JP4666909B2 - Ceramic heater - Google Patents
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Description
本発明は、主にウェハを加熱する際に用いるセラミックスヒータに関し、例えば半導体ウェハや液晶装置あるいは回路基板等のウェハ上に薄膜を形成したり、上記ウェハ上に塗布されたレジスト液を乾燥焼き付けしてレジスト膜を形成したりする際に好適なセラミックスヒータに関する。
The present invention is mainly related to the ceramic heater for use in heating the wafer, for example, to form a thin film on a semiconductor wafer or a liquid crystal device or on a wafer such as a circuit board, the resist solution applied onto the upper Symbol wafer dry baked to about the preferred ceramic heater in or form a resist film.
半導体製造装置の製造工程における、半導体薄膜の成膜処理、エッチング処理、レジスト膜の焼き付け処理等においては、半導体ウェハ（以下、ウェハと略す）を加熱するためのヒータが用いられている。 2. Description of the Related Art A heater for heating a semiconductor wafer (hereinafter abbreviated as a wafer) is used in a semiconductor thin film forming process, an etching process, a resist film baking process, and the like in a manufacturing process of a semiconductor manufacturing apparatus.
温度制御性に優れ、半導体素子の配線の微細化とウェハ熱処理温度の精度向上が要求されるのに伴い、セラミックスヒータが広く使用されている。 Ceramic heaters are widely used in accordance with demands for excellent temperature controllability, miniaturization of semiconductor element wiring, and improvement of wafer heat treatment temperature accuracy.
このようなセラミックスヒータとして、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３や特許文献４には、図７に示すようなセラミックスヒータ７１が提案されている。
As such a ceramic heater, for example,
このセラミックスヒータ７１は、板状セラミックス体７２、ケース７９、を主要な構成要素としたもので、アルミニウム等の金属からなる有底状のケース７９の開口部に、窒化物セラミックスや炭化物セラミックスからなる板状セラミック体７２が樹脂製で断熱性の接続部材７４を介してボルト８０で固定され、その上面をウェハＷを載せる載置面７３とするとともに、板状セラミック体７２の下面に、例えば図８に示すような同心円状の抵抗発熱体７５を備えるようになっていた。
This
さらに、抵抗発熱体７５の端子部には、給電端子７７がロウ付けされており、この給電端子７７がケース７９の底部７９ａに形成されたリード線引出用の孔７６に挿通されたリード線７８と電気的に接続されるようになっていた。
Furthermore, a
そして、板状セラミックス体７２とケースで囲まれた空間内にノズル８２より冷媒を送り、循環させ排出口８３より排出することにより板状セラミックス体７２を冷却するようになっていた。
Then, the refrigerant is sent from the
ところで、このようなセラミックスヒータ７１において、ウェハＷの表面全体に均質な膜を形成したり、レジスト膜の加熱反応状態を均質にしたりするにはウェハ面内の温度差を小さくして温度分布を均一にすることが重要であり、同時にウェハを加熱・冷却する際の過渡時間が短く、しかも過渡時の温度が均一であることが求められている。更に、ウェハの加熱温度を変更するためにセラミックスヒータ７１の設定温度を変更する必要があり、セラミックスヒータ７１を短時間に昇温したり冷却したりする時間が短い必要があった。
Incidentally, in such a
特許文献５には、図７に示すように、ケース７９の底部７９ａの面粗度を一定の値以下
として冷媒の底部７９ａとの界面での気流の乱れを無くして、昇温効率や冷却効率を向上させることが記載されている。
また、特許文献６には、上記のセラミックスヒータ７１の熱容量を５０００Ｊ／Ｋ以下として、ウェハの昇温速度や冷却速度を高めることが記載されている。しかし、ケース７９の熱容量は板状セラミックス体７３の熱容量の３．３倍以上と大きく、また、ケース７９の表面積Ｓとケース７９の体積Ｖとの比率Ｓ／Ｖが５（１／ｃｍ）を下回ることから冷却時間が長かった。
Further,
また、特許文献７には、有底状の金属ケースにケースと板状セラミックス体の間の遮熱板を除いた軽量化されたセラミックスヒータが開示されている。このセラミックスヒータはケースにノズルが取り付けられ、ノズルから噴射された冷却ガスは板状セラミックス体に当たりそのまま開口部から排出される構造となっていた。このため、冷却ガスが板状セラミックス体の隅々に行き渡ることがなく、板状セラミックス体の冷却効率が不均一であり、冷却効率が小さかった。 Patent Document 7 discloses a ceramic heater that is reduced in weight by removing a heat shield plate between a case and a plate-like ceramic body in a bottomed metal case. This ceramic heater has a structure in which a nozzle is attached to the case, and the cooling gas sprayed from the nozzle hits the plate-like ceramic body and is discharged from the opening as it is. For this reason, the cooling gas does not spread over every corner of the plate-like ceramic body, the cooling efficiency of the plate-like ceramic body is uneven, and the cooling efficiency is low.
しかし、いずれもウェハの設定温度を変更するに要する時間は長く、短時間で温度変更できるセラミックスヒータが求められていた。 However, the time required for changing the set temperature of the wafer is long, and there has been a demand for a ceramic heater that can change the temperature in a short time.
ところで、このようなセラミックスヒータ７１において、ウェハＷの表面全体に均質な膜を形成したり、レジスト膜の加熱反応状態を均質にしたりするためには、ウェハの温度分布を均一にすることが重要である。その為、これまでウェハの温度分布を小さくするため、帯状の抵抗発熱体７５の抵抗分布を調整したり、帯状の抵抗発熱体７５の温度を分割制御したりすることが行われており、また、熱引きを発生し易い構造の場合、その周囲の発熱量を増大させる等の提案がされていた。
Incidentally, in such a
しかし、いずれも非常に複雑な構造、制御が必要になるという課題があり、簡単な構造で温度分布を均一に加熱できるようなセラミックスヒータが求められている。
半導体素子の配線微細化に伴い使用され始めた化学増幅型レジストにおいては、ウェハの温度の均一性は勿論のこと、ウェハを熱処理装置に載置した瞬間から離脱し熱処理を終了させるまでの過渡的な温度履歴も極めて重要となり、ウェハ載置直後から概ね６０秒以内にウェハの温度が均一に安定することが望まれている。 In chemically amplified resists that have begun to be used in connection with the miniaturization of wiring of semiconductor elements, not only the uniformity of the temperature of the wafer but also the transition from the moment the wafer is placed on the heat treatment apparatus to the end of the heat treatment. Such a temperature history is also extremely important, and it is desired that the temperature of the wafer be stabilized uniformly within about 60 seconds immediately after the wafer is placed.
特に、ウェハＷを板状セラミックス体７２上に差し替えした際に温度が安定するまでの時間やウェハ面内の温度バラツキが大きいとの問題があった。
In particular, the temperature upon replacing the U E wafer W on the plate-shaped
しかしながら、特許文献７に紹介されているセラミックスヒータでは、直径２１０ｍｍの窒化アルミニウムからなる板状セラミックス体に０．３５〜０．８１ｋｇのケースとその付属品０．４３〜２．９１ｋｇから構成されている。また、直径３２０ｍｍの窒化アルミニウムに０．７３〜１．５１ｋｇのケースと、その付属品０．７７〜６．２９ｋｇから構成されていた。しかし、これらのセラミックスヒータは、ウェハの急速な昇温や冷却する時間が長く不十分であり、ウェハ面内の過渡的な温度差が大きいとの問題があった。 However, the ceramic heater introduced in Patent Document 7 is composed of a plate-like ceramic body made of aluminum nitride having a diameter of 210 mm and a case of 0.35-0.81 kg and its accessories 0.43-2.91 kg. Yes. Moreover, it comprised from 0.73-1.51kg case and its accessory 0.77-6.29kg to the aluminum nitride of diameter 320mm. However, these ceramic heaters have a problem that a rapid temperature rise and cooling time of the wafer is long and insufficient, and a transient temperature difference in the wafer surface is large.
また、特許文献５に記載のセラミックスヒータでは図７に示した板状セラミックス体７３とケース７９が囲む空間に冷媒を循環させ冷却するために、ケース７９の底面７９ａの表面粗度Ｒａを２０μｍ以下とし気流の乱流をなくし冷却効率を大きくしているが、ノズル８２からの気流の流れる範囲が限定され、部分的にしか冷却されないことからウェハの例えば中心温度のみを効率良く冷却できてもウェハ表面の温度差が大きい状態で冷却されるとの問題があった。
Further, in the ceramic heater described in
更に、特許文献６に記載のセラミックスヒータでは、その熱容量を５０００Ｊ／Ｋ以下とし、昇温特性と冷却特性を向上させているが、ウェハ面内の温度差が大きいとの問題があった。
Furthermore, the ceramic heater described in
また、特許文献７に記載のセラミックスヒータは２００℃〜２５℃までの降温時間が２分とあるが、測温点の温度が部分的に低下するのみで、降温時の板状セラミックス体の面内温度バラツキが大きく、この影響で変更されたウェハ面内の温度差を小さくした状態に達するまでの時間が逆に大きくなるとの不具合があった。 The ceramic heater described in Patent Document 7 has a temperature drop time from 200 ° C. to 25 ° C. of 2 minutes, but the temperature of the temperature measuring point is only partially reduced, and the surface of the plate-like ceramic body at the time of temperature drop There is a problem that the internal temperature variation is large, and the time required to reach the state where the temperature difference in the wafer surface changed by this influence is reduced is increased.
本発明のセラミックスヒータは、板状セラミックス体の一方の主面に抵抗発熱体を備え、他方の主面にウェハ加熱面を備えたヒータ部と、上記抵抗発熱体に電力を供給する給電端子と、該給電端子を包むように板状セラミックス体と接続したケースと、該ケースに上記ヒータ部を冷却するノズルと開口部とを備え、該開口部と上記ヒータ部の間に、冷却ガスの流れをさえぎるための障壁を備えたことを特徴とする。
Ceramic heater of the present invention, plate-shaped on one main surface of the ceramic body comprises a resistance heating element, the other a heater unit having a wafer heating surface to the main surface, feeding supplies power to the upper Symbol resistance heating element terminal When the case is connected with the plate-shaped ceramic body to surround the power feeding terminal, and a nozzle and an opening for cooling the upper Symbol heater unit in the case, during the opening and the heater portion, the cooling gas It is characterized by having a barrier to block the flow .
また、上記板状セラミックス体への投影面において、上記障壁の面積が上記開口部の面積に略同等であることを特徴とする。 In the projection surface onto the plate-like ceramic body, the area of the barrier is substantially equal to the area of the opening.
また、上記障壁を備えた開口部と、上記障壁のない開口部とを備えたことを特徴とする。 In addition, an opening having the barrier and an opening without the barrier are provided.
また、上記障壁を備えた開口部の数が、上記障壁のない開口部の数より少ないことを特徴とする。 Further, the number of openings provided with the barrier is smaller than the number of openings without the barrier.
また、上記障壁を備えた開口部の総面積が、上記障壁のない開口部の総面積より小さいことを特徴とする。 The total area of the openings provided with the barriers is smaller than the total area of the openings without the barriers.
また、上記ケースの内面の赤外線の吸収率が３０％以下であることを特徴とする。 Further, the infrared absorption rate of the inner surface of the case is 30% or less.
また、上記ケースの内面の赤外線の吸収率はその外面の赤外線の吸収率より小さいことを特徴とする。 The infrared absorption rate of the inner surface of the case is smaller than the infrared absorption rate of the outer surface.
また、上記ケースは金属からなり、質量％でＣｒ：１７〜２６％、Ｎｉ：８〜２２％、Ｃ：０．２％以下、Ｎ：０．１％以下、残部がＦｅと不可避成分からなることを特徴とする。 Further, the case is made of metal, and in mass%, Cr: 17 to 26%, Ni: 8 to 22%, C: 0.2% or less, N: 0.1% or less, and the balance is made of Fe and inevitable components. It is characterized by that.
