JP7773910B2 - 腐食保護層を有するマルチゾーンシリコン窒化物ウエハヒータアセンブリ、並びにその製造方法および使用方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１９年７月１日に出願された米国仮特許出願６２／８６９、３８８および２０１９年９月３０日に出願された米国仮特許出願６２／９０８、４４１に対する３５合衆国法典第１１９（ｅ）に基づく優先権の利益を主張する。これらの出願の全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般に、半導体などの構成を処理するためのウエハヒータアセンブリ、そのようなアセンブリの製造方法、およびそのようなアセンブリを使用する方法に関する。

半導体ウエハの処理には、ハロゲンのような腐食性ガスが頻繁に使用される。この腐食性環境は、耐腐食性ウエハヒータを必要とする。このような用途のための最も耐食性のある絶縁材料は、酸化イットリウム（「イットリア」とも呼ばれる）のような希土類化合物であることが一般に知られている。しかし、希土類化合物は高価であり、機械的強度も弱いという欠点がある。そのため、業界では、酸化アルミニウムのような安価な絶縁体の上に希土類化合物をコーティングして使用する傾向がある。

ウエハヒータ用絶縁体基板のコーティングには、いくつかの異なるコーティング方法が使用されてきた。物理的気相成長（ＰＶＤ）コーティングが使用されてきた。これらは、１０μｍを超える厚さの塗布にコストがかかるという欠点がある。また、厚く緻密な層は、蒸着膜の内部応力により剥離する傾向がある。耐歪性のある厚いＰＶＤコーティングは、結晶間の亀裂を含むことが知られており、粒子の脱落の可能性がある。化学気相成長法（ＣＶＤ）によるコーティングも行われているが、同様の欠点がある。蒸着速度が速いため、結晶粒の間に亀裂が入りやすい。ＣＶＤによる高密度コーティングは、粒径が１００ｎｍ以下と小さくなりがちである。エアロゾルデポジションも使用されているが、コスト面での制限と、スポールのない厚いコーティングを作製できないという問題がある。熱プラズマスプレーは半導体装置産業で最も広く使われているコーティング技術であるが、気孔率１％未満の希土類コーティングを作製できず、粒子の脱落が起こりやすい。さらに、プラズマスプレー皮膜は一般的にマイクロクラックの密度が高く（通常１００／ｍｍ^２以上）、これが気孔率と相俟って粒子の脱落を招く。

ヒータの使用温度は、利用される蒸着化学に依存して２５０℃から６５０℃の範囲となる。従来の基板材料は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であり、その中に発熱体、およびオプションとして無線周波数（ＲＦ）電極が埋め込まれていることがある。窒化アルミニウムは、低温での洗浄に用いられるハロゲンプラズマに対して良好な熱伝導性と耐食性を有するが、大きな制限がある。窒化アルミニウムは高温での耐食性に劣るため、腐食生成物の微粒子が発生し、ウエハに欠陥が生じる可能性がある。このため、ハロゲンプラズマを用いた洗浄では、洗浄前にヒータを低温に冷却し、ヒータの破損を防ぐため、冷却に時間をかけることが一般的である。この結果、チャンバ内の生産性が許容できないほど低下する（すなわち、ウエハのスループットが低くなる）。

半導体装置産業では、高温耐腐食性ウエハヒータに対するニーズがある。

これらのビーズおよび他のニーズは、本開示の様々な態様、実施形態、および構成によって対処される。

一例（「実施例１」）では、ウエハヒータアセンブリは、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含むヒータ基板を含む。ヒータ基板は、その中に埋め込まれた少なくとも１つの加熱要素を含む。ヒータ基板は、第１表面と、ヒータ基板の第１表面に関連する非多孔性最外層とを有する。非多孔性最外層は、希土類（ＲＥ）ジシリケート（ＲＥ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）を含み、ＲＥは、ＹｂおよびＹの１つである。非多孔性最外層は、第１表面とは反対の露出表面を備え、露出表面は加熱用ウエハに接触するように構成される。

実施例１に関するさらに別の実施例（「実施例２」）では、非多孔性最外層の希土類ジシリケートは、イッテルビウムジシリケート（Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）を含む。

実施例１または実施例２に関するさらに別の実施例（「実施例３」）では、非多孔性最外層は、ケービアイト結晶構造を有する少なくとも約９５体積％のイッテルビウムジシリケートを含む。

先の実施例１～３のいずれか１つに関するさらに別の実施例（「実施例４」）では、イッテルビウムジシリケート非多孔性最外層と窒化ケイ素ヒータ基板は、その間に界面を更に含み、界面は最大約５体積％の気孔率を有すると特徴付けられる。

先行する実施例１～４のいずれか１つに関するさらに別の実施例（「実施例５」）では、界面は、最大で約３体積％の気孔率を有することを特徴とする。

先行する実施例１～５のいずれか１つに関するさらに別の実施例（「実施例６」）では、界面は、最大で約１体積％の気孔率を有することを特徴とする。

更に先行する実施例１～５のいずれか１つに関するさらに別の実施例（「実施例７」）では、非多孔性最外層は、イッテルビウムジシリケートを含むことを特徴とする。

一例（「実施例８」）によれば、ウエハ加熱センブリは、その中に埋め込まれた少なくとも１つの加熱要素を含む窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含むヒータ基板を含み、ヒータ基板は第１表面を有し、第１表面でヒータ基板に関連する非多孔性最外層を含み、非多孔性最外層は酸イットリビウムジシリケート（Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）を含み、第１表面とは反対の露出表面を有し、露出表面は加熱用にウエハに接触するよう構成されたものである。

実施例８に関するさらに別の実施例（「実施例９」）では、非多孔性最外層は、ケービアイト結晶構造を有する少なくとも約９５体積％のイッテルビウムジシリケート（Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）を含む。

実施例８または９に関するさらに別の実施例（「実施例１０」）では、ヒータ基板は、少なくとも約１０体積％のベータ窒化ケイ素（β－Ｓｉ_３Ｎ_４）を含む。

先行する実施例８～１０のいずれか１つに関するさらに別の実施例（「実施例１１」）では、ヒータ基板は、少なくとも約５０体積％のベータ窒化ケイ素（β－Ｓｉ_３Ｎ_４）を含む。

先行する実施例８～１１のいずれか１つに関するさらに別の実施例（「実施例１２」）では、ヒータ基板は、少なくとも約９０体積％のベータ窒化ケイ素（β－Ｓｉ_３Ｎ_４）を含む。

先行する実施例８～１２のいずれか１つに関するさらに別の実施例（「実施例１３」）では、ヒータ基板を支持するように構成された支持ディスクをさらに含む。

先行する実施例８～１３のいずれか１つに関するさらに別の実施例（「実施例１４」）では、ヒータ基板に埋め込まれた少なくとも１つの加熱要素は、第１の加熱要素および第２の加熱要素を含み、第１の加熱要素は第１の加熱ゾーンに関連付けられ、第２の加熱要素は第２の加熱ゾーンに関連付けられる。

先行する実施例８か～１４のいずれか１つに関するさらに別の実施例（「実施例１５」）では、第３の加熱ゾーンに関連する第３の加熱要素をさらに含む。

先行する実施例８～１５のいずれか１つに関するさらに別の実施例（「実施例１６」）によれば、最外層平均粒径は約０．１μｍから約１００μｍである。

先行する実施例８～１６のいずれか１つに関するさら別の実施例（「実施例１７」）では、ヒータ基板平均粒子径は約０．０５μｍから約１μｍである。

先行する実施例８～１７のいずれか１つに関するさらに別の実施例（「実施例１８」）では、最外層の厚さは、約０．５ｍｍから約１０ｍｍである。

先行する実施例８～１８のいずれか１つに関するさらに別の実施例（「実施例１９」）では、最外層の厚さは、約１ｍｍから約５ｍｍである。

先行する実施例８～１９のいずれか１つに関するさらに別の実施例（「実施例２０」）では、ヒータ基板の厚さは、少なくとも５ｍｍである。

本発明の一態様は、ウエハヒータアセンブリである。このアセンブリは、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含むヒータ基板と、その中に埋め込まれた少なくとも１つの加熱要素とを含む。ヒータ基板は、第１表面と、ヒータ基板の第１表面に関連する非多孔性最外層とを有する。非多孔性最外層は、希土類（ＲＥ）ジシリケート（ＲＥ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）を含み、ここでＲＥは、ＹｂおよびＹの１つである。非多孔性最外層は、加熱用にウエハに接触するように構成された第１表面の反対側に露出表面を有する。

本発明の一態様は、窒化物からなるヒータ基板と、そこに埋め込まれた少なくとも１つの加熱要素とを含むウエハヒータアセンブリである。ヒータ基板は、第１表面と、第１表面でヒータ基板に関連する非多孔性最外層とを有する。非多孔性最外層は、イッテルビウムジシリケート（Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）を含み、加熱のためにウエハに接触するように構成された第１表面の反対側の露出表面を有する。

本発明の一態様は、ウエハヒータアセンブリを形成する方法である。この方法は、少なくとも１つの添加物と、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される窒化物とを含む第１層材料を準備する工程を含む。乾燥プレス、冷間等方圧プレス、ロール圧縮、またはテープキャスティングに続く積層、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される方法を用いて、発熱体を第１層材料に適用して、プレを形成する。次に、このプレを約１５００℃から約１９００℃の温度で焼結し、ウエハヒータアセンブリを形成する。

ウエハヒータアセンブリを含む化学気相成長リアクタアセンブリの斜視図を示す。 ウエハヒータアセンブリの断面図を模式的に示す。 シュラウドを有するウエハヒータアセンブリの断面図を模式的に示す。 ＲＦ電極およびパワーリードを有するウエハヒータアセンブリの断面図を模式的に示す。 非多孔性最外層の表面にチャネルを有し、気体の流れのための管を有するウエハヒータアセンブリの断面図を模式的に示す。 抵抗温度検出器（ＲＴＤ）層を有するウエハヒータアセンブリの断面図を示す。 非多孔性最外層を有するウエハヒータアセンブリの断面図を示す。 図５に示されるラミネートの断面詳細図を示す。 加熱要素が非多孔性最外層に近接している、他のラミネート構成を示す。 図７と同様のラミネート構成であるが、ＲＦシールドを有さない他のラミネート構成を示す。 図８と同様のラミネート構成であるが、非多孔性最外層とヒータ基材との間に配置された介在層２３０を有する他のラミネート構成を示す。 多孔性相および二次相の無い窒化ケイ素ヒータ基板との界面を有する非多孔性最外層を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 ウエハヒータアセンブリの製造方法を示すフローチャートである。 ＣＴＥ修正された、窒化ケイ素ヒータ基板に埋め込まれた金属層を示す、４００倍の倍率での後方散乱モードのＳＥＭ顕微鏡写真である。 比較例において、ＣＴＥ修正されていない、窒化ケイ素ヒータ基板に埋め込まれた金属層を示す、１０００倍の倍率のＳＥＭ顕微鏡写真である。 窒化ケイ素ヒータ基板上のＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３モル比２．０を有する非多孔性最外層を示す１０００倍の倍率のＳＥＭ顕微鏡写真である。 図１４に示されるような非多孔性最外層の研磨された断面の光学的明視野像である。 図１４に示された実施例について、存在する相を識別するＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルである。 図１４に示された実施例について、ヒータ基板層に存在する相を識別するＸＲＤスペクトルである。 図１４に示された実施例について、非多孔性最外層に存在する相を識別するＸＲＤスペクトルである。

はじめに

セラミック基板と希土類シリケートを含む腐食保護層とを共焼結して、そこに埋め込まれた少なくとも１つの加熱要素を有する高密度ウエハヒータを形成する。これは、先に焼結された基板に適用されたコーティング（例えばプラズマスプレーコーティング操作による）が、その後、使用中に粒子のスポーリングまたは脱落などの問題に悩まされるという問題を解決するものである。本発明の実施形態では、腐食保護層は、耐腐食性ウエハヒータを提供するために、適切な基板材料上に希土類シリケート非多孔性最外層を含む。非多孔性最外層の希土類シリケートは、イッテルビウムジシリケート（Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）およびイットリウムジシリケート（Ｙ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）から選ばれ、ヒータ基板は、窒化ケイ素および窒化アルミニウムから選ばれる窒化物などのセラミックスである。ヒータ基板は、その中に少なくとも１つの発熱体が埋め込まれている。本開示のコンポーネント、アセンブリ、および方法は、半導体産業で使用されるプラズマリアクタに不可欠なウエハヒータ用の物理的および化学的に安定した腐食保護層に対するニーズを満たす方法を提供する。

