セラミックスヒータ及びその製造方法
【課題】高精度で安価にシャフトの中空部より外側での載置板の測温が可能となり、載置板とシャフトが一体的に接合されたセラミックスヒータを提供する。
【解決手段】セラミックスヒータ１は、上面に被加熱物が載置され、セラミックスからなる載置板２と、載置板２の内部に埋設された複数の発熱抵抗体３Ａ，３Ｂと、載置板２の下面に接合され、セラミックスからなる中空のシャフト５と、複数の発熱抵抗体３Ａ，３Ｂの下方に配置された熱電対４Ａ，４Ｂとを備える。熱電対４Ｂは、載置板２の下面に形成され、載置板２及びシャフト５で覆われた溝２ｄの内部に配置されている。
【解決手段】セラミックスヒータ１は、上面に被加熱物が載置され、セラミックスからなる載置板２と、載置板２の内部に埋設された複数の発熱抵抗体３Ａ，３Ｂと、載置板２の下面に接合され、セラミックスからなる中空のシャフト５と、複数の発熱抵抗体３Ａ，３Ｂの下方に配置された熱電対４Ａ，４Ｂとを備える。熱電対４Ｂは、載置板２の下面に形成され、載置板２及びシャフト５で覆われた溝２ｄの内部に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハなどの被加熱物を加熱、支持するセラミックスヒータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハ等の被加熱物の製膜やエッチングを均質化するためには、被加熱物を加熱、支持する載置板の加熱ゾーンごとに温度制御が可能なセラミックスヒータが必要となる。そこで、各加熱ゾーンにそれぞれ発熱抵抗体を埋設して、各発熱抵抗体の発熱を独立して制御するマルチゾーンヒータが提案されている（例えば特許文献１参照）。マルチゾーンヒータは、各加熱ゾーンで独立した温度制御が可能であり、従来のシングルゾーンヒータと比較して載置面の温度分布の均一化や傾斜化を精度良く行うことができる。
【０００３】
マルチゾーンヒータは、加熱ゾーンごとに測温する必要があるが、測温素子としての熱電対を載置板を支持するシャフトの中空部より外側に配置することは困難である。特許文献２には、内部に熱電対を埋設したセラミックス成形体を焼成して載置板を形成することにより、シャフトより外側に熱電対を配置することが記載されている。また、引用文献２には、焼成された載置板に機械加工で穴を開け、この穴に熱電対を挿入した後、載置板とシャフトとをボルトで接合することも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３１９５９３号公報
【特許文献２】特開２００９−００９７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、内部に熱電対を埋設したセラミックス成形体を焼成して載置板を形成する場合、耐熱温度が焼成温度を超える熱電対を使用する必要がある。そのため、使用可能な熱電対が限定され、高精度で安価な熱電対を使用することができないという不都合があった。
【０００６】
その場合は、焼結後に形成した穴に熱電対を挿入した後、載置板とシャフトとをボルトで接合する方法を採用する必要があった。しかし、この場合、加熱のサイクルによりルトの緩みが生じ、載置板とシャフトの締結部からリークが生じるおそれがあった。
【０００７】
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、使用可能な測温素子の幅が広がり、高精度で安価にシャフトの中空部より外側での載置板の測温が可能となり、載置板とシャフトが一体的に接合されたセラミックスヒータ及びその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のセラミックスヒータは、上面に被加熱物が載置され、セラミックスからなる載置板と、該載置板の内部に埋設された複数の発熱抵抗体と、前記載置板の下面に接合され、セラミックスからなる中空のシャフトと、前記複数の発熱抵抗体の下方に配置された複数の測温素子とを備え、前記載置板の下面又は前記シャフトの上面の少なくとも一方に形成され、前記載置板及び前記シャフトで覆われた溝の内部に、前記複数の測温素子のうち少なくとも１つの測温素子が配置されることを特徴とする。
【０００９】
本発明のセラミックスヒータによれば、溝の内部に配置された測温素子によって、当該測温素子の上方に配置された発熱抵抗体により加熱される載置板の領域を測温することができる。そして、シャフトの中空部より外側に溝を延在させ、その溝の内部に測温素子を配置することによりシャフトの中空部より外側の領域を測温することができる。
【００１０】
さらに、載置板とシャフトとを接合する際に溝の内部に測温素子を配置すればよいので、測温素子の耐熱温度は接合温度を超えていればよい。よって、測温素子が埋設された状態で焼成される従来の場合に比較して、耐熱温度の低い測温素子を使用することができ、高精度で安価に測温することが可能となる。
【００１１】
なお、前記載置板及び前記シャフトはそれぞれ別個に形成されたセラミックス焼結体からなることが好ましい。そして、載置板とシャフトとは接合によって一体化されているので、載置板とシャフトの締結部からリークが生じるおそれがない。
【００１２】
また、測温素子同士が電気的に接触しないように、前記溝の内部には１つの測温素子のみが配置され、異なる測温素子が挿入される溝は独立していることが好ましい。なお、溝が独立するとは、溝が互いに少なくとも立体的に交差も接続もしていないことを意味する。
【００１３】
また、耐熱温度が接合温度を超える必要があるので、前記測温素子は熱電対であることが好ましい。
【００１４】
また、前記熱電対を構成する１対の熱電対素線が別々に配置されるように、前記溝が分割されていることが好ましい。この場合、各熱電対素線が測温接点以外で電気的に接触することを確実に防止することができる。
【００１５】
また、前記溝と連続して形成された穴の内部に、前記熱電対の測温接点が配置されることが好ましい。この場合、測温接点が配置される穴を溝より小さくすることにより、測温接点を所定の位置に確実に安定的に配置することが可能となる。
【００１６】
また、前記溝は、前記発熱抵抗体から０．５ｍｍ以上離れていることが好ましい。一般的に、測温素子の起電力は発熱抵抗体に印加される電圧に比べて小さいのが、このような間隔を確保することにより、測温素子が発生する起電力が受ける干渉が小さくなり、精度良く測温することが可能となる。
【００１７】
また、前記載置板はＡｌＮを主成分としたセラミックスからなることが好ましい。このようなセラミックスは熱伝導性が高く温度追従性に優れるので、載置板の加熱応答性及び均熱性が良好となる。
【００１８】
また、前記載置板及び前記シャフトが、ＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３を主成分としたセラミックスからなる場合、拡散接合で接合すると、接合温度は１２００℃以上１６５０℃以下となるので、前記熱電対はＪＩＳ Ｃ１６０２−１９９５に規定のＢ、Ｒ、Ｓ熱電対の何れかとすればよい。また、ガラス質等の接合材を接合界面に設けて接合すると、接合温度は６００℃以上１３００℃以下となり、前記熱電対としてＪＩＳ Ｃ１６０２−１９９５に規定のＫ、Ｎ熱電対も使用することができる。
【００１９】
また、前記載置板及び前記シャフトがＳｉＣを主成分としたセラミックスからなる場合、拡散接合で接合すると、接合温度は１８００℃以上２０００℃以下となるので、前記熱電対はＷ−Ｒｅ系熱電対とすればよい。
【００２０】
また、前記発熱抵抗体に接続され、前記シャフトの中空部内に露出して前記載置板に配置される端子と、前記端子に接続され、前記シャフトの中空部内を通る配線とを備えることが好ましい。この場合、シャフトの中空部での配線構造が簡易化する。
【００２１】
また、前記端子のうち少なくも１つの端子が複数の発熱抵抗体に接続されることが好ましい。この場合、シャフトの中空部を通る配線の本数が減少し、シャフトの内径を小さくすることが可能となる。
【００２２】
また、前記端子は、その間隔が５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、その材質がＮｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ又はＭｏ及びＷを主成分とする合金であることが好ましい。これにより、端子の設置面積が小さくでき、シャフトの内径を小さくすることが可能となる。
