JP2003100422A

JP2003100422A - 箔状の抵抗発熱素子及び面状セラミックスヒーター

Info

Publication number: JP2003100422A
Application number: JP2001290595A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Aonuma; 伸一朗青沼; Shigeko Muramatsu; 滋子村松; Koji Oishi; 浩司大石; Mitsuhiro Fujita; 光広藤田
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2003-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】寸法精度が良好で、面内温度勾配の発生を回
避ないし防止できる抵抗発熱素子、及び耐久性の優れた
面状セラミックヒーターの提供。【解決手段】抵抗発熱素子３の発明は、タングステン
箔もしくはモリブデン箔を素材としてパターン化され、
かつ主面が表面粗さＲａ０．１〜１００μｍに粗面化３
ａ加工されていることを特徴とする。また、面状セラミ
ックスヒーターの発明は、上記抵抗発熱素子３を窒化ア
ルミニウム基材４に埋設したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、抵抗発熱素子及び
面状セラミックスヒーターに関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば半導体の製造に当たっては、半
導体ウェハに対するＰＶＤ、プラズマＣＶＤ、プラズマ
エッチング、光エッチングなどの加工処理が施される。
また、これらの加工処理は、一般的に、被加工体を面状
ヒーター（発熱体）上に配置し、被加工体に加熱を施し
ながら行われる。そして、高性能ないし高信頼性を有す
る半導体を歩留まりよく、しかも量産的に得るために、
加熱処理が一つの重要なファクターとなる。

【０００３】ここで、面状セラミックスヒーターは、た
とえば緻密でガスタイトなセラミックス焼結体層の内部
に、タングステン線やモリブデン線などの抵抗発熱線
（もしくはコイル）を、たとえば螺旋状やジグザグ状に
埋設したものである。そして、抵抗発熱素子のリード端
子ないし電極部をセラミックス焼結体外に導出させた構
造を採っている。なお、セラミックスは、たとえばアル
ミナ系やシリカ系、窒化アルミニウム系、窒化ケイ素
系、あるいはサイアロンなどが挙げられるが、特に、窒
化アルミニウム系が熱伝導性や耐食性、タングステンと
の熱膨張率が近いなどの点で適している。

【０００４】また、この種の面状セラミックヒーター
は、一般的に、次のような手段で製造されている。第１
の手段は、セラミックベース用基材（グリーンシート）
の一主面に、前記抵抗発熱線で形成した抵抗発熱素子を
配置し、その抵抗発熱素子面にヒーターカバーシートを
積層する一方、リード端子を組み込んだ後に、所定の条
件での脱脂、所要温度での焼成などを施して焼結・一体
化させて製作する方法である。

【０００５】第２の手段は、予め、板状のセラミック焼
結体を２枚作製し、このセラミック焼結体面間に、前記
抵抗発熱線で形成した抵抗発熱素子を配置する一方、接
合剤層を介挿して接合・一体化させて製作する方法であ
る。なお、第１及び第２のいずれの手段においても、抵
抗発熱素子の形成は、抵抗発熱体用のペーストのスクリ
ーン印刷、タングステン板のレーザー加工やパンチ型打
ち抜き加工などでも行われる。

【０００６】ところで、半導体の製造工程における加熱
処理では、加工稼働率や低コスト化などの点から、熱源
として使用される面状セラミックスヒーターの耐久性、
および均一的ないし温度精度の高い加熱による良好な歩
留まりを確保するために、面内温度分布の一様性などが
要求されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記、面状セラミック
スヒーターの面内温度分布の一様性は、抵抗発熱素子を
細線で、かつ捲回ないし捲装ピッチを小さく設定するこ
とで可能となる。すなわち、抵抗発熱素子を精度よく配
置・パターンニングし、全体的に可能な限りバラツキの
ない発熱温度を確保できるように設定することにより、
面内温度分布が一様な面状セラミックスヒーターとなる
ので、前記要望に対応できることになる。