本明細書を通じて、本発明の窒化物は、窒化ケイ素として記載される。当業者であれば、本発明から逸脱することなく、窒化アルミニウムを窒化ケイ素に加えてまたはその代わりに使用することができることを理解するであろう。

さらに、本発明に対する実施形態または変形が、本明細書を通じて記載されている。当業者は、様々な実施形態が、個々にまたは他の実施形態と組み合わされて、本発明と共に使用され得ることを理解する。

定義

本明細書で使用される場合、様々な用語は以下のように定義される。「アルミナ」は、一般に、実質的にＡｌ_２Ｏ_３を含む酸化アルミニウムであると理解される。「イットリア」は、一般に、実質的にＹ_２Ｏ_３を含む酸化イットリウムであると理解される。「イッテルビア」は、一般に、実質的にＹｂ_２Ｏ_３を含む酸化イッテルビウムであると理解される。用語「実質的に」は、一般に、約９０重量％以上、好ましくは約９１重量％以上または約９２重量％以上または約９３重量％以上または約９４重量％以上または約９５重量％以上または約９６重量％以上または約９７重量％以上または約９８重量％以上または約９９重量％以上または約１００重量％の純度を指す。用語「約」は、一般に、示された数値のプラスまたはマイナス１０％を指す。例えば、「約１０％」は９％から１１％の範囲を示すことがあり、「約２０％」は１８％から２２％を意味することがある。「約」の他の意味は、四捨五入など文脈から明らかな場合があるので、例えば「約１」は０．５から１．４までを意味することもある。用語「浸漬」は、ホットプレスサイクルにおける特定の温度または圧力での保持時間を意味する。

他の定義には、以下のものが含まれる。「接着強度」は、ＡＳＴＭ Ｃ６３３法により測定される。「損失正接」は、誘電率の虚数部と実数部との比であり、部品が吸収する電力に正比例する。「気孔率」は、以下の方式に従って研磨した研磨断面の画像分析によって測定される（研磨用品はストルアス社から提供）。（ｉ）６０μｍダイヤモンド：表面を平坦にするために必要なだけ。（ｉｉ）１５μｍダイヤモンド、研磨パッドに固定：約２分。（ｉｉｉ）９μｍダイヤモンド、Ｌａｒｇｏ（プラスチック）パッド：約８分。（ｉｖ）３μｍダイヤモンド、ＤＡＣ（ナイロン）パッド：約６分。（ｖ）１μｍダイヤモンド、起毛布：約３分。「粒径」はＡＳＴＭ－Ｅ１１２法により測定される。ここでいう「グリーン」または「未焼結」セラミックスとは、高温熱処理によって緻密化されていないセラミック材料または粉末を含む。「焼結体」または「共焼結体」は、焼結を促進するために高温の熱処理にさらされた１つまたは複数のセラミック材料をいう。「焼結」とは、気孔を徐々に排除して材料の輸送と高密度化を促進する熱または熱処理プロセスである。焼結プロセスは、制御された微細構造と空隙率を持つ材料を製造するために使用される。「コーティング」とは、例えば、焼結基板などの基板に適用される層である。「」または「複合」は、例えば焼結などのプロセスを介して接合された層の集合体である。「コンポーネント」とは、部品や製品のことです。

セラミックは、高温に耐えられることで知られる無機質な非金属材料である。セラミックは、酸化物、非酸化物、複合物（酸化物と非酸化物の組み合わせ）を含む。酸化物は、非限定的な例として、アルミナ、ガラスセラミックス、ベリリア、ムライト、セリア、ジルコニアを含む。非酸化物は、炭化物、硼化物、窒化物、珪化物を含む。セラミック酸化物、非酸化物、および複合物は、本開示によるウエハヒータの基板として有用である。

半導体製造または半導体プロセス用のリアクタは、エッチング、デポジション、またはその両方に有用である。リアクタは、本明細書では、半導体プロセス用リアクタ、半導体製造用リアクタ、または単にリアクタとして互換的に言及される。リアクタは、プラズマエッチング、蒸着、またはその両方に有用である。いくつかの実施形態では、ウエハヒータアセンブリは、ヒータ基板と、半導体プロセスで採用されるプラズマエッチング処理に耐性を有する耐腐食性非多孔性最外層とを含む。デポジションに使用されるリアクタは、リアクタの洗浄のために定期的にエッチング処理を実行する。いくつかの実施形態では、リアクタは、フッ素系プラズマなどのハロゲンガスによるその場洗浄用に構成されたデポジションリアクタであり、耐食性コンポーネントはウエハヒータである。

ウエハヒータアセンブリ

図１は、ウエハヒータ１１０を含むＣＶＤリアクタアセンブリ１００の断面概略図である。リアクタアセンブリ１００は、半導体チップの製造に使用し、ハロゲンガス（一般に原子フッ素であるが、他のハロゲンガスも使用できる）を用いたその場洗浄のために構成されている。ＣＶＤリアクタアセンブリ１００は、ウエハヒータ１１０およびシャワーヘッド１３０を含む。反応性ガスはシャワーヘッド１３０を通してウエハ１５０上に流れ、そこで堆積物が形成される。製造中のウエハの温度は、ウエハヒータ１１０によって維持され、均一に保たれるが、これはまた、洗浄中にヒータを保護するために、いくつかの実施形態による腐食保護層を有していてもよい。ウエハヒータ１１０は、化学反応を促進するためのプラズマの発生を補助するために、電極などの介在層または埋め込み層を内部にさらに含んでもよい。

本開示の一態様は、非酸化物ヒータ基板を含む高温耐腐食性ウエハヒータに関する。非酸化物ヒータ基板は、Ｓｉ_３Ｎ_４またはＡｌＮのような窒化物である。窒化ケイ素ヒータの構造において、例えば、複数の加熱要素、相互接続、リード、電極などは、窒化ケイ素ヒータ基板に埋め込まれるか、および／または窒化ケイ素ヒータ基板本体の表面上に配置される。本開示の一態様は、ヒータ基板の上の、上方の、または実質的にヒータ基板をカプセル化する腐食保護層を提供するために、ウエハに接触する側のヒータ基板材料を少なくとも覆う非多孔性最外層に関する。

図２は、ヒータ基板２１０と非多孔性最外層２２０とを含むウエハヒータアセンブリ２００の断面概略図を示す。ヒータ基板２１０は、ヒータ基板２１０の表面２０５またはその近傍の第１面２４５に構成された複数の加熱要素２４０を含む。いくつかの実施形態では、第１面２４５は、表面２０５に平行であり、表面２０５に対して第１の距離ｄ１で表面２０５から間隔をあけて配置される。距離ｄ１は、ウエハ表面上で最大の温度均一性を提供するように最適化される。温度均一性に影響を与える要因は、境界条件、発熱体設計、ヒータ基板材料、およびヒータ基板内の発熱体の密度に依存し得る。例えば最大１０個の加熱要素２４０を含み、高熱伝導率基板材料（κ＞６０Ｗ／ｍＫ）を有するヒータ基板２１０の場合、ｄ１は約０．２５ｃｍと約５ｃｍとの間で選択され、いくつかの実施形態では約０．２５ｃｍ、約０．５ｃｍ、約０．７５ｃｍ、約１ｃｍ、約１．５ｃｍ、約２ｃｍ、約２．５ｃｍ、約３ｃｍ、約３．５ｃｍ、約４ｃｍ、約４．５ｃｍ、または約５ｃｍ、または本明細書に規定する２値のうちの任意の範囲である。８０個を超える加熱要素２４０を含むヒータ基板２１０について、別の実施例では、ｄ１は約１０μｍと約１０００μｍとの間、いくつかの実施形態では約１０μｍ、約２０μｍ、約３０μｍ、約４０μｍ、約５０μｍ、約６０μｍ、約７０μｍ、約８０μｍ、約９０μｍ、約１００μｍ、約１５０μｍ、 約２００μｍ、約２５０μｍ、約３００μｍ、約３５０μｍ、約４００μｍ、約４５０μｍ、約５００μｍ、約５５０μｍ、約６００μｍ、約６５０μｍ、約７００μｍ、約７５０μｍ、約８００μｍ、約８５０μｍ、約９００μｍ、約９５０μｍ、または約１００μｍ、または本明細書中に定める任意の２値内の範囲である。加熱要素２４０は、典型的には、耐熱金属、熱および摩耗に耐性のある金属から作られる。適切な耐火性金属は、モリブデン、ニオブ、レニウム、タンタル、タングステン、およびそれらの合金を含むが、これらに限定されない。また、平面２４５には、任意に、同じ平面内で加熱要素を接合する追加の導電性トレース（図示せず）が配置されてもよい。第１面２４５に平行で、表面２０５から距離ｄ２の間隔を空けて配置された第２面２５５に構成されるのは、相互接続層２７０であり、これは、加熱要素２４０に電力を分配する役割を果たす。距離ｄ２は、約０．０５ｃｍと約１ｃｍとの間、いくつかの実施形態では約０．０５ｃｍ、約０．１ｃｍ、約０．２ｃｍ、約０．３ｃｍ、約０．４ｃｍ、約０．５ｃｍ、約０．６ｃｍ、約０．７ｃｍ、約０．８ｃｍ、約０．９ｃｍ、約１．０ｃｍ、または前述の値の任意の２つの間で定義される範囲内とすることができる。相互接続層２７０は、表面からの距離ｄ２で熱を放散することが必要でない場合があるので、加熱要素２４０よりも導電性の高い材料から作られてもよい。いくつかの実施形態では、相互接続層の材料は、導電性であり、基板材料と化学的に適合し、基板材料のＣＴＥから約４×１０^－６／Ｋ以内であるＣＴＥを有し得る。相互接続層のための適切な材料は、モリブデン、タングステン、炭化タングステン、および窒化タンタルを含むことができる。

複数の導電性要素であるビア２７５は、平面２４５の加熱要素２４０と平面２５５の相互接続層２７０を一緒に結合する。ビア２７５は、オフセットされた平面を接続するように構成された幾何学的形状を有する。いくつかの実施形態では、ビア２７５は、（製造を容易にするために）円筒形であってよく、約０．５ｍｍと約１．０ｍｍとの間、いくつかの実施形態では約０．５ｍｍ、約０．６ｍｍ、約０．７ｍｍ、約０．８ｍｍ、約０．９ｍｍ、若しくは約１ｍｍ、または前述の値の任意の２つの間で定義される範囲内で直径（長方形の場合は幅）を有する。ビア２７５は信頼性が低い可能性があるため、同じ導体を接合するために複数のビアが使用される冗長性が採用される場合がある。ビア２７５は導電性であり、いくつかの実施形態では、相互接続層材料と同じ要件を有し、相互接続層材料と同じ材料とすることができる。いくつかの実施形態では、ビア２７５は、相互接続層２７０の、同じく導電性であるヒータトレースおよび相互接続トレースとは異なる組成を有することができる。アセンブリ２００への電気は、電気リード線２８５を介して伝達される。図２のアセンブリは、平面２４５に配置された図示のような１層の加熱要素を例示している。他の実施形態では、参照により本明細書に組み込まれる米国公開特許出願番号２０１３／０１０５４６３に記載されるように、加熱要素の２つ以上の並列層が採用してもよい。他の実施形態では、相互接続層は省略されてもよく、したがって、同じく参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，６３３，０７３号のように、加熱要素層から外部コントローラへの直接接続が採用されてもよい。