【００２３】
本発明のセラミックスヒータの製造方法は、複数の発熱抵抗体を内部に埋設した平板状のセラミックス成形体を焼結して載置板を形成する工程と、中空のセラミックス成形体を焼結してシャフトを形成する工程と、前記載置板の前記シャフトとの接合面又は前記シャフトの前記載置板との接合面の少なくとも一方に溝を形成する工程と、少なくとも１つの測温素子を前記溝の内部に配置した状態で、前記載置板と前記シャフトとを接合して、前記溝を前記載置板及び前記シャフトで覆う工程とを備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明のセラミックスヒータの製造方法によれば、載置板及びシャフトで覆われた溝の内部に測温素子が配置されており、この測温素子によって当該測温素子の上方に配置された発熱抵抗体により加熱される載置板の領域を測温することができる。そして、シャフトの中空部より外側に溝を延在させ、この溝の内部に測温素子を配置することによって、シャフトの中空部より外側の領域を測温することができる。
【００２５】
さらに、載置板とシャフトとを接合する際に溝の内部に測温素子が配置されるので、測温素子の耐熱温度は接合温度を超えていればよい。よって、測温素子が埋設した状態で焼結される従来の場合と比較して、耐熱温度の低い測温素子を使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係るセラミックスヒータの模式縦断面図。
【図２】図１のII−II線矢視模式断面図。
【図３】本発明の実施形態の変形に係るセラミックスヒータの模式縦断面図。
【図４】図３のIV−IV線矢視模式断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の実施形態に係るセラミックスヒータ１について説明する。
【００２８】
図１に示すように、セラミックスヒータ１は、半導体ウエハなどの被加熱物を載置される一方の主面である上面（載置面）２ａを有し、セラミックスからなる載置板２、載置板２の内部に埋設された発熱抵抗体３Ａ、３Ｂ、発熱抵抗体３Ａ，３Ｂの下方に配置された熱電対４Ａ，４Ｂ、及び、載置板２の他方の主面である下面（接合面）２ｂに接合され、セラミックスからなる中空のシャフト５を備えたマルチゾーンヒータである。
【００２９】
なお、セラミックスヒータ１は、さまざまな半導体製造プロセスにおいて使用される半導体製造装置（例えば、成膜装置、エッチング装置、クリーニング装置、検査装置）のためのセラミックス製品として適用され得る。
【００３０】
載置板２は、ここでは、円盤状のセラミックス焼成体であり、使用温度における体積抵抗率が１０Ｅ＋０８Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。このような物性を有するセラミックスとして、窒化アルニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化ホウ素（ＢＮ）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、石英を主成分とし、焼結助剤などの副成分を適宜含むものが好適である。
【００３１】
特に窒化アルミニウムを主成分とする高熱伝導性セラミックスは、熱伝導性が８０Ｗ／ｍ・Ｋから１７０Ｗ／ｍ・Ｋと高く温度追従性に優れるので、良好な加熱応答性や均熱性が求められるセラミックスヒータ１の載置板２の材料とすることが好適である。一方、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスは、熱伝導率が低いので、載置面に傾斜状に温度勾配を持たせることが求められるセラミックスヒータ１の載置板２の材料とすることが好適である。
【００３２】
発熱抵抗体３Ａ、３Ｂは、詳細は図示しないが、載置板２の内部に配置されている。発熱抵抗体３Ａは、載置板２の中央部に埋設されており、載置面２ａの中央部の加熱ゾーンＺＡを加熱する。発熱抵抗体３Ｂは、載置板２の外周部に埋設されており、載置面２ａの外周部の加熱ゾーンＺＢを加熱する。なお、加熱ゾーンＺＡ，ＺＢは、ここでは同心円状に隣接しているが、これに限定されない。図２には、加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの境界を一点鎖線で示している。
【００３３】
発熱抵抗体３Ａ，３Ｂは、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）等の耐熱金属などを用いて、箔、板、線、メッシュ、繊維状など公知の任意の形状に形成されている。
【００３４】
熱電対４Ａは、載置板２の下面２ｂの略中央部に形成された凹部２ｃ内に配置されている。そして、熱電対４Ａの測温接点４ａは、凹部２ｃの上面に、図示しない押さえ部品をネジ止めすることによって固定されており、加熱ゾーンＺＡの下方に位置している。
【００３５】
熱電対４Ｂは、載置板２の下面２ｂに中央部から外周部に直線状に延びるように形成された溝２ｄの内部に配置されている。熱電対４Ｂの測温接点４ｂは、溝２ｄの外周側の端部付近の上面に静置されており、加熱ゾーンＺＢの下方に位置している。溝２ｄには、熱電対４Ｂの１対の熱電対素線が共に挿入されている。なお、溝２ｄは、直線状に延びるものに限定されず、屈曲などをしていてもよい。
【００３６】
熱電対４Ｂは、載置板２とシャフト５との接合時に、溝２ｄに配置されるので、熱電対を多数設ける場合であっても、異なる熱電対が挿入される溝が交差も接続もしないように、互いに独立した溝を形成することにより、互いに接触することなく熱電対を配置することができる。
【００３７】
熱電対４Ａ，４Ｂの測温接点４ａ，４ｂは、加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの中心付近の下方に設けることが好ましいが、これに限定されない。加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの中心付近の下方に測温接点４ａ，４ｂを設ければ、当該加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの温度をより正確に測定することができる。また、熱電対４Ａ，４Ｂを、加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの下方に複数設けて、当該加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの平均温度を算出するように構成すれば、当該加熱領域ＺＡ，ＺＡの温度を正確に求めることができる。
【００３８】
なお、発熱抵抗体３Ａ，３Ｂと凹部２ｃ及び溝２ｄとの間隔は、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、さらに好ましくは２．０ｍｍ以上である。熱電対４Ａ，４Ｂの起電力は発熱抵抗体３Ａ，３Ｂに印加される電圧に比べて小さいので、このような間隔を確保することにより、熱電対４Ａ，４Ｂが発生する起電力が受ける干渉が小さくなり、精度良く測温することが可能となる。
【００３９】
シャフト５は、載置板２の下面２ｂの中心部に接合された中空のセラミックス焼結体である。載置板２とシャフト５とは、拡散接合やセラミックス、ガラス等の接合材による固層接合により接合されている。
【００４０】
シャフト５は、ここでは、円筒形状であり、載置板２との接合部分の外径が他の軸部５ａより拡大した拡大部５ｂを有し、拡大部５ｂの上面が載置板２との接合面となる。溝２ｄは、拡大部５ｂにより下方を完全に覆われており、外部に開放されていない。
【００４１】
シャフト５の材質は、載置板２の材質と同等でよいが、断熱性を高めるために、載置板２の素材より熱伝導率の低い素材を用いてもよい。なお、軸部５ａの断面外形は、円形に限定されず、例えば、楕円形、多角形などであってもよい。また、拡大部５ｂの断面外形は、円形に限定されず、溝２ｄの下方を完全に覆うものであれば、任意の形状とすることができる。
【００４２】
シャフト５は、図示しないが、適宜フランジなどを介して真空チャンバーに接続されており、シャフト５の中空部が真空チャンバーの内部と同じ雰囲気にするように構成されている。フランジを用いることにより、酸化に弱いＷ−Ｒｅ合金系の熱電対４Ａ，４Ｂをシャフト５の中空部に露出させることができる。