また、上記ケースの表面粗さＲａが５μｍ以下であることを特徴とする。 The case has a surface roughness Ra of 5 μm or less.
また、上記ケースの熱容量が、上記板状セラミックス体の熱容量の０．５〜３．０倍であることを特徴とする。
Further, the heat capacity of the upper Symbol casing, characterized in that 0.5 to 3.0 times the heat capacity of the upper Symbol plate-shaped ceramic body.
また、上記ケースの表面積Ｓ（ｃｍ２）と上記ケースの体積Ｖ（ｃｍ３）との比率Ｓ／Ｖが５〜５０（１／ｃｍ）であることを特徴とする。
Further, characterized in that the ratio S / V of the surface area of the upper Symbol Case S (cm 2) and the upper Symbol Case volume V (cm 3) is 5~50 (1 / cm).
本発明によれば、板状セラミックス体の一方の主面に抵抗発熱体を備え、他方の主面にウェハ加熱面を備えたヒータ部と、上記抵抗発熱体に電力を供給する給電端子と、該給電端子を包むように板状セラミックス体と接続したケースと、該ケースに上記ヒータ部を冷却するノズルと、上記ケースに開口部とを備え、該開口部と上記ヒータ部の間に、冷却ガスの流れをさえぎるための障壁を備えることによって、上記ヒータ部の全面を効率よく冷却できることから、冷却時間が短くなり、ウェハ面内の温度差が小さく、しかも応答時間が小さく、過渡時のウェハ面内の温度差の小さな良好なセラミックスヒータが得られる。そして、短時間でウェハ面内の温度差が小さい状態に変更することができることから、セラミックスヒータを効率よく稼動することができる。そして、本発明のセラミックスヒータを使うと品質の優れた半導体素子を安価に大量に生産することができる。
According to the present invention comprises a resistive heating element on one principal surface of the plate-shaped ceramic body, a heater unit having a wafer heating surface on the other main surface, a feeder terminal for supplying power to the upper Symbol resistance heating element , a case which is connected to the plate-shaped ceramic body to surround the power feed terminals, a nozzle for cooling the upper Symbol heater unit in the case, and a opening in the casing, between the opening and the heater unit, By providing a barrier to block the flow of the cooling gas, the entire surface of the heater section can be efficiently cooled, so the cooling time is shortened, the temperature difference in the wafer surface is small, and the response time is small. A good ceramic heater with a small temperature difference in the wafer surface can be obtained. Since the temperature difference in the wafer surface can be changed to a small state in a short time, the ceramic heater can be operated efficiently. When the ceramic heater of the present invention is used, high-quality semiconductor elements can be produced in large quantities at a low cost.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
図１は本発明に係るセラミックスヒータ１の一例を示す断面図で、炭化珪素または窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなる板状セラミックス体２の一方の主面を、ウェハＷを載せるウェハ加熱面３とするとともに、他方の主面に抵抗発熱体５を形成したヒータ部３０を備えている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a
抵抗発熱体５のパターン形状としては、略同心円状をしたものや渦巻き状をしたものなど、ウェハＷを均一に加熱できるパターン形状であれば良い。均熱性を改善するため、抵抗発熱体５を複数のパターンに分割することも可能である。またパターンの線幅や粗密を調整し、電力密度に分布をつけて均熱性を改善しても良い。
A pattern shape of the
抵抗発熱体５には、金や銀、パラジウム、白金等の材質からなる給電部６が形成され、該給電部６に給電端子１１を接触させることにより、導通が確保されている。給電端子１１と給電部６とは、導通が確保できる方法で有れば、はんだ付け、ロウ付け等の手法を用いてもよい。
The
さらに、板状セラミックス体２と有底のケース１９開口部の外周にボルト１６を貫通させ、板状セラミックス体２と有底のケース１９が直接当たらないように、リング状の接触部材１７を介在させ、有底のケース１９側より弾性体１８を介在させてナット２０を螺着することにより弾性的に固定している。
Further, the
これにより、板状セラミックス体２の温度が変わって有底のケース１９が変形しても、上記弾性体１８によってこれを吸収し、これにより板状セラミックス体２の反りを抑制し、ウェハ表面に、板状セラミックス体２の反りに起因する温度ばらつきが発生することを防止できるようになる。
As a result, even if the temperature of the plate-like
なお、有底のケース１９は側壁部２２と底面２１を有し、板状セラミックス体２はその有底のケース１９の開口部を覆うように設置してある。また、有底のケース１９には冷却ガスを排出するための開口部２３が施されており、板状セラミックス体２の抵抗発熱体５に給電するための給電部６に導通するための給電端子１１，板状セラミックス体２を冷却するためのガス噴射口２４、板状セラミックス体２の温度を測定するための熱電対２７を設置してある。
The bottomed
さらに、有底のケース１９の深さは１０〜５０ｍｍで、底面２１は、板状セラミックス体２から１０〜５０ｍｍの距離に設置することが望ましい。更に好ましくは２０〜３０ｍｍである。これは、板状セラミックス体２と有底のケース１９相互の輻射熱によりウェハ加熱面３が加熱されると同時に、ケース１９の外部との断熱効果があるので、ウェハ加熱面３の温度分布に大きな影響を及ぼすからである。
Furthermore, it is desirable that the bottomed
また、板状セラミックス体２には少なくとも３箇所の貫通孔２６が設けられ、ウェハリフトピン２５を上下させることにより、板状セラミックス体２へウェハを迅速に載置離脱がおこなえる。また、ウェハリフトピン２５が板状セラミックス体２へ直接接触しないようにガイド部材１０が設置されている。
Further, the plate-like
本発明のセラミックスヒータ１は、ガス排出口である開口部２３ａとヒータ部３０の間に障壁４を備えたことが特徴である。該障壁４を開口部２３ａに合わせて備えることで、ガス噴射口２４から噴射された冷却ガスがヒータ部３０のヒータ５に衝突してヒータ部３０を冷却し、そのまま開口部２３からケース１９の外に排出されることがなく、障壁４でさえぎられ効率よくヒータ部３０を冷却することができることから、ガス噴射口２４から噴射された冷却ガスがヒータ部の広い面で衝突しヒータ部３０を充分に冷却して開口部２３ａから排出されることからヒータ部３０の熱を短時間で奪うことができセラミックスヒータ１の冷却速度を高めることができる、更にヒータ部３０のウェハ加熱面３内の温度差が小さい状態で冷却されることからセラミックスヒータ１の温度を変更してもウェハＷ面内の温度差が小さい状態に速やかに変更することができることから好ましい。
The
また、板状セラミックス体２への投影面において、障壁４の面積が開口部２３ａの面積と略同等であることが好ましい。障壁４の面積が開口部２３ａの面積より甚だ大きいと障壁４で遮られたガスの一部がケース２９内に滞留しやすくなり冷却効率が低下する虞がある。また、障壁の面積が開口部２３ａの面積より甚だ小さいとガス噴射口２４より噴射されたガスがヒータ部３０で反射されそのまま開口部２３から排出されヒータ部３０を冷却する効率が低下する虞があるからである。より具体的には障壁４の面積が開口部２３ａの面積の０．７〜３倍であると障壁４がガスの流れを効果的に抑制し効率良くヒータ部３０を冷却することができる。より好ましくは０．９〜１．１倍である。
Moreover, it is preferable that the area of the
また、上記障壁４を備えた開口部２３ａと障壁４のない開口部２３ｂとを備えるとガス噴射口２４から噴射されたガスが広くヒータ部３０に当たり冷却効率を高めるとともに、ヒータ部３０に当たり熱を奪ったガスが開口部２３ｂから排出され冷却ガスによる熱交換がスムースに行われ好ましい。
Further, when the opening 23 a having the
そして、開口部２３はヒータ部３０の中心に対応する部分で数が多く周辺に対応する部分で数が少ないとヒータ部３０の全面を均しく冷却する効果が優れ好ましい。
The
そして、障壁４を備えた開口部２３ａの数は障壁のない開口部２３ｂより少ないことが好ましい。その理由は障壁４を備えた開口部２３ａはケース２９内のガスを排出量を抑制する効果があり、障壁４を備えた開口部２３ａのみでケースを構成すると排出効率が低下してセラミックスヒータ１の冷却効率を低下させる虞があるからである。好ましくは障壁４を備えた開口部２３ａは障壁のない開口部２３ｂより多くの数備えることが好ましい。
And it is preferable that the number of the opening
そして、障壁４の備えた開口部２３ａの総面積は障壁のない開口部２３ｂの総面積より小さいことが好ましい。このような構成とすることで、障壁４に複数回衝突したガスを効果的に開口部２３ｂや開口部２３ａから排出することができるからである。
And it is preferable that the total area of the
更に、障壁４は単なる板状であっても良いが、障壁４の上に給電部６やガイド部材等の部材を備え、障壁の内面が前記部材からなる複雑形状であっても良い。
Furthermore, the
そして、障壁４は、底面２１とヒータ部３０の下面の間にあればよく、好ましくは障壁４の位置はヒータ部３０の下面より開口部２３ａに近い方が良い。
And the
また、本発明のセラミックスヒータ１は、上記ケース１９の内面の赤外線の吸収率が３０％以下であることを特徴とする。このような構成とすることにより、抵抗発熱体５で加熱された板状セラミックス体２からの放射熱がケース１９の内壁で吸収されてケース１９自体を加熱することを防ぐとともに、ケース１９から反射した輻射熱は板状体の下面を加熱し、板状セラミックス体２を均一に加熱することができるからである。また、特に板状セラミックス体２の温度が１００℃以上となると板状セラミックス体２の抵抗発熱体２の下面から赤外領域の波長５〜９μｍの輻射熱が強くなりケース１９内面からの反射熱の影響が大きくなる。そこで、ケース１９内面の赤外線の吸収率が３０％以下であると、ケース１９の加熱が抑えられ、ケース１９からの反射波により板状セラミックス体２の加熱が促進され、板状セラミックス体２のウェハ加熱面３の温度差を小さくする効果が増進されるからである。特に、板状セラミックス体から輻射された輻射波がケース１９に照射され輻射波が吸収されケース１９が加熱されるが、この輻射波の中でも波長は３〜１５μｍ程の赤外線領域が主にケース１９を加熱する。
Further, the