本開示によるウエハヒータアセンブリは、様々な構成を含む。図２に示されるように、非多孔性最外層２２０は、ウエハヒータ基板２１０の上部、側面、および底部の周りにずっと延びてよく、それによって、ヒータ基板２１０およびまた電気リード２８５を完全にカプセル化している。他の実施形態では、図３に示すように、ウエハヒータアセンブリ３００は、基板２１０の周りに延びる最外層２２０を含むが、電気リード線２８５を完全には封止しない。その代わりに、シュラウド２９５が、外部リード２８５を保護するように配置される。シュラウド２９５は、基板２１０の底面２１５、反対側の表面２０５に接着されてもよく、または、シュラウド２９５は、最外層２２０の底面２３０、反対側の表面２２５に接着されてもよい。シュラウド２９５は、典型的には、最外層２２０がシュラウドを覆うことを必要としないように、例えば、ウエハよりも低い温度にさらされてもよく、シュラウド２９５は、アルミナ、あるいはコーティングされたステンレス鋼または陽極酸化アルミニウムなど、製造コストが低い一方で十分な耐腐食性を有する耐食性材料で作製されてもよい。いくつかの実施形態では、非多孔性最外層２２０は、密度、多孔性、および／または厚さの点で不均一であってよい。例えば、ウエハが配置されるべきで、処理中に粒子移動のリスクが高い最外層２２０の表面２２５に隣接する、最外層２２０の部分２２１は、１％未満、いくつかの実施形態では約０％と約１％との間、約０％、約０．１％、約０．２％、約０．３％、約０．４％、約０．５％、約０．６％、約０．７％、約０．８％、約０．９％、約１．０％、または前述の評価のうちの２つによって定義される任意の範囲内の第１の気孔率ρ１を有する。部分２２１の反対側で底面２３０に隣接する、最外層２２０の部分２２２は、第２の多孔度ρ２を有する。いくつかの実施形態では、ρ２はρ１よりも大きくなり得るか、またはρ２はρ１に等しくなり得る。いくつかの実施形態では、ρ２の多孔度は、約０～約１０％の間、いくつかの実施形態では、約１と１０％との間とすることができる。いくつかの実施形態において、ρ２は、約０．１％、約０．２％、約０．３％、約０．４％、約０．５％、約０．６％、約０．７％、約０．８％、約０．９％、約１．０％、約１．１％、約１．２％、約１．２％、約１．５％、約２％、約３％、約３．５％、約４％、約４．５％、約５％、約６％、約６．５％、約７％、約７．５％、約８％、約８．５％、約９％、約９．５％または約１０％である。ρ１より大きい気孔率を有する最外層２２０の部分、すなわち部分２２２では、コーティングは、プラズマスプレー技術などの従来のプロセスによって作られてもよく、これは許容され、作るのにそれほど高価ではない可能性がある。

いくつかの実施形態では、処理中にウエハ（すなわち、図１に図示されているようなウエハ１５０）の上にプラズマを生成するために、無線周波数（ＲＦ）電力の適用が必要である。本開示によるウエハヒータアセンブリは、追加的にまたは代替的に、ウエハヒータ内に導電性電極を含んでもよく、通常はウエハヒータ内に埋め込まれおよび／またはウエハヒータアセンブリの表面の近くに配置される。図４Ａに例示されるようなウエハ１５０を処理するためのウエハヒータアセンブリ４００は、ＲＦ電極２６０およびパワーリード２６５を含むことを模式的に示している。図４Ａに例示されるように、ＲＦ電極２６０は、表面２０５の近くでヒータ基板２１０に埋め込まれ、ＲＦ電極と非多孔性最外層２２０との間にギャップｇ１を含む。ＲＦ電極２６０の金属が最外層２２０と化学的に互換性がある（すなわち、形成または使用中に有害な化学反応が起こらない）場合、ギャップｇ１は存在しなくてもよい。いくつかの実施形態では、互換性の問題がある場合、ＲＦ電極２６０と最外層２２０の間に緩衝層（図示せず）が配置されてもよい。ギャップｇ１が存在する場合、ギャップｇ１は、約２ミクロンと約２００００ミクロンとの間であっても良く、いくつかの実施形態では、約２ミクロン、約５ミクロン、約１０ミクロン、約２０ミクロン、約３０ミクロン、約４０ミクロン、約５０ミクロン、約６０ミクロン、約７０ミクロン、約８０ミクロン、約９０ミクロン、約１００ミクロン、約２００ミクロン、約３００ミクロン、約４００ミクロン、約５００ミクロン、約６００ミクロン、約７００ミクロン、約８００ミクロン、約９００ミクロン、約１０００ミクロン、約１１００ミクロン、約１２００ミクロン、約１３００ミクロン、約１４００ミクロン、約１５００ミクロン、約１６００ミクロン、約１７００ミクロン、約１８００ミクロン、約１９００ミクロン、約２０００ミクロン、または前述の値のうちの任意の２値の間で定義される範囲内でも良い。

本開示によるウエハヒータアセンブリは、追加的にまたは代替的に、ウエハヒータアセンブリ内にガスチャンネルを含んでもよく、ウエハヒータは、プロセスガスがウエハの裏側に堆積またはエッチングするのを防ぐためにウエハの背後にガスを供給するよう構成される。図４Ｂに示されるように、チャネル、メサ、またはチャネル２９２は、チューブ２９０を通して導入されるガスの流れを可能にするために、腐食バリアの非多孔性最外層２２０の表面に機械加工されてもよい。チャネル２９２の深さは、最外層２２０の全厚さに対して約０．０３ｍｍから約５ｍｍであってよく、いくつかの実施形態では約０．５ｍｍと約２ｍｍとの間である。いくつかの実施形態では、最外層におけるチャネルの深さは、約０．０３ｍｍ、約０．０５ｍｍ、約０．１ｍｍ、約０．５ｍｍ、約１ｍｍ、約１．５ｍｍ、約２ｍｍ、約２．５ｍｍ、約３ｍｍ、約３．５ｍｍ、約４ｍｍ、約４．５ｍｍ、または約５ｍｍ、または前述の値の任意の２つの間に定義された任意の範囲内であってもよい。チューブ２９０は、ウエハヒータの構造の一部として形成することができ、またはウエハヒータアセンブリに接合された別個の物品とすることもできる。この第２の場合、材料の選択は、動作時の提供温度およびガス環境を考慮して当業者によって決定することができる。ニッケル基合金またはモリブデンのような材料は、ある状況において好適である。

本開示によるウエハヒータアセンブリは、追加的または代替的に、ウエハの重量を増強する力を提供する電力によってウエハをウエハヒータに固定または把持する特徴を含むことができる。図４Ａを参照すると、電界は、電極（または電極のセット）２６０とウエハ１５０との間に印加されてもよい。電極２６０とウエハ１５０との間に電界を印加する場合における非多孔性最外層２２０は、提供温度において約１０^３Ω・ｃｍより大きい抵抗率を有する。より好ましくは、約１０^９と約１０^１０Ω・ｃｍとの間、約１０^３Ω・ｃｍ、約１０^４Ω・ｃｍ、約１０^５Ω・ｃｍ、約１０^６Ω・ｃｍ、約１０^７Ω・ｃｍ、約１０^８Ω・ｃｍ、約１０^９Ω・ｃｍ、または約１０^１０Ω・ｃｍ、または前述の値のうちの任意の２つの間に定義される任意の範囲内である。このときの提供温度は、約２００℃と約７００℃との間、約２００℃、約２５０℃、約３００℃、約３５０℃、約４００℃、約４５０℃、約５００℃、約５５０℃、約６００℃、約６５０℃、または約７００℃、または前述の値のいずれか２つの間で定義される任意の範囲内である。言い換えれば、非多孔性最外層２２０はあまり導電性でなくてもよく、そうでなければ、ウエハとウエハヒータとの間に電場がなく、したがって、把持力がないことになる。このような構成において、ウエハヒータアセンブリ４００は、静電チャックとして機能する。いくつかの実施形態では、本開示によるウエハヒータアセンブリは、固定力または把持力とプラズマのＲＦ活性化の両方を提供するために、複数の電極、すなわち、電極または電極セットを含んでもよい。

図１～４に例示されるようなウエハヒータアセンブリは、同種のウエハヒータコンポーネントを含み、すなわちヒータ基板２１０および／または非多孔性最外層２２０を含んでもよい。他の実施形態では、ヒータ基板２１０および／または非多孔性最外層２２０のようなウエハヒータコンポーネントは、少なくとも部分的に処理条件によって規定され得る、同種でなくてもよい。本開示による高熱伝導性窒化ケイ素から作られるようなヒータ基板を、複雑な電気構造を含むように構成する際に、課題が存在する。いくつかの実施態様では、まず、第１の導電率κ１（約２５Ｗ／ｍＫ～約１２０Ｗ／ｍＫとすることができ、いくつかの実施形態では、約２５Ｗ／ｍＫ、約３０Ｗ／ｍＫ、約３５Ｗ／ｍＫ、約４０Ｗ／ｍＫ、約４５Ｗ／ｍＫ、約５０Ｗ／ｍＫ、約５５Ｗ／ｍＫ、約６０Ｗ／ｍＫ、約６５Ｗ／ｍＫ、約７０Ｗ／ｍＫ、約８０Ｗ／ｍＫ、約８５Ｗ／ｍＫ、約９０Ｗ／ｍＫ、約９５Ｗ／ｍＫ、約１００Ｗ／ｍＫ、約１０５Ｗ／ｍＫ、約１１０Ｗ／ｍＫ、約１１５Ｗ／ｍＫ、または約１２０Ｗ／ｍＫの範囲である、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義される任意の範囲内）を有する窒化シリコンの薄い同種のブランクが最初に形成され、その後、そのブランクの上に、第２のκ２（これは、約１５Ｗ／ｍＫ～約１１９Ｗ／ｍＫ、約２０Ｗ／ｍＫ、約３０Ｗ／ｍＫ、約４０Ｗ／ｍＫ、約５０Ｗ／ｍＫ、約６０Ｗ／ｍＫ、約７０Ｗ／ｍＫ、約８０Ｗ／ｍＫ、約９０Ｗ／ｍＫ、約１００Ｗ／ｍＫ、約１１０Ｗ／ｍＫ、約１１５Ｗ／ｍＫ、または約１１９Ｗ／ｍＫ、または前述の値の任意の２つの間で定義される範囲内）を有する窒化シリコンのマトリックスの、任意の必要な電気構造を形成する。ここでκ２はκ１より低い。形状の制限により、発熱体、相互接続、ビア、リードなどの機能要素を１回の操作で形成し、平坦に機械加工することが必要となる場合がある。これらの実施形態および他の実施形態では、ＲＦ電極および非多孔性最外層は、後続の工程で適用される。

本開示によるウエハヒータアセンブリは、ウエハヒータアセンブリ、デュアルウエハヒータアセンブリ、またはマルチゾーンウエハヒータアセンブリを形成するために、それぞれシングルゾーン、デュアルゾーン、またはマルチゾーンに配置された加熱要素を含んでも良い。ゾーンの数を増やすと、ウエハ内の温度均一性をより制御することができる。図２に示されるような平面２４５の加熱要素２４０は、単一の加熱平面を有するウエハヒータアセンブリを提供する。他の実施形態では、加熱要素は、より多くの柔軟性と局所的な温度変動に迅速に対応する能力を提供するマルチゾーンウエハヒータアセンブリアーキテクチャを提供するために、複数の平面に配置される。

ゾーンは、例えば、外側に放射する、または矩形グリッドアレイまたは他の構成で横に並べて配置するなど、様々な方法でコプラナー方式に配置することができる。さらに、ゾーンは、それぞれの面に複数のゾーンを有する互いに平行な異なる平面上に、やはり放射状に、長方形のグリッドアレイ、または別の構成で配置されてもよい。

