JP3913640B2

JP3913640B2 - Planar ceramic heater and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP3913640B2
Application number: JP2002244307A
Authority: JP
Inventors: 伸一朗青沼; 光広藤田; 秀夫中西; 晃宮崎
Original assignee: 東芝セラミックス株式会社
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: JP2004087205A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面状セラミックスヒーター及びその製造方法に係り、さらに詳しくは一様な面温度分布性を維持・発揮する面状セラミックスヒーター及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば半導体の製造に当たっては、半導体ウェハーに対する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、面状セラミックスヒーター（発熱体）面上に被加工体（たとえばＳｉウェハー）を配置し、被加工体に加熱を施しながら成膜処理が行われる。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は、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、図３に構造の要部を断面的に示すように、たとえば緻密でガスタイトなセラミックス焼成体（セラミックス基材）１の内部に、タングステン線やモリブデン線など、断面が円形の抵抗発熱線（もしくはコイル）２を、たとえば螺旋状やジグザグ状に埋設・内蔵したものである。そして、抵抗発熱体２に対する電力供給端子３は、セラミックス基材１外に導出された構造を採っている。なお、電力供給端子３は、たとえばタングステン、モリブデン、ニッケルなどを素材とし、また、セラミックス基材１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、炭化ケイ素系、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などの点で注目されている。
【０００４】
ところで、この種の面状セラミックスヒーターは、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、たとえば窒化アルミニウム系ベース用基材（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体を配置し、その抵抗発熱体面に窒化アルミニウム系のシートを積層する一方、電力供給端子をシートに貫挿・組み込んだ後、所定の条件での脱脂、所要温度での熱処理などを施して焼結・一体化させて製作する方法である。第２の手段は、たとえば窒化アルミニウム粉末を溝加工した金型で一軸プレスによって成形し、この成形体の溝にコイル状の抵抗発熱体を配置する。次いで、抵抗発熱体を配置した面に窒化アルミニウム粉末を充填し、再度、一軸プレスによって成形して抵抗発熱体を内蔵させる。その後、抵抗発熱体を内蔵させた成形体をホットプレス処理で焼結・一体化させて製作する方法である。
【０００５】
なお、上記製作手段において、抵抗発熱体の形成は、抵抗発熱体用ペーストのスクリーン印刷・焼き付け、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】
【発明が解決しようとする課題】
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、加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及び良好な歩留まりの確保が前提となる。つまり、面状セラミックスヒーターにおいては、安定した放熱・発熱容量の維持、及び面内温度分布の一様性などが要求される。
【０００７】
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、抵抗発熱体２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になる。すなわち、抵抗発熱体を精度よくパターニングし、全体的に、可能な限りバラツキのない発熱温度を確保するように設定すれば、面内温度分布が一様なヒーターとなるので、前記要望に対応できる。
【０００８】
しかしながら、上記抵抗発熱体２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・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は、細かい折り曲げや捲装・コイル化など可能であるが、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、面状ヒーター化した場合、面内温度分布特性が劣るという問題がある。
【０００９】
一方、スクリーン印刷による抵抗発熱体の形成は、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、かつ寸法精度にも問題がある。また、タングステン板などのレーザー加工、パンチ型打ち抜きでパターン加工した場合、微細な加工が難しいこと、加工時の熱で脆くなることなど、結果的に、安定した温度維持が困難となって、耐久性が損なわれる。
【００１０】
また、こうした問題は、半導体ウェハーの大口径化などを進めて生産性を上げる上で、由々しい問題の提起となる。すなわち、被加工体の大口径化に対応し、面状セラミックスヒーターの大口径化が必要であり、この際、面状セラミックスヒーターに要求される放熱・加熱温度の安定性などが損なわれることは、生産性の向上などに対応できないことになる。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、常時、安定した発熱・放熱が得られる耐久性の優れた面状セラミックスヒーター、及び面状セラミックスヒーターを歩留まりよく製造できる方法の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は、一主面が放熱面を成すセラミックス基材と、前記セラミックス基材中に平面的に配置・埋め込まれた抵抗発熱体と、前記抵抗発熱体に一端が接続し他端がセラミックス基材の他主面側に導出された電力供給端子とを有する面状セラミックスヒーターであって、
