を炭素源として高温、
低圧条件下で熱分解させることによって生成される。本
発明のヒーターに用いられる硼素含有熱分解グラファイ
トは、例えば、メチルアルコールに三塩化硼素を溶解
し、1,500 ℃の温度、50Torrの減圧条件下でそれぞれの
ガス状成分を熱分解させることによって、熱分解窒化硼
素のような基体表面に熱分解グラファイトを生成・堆積
させることができる。硼素の熱分解グラファイト中の含
有量は、メチルアルコールへの三塩化硼素の添加量を選
択して、所望の含有量に調整される。
解窒化硼素支持基板の表面に、硼素0.001〜30重量%を
添加含有させた熱分解グラファイトヒーターパターンが
形成され、さらにその全表面に熱分解窒化硼素保護層が
形成された基板一体型の抵抗加熱方式のヒーターであ
り、発熱層の抵抗率温度依存性が小さく、温度が変化し
ても抵抗率値の変化の幅が小さい。そのため、実際に昇
温や降温をして一定の温度になるよう温度調節計で制御
する際に、電圧又は電流を調節して所望の温度になるよ
うにすれば、抵抗値が変化しないため、電力も変化せ
ず、例えば、急速に一定温度に昇温させる際、制御プロ
グラムの制御ステップを細かくする等の工夫をしなくて
も、簡単なプログラムで温度を平衡させることができる
ので、容易かつ短時間にプログラムを最適化することが
できる。
は、室温付近からの昇温の際、昇温開始時に投入可能な
最大電圧をかけた場合でも発熱層の抵抗温度依存性が小
さく、温度が上昇しても抵抗率は変わらないという特性
を有しているため、低温時においても最大電圧に対し最
大電力が投入できるので、初期電力が最大投入可能電力
に等しく、昇温の立ち上がりが速い。支持基板となる熱
分解窒化硼素は、熱CVD法によって極めて緻密に作製
でき、薄くて低熱容量にもかかわらず、耐熱衝撃性に優
れた物性を有することから、これらの優れた諸特性を活
かしたセラミックヒーターの提供を可能とする。
熱分解グラファイト発熱層は、抵抗率の温度依存性が小
さくなるだけでなく、抵抗率そのものの値を小さくする
ことができるという利点がある。換言すれば、同じ抵抗
のヒーターを作製する場合、硼素を 0.001〜30重量%添
加したものは、従来の発熱体の厚さを薄くすることがで
き、熱CVD法で作製した場合は、CVDの反応時間が
短縮されるので安価なヒーターを提供することができ、
工業的に有利である。
明する。 (実施例1及び比較例1)NH3 とBCl3 を100 Torr
の減圧条件下に1,900 ℃の温度で反応させて、厚さ約1
mmの熱分解窒化硼素基板を作製した。次に、CH4 とB
Cl3 を1,500 ℃、50Torrの減圧条件下で熱分解させ
て、前記窒化硼素基板表面に厚さ約 100μmの硼素含有
熱分解グラファイト層を形成し、加工してヒーターとな
るパターンを形成した。次いで、NH3 とBCl3 とを
100 Torrの減圧条件下に1,900 ℃の温度で反応させて、
その上に厚さ約 100μmの熱分解窒化硼素保護層を形成
し、複層セラミックスヒーターを作製した。このときの
グラファイト層に含有される硼素は、熱分解グラファイ
トの8.2 重量%である。また、比較のために、熱分解グ
ラファイト層の形成にBCl3 を使用しない以外は、全
く同様に操作して同様の複層セラミックスヒーターを作
製した。
図面により説明する。図1は、上記実施例1で作製した
本発明の複層セラミックスヒーター1の一例を示す平面
図である。図において、熱分解窒化硼素支持基板の表面
に、硼素含有熱分解グラファイトからなるヒーターパタ
ーン2が形成され、該ヒーターパターン2を覆って、さ
らに、給電端子3を除く全表面に熱分解窒化硼素保護層
が形成されている。該ヒーター領域の直径は約60mmであ
る。
の性能に関し、特に発熱体に着目して昇温試験を行っ
た。試験は、簡単な温度制御用プログラムを組み、10-5
Torr真空中で、最大電圧 100V、最大電流20A、投入
最大電力2,000 W、電圧PID制御により行った。その
結果、実施例1の発熱体は、抵抗値に温度依存性がな
く、抵抗値そのものも比較例1のヒーターに比べて半減
した。さらに、実施例1のヒーターは、急速な昇温が可
能で、かつ温度安定性も向上し、扱い易いことが確認さ
れた。図2は、各ヒーターの測定結果と設定されたプロ
グラムパターンがヒーター温度と経過時間との関係にお
いて示されている。また、図3は、投入電力と経過時間
との関係を示すグラフで、従来のヒーターと本発明のヒ
ーターが対比されている。両グラフから、本発明のヒー
ターは従来のヒーターに比べ、極めて短時間での昇温・
降温が可能であることが認められる。
抗温度依存性が小さく、かつ温度の変化による抵抗率の
変化幅が小さいため、電圧や電流による調節が容易で、
温度制御性が向上した。また、抵抗率が下げられるので
発熱層を薄くすることができ、薄型で低熱容量の急速な
昇降温が可能な複層セラミックヒーターを容易、かつ安
価に提供できる。
す平面図である。
フである。
ある。
Claims (2)
- 【請求項1】 熱分解窒化硼素支持基板の表面に、硼素
を 0.001〜30重量%含有する熱分解グラファイトからな
るヒーターパターンが形成され、該ヒーターパターンを
覆って、さらに給電端子部を除いた全表面に熱分解窒化
硼素保護層が形成されてなる複層セラミックスヒータ
ー。 - 【請求項2】 前記支持基板、保護層及びヒーターパタ
ーンが、熱化学気相蒸着法によって形成された請求項1
に記載の複層セラミックスヒーター。
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