本開示によるウエハヒータアセンブリは、マルチゾーンや多重化されたウエハヒータを含んでもよい。「多重化ヒータ」という用語は、本明細書において、複数の加熱要素が少なくともいくつかの共通リード線を共有し得る一方で、加熱要素への電力は少なくとも部分的に独立して調節可能であることを示すために使用される。有利には、マルチゾーン、多重化ウエハヒータは、ヒータゾーンに電力を供給しながら電気接続の数を最小化することができ、これは、米国特許第９、３２４、５８９号にさらに記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。例えば図２および図３に示されるようなウエハヒータアセンブリ２００、３００は、個々のヒータゾーンの下を含む所望の位置で温度を測定するために、図４Ｃに示されるようなオプションの抵抗温度検出器（ＲＴＤ）層をさらに含むように構成されることができる。あるいは、各ヒータゾーンの抵抗値を監視して、前もって較正されたウエハヒータアセンブリ内の各ゾーンの温度を決定してもよい。ウエハヒータアセンブリはさらに、ウエハヒータアセンブリ全体に電力を供給するために必要なリード線の数を最小にしながら、温度フィードバックに応じてそれぞれに電力を供給し調節するために多重化制御方式と組み合わされてもよい。図４Ｃは、少なくとも１つのＲＴＤ２９１を含むＲＴＤ層を含む。ＲＴＤ層のＲＴＤ２９１は、同一平面内にあることも、様々な平面内にあることも可能である。

ヒータ基板としての窒化ケイ素

窒化ケイ素は、例えばフッ素系プラズマに対して十分な耐食性を有することが一般に知られていないため、従来のウエハヒータの基板としては使用されてこなかった。本開示によるプラズマ耐食コーティングは、窒化ケイ素ヒータ基材に耐食性を与える。これらの窒化ケイ素ウエハヒータ用の非多孔性最外層保護層は、イッテルビウムジシリケート（Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）およびイットリウムジシリケート（Ｙ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）などの希土類ケイ酸塩を含む保護層が含まれる。窒化ケイ素基板上にイッテルビウムジシリケートまたはイットリウムジシリケートのラミネートをホットプレスで作製し、焼結後の微細構造を調べた。イットリウムジシリケート保護層は、イットリウムジシリケート層と比較して、気孔やクラックの少ない界面で窒化ケイ素との密着性に優れていた。テトラフルオロメタン（ＣＦ_４）プラズマ環境で窒化ケイ素基板上のイットリウムジシリケート保護層をプラズマエッチングしたところ、従来の窒化アルミニウムヒータに比べて３～４倍の耐エッチング性を示した（表２実施例）。本開示による窒化ケイ素ヒータ基板上にイッテルビウムジシリケート非多孔性最外層を有するウエハヒータは、半導体ウエハ処理用途のマルチゾーン、多重化ヒータとしても有用である。

図５は、いくつかの実施形態にかかる、図１に図示されたウエハヒータ１１０と同様のウエハヒータ５００の断面図を示す。希土類シリケートを含む耐腐食性保護層は、有利には、セラミック基板および／または他の層と接合されてラミネートを提供し、最外層は非多孔質である。ウエハ（図示せず）は、ヒータ基板２１０上の非多孔性最外層２２０の上に設けられ、ヒータ基板と非多孔性最外層は一緒になってラミネート５５０を形成する。非多孔性最外層２２０は、図２～４に示すようにヒータ基板２１０を封入する必要はなく、図５～９に示すようにラミネートのウエハ側のみに配置されてもよい。ヒータ基板は、その中に埋め込まれた少なくとも１つの加熱要素２４０を有し、また、任意に、金属無線周波数（ＲＦ）シールド２６０を有する。いくつかの実施形態では、ヒータ基板２１０は、窒化ケイ素である。いくつかの実施形態では、ヒータ基板２１０は、窒化アルミニウムを含む。動作中、ヒータはフッ素を含むガスで洗浄されることがある。ヒータの温度が約５００℃を超える場合、ヒータ自体がフッ素によって攻撃される可能性があるため、「高温」部分の上に含まれる耐腐食性の保護層が必要となる。本開示の実施形態において、ヒータ基板２１０は、非多孔性最外層２２０とその間の任意の介在層とを含む。非多孔性最外層２２０は、ウエハを保持するための外面を含む。先に詳述したように、すなわち、図３のρ１を有する部分２２１のように、ウエハヒータ１１０の直下の領域における非多孔性最外層２２０は緻密であるべきである。そうでなければ、ヒータからの粒子がウエハの下側に流される傾向がある。これらの流された粒子は、後続のステップでウエハの表面に移動する可能性があり、その結果、ウエハ上のパターンに欠陥が発生することになる。ウエハヒータの支持ディスク（またはシャフト）２８０上の側面、底面および被覆は、粒子がウエハに移動する直接的な経路がないため、それほど重大ではない。これらの他の領域については、プラズマスプレーコーティングで十分な汚染防止が可能であろう。

図６は、ヒータ基板２１０と非多孔性最外層２２０とを含む図５に図示したラミネート５５０の断面詳細模式図を示す。最外層２２０は、第１の表面２２５、第２の表面２３０、およびその間の厚さｔ１を含み、この厚みは約０．００５ｃｍと約１ｃｍとの間、いくつかの実施形態では、約０．００５ｃｍ、約０．０２ｃｍ、約０．０１ｃｍ、約０．０５ｃｍ、約０．１ｃｍ、約０．１５ｃｍ、約０．２ｃｍ、約０．３ｃｍ、約０．５ｃｍ、約０．６ｃｍ、約０．７ｃｍ、約０．８ｃｍ、約０．９ｃｍ、約１．０ｃｍ、または前述の値の任意の２つの間に定義される範囲内とすることができる。５５０は、非多孔性最外層２２０の表面２３０がヒータ基板２１０に接着される界面２５０（すなわち、外層とヒータ本体との間）を更に含む。層２２０の表面２２５は露出しており、加熱のためにウエハ（図示せず）に接触するように構成されている。は、ヒータ基板２１０に埋め込まれた少なくとも１つの加熱要素２４０をさらに含み、また、任意に、金属製の無線周波数（ＲＦ）シールド２６０も含む。

本開示では、他の構成が企画される。図７の６５０は、本開示によるウエハヒータのための別の構成を示し、加熱要素３４０が非多孔性最外層２２０に近接していることを除いて図６の５５０と同様である。加熱要素３４０は、約５μｍと約２ｍｍとの間、いくつかの実施形態では、約５μｍ、約２５μｍ、約５０μｍ、約１００μｍ、約１５０μｍ、約２００μｍ、約２５０μｍ、約３００μｍ、約３５０μｍ、約４００μｍ、約４５０μｍ、約５００μｍ、約５５０μｍ、約６００μｍ、約６５０μｍ、約７００μｍ、約７５０μｍ、約８００μｍ、約８５０μｍ、約９００μｍ、約９５０μｍ、約１０００μｍ、約１．１ｍｍ、約１．２ｍｍ、約１．３ｍｍ、約１．４ｍｍ、約１．５ｍｍ、約１．６ｍｍ、約１．７ｍｍ、約１．８ｍｍ、約１．９ｍｍ、または約２．０ｍｍ、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義される任意の範囲内、またはいくつかの実施形態では少なくとも約１０μｍであり、基板２１０の表面２０５より下に、電気的問題を回避するためにある。図８のラミネート７５０は、図５のラミネート５５０と同様の本開示によるウエハヒータのための別の構成を示す。ここで、加熱要素３４０は、非多孔性最外層２２０に近接しているが、任意のＲＦシールド２６０は除去されており、厚さｔｔ１は、約１０μｍと約３ｍｍとの間、いくつかの実施形態では、約１０μｍ、約２０μｍ、約２５μｍ、約３０μｍ、約３５μｍ、約４０μｍ、約４５μｍ、約５０μｍ、約５５μｍ、約６０μｍ、約６５μｍ、約７０μｍ、約７５μｍ、約８０μｍ、約８５μｍ、約９０μｍ、約１００μｍ、約５００μｍ、約１０００μｍ、約１．５っｍ、約２ｍｍ、約２．５ｍｍ、または約３．０ｍｍ、あるいは前述の値のうちの任意の２つの間で定義される範囲内である。

図９は、本開示によるウエハヒータ用の別の構成を有するラミネート８５０を示し、加熱要素３４０が非多孔性最外層２２０とヒータ基板２１０との間に配置された介在層２３０に近接していることを除いて、図８のラミネート７５０と同様である。介在層２３０は、約２μｍと約３ｍｍとの間、いくつかの実施形態では約２μｍ、約２５μｍ、約５０μｍ、約１００μｍ、約２００μｍ、約３００μｍ、約４００μｍ、約５００μｍ、約６００μｍ、約７００μｍ、約８００μｍ、約９００μｍ、約１０００μｍ、約１．５ｍｍ、約２ｍｍ、約２．５ｍｍ、約３．０ｍｍまたは前述の値の任意の２つの間で定義される範囲内にある、厚みｔ２を有する。介在層２３０の材料は、希土類モノシリケート（Ｒｅ_２ＳｉＯ_５）、シリコン酸窒化物、希土類酸化物（Ｒｅ_２Ｏ_３）またはここで論じた電極、またはそれらの組み合わせである。介在層２３０の使用は、非多孔性層２２０が、ヒータ基板２１０のバルク材料および／または加熱要素３４０とそれほど密接に適合する必要がない（すなわち、熱膨張係数などの材料特性の点で、および化学的互換性の点で）という利点を提供する。発熱体３４０は、非多孔性層２２０の表面から、約５μｍと約５ｍｍのと間、いくつかの実施形態では約２５μｍ、約５０μｍ、約１００μｍ、約２００μｍ、約３００μｍ、約４００μｍ、約５００μｍ、約６００μｍ、約７００μｍ、約８００μｍ、約９００μｍ、約１０００μｍ、約１．５ｍｍ、約２ｍｍ、約２．５ｍｍ、約３．０ｍｍ、約３．５ｍｍ、約４ｍｍ、約４．５ｍｍ、または約５．０ｍｍ、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義される範囲内に存在する。介在層２３０はまた、外層とヒータのバルクとの間の化学反応を防止し、および／または材料の違いからの応力を低減することができる。いくつかの実施形態では、電極は、介在層２３０に埋められる。

図２～図９のヒータ基板２１０は、窒化ケイ素を含んでも良い。窒化ケイ素は、窒化アルミニウムやアルミナなどの従来のヒータ材料よりも熱衝撃抵抗が大きい。この材料の選択は、リアクタにおけるより速いヒートアップおよびクールダウン時間を提供し、したがって、半導体ウエハプロセスで使用される場合、ウエハのスループットおよびツールの生産性を有利に増加させることができる。本開示によるヒータ基板２１０は、ウエハヒータとして使用するための窒化ケイ素の特性を調整するために、窒化ケイ素に添加物を含んでもよい。様々な添加物が、個別にまたは組み合わせて使用されてもよい。焼結を改善するために使用される適切な添加物は、希土類酸化物、アルカリ土類酸化物、アルミナ、シリカ、および場合によりリチウムおよびフッ素化合物、またはそれらの組み合わせを含む。抵抗率を向上させるための添加物には、炭化ケイ素または窒化ホウ素、またはそれらの組み合わせを含む。熱膨張挙動を改善するための添加物としては、耐火性金属およびその化合物を挙げることができる。添加物の中には、２つ以上の機能を持つものもある。添加物の総量は、焼成物の２体積％と５５体積％との間とすることができ、用途に応じて変化させることができる。いくつかの実施形態では、添加物の総量は、約２体積％、約５体積％、約１０体積％、約１５体積％、約２０体積％、約２５体積％、約３０体積％、約３５体積％、約４０体積％、約４５体積％、または約５０％、または前述の値のうちの任意の２つによって定義される範囲内であることができる。

本開示による窒化ケイ素からなるヒータ基板２１０は、等軸α相窒化ケイ素粒およびアシキュラーβ相窒化ケイ素粒、シリサイド相、および希土類ジシリケートガラス相の混合物を含む。本開示によるヒータ基板２１０は、理論密度に近づく密度、言い換えれば理論密度の約９９％より大きい密度を有する焼結体であり、微細構造中に気孔がほとんど存在しない。