前記抵抗発熱体及び電力供給端子が中央部領域及び外周部領域の分割形に形成され、かつ外周部領域の抵抗発熱体は放熱面側に向かって径大化させて多段的に形設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。
【００１３】
上記第１の本発明は、請求項１記載の面状セラミックスヒーターにおいて、抵抗発熱体がタングステン、モリブデン及び白金の少なくとも一種を主成分とした金属製であることが好ましい。
【００１４】
第２の本発明は、放熱側を成す第１のセラミックス焼成体面に第１の抵抗発熱体を配置し、この第１の抵抗発熱体の配置面に第１の抵抗発熱体の端子部に対応させて穿設された電力供給端子挿通孔を位置合わせして第２のセラミックス焼成体を配置する工程と、前記端子挿通孔内に電力供給端子を挿着・充填し、第１のセラミックス焼成体及び第２のセラミックス焼成体を加熱加圧で焼成・一体化して中央部領域に対応する面状セラミックスヒーター本体を作成する工程と、
前記面状セラミックスヒーター本体の外周面に嵌合し、かつ放熱側に向かって径大化させて第２の抵抗発熱体を多段的に配置させた外周部領域に対応するリング状セラミックヒーターの焼成体を作成する工程と、
前記面状セラミックスヒーター本体及びリング状セラミック焼成体の被嵌合面に接合剤を介挿して位置決め嵌合し、加熱処理して接合・一体化する工程と、を有することを特徴とする面状セラミックスヒーターの製造方法である。
【００１５】
上記第２の本発明の面状セラミックスヒーターの製造方法において、面状セラミックスヒーター本体及びリング状セラミック焼成体の被嵌合面がテーパー付きに形成され、かつ被嵌合面に第２の抵抗発熱体が多段的に内蔵・配置することが好ましい。
【００１６】
すなわち、第１の本発明は、平板状のセラミックス焼結体に内蔵・埋め込まれた抵抗発熱体を中央領域及び外周縁領域の２分割形とし、かつ外周縁領域の抵抗発熱線を多段的に配置して、外周縁領域の放熱に伴う温度低下の補充によって放熱面における温度の一様化を図ることを骨子としている。つまり、所要の加熱温度を確保し易い中央部領域に対し、放熱などに伴って加熱温度が低下し易い外周縁領域における抵抗発熱体の内蔵・分布を密にし、放熱分を補充して、面状セラミックスヒーター全面の放熱温度（加熱温度）の均一化を確保できるように設定している。そして、抵抗発熱体の分割形配置によって、相対的にセラミックスヒーターの発熱領域を広げる一方、面内温度分布も一様化し易いように機能する。
【００１７】
また、第２の本発明は、中央領域部を成す面状セラミックヒーター本体、及び外周縁領域部を成す抵抗発熱体を多段的に備えたリング状セラミックスヒーターを予め作成し、これら両分割部材を嵌合・組み合わせ、接合・一体化させることを骨子としている。そして、一様な面内温度分布を奏し、信頼性の高い半導体の量産に適する面状セラミックスヒーターを歩留まりよく提供できる。
【００１８】
上記各本発明において、セラミックス基材中に埋設・配置する抵抗発熱体は、たとえばタングステン線、モリブデン線、ニクロム線などの抵抗発熱線（もしくはコイル）を螺旋状やジグザグ状に形成したものである。そして、抵抗発熱体としては、中央領域部と外周縁領域に分割化した形で内蔵される。つまり、抵抗発熱が有効に利用される（熱容量大）中央領域と、抵抗発熱が放散され易い（熱容量小）の外周縁領域とに分け、各別に独立した抵抗発熱体を配置・内蔵させ、各領域の熱容量差に伴う放熱に対応して、抵抗発熱を補充する構成が採られる。なお、抵抗発熱体は、箔状パターン、メッシュ状などのスクリーン印刷による形成、溶射やスパッタなどによる形成などでもよい。
【００１９】
ここで、中央領域及び外周縁領域の両抵抗発熱体の材質、断面形状、配置ピッチなどは、面状セラミックスヒーターの大きさ、材質などによって適宜選択・設定される。なお、外周縁領域の第２の抵抗発熱体は、より効果的に放熱を補充し、面内温度の均一化を図るため、少なくとも２段（２層）とし、かつ上段側ほど径大のリング状に設定する必要がある。そして、外周縁領域の第２の抵抗発熱体の内蔵・配置は、リング状セラミックス基材中に埋め込んだ形態を採ってもよいが、面状セラミックスヒーター本体に対する嵌合面に溝を設け、この溝に装着する構成を採ることが作業性などの点で好ましい。ただし、いずれの場合も、多段的に配置・内蔵させた第２の抵抗発熱体については、共通の電力供給端子を導出する必要がある。この抵抗発熱体の分割化、分割化した抵抗発熱体の配置・内蔵状態差によって、抵抗発熱及び熱容量が整合化し、結果的に、発熱領域を全体的に拡大した場合でも、面内温度分布の一様性化が図られる。
【００２０】
さらに、電力供給端子は、たとえばタングステン、モリブデン、ニッケル、インコネル、コバール、スーパーインバーなどを素材とし焼結体、もしくは気孔率５〜８０％程度、より好ましくは６０〜７５％程度を素材として形成される。
【００２１】
第２の本発明において、セラミックス基材としては、熱処理した（脱脂処理済み）セラミックス焼成体が選ばれる。好ましくは、優れた熱伝導性や耐食性などを利用し、より高性能化を図るため窒化アルミニウム系が選択される。ここで、窒化アルミニウム系焼成体は、前記熱伝導性や耐食性などの特長を生かすため、より緻密性などが要求されるので、予め、熱処理してある。
【００２２】
また第２の本発明において、第１の抵抗発熱体を埋め込み・内蔵する第１及び第２のセラミックス焼成体は、一般的に、次のような手段で得られる。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、この造粒粉を所要の形状・寸法の成形体に成形し、４００〜７００℃程度の温度で加熱し、有機成分を熱脱脂処理し、その後１９００℃窒素中で焼結させることで作製する。なお、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。
【００２３】