【０００８】しかしながら、上記抵抗発熱素子の場合
は、実用上、次のような不都合が認められる。すなわ
ち、タングステン線もしくはモリブデン線は、硬い材質
であるため、細かい折り曲げ加工が困難であり、加熱し
て軟化させた状態で加工する必要がある。ここで、加熱
軟化させた状態での加工では、細かい折り曲げや捲装・
コイル化など可能になるが、冷却後において反りや変形
などを生じ易いだけでなく、表面が酸化したりするの
で、加工精度が損なわれる。したがって、面状セラミッ
クスヒーター化した場合、面内温度分布が影響を受ける
と言う問題がある。

【０００９】一方、スクリーン印刷による抵抗発熱素子
の形成は、必要な膜厚まで、通常、多数回の重ね印刷で
行われるため、位置決め精度を得るための操作が煩雑
で、かつ寸法精度の点でも問題があるだけでなく、生産
性も劣るという不都合もある。また、タングステン板な
どのレーザー加工、あるいはパンチ型打ち抜きによるパ
ターン加工した抵抗発熱素子は、セラミックス基板間に
埋め込んだ構成の場合、加熱冷却の繰り返しで剥離を招
来するなどして、結果的に、安定した発熱温度の維持が
困難となって、耐久性が損なわれ易いという不都合があ
る。つまり、スクリーン印刷、あるいはレーザー加工や
パンチ型打ち抜きによる抵抗発熱体のパターン化手段
は、寸法精度などに限界があり、面内温度分布の優れた
セラミックスヒーター用の抵抗発熱素子を提供すること
が困難である。

【００１０】面内温度分布の一様性ないし設定のし易さ
は、製造・加工効率ないし生産性を上げるため、被加工
体（たとえば半導体ウェハ）の大口径化などを進める上
で、重要なポイントとなる。すなわち、被加工体の大口
径化など対応した面状セラミックスヒーターの大口径化
においては、面状セラミックスヒーターの放熱・加熱温
度の制御・精度、あるいは一様な温度設定が必要視され
るのに、上記抵抗発熱素子の形状・寸法精度が劣ること
は、発熱ムラ発生の恐れとなって、面内温度勾配などの
発生を招来し易くすることになる。

【００１１】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、寸法精度が良好で、面内温度勾配の発生を回避ない
し防止できる抵抗発熱素子、及び耐久性の優れた面状セ
ラミックヒーターの提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、タン
グステン箔もしくはモリブデン箔を素材としてパターン
化され、かつ主面が表面粗さＲａ０．１〜１００μｍに
粗面化加工されていることを特徴とする箔状の抵抗発熱
素子である。

【００１３】請求項２の発明は、放熱・加熱面をなす窒
化アルミニウム系焼結体層と、前記窒化アルミニウム系
焼結体層に埋め込み配置され、かつリード端子対が他主
面側に導出されたタングステン箔もしくはモリブデン箔
をパターン化した抵抗発熱素子とを有する面状セラミッ
クスヒーターであって、前記抵抗発熱素子は主面が表面
粗さＲａ０．１〜１００μｍに粗面化加工されているこ
とを特徴とする面状セラミックスヒーターである。

【００１４】すなわち、請求項１の発明は、抵抗発熱素
子の素材としてタングステン箔、もしくはモリブデン箔
を使用すること、また、抵抗発熱素子のパターン化がエ
ッチング処理などで行われること、さらに、パターン主
面の表面がＲａ０．１〜１００μｍに粗面化加工されて
いることを骨子とし、請求項２の発明は、前記抵抗発熱
素子の埋め込み・内蔵を比較的熱伝導率が大きく、かつ
耐食性の優れた窒化アルミニウム系焼結体層で構成する
ことを骨子としている。

【００１５】請求項１及び２の発明において、抵抗発熱
素子を構成するタングステン箔、もしくはモリブデン箔
は、たとえば厚さ３０〜５００μｍ、好ましくは１５０
±１０μｍ程度であり、また、パターン、パターンの幅
及び全長は、目的とする抵抗発熱容量を考慮して選択・
設定する。さらに、パターニング化は、一般的に、エッ
チング処理が有効な手段であるが、レーザー加工法や打
ち抜き法などによるパターンニングでもよい。