窒化ケイ素を含むヒータ基板２１０の出発原料は、高純度グレードの窒化ケイ素粉末を含む。高純度グレードの窒化ケイ素粉末の表面積は、約１ｍ^２／ｇと約２０ｍ^２／ｇとの間、いくつかの実施形態では約１ｍ^２／ｇ、約３ｍ^２／ｇ、約５ｍ^２／ｇ、約７ｍ^２／ｇ、約９ｍ^２／ｇ、約１１ｍ^２／ｇ、約１３ｍ^２／ｇ、約１５ｍ^２／ｇ、約１７ｍ^２／ｇ、もしくは約２０ｍ^２／ｇ、または前述の値の任意の２つの間に定義される範囲内であることが可能である。いくつかの実施形態では、窒化ケイ素は、約１０ｍ^２／ｇの表面積を有する。約１ｍ^２／ｇ未満の表面積を有する窒化ケイ素粉末は、緻密化することが困難である場合がある。約２０ｍ^２／ｇより大きい表面積を有する窒化ケイ素粉末は高価であり、粉砕などの粒子サイズ減少操作から、より高い量の不純物（酸素など）を含む可能性がある。

純度の観点からは、ヒータ基板の出発原料中の制御されない不純物の総量は、約０ｐｐｍと約１０、０００ｐｐｍとの間であることが好ましく、いくつかの実施形態では約０ｐｐｍ、約５０ｐｐｍ、約１００ｐｐｍ、約１５０ｐｐｍ、約２００ｐｐｍ、約２５０ｐｐｍ、約３００ｐｐｍ、約４００ｐｐｍ、約５００ｐｐｍ、約６００ｐｐｍ、約７００ｐｐｍ、約８００ｐｐｍ、約９００ｐｐｍ、約１,０００ｐｐｍ、約２,５００ｐｐｍ、約３,００ｐｐｍ、約４,０００ｐｐｍ、約５,０００ｐｐｍ、約６,０００ｐｐｍ、約７,０００ｐｐｍ、約８,０００ｐｐｍ、約９,０００ｐｐｍ、約１０,０００ｐｐｍ、または前述の値のうちの任意の２つの間に定義される範囲内、いくつかの実施形態では約１０,０００ｐｐｍ（または１％）未満であった。総不純物含有量が約１０,０００ｐｐｍより大きい場合、窒化ケイ素ヒータ基板の昇温特性に悪影響を及ぼす可能性がある。

窒化ケイ素原料粉末は、等軸α相窒化ケイ素粒（α－Ｓｉ_３Ｎ_４）およびアシキュラーβ相窒化ケイ素粒（β－Ｓｉ_３Ｎ_４）の混合物を含む。好ましくは、窒化ケイ素粉末は、α相の主要部分とβ相のわずかな割合からなる。

窒化ケイ素原料粉末中の窒化ケイ素α－相は、窒化ケイ素の総重量を基準にして、約８５重量％と約１００重量％との間、いくつかの実施形態では約９０重量％、約９２重量％、約９４重量％、約９８重量％、約９９重量％、または約１００重量％、または前述の値の任意の２つの間で定義される任意の範囲の量となる。窒化ケイ素の残りは、β相窒化ケイ素および最大でも１重量％の不純物を含んでも良い。原料粉末は、焼結中に約１４００℃と約１７００℃の間の温度でα相からβ相に転換することにより、最終的な焼結微細構造がβ相の窒化ケイ素の細長い粒からなるように、α相の窒化ケイ素粒（α－Ｓｉ_３Ｎ_４）の主要部分を含むことが好ましい。また、β相の窒化ケイ素の細長い粒を多く含む微細構造は、材料の破壊靭性を向上させる。

本開示による焼結窒化ケイ素ヒータ基板は、約６０モル％と９９モル％の間の窒化ケイ素を含む原料バッチから調製される。いくつかの実施形態では、原料バッチは、原料バッチ総モルを基準として、約６０モル％、約６５モル％、約７０モル％、約７５モル％、約８０モル％、約８５モル％、約９０モル％、約９５モル％、または約９９モル％の窒化ケイ素、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義される任意の範囲内を含むことができる。原料バッチは、焼結助剤として、原料バッチの総モル数を基準にして、約１モル％と約１０モル％との間のＲＥ酸化物をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態では、原料バッチの焼結助剤は、原料バッチの総モル数を基準にして、約１モル％、約２モル％、約３モル％、約５モル％、約７モル％、約８モル％、約９モル％、または約１０モル％、または前述の値のいずれか２つの間で定義された任意の範囲内のＲＥ酸化物でも良い。いくつかの実施形態では、原料バッチは、約０モル％～約２０モル％のシリカを含むことができる。いくつかの実施形態では、原料バッチは、原料バッチの総モル数を基準として、約０モル％、約１モル％、約５モル％、約１０モル％、約１５モル％、または約２０モル％、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義された任意の範囲内のシリカを含むことができる。シリカおよび希土類酸化物は、希土類ジシリケートガラス相を形成する。例となるＲＥシリケートは、二元系で約１ＲＥ_２Ｏ_３対約２ＳｉＯ_２の比を有する、一般式がＲＥ_２Ｓｉ_２Ｏ_７の化合物を含むが、これらに限定されるわけではない。希土類酸化物は、セリウム（Ｃｅ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、エルビウム（Ｅｒ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ランタン（Ｌａ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ネオジム（Ｎｄ）、プラセオジム（Ｐｒ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、スカンジウム（Ｓｃ）、テルビウム（Ｔｂ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、イットリウム（Ｙ）およびそれらの組合せの少なくとも１つの酸化物から選択される。焼結助剤は、気孔率を最小化し、粒径を小さくし、および／または焼結のために極端でない処理条件（例えば、ホットプレスにおける低圧）を採用することを可能にするために添加されてもよい。また、焼結助剤は、窒化ケイ素の熱膨張係数（ＣＴＥ）を高くすることができる。いくつかの実施形態では、原料バッチは、メチルエチルケトン、トルエン、シクロヘキサノン、およびこれらの組み合わせなどの溶媒であって、これらの溶媒の三元溶媒系を含む溶媒などの有機材料をさらに含むことができる。有機材料は、バッチ製剤全体の約１０重量％と約２５重量％との間の量で原料バッチ中に存在することができる。いくつかの実施形態では、有機材料は、約１０重量％、約１５重量％、約２０重量％、または約２５重量％の量、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義される任意の範囲内の量で、原料バッチ中に存在することができる。原料バッチ材料は、少なくとも１つの重合体材料をさらに含むことができ、これは全バッチ処方のバランスとすることができる。重合体材料は、分散剤、例えばＨｙｐｅｒｍｅｒ（登録商標）ＫＤ－１（Ｃｒｏｄａ）；結合剤、例えばＰａｒａｌｏｉｄ（登録商標）Ｂ－７２（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）；および少なくとも１つの可塑剤、例えばタイプＩ可塑剤、例えばＳａｎｔｉｃｉｚｅｒ（登録商標）Ｓ－１６０（Ｖａｌｔｒｉｓ）、および／またはタイプＩＩ可塑剤、例えばＵＣＯＮ（登録商標）５０－ＨＢ５１００（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）などの、可塑剤とすることができる。

本開示による窒化ケイ素からなるヒータ基板は、約２５Ｗ／ｍＫから約１２０Ｗ／ｍＫの熱伝導率κ、いくつかの実施形態では約２５Ｗ／ｍＫ、約３０Ｗ／ｍＫ、約３５Ｗ／ｍＫ、約４０Ｗ／ｍＫ、約４５Ｗ／ｍＫ、約５０Ｗ／ｍＫ、約５５Ｗ／ｍＫ、約６０Ｗ／ｍＫ、約６５Ｗ／ｍＫ、約７０Ｗ／ｍＫ、約７５Ｗ／ｍＫ、約８０Ｗ／ｍＫ、約８５Ｗ／ｍＫ、約９０Ｗ／ｍＫ、約９５Ｗ／ｍＫ、約１００Ｗ／ｍＫ、約１０５Ｗ／ｍＫ、約１１０Ｗ／ｍＫ、約１１５Ｗ／ｍＫ、約１２０Ｗ／ｍＫまたは約１２５Ｗ／ｍＫ、あるいは前述の値の任意の２つの間に定義される範囲内の熱伝導率κを有しても良い。加熱基板の熱膨張係数ＣＴＥは、約３×１０^－６／℃から約５×１０^－６／℃、いくつかの実施形態では約３×１０^－６／℃、約４×１０^－６／℃、または約５×１０^－６／℃、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義される任意の範囲内であることが可能である。加熱基板の異なる位置において異なることができる加熱基板の密度は、約３．３ｇ／ｃｃと約３．７ｇ／ｃｃとの間、いくつかの実施形態では約３．３ｇ／ｃｃ、約３．４ｇ／ｃｃ、約３．５ｇ／ｃｃ、約３．６ｇ／ｃｃ、もしくは約３．７ｇ／ｃｃ、または前述の値のうちの任意の２つの間に規定される任意の範囲内であることが可能である。

窒化ケイ素のヒータ基板平均粒径は、約０．０５μｍと約５μｍとの間、いくつかの実施形態では約０．０５μｍ、約０．１μｍ、約０．２μｍ、約０．３μｍ、約０．４μｍ、約０．６μｍ、約０．８μｍ、１．０μｍ、約２μｍ、約３μｍ、約４μｍ、または約５．０μｍ、または前述の値のうちの任意の２つの間に規定される範囲内であってもよい。

焼結してα窒化ケイ素をβ窒化ケイ素に変換した後、ヒータ基板は、窒化ケイ素の総量に基づいて、約１０体積％かと約９９体積％との間、いくつかの実施形態では約１０体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約２０体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約２５体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約３０体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約３５体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約４０体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約４５体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約５０体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約５５体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約６０体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約６５体積％のβ－Ｓｉ_３Ｎ_４、約７０体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約７５体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約８０体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約８５体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４または約９０体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約９５体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約９８体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、約９９体積％β－Ｓｉ_３Ｎ_４、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義される任意の範囲内のβ窒化ケイ素を含んでもよい。残りの窒化ケイ素は、α－窒化ケイ素であり得る。

窒化ケイ素ヒータ基板用の他の添加物

上述した添加物に加えて、または代替的に、窒化ケイ素ヒータ基板は、関心のある選択された特性を変更する添加物を含むことができる。１つの非限定的な例では、金属層が、例えば加熱要素（すなわち、図２～６のような加熱要素２４０または図７～９のような加熱要素３４０）またはＲＦ電極（すなわち、図４～７のようなＲＦ電極２６０）として窒化ケイ素ヒータ基板に組み込まれ、金属層と窒化ケイ素のＣＴＥができるだけ密接に一致されることが必要となる。好ましくは、ＣＴＥは、金属と窒化ケイ素との間で、約０×１０^－６／℃と約４×１０^－６／℃との間の違いで一致し、より好ましくは、金属と窒化ケイ素との間の界面で生じ得る孔、亀裂などの潜在的欠陥を避けるために１×１０^－６／℃未満の違いで一致する。これらの欠陥は、加工後に観察されるか、または発生する熱応力により使用中に発生する。

有効ＣＴＥおよび弾性率を修正するために、窒化ケイ素よりも高いまたは低いＣＴＥ（および弾性率）を有する添加物を、その含有が高密度化を妨げないか、さもなければ最終ヒータ基板本体における望ましい特性に悪影響を与えないという条件で、含有させることができる。干渉は、添加物粒子に関連する多孔性、マイクロクラック、または凝集がある場合に認定できる。ＣＴＥ調整剤には、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｖなどの耐火性金属元素の化合物、それらの合金、およびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されるわけではない。ＣＴＥ修正添加物の量は、最小レベルで添加したときにＣＴＥに顕著な影響があるような量であるべきである。一方、このような添加物の最大レベルは、例えば、用途を代表する室温または高温のいずれにおいても、窒化ケイ素の絶縁特性の劣化をもたらさないことが望ましい。原料バッチに添加されるＣＴＥ修正添加物の総量は、ヒータ基板に対する原料バッチの総重量を基準として、約０．５モル％と約１５モル％との間、いくつかの実施形態では、約０．５モル％、約１．０モル％、約２モル％、約３モル％、約４モル％、約５モル％、約６モル％、約７モル％、約８モル％、約９モル％、約１０モル％、約１１モル％、約１２モル％、約１３モル％、約１４モル％、もしくは約１５モル％、または前述の値のうち任意の２つの間で定義される任意の範囲内でも良い。