【００４３】
熱電対４Ａ，４Ｂは、載置板２とシャフト５との接合と同時に設けられる。そのため、接合温度を超える耐熱温度を有する熱電対４Ａ，４Ｂを選択する必要がある。
【００４４】
例えば、載置板２とシャフト５が窒化アルミニウム又はアルミナを主成分とするセラミックスからなる場合、載置板２とシャフト５とは接合材を使用しない拡散接合により接合され、その接合温度は１２００℃以上１６５０℃以下である。ガラス質等の接合材を接合界面に設けてガラス接合等を行う場合、接合温度は６００℃以上１３００℃以下となる。
【００４５】
よって、この接合温度を超える耐熱温度を有する熱電対、例えば、ＪＩＳ Ｃ１６０２−１９９５に規定のＢ熱電対（Ｐｔ−Ｒｈ合金、耐熱温度１８２０℃）、Ｒ熱電対及びＳ熱電対（共にＰｔ−Ｒｈ合金／Ｐｔ、耐熱温度１７６０℃）、Ｋ熱電対（Ｎｉ−Ｃｒ合金／Ｎｉ合金、耐熱温度９５０℃）、Ｎ熱電対（共にＮｉ−Ｃｒ−Ｓｉ合金／Ｎｉ−Ｓｉ合金、耐熱温度１２５０℃）を使用することができる。また、Ｗ−Ｒｅ系熱電対（耐熱温度２４００度）、Ｉｒ−Ｒｈ系熱電対（Ｉｒ−４０％Ｒｈ／Ｉｒ−５０％Ｒｈ、耐熱温度２０００℃）を適宜選択して使用することもできる。
【００４６】
Ｂ熱電対は、耐熱温度が高いだけでなく、１５０℃から高精度の測温が可能であり、特に好ましい。Ｗ−Ｒｅ系熱電対は、耐熱温度は最も高いが、高温酸化雰囲気では酸化されるため、真空、不活性、還元雰囲気で使用することが好ましい。Ｗ−Ｒｅ系熱電対として、具体的には、Ｗ／Ｗ−Ｒｅ２６％、Ｗ−Ｒｅ５％／Ｗ−Ｒｅ２６％、Ｗ−Ｒｅ３％／Ｗ−Ｒｅ２６％などの熱電対を使用することができる。
【００４７】
また、載置板２とシャフト５が炭化珪素を主成分とするセラミックスからなる場合、載置板２とシャフト５とは拡散接合により接合され、その接合温度は１８００℃以上２０００℃以下である。
【００４８】
よって、この接合温度を超える耐熱温度を有する熱電対、例えば、Ｗ−Ｒｅ系熱電対（耐熱温度２４００度）、Ｉｒ−Ｒｈ系熱電対（Ｉｒ−４０％Ｒｈ／Ｉｒ−５０％Ｒｈ、耐熱温度２０００℃）を使用することができる。
なお、ガラス接合の場合は、窒化アルミニウム又はアルミナを主成分とするセラミックスの場合と同様に、接合温度は６００℃以上１３００℃以下であり、上述した熱電対を適宜選択して使用することができる。
【００４９】
発熱抵抗体３Ａ、３Ｂとそれぞれ接続させて予め埋設した接続端子６を下面２ｂに露出させ、これら接続端子６に端子７がろう付け又は溶接されている。接続端子６はモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）などからなるものである。
【００５０】
端子７は、箔、板、塊状の耐熱金属から構成することができる。好適な耐熱金属として、ニッケル（Ｎｉ）、コバール（登録商標）（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、又はモリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）を主成分とする耐熱合金を挙げることができる端子７が線膨張係数の小さい耐熱金属からなるので、端子７を埋設した箇所近傍の残留応力を小さくすることができ、端子７を５ｍｍ以上１０ｍｍ以下（ニッケルからなる場合は、７ｍｍ以上１０ｍｍ以下）の間隔（端子外周部間の距離）で設置することができる。これにより、端子７の設置面積を小さくでき、シャフト５の内径を小さくすることが可能となる。
【００５１】
発熱抵抗体３Ａ、３Ｂに接続される端子７には給電線（配線）８がそれぞれ接続されている。これら給電線８はシャフト５の中空部を通っている。熱電対４Ａ，４Ｂ及び給電線８は、シャフト５の中空部を通り、図示しないコネクタ、フランジなどを介して、図示しない温度制御装置に接続されている。
【００５２】
温度制御装置は、熱電対４Ａ，４Ｂがそれぞれ発生する起電力に基づいて、加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの温度を検出する。そして、温度制御装置は、この検出した温度を参照して、図示しない給電源から各給電線８を介して発熱抵抗体３Ａ，３Ｂに供給される電力を制御することにより、発熱抵抗体３Ａ，３Ｂでの発熱を調整して、加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの温度を調整するように構成されている。
【００５３】
次に、本発明の実施形態に係るセラミックスヒータ１の製造方法について説明する。
【００５４】
セラミックスヒータ１の製造方法は、発熱抵抗体３Ａ，３Ｂを内部に埋設した平板状のセラミックス成形体を焼結して載置板２を形成する工程と、中空のセラミックス成形体を焼結してシャフト５を形成する工程と、載置板２の下面に凹部２ｃ及び溝２ｄを形成する工程と、測温素子４Ｂを溝２ｄの内部に配置した状態で、載置板２とシャフト５とを接合して、溝２ｄを載置板２及びシャフト５で覆う工程とを備えている。なお、凹部２ｃ及び溝２ｄは、焼結後の載置板２に機械加工によって形成される。
【００５５】
次に、本発明の実施形態の変形に係るセラミックスヒータ１Ａについて説明する。図３に示すように、セラミックスヒータ１Ａは、前述したセラミックスヒータ１と類似するので、相違点のみを説明する。
【００５６】
まず、セラミックスヒータ１Ａは、前述したセラミックスヒータ１と比較して、載置板２Ａの下面に形成された溝２ｅと連続して形成された穴２ｆの内部に、熱電対４Ｂの測温接点４ｂが配置され、図４を参照して、熱電対４Ｂを構成する１対の熱電対素線が別々に配置されるように、溝２ｅが分割されている点が異なる。
【００５７】
このように、溝２ｅより小さく形成された穴２ｆに測温接点４ｂを配置することにより、測温接点４ｂを所定の位置に確実に安定的に配置することが可能となる。特に、穴２ｆを測温接点４ｂと概略同一の大きさに形成することにより、測温接点４ｂを固定する手段を省略することも可能となる。また、分割された溝２ｅのそれぞれに熱電対素線が配置されているので、各熱電対素線が電気的に接続することを確実に防止することができる。なお、穴２ｆは、溝２ｅを機械加工で形成した後に、機械加工で形成される。
【００５８】
さらに、熱電対４Ｂと溝２ｅとの隙間にスペーサ９を挟み込み、この隙間を埋めている。これにより、測温接点４ｂを所定の位置にさらに確実に安定的に配置することが可能となる。
【００５９】
また、セラミックスヒータ１Ａは、前述したセラミックスヒータ１と比較して、１つの端子７が２つの発熱抵抗体３Ａ、３Ｂに接続されたコモン端子となっている点も異なる。
【００６０】
このように、コモン端子を設けることにより、端子７及び給電線８の数を削減することができる。発熱抵抗体３がｎ個の場合、各発熱抵抗体３に接続される２つの端子７のうちの一方の端子７をコモン端子として共有することにより、端子７及び給電線８の数を２ｎ個から（ｎ＋１）個に削減することができる。これにより、シャフト５の内径及び軸部５ａの外径を細くすることが可能となる。
【００６１】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、２つの加熱ゾーンＺＡ，ＺＢを有するマルチゾーンヒータを例に挙げて実施形態を説明したが、これに限定されない。例えば、３つ以上の加熱ゾーンを有するマルチゾーンヒータや１つの加熱ゾーンしか有さないシングルゾーンヒータであってもよい。例えば、シングルゾーンヒータの場合、複数の熱電対で測温して平均値を算出することによって正確な測温が可能となる。
【００６２】
また、溝２ｄ，２ｅの下方をシャフト５の拡大部５ｂで覆う場合を例に挙げて実施形態を説明したが、これに限定されない。例えば、シャフト５や載置板２とは別個のセラミックス焼結体を用意して、このセラミックス焼結体で溝２ｄ，２ｅの下方を覆うように、シャフト５と載置板２との接合時に同時に接合するものであってもよい。
【００６３】
また、載置板２，２Ａの下面に溝２ｄ，２ｅを形成する場合を例に挙げて実施形態を説明したが、これに限定されない。例えば、シャフト５の上面に溝を形成してもよい。また、載置板２，２Ａの下面及びシャフト５の上面にそれぞれ溝を形成して、載置板２，２Ａとシャフト５との接合により、これらの溝が一体化するように構成してもよい。
【００６４】
また、熱電対４Ａ，４Ｂを用いる場合を例に挙げて実施形態を説明したが、これに限定されない。耐熱温度が接合温度を超えるものであれば、任意の測温素子を用いてもよい。