一方、本発明に用いられる窒化アルミニウム或いは炭化珪素を主成分とする板状セラミックス体２は熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の炭化物や窒化物セラミックスが好適であり、これらの１００から２００℃前後に加熱された板状セラミック体２の放射波は波長４μｍ程から急激に大きくなり波長１０μｍ前後から急激に減少すると考えられ、ケース１９は実質的に波長４〜１０μｍの遠赤外線の輻射波により加熱されると推測される。この理由から波長４〜１０μｍの遠赤外線の吸収率が重要で特に６〜８μｍに対する輻射に対する吸収率が重要であり、本願の吸収率は遠赤外領域の６〜８μｍの波長域における吸収率で代用することができる。
On the other hand, the plate-like
特に、窒化物や炭化物セラミックスである窒化アルミニウムや炭化珪素を主成分とする板状セラミックス体２でこの効果が大きいことが判明した。より限定すれば、遠赤外線の吸収率を代表する値として波長７μｍの遠赤外線の吸収率が３０％以下であることが好ましい。
In particular, it has been found that this effect is great in the plate-like
板状セラミックス体２は、ウェハＷを均一に加熱するように抵抗発熱体５が配設されているが、ウェハ加熱面３に載せられたウェハＷをウェハＷ面内の温度差が小さい状態で急速に加熱したり、ウェハ加熱面３の温度変更を短時間で行ったりするには、ウェハＷの面内温度差が小さくなるように板状セラミックス体２を加熱するとともに板状セラミックス体２の周囲から下面を覆うケース１９に伝わる熱や、ケース１９の外周の上部から接触部材１７を通して板状セラミックス体２の周囲に伝わる熱や、ケース１９内面から板状セラミックス体２を加熱する輻射熱の影響を効果的に抑制／制御することが重要である。そしてケース１９から反射した輻射熱が板状セラミックス体２の下面を加熱するとともに、ケース１９そのものの加熱を抑え、ウェハＷの周辺の温度差が大きくならない様に板状セラミックス体２の周辺部をリング状に支持してケース１９と接続する接触部材１７を備えた構成とすることが重要である。このような構成とすることで例えば直径２００ｍｍ以上或いは直径３００ｍｍ以上の大型ウェハＷの周辺部の温度差を小さく保つことができるとともに低温のウェハＷがウェハ加熱面３に載せられた際にはウェハＷ周辺の温度が中心部より低下しないよう熱を供給しつつ、ウェハ加熱面の温度変更時にはケース１９の温度の影響を抑えることができることから素早く温度を変えることができる。
The plate-like
更に、板状セラミックス体２の周囲で前記抵抗発熱体５の外接円の外側に前記抵抗発熱体５の存在しない非発熱領域を備えることが必要である。このように非発熱領域を備えることで、板状セラミックス体２の周辺部から熱がケースに逃げることを妨げることができることから、ウェハＷ面の温度差を小さくすることができるからである。また、同時に冷えたウェハＷを加熱されたウェハ加熱面３に載せても、前記非発熱領域の熱がウェハＷの周辺の温度の低下を防ぎウェハＷの周辺や中心の温度が等しく加熱されウェハＷ面内の温度差が小さい状態でウェハＷ全面の温度が上昇し所定の温度に短時間で昇温することができるからである。一方前記非発熱領域がなく抵抗発熱体５の外接円の直径を単に大きくしただけでは、定常状態での板状セラミックス体２周辺部からの熱がケース１９に流れ、ケース１９が加熱されウェハ加熱面の温度変更等の際にケース１９の温度が高く、短時間でウェハ加熱面の温度変更ができなくなる虞があるからである。
Furthermore, it is necessary to provide a non-heat generating area where the
尚、ケース１９の内面側には給電端子１１、ガス噴射口２４、ガスを放出する開口部２３、熱電対２７、ガイド部材１０、等が配設されている。これらの部品からの反射も重要である。特にケース１９に穿孔される開口部２３はその面積が大きくケース内面からの輻射量を低減する効果があることから、開口部２３はケース１９の下面に均等に配設されていることが好ましい。
In addition, on the inner surface side of the
また、ケース１９の外面の赤外線の吸収率はその内面の赤外線の吸収率より大きいことが好ましい。上記内面の赤外線の吸収率は３０％以下であり板状セラミックス体２からの熱の大部分を反射することができるが、吸収された輻射光はケース１９を加熱する。板状セラミックス体２の温度が上昇するとケース１９の温度も上昇するが、ケース１９の熱はケース１９の外面からの輻射光によりケース１９の温度を下げることができる。ケース１
９の外側の赤外線の吸収率が内側の赤外線の吸収率より大きいと、ケース１９内面から加熱された熱が、ケース１９の外面から放射され、ケース１９の温度上昇を抑えることができ好ましい。
The infrared absorption of the outer surface of the
When the outer infrared absorptance of 9 is larger than the inner infrared absorptivity, the heat heated from the inner surface of the
尚、ケース１９は赤外線の吸収率の小さな金属製のケース１９が好ましく、赤外線の吸収率は研摩加工や、反射層の形成、酸化膜処理、黒色塗料等の塗布により調整できる。
The
また、本発明のセラミックスヒータは熱伝達に重要な波長３〜２５μｍの赤外線の吸収率がセラミックスヒータの温度特性に影響するが、その中でも波長５〜９μｍの赤外線の吸収率の影響が大きく、この赤外線の吸収率は波長７μｍの赤外線の吸収率で本発明の赤外線の吸収率とすることができる。 Further, in the ceramic heater of the present invention, the absorption rate of infrared rays having a wavelength of 3 to 25 μm, which is important for heat transfer, affects the temperature characteristics of the ceramic heater. Among them, the influence of the absorption rate of infrared rays having a wavelength of 5 to 9 μm is large. The infrared absorptivity can be the infrared absorptivity of the present invention as an infrared absorptivity with a wavelength of 7 μm.
尚、上記吸収率は分光分析により求めることができる。 The absorptance can be obtained by spectroscopic analysis.
更に、ケース１９はＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金が好ましい。特に、Ｃｒ量は１７〜２６重量％で、Ｎｉ量は８〜２２重量％で、Ｃが０．２質量％以下でＮが０．１質量％以下であると赤外線の反射率が大きく、経時変化が少なく好ましい。更に好ましくはＮｉ量が８〜１５重量％であり、より好ましくはＮｉ量が８〜１６重量％である。Ｃｒ量が１７質量％を下回ったり、Ｎｉ量が８質量％を下回ったりすると、赤外線の吸収率が３０％を上回り好ましくない。また、Ｃｒ量が２６質量％を超えたり、Ｎｉ量が２２質量％を超えたりすると金属合金の剛性が大きく脆くなることから好ましくない。更に、Ｃは０．２質量％を超えたり、Ｎが０．１質量％を超えたりすると金属合金が脆くなり好ましくない。
Further, the
また、ケース１９のＪＩＳ Ｂ０６３３による表面粗さＲａは５μｍ以下であることが好ましい。Ｒａが５μｍを超えると赤外線の吸収率が３０％を上回る虞があり好ましくない。更に好ましくは２μｍ以下であり、より好ましくは０．５μｍ以下である。
The surface roughness Ra of the
また、ケース１９の赤外線吸収率を小さくするには、ケース１９の表面に赤外線を強く吸収しない反射層を形成することが好ましい。
In order to reduce the infrared absorption rate of the
上記吸収反射層はＡｇ、ＣｕやＡｕ等の貴金属層が好ましく、これらの金属層をメッキ法や蒸着法やＣＤＶコート法を用いることができる。そして、これらの反射層は０．１〜５μｍの厚みで形成すると、赤外線の吸収率が３０％以下と小さくなり好ましい。 The absorptive reflective layer is preferably a noble metal layer such as Ag, Cu or Au, and a plating method, a vapor deposition method or a CDV coating method can be used for these metal layers. And when these reflective layers are formed with the thickness of 0.1-5 micrometers, the absorptivity of infrared rays becomes small with 30% or less, and it is preferable.
また、本発明の一例である図１のセラミックスヒータ１は、板状セラミックス体２の周辺の下面を支えるようにリング状に接触部材１７が接続しているので、ケース１９の直径と板状セラミックス体２の直径Ｄを同等とすることができることから、板状セラミックス体２の直径を大きくすることができる。そのため、温度の低いウェハＷを温度の高いウェハ加熱面に載せてもウェハＷの周辺の温度が低下することなく、板状セラミックス体２の周辺の非発熱領域に蓄熱された熱によりウェハＷの周辺を加熱することができる。
Further, in the
また、本発明のセラミックスヒータ１は図２に示すように板状セラミックス体２の周辺の端面を囲むようにリング状に上記接触部材１７が接続することで、板状セラミックス体２の周辺部の熱の漏出を防止しウェハＷ面内の温度差を小さくすることができる。特に板状セラミックス体２の周辺の端面が接触部材１７と接触することで板状セラミックス体２の直径が小さくなり抵抗発熱体５の熱を効率的にウェハＷに供給することができることから好ましい。また、温度の低いウェハＷを温度の高いウェハ加熱面に載せた際に、ウェハＷの周辺部に多くの熱を供給する必要があることから板状セラミックス体２の周辺に多くの熱を蓄える必要があり、この熱を蓄える領域として、板状セラミックス体２の周辺に抵抗発熱体５の存在しない非発熱領域が必要である。
Further, as shown in FIG. 2, the
なお、ウェハＷの定常時の面内温度差を小さくするには抵抗発熱体５の外接円の直径をウェハＷの直径より３〜５％程大きいことが必要である。従って、板状セラミックス体２の直径ＤはウェハＷの直径の４〜１７％程大きいことが好ましい。また、板状セラミックス体２の周囲の端面を保持することから板状セラミックス体２の非発熱領域を小さくすることができる一方、非発熱領域の蓄熱量を増やすために非発熱領域の板状セラミックス体２の厚みを大きくすることで非発熱領域の熱容量を調整することができる。
In order to reduce the in-plane temperature difference during normal operation of the wafer W, the diameter of the circumscribed circle of the
そして、板状セラミックス体２の外接円の直径ＤＣが板状セラミックス体２の直径Ｄの９０〜９９％であると更に好ましい。
The diameter DC of the circumscribed circle of the plate-like
抵抗発熱体５の外接円Ｃの直径ＤＣが板状セラミックス体２の直径Ｄの９０％より小さいと、非発熱領域が大き過ぎることからウェハを急速に昇温したり急速に降温させたりする時間が大きくなりウェハＷの温度応答特性が劣る。また、板状セラミックス体２の直径Ｄが大きくなり、均一に加熱できるウェハＷの大きさが板状セラミックス体２の直径Ｄに比較して小さくなり、ウェハＷを加熱する電力に対するウェハ加熱効率が悪くなる。更に、板状セラミックス体２が大きくなることからウェハ製造装置の設置面積が大きくなり、最小の設置面積で最大の生産を行う必要がある半導体製造装置の設置面積に対する稼働率を低下させ好ましくない。
The diameter DC of the circumscribed circle C of the
抵抗発熱体５の外接円Ｃの直径ＤＣが板状セラミックス体２の直径Ｄの９９％より大きいと非発熱領域が小さすぎることから温度の低いウェハＷを温度の高いウェハ加熱面３に載せると、ウェハＷの周辺の温度が低下しウェハＷ面内の温度差が小さい状態でウェハＷ温度を高めることができない虞があるからであり、接触部材１７と抵抗発熱体５の外周との間隔が小さく抵抗発熱体５の外周部から熱が接触部材１７に不均一に流れ、特に、外周部の抵抗発熱体５の対称性が崩れ欠落している微小な部分からも熱が流れ、温度が低下しウェハＷの定常時の面内温度差を大きくする虞がある。