窒化ケイ素の熱伝導率（通常約２５Ｗ／ｍＫ）は窒化アルミニウム（通常約１００～１５０Ｗ／ｍＫ）より小さいが、より高い熱伝導率の窒化ケイ素（通常８０Ｗ／ｍＫ以上）および／または複数のゾーンのヒータを使用すれば、あらゆる熱不均一性を克服することができる。このように、原料バッチ窒化ケイ素組成物中の他の添加物によって、得られる窒化ケイ素本体の熱伝導率（および電気特性）を変更することができる。このような添加物の例には、ＭｇＯ（参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６,３９１,８１２号）、ＢＮ、およびＳｉＣ、ならびにそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されるものではない。熱伝導率を調整するために原料バッチに添加される添加物の総量は、ヒータ基板用の原料バッチ総重量を基準として、約０．１モル％と約１５モル％との間、いくつかの実施形態では約０．１モル％、約０．５モル％、約１モル％、約２モル％、約３モル％、約４モル％、約５モル％、約６モル％、約７モル％、約８モル％、約９モル％、約１０モル％、約１１モル％、約１２モル％、約１３モル％、約１４モル％、もしくは約１５モル％、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義される範囲内でも良い。

高密度化後のヒータ基板の厚さは、約５ｍｍと約５０ｍｍとの間、いくつかの実施形態では約５ｍｍ、約７ｍｍ、約１０ｍｍ、約１２ｍｍ、約１４ｍｍ、約１６ｍｍ、約１８ｍｍ、約２０ｍｍ、約２２ｍｍ、約２４ｍｍ、約２６ｍｍ、約２８ｍｍ、約３０ｍｍ、約３５ｍｍ、約４０ｍｍ、約４５ｍｍまたは約５０ｍｍ、または前述の値のうちのいずれか２つの間に規定される任意の範囲内であってよい。

発熱体、発熱体層、または発熱体ゾーンとしての、および／またはＲＦ電極としての金属層

本開示によるウエハヒータアセンブリは、ヒータ基板と適合し、かつヒータ基板に組み込まれる耐火金属に基づく組成を有する金属層を含んでもよい。そのような金属層は、加熱要素、１つ以上の加熱要素層、または１つ以上の加熱要素ゾーンとして、および／またはＲＦエネルギーを伝送するためのＲＦ電極として有用である。ヒータ基板において、これらの金属層は異なる機能を果たし、それに応じて異なる電気的特性を有する。金属層は、室温で約１００Ω・ｃｍから室温で約１×１０^－６Ω・ｃｍの電気抵抗率を有することができる。すべての場合において、そのような層のＣＴＥは、それらが埋め込まれる窒化ケイ素ヒータ基板などのヒータ基板に密接に適合される。好ましくは、金属層と窒化ケイ素との間のＣＴＥの一致は、金属と窒化ケイ素との間で、約０×１０^－６／℃と約４×１０^－６／℃との差であり、いくつかの実施形態では約２×１０^－６／℃よりも良く、より好ましくは約１×１０^－６／℃未満の違いで一致する。

本開示にかかる好適な耐火金属は、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｖ、およびそれらの組み合わせの元素および化合物を含むが、これらに限定されるものではない。金属層は、耐火金属化合物単独または耐火金属単独、あるいは耐火金属化合物、耐火金属、窒化ケイ素、焼結助剤、他の特性修正添加物、およびそれらの組み合わせから構成されてもよい。

金属層の組成は、所望の目標電気特性およびこの層と周囲の窒化ケイ素との互換性に依存する。金属層の金属含有量は、層の約５体積％と約１００体積％（純金属）との間、いくつかの実施形態では、約５体積％、約１０体積％、約１５体積％、約２０体積％、約２５体積％、約３０体積％、約３５体積％、約４０体積％、約４５体積％、約５０体積％、約５５体積％、約６０体積％、約６５体積％、約７０体積％、約７５体積％、約８０体積％、約８５体積％、約９０体積％、約９５体積％、または約１００体積％、あるいは前述の値のうちの任意の２つの間で定義される範囲内でも良い。金属層は、窒化ケイ素、窒化ケイ素の処理に用いられる焼結助剤、ＣＴＥ修正添加物、およびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つをさらに含む複合体であってもよい。したがって、これらの他の構成要素は、複合体の総体積の約０と約９５体積％との間の総量で複合体に含まれ、ＳｉＯ_２を含み得る焼結助剤は、窒化ケイ素の総量の約１モル％と２０モル％との間、いくつかの実施形態では約１モル％、約５モル％、約１０モル％、約１５モル％、または約２０モル％、または前述の値の任意の２つの間で定められる任意の範囲内でも良い。金属層中のＣＴＥ修正添加物には、ＢＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２、およびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されるものではない。ヒータ基板と共に使用される金属層および添加物の区分は、金属層、採用される添加物、および窒化ケイ素基板のいずれかの間の反応の結果として望ましくない相の形成を防止することを必ず考慮する必要がある。反応は、ヒータの製造中または使用中に発生する可能性がある。

窒化ケイ素は、チャンバクリーニングレシピで一般的に使用されるフッ素ベースのプラズマに対して、本質的に良好なプラズマ腐食耐性を有していないので、そのような攻撃から保護される必要がある。希土類シリケートコーティングを含む非多孔性最外層は、窒化ケイ素ヒータ基板にコーティング、積層、接着、または他の方法で関連付けられ、窒化ケイ素ヒータ基板に優れた接着性を有する高密度腐食バリアを形成するために共焼成される。希土類シリケート層は、その粉末から直接作製してもよいし、これから説明するように、その構成成分の混合物から間接的に合成してもよい。

非多孔性最外層

本開示によるウエハヒータアセンブリは、ヒータ基材の腐食保護層として非多孔性最外層を含む。非多孔性最外層は、二ケイ酸イッテルビウム（Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）および二ケイ酸イットリウム（Ｙ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）から選ばれる少なくとも１つの希土類シリケートを含む。好ましくは、図２～９のように、層２２０は、窒化ケイ素からなるヒータ基板と積層するためのイッテルビウムジシリケートである。

希土類シリケート層は、下層の窒化ケイ素ヒータ基板との共密度化の間に合成され得る。図６に示されるように、ラミネート５５０は、非多孔性最外層２２０の表面２３０がヒータ基板２１０に付着する界面２５０を含む。界面２５０における二次相または孔は、保護コーティングの望ましくないクラックまたは剥離に寄与する。本開示の非多孔性最外層２２０は、界面２５０において、約０体積％と約５体積％との間、の望ましくない相または細孔、または約０体積％と約３体積％との間の望ましくない相または細孔、または０体積％と約１体積％との間の望ましくない相または細孔を含む。いくつかの実施形態では、非多孔性最外層の望ましくない相または細孔は、約０体積％、約０．５体積％、約１体積％、約１．５体積％、約２体積％、約２．５体積％、約３体積％、約３．５体積％、約４体積％、約４．５体積％、または約５体積％、または前述の値の任意の二つの間に定められた任意の範囲内とされる。

希土類シリケートのグリーン層は、シリカ（ＳｉＯ_２）とイッテルビア（Ｙｂ_２Ｏ_３）、およびグリーンに未焼成強度のための任意の有機添加物から、シリカとイッテルビアのモル比を慎重に制御しながら調製することができる。構成要素から最外層を作製した例を、実施例２に詳述する。モル比約１．８未満のＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３では、得られた焼結最外層の微細構造は、有害な微細なクラックを示し、イッテルビア（Ｙｂ_２Ｏ_３）およびイッテルビウムモノシリケート（Ｙｂ_２ＳｉＯ_５）などの望ましくない相を含む。モル比が約２．０に近づくと、微細構造のクラックが少なくなり、イッテルビウムモノシリケート（Ｙｂ_２ＳｉＯ_５）相を含むことが観察された。モル比が約２．０か少し大きい（約２．３）場合、微細構造はイッテルビウムモノシリケート（Ｙｂ_２ＳｉＯ_５）およびイッテルビウムジシリケート（Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）を含む。モル比が約２．４と約２．７との間の場合、最外層の焼結体は実質的にイッテルビウムジシリケート（Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）相を含み、観察可能なクラックはない。モル比が約３．０より大きいＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３では、得られる微細構造は多孔性とＳｉＯ_２の存在とを示し、これらは両方とも望ましくない。いくつかの実施形態では、ＳｉＯ_２とＹｂ_２Ｏ_３のモル比（ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３）は、約１．８ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３から約３．０ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３；約１．９ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３～約２．７ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３；または約２．４ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３～約２．７ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３でも良い。

いくつかの実施形態では、希土類シリケートのグリーン層は、ヒータ基板用の腐食保護層としての最外層の製造において、希土類シリケート粉末から直接調製することができる。予め反応させたものから最外層を作製する例は、実施例３に詳述されている。良好な耐食性を得るためには、焼結ラミネートの界面は本質的に気孔がなく、剥離がないことが望ましい。図１０のような断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）顕微鏡写真では、窒化ケイ素ヒータ基板１０１０上の、緻密で固着した希土類シリケート層１０２０が、多孔性および二次相のない界面１０５０で示されている。希土類シリケート層と窒化ケイ素ヒータ基板との間の界面１０５０において、界面１０５０は約５体積％未満の気孔率を示す。さらに、界面１０５０に剥離がないことは、良好な耐腐食性を示す。

非多孔性最外層のための層厚は、ウエハヒータ、ヒータ基板、および使用のための用途に合わせることができる。非多孔性最外層は、本明細書では、交換可能に腐食バリアまたは耐腐食層とも呼ばれる。ヒータを作るために使用されるプロセスの性質に応じて、ウエハヒータのような大きな部品（例えば、約２５０ｍｍと約１ｍの間の直径を有する部品）の焼成後のプロファイルは、所望のプロファイルから１ｍｍ以上離れることがあり、したがって、そのような場合、部品の仕上げ、すなわち倉インディングの後でさえも、最外層の材料の存在を十分に保証するために、最外層の焼成後の厚さは実質的に１ｍｍ以上、いくつかの実施形態では約２ｍｍと約５ｍｍとの間の厚であることが望ましい。より薄い層は、より小さい部品（例えば、約２５０ｍｍまでの直径を有する部品）またはより厳しく制御された製造工程に、より適切に使用され、なぜなら、真の形態からの逸脱は典型的にはより少ないからである。

高密度化後の最外層の厚さは、約０．０５ｍｍと約１５ｍｍとの間、いくつかの実施形態では約０．５ｍｍ、約１ｍｍ、約２ｍｍ、約４ｍｍ、約５ｍｍ、約６ｍｍ、約７ｍｍ、約８ｍｍ、約９ｍｍ、約１０ｍｍ、または約１５ｍｍ、または前述の値の任意の２つの間で定義される任意の範囲内にあっても良い。いくつかの実施形態では、厚さは、必要に応じてチャネル、メサ、またはチャネルを機械加工できるように、１０ｍｍより大きくてもよい。

非多孔性最外層の微細構造は、ウエハヒータの耐久性と性能に重要である。マイクロクラックおよび亀裂のない非多孔性最外層を含むウエハヒータまたはラミネートは、粒子の脱落のような有害な影響を被らない。いくつかの実施形態では、非多孔性最外層は、マイクロクラックおよび亀裂の無い微細構造によって特徴付けられる。本開示の実施形態では、非多孔性最外層は、マイクロクラックおよび亀裂が実質的に無い微細構造によって特徴付けられる。本開示の実施形態において、非多孔性最外層におけるマイクロクラックおよび亀裂の総量は、約０／ｍｍ^２と約５／ｍｍ^２との間、いくつかの実施形態では、最少で０／ｍｍ^２、１／ｍｍ^２、または５／ｍｍ^２、または最大で１０／ｍｍ^２、２５／ｍｍ^２、または５０／ｍｍ^２であり、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義される範囲内である。本開示の実施形態において、非多孔性最外層は、例えば、画像解析、または当該技術分野で知られている他の方法によって定量化される、最大で１／ｍｍ^２のマイクロクラックおよび亀裂を有する微細構造によって特徴付けられる。