【実施例】
【００６５】
次に実施例を示して、本発明をさらに詳細に説明する。
【００６６】
（実施例１）
載置板２のセラミックスとして主原料に窒化アルミニウム、添加物として酸化イットリウムを加え、公知の製造方法で原料粉末を調整したものを用いた。熱電対４Ａ，４ＢとしてＢ熱電対を用いた。これらの具体的な埋設方法は、原料粉末のプレス成形体にモリブデンからなる発熱抵抗体３Ａ，３Ｂを設置して、その上に原料粉末を投入してプレス成形することにより、セラミックス粉末に、発熱抵抗体が埋設された成形体を得た。そして、この成形体を、還元雰囲気のホットプレスで焼成温度を１８００℃として焼成した。得られた焼結体を加工し、φ２１０×１０ｍｍの円盤状の載置板２とした。この載置板２の下面に直径４０ｍｍ深さ２ｍｍの凹部２ｃと幅３ｍｍ深さ２ｍｍの溝２ｄを機械加工で形成した。
【００６７】
凹部２ｃにＢ熱電対４Ａを、溝２ｄにＢ熱電対４Ｂを挿入し、それぞれの測温端子４ａ，４ｂを押さえ部品でネジ止めで固定した。発熱抵抗体３Ａ，３Ｂの露出した端部にコバール製の端子７をろう付けで固定した。熱電対４Ａ，４ＢはＢ熱電対を使用した。
【００６８】
シャフト５は、窒化アルミニウムのみを用いて載置板２と同一条件で焼結して、内径５０ｍｍ、高さ２００ｍｍで、軸部５ａが外径６０ｍｍ、拡大部５ｂが外径８０ｍｍ、厚み８ｍｍとした焼結体を得た。
【００６９】
載置板２とシャフト５とは拡散接合により接合した。この接合温度は１６００℃であった。このようにして載置板２にシャフト５が接合されたセラミックスヒータ１を得た。なお、載置板２を構成する窒化アルミニウムの体積抵抗率を測定したところ、セラミックスヒータ１の使用温度範囲１００℃〜８００℃において、１０Ｅ＋０８Ω・ｃｍ以上であった。
【００７０】
真空チャンバーにセラミックスヒータ１を設置し、まず、加熱ゾーンＺＡの設定温度を４００℃、加熱ゾーンＺＢの設定温度を４５０℃として加熱を試みた。熱電対４Ａ，４Ｂにより測温し、得られた温度を基に出力調整を行って外部電源より電力を給電線７に供給した。サーモグラフにより載置面２ａの温度を測定したところ、加熱ゾーンＺＡが４００℃、加熱ゾーンＺＢが４４８℃となり、中心部から外周部にかけて傾斜状の温度分布が得られた。次に、加熱ゾーンＺＡ，ＺＢ部の設定温度を共に５００℃として加熱したところ、載置面２ａの温度分布は設定温度からの差が１％以下となった。
【００７１】
（実施例２）
実施例２では、熱電対４Ａ，４ＢとしてＷ−Ｒｅ熱電対を用いた点を除いて、実施例１と同様にしてセラミックスヒータ１を得た。実施例１と同様の設定温度として、加熱を試みたところ、実施例１と同様の結果が得られた。
【００７２】
（実施例３）
実施例３では、載置板２とシャフト５との接合をガラス接合方式に変更し、熱電対４Ａ，４ＢとしてＫ熱電対を用いた点を除いて、実施例１と同様にしてセラミックスヒータ１を得た。接合温度８５０℃であった。
【００７３】
（実施例４）
実施例３では、載置板２とシャフト５との接合をガラス接合方式に変更し、熱電対４Ａ，４ＢとしてインコネルシースのＫ熱電対を用いた点を除いて、実施例１と同様にしてセラミックスヒータ１を得た。接合温度８５０℃であった。
実施例１と同様の設定温度として、加熱を試みたところ、実施例１と同様の結果が得られた。
【００７４】
上記の実施例１〜４で示したように、発熱抵抗体３Ａ，３Ｂを埋設した載置板２にシャフト５を接合する際に、溝２ｄの内部に熱電対４Ｂを配置することによって製造されたセラミックスヒータ１を用いることにより、各加熱ゾーンＺＡ、ＺＢを測温することができ、載置面２の温度分布を均一化及び傾斜化できることが確認された。また、セラミックスヒータ１の測温部位及び装置構造の制約が少なくなり、装置を大幅に簡略化することができた。
【符号の説明】
【００７５】
１，１Ａ…セラミックスヒータ、 ２，２Ａ…載置板、 ２ａ…上面、 ２ｂ…下面、 ２ｃ…凹部、 ２ｄ，２ｅ…溝、 ２ｆ…穴、 ３Ａ，３Ｂ…発熱抵抗体、 ４Ａ，４Ｂ…熱電対（測温素子）、 ４ａ，４ｂ…測温接点、 ５…シャフト、 ５ａ…軸部、 ５ｂ…拡大部、 ６…接続端子、 ７…端子、 ８…給電線（配線）、 ９…スペーサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハなどの被加熱物を加熱、支持するセラミックスヒータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハ等の被加熱物の製膜やエッチングを均質化するためには、被加熱物を加熱、支持する載置板の加熱ゾーンごとに温度制御が可能なセラミックスヒータが必要となる。そこで、各加熱ゾーンにそれぞれ発熱抵抗体を埋設して、各発熱抵抗体の発熱を独立して制御するマルチゾーンヒータが提案されている（例えば特許文献１参照）。マルチゾーンヒータは、各加熱ゾーンで独立した温度制御が可能であり、従来のシングルゾーンヒータと比較して載置面の温度分布の均一化や傾斜化を精度良く行うことができる。
【０００３】
マルチゾーンヒータは、加熱ゾーンごとに測温する必要があるが、測温素子としての熱電対を載置板を支持するシャフトの中空部より外側に配置することは困難である。特許文献２には、内部に熱電対を埋設したセラミックス成形体を焼成して載置板を形成することにより、シャフトより外側に熱電対を配置することが記載されている。また、引用文献２には、焼成された載置板に機械加工で穴を開け、この穴に熱電対を挿入した後、載置板とシャフトとをボルトで接合することも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３１９５９３号公報
【特許文献２】特開２００９−００９７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、内部に熱電対を埋設したセラミックス成形体を焼成して載置板を形成する場合、耐熱温度が焼成温度を超える熱電対を使用する必要がある。そのため、使用可能な熱電対が限定され、高精度で安価な熱電対を使用することができないという不都合があった。
【０００６】
その場合は、焼結後に形成した穴に熱電対を挿入した後、載置板とシャフトとをボルトで接合する方法を採用する必要があった。しかし、この場合、加熱のサイクルによりルトの緩みが生じ、載置板とシャフトの締結部からリークが生じるおそれがあった。
【０００７】
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、使用可能な測温素子の幅が広がり、高精度で安価にシャフトの中空部より外側での載置板の測温が可能となり、載置板とシャフトが一体的に接合されたセラミックスヒータ及びその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のセラミックスヒータは、上面に被加熱物が載置され、セラミックスからなる載置板と、該載置板の内部に埋設された複数の発熱抵抗体と、前記載置板の下面に接合され、セラミックスからなる中空のシャフトと、前記複数の発熱抵抗体の下方に配置された複数の測温素子とを備え、前記載置板の下面又は前記シャフトの上面の少なくとも一方に形成され、前記載置板及び前記シャフトで覆われた溝の内部に、前記複数の測温素子のうち少なくとも１つの測温素子が配置されることを特徴とする。
【０００９】
本発明のセラミックスヒータによれば、溝の内部に配置された測温素子によって、当該測温素子の上方に配置された発熱抵抗体により加熱される載置板の領域を測温することができる。そして、シャフトの中空部より外側に溝を延在させ、その溝の内部に測温素子を配置することによりシャフトの中空部より外側の領域を測温することができる。
【００１０】
さらに、載置板とシャフトとを接合する際に溝の内部に測温素子を配置すればよいので、測温素子の耐熱温度は接合温度を超えていればよい。よって、測温素子が埋設された状態で焼成される従来の場合に比較して、耐熱温度の低い測温素子を使用することができ、高精度で安価に測温することが可能となる。
【００１１】
なお、前記載置板及び前記シャフトはそれぞれ別個に形成されたセラミックス焼結体からなることが好ましい。そして、載置板とシャフトとは接合によって一体化されているので、載置板とシャフトの締結部からリークが生じるおそれがない。
【００１２】