【００１６】ここで、エッチング処理の場合は、金属箔
ないし金属薄板を対象とした酸性の腐食液（たとえばフ
ッ化水素−硝酸系のエッチング液）、もしくはアルカリ
性の腐食液（たとえば水酸化ナトリウム系のエッチング
液）を使用する選択エッチング手段で行われる。つま
り、タングステン箔の一主面もしくは両主面に、エッチ
ングレジストでマスキングし、エッチング液中に浸漬す
る一般的なエッチング処理手段で行われる。

【００１７】このエッチング処理によるパターニングに
おいて、エッチング除去される領域、すなわちパターン
幅方向の端縁部は、いわゆるサイドエッチング作用によ
って、厚さ（深さ）方向へ略Ｖ字状を成すテーパ付けに
形成される。そして、このテーパ付けは、セラミックス
基板に埋め込み・内装させたとき、テーパ付き端縁部が
セラミックス層に噛み合うので、強固な一体化が助長さ
れる。なお、金属箔の材質、金属箔の厚さ、エッチング
レジストマスキング、エッチング液の種類、エッチング
処理温度・時間などの条件によって、適宜選択・設定す
ることができる。

【００１８】請求項１及び２の発明において、箔状の抵
抗発熱素子主面の粗面化は、たとえばサンドブラスト処
理やエッチング処理などによって行われる。すなわち、
サンドブラスとに使用する研磨剤の材質や粒度の選択に
より、あるいはエッチング処理液の種類やエッチング処
理条件の選択によって、制御された表面粗さに粗面化で
きる。ここで、箔状の抵抗発熱素子主面の粗面化は、常
に、表面粗さＲａ０．１〜１００μｍ、好ましくは１〜
５０μｍの範囲内に選択される。つまり、表面粗さＲａ
が０．１μｍ未満では、セラミックス層に対する接合力
の向上が不十分であり、また、表面粗さＲａが１００μ
ｍを超えると、断面積のバラツキや内部に空隙を生じる
などの問題があり、温度分布の均一性が損なわれ易いか
らである。

【００１９】請求項２の発明において、箔状の抵抗発熱
素子を埋め込み・内蔵する窒化アルミニウム系焼結体層
は、たとえば平均粒径０．０１〜５μｍ程度の窒化アル
ミニウム粉末に、焼結助剤およびバインダーを添加・混
合して得たスラリーから造粒し、これを所要の形状寸法
の成形体に成形し、有機成分を熱脱脂処理後、１８００
℃以上の高温不活性雰囲気中で焼結することにより作製
される。ここで、焼結助剤としては、酸化イットリウム
などが例示され、また、バインダーとしては、ポリビニ
ルブチラールなどが例示される。なお、高温焼結に先立
って、成形体の一主面に、抵抗発熱素子の配置・埋め込
み用の溝などを予め設けておくことが望ましい。

【００２０】また、窒化アルミニウム系焼結体層に対す
る箔状の抵抗発熱素子の埋め込みは、組み合わせる窒化
アルミニウム系焼結体部材の対向面間に、抵抗発熱素子
を位置決め配置する一方、前記窒化アルミニウム系焼結
体部材の対向する面に、たとえば窒化アルミニウム−酸
化イットリウム−酸化リチウム系ペーストなどの接合剤
を印刷や塗布して接合層を設け、６ｇ／ｃｍ^２以上の荷
重を加え、不活性雰囲気中もしくは減圧雰囲気下で、１
５５０〜１７５０℃程度の温度で加熱することにより行
われる。なお、抵抗発熱素子の埋め込みは、いわゆるグ
リーンシートの複数枚を積層して、一体的に高圧・高温
焼結することによっても形成できる。

【００２１】さらに、前記抵抗発熱素子の埋め込み構成
においては、取り扱い易いように、抵抗発熱素子のリー
ド端子を加熱・放熱面に対して反対面側に一括的に導出
して構造を簡略化する一方、省スペース化なども図り易
くする。

【００２２】請求項１及び２の発明では、抵抗発熱素子
がタングステンもしくはモリブデンの箔を素材とし、精
度の高い寸法・形状のパターンを形成・保持する。した
がって、全体的に、設定通りの抵抗発熱性が確保され、
所要の面内温度分布を容易に呈する。また、抵抗発熱素
子パターンの主面が粗面化されているため、面状セラミ
ックスヒーター化した場合、セラミックス基材や接合剤
との密着性ないし接合力が向上し、安定した埋め込みが
保持される。