さらに第２の本発明において、第１のセラミックス焼成体面に第１の抵抗発熱体を配置し、第２のセラミックス焼成体を積層して加圧一体化して第１の抵抗発熱体を埋め込み・内蔵するとき、相互の被接合面に接合剤を介挿することが好ましい。一方、セラミックスヒーター本体とリング状セラミックスヒーターとの嵌合一体化に当たっては、嵌合面間に接合剤を介挿するが、いずれの場合も接合剤は、接合するセラミックスと同一の材質系が好ましい。たとえば窒化アルミニウム系焼成体同士の接合の場合、平均粒径０．０１〜５μｍの窒化アルミニウム粉末に、焼結助剤及びバインダーを添加混合して得られるスラリー状のペーストが挙げられる。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、セラミックスヒーター本体とリング状セラミックスヒーターとの被嵌合面は、特に、限定されないが一定方向にテーパー付きであると、嵌合組み合わせ操作が容易である。
【００２４】
【発明の実施態様】
以下、図１（ａ），（ｂ）、及び図２（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照して実施例を説明する。
【００２５】
図１（ａ），（ｂ）は、互いに異なる第１の実施例に係る面状セラミックスヒーターの概略構成を示す断面図である。図１（ａ），（ｂ）において、４は一主面が放熱面を成す厚さ５ｍｍもしくは１２．５ｍｍ程度、長径３１０ｍｍ程度の円板状のセラミックスヒーター本体である。ここで、セラミックスヒーター本体４は、中央領域を形成するセラミックス基材５と、前記セラミックス基材５中に平面的に配置・埋め込まれた第１の抵抗発熱体６と、前記第１の抵抗発熱体６に一端が接続し他端がセラミックス基材５の他主面側に導出された電力供給端子７とで構成されている。ここで、セラミックス基材５は、たとえば窒化アルミニウム系焼成体５ａ，５ｂの接合体で、その外周面が上方径大にテーパー付き加工されている。また、第１の抵抗発熱体６は、直径が０．８ｍｍのタングステン線を素材とした平面的に捲装加工したコイル、電力供給端子７は、径３ｍｍのタングステンである。
【００２６】
さらに、８は前記セラミックスヒーター本体４の外周面に嵌合・一体化し、面状セラミックスヒーターの外周縁領域を形成するリング状のセラミックスヒーターである。ここで、リング状のセラミックスヒーター８は、その内周面がセラミックス基材５の外周テーパー付き面に対応したテーパー付きに加工されている。一方、そのテーパー付き面に沿って径大化されたタングステン線を多段的に捲装加工した第２の抵抗発熱体９としてのコイルを内蔵・配置されるとともに、径０．８ｍｍのタングステンを素材とした電力供給端子１０を導出した構成を採っている。
【００２７】
なお、リング状のセラミックスヒーター８は、たとえば窒化アルミニウム系の高さ５ｍｍもしくは１２．５ｍｍ程度の長内径３１０ｍｍの筒状焼成体８ａ，及び長内径３２５ｍｍの筒状焼成体８ｂの嵌合・接合体で、その内周面が上方径大にテーパー付き加工されている。また、筒状の焼成体８ａ，８ｂの嵌合・接合界面部に溝を形成し、この溝に第２の抵抗発熱体９を成すコイルを装着・配置する一方、電力供給端子１０を導出させ、接合剤を介して接合・一体化した構成と成っている。
【００２８】
上記面状セラミックスヒーターのうち、厚さ１２．５ｍｍに設定した面状セラミックスヒーター（図１（ｂ）参照）を、たとえば半導体製造用ＣＶＤ装置の処理室内に位置決め装着し、処理室内を１Ｐａの減圧アルゴン系雰囲気とし、面状セラミックスヒーターに電力を供給して、面内温度を７５０℃に保持するように設定した。この面状セラミックスヒーターの発熱・放熱動作につき、上方に設置した赤外線熱画像装置によって、面状セラミックスヒーター上面の面内温度分布を測定評価したところ、面内温度を７５０℃△２℃で、面内温度が均一であることが確認された。
【００２９】
次に、上記構成の面状セラミックスヒーターの製造方法例を説明する。先ず、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、ドライスプレー法で造粒した。この造粒子を素材として、たとえば厚さ１０ｍｍ、径４００ｍｍの円板（第１の成形体）と、中央部に径４ｍｍの電力供給端子挿通孔を２個有する厚さ１０ｍｍ、径４００ｍｍの円板（第２の成形体）とをそれぞれ成形した。次いで、これら両成形体を空気雰囲気中、４００〜７００℃程度の温度下におき、有機成分を熱脱脂処理し。その後、１９００℃、窒素中で焼成した。次いで焼成体に研削加工を施し、所定の形状品にした。
【００３０】
また、断面円形のタングステン線を螺旋状に捲回した第１の抵抗発熱体、及び電力供給端子挿通孔の内径より小さい外径のタングステンを用意する。次いで、ホットプレス装置の基台側の加圧体面に、前記第１の抵抗発熱体を主面に位置決め配置した第１の焼成体をセットする。その後、前記電力供給端子挿通孔内にタングステンを充填・装着した第２の焼成体を、前記第１の焼成体の抵抗発熱体配置面に位置決めセットする。なお、第２の焼成体は、前記抵抗発熱体の配置面に対向する面に、接合剤がスクリーン印刷され、１１０℃乾燥後、６００℃で１時間脱脂処理したものである。
【００３１】
次いで、ホットプレス装置の加熱加圧条件を加熱温度１７５０℃程度、加圧力０．１ｔｏｎ／ｃｍ^２、加熱加圧時間１時間に設定して、第１の抵抗発熱体を介挿させた第１の焼成体及び第２の焼成体を接合剤を介して焼成する一方、接合一体化することにより、セラミックスヒーター本体を作成する。また、この焼成・接合一体化に先だって、もしくは焼成・接合一体化の後、要すれば外周面のテーパー付き加工を行う。なお、上記焼成・接合一体化の過程で、第２の焼成体に設けられた電力供給端子挿通孔内に充填・装着したタングステンは、第１の抵抗発熱体の接続端子部に圧着的に接合しながら一体化する。
【００３２】
一方、上記セラミックスヒーター本体の製作手段に準じて、嵌合タイプのリング状のセラミックスヒーターを作成する。すなわち、平均粒径０．０１〜５μｍ程度の窒化アルミニウム粉末系の上記造粒子を素材として、たとえば高さ１８ｍｍ、長内径３８０ｍｍ、短内径３６０ｍｍのテーパー付き円筒体（第１の円筒体）と、前記第１の円筒体の外径に対応する高さ１８ｍｍ、長内径４００ｍｍ、短の内径３８０ｍｍのテーパー付き円筒体（第２の円筒体）とをそれぞれプレス成形する。次いで、これら両円筒体を空気雰囲気中、４００〜７００℃程度の温度下におき、有機成分を熱脱脂処理し、その後、１９００℃で、窒素中で焼成した。焼成体は円板状ヒータおよび各円筒体と嵌合するように所定の寸法に研削加工を行った。また、このとき、電力供給端子を挿入する孔２個を加工した。
【００３３】