When the diameter DC of the circumscribed circle C of the
より好ましくは、抵抗発熱体５の外接円Ｃの直径ＤＣが板状セラミックス体２の直径Ｄの９２〜９７％である。
More preferably, the diameter DC of the circumscribed circle C of the
特に、板状セラミックス体２とケース１９の外形が略同等で、板状セラミックス体２を下からケース１９が支える図１のセラミックスヒータ１の場合、ウェハＷの面内の温度差を小さくするには、抵抗発熱体５の外接円Ｃの直径ＤＣが板状セラミックス体２の直径Ｄの９２〜９５％であり、更に好ましくは９３〜９５％である。
In particular, in the case of the
一方、板状セラミックス体２の周辺の端面を囲むようにケース１９が接続した図２のセラミックスヒータの場合には、抵抗発熱体５の外接円Ｃの直径ＤＣが板状セラミックス体２の直径Ｄの９５〜９８％が好ましく、更に好ましくは９６〜９７％である。
On the other hand, in the case of the ceramic heater of FIG. 2 in which the
また、上記のように非加熱領域の幅で熱容量を調整することができる一方で、非発熱領域の蓄熱量を増やすために非発熱領域の板状セラミックス体２の厚みを大きくすることで非発熱領域の熱容量を大きくしてウェハＷの周辺の温度低下を防ぐこともできる。
In addition, the heat capacity can be adjusted by the width of the non-heated region as described above, while non-heat generation is achieved by increasing the thickness of the plate-like
尚、本発明のセラミックスヒータ１は板状セラミックス体２の周辺の下面にケース１９を接続したり、板状セラミックス体２の周辺の端面でケースと接続したりした例で説明したが、周辺の下面と周辺の端面との両方同時にケース１９と接続して上記趣旨を逸脱しない範囲のセラミックスヒータ１を含むものであることは当然である。
The
そして、本発明のセラミックスヒータ１は、該ケース１９に前記板状セラミックス体２を冷却するノズル２４を備え、前記ケース１９の熱容量は、前記板状セラミックス体２の熱容量の０．５〜３．０倍であることを特徴とする。
The
ケース１９の熱容量が板状セラミックス体２の熱容量の０．５倍を下回るとノズル２４から噴射された冷却ガスが板状セラミックス体２に当たり板状セラミックス体２の熱を奪い熱せられた冷却ガスの熱がケース１９に保存される量が小さ過ぎて、適度に板状セラミック体２の熱を蓄えることができないことから、板状セラミックス体２の温度を低下させる効果が小さい。
When the heat capacity of the
ケース１９の熱容量が板状セラミックス体２の熱容量の３．０倍を超えると、ケース１９の熱容量が大き過ぎることから板状セラミックス体２の熱をケース１９に冷却ガスを介して蓄えることはできるが、板状セラミックス体２を加熱する際に、板状セラミックス体２からの輻射熱がケース１９に過剰に伝わり板状セラミックス体２を加熱しても昇温速度が小さくなる虞があった。好ましくはケース１９の熱容量は板状セラミックス体２の熱容量の０．７〜１．２倍であり、更に好ましくは０．９〜１．２倍であった。このような範囲の熱容量とすることで、板状セラミックス体２の熱がノズル２４から噴射された冷却ガスを介して、ケース１９に伝わるとともに外部へ効率良く排出される。特に金属ケースの熱容量が板状セラミックス体２の熱容量に近いと板状セラミックス体２の熱の大よそ半分が金属ケースに伝わり金属ケースの外面から放散されることで板状セラミックス体２の温度が下がりやすい事が分った。そして、加熱した板状セラミックス体２の熱を効率良く取り除くことができることから、板状セラミックス体２の温度を急激に下げることができるとともに、板状セラミックス体２を抵抗発熱体５で加熱する際に効率良く急速に昇温させることができる。
When the heat capacity of the
ケース１９の熱容量に対する板状セラミックス体２の熱容量の倍率を変えるには、ケース１９の熱容量を変えることで調整することが好ましい。その理由は、窒化珪素や窒化アルミニウム製の大きさが同じ板状セラミックス体２では、炭化珪素より窒化アルミニウムの熱容量が数％から１０％程大きいが、本発明の板状セラミックス体２の外形や厚みは略同じことから板状セラミックス体２の熱容量を大きく変更することが困難である。しかし、ケース１９の金属板厚みやケース１９の深さを調整したり、材質を変えたりすることでケース１９を好適な熱容量に調節できるからである。
In order to change the magnification of the heat capacity of the plate-like
また、セラミックスヒータ１の昇温時間や冷却時間を短縮するには前記ケース１９の表面積Ｓ（ｃｍ２）と前記ケース１９の体積Ｖ（ｃｍ３）との比率Ｓ／Ｖが５〜５０（１／ｃｍ）であると更に効率良く板状セラミックス体２を加熱したり冷却したりすることができることから好ましいことが判明した。
Further, in order to shorten the heating time and cooling time of the
比率Ｓ／Ｖが５（１／ｃｍ）を下回ると、ケース１９の体積Ｖに対する表面積Ｓの比率が小さいことから、ケース１９の表面から吸収された熱がケース１９の外に放散される効率が悪く、また、熱がケース１９に残りやすい。板状セラミックス体２を加熱すると放射熱がケース１９に吸収され易くなり板状セラミックス体２を急速に昇温させることが難しくなるからである。
When the ratio S / V is less than 5 (1 / cm), since the ratio of the surface area S to the volume V of the
比率Ｓ／Ｖが５０（１／ｃｍ）を超えると、ケース１９の表面積が大きくなりすぎてケース１９の厚みが小さくなり過ぎケース１９を装置に取り付けると変形したり、振動でケース１９が変形し板状セラミックス体２の温度分布が変動してウェハＷの面内温度差が変化したり、特に昇降温時のウェハ面内の温度差が大きくなる虞があった。
If the ratio S / V is obtain ultra the 50 (1 / cm), or deform the attachment of the thickness is reduced too casing 19 of the surface area becomes too
比率Ｓ／Ｖは、好ましくは １１〜２０（１／ｃｍ）であり、更に好ましくは１３〜１５（１／ｃｍ）であった。 The ratio S / V was preferably 11 to 20 (1 / cm), and more preferably 13 to 15 (1 / cm).
次に、比率Ｓ／Ｖを上記の範囲内となるように調整する具体的な方法について述べる。一般にケース１９の金属板厚みを大きくするとＳ／Ｖは小さくなる。好ましくはケース１９の側壁の厚みは０．５〜３ｍｍ、底板の厚みは１〜５ｍｍである。更に好ましくは側壁の厚みは０．５〜２ｍｍで底板の厚みは１〜３ｍｍである。また、ケース１９の外周に凹凸を設け、ケース１９の表面を大きくすることで比率Ｓ／Ｖを上記の好適な範囲となるよう調整することができる。
Next, a specific method for adjusting the ratio S / V to be in the above range will be described. Generally, when the metal plate thickness of the
尚、ここで、ケース１９とはセラミックスヒータ１の外表面を形成する部品の中の、板状セラミックス体２と接続部材１７を除き外表面が金属からなる金属部品を示す。
Here, the
また、ノズル２４から噴射された冷却ガスは板状セラミックス体２の下面に当たり、板状セラミックス体２の下面に沿って放射状に広がりケース１９やケース１９に取り付けられた部材に衝突し進路を変えケース１９の下面２１の排出孔２３からセラミックスヒータ１の外部へ放出される。そして、前記の冷却ガスは板状セラミックス体２の熱を奪い、一部の熱をケース１９に伝え、そして冷却ガスは排出される。そして、ケース１９に伝えられた板状セラミックス体２の一部の熱は効率良くケース１９の外側から放散される。ノズル２４から噴射された冷却ガスは、板状セラミックス体の下面に強く衝突することで板状セラミックス体２の熱を効率良く奪うことができる、そして熱せられた冷却ガスはケース１９に熱を伝えながら排出されるのであるが、ノズル２４から噴射される冷却ガスの流速を高め、効率良く排出するには複数取り付けられたノズル２４の開口部２４ａの総面積Ｓ１に対して、１０００〜３２００倍の面積Ｓを備えた排出孔２３を有することが好ましい。
Further, the cooling gas sprayed from the
ノズル２４の開口部２４ａの総面積Ｓ１に対して、Ｓ２の面積が１０００倍以下では排出孔２３が小さいことからノズル２４から噴射する冷却ガスの突出量が減少し板状セラミックス体２を冷却する効率が小さくなり好ましくない。
When the area of S2 is 1000 times or less of the total area S1 of the opening 24a of the
また、ノズル２４の開口部２４ａの総面積Ｓ１に対して、Ｓ２の面積が３２００倍を超えると、板状セラミックス体２により加熱された冷却ガスの熱がケース１９に伝わる量が減少し、板状セラミックス体２を冷却する効果が小さくなる。
Further, the total area S1 of the opening 24a of the
従って、ノズル２４の開口部２４ａの総面積Ｓ１に対して、１０００〜３２００倍の面積Ｓ２を備えた排出孔２３であると効率良く板状セラミックス体２に冷却ガスを当て、板状セラミックス体２とケース１９とで囲む空間に冷却ガスを循環させて排出孔２３から排出できる。好ましくは、Ｓ２はＳ１の１５００〜２５００倍である。更に好ましくは、１７００〜２３００倍である。
Therefore, when the
更に、上記のように冷却ガスを流すと、ケース１９と板状セラミックス体２の囲む空間と、その外部空間との圧力差Ｐは５０〜１３ｋＰａとすることができることから優れた冷却特性が得られる。
Furthermore, when the cooling gas is allowed to flow as described above, an excellent cooling characteristic can be obtained because the pressure difference P between the space surrounded by the
圧力差Ｐが５０Ｐａ以下では冷却ガスの流量が少なく板状セラミックス体２を短時間で冷却することができない。
When the pressure difference P is 50 Pa or less, the flow rate of the cooling gas is small and the plate-like
圧力差Ｐが１３ｋＰａを超えると内部圧力が大きく板状セラミックス体２と金属ケースで囲む空間が押し広がり容積が大きくなり、板状セラミック体とケース１９の位置がずれて板状セラミックス体２に載せたウェハの温度分布が変化する虞があった。
When the pressure difference P exceeds 13 kPa, the internal pressure increases and the space surrounded by the plate-shaped
好ましくは、圧力差Ｐは１００Ｐａ〜１ｋＰａであり、更に好ましくは２００Ｐａ〜５００Ｐａであった。 Preferably, the pressure difference P is 100 Pa to 1 kPa, more preferably 200 Pa to 500 Pa.
また、抵抗発熱体５はウェハ加熱面３から一定の距離に配設され、抵抗発熱体５の対向間隔Ｓが板状セラミックス体２の板厚ｔの５倍以下となるように設計することが必要である。
Further, the
また、直径２００ｍｍを超える大型ウェハＷを均一にしかも高温まで加熱できるように配設するには、対向間隔Ｓは０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。
Also, it arranged so that it can heat the diameter 200mm to uniformly Moreover high temperature is exceeded large U E wafer W is facing distance S is preferably not less than 0.5 mm.