また、測温素子同士が電気的に接触しないように、前記溝の内部には１つの測温素子のみが配置され、異なる測温素子が挿入される溝は独立していることが好ましい。なお、溝が独立するとは、溝が互いに少なくとも立体的に交差も接続もしていないことを意味する。
【００１３】
また、耐熱温度が接合温度を超える必要があるので、前記測温素子は熱電対であることが好ましい。
【００１４】
また、前記熱電対を構成する１対の熱電対素線が別々に配置されるように、前記溝が分割されていることが好ましい。この場合、各熱電対素線が測温接点以外で電気的に接触することを確実に防止することができる。
【００１５】
また、前記溝と連続して形成された穴の内部に、前記熱電対の測温接点が配置されることが好ましい。この場合、測温接点が配置される穴を溝より小さくすることにより、測温接点を所定の位置に確実に安定的に配置することが可能となる。
【００１６】
また、前記溝は、前記発熱抵抗体から０．５ｍｍ以上離れていることが好ましい。一般的に、測温素子の起電力は発熱抵抗体に印加される電圧に比べて小さいのが、このような間隔を確保することにより、測温素子が発生する起電力が受ける干渉が小さくなり、精度良く測温することが可能となる。
【００１７】
また、前記載置板はＡｌＮを主成分としたセラミックスからなることが好ましい。このようなセラミックスは熱伝導性が高く温度追従性に優れるので、載置板の加熱応答性及び均熱性が良好となる。
【００１８】
また、前記載置板及び前記シャフトが、ＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３を主成分としたセラミックスからなる場合、拡散接合で接合すると、接合温度は１２００℃以上１６５０℃以下となるので、前記熱電対はＪＩＳ Ｃ１６０２−１９９５に規定のＢ、Ｒ、Ｓ熱電対の何れかとすればよい。また、ガラス質等の接合材を接合界面に設けて接合すると、接合温度は６００℃以上１３００℃以下となり、前記熱電対としてＪＩＳ Ｃ１６０２−１９９５に規定のＫ、Ｎ熱電対も使用することができる。
【００１９】
また、前記載置板及び前記シャフトがＳｉＣを主成分としたセラミックスからなる場合、拡散接合で接合すると、接合温度は１８００℃以上２０００℃以下となるので、前記熱電対はＷ−Ｒｅ系熱電対とすればよい。
【００２０】
また、前記発熱抵抗体に接続され、前記シャフトの中空部内に露出して前記載置板に配置される端子と、前記端子に接続され、前記シャフトの中空部内を通る配線とを備えることが好ましい。この場合、シャフトの中空部での配線構造が簡易化する。
【００２１】
また、前記端子のうち少なくも１つの端子が複数の発熱抵抗体に接続されることが好ましい。この場合、シャフトの中空部を通る配線の本数が減少し、シャフトの内径を小さくすることが可能となる。
【００２２】
また、前記端子は、その間隔が５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、その材質がＮｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ又はＭｏ及びＷを主成分とする合金であることが好ましい。これにより、端子の設置面積が小さくでき、シャフトの内径を小さくすることが可能となる。
【００２３】
本発明のセラミックスヒータの製造方法は、複数の発熱抵抗体を内部に埋設した平板状のセラミックス成形体を焼結して載置板を形成する工程と、中空のセラミックス成形体を焼結してシャフトを形成する工程と、前記載置板の前記シャフトとの接合面又は前記シャフトの前記載置板との接合面の少なくとも一方に溝を形成する工程と、少なくとも１つの測温素子を前記溝の内部に配置した状態で、前記載置板と前記シャフトとを接合して、前記溝を前記載置板及び前記シャフトで覆う工程とを備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明のセラミックスヒータの製造方法によれば、載置板及びシャフトで覆われた溝の内部に測温素子が配置されており、この測温素子によって当該測温素子の上方に配置された発熱抵抗体により加熱される載置板の領域を測温することができる。そして、シャフトの中空部より外側に溝を延在させ、この溝の内部に測温素子を配置することによって、シャフトの中空部より外側の領域を測温することができる。
【００２５】
さらに、載置板とシャフトとを接合する際に溝の内部に測温素子が配置されるので、測温素子の耐熱温度は接合温度を超えていればよい。よって、測温素子が埋設した状態で焼結される従来の場合と比較して、耐熱温度の低い測温素子を使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係るセラミックスヒータの模式縦断面図。
【図２】図１のII−II線矢視模式断面図。
【図３】本発明の実施形態の変形に係るセラミックスヒータの模式縦断面図。
【図４】図３のIV−IV線矢視模式断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の実施形態に係るセラミックスヒータ１について説明する。
【００２８】
図１に示すように、セラミックスヒータ１は、半導体ウエハなどの被加熱物を載置される一方の主面である上面（載置面）２ａを有し、セラミックスからなる載置板２、載置板２の内部に埋設された発熱抵抗体３Ａ、３Ｂ、発熱抵抗体３Ａ，３Ｂの下方に配置された熱電対４Ａ，４Ｂ、及び、載置板２の他方の主面である下面（接合面）２ｂに接合され、セラミックスからなる中空のシャフト５を備えたマルチゾーンヒータである。
【００２９】
なお、セラミックスヒータ１は、さまざまな半導体製造プロセスにおいて使用される半導体製造装置（例えば、成膜装置、エッチング装置、クリーニング装置、検査装置）のためのセラミックス製品として適用され得る。
【００３０】
載置板２は、ここでは、円盤状のセラミックス焼成体であり、使用温度における体積抵抗率が１０Ｅ＋０８Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。このような物性を有するセラミックスとして、窒化アルニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化ホウ素（ＢＮ）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、石英を主成分とし、焼結助剤などの副成分を適宜含むものが好適である。
【００３１】
特に窒化アルミニウムを主成分とする高熱伝導性セラミックスは、熱伝導性が８０Ｗ／ｍ・Ｋから１７０Ｗ／ｍ・Ｋと高く温度追従性に優れるので、良好な加熱応答性や均熱性が求められるセラミックスヒータ１の載置板２の材料とすることが好適である。一方、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスは、熱伝導率が低いので、載置面に傾斜状に温度勾配を持たせることが求められるセラミックスヒータ１の載置板２の材料とすることが好適である。
【００３２】
発熱抵抗体３Ａ、３Ｂは、詳細は図示しないが、載置板２の内部に配置されている。発熱抵抗体３Ａは、載置板２の中央部に埋設されており、載置面２ａの中央部の加熱ゾーンＺＡを加熱する。発熱抵抗体３Ｂは、載置板２の外周部に埋設されており、載置面２ａの外周部の加熱ゾーンＺＢを加熱する。なお、加熱ゾーンＺＡ，ＺＢは、ここでは同心円状に隣接しているが、これに限定されない。図２には、加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの境界を一点鎖線で示している。
【００３３】
発熱抵抗体３Ａ，３Ｂは、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）等の耐熱金属などを用いて、箔、板、線、メッシュ、繊維状など公知の任意の形状に形成されている。
【００３４】
熱電対４Ａは、載置板２の下面２ｂの略中央部に形成された凹部２ｃ内に配置されている。そして、熱電対４Ａの測温接点４ａは、凹部２ｃの上面に、図示しない押さえ部品をネジ止めすることによって固定されており、加熱ゾーンＺＡの下方に位置している。
【００３５】
熱電対４Ｂは、載置板２の下面２ｂに中央部から外周部に直線状に延びるように形成された溝２ｄの内部に配置されている。熱電対４Ｂの測温接点４ｂは、溝２ｄの外周側の端部付近の上面に静置されており、加熱ゾーンＺＢの下方に位置している。溝２ｄには、熱電対４Ｂの１対の熱電対素線が共に挿入されている。なお、溝２ｄは、直線状に延びるものに限定されず、屈曲などをしていてもよい。