また、前記第１及び第２の焼成円筒体の嵌合界面（たとえば第１の焼成円筒体外周面）に螺旋状の溝及び電力供給端子導出溝を形設し、前記溝にタングステン線を螺旋状に複数回捲装した第２の抵抗発熱体を装着配置する一方、要すれば接合剤を塗布する。次いで、前記第１及び第２の焼成円筒体を嵌合・一体化し、空気雰囲気中、４００〜７００℃程度の温度下におき、有機成分を熱脱脂処理する（焼成体化）。その後、このリング状セラミックヒーターを、上記面状セラミックスヒーター本体に位置決め嵌合する。このとき、両者の被嵌合面に接合剤を介挿する。この状態で、加熱処理して接合・一体化することによって、上記図１（ａ），（ｂ）に例示するような構造の面状セラミックスヒーターを容易に得ることができる。
【００３４】
図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第２の実施例に係る互いに異なる面状セラミックスヒーターの構成を示す断面図である。すなわち、面状セラミックスヒーターが内蔵する抵抗発熱体を中央部領域及び外周縁領域に分割化し、かつ外周縁領域の第２の抵抗発熱体を多段的な配置内蔵とする一方、多段的な配置内蔵を放熱面側に向かって広大化する構成を有する限り、面状セラミックスヒーター本体４及びリング状セラミックスヒーター８の構造・形状、それらの組み合わせ構造などに拘わらず、上記のような作用効果を呈する。
【００３５】
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、抵抗発熱体の形状・材質、入力電力端子の材質、セラミックス基材もしくはセラミックス焼成体の形状・寸法など用途に応じて選択・設定できる。その他、静電チャックや電極内蔵形サセプターの構成などにも適用できる。
【００３６】
【発明の効果】
第１の本発明によれば、面状セラミックスヒーターの熱容量ないし放熱作用を考慮し、これらに対応した抵抗発熱体の配置・内蔵としたことに伴って、放熱面が全体的に一様な発熱領域として作用する。したがって、一様な面内温度分布を呈する面状セラミックスヒーターが提供される。
【００３７】
また第２の本発明によれば、一様な面内温度分布を呈する面状セラミックスヒーターを歩留まりよく、かつ量産的に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ）は第１の実施例に係る互いに異なる面状セラミックスヒーターの概略構成をそれぞれ示す断面図。
【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は第２の実施例に係る互いに異なる面状セラミックスヒーターの概略構成をそれぞれ示す断面図。
【図３】従来の面状セラミックスヒーターの概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
４……セラミックスヒーター本体
５……セラミックス基材
６……第１の抵抗発熱体
７，１０……電力供給端子
８……リング状セラミックスヒーター
９……第２の抵抗発熱体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a planar ceramic heater and a manufacturing method thereof, and more particularly to a planar ceramic heater that maintains and exhibits uniform surface temperature distribution and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
For example, in the manufacture of a semiconductor, processing such as PVD, plasma CVD, plasma etching, and photo etching is performed on a semiconductor wafer. In general, these processings are performed by placing a workpiece (for example, a Si wafer) on the surface of a planar ceramic heater (heating element) and heating the workpiece. In order to obtain a semiconductor having high performance or high reliability with a good yield and mass production, heat treatment is one important factor.
[0003]
Here, as shown in a cross-sectional view of the main part of the structure in FIG. 3, the planar ceramic heater has, for example, a tungsten wire, a molybdenum wire, or the like in a dense and gastight ceramic fired body (ceramic substrate) 1. The circular resistance heating wire (or coil) 2 is embedded and built in, for example, a spiral shape or a zigzag shape. The power supply terminal 3 for the resistance heating element 2 has a structure led out of the ceramic substrate 1. The power supply terminal 3 is made of, for example, tungsten, molybdenum, nickel, and the ceramic base material 1 is made of, for example, alumina, silica, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, or sialon. In particular, aluminum nitride is attracting attention in terms of thermal conductivity and corrosion resistance.