ここで対向間隔Ｓとは図３に示すように、抵抗発熱体５の外接円の中で、抵抗発熱体５の帯に接する最大の円の直径で示すことができる。
Here, the facing interval S can be represented by the diameter of the largest circle in contact with the band of the
上記間隔Ｓが板状セラミックス体２の板圧ｔの５倍を超えると、間隔Ｓの中心付近の温度が低下し板状セラミックス体２のウェハ加熱面３に載せられたウェハＷにクールスポットが発生する虞があるからである。また、間隔Ｓが０．５ｍｍを下回るとスクリーン印刷法で抵抗発熱体５を印刷すると、インクの滲み等の影響で、抵抗発熱体５の帯と帯が短絡する虞が生じ、ウェハＷの面内温度差を小さくすることができないからである。
When the distance S is obtain
さらに、本発明のセラミックスヒータ１は、板状セラミック体２の一方の主面に平行な投影面で見て、帯状の抵抗発熱体５を囲む外接円Ｃの面積に対し、上記外接円Ｃ内に占める帯状の抵抗発熱体５の面積の比率を５％〜５０％としたことを特徴とする。
Furthermore, the
即ち、帯状の抵抗発熱体５を囲む外接円Ｃの面積に対し、外接円Ｃ内に占める帯状の抵抗発熱体５の面積の比率を５％未満とすると、帯状の抵抗発熱体５の相対向する対向領域において、板状セラミック体２の板厚ｔに対して対向領域の対向間隔Ｓが大きくなり過ぎることから、帯状の抵抗発熱体５のないウェハ加熱面３の表面温度が他の部分と比較して小さくなり、ウェハ加熱面３の温度を均一にすることが難しいからであり、逆に帯状の抵抗発熱体５を囲む外接円Ｃの面積に対し、外接円Ｃ内に占める帯状の抵抗発熱体５の面積の比率が５０％を超えると、板状セラミック体２と帯状の抵抗発熱体５との間の熱膨張差を３．０×１０−６／℃以下に近似させたとしても、両者の間に作用する熱応力が大きすぎること、板状セラミック体２は変形し難いセラミック焼結体からなるものの、その板厚ｔが１ｍｍ〜７ｍｍと薄いこと、から帯状の抵抗発熱体５を発熱させると、ウェハ加熱面３側が凹となるように板状セラミック体２に反りが発生し、その結果、ウェハＷの中心部の温度が周縁よりも小さくなり、温度バラツキが大きくなる虞があるからである。
That is, when the ratio of the area of the belt-like
なお、好ましくは、帯状の抵抗発熱体５を囲む外接円Ｃの面積に対し、外接円Ｃ内に占める帯状の抵抗発熱体５の面積の比率を１０％〜３０％、さらには１５％〜２５％とすることが好ましい。
Preferably, the ratio of the area of the belt-like
さらに、このような効果を効率良く発現させるには、帯状の抵抗発熱体５の膜厚を５〜７０μｍとすることが好ましい。
Furthermore, in order to express such an effect efficiently, it is preferable to set the film thickness of the strip-shaped
帯状の抵抗発熱体５の膜厚が５μｍを下回ると、帯状の抵抗発熱体５をスクリーン印刷法で膜厚を均一に印刷することが困難となるからであり、また、帯状の抵抗発熱体５の厚みが７０μｍを超えると、外接円Ｃに対し、帯状の抵抗発熱体５の占める面積の比率を５０％以下としても帯状の抵抗発熱体５の厚みが大きく、抵抗発熱体５の剛性が大きくなり、板状セラミック体５の温度変化により帯状の抵抗発熱体５の伸び縮みによる影響で板状セラミック体２が変形したり、スクリーン印刷で均一の厚みに印刷することが難しくウェハＷの表面の温度差が大きくなったりする虞があるからである。なお、好ましい帯状の抵抗発熱体５の厚みは１０〜３０μｍとすることが良い。
If the film thickness of the strip-shaped
図５は、図1に示すセラミックスヒータ１のリング状の接触部材１７付近を示す拡大断面図である。リング状の接触部材１７の断面は多角形や円形の何れでも良いが、板状セラミックス体２と接触部材１７が平面で接触する場合において、板状セラミックス体２と接触部材１７の接する接触部の巾は０．１ｍｍ〜１３ｍｍであれば、板状セラミックス体２の熱が接触部材１７を介して有底のケース１９に流れる量を小さくすることができる。そして、ウェハＷの面内の温度差が小さくウェハＷを均一に加熱することができる。
FIG. 5 is an enlarged sectional view showing the vicinity of the ring-shaped
接触部材１７の接触部の巾が０．１ｍｍ以下では、板状セラミックス体２と接触固定した際に接触部が変形し、接触部材が破損する虞がある。また、接触部材１７の接触部の巾が１３ｍｍを超える場合には、板状セラミックス体２の熱が接触部材に流れ、板状セラミックス体２の周辺部の温度が低下しウェハＷを均一に加熱することが難しくなる。好ましくは接触部材１７と板状セラミックス体２の接触部の巾は０．１ｍｍ〜８ｍｍであり、更に好ましくは０．１〜２ｍｍである。
If the width of the contact portion of the
また、接触部材１７の熱伝導率は板状セラミックス体２の熱伝導率より小さいことが好ましい。接触部材１７の熱伝導率が板状セラミックス体２の熱伝導率より小さければ板状セラミックス体２に載せたウェハＷ面内の温度分布を均一に加熱することができると共に、板状セラミックス体２の温度を上げたり下げたりする際に、接触部材１７との熱の伝達量が小さく有底のケース１９との熱的干渉が少なく、迅速に温度を変更することが容易となる。
Further, the thermal conductivity of the
接触部材１７の熱伝導率が板状セラミックス体２の熱伝導率の１０％より小さいセラミックスヒータ１では、接触部材を介して板状セラミックス体２の熱が有底のケース１９に流れ難く、雰囲気ガス（ここでは空気）による伝熱や輻射伝熱により板状セラミックス体２から有底のケース１９へ流れる熱が多くなり、逆に効果が小さい。
In the
接触部材１７の熱伝導率が板状セラミックス体２の熱伝導率より大きい場合には、板状セラミックス体２の周辺部の熱が接触部材１７を介して有底のケース１９に流れ、有底のケース１９を加熱すると共に、板状セラミックス体２の周辺部の温度が低下しウェハＷ面
内の温度差が大きくなり好ましくない。また、有底のケース１９が加熱されることからガス噴射口２４からエアーを噴射し板状セラミックス体２を冷却しようとしても有底のケース１９の温度が高いことから冷却する時間が大きくなったり、一定温度に加熱する際に一定温度になるまでの時間が大きくなったりする虞があった。
When the thermal conductivity of the
一方、前記接触部材１７を構成する材料としては、小さな接触部を保持するために、接触部材のヤング率は１ＧＰａ以上が好ましく、更に好ましくは１０ＧＰａ以上である。このようなヤング率とすることで、接触部の巾が０．１ｍｍ〜８ｍｍと小さく、板状セラミックス体２を有底のケース１９に接触部材１７を介してボルト１６で固定しても、接触部材１７が変形すること無く、板状セラミックス体２が位置ズレしたり平行度が変化したりすることなく、精度良く保持することができる。
On the other hand, as a material constituting the
尚、接触部材をフッ素系に樹脂やガラス繊維を添加した樹脂からなる接触部材では得られない精度を達成することができる。 In addition, the precision which cannot be obtained with the contact member which consists of resin which added resin and glass fiber to the fluorine-type contact member can be achieved.
前記接触部材１７の材質としては鉄とカーボンからなる炭素鋼やニッケル、マンガン、クロムを加えた特殊鋼等の金属がヤング率が大きく好ましい。また、熱伝導率の小さな材料としては、ステンレス鋼やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金の所謂コバールが好ましく、板状セラミックス体２の熱伝導率より小さくなるように接触部材１７の材料を選択することが好ましい。
As the material of the
更に、接触部材１７と板状セラミックス体２との接触部を小さく、且つ接触部が小さくても接触部が欠損しパーティクルを発生する虞が小さく安定な接触部を保持できるために、板状セラミックス体２に垂直な面で切断した接触部材１７の断面は多角形より円形が好ましく、断面の直径１ｍｍ以下の円形のワイヤを接触部材１７として使用すると板状セラミックス体２と有底のケース１９の位置が変化することなくウェハＷの表面温度を均一にしかも迅速に昇降温することが可能である。
Furthermore, since the contact portion between the
次に、その他の構成について説明する。 Next, other configurations will be described.
ケース１９内に昇降自在に設置されたリフトピン２５により、ウェハＷをウェハ加熱面３上に載せたり加熱面３より持ち上げたりといった作業がなされる。そして、ウェハＷは、ウェハ支持ピン８によりウェハ加熱面３から浮かした状態で保持され、片当たり等による温度バラツキを防止するようにしている。
Work such as placing the wafer W on the
また、このセラミックスヒータ１によりウェハＷを加熱するには、搬送アーム（不図示）にてウェハ加熱面３の上方まで運ばれたウェハＷをリフトピン２５にて支持したあと、リフトピン２５を降下させてウェハＷをウェハ加熱面３上に載せる。
Further, in order to heat the wafer W by the
次に、給電部６に通電して抵抗発熱体５を発熱させ、板状セラミックス体２を介してウェハ加熱面３上のウェハＷを加熱するのであるが、本発明によれば、セラミックスヒータ１に板状セラミックス体２を支持する接触部材１７を介して有底のケース１９と接続していることから、板状セラミックス体２に接続した接触部材１７により板状セラミックス体２の熱が必要以上に逃げることなく運転できるので、板状セラミックス体２を有効に短時間で均熱化しウェハＷの温度を均一に加熱することができる。
Next, the
さらに、板状セラミックス体２を炭化珪素質焼結体又は窒化アルミニウム質焼結体により形成してあることから、ヤング率が２００ＧＰａ以上と大きく熱を加えても変形が小さく、板厚を薄くできるため、所定の処理温度に加熱するまでの昇温時間及び所定の処理温度から室温付近に冷却するまでの冷却時間を短くすることができ、生産性を高めることができるとともに、板状セラミックス体２は炭化珪素や窒化アルミニウムからなり６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有することから、薄い板厚でも抵抗発熱体５のジュール熱を素早く伝えることができる。
Furthermore, since the plate-like
板状セラミックス体２の厚みは、１〜７ｍｍとすることが好ましい。板状セラミックス体２の厚みが１ｍｍより薄いと、板状セラミックス体２の強度がなくなり抵抗発熱体５の発熱による加熱時、ガス噴射口２４らの冷却エアーを吹き付けた際に、冷却時の熱応力に耐えきれず、板状セラミックス体２にクラックが発生する。また、板状セラミックス体２の厚みが７ｍｍを超えると、板状セラミックス体２の熱容量が大きくなるので加熱および冷却時の温度が安定するまでの時間が長くなってしまい好ましくない。より好ましくは板状セラミックス体２の厚みは２〜５ｍｍである。
The thickness of the plate-like
このように、板状セラミックス体２の熱容量を小さくすると、有底のケース１９からの熱引きにより板状セラミックス体２の温度分布が悪くなる。そこで、有底のケース１９が板状セラミックス体２をその外周部で保持する構造としている。
As described above, when the heat capacity of the plate-like
また、抵抗発熱体５への給電方法については、有底のケース１９に設置した給電端子１１を板状セラミックス体２の表面に形成した給電部６にバネ（不図示）で押圧することにより接続を確保し給電する。これは、１〜７ｍｍの厚みの板状セラミックス体２に金属からなる端子部を埋設して形成すると、該端子部の熱容量により均熱性が悪くなるからである。そのため、本発明のように、給電端子１１をバネで押圧して電気的接続を確保することにより、板状セラミックス体２とその有底のケース１９の間の温度差による熱応力を緩和し、高い信頼性で電気的導通を維持できる。さらに、接点が点接触となるのを防止するため、弾性のある導体を中間層として挿入しても構わない。この中間層は単に箔状のシートを挿入するだけでも効果がある。そして、給電端子１１の給電部６側の径は、１．５〜５ｍｍとすることが好ましい。
As for the method of supplying power to the
また、板状セラミックス体２の温度は、板状セラミックス体２にその先端が埋め込まれた熱電対２７により測定する。熱電対２７としては、その応答性と保持の作業性の観点から、外径０．８ｍｍ以下のシース型の熱電対２７を使用することが好ましい。この熱電対２７の先端部は、板状セラミックス体２に孔が形成され、この中に設置された固定部材により孔の内壁面に押圧固定することが測温の信頼性を向上させるために好ましい。同様に素線の熱電対やＰｔ等の測温抵抗体を埋設して測温を行うことも可能である。
Further, the temperature of the plate-like
さらに、レジスト膜形成用のセラミックスヒータ１として使用する場合は、板状セラミックス体２の主成分を炭化珪素にすると、大気中の水分等と反応してガスを発生させることもないため、ウェハＷ上へのレジスト膜の貼付に用いたとしても、レジスト膜の組織に悪影響を与えることがなく、微細な配線を高密度に形成することが可能である。この際、焼結助剤に水と反応してアンモニアやアミンを形成する可能性のある窒化物を含まないようにすることが必要である。
Further, when used as a
なお、板状セラミックス体２を形成する炭化珪素質焼結体は、主成分の炭化珪素に対し、焼結助剤として硼素（Ｂ）と炭素（Ｃ）を添加したり、もしくはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）イットリア（Ｙ２Ｏ３）のような金属酸化物を添加したりして十分混合し、平板状に加工したのち、１９００〜２１００℃で焼成することにより得られる。炭化珪素はα型を主体とするものあるいはβ型を主体とするもののいずれであっても構わない。
In the silicon carbide sintered body forming the plate-like
また、板状セラミックス体２を形成する窒化アルミニウム質焼結体は、主成分の窒化アルミニウムに対し、焼結助剤としてＹ２Ｏ３やＹｂ２Ｏ３等の希土類元素酸化物と必要に応じてＣａＯ等のアルカリ土類金属酸化物を添加して十分混合し、平板状に加工した後、窒素ガス中１９００〜２１００℃で焼成することにより得られる。
Moreover, the aluminum nitride sintered body that forms the plate-like
そして、上記の炭化珪素や窒化アルミニウムを主成分とする板状セラミックス体２の熱伝導率は１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であると更にウェハ面内の温度差が小さくなり好ましい。
The plate
さらに、板状セラミックス体２のウェハ加熱面３と反対側の主面は、ガラスや樹脂からなる絶縁層４との密着性を高める観点から、平面度２０μｍ以下、面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ〜０．５μｍに研磨しておくことが好ましい。