【００３６】
熱電対４Ｂは、載置板２とシャフト５との接合時に、溝２ｄに配置されるので、熱電対を多数設ける場合であっても、異なる熱電対が挿入される溝が交差も接続もしないように、互いに独立した溝を形成することにより、互いに接触することなく熱電対を配置することができる。
【００３７】
熱電対４Ａ，４Ｂの測温接点４ａ，４ｂは、加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの中心付近の下方に設けることが好ましいが、これに限定されない。加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの中心付近の下方に測温接点４ａ，４ｂを設ければ、当該加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの温度をより正確に測定することができる。また、熱電対４Ａ，４Ｂを、加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの下方に複数設けて、当該加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの平均温度を算出するように構成すれば、当該加熱領域ＺＡ，ＺＡの温度を正確に求めることができる。
【００３８】
なお、発熱抵抗体３Ａ，３Ｂと凹部２ｃ及び溝２ｄとの間隔は、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、さらに好ましくは２．０ｍｍ以上である。熱電対４Ａ，４Ｂの起電力は発熱抵抗体３Ａ，３Ｂに印加される電圧に比べて小さいので、このような間隔を確保することにより、熱電対４Ａ，４Ｂが発生する起電力が受ける干渉が小さくなり、精度良く測温することが可能となる。
【００３９】
シャフト５は、載置板２の下面２ｂの中心部に接合された中空のセラミックス焼結体である。載置板２とシャフト５とは、拡散接合やセラミックス、ガラス等の接合材による固層接合により接合されている。
【００４０】
シャフト５は、ここでは、円筒形状であり、載置板２との接合部分の外径が他の軸部５ａより拡大した拡大部５ｂを有し、拡大部５ｂの上面が載置板２との接合面となる。溝２ｄは、拡大部５ｂにより下方を完全に覆われており、外部に開放されていない。
【００４１】
シャフト５の材質は、載置板２の材質と同等でよいが、断熱性を高めるために、載置板２の素材より熱伝導率の低い素材を用いてもよい。なお、軸部５ａの断面外形は、円形に限定されず、例えば、楕円形、多角形などであってもよい。また、拡大部５ｂの断面外形は、円形に限定されず、溝２ｄの下方を完全に覆うものであれば、任意の形状とすることができる。
【００４２】
シャフト５は、図示しないが、適宜フランジなどを介して真空チャンバーに接続されており、シャフト５の中空部が真空チャンバーの内部と同じ雰囲気にするように構成されている。フランジを用いることにより、酸化に弱いＷ−Ｒｅ合金系の熱電対４Ａ，４Ｂをシャフト５の中空部に露出させることができる。
【００４３】
熱電対４Ａ，４Ｂは、載置板２とシャフト５との接合と同時に設けられる。そのため、接合温度を超える耐熱温度を有する熱電対４Ａ，４Ｂを選択する必要がある。
【００４４】
例えば、載置板２とシャフト５が窒化アルミニウム又はアルミナを主成分とするセラミックスからなる場合、載置板２とシャフト５とは接合材を使用しない拡散接合により接合され、その接合温度は１２００℃以上１６５０℃以下である。ガラス質等の接合材を接合界面に設けてガラス接合等を行う場合、接合温度は６００℃以上１３００℃以下となる。
【００４５】
よって、この接合温度を超える耐熱温度を有する熱電対、例えば、ＪＩＳ Ｃ１６０２−１９９５に規定のＢ熱電対（Ｐｔ−Ｒｈ合金、耐熱温度１８２０℃）、Ｒ熱電対及びＳ熱電対（共にＰｔ−Ｒｈ合金／Ｐｔ、耐熱温度１７６０℃）、Ｋ熱電対（Ｎｉ−Ｃｒ合金／Ｎｉ合金、耐熱温度９５０℃）、Ｎ熱電対（共にＮｉ−Ｃｒ−Ｓｉ合金／Ｎｉ−Ｓｉ合金、耐熱温度１２５０℃）を使用することができる。また、Ｗ−Ｒｅ系熱電対（耐熱温度２４００度）、Ｉｒ−Ｒｈ系熱電対（Ｉｒ−４０％Ｒｈ／Ｉｒ−５０％Ｒｈ、耐熱温度２０００℃）を適宜選択して使用することもできる。
【００４６】
Ｂ熱電対は、耐熱温度が高いだけでなく、１５０℃から高精度の測温が可能であり、特に好ましい。Ｗ−Ｒｅ系熱電対は、耐熱温度は最も高いが、高温酸化雰囲気では酸化されるため、真空、不活性、還元雰囲気で使用することが好ましい。Ｗ−Ｒｅ系熱電対として、具体的には、Ｗ／Ｗ−Ｒｅ２６％、Ｗ−Ｒｅ５％／Ｗ−Ｒｅ２６％、Ｗ−Ｒｅ３％／Ｗ−Ｒｅ２６％などの熱電対を使用することができる。
【００４７】
また、載置板２とシャフト５が炭化珪素を主成分とするセラミックスからなる場合、載置板２とシャフト５とは拡散接合により接合され、その接合温度は１８００℃以上２０００℃以下である。
【００４８】
よって、この接合温度を超える耐熱温度を有する熱電対、例えば、Ｗ−Ｒｅ系熱電対（耐熱温度２４００度）、Ｉｒ−Ｒｈ系熱電対（Ｉｒ−４０％Ｒｈ／Ｉｒ−５０％Ｒｈ、耐熱温度２０００℃）を使用することができる。
なお、ガラス接合の場合は、窒化アルミニウム又はアルミナを主成分とするセラミックスの場合と同様に、接合温度は６００℃以上１３００℃以下であり、上述した熱電対を適宜選択して使用することができる。
【００４９】
発熱抵抗体３Ａ、３Ｂとそれぞれ接続させて予め埋設した接続端子６を下面２ｂに露出させ、これら接続端子６に端子７がろう付け又は溶接されている。接続端子６はモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）などからなるものである。
【００５０】
端子７は、箔、板、塊状の耐熱金属から構成することができる。好適な耐熱金属として、ニッケル（Ｎｉ）、コバール（登録商標）（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、又はモリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）を主成分とする耐熱合金を挙げることができる端子７が線膨張係数の小さい耐熱金属からなるので、端子７を埋設した箇所近傍の残留応力を小さくすることができ、端子７を５ｍｍ以上１０ｍｍ以下（ニッケルからなる場合は、７ｍｍ以上１０ｍｍ以下）の間隔（端子外周部間の距離）で設置することができる。これにより、端子７の設置面積を小さくでき、シャフト５の内径を小さくすることが可能となる。
【００５１】
発熱抵抗体３Ａ、３Ｂに接続される端子７には給電線（配線）８がそれぞれ接続されている。これら給電線８はシャフト５の中空部を通っている。熱電対４Ａ，４Ｂ及び給電線８は、シャフト５の中空部を通り、図示しないコネクタ、フランジなどを介して、図示しない温度制御装置に接続されている。
【００５２】
温度制御装置は、熱電対４Ａ，４Ｂがそれぞれ発生する起電力に基づいて、加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの温度を検出する。そして、温度制御装置は、この検出した温度を参照して、図示しない給電源から各給電線８を介して発熱抵抗体３Ａ，３Ｂに供給される電力を制御することにより、発熱抵抗体３Ａ，３Ｂでの発熱を調整して、加熱ゾーンＺＡ，ＺＢの温度を調整するように構成されている。
【００５３】
次に、本発明の実施形態に係るセラミックスヒータ１の製造方法について説明する。
【００５４】
セラミックスヒータ１の製造方法は、発熱抵抗体３Ａ，３Ｂを内部に埋設した平板状のセラミックス成形体を焼結して載置板２を形成する工程と、中空のセラミックス成形体を焼結してシャフト５を形成する工程と、載置板２の下面に凹部２ｃ及び溝２ｄを形成する工程と、測温素子４Ｂを溝２ｄの内部に配置した状態で、載置板２とシャフト５とを接合して、溝２ｄを載置板２及びシャフト５で覆う工程とを備えている。なお、凹部２ｃ及び溝２ｄは、焼結後の載置板２に機械加工によって形成される。
【００５５】
次に、本発明の実施形態の変形に係るセラミックスヒータ１Ａについて説明する。図３に示すように、セラミックスヒータ１Ａは、前述したセラミックスヒータ１と類似するので、相違点のみを説明する。
【００５６】