【００２３】つまり、熱源としての繰り返し使用におい
て、セラミックス基材などと抵抗発熱体素子との剥離が
回避され、耐久性の向上と安定した面内温度分布の確保
となる。特に、急速な温度上昇などにおいて、この剥離
現象の回避・防止機能が顕著である。

【００２４】

【発明の実施態様】以下、図１（ａ），（ｂ），
（ｃ）、及び図２を参照して実施例を説明する。

【００２５】図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、実施例に
係る抵抗発熱素子の製造工程の実施態様を模式的に示す
要部断面図である。先ず、図１（ａ）に示すような、タ
ングステン箔もしくはモリブデン箔、たとえば厚さ１５
０μｍ程度のタングステン箔１を用意し、図１（ｂ）に
示すように、タングステン箔１の両主面に対向させて、
幅１ｍｍ程度の螺旋状にエッチングレジスト２でマスキ
ングを行った。

【００２６】次いで、上記エッチングレジスト２のマス
キングを行ったタングステン箔１を支持具にて保持し、
酸性エッチング液、たとえばフッ化水素（ＨＦ）及び硝
酸（ＨＮＯ３の混合系で、２０℃程度に加熱保持したエ
ッチング液中に、箔間のピッチ幅に合わせ１０〜１時間
程度浸漬し、露出しているタングステン箔１（余分な部
分）を選択的にエッチング除去して分離させる。その
後、エッチング液中から取り出して洗浄する一方、エッ
チングレジスト２を除去することにより、寸法ないし形
状精度が高い螺旋状の抵抗発熱素子を作製した。なお、
このエッチング処理過程においては、エッチングレジス
ト２でマスキングした領域外（露出部）が、厚さ方向へ
選択的にエッチング除去される。そして、この厚さ方向
へのエッチング侵食は、被エッチング領域が順次狭小化
するため、厚さないし深さ方向にＶ字形に進行し分離す
ることになり、分離端面（パターン幅方向端縁）はテー
パ付きとなる。その後、マスキングなしにエッチング液
に３０分再度浸漬し、箔表面をエッチングする。

【００２７】もしくは、上記製作した螺旋状の抵抗発熱
素子を研磨板上にセットし、平均粒径３０μｍの研磨剤
でサンドブラスと処理しても、幅方向の断面形状が図１
（ｃ）に示すように、両主面を表面粗さＲａ２０μｍに
粗面化３ａ処理された構造で、かつ寸法ないし形状精度
が高い螺旋状の抵抗発熱素子３を作製した。

【００２８】次に、図２を参照して、上記構成の箔状抵
抗発熱素子３を内蔵・具備した面状セラミックスヒータ
ーの実施例を説明する。図２において、４は一主面側が
放熱・加熱面を構成する窒化アルミニウム系焼結体層、
３は前記窒化アルミニウム系焼結体層４に螺旋状に埋め
込み配置された抵抗発熱素子である。ここで、図示を省
略してあるが、抵抗発熱素子３のリード端子対は、窒化
アルミニウム系焼結体層４の他主面側に導出されてい
る。

【００２９】上記窒化アルミニウム系焼結体層４は、径
２４０ｍｍ程度、厚さ１０ｍｍ程度の２枚の窒化アルミ
ニウム系焼結体部材４ａ，４ｂで構成されている。すな
わち、両窒化アルミニウム系焼結体部材４ａ，４ｂの対
向面間に、抵抗発熱素子３を位置決め配置し、この抵抗
発熱素子３配置面に、図示を省略した接合剤によって一
体化された構造を採っている。なお、抵抗発熱素子３の
位置決め配置に当たって、窒化アルミニウム系焼結体部
材４ａ，４ｂの少なくともいずれか一方の対向面に、抵
抗発熱素子３が係合する凹部を設けておくことが好まし
い。