Further, the main surface opposite to the
一方、炭化珪素質焼結体を板状セラミックス体２として使用する場合、半導電性を有する板状セラミックス体２と抵抗発熱体５との間の絶縁を保つ絶縁層としては、ガラス又は樹脂を用いることが可能であり、ガラスを用いる場合、その厚みが１００μｍ未満では耐電圧が１．５ｋＶを下回り絶縁性が保てず、逆に厚みが４００μｍを超えると、板状セラミックス体２を形成する炭化珪素質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体との熱膨張差が大きくなり過ぎるために、クラックが発生して絶縁層として機能しなくなる。その為、絶縁層としてガラスを用いる場合、絶縁層４の厚みは１００〜４００μｍの範囲で形成することが好ましく、望ましくは２００μｍ〜３５０μｍの範囲とすることが良い。
On the other hand, when the silicon carbide sintered body is used as the plate-like
また、板状セラミックス体２を、窒化アルミニウムを主成分とする焼結体で形成する場合は、板状セラミックス体２に対する抵抗発熱体５の密着性を向上させるために、ガラスからなる絶縁層を形成する。ただし、抵抗発熱体５の中に十分なガラスを添加し、これにより十分な密着強度が得られる場合は、省略することが可能である。
When the plate-like
この絶縁層を形成するガラスの特性としては、結晶質又は非晶質のいずれでも良く、耐熱温度が２００℃以上でかつ０℃〜２００℃の温度域における熱膨張係数が板状セラミックス体２を構成するセラミックスの熱膨張係数に対し−５〜＋５×１０−７／℃の範囲にあるものを適宜選択して用いることが好ましい。即ち、熱膨張係数が前記範囲を外れたガラスを用いると、板状セラミックス体２を形成するセラミックスとの熱膨張差が大きくなりすぎるため、ガラスの焼付け後の冷却時においてクラックや剥離等の欠陥が生じ易いからである。
The glass forming this insulating layer may be crystalline or amorphous, and has a heat-resistant temperature of 200 ° C. or higher and a thermal expansion coefficient in the temperature range of 0 ° C. to 200 ° C. It is preferable to select and use a material having a thermal expansion coefficient in the range of −5 to + 5 × 10 −7 / ° C. as appropriate. That is, if a glass whose thermal expansion coefficient is out of the above range is used, the difference in thermal expansion from the ceramic forming the plate-like
なお、ガラスからなる絶縁層を板状セラミックス体２上に被着する手段としては、前記ガラスペーストを板状セラミックス体２の中心部に適量落とし、スピンコーティング法にて伸ばして均一に塗布するか、あるいはスクリーン印刷法、ディッピング法、スプレーコーティング法等にて均一に塗布したあと、ガラスペーストを６００℃以上の温度で焼き付けすれば良い。また、絶縁層としてガラスを用いる場合、予め炭化珪素質焼結体又は窒化アルミニウム質焼結体からなる板状セラミックス体２を８５０〜１３００℃程度の温度に加熱し、絶縁層を被着する表面を酸化処理しておくことで、ガラスからなる絶縁層との密着性を高めることができる。
In addition, as a means for depositing an insulating layer made of glass on the plate-like
さらに、絶縁層上に被着する抵抗発熱体５材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）等の金属単体を、蒸着法やメッキ法にて直接被着するか、あるいは前記金属単体や酸化レニウム（Ｒｅ２Ｏ３）、ランタンマンガネート（ＬａＭｎＯ３）等の導電性の金属酸化物や上記金属材料を樹脂ペーストやガラスペーストに分散させたペーストを用意し、所定のパターン形状にスクリーン印刷法等にて印刷したあと焼付けして、前記導電材を樹脂やガラスから成るマトリックスで結合すれば良い。マトリックスとしてガラスを用いる場合、結晶化ガラス、非晶質ガラスのいずれでも良いが、熱サイクルによる抵抗値の変化を抑えるために結晶化ガラスを用いることが好ましい。
Further, as the
ただし、抵抗発熱体５材料に銀（Ａｇ）又は銅（Ｃｕ）を用いる場合、マイグレーションが発生する虞があるため、このような場合には、抵抗発熱体５を覆うように絶縁層と同一の材質からなるコート層を４０〜４００μｍ程度の厚みで被覆しておけば良い。
However, if the
本発明のセラミックスヒータ１は、抵抗発熱体５に対し、給電部６において給電端子１１をロウ付けや導電性接着剤で固定して導通を確保するようにしている。給電端子１１は、抵抗発熱体５の端子部に弾性体で押圧し導通を確保しても構わない。
The
また、これまで、抵抗発熱体５を板状セラミックス体２の表面に形成するタイプのセラミックスヒータ１について説明してきたが、抵抗発熱体５は、板状セラミックス体２に内蔵されていても構わない。
Although the
例えば主成分が窒化アルミニウムからなる板状セラミックス体２を用いる場合、まず、抵抗発熱体５の材料としては窒化アルミニウムと同時焼成できる材料という観点から、ＷもしくはＷＣを用いる。板状セラミックス体２は、窒化アルミニウムを主成分とし焼結助剤を適宜含有する原料を十分混合したのち円盤状に成形し、その表面にＷもしくはＷＣからなるペーストを抵抗発熱体５のパターン形状にプリントし、その上に別の窒化アルミニウム成形体を重ねて密着した後、窒素ガス中１９００〜２１００℃の温度で焼成することにより得ることが出来る。
For example, when the plate-like
また、抵抗発熱体５からの導通は、窒化アルミニウム質基材にスルーホールを形成し、ＷもしくはＷＣからなるペーストを埋め込んだ後焼成するようにして表面に電極を引き出すようにすれば良い。また、給電部６は、ウェハＷの加熱温度が高い場合、Ａｕ、Ａｇ等の貴金属を主成分とするペーストを前記スルーホールの上に塗布し９００〜１０００℃で焼き付けることにより、内部の抵抗発熱体５の酸化を防止することができる。
Conduction from the
まず、窒化アルミニウム粉末に対し、重量換算で１．0質量％の酸化イットリウムを添加し、さらにイソプロピルアルコールとウレタンボールを用いてボールミルにより４８時間混練することにより窒化アルミニウムのスラリーを製作した。 First, 1.0% by mass of yttrium oxide in terms of weight was added to the aluminum nitride powder, and further kneaded for 48 hours with a ball mill using isopropyl alcohol and urethane balls to produce an aluminum nitride slurry.
次に、窒化アルミニウムのスラリーを２００メッシュに通し、ウレタンボールやボールミル壁の屑を取り除いた後、防爆乾燥機にて１２０℃で２４時間乾燥した。 Next, the aluminum nitride slurry was passed through 200 mesh to remove urethane balls and ball mill wall debris, and then dried at 120 ° C. for 24 hours in an explosion-proof dryer.
次いで、得られた窒化アルミニウム粉末にアクリル系のバインダーと溶媒を混合して窒化アルミニムのスリップを作製し、ドクターブレード法にて窒化アルミニムのグリーンシートを複数枚製作した。 Next, the obtained aluminum nitride powder was mixed with an acrylic binder and a solvent to produce an aluminum nitride slip, and a plurality of aluminum nitride green sheets were produced by a doctor blade method.
そして、得られた窒化アルミニウムのグリーンシートを複数枚積層熱圧着にて積層体を形成した。 Then, a laminate was formed by laminating a plurality of obtained aluminum nitride green sheets.
しかる後、積層体を非酸化性ガス気流中にて５００℃の温度で５時間脱脂を施した後、非酸化性雰囲気にて１９００℃の温度で５時間の焼成を行い板状セラミックス体を製作した。 Thereafter, the laminate is degreased at a temperature of 500 ° C. for 5 hours in a non-oxidizing gas stream, and then fired at a temperature of 1900 ° C. for 5 hours in a non-oxidizing atmosphere to produce a plate-like ceramic body. did.
そして、窒化アルミニウム焼結体に研削加工を施し、板厚３ｍｍとしたものと、中央部の板厚が３ｍｍで周辺部のみ環状に厚み３．５ｍｍとした直径３１５ｍｍ〜３４５ｍｍの円板状をした板状セラミックス体を複数枚製作し、更に中心から６０ｍｍの同心円上に均等に３箇所貫通孔を形成した。貫通口径は、４ｍｍとした。 Then, the aluminum nitride sintered body was ground to have a plate thickness of 3 mm, and a disc shape having a diameter of 315 mm to 345 mm with a plate thickness of 3 mm at the central portion and an annular thickness of 3.5 mm only at the peripheral portion. A plurality of plate-like ceramic bodies were produced, and three through-holes were evenly formed on a concentric circle 60 mm from the center. The through-hole diameter was 4 mm.
次いで板状セラミックス体の上に抵抗発熱体を被着するため、導電材としてＡｕ粉末とＰｄ粉末と、バインダーを添加したガラスペーストとを混練して作製した導電体ペーストをスクリーン印刷法にて所定のパターン形状に印刷したあと、１５０℃に加熱して有機溶剤を乾燥させ、さらに５５０℃で３０分間脱脂処理を施したあと、７００〜９００℃の温度で焼き付けを行うことにより、厚みが５０μｍの抵抗発熱体を形成した。抵抗発熱体のパターン配置は、中心部から放射方向に円と円環状に分割し、中心部に円形の１つにパターンを形成し、その外側の円環状の部分に２つのパターンを形成し、更にその外側に４つのパターンの計７個のパターン構成とした。そして、最外周の４つのパターンの外接円Ｃの直径を３１０ｍｍとした。しかるのち抵抗発熱体に給電部をロウ付けし固着させ、給電部以外の抵抗発熱体をガラスでコートして耐食性を高めたヒータ部を製作した。 Next, in order to deposit a resistance heating element on the plate-shaped ceramic body, a conductive paste prepared by kneading Au powder, Pd powder, and glass paste with a binder added as a conductive material is predetermined by screen printing. After printing to the pattern shape, the organic solvent is dried by heating to 150 ° C., and after further degreasing treatment at 550 ° C. for 30 minutes, baking is performed at a temperature of 700 to 900 ° C., so that the thickness is 50 μm. A resistance heating element was formed. The pattern arrangement of the resistance heating element is divided into a circle and an annular shape in the radial direction from the central portion, a pattern is formed in one circular shape in the central portion, and two patterns are formed in the outer annular portion. Furthermore, a total of 7 patterns of 4 patterns were formed on the outside. The diameter of the circumscribed circle C of the four outermost patterns was 310 mm. After that, a power supply part was brazed and fixed to the resistance heating element, and a resistance heating element other than the power supply part was coated with glass to produce a heater part with improved corrosion resistance.
また、有底のケースはＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系の合金で作製し、その底面の厚みは２．０ｍｍの板と側壁部を構成する厚み１．０ｍｍの板からなり、底面に円形や長穴を形成した。そして、底面に、ガス噴射口、熱電対、導通端子を所定の位置に取り付けた。また、底面から板状セラミックス体までの距離は２０ｍｍとした。 The bottomed case is made of an Fe-Cr-Ni-based alloy, and the bottom has a thickness of 2.0 mm and a 1.0 mm thick plate that constitutes the side wall. Formed. And the gas injection port, the thermocouple, and the conduction | electrical_connection terminal were attached to the bottom face in the predetermined position. The distance from the bottom surface to the plate-like ceramic body was 20 mm.