まず、セラミックスヒータ１Ａは、前述したセラミックスヒータ１と比較して、載置板２Ａの下面に形成された溝２ｅと連続して形成された穴２ｆの内部に、熱電対４Ｂの測温接点４ｂが配置され、図４を参照して、熱電対４Ｂを構成する１対の熱電対素線が別々に配置されるように、溝２ｅが分割されている点が異なる。
【００５７】
このように、溝２ｅより小さく形成された穴２ｆに測温接点４ｂを配置することにより、測温接点４ｂを所定の位置に確実に安定的に配置することが可能となる。特に、穴２ｆを測温接点４ｂと概略同一の大きさに形成することにより、測温接点４ｂを固定する手段を省略することも可能となる。また、分割された溝２ｅのそれぞれに熱電対素線が配置されているので、各熱電対素線が電気的に接続することを確実に防止することができる。なお、穴２ｆは、溝２ｅを機械加工で形成した後に、機械加工で形成される。
【００５８】
さらに、熱電対４Ｂと溝２ｅとの隙間にスペーサ９を挟み込み、この隙間を埋めている。これにより、測温接点４ｂを所定の位置にさらに確実に安定的に配置することが可能となる。
【００５９】
また、セラミックスヒータ１Ａは、前述したセラミックスヒータ１と比較して、１つの端子７が２つの発熱抵抗体３Ａ、３Ｂに接続されたコモン端子となっている点も異なる。
【００６０】
このように、コモン端子を設けることにより、端子７及び給電線８の数を削減することができる。発熱抵抗体３がｎ個の場合、各発熱抵抗体３に接続される２つの端子７のうちの一方の端子７をコモン端子として共有することにより、端子７及び給電線８の数を２ｎ個から（ｎ＋１）個に削減することができる。これにより、シャフト５の内径及び軸部５ａの外径を細くすることが可能となる。
【００６１】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、２つの加熱ゾーンＺＡ，ＺＢを有するマルチゾーンヒータを例に挙げて実施形態を説明したが、これに限定されない。例えば、３つ以上の加熱ゾーンを有するマルチゾーンヒータや１つの加熱ゾーンしか有さないシングルゾーンヒータであってもよい。例えば、シングルゾーンヒータの場合、複数の熱電対で測温して平均値を算出することによって正確な測温が可能となる。
【００６２】
また、溝２ｄ，２ｅの下方をシャフト５の拡大部５ｂで覆う場合を例に挙げて実施形態を説明したが、これに限定されない。例えば、シャフト５や載置板２とは別個のセラミックス焼結体を用意して、このセラミックス焼結体で溝２ｄ，２ｅの下方を覆うように、シャフト５と載置板２との接合時に同時に接合するものであってもよい。
【００６３】
また、載置板２，２Ａの下面に溝２ｄ，２ｅを形成する場合を例に挙げて実施形態を説明したが、これに限定されない。例えば、シャフト５の上面に溝を形成してもよい。また、載置板２，２Ａの下面及びシャフト５の上面にそれぞれ溝を形成して、載置板２，２Ａとシャフト５との接合により、これらの溝が一体化するように構成してもよい。
【００６４】
また、熱電対４Ａ，４Ｂを用いる場合を例に挙げて実施形態を説明したが、これに限定されない。耐熱温度が接合温度を超えるものであれば、任意の測温素子を用いてもよい。
【実施例】
【００６５】
次に実施例を示して、本発明をさらに詳細に説明する。
【００６６】
（実施例１）
載置板２のセラミックスとして主原料に窒化アルミニウム、添加物として酸化イットリウムを加え、公知の製造方法で原料粉末を調整したものを用いた。熱電対４Ａ，４ＢとしてＢ熱電対を用いた。これらの具体的な埋設方法は、原料粉末のプレス成形体にモリブデンからなる発熱抵抗体３Ａ，３Ｂを設置して、その上に原料粉末を投入してプレス成形することにより、セラミックス粉末に、発熱抵抗体が埋設された成形体を得た。そして、この成形体を、還元雰囲気のホットプレスで焼成温度を１８００℃として焼成した。得られた焼結体を加工し、φ２１０×１０ｍｍの円盤状の載置板２とした。この載置板２の下面に直径４０ｍｍ深さ２ｍｍの凹部２ｃと幅３ｍｍ深さ２ｍｍの溝２ｄを機械加工で形成した。
【００６７】
凹部２ｃにＢ熱電対４Ａを、溝２ｄにＢ熱電対４Ｂを挿入し、それぞれの測温端子４ａ，４ｂを押さえ部品でネジ止めで固定した。発熱抵抗体３Ａ，３Ｂの露出した端部にコバール製の端子７をろう付けで固定した。熱電対４Ａ，４ＢはＢ熱電対を使用した。
【００６８】
シャフト５は、窒化アルミニウムのみを用いて載置板２と同一条件で焼結して、内径５０ｍｍ、高さ２００ｍｍで、軸部５ａが外径６０ｍｍ、拡大部５ｂが外径８０ｍｍ、厚み８ｍｍとした焼結体を得た。
【００６９】
載置板２とシャフト５とは拡散接合により接合した。この接合温度は１６００℃であった。このようにして載置板２にシャフト５が接合されたセラミックスヒータ１を得た。なお、載置板２を構成する窒化アルミニウムの体積抵抗率を測定したところ、セラミックスヒータ１の使用温度範囲１００℃〜８００℃において、１０Ｅ＋０８Ω・ｃｍ以上であった。
【００７０】
真空チャンバーにセラミックスヒータ１を設置し、まず、加熱ゾーンＺＡの設定温度を４００℃、加熱ゾーンＺＢの設定温度を４５０℃として加熱を試みた。熱電対４Ａ，４Ｂにより測温し、得られた温度を基に出力調整を行って外部電源より電力を給電線７に供給した。サーモグラフにより載置面２ａの温度を測定したところ、加熱ゾーンＺＡが４００℃、加熱ゾーンＺＢが４４８℃となり、中心部から外周部にかけて傾斜状の温度分布が得られた。次に、加熱ゾーンＺＡ，ＺＢ部の設定温度を共に５００℃として加熱したところ、載置面２ａの温度分布は設定温度からの差が１％以下となった。
【００７１】
（実施例２）
実施例２では、熱電対４Ａ，４ＢとしてＷ−Ｒｅ熱電対を用いた点を除いて、実施例１と同様にしてセラミックスヒータ１を得た。実施例１と同様の設定温度として、加熱を試みたところ、実施例１と同様の結果が得られた。
【００７２】
（実施例３）
実施例３では、載置板２とシャフト５との接合をガラス接合方式に変更し、熱電対４Ａ，４ＢとしてＫ熱電対を用いた点を除いて、実施例１と同様にしてセラミックスヒータ１を得た。接合温度８５０℃であった。
【００７３】
（実施例４）
実施例３では、載置板２とシャフト５との接合をガラス接合方式に変更し、熱電対４Ａ，４ＢとしてインコネルシースのＫ熱電対を用いた点を除いて、実施例１と同様にしてセラミックスヒータ１を得た。接合温度８５０℃であった。
実施例１と同様の設定温度として、加熱を試みたところ、実施例１と同様の結果が得られた。
【００７４】
上記の実施例１〜４で示したように、発熱抵抗体３Ａ，３Ｂを埋設した載置板２にシャフト５を接合する際に、溝２ｄの内部に熱電対４Ｂを配置することによって製造されたセラミックスヒータ１を用いることにより、各加熱ゾーンＺＡ、ＺＢを測温することができ、載置面２の温度分布を均一化及び傾斜化できることが確認された。また、セラミックスヒータ１の測温部位及び装置構造の制約が少なくなり、装置を大幅に簡略化することができた。
【符号の説明】
【００７５】
１，１Ａ…セラミックスヒータ、 ２，２Ａ…載置板、 ２ａ…上面、 ２ｂ…下面、 ２ｃ…凹部、 ２ｄ，２ｅ…溝、 ２ｆ…穴、 ３Ａ，３Ｂ…発熱抵抗体、 ４Ａ，４Ｂ…熱電対（測温素子）、 ４ａ，４ｂ…測温接点、 ５…シャフト、 ５ａ…軸部、 ５ｂ…拡大部、 ６…接続端子、 ７…端子、 ８…給電線（配線）、 ９…スペーサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に被加熱物が載置され、セラミックスからなる載置板と、
該載置板の内部に埋設された複数の発熱抵抗体と、
前記載置板の下面に接合され、セラミックスからなる中空のシャフトと、
前記複数の発熱抵抗体の下方に配置された複数の測温素子とを備え、
前記載置板の下面又は前記シャフトの上面の少なくとも一方に形成され、前記載置板及び前記シャフトで覆われた溝の内部に、前記複数の測温素子のうち少なくとも１つの測温素子が配置されることを特徴とするセラミックスヒータ。
【請求項２】
前記載置板及び前記シャフトはそれぞれ別個に形成されたセラミックス焼結体からなることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスヒータ。
【請求項３】
前記溝の内部には１つの測温素子のみが配置され、異なる測温素子が挿入される溝は独立していることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックスヒータ。
【請求項４】