[0004]
By the way, this type of planar ceramic heater is generally manufactured by the following means. The first means is, for example, arranging a resistance heating element formed of the resistance heating wire on one main surface of an aluminum nitride base substrate (green sheet), and laminating an aluminum nitride sheet on the resistance heating element surface. On the other hand, after the power supply terminal is inserted into and incorporated into the sheet, it is manufactured by performing degreasing under a predetermined condition, heat treatment at a required temperature, etc., and sintering and integrating. The second means is, for example, formed by uniaxial pressing with a mold in which aluminum nitride powder is grooved, and a coiled resistance heating element is disposed in the groove of the formed body. Next, the surface on which the resistance heating element is disposed is filled with aluminum nitride powder, and again molded by uniaxial pressing to incorporate the resistance heating element. Thereafter, the molded body in which the resistance heating element is incorporated is manufactured by sintering and integrating by a hot press process.
[0005]
In the above manufacturing means, the resistance heating element is formed by screen printing / baking of the resistance heating element paste, laser processing of a tungsten plate, punch punching, or the like.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the heat treatment in the semiconductor manufacturing process is premised on the durability and good yield of the planar ceramic heater used as a heat source from the viewpoint of processing operation rate and cost reduction. That is, the surface ceramic heater is required to maintain stable heat dissipation and heat generation capacity, and to have a uniform in-plane temperature distribution.
[0007]
The uniformity of the in-plane temperature distribution of the planar ceramic heater is made possible by setting the resistance heating element 2 to be a thin wire and to reduce the winding or the mounting pitch. In other words, if the resistance heating element is patterned accurately and set so as to ensure a heat generation temperature with as little variation as possible, the heater can have a uniform in-plane temperature distribution, so that the above-mentioned demand can be met. .
[0008]
However, in the case of the resistance heating element 2, the following inconvenience is recognized in practice. That is, since the tungsten wire or the molybdenum wire is a hard material, it is difficult to perform a fine bending process, and it is necessary to process it in a heated and softened state. Here, the processing in the heat-softened state can be finely bent, rigged, coiled, etc., but after cooling, it not only easily warps and deforms, but also oxidizes the surface, Processing accuracy is impaired. Therefore, when a planar heater is used, there is a problem that the in-plane temperature distribution characteristics are inferior.
[0009]
On the other hand, the formation of the resistance heating element by screen printing is performed by overprinting, so that an operation for obtaining positioning accuracy is complicated and there is a problem in dimensional accuracy. In addition, when pattern processing is performed by laser processing such as tungsten plate or punch die punching, it becomes difficult to maintain a stable temperature due to difficulty in fine processing and brittleness due to heat during processing. Sexuality is impaired.
[0010]
In addition, such a problem raises a serious problem in increasing productivity by increasing the diameter of a semiconductor wafer. In other words, it is necessary to increase the diameter of the surface ceramic heater in response to the increase in the diameter of the workpiece, and at this time, the stability of heat dissipation and heating temperature required for the surface ceramic heater is impaired. Therefore, it will not be possible to cope with productivity improvements.
[0011]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a surface ceramic heater with excellent durability that can always generate stable heat generation and heat dissipation, and a method for manufacturing a surface ceramic heater with high yield. To do.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The first aspect of the present invention includes a ceramic base material having a heat-radiating surface on one main surface, a resistance heating element disposed and embedded in a plane in the ceramic base material, and one end connected to the resistance heating element. Is a planar ceramic heater having a power supply terminal led to the other main surface side of the ceramic substrate,
The resistance heating element and the power supply terminal are formed in a divided shape in the central region and the outer peripheral region, and the resistance heating element in the outer peripheral region is formed in a multistage manner by increasing the diameter toward the heat radiation surface side. A planar ceramic heater.
[0013]
According to the first aspect of the present invention, in the planar ceramic heater according to claim 1, the resistance heating element is preferably made of a metal having at least one of tungsten, molybdenum and platinum as a main component.
[0014]
In the second aspect of the present invention, the first resistance heating element is disposed on the surface of the first ceramic fired body that forms the heat dissipation side, and the terminal portion of the first resistance heating element corresponds to the arrangement surface of the first resistance heating element. A step of positioning the second ceramic fired body by aligning the drilled power supply terminal insertion hole, and inserting and filling the power supply terminal in the terminal insertion hole, and the first ceramic fired body And baking and integrating the second ceramic fired body by heating and pressing to create a surface ceramic heater body corresponding to the central region,
Firing of a ring-shaped ceramic heater corresponding to an outer peripheral region that is fitted to the outer peripheral surface of the planar ceramic heater main body and is increased in diameter toward the heat radiating side and the second resistance heating elements are arranged in multiple stages. Creating a body,
And a step of positioning and fitting a bonding agent to a mating surface of the planar ceramic heater body and the ring-shaped ceramic fired body, and heating and joining and integrating the planar shape. This is a method for manufacturing a ceramic heater.
[0015]
In the method for manufacturing a planar ceramic heater of the second aspect of the present invention, the mating surfaces of the planar ceramic heater body and the ring-shaped ceramic fired body are formed with a taper, and the second resistance heating is formed on the mating surface. It is preferable that the body is built and arranged in multiple stages.