その後、前記有底のケースに、板状セラミックス体を重ね、その外周部にボルトを貫通させ、板状セラミックス体と有底のケースが直接当たらないように、リング状の接触部材を介在させ、接触部材側より弾性体を介在させてナットを螺着することにより弾性的に固定してセラミックスヒータとした。 Thereafter, a plate-shaped ceramic body is overlaid on the bottomed case, a bolt is passed through the outer periphery thereof, and a ring-shaped contact member is interposed so that the plate-shaped ceramic body and the bottomed case do not directly hit, A ceramic heater was made elastically fixed by screwing a nut through an elastic body from the contact member side.
尚、接触部材の断面は円形状で、リング状とした。円形状の断面の大きさは、直径１ｍｍとした。また、接触部材の材質はＳＵＳ３０４、炭素鋼を用いた。作製した各種のセラミックスヒータを試料Ｎｏ.１〜８とした。 The contact member had a circular cross section and a ring shape. The size of the circular cross section was 1 mm in diameter. The material of the contact member was SUS304 or carbon steel. The produced various ceramic heaters were designated as sample Nos. 1-8.
作製したセラミックスヒータの評価は、測温抵抗体が２９箇所に埋設された直径３００ｍｍの測温用ウェハを用いて行った。夫々のセラミックスヒータに電源を取り付け２５℃から２００℃まで５分間でウェハＷを昇温し、ウェハＷの温度を２００℃に設定してからウェハＷの平均温度が２００℃±０．５℃の範囲で一定となるまで加熱しその後１０分間温度を保持した。そして、ヒータに供給する電力を止めて、ガス噴射口から空気を噴射させ、セラミックスヒータを冷却しセラミックスヒータの各ヒータ温度を測定する測温素子の平均温度が８０℃となるまでの時間を冷却時間とした。そして８０℃になった時点での上記測温素子の温度を測定し最高温度と最低温度の差を取りセラミックスヒータ内の温度差とした。 The produced ceramic heater was evaluated using a temperature measuring wafer having a diameter of 300 mm in which temperature measuring resistors were embedded in 29 locations. A power supply is attached to each ceramic heater, the temperature of the wafer W is raised from 25 ° C. to 200 ° C. in 5 minutes, the temperature of the wafer W is set to 200 ° C., and then the average temperature of the wafer W is 200 ° C. ± 0.5 ° C. The mixture was heated until it became constant within the range, and the temperature was maintained for 10 minutes. Then, the electric power supplied to the heater is stopped, air is injected from the gas injection port, the ceramic heater is cooled, and the time until the average temperature of the temperature measuring element for measuring each heater temperature of the ceramic heater reaches 80 ° C. is cooled. It was time. And the temperature of the said temperature measuring element in the time of becoming 80 degreeC was measured, the difference of the maximum temperature and the minimum temperature was taken, and it was set as the temperature difference in a ceramic heater.
それぞれの結果は表１に示す通りである。
表１の試料Ｎｏ．１は、障壁のない開口部のみを備えたセラミックスヒータであり、冷却時間が２５１秒と大きく、冷却時のセラミックスヒータの温度差も４０℃と大きかった。
Sample No. in Table 1
これに対し、試料Ｎｏ．２〜８は冷却時間が２３２秒以下と小さくしかも冷却直後のセラミックスヒータのヒータ部の温度差が２１℃以下と小さく好ましい特性が得られた。 In contrast, sample no. In Nos. 2 to 8, the cooling time was as small as 232 seconds or less, and the temperature difference of the heater portion of the ceramic heater immediately after cooling was as small as 21 ° C. or less, and favorable characteristics were obtained.
従って、開口部に障壁を設けることが好ましいことが判明した。 Accordingly, it has been found that it is preferable to provide a barrier at the opening.
また、開口部の面積Ｓａとそれに対応した障壁の面積Ｓｂとの比（Ｓｂ／Ｓａ）が３〜０．７であり略同等な試料Ｎｏ．３〜８は冷却時間が２１８秒以下で冷却直後のヒータ部の温度差も１８℃以下と小さく好ましいことが分かった。 Further, the ratio (Sb / Sa) of the area Sa of the opening and the area Sb of the barrier corresponding thereto is 3 to 0.7, which is substantially equivalent to the sample No. It was found that 3 to 8 were preferable because the cooling time was 218 seconds or less and the temperature difference of the heater part immediately after cooling was 18 ° C. or less.
更に、Ｓｂ／Ｓａの比が１．１〜０．９である試料Ｎｏ．５〜７は冷却時間が２０５秒以下と小さく、しかも冷却直後のヒータ部の温度差も１６℃以下と小さく優れた特性を示すことが分かった。 Furthermore, sample No. with Sb / Sa ratio of 1.1-0.9. It was found that the cooling time of 5 to 7 was as short as 205 seconds or less, and the temperature difference of the heater part immediately after cooling was as small as 16 ° C. or less, indicating excellent characteristics.
実施例１と同様にヒータ部を作製し、ケースの外形も実施例１と同様の大きさとした。そして、障壁を設けた開口部と障壁のない開口部を混在させてケースの底面に形成したケースをヒータ部に取り付けたセラミックスヒータを作製し実施例１と同様に評価した。 A heater part was produced in the same manner as in Example 1, and the outer shape of the case was the same size as in Example 1. And the ceramic heater which attached the case formed in the bottom face of the case by mixing the opening part which provided the barrier, and the opening part without a barrier to the heater part was produced, and it evaluated similarly to Example 1. FIG.
尚、それぞれの開口部の数とそれぞれの開口部の比率は表２に示す値とした。 In addition, the number of each opening part and the ratio of each opening part were made into the value shown in Table 2.
その評価結果を次に示す。
障壁４を備えた開口部の数が障壁のない開口部の数より多い試料Ｎｏ．２１は冷却時間が２１８秒で冷却時のヒータ部の温度差も１８℃とやや大きかったが、試料Ｎｏ．２２〜３０のように障壁のある開口部の数が障壁の無い開口部の数が同じか少ないセラミックスヒータは冷却時間が２０５秒以下で冷却時のヒータ部の温度差も１７℃以下と小さく好ましいことが分かった。
The number of openings with the
また、全ての障壁を備えた開口部の面積を合計した総面積Ｓａと全ての障壁の無い開口部の総面積Ｓｂの大きさを比Ｓｂ／Ｓａで示した。そして、障壁を備えた開口部の総面積Ｓａが障壁のない開口部の総面積Ｓｂより小さい試料Ｎｏ．２５〜３０は冷却時間が１９５秒以下と小さく、しかも冷却時のヒータ部の温度差も１２℃以下と小さく更に好ましいことが分かった。 Further, the ratio of the total area Sa, which is the sum of the areas of the openings provided with all the barriers, to the total area Sb of the openings without all the barriers is indicated by a ratio Sb / Sa. Then, the sample No. No. 2 in which the total area Sa of the opening provided with the barrier is smaller than the total area Sb of the opening without the barrier. It was found that the cooling time of 25 to 30 was as small as 195 seconds or less, and the temperature difference of the heater during cooling was as small as 12 ° C. or less.
また、障壁を備えた開口部の数Ｎａは障壁の無い開口部の数Ｎｂより少なくＮｂ／Ｎａの比が１．４以上の試料Ｎｏ．２６、２８〜３０が冷却時間が１９１秒以下と小さく、ヒータ内の温度差も１１℃以下と小さく、より好ましいことが分る。 Further, the number Na of the openings provided with the barriers was smaller than the number Nb of the openings without the barriers, and the Nb / Na ratio was 1.4 or more. 26, 28 to 30 have a cooling time as small as 191 seconds or less, and the temperature difference in the heater is as small as 11 ° C. or less, which is more preferable.
実施例１と同様にヒータ部を作製した。 A heater part was produced in the same manner as in Example 1.
そして、有底のケースはＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系の合金で作製し、その底面の厚みは２．０ｍｍの板と側壁部を構成する厚み１．０ｍｍの板からなり、ケースの内面や外面の夫々をバフ研磨したり、電界研磨したりして赤外線の反射率を調整したケースを作製した。また、金属板を１００〜４００℃の酸化雰囲気で加熱処理して、表面に酸化膜を形成し赤外線の吸収率を変えた後、裏面をサンドブラスト加工や研摩加工したり、メッキ処理したりして表裏面の赤外線の吸収率を調整した。そして、底面に、ガス噴射口、熱電対、導通端子を所定の位置に取り付けた。また、底面から板状セラミックス体までの距離は２０ｍｍとした。
The bottomed case is made of an Fe-Cr-Ni-based alloy, and the thickness of the bottom surface is a 2.0 mm plate and a 1.0 mm thick plate that constitutes the side wall portion. or buffed respectively, to prepare a case which was adjusted reflectance of infrared rays or by electrolytic polishing. Also, a metal plate subjected to heat treatment in an oxidizing atmosphere of 100 to 400 ° C., after changing the absorption of the infrared to form an oxide film on the surface, or sandblasting or grinding machining backside, or by plating The infrared absorption rate of the front and back surfaces was adjusted. And the gas injection port, the thermocouple, and the conduction | electrical_connection terminal were attached to the bottom face in the predetermined position. The distance from the bottom surface to the plate-like ceramic body was 20 mm.
その後、前記有底のケースの開口部に、板状セラミックス体を重ね、その外周部にボルトを貫通させ、板状セラミックス体と有底のケースが直接当たらないように、リング状の接触部材を介在させ、接触部材側より弾性体を介在させてナットを螺着することにより弾性的に固定してセラミックスヒータとした。 Thereafter, a plate-like ceramic body is overlaid on the opening of the bottomed case, and a bolt is passed through the outer peripheral portion thereof, so that the plate-like ceramic body and the bottomed case do not directly contact each other. The ceramic heater was elastically fixed by interposing and screwing a nut through an elastic body from the contact member side.
また、接触部材の断面は円形状で、リング状とした。円形状の断面の大きさは、直径１ｍｍとした。また、接触部材の材質はＳＵＳ３０４、炭素鋼を用いた。作製した各種のセラミックスヒータを試料Ｎｏ.３１〜４０とした。 Moreover, the cross section of the contact member was circular and ring-shaped. The size of the circular cross section was 1 mm in diameter. The material of the contact member was SUS304 or carbon steel. The produced various ceramic heaters were designated as sample Nos. 31-40.
作製したセラミックスヒータの評価は、測温抵抗体が２９箇所に埋設された直径３００ｍｍの測温用ウェハを用いて行った。夫々のセラミックスヒータに電源を取り付け２５℃から２００℃まで５分間でウェハＷを昇温し、ウェハＷの温度を２００℃に設定してからウェハＷの平均温度が２００℃±０．５℃の範囲で一定となるまで加熱しその後１０分間温度を保持した。 The produced ceramic heater was evaluated using a temperature measuring wafer having a diameter of 300 mm in which temperature measuring resistors were embedded in 29 locations. A power supply is attached to each ceramic heater, the temperature of the wafer W is raised from 25 ° C. to 200 ° C. in 5 minutes, the temperature of the wafer W is set to 200 ° C., and then the average temperature of the wafer W is 200 ° C. ± 0.5 ° C. The mixture was heated until it became constant within the range, and the temperature was maintained for 10 minutes.
そして、ヒータに供給する電力を止めて、ガス噴射口から空気を噴射させ、セラミックスヒータを冷却しセラミックスヒータの各ヒータ温度を測定して測温素子の平均温度が８０℃となるまでの時間を冷却時間とした。そして８０℃になった時点での上記測温素子の温度を測定し最高温度と最低温度の差を取りセラミックスヒータ内の温度差とした。 Then, the electric power supplied to the heater is stopped, air is injected from the gas injection port, the ceramic heater is cooled, the temperature of each heater of the ceramic heater is measured, and the time until the average temperature of the temperature measuring element reaches 80 ° C. It was set as the cooling time. And the temperature of the said temperature measuring element in the time of becoming 80 degreeC was measured, the difference of the maximum temperature and the minimum temperature was taken, and it was set as the temperature difference in a ceramic heater.