前記測温素子は熱電対であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のセラミックスヒータ。
【請求項５】
前記熱電対を構成する１対の熱電対素線が別々に配置されるように、前記溝が分割されていることを特徴とする請求項４に記載のセラミックスヒータ。
【請求項６】
前記溝と連続して形成された穴の内部に、前記熱電対の測温接点が配置されることを特徴とする請求項４又は５に記載のセラミックスヒータ。
【請求項７】
前記溝は、前記発熱抵抗体から０．５ｍｍ以上離れていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のセラミックスヒータ。
【請求項８】
前記載置板はＡｌＮを主成分としたセラミックスからなることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のセラミックスヒータ。
【請求項９】
前記載置板及び前記シャフトは、ＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３を主成分としたセラミックスからなり、前記測温素子はＪＩＳ Ｃ１６０２−１９９５に規定のＫ、Ｎ、Ｂ、Ｒ、Ｓ熱電対の何れかであることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載のセラミックスヒータ。
【請求項１０】
前記載置板及び前記シャフトはＳｉＣを主成分としたセラミックスからなり、前記測温素子はＷ−Ｒｅ系熱電対であることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載のセラミックスヒータ。
【請求項１１】
前記発熱抵抗体に接続され、前記シャフトの中空部内に露出して前記載置板に配置される端子と、
前記端子に接続され、前記シャフトの中空部内を通る配線とを備えることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載のセラミックスヒータ。
【請求項１２】
前記端子のうち少なくも１つの端子が複数の発熱抵抗体に接続されることを特徴とする請求項１１に記載のセラミックスヒータ。
【請求項１３】
前記端子は、その間隔が５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、その材質がＮｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ又はＭｏ及びＷを主成分とする合金であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のセラミックスヒータ。
【請求項１４】
複数の発熱抵抗体を内部に埋設した平板状のセラミックス成形体を焼結して載置板を形成する工程と、
中空のセラミックス成形体を焼結してシャフトを形成する工程と、
前記載置板の前記シャフトとの接合面又は前記シャフトの前記載置板との接合面の少なくとも一方に溝を形成する工程と、
少なくとも１つの測温素子を前記溝の内部に配置した状態で、前記載置板と前記シャフトとを接合して、前記溝を前記載置板及び前記シャフトで覆う工程とを備えることを特徴とするセラミックスヒータの製造方法。
【請求項１】
上面に被加熱物が載置され、セラミックスからなる載置板と、
該載置板の内部に埋設された複数の発熱抵抗体と、
前記載置板の下面に接合され、セラミックスからなる中空のシャフトと、
前記複数の発熱抵抗体の下方に配置された複数の測温素子とを備え、
前記載置板の下面又は前記シャフトの上面の少なくとも一方に形成され、前記載置板及び前記シャフトで覆われた溝の内部に、前記複数の測温素子のうち少なくとも１つの測温素子が配置されることを特徴とするセラミックスヒータ。
【請求項２】
前記載置板及び前記シャフトはそれぞれ別個に形成されたセラミックス焼結体からなることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスヒータ。
【請求項３】
前記溝の内部には１つの測温素子のみが配置され、異なる測温素子が挿入される溝は独立していることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックスヒータ。
【請求項４】
前記測温素子は熱電対であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のセラミックスヒータ。
【請求項５】
前記熱電対を構成する１対の熱電対素線が別々に配置されるように、前記溝が分割されていることを特徴とする請求項４に記載のセラミックスヒータ。
【請求項６】
前記溝と連続して形成された穴の内部に、前記熱電対の測温接点が配置されることを特徴とする請求項４又は５に記載のセラミックスヒータ。
【請求項７】
前記溝は、前記発熱抵抗体から０．５ｍｍ以上離れていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のセラミックスヒータ。
【請求項８】
前記載置板はＡｌＮを主成分としたセラミックスからなることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のセラミックスヒータ。
【請求項９】
前記載置板及び前記シャフトは、ＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３を主成分としたセラミックスからなり、前記測温素子はＪＩＳ Ｃ１６０２−１９９５に規定のＫ、Ｎ、Ｂ、Ｒ、Ｓ熱電対の何れかであることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載のセラミックスヒータ。
【請求項１０】
前記載置板及び前記シャフトはＳｉＣを主成分としたセラミックスからなり、前記測温素子はＷ−Ｒｅ系熱電対であることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載のセラミックスヒータ。
【請求項１１】
前記発熱抵抗体に接続され、前記シャフトの中空部内に露出して前記載置板に配置される端子と、
前記端子に接続され、前記シャフトの中空部内を通る配線とを備えることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載のセラミックスヒータ。
【請求項１２】
前記端子のうち少なくも１つの端子が複数の発熱抵抗体に接続されることを特徴とする請求項１１に記載のセラミックスヒータ。
【請求項１３】
前記端子は、その間隔が５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、その材質がＮｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ又はＭｏ及びＷを主成分とする合金であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のセラミックスヒータ。
【請求項１４】
複数の発熱抵抗体を内部に埋設した平板状のセラミックス成形体を焼結して載置板を形成する工程と、
中空のセラミックス成形体を焼結してシャフトを形成する工程と、
前記載置板の前記シャフトとの接合面又は前記シャフトの前記載置板との接合面の少なくとも一方に溝を形成する工程と、
少なくとも１つの測温素子を前記溝の内部に配置した状態で、前記載置板と前記シャフトとを接合して、前記溝を前記載置板及び前記シャフトで覆う工程とを備えることを特徴とするセラミックスヒータの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１６０３６８（Ｐ２０１２−１６０３６８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９７５７（Ｐ２０１１−１９７５７）
【出願日】平成２３年２月１日（２０１１．２．１）
【出願人】（３９１００５８２４）株式会社日本セラテック (200)
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１日（２０１１．２．１）
【出願人】（３９１００５８２４）株式会社日本セラテック (200)
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
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