[0016]
That is, according to the first aspect of the present invention, the resistance heating element embedded / embedded in the flat ceramic sintered body is divided into two parts, the central area and the outer peripheral area, and the resistance heating lines in the outer peripheral area are multi-staged. The main point is to make the temperature uniform in the heat radiation surface by arranging and replenishing the temperature drop accompanying heat radiation in the outer peripheral area. In other words, for the central area where the required heating temperature is easily secured, the resistance heating elements are built and distributed densely in the outer peripheral area where the heating temperature tends to decrease due to heat dissipation, etc. The heat radiation temperature (heating temperature) across the entire surface of the ceramic heater is set to be uniform. The divisional arrangement of the resistance heating elements functions to relatively widen the heat generation area of the ceramic heater while making the in-plane temperature distribution easy to equalize.
[0017]
Further, the second aspect of the present invention is to prepare a ring-shaped ceramic heater having a planar ceramic heater body forming a central region portion and a resistance heating element forming an outer peripheral region portion in a multi-stage in advance. The essence is fitting / combining, joining / integrating. In addition, a planar ceramic heater that exhibits a uniform in-plane temperature distribution and is suitable for mass production of highly reliable semiconductors can be provided with high yield.
[0018]
In each of the present inventions described above, the resistance heating element embedded / arranged in the ceramic substrate is formed by forming a resistance heating wire (or coil) such as a tungsten wire, molybdenum wire, or nichrome wire in a spiral or zigzag shape. . And as a resistance heating element, it is incorporated in the form divided | segmented into the center area | region part and the outer periphery area | region. In other words, it is divided into a central area where resistance heat generation is effectively used (large heat capacity) and an outer peripheral area where resistance heat generation is easy to dissipate (small heat capacity). A configuration is adopted in which resistance heat generation is supplemented in response to heat dissipation due to the difference in heat capacity between regions. The resistance heating element may be formed by screen printing such as a foil pattern or mesh, or by thermal spraying or sputtering.
[0019]
Here, the material, cross-sectional shape, arrangement pitch, and the like of both resistance heating elements in the central region and the outer peripheral region are appropriately selected and set according to the size, material, and the like of the planar ceramic heater. Note that the second resistance heating element in the outer peripheral region is a ring having a diameter of at least two steps (two layers) and a larger diameter toward the upper step side in order to more effectively replenish heat dissipation and achieve a uniform in-plane temperature. Need to be set. The second resistance heating element in the outer peripheral region may be embedded and arranged in a ring-shaped ceramic base material, but a groove is provided on the fitting surface for the surface ceramic heater body. It is preferable in terms of workability and the like to adopt a configuration for mounting in the groove. However, in any case, it is necessary to derive a common power supply terminal for the second resistance heating element arranged and incorporated in multiple stages. Due to the division of the resistance heating elements and the difference in the arrangement and built-in state of the divided resistance heating elements, the resistance heat generation and the heat capacity are matched, and as a result, even if the heat generation area is expanded as a whole, the in-plane temperature distribution Uniformity is achieved.
[0020]
Further, the power supply terminal is formed of, for example, tungsten, molybdenum, nickel, inconel, kovar, super invar, etc. as a material, or a sintered body, or a porosity of about 5 to 80%, more preferably about 60 to 75%. The
[0021]
In the second aspect of the present invention, a heat-treated (degreased) ceramic fired body is selected as the ceramic substrate. Preferably, an aluminum nitride system is selected in order to achieve higher performance by utilizing excellent thermal conductivity and corrosion resistance. Here, the aluminum nitride-based fired body is heat-treated in advance because it requires more compactness in order to make use of the features such as thermal conductivity and corrosion resistance.
[0022]
In the second aspect of the present invention, the first and second ceramic fired bodies in which the first resistance heating element is embedded and incorporated are generally obtained by the following means. For example, an aluminum nitride powder having an average particle size of about 0.01 to 5 μm is granulated from a slurry obtained by adding and mixing a sintering aid and a binder, and the granulated powder is formed into a molded body having a required shape and size. The organic component is heated and degreased at a temperature of about 400 to 700 ° C., and then sintered at 1900 ° C. in nitrogen. Examples of the sintering aid include yttrium oxide, and examples of the binder include polyvinyl butyral.
[0023]
Further, in the second aspect of the present invention, the first resistance heating element is disposed on the surface of the first ceramic fired body, and the second ceramic fired body is laminated and integrated with pressure to embed and incorporate the first resistance heating element. When doing so, it is preferable to insert a bonding agent between the surfaces to be bonded. On the other hand, in fitting and integrating the ceramic heater body and the ring-shaped ceramic heater, a bonding agent is inserted between the fitting surfaces. In any case, the bonding agent is preferably the same material system as the ceramic to be bonded. . For example, in the case of joining aluminum nitride-based fired bodies, a slurry-like paste obtained by adding and mixing a sintering aid and a binder to aluminum nitride powder having an average particle diameter of 0.01 to 5 μm can be mentioned. Here, examples of the sintering aid include yttrium oxide, and examples of the binder include polyvinyl butyral. The mating surface between the ceramic heater main body and the ring-shaped ceramic heater is not particularly limited, but if it is tapered in a certain direction, the mating / combining operation is easy.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b) and FIGS. 2 (a), 2 (b) and 2 (c).