【００３０】上記構成の抵抗発熱体は、窒化アルミニウ
ム系燒結体層４の良好な熱伝導性、耐熱性及び耐プラズ
マ性などを呈するだけでなく、抵抗発熱素子３の寸法精
度の高さ、換言すると、所要の発熱容量などが容易に制
御・調整された抵抗発熱素子３の内装・具備に伴って、
所要の発熱・放熱が確保される。しかも、窒化アルミニ
ウム系燒結体層４に対する抵抗発熱素子３の埋め込みで
は、抵抗発熱素子３の粗面化による接着力の向上によっ
て、安定的な内蔵・装着が確保され、全体的に温度勾配
を生じない発熱体として機能する。なお、この例では、
抵抗発熱素子３の端縁部のテーパ（突起部）が食い込む
形を採っているため、安定的な内蔵・装着の確保などが
助長される。

【００３１】たとえば上記構成の抵抗発熱に、所要の電
力を加えて８００℃設定で、加熱試験を繰り返し行った
ところ、加熱面表面の温度は、常時、８００℃±２℃で
すぐれた面内温度の均一性を呈した。つまり、径２３０
ｍｍの円形面において、全体的にほぼ一様な加熱温度を
示し、応力が発生する恐れ、換言するとセラミックスヒ
ーター自体の破損・損壊の恐れも全面的に解消ないし回
避され、すぐれた耐久性を有することも確認された。

【００３２】上記構成例では、タングステン箔を素材と
した抵抗発熱素子３の構成、製造方法例、発熱体の構成
例を説明したが、モリブデン箔を素材とした場合も、同
様の作用・効果が認められた。

【００３３】本発明は、上記実施例に限定されるもので
なく、発明の趣旨を逸脱しない範囲でいろいろの変形を
採ることができる。たとえば、抵抗発熱素子の形状・寸
法、入力電力、あるいは発熱体の径、厚さ、形状・寸法
など用途に応じて選択・設定できる。また、金属箔のパ
ターン幅を変更することで、静電チェック用やサセプタ
ー用の電極としての応用も可能である。

【００３４】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、抵抗発熱素子
は、所要寸法・形状のパターンを形成・保持する一方、
表面粗面化によって埋設するセラミックスなどに対し、
良好な密着性ないし接合性を呈する。したがって、設定
通りの抵抗発熱性が確保され、所要の面内温度分布を容
易に呈するだけでなく、セラミックス類に埋め込んだ場
合、周辺部に対して係合的に一体化するので、耐剥離性
も大幅に改善され、耐久性の向上も図られる。

【００３５】請求項２の発明によれば、面内での発熱・
放熱が一様で、被加工体の全体を温度ムラのない状態で
加熱できる耐久性の優れた面状セラミックスヒーターを
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、実施例に係る箔状
抵抗発熱素子の製造方法の実施態様例を模式的に順次示
す要部断面図。

【図２】実施例に係る面状セラミックスヒーターの要部
構成を示す断面図。

【符号の説明】

１……窒化アルミニウム系焼結体層２……エッチングレジスト（マスキング）３……抵抗発熱素子３ａ……粗面化４，４ａ，４ｂ……窒化アルミニウム系焼結体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大石浩司神奈川県秦野市曽屋30番地東芝セラミックス株式会社開発研究所内 (72)発明者藤田光広千葉県東金市小沼田1573番地８東芝セラミックス株式会社東金工場内Ｆターム(参考） 3K034 AA02 AA15 AA27 AA32 AA33 BA20 BB06 BB14 BC09 BC17 JA10 3K092 PP00 QA06 QB02 QB31 QB36 QB43 RF03 RF11 RF17 RF27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】タングステン箔もしくはモリブデン箔を
素材としてパターン化され、かつ主面が表面粗さＲａ
０．１〜１００μｍに粗面化加工されていることを特徴
とする箔状の抵抗発熱素子。
【請求項２】放熱・加熱面をなす窒化アルミニウム系
焼結体層と、前記窒化アルミニウム系焼結体層に埋め込
み配置され、かつリード端子対が他主面側に導出された
タングステン箔もしくはモリブデン箔をパターン化した
抵抗発熱素子とを有するセラミックスヒーターであっ
て、前記抵抗発熱素子は主面が表面粗さＲａ０．１〜１
００μｍに粗面化加工されていることを特徴とするセラ
ミックスヒーター。