本開示の実施形態において、非多孔性最外層の粒径は、ウエハヒータの性能に重要である。一般に、腐食は粒界で最も速く起こり、したがって、粒径の大きい材料はよりゆっくりと腐食する。また、境界での腐食が比較的速い場合、粒界腐食により粒全体が外れることがある。これは、本明細書では、粒子損失または脱落とも呼ばれる。本開示の実施形態では、ウエハヒータは、ＡＳＴＭ－Ｅ１１２によって測定された平均粒径が約１００ｎｍと約１００μｍの間である非多孔性最外層を含む。本開示の実施形態において、耐腐食性非多孔性層は、約１００ｎｍと約１００μｍとの間の平均粒径、いくつかの実施形態では約０．１μｍ（１００ｎｍ）、約１μｍ、約１０μｍ、約１５μｍ、約２０μｍ、約２５μｍ、約３０μｍ、約３５μｍ、約４０μｍ、約４５μｍ、約５０μｍ、約５５μｍ、約６０μｍ、約６５μｍ、約７０μｍ、約７５μｍ、約８０μｍ、約８５μｍ、約９０μｍ、約９５μｍまたは約１００μｍ、あるいは前記値の任意の２つの間に定義される範囲内であることを特徴とする。本開示のいくつかの実施形態では、非多孔性最外層は、ケービアイト結晶構造を有する少なくとも約５０体積％のイッテルビウムジシリケート（Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）を含む。いくつかの実施形態では、ケービアイト結晶構造を有するＹｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７は、最外層の総体積の約５０体積％と約１００体積％との間にあることができる。いくつかの実施形態では、最外層のケービアイト結晶構造を有するＹｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７の体積％は、約５０体積％、約５５体積％、約６０体積％、約６５体積％、約７０体積％、約７５体積％、約８０体積％、約８５体積％、約９０体積％、約９５体積％または約１００体積％、あるいは前述の値のうちのいずれか２つの間に定義される範囲内とすることができる。いくつかの実施形態では、Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７中のＹｂの一部または全部は、ケービアイト結晶構造を維持しながら、１つまたは複数の他の希土類元素と置換される。いくつかの実施形態では、ケイバイト構造は、希土類ジシリケート中の他の希土類元素を使用してガンマ構造に置き換えられることができる。

本開示の実施形態において、ヒータ基板に関連する非多孔性最外層は、ヒータ基板に付着させることができる。本開示の実施形態では、非多孔性最外層は、ヒータ基板に直接付着される。本開示の実施形態では、非多孔性最外層は、例えばその間に層を介在させて、ヒータ基材に間接的に固着される。

介在層の多孔性は、総体積に基づいて、約０％と約５％の間、いくつかの実施形態では約０％、約０．５％、約１．０％、約１．５％、約２％、約３％、約４％、約４．５％、または約５％、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義される任意の範囲内とすることができる。介在層の気孔率は十分に低いことが望ましいが、耐食性非多孔性層の気孔率ほど低くする必要はない。なぜなら、介在層は、耐食性無孔層のようにプラズマエッチングや蒸着などの工程にさらされることがないからである。

不一致はコンポーネント内の遅延剥離につながる傾向があるので、複合材料の個々の層と同様にバルク複合材料の熱膨張係数に一致するように埋込層の材料を選択することが重要である。熱膨張係数の差が、セラミック絶縁基板および耐食性非多孔性層の係数に対して約０×１０^－６／Ｋと約４×１０^－６／Ｋとの間である場合、熱膨張ミスマッチは選択または許容できると考えることができる。本開示の実施形態では、少なくとも１つの介在層は、セラミック絶縁基板および耐食性無孔質層に対する係数に対して、約０×１０^－６／Ｋと約４×１０^－６／Ｋとの間の熱膨張係数差を有する材料であるように選択される。熱膨張の不一致は、層を複数の異なる材料の複合体とし、その複合熱膨張を部品のバルクの膨張と一致させることでしばしば改善できる。

非常に低いレベルの炭素、例えば重量で約０ｐｐｍと約２００ｐｐｍとの間の炭素含有量は、本開示による望ましいほど軽いまたは白い成分にも寄与すると考えられている。本開示の実施形態において、炭素含有量は、約０ｐｐｍと約２００ｐｐｍとの間、いくつかの実施形態において、約１０ｐｐｍ、約２０ｐｐｍ、約３０ｐｐｍ、約４０ｐｐｍ、約５０ｐｐｍ、約６０ｐｐｍ、約７０ｐｐｍ、約８０ｐｐｍ、約９０ｐｐｍ、約１００ｐｐｍ、約１１０ｐｐｍ、約１２０ｐｐｍ、約１３０ｐｐｍ、約１４０ｐｐｍ、約１５０ｐｐｍ、約１６０ｐｐｍ、約１７０ｐｐｍ、約１８０ｐｐｍ、約１９０ｐｐｍ、または約２００ｐｐｍ、あるいは前述の値のうちの任意の２つの間で定義される範囲内である。別の実施形態では、炭素含有量はせいぜい１００ｐｐｍである。さらに別の実施形態では、炭素含有量はせいぜい５０ｐｐｍである。

窒化ケイ素ヒータ基板を有するウエハヒータアセンブリの作製

本開示によるウエハヒータアセンブリはヒータ基板および非多孔性最外層を含み、図１１に示されるような方法１１００に従って、ドライプレス、冷間静水圧プレス、ロール圧縮およびテープキャストに続く積層、またはこれらの方法の組み合わせから選ばれるセラミック加工技術を用いて形成されてもよい。ステップ１１１０のように焼結可能なヒータ基材の第１層を調製するために、窒化ケイ素と適切な無機および有機添加物からなるスラリーまたはスリップを、プレス用に噴霧乾燥するか、またはテープキャスティング用に正しいレオロジーに調整する。

窒化ケイ素ヒータ基板は、ステップ１１２０において、少なくとも１つの加熱要素または金属層の導入をさらに含んでもよい。少なくとも１つの金属層は、適切な形状の金網、金属箔、または積層前にテープに印刷された厚膜として予め形成された形態でヒータ基板に挿入されてもよい。厚膜印刷を使用する場合、必要な金属インクは、無機成分、すなわち、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｖ、それらの合金または化合物、およびそれらの組み合わせ、例えばホウ化物、炭化物、窒化物、アルミ化物およびケイ化物などの無機成分の化合物と、溶剤およびバインダーなどの有機成分とが慎重に配合されて、印刷用ペーストを得ることができる。金属層は、耐火金属化合物単独、耐火金属単独、または耐火金属化合物、耐火金属、窒化ケイ素、焼結助剤、その他の特性改良添加物、およびそれらの組み合わせの複合体から構成されてもよい。その後、スクリーンやステンシルを用いて、必要な発熱体パターン、相互接続、ＲＦ電極を印刷することができる。ビアは、スクリーン印刷によって、またはインク吐出装置を用いて充填される。ステップ１１２０は、約２０℃と約１５０℃との間の温度、いくつかの実施形態では約２０℃、約２５℃、約３０℃、約３５℃、約４０℃、約４５℃、約５０℃、約６０℃、約７０℃、約８０℃、約９０℃、約１００℃、約１１０℃、約１２０℃、約１３０℃、約１４０℃、または約１５０℃、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義される範囲内で発生し得る。

任意的にプレラミネートの形成が必要な場合、ステップ１１３０に従って、介在層を含んでもよい。介在層は、スクリーン印刷またはグリーンセラミックテープのラミネーションによってシステムに提供されてもよい。

窒化ケイ素ヒータ基板は、ステップ１１４０と同様に、窒化ケイ素ヒータ基板本体の上に積層された腐食バリア用の最外層をさらに含む。これは、予め合成された希土類シリケート粉末の均一な層を、緻密化後に既知の厚さを達成するようにプレスすることによって行うことができる。あるいは、希土類シリケート材料の薄いシートをテープキャストして、窒化ケイ素の上に積層することができる。別の選択肢は、ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３の所望のモル比を有する希土類酸化物とシリカの混合物から開始してＹｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７を形成し、焼成中に希土類シリケート層をその場合成することである。ステップ１１４０は、約２０℃と約１５℃との間の温度で起こり得る。

ステップ１１１０～１１４０による層は、ステップ１１５０のようにプレラミネートを形成するように配置される。任意の有機成分は、ステップ１１６０において、約１５０℃と約６５０℃との間の温度、いくつかの実施形態では約１５０℃、約２００℃、約２５０℃、約３００℃、約３５０℃、約４００℃、約４５０℃、約５００℃、約５５０℃、約６００℃、または約６５０℃、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義される範囲内の温度で熱処理されて除去され、または代わりに、有機物が焼成ステップ１１７０において同時に除去されてもよい。窒化ケイ素、金属層および任意層、並びに最外層のステップ１１７０におけるような共焼成は、ラミネートの層を緻密化するために、約１５００℃と約１９００℃との間、いくつかの実施形態では約１５００℃、約１５５０℃、約１６００℃、約１７００℃、約１８００℃または約１９００℃、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義される任意の範囲の温度で、不活性雰囲気（例えばＮ_２、アルゴン、若しくはヘリウム雰囲気またはこれらの組み合わせ）中で行われてもよい。ステップ１１７０は、周囲圧力での焼結（すなわち無圧焼結）、ガス圧力下での焼結（すなわちガス圧焼結）、または一軸圧力（すなわちホットプレス）などを含む。圧力は、約０ｐｓｉと約４００００ｐｓｉとの間、いくつかの実施形態では、約０ｐｓｉ、約５０ｐｓｉ、約１００ｐｓｉ、約１５０ｐｓｉ、約２５０ｐｓｉ、約５００ｐｓｉ、約７５０ｐｓｉ、約１０００ｐｓｉ、約５０００ｐｓｉ、約１００００ｐｓｉ、約２００００ｐｓｉ、約３００００ｐｓｉ、約４００００ｐｓｉ、または前述の値の任意の２つの間に定義される範囲内とすることができる。ガラスアシスト熱間静水圧プレスはまた、積層ウエハヒータの高密度化を達成するための焼結に採用されてもよい。

高密度化の後、ウエハヒータ焼結体は、寸法要件を満たすように機械加工してもよい。シュラウドの必要な結合はここで行われ、電力を供給する電気リードは、従来のろう付けプロセスを使用してヒータ裏面にろう付けされることができる。機械加工された部品は、洗剤、超音波および／または高純度化学試薬を用いて洗浄することができる。

本開示の実施形態において、本開示のウエハヒータアセンブリの製造に使用される原材料中の望ましくない元素の総濃度は、約０原子％と約１原子％との間であり、いくつかの実施形態において、約０原子％、約０．１原子％、約０．２原子％、約０．３原子％、約０．４原子％、約０．５原子％、約０．６原子％、約０．７原子％、約０．８原子％、約０．９原子％、または約１原子％、あるいは前述の値のうちの任意の２値の間に定義される任意の範囲内とすることができる。Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎなどの第１列遷移元素は、シリコン中を比較的速く拡散し、デバイスの電気特性を変化させる可能性がある。ＡｕやＡｇの存在も同様の問題を引き起こす可能性がある。さらに、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋなどの元素は、シリコンを通って素早く拡散し、デバイスのゲート上の電荷密度に影響を与える可能性がある。本開示のウエハヒータは、実質的にコンタミフリー（すなわち、約０原子％から約１原子％の間の不純物）である。耐食性部品を製造するための原料中の望ましくない元素の総濃度は、最小限にすべきである。これらの望ましくない元素の総濃度は、実質的に１原子％未満であるべきであり、好ましくは約０ｐｐｍと約５ｐｐｍとの間、いくつかの実施形態では約０ｐｐｍ、約０．１ｐｐｍ、約０．２ｐｐｍ、約０．５ｐｐｍ、約１ｐｐｍ、約１．５ｐｐｍ、約２ｐｐｍ、約２．５ｐｐｍ、約３ｐｐｍ、約３．５ｐｐｍ、約４ｐｐｍ、約４．５ｐｐｍ、約５ｐｐｍ、または前述の値のうちの任意の２つの間で定義される任意の範囲内である。