[0025]
FIGS. 1A and 1B are sectional views showing a schematic configuration of a planar ceramic heater according to a first embodiment different from each other. In FIGS. 1A and 1B, reference numeral 4 denotes a disk-shaped ceramic heater main body having a thickness of about 5 mm or 12.5 mm and a major axis of about 310 mm. Here, the ceramic heater body 4 includes a ceramic base 5 that forms a central region, a first resistance heating element 6 that is arranged and embedded in the ceramic base 5 in a plane, and the first resistance heating. One end is connected to the body 6 and the other end is composed of a power supply terminal 7 led out to the other main surface side of the ceramic substrate 5. Here, the ceramic base material 5 is, for example, a joined body of aluminum nitride-based fired bodies 5a and 5b, and the outer peripheral surface thereof is tapered to an upper diameter. Further, the first resistance heating element 6 is a coil that is planarly dressed using a tungsten wire having a diameter of 0.8 mm, and the power supply terminal 7 is tungsten having a diameter of 3 mm.
[0026]
Reference numeral 8 denotes a ring-shaped ceramic heater which is fitted and integrated with the outer peripheral surface of the ceramic heater body 4 to form an outer peripheral area of the planar ceramic heater. Here, the ring-shaped ceramic heater 8 is processed so that the inner peripheral surface thereof has a taper corresponding to the outer peripheral tapered surface of the ceramic substrate 5. On the other hand, a coil as a second resistance heating element 9 in which a tungsten wire whose diameter is increased along the tapered surface is multi-staged and installed is arranged and disposed, and tungsten having a diameter of 0.8 mm is used as a material. The power supply terminal 10 is taken out.
[0027]
The ring-shaped ceramic heater 8 is a fitting / joined body of, for example, an aluminum nitride-based cylindrical fired body 8a having a long inner diameter of 310 mm having a height of about 5 mm or 12.5 mm and a cylindrical fired body 8b having a long inner diameter of 325 mm. And the inner peripheral surface is tapered and processed to have a large upper diameter. Further, a groove is formed in the fitting / joining interface between the cylindrical fired bodies 8a and 8b, and a coil constituting the second resistance heating element 9 is mounted and arranged in the groove, while the power supply terminal 10 is led out. It has a structure that is joined and integrated via a bonding agent.
[0028]
Among the above-mentioned planar ceramic heaters, a planar ceramic heater (see FIG. 1B) set to a thickness of 12.5 mm is positioned and mounted, for example, in a processing chamber of a semiconductor manufacturing CVD apparatus, and the processing chamber is decompressed by 1 Pa. An argon atmosphere was set, and power was supplied to the planar ceramic heater so that the in-plane temperature was maintained at 750 ° C. Regarding the heat generation and heat dissipation operation of this planar ceramic heater, the in-plane temperature distribution on the upper surface of the planar ceramic heater was measured and evaluated by an infrared thermal imager installed above, and the in-plane temperature was 750 ° C Δ2 ° C. It was confirmed that the internal temperature was uniform.
[0029]
Next, an example of a method for manufacturing the planar ceramic heater having the above configuration will be described. First, granulation was performed by a dry spray method from a slurry obtained by adding and mixing a sintering aid and a binder to aluminum nitride powder having an average particle size of about 0.01 to 5 μm. Using the particles as a raw material, for example, a disk (first molded body) having a thickness of 10 mm and a diameter of 400 mm, and a disk having a thickness of 10 mm and a diameter of 400 mm having two power supply terminal insertion holes having a diameter of 4 mm in the center. (Second molded body) and each were molded. Subsequently, these both molded products are placed in an air atmosphere at a temperature of about 400 to 700 ° C., and the organic components are subjected to thermal degreasing treatment. Then, it baked in 1900 degreeC and nitrogen. Next, the fired body was ground and formed into a predetermined shape.
[0030]
Also, a first resistance heating element in which a tungsten wire having a circular cross section is spirally wound, and tungsten having an outer diameter smaller than the inner diameter of the power supply terminal insertion hole are prepared. Next, the first fired body in which the first resistance heating element is positioned and arranged on the main surface is set on the pressure body surface on the base side of the hot press apparatus. Thereafter, the second fired body in which tungsten is filled and mounted in the power supply terminal insertion hole is positioned and set on the resistance heating element arrangement surface of the first fired body. Note that the second fired body is obtained by screen-printing a bonding agent on the surface facing the resistance heating element, drying at 110 ° C., and degreasing at 600 ° C. for 1 hour.
[0031]
Next, the heating pressurizing condition of the hot press apparatus is set to a heating temperature of about 1750 ° C., a pressing force of 0.1 ton / cm ² , and a heating and pressing time of 1 hour, and the first resistance heating element is inserted. The fired body and the second fired body are fired through a bonding agent, and the ceramic heater body is formed by joining and integrating. Further, prior to this firing / joining integration or after firing / joining integration, if necessary, the outer peripheral surface is tapered. In the process of firing and joining integration, tungsten filled and mounted in the power supply terminal insertion hole provided in the second fired body is joined to the connection terminal portion of the first resistance heating element in a pressure-bonding manner. While integrating.