また、ウェハＷを２００℃に保持した状態でセラミックスヒータを加熱したまま、ウェハＷをリフトピンで持ち上げ室温の２５℃に冷却した後、ウェハＷをウェハ加熱面に載せ、ウェハＷ面内の平均温度が２００℃となるまでのウェハＷ各部の温度を測定し、時間軸に対するウェハＷ面内の最大温度と最小温度の差を求め、過渡時のウェハの温度差とした。 Further, while the ceramic heater is heated with the wafer W held at 200 ° C., the wafer W is lifted with a lift pin and cooled to 25 ° C., and then the wafer W is placed on the wafer heating surface. The temperature of each part of the wafer W until the temperature reaches 200 ° C. was measured, and the difference between the maximum temperature and the minimum temperature in the wafer W surface with respect to the time axis was determined to obtain the temperature difference of the wafer during the transition.
また、ウェハＷを載せ、平均温度が２００℃となるまでの時間を応答時間として測定した。また、セラミックヒータを３０℃から２００℃に５分で昇温し５分間保持した後、３０分間冷却する温度サイクルを１０００サイクル繰り返した後、室温から２００℃に設定し１０分後のウェハ温度の最大値と最小値の差をウェハＷの定常時の温度差として測定した。 Further, the wafer W was placed, and the time until the average temperature reached 200 ° C. was measured as the response time. Also, after heating the ceramic heater from 30 ° C. to 200 ° C. in 5 minutes and holding it for 5 minutes, the temperature cycle of cooling for 30 minutes was repeated 1000 cycles, then the temperature was set from room temperature to 200 ° C. and the wafer temperature after 10 minutes. The difference between the maximum value and the minimum value was measured as a temperature difference in the steady state of the wafer W.
それぞれの結果は表３に示す通りである。
表３の試料Ｎｏ．３１は、ケース内面の赤外線の吸収率が３０％を超えて５１％と大きすぎることから冷却時間も１９９秒とやや大きく、またウェハの定常時の温度差は２．２３℃と大きく、特に応答時間が７８秒と大きかった。
Sample No. in Table 3 31 is slightly larger cooling time is also 199 seconds since the infrared absorptivity of the case
また、試料Ｎｏ.４０はケース内面の赤外線の吸収率が３５％と大きくウェハの定常時の温度差は０．９３℃と大きく、応答時間も６１秒と大きくやや特性が劣ることが分かった。 Sample No. 40 has an infrared absorption rate of 35% on the inner surface of the case, a large temperature difference of 0.93 ° C. in the steady state of the wafer, and a response time of 61 seconds.
これらに対し、試料Ｎｏ.３２〜３９は冷却時間が９秒以下と小さく、ウェハの面内の温度差が０．６５℃以下と小さく、しかも応答時間も５８秒以下と小さく優れていることから、ケースの内面の赤外線の吸収率が３０％以下のセラミックスヒータは優れた特性を示すことが分った。 On the other hand, sample Nos. 32-39 are excellent because the cooling time is as small as 9 seconds or less, the temperature difference within the wafer surface is as small as 0.65 ° C. or less, and the response time is as small as 58 seconds or less. It was found that a ceramic heater having an infrared absorption rate of 30% or less on the inner surface of the case exhibits excellent characteristics.
また、ケースの組成は、質量％で、Ｃｒが１７〜２６％、Ｎｉが８〜２２％、Ｃが０．２％以下、Ｎが０．１％以下である試料Ｎｏ．３２〜３９は定常時のウェハの温度差が０．６５℃以下と小さく、過渡時のウェハ温度差も６．１３℃以下と小さく好ましいことが分かった。 In addition, the composition of the case is the mass%, the sample No. 1 in which Cr is 17 to 26%, Ni is 8 to 22%, C is 0.2% or less, and N is 0.1% or less. Nos. 32 to 39 were found to be preferable because the temperature difference between the wafers during steady state was as small as 0.65 ° C. or less, and the wafer temperature difference during transition was also as small as 6.13 ° C.
実施例１の試料Ｎｏ．３と同様のケースの内側にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕメッキを施し実施例３と同様に評価した。その結果を表４に示す。
試料Ｎｏ．４１はケースの内面の赤外線の吸収率が２０％でケースの外面の赤外線の吸収率が２０％と同等であることから定常時のウェハの温度差が０．４９℃とやや大きく、過渡時のウェハの温度差も４．２３℃とやや大きかった。 Sample No. No. 41 has an infrared absorptivity of 20% on the inner surface of the case and an infrared absorptivity of the outer surface of the case equal to 20%. The temperature difference between the wafers was also as large as 4.23 ° C.
それに対し、試料Ｎｏ．４２〜４４はケースの内面の赤外線の吸収率が外面の赤外線の吸収率より小さいことから、定常時のウェハの温度差が０．３５℃以下と小さくより優れた特性を示すことが分かった。 In contrast, sample no. Nos. 42 to 44 show that the infrared absorption rate of the inner surface of the case is smaller than the absorption rate of the infrared ray of the outer surface.
また、ケースの内面にＡｇ、ＣｕやＡｕをメッキ処理した試料Ｎｏ．４２〜４４は冷却時間が１６５秒以下でケース内面の吸収率が小さく定常時のウェハの温度差が０．３５℃以下と小さく、過渡時のウェハの温度差も３．７６℃以下と小さく優れた特性を示すことが分かった。 In addition, the sample No. 1 was plated with Ag, Cu or Au on the inner surface of the case. Nos. 42 to 44 have a cooling time of 165 seconds or less, a low absorption rate on the inner surface of the case, a small wafer temperature difference of 0.35 ° C. during steady state, and a small temperature difference of 3.76 ° C. or less during transition. It was found to show the characteristics.
実施例１と同様にヒータ部を製作した。 A heater part was manufactured in the same manner as in Example 1.
また、有底の金属ケースはＡｌ合金、鋼、ステンレスからなり、ケースの底面の厚みと側壁部を構成する厚みを変えた金属ケースを作製した。そして金属ケースの底面に、ガス噴射用のノズル、熱電対、導通端子を所定の位置に取り付けた。また、底面から板状セラミックス体までの距離は２５ｍｍとした。 Further, the bottomed metal case was made of Al alloy, steel, and stainless steel, and a metal case was produced by changing the thickness of the bottom surface of the case and the thickness constituting the side wall portion. And the nozzle for gas injection, the thermocouple, and the conduction | electrical_connection terminal were attached to the bottom face of the metal case in the predetermined position. The distance from the bottom surface to the plate-like ceramic body was 25 mm.
その後、前記有底の金属ケースの開口部に、板状セラミックス体を重ね、その外周部にボルトを貫通させ、板状セラミックス体と有底の金属ケースが直接当たらないように、リング状の接触部材を介在させ、接触部材側より弾性体を介在させてナットを螺着することにより弾性的に固定することによりセラミックスヒータとした。 After that, the plate-shaped ceramic body is overlaid on the opening of the bottomed metal case, and a bolt is passed through the outer periphery thereof, so that the plate-shaped ceramic body and the bottomed metal case do not directly contact each other. A ceramic heater was obtained by elastically fixing a member by interposing a member and screwing a nut through an elastic body from the contact member side.
また、接触部材１７の断面は円形状で、リング状とした。円形状の断面の大きさは、直径１ｍｍとした。また、接触部材の材質はＳＵＳ３０４、炭素鋼を用いた。作製した各種のセラミックスヒータを試料Ｎｏ.５１〜５６とした。
The
作製したセラミックスヒータは、実施例３と同様に評価した。 The produced ceramic heater was evaluated in the same manner as in Example 3.
それぞれの結果は表５に示す通りである。
本願発明のセラミックスヒータ１の金属ケースの熱容量が、板状セラミックス体の熱容量の０．５〜３倍である試料Ｎｏ．５２、５３、５５、５６は定常時のウェハの温度差が０．３３℃以下と小さく、冷却時間は１７０秒以下と小さく、過渡時のウェハの温度差も３．８８℃以下と小さく、且つ応答時間は２８秒以下と優れた特性を示すことが分った。
Sample No. in which the heat capacity of the metal case of the
これに対し、金属ケースの熱容量が板状セラミックス体の熱容量の０．１８倍である試料Ｎｏ．５１は応答時間は４３秒と大きく、定常時のウェハの温度差は０．４６℃とやや大きく、過渡時のウェハの温度差が４．５３℃とやや大きかった。 On the other hand, Sample No. whose heat capacity of the metal case is 0.18 times that of the plate-like ceramic body. No. 51 had a response time as long as 43 seconds, a wafer temperature difference of 0.46 ° C. in a steady state, and a wafer temperature difference of 4.53 ° C. in a transient state.
また、金属ケースの熱容量が板状セラミックス体の熱容量の３．４倍である試料Ｎｏ．５４は応答時間は４２秒と大きく、定常時のウェハの温度差は０．４９℃とやや大きく、過渡時のウェハの温度差は４．６７℃とやや大きかった。 Further, Sample No. in which the heat capacity of the metal case is 3.4 times the heat capacity of the plate-like ceramic body. No. 54 had a response time as large as 42 seconds, a wafer temperature difference of 0.49 ° C. in a steady state, and a wafer temperature difference of 4.67 ° C. in a transient state.
従って、セラミックスヒータ１の金属ケースの熱容量が、板状セラミックス体の熱容量の０．５〜３倍であるとより優れた特性を示すことが分った。
Accordingly, it has been found that the heat capacity of the metal case of the
実施例３と同様に板状セラミックス体を作製し、金属製のケースを作製し、金属製のケースの厚みを変えてケースの表面積Ｓとケースの体積Ｖとの比率Ｓ／Ｖを変えてセラミックスヒータを作製した。 A plate-like ceramic body is produced in the same manner as in Example 3, a metal case is produced, the thickness of the metal case is changed, and the ratio S / V between the surface area S of the case and the volume V of the case is changed. A heater was produced.
そして、実施例３と同様に評価した。 And it evaluated similarly to Example 3. FIG.
その結果を表６に示す。
ケースの表面積Ｓとケースの体積Ｖとの比率Ｓ／Ｖが５〜５０（１／ｃｍ）である試料Ｎｏ．６１〜６３、６５〜６７は定常時のウェハの温度差が０．３３℃以下であり、冷却時間は１６０秒以下で過渡時のウェハの温度差も３．５１℃以下と小さく更に応答時間は２９秒以下と小さく好ましかった。 Sample No. with a ratio S / V of the surface area S of the case to the volume V of the case of 5 to 50 (1 / cm). 61 to 63 and 65 to 67 have a wafer temperature difference of 0.33 ° C. or less in a steady state, a cooling time of 160 seconds or less, and a wafer temperature difference of a transient time of 3.51 ° C. or less. We liked it as small as 29 seconds or less.
従って、ケースの表面積Ｓとケースの体積Ｖとの比率Ｓ／Ｖが５〜５０（１／ｃｍ）であることが好ましいことが分った。 Accordingly, it has been found that the ratio S / V between the case surface area S and the case volume V is preferably 5 to 50 (1 / cm).
１、７１：セラミックスヒータ
２、７２：板状セラミックス体
３、７３：載置面
４：障壁
５、７５：抵抗発熱体
６：給電部
８：支持ピン
１０：ガイド部材
１１、７７：給電端子
１６：ボルト
１７：接触部材
１８：弾性体
２０：ナット
２１：底面
２３：開口部
２４：ガス噴射口
２５：ウェハリフトピン
２６：貫通孔
２７：熱電対
２８：ガイド部材
２９、７９：ケース
Ｗ：半導体ウェハ
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