[0032]
On the other hand, a fitting type ring-shaped ceramic heater is prepared in accordance with the manufacturing means of the ceramic heater body. That is, using the above-mentioned particles of an aluminum nitride powder system having an average particle size of about 0.01 to 5 μm as a raw material, for example, a tapered cylindrical body (first cylindrical body) having a height of 18 mm, a long inner diameter of 380 mm, and a short inner diameter of 360 mm; A tapered cylinder (second cylinder) having a height of 18 mm, a long inner diameter of 400 mm, and a short inner diameter of 380 mm corresponding to the outer diameter of the first cylindrical body is press-molded. Next, both the cylinders were placed in an air atmosphere at a temperature of about 400 to 700 ° C., the organic component was thermally degreased, and then fired at 1900 ° C. in nitrogen. The fired body was ground to a predetermined size so as to be fitted to the disk-shaped heater and each cylindrical body. At this time, two holes for inserting the power supply terminals were processed.
[0033]
In addition, a spiral groove and a power supply terminal lead-out groove are formed in the fitting interface (for example, the outer peripheral surface of the first firing cylinder) of the first and second firing cylinders, and a tungsten wire is spiraled in the groove. The second resistance heating element, which is mounted in the shape of a plurality of times, is mounted and disposed, and if necessary, a bonding agent is applied. Next, the first and second fired cylindrical bodies are fitted and integrated, placed in an air atmosphere at a temperature of about 400 to 700 ° C., and the organic component is thermally degreased (fired body formation). Thereafter, the ring-shaped ceramic heater is positioned and fitted to the planar ceramic heater body. At this time, a bonding agent is inserted between both mating surfaces. In this state, a planar ceramic heater having a structure as exemplified in FIGS. 1A and 1B can be easily obtained by performing heat treatment and joining and integration.
[0034]
2A, 2B, and 2C are cross-sectional views showing the structures of different planar ceramic heaters according to the second embodiment. That is, the resistance heating element incorporated in the surface ceramic heater is divided into a central area and an outer peripheral area, and the second resistance heating element in the outer peripheral area is incorporated in a multistage arrangement, while a multistage arrangement is incorporated. As long as it has the structure which expands toward the heat radiating surface side, the above-described effects are exhibited regardless of the structure and shape of the planar ceramic heater body 4 and the ring-shaped ceramic heater 8, the combined structure thereof, and the like.
[0035]
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. For example, the shape and material of the resistance heating element, the material of the input power terminal, the shape and size of the ceramic base material or ceramic fired body, and the like can be selected and set according to the application. In addition, the present invention can be applied to the configuration of an electrostatic chuck or a built-in electrode type susceptor.
[0036]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the heat capacity or heat radiation action of the surface ceramic heater is taken into consideration, and the heat radiation surface is uniformly heated as a result of the arrangement and built-in resistance heating elements corresponding to these. Acts as a region. Therefore, a planar ceramic heater exhibiting a uniform in-plane temperature distribution is provided.
[0037]
In addition, according to the second aspect of the present invention, a planar ceramic heater exhibiting a uniform in-plane temperature distribution can be provided with good yield and mass production.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are cross-sectional views showing schematic configurations of different planar ceramic heaters according to a first embodiment, respectively.
FIGS. 2A, 2B, and 2C are cross-sectional views showing schematic configurations of different planar ceramic heaters according to a second embodiment, respectively.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a conventional planar ceramic heater.
[Explanation of symbols]
4 ... Ceramic heater body 5 ... Ceramic substrate 6 ... First resistance heating element 7, 10 ... Power supply terminal 8 ... Ring-shaped ceramic heater 9 ... Second resistance heating element

Claims

A ceramic base material in which one main surface forms a heat radiating surface, a resistance heating element disposed and embedded in a plane in the ceramic base material, one end connected to the resistance heating element and the other end being the other main part of the ceramic base material A planar ceramic heater having a power supply terminal led to the surface side,
The resistance heating element and the power supply terminal are formed in a divided shape in the central region and the outer peripheral region, and the resistance heating element in the outer peripheral region is formed in a multistage manner by increasing the diameter toward the heat radiation surface side. A planar ceramic heater characterized by comprising:

2. A planar ceramic heater according to claim 1, wherein the resistance heating element is made of a metal mainly composed of at least one of tungsten, molybdenum and platinum.

The first resistance heating element is disposed on the surface of the first ceramic fired body that forms the heat dissipation side, and the electric power formed on the arrangement surface of the first resistance heating element so as to correspond to the terminal portion of the first resistance heating element Aligning the supply terminal insertion holes and arranging the second ceramic fired body, and inserting and filling the power supply terminals in the terminal insertion holes, the first ceramic fired body and the second ceramic fired body Baked and integrated by heating and pressing to create a surface ceramic heater body corresponding to the central region,
Firing of a ring-shaped ceramic heater corresponding to an outer peripheral region that is fitted to the outer peripheral surface of the planar ceramic heater main body and is increased in diameter toward the heat radiating side and the second resistance heating elements are arranged in multiple stages. Creating a body,
And a step of positioning and fitting a bonding agent to a mating surface of the planar ceramic heater body and the ring-shaped ceramic fired body, and heating and joining and integrating the planar shape. Manufacturing method of ceramic heater.

The mating surface of the planar ceramic heater body and the ring-shaped ceramic fired body is formed with a taper, and the second resistance heating element is built-in and arranged in multiple stages on the mating surface. 3. A method for producing a planar ceramic heater according to 3.