窒化ケイ素ヒータの使用状況

供給業者から購入したセラミックヒータアセンブリは、例えば真空チャンバのようなチャンバの内部に取り付けられ、チャンバ内で使用するために接続される。このシステムのユーザは、１つ以上のウエハをヒータ上に置き、各ウエハをある温度まで加熱し、反応性ガスを用いてウエハ上に所定の材料を堆積させ、その後ウエハを除去して新しいものと取り替えることができる。ある枚数のウエハを処理した後、アセンブリの内部が耐えられないほど汚れることがあるが、その時は、活性化したハロゲン含有ガスを内部に流し込んで洗浄することが可能である。この洗浄方法によって、内部をきれいな状態に戻すことができる。その後、ウエハの加工を再開することができる。このプロセスは、ユーザの要求に応じて継続されるであろう。

本明細書で使用されるように、「前述の値のうちの任意の２つの間で定義される任意の範囲内」という文言は、文字通り、値がリストの下位にあるか上位にあるかにかかわらず、かかる文言の前に列挙された値のうちの任意の２つから任意の範囲を選択することができることを意味する。例えば、２つの値の組は、２つの低い値、２つの高い値、または低い値と高い値から選択されるかもしれない。本明細書では、単数形の「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、複数形を含む。

実施例１：窒化ケイ素ヒータ基板（ＣＴＥ調整剤入り）
共に粉砕した無機および有機バッチ成分を含むセラミックスリップを配合し、テープキャスティング用にシリコン疑似／せん断薄膜化する材料の作製を準備する。無機バッチ成分は、窒化ケイ素粉末（宇部、ＳＮ－ＥＳＰグレード、表面積１０ｍ^２／ｇ）を、スリップ混合物全体の５２．９重量％として含み、焼結助剤を、スリップ混合物全体の約１２．８重量％として含む。焼結助剤は、二酸化ケイ素（ＵＳシリカ、ＭＩＮ－Ｕ－ＳＩＬ）を全バッチ配合物の約２．０重量％、酸化イッテルビウム（ＮＥＯ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）を全バッチ配合物の約６．７重量％、二酸化モリブデン（ＨＣスターク、グレードＧ）を全バッチ配合物の約４．１重量％として使用した。有機バッチ成分は、メチルエチルケトン、トルエン、シクロヘキサノンの三元溶媒系を含み、バッチ製剤全体の約１７．１重量％を占めている。残りのバッチ剤には、分散剤Ｈｙｐｅｒｍｅｒ（登録商標）ＫＤ－１（Ｃｒｏｄａ）、結合剤Ｐａｒａｌｏｉｄ（登録商標）Ｂ－７２（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）、タイプＩ可塑剤Ｓａｎｔｉｃｉｚｅｒ（登録商標）Ｓ－１６０（Ｖａｌｔｒｉｓ）、およびタイプＩＩ可塑剤ＵＣＯＮ（登録商標）５０－ＨＢ５１００（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）が含まれる。まず、分散媒、焼結助剤、および添加物とともに、溶媒を粉砕媒体の入ったカーボイに加え、２時間粉砕を行った。その後、窒化ケイ素の粉末を時間をかけて徐々に加え、２４時間粉砕した。無機物を粉砕した後、バインダーとタイプＩおよびタイプＩＩの両方の可塑剤を、脱皮剤のシクロヘキサノンと共に添加し、粉砕した。スリップ調製の最終段階として、テープキャスティングの前に真空脱泡を行った。次に、上述のスリップを従来のテープキャスティング機でキャストして、ヒータ構造におけるターゲット層の所望の厚さに応じて、０．４６ｍｍ（０．０１８インチ）と１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）との間の所望の厚さの窒化ケイ素グリーンテープを作製した。テープが乾燥したら、さらなる処理のためにシートに切断した。

次に、窒化ケイ素に埋め込むための金属層の厚膜印刷のためのインクを調製した。１－オクタノール（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ）、ブチルカルビトール（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ、純度９９％以上）およびエチルセルロース（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ）、炭化タングステン（ＧＴＰ）、窒化ケイ素（宇部 Ｅ１０）および酸化イッテルビウム（Ｎｅｏ Ｃｏｒｐ）を瓶の中で、３分間超音波で混ぜ合わせた。その後、瓶を２５０℃に維持した湯せんに入れ、攪拌した。有機物と無機物が混ざったら、超音波ミキサに入れ、さらに８分間処理した。その後、混合物を３本ロールミルにゆっくりと送り、ペースト状の粘度を有するインクが達成されるまで４５分間粉砕した。

参考のために図２を参照すると、異なる電気抵抗率を達成するために、加熱要素層２４０、ビア２７５、および相互接続層２７０について、異なるレベルのタングステンカーバイドを有するインクを作製した。発熱体層およびビアについては、ＷＣを４２．５体積％含有するインクを作製した。インクの残りの体積％は、窒化ケイ素および／または焼結助剤などの無機材料を含み、溶媒および／またはバインダーなどの有機添加物は除いた。相互接続層には、９０体積％のＷＣを有するインクを準備した。

調製したインクを別々のテープキャスト窒化ケイ素シート上にスクリーン印刷し、その後積層して、図２に模式的に表したウエハヒータアセンブリ２００と同様のアセンブリを形成した。埋め込まれた金属層（すなわち、加熱要素、相互接続）間のビアは、インク分配器具を用いて上述のビアインクで充填された。ヒータ基板本体の裏面へのビアを有する窒化ケイ素の別のテープキャストシートを同様に充填し、他のラミネートに積層して、このようにして、未焼結で、金属層を埋め込んだヒータ基板本体のグリーン製作を完成させた。

次に、積層されたグリーンヒータ基板本体を熱脱バインディング工程で有機物を除去し、窒素中で１６３０℃、２０ＭＰａでホットプレスして、緻密な窒化ケイ素ウエハヒータを形成した。このヒータの裏面に露出するビアに活性ろう材と従来の高真空ろう付け炉を用いて電気リード線をろう付けし、窒化ケイ素ウエハヒータアセンブリの第１サンプル（Ｅ１Ｓ１）を形成した。
上述のＥ１Ｓ１の手順に従って、第２の試料（Ｅ１Ｓ２）を作製し、窒化ケイ素本体と埋め込み金属ＷＣ層を通る断面スライスを作製、研磨し、ＳＥＭで微細構造の品質を観察した。図１２に後方散乱モードで４００倍の倍率で示された微細構造について観察されたように、窒化ケイ素ヒータ基板１２１０は、金属層１２４０との界面１２５０またはその付近に欠陥がなく、緻密で気孔がないものであることが分かった。基板１２１０は、窒化ケイ素の細粒、ケイ化モリブデン、およびガラス相の混合物で構成されていた。また、発熱体層と相互接続層とを含む金属層１２４０は緻密であった。発熱体層と絶縁体との界面１２５０には、気孔やクラックなどの欠陥はなかった。ヒータ基板のＸ線回折は、α－Ｓｉ_３Ｎ_４（５３重量％）、β－Ｓｉ_３Ｎ_４（２７重量％）、Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７（１０．６重量％）およびＭｏ_４．８Ｓｉ_３Ｃ_０．６（４重量％）、ＳｉＣＮ（２．４重量％）、Ｓｉ_２Ｎ_２Ｏ（２重量）およびＭｏＳｉ_２（１重量％）があることが示唆された。金属層のＸ線回折から、存在する主な相は、α－Ｓｉ_３Ｎ_４、β－Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７、およびＷＣであることが示された。

比較例Ｃ１．１：ＣＴＥ調整剤を含まない窒化ケイ素ヒータ基板
比較例（Ｃ１．１）は、テープキャスティングに用いるスラリー中の窒化ケイ素製剤にＣＴＥ調整剤としてのモリブデンシリサイドを添加しなかった以外は、実施例１に従って作製した。その代わりに、窒化ケイ素粉末の配合量を４．１重量％だけ増加させた。ＳＥＭにより１０００倍の倍率で分析した図１３に示すように、断面微細構造を参照すると、窒化ケイ素ヒータ基板１３１０は、窒化ケイ素の細粒とガラス相との混合物からなる緻密なものであった。また、金属層（発熱体層１３４０）も緻密であった。しかし、発熱体層１３４０とヒータ基板１３１０との界面１３５０は、気孔率Ｐが大きく、クラックＣも見受けられた。

図１２および１３に示すように、それぞれのサンプルＥ１Ｓ２およびＣ１．１の微細構造は、ヒータ基板本体配合にモリブデンシリサイド（サンプルＥ１Ｓ２のように）のようなＣＴＥ修正添加物を含むことが、剥離および／または使用中のウエハヒータの早期故障などの有害作用に寄与する気孔、割れ、および他の欠陥を防ぐ重要性を示している。

実施例２：ターゲット腐食バリア層ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３モル比２．４を有する窒化ケイ素ヒータ基板
実施例２（Ｅ２）は、実施例１に準じて、ヒータ基板の最外層に腐食防止層を追加して作製したものである。非多孔性最外層を形成するための腐食防止層は、ヒータ基板との共焼成を含む緻密化時にその場で形成する単相のイッテルビウムジシリケートを目標とした。酸化物から出発し、イッテルビウムとシリカの粉末を使用して、焼結時にイットリウムジシリケートを形成するためのグリーン最外層を作製することができた。

最外層のテープキャスト用セラミックスリップは、無機と有機のバッチ成分で構成され、テープキャスト用に疑似／剪断薄膜化した材料を調合し、粉砕して作成した。有機浴成分としては、メチルエチルケトン、トルエン、シクロヘキサノンの三元溶媒系が全バッチ製剤の約１３重量％、複数の異なる高分子材料が全バッチ製剤の約８重量％を占めていた。高分子材料には、分散剤Ｈｙｐｅｒｍｅｒ（登録商標）ＫＤ－１（Ｃｒｏｄａ）、バインダーＥｌｖａｃｉｔｅ（登録商標）２０１０（Ｌｕｃｉｔｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）、タイプＩ可塑剤Ｓａｎｔｉｃｉｚｅｒ（登録商標）Ｓ－１６０（Ｖａｌｔｒｉｓ）およびタイプＩＩ可塑剤ＵＣＯＮ（登録商標）５０－ＨＢ５１００（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）が含まれている。無機バッチ成分としては、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末（ＮＥＯ社製）、ＳｉＯ_２粉末（アドマファインＦＥ９２５グレード、非晶質）が含まれる。Ｅ２は、ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３のモル比が２．４であり、ＳｉＯ^２が７０．５モル％、Ｙｂ_２Ｏ_３が２９．５モル％に相当する。製造工程の下流で炭素と反応することによるＳｉＯ_２損失を考慮し、出発スリップには予想より高いＳｉＯ_２モル％（Ｙｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２相図を参照）が必要であった。

スリップ調製の最終段階では、テープキャスティングの前に真空脱泡を行った。次に、上述スリップを従来のテープキャスティング機でキャストして、約０．４６ｍｍ（０．０１８インチ）の所望の厚さのシリカ／イッテルビアのグリーンテープを作製した。テープが乾燥したら、それをさらなる処理のためにシートに切断した。

次に、ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３のモル比が２．４の上述のテープを、実施例１に従って準備したヒータ基板本体の表面に重ねて、プレラミネートのグリーン作製が完了した。実施例１と同様に、Ｅ２のグリーンプレラミネートをホットプレスし、その後、ヒータ基板裏面の露出したビアに電気リードをろう付けした。

高密度化の後、実施例２にかかるウエハヒータ焼結ラミネートを断面して、存在する相と微細構造を調べた。Ｘ線回折（ＸＲＤ）により、非多孔性最外層に存在する唯一の相はＹｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７であることが確認された。また、非多孔性最外層は窒化ケイ素ヒータ基板によく密着しており、非多孔性最外層と窒化ケイ素ヒータ基板との界面には孔やクラックなどの欠陥がなかった。

比較例Ｃ２．１：腐食防止層ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３モル比＜２．０を有する窒化ケイ素ヒータ基板－”ＳｉＯ_２リーン”
比較例（Ｃ２．１）は、腐食防止層作製用セラミックスリップを、ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３モル比１．６とした以外は、実施例２と同様にして作製した。ウエハヒータ作製後、焼成を行い、断面の検査を終了した。ＸＲＤにより、最外層にＹｂ_２ＳｉＯ_５とＹｂ_２Ｏ_３の相が存在することが確認された。Ｃ２．１の腐食防止層は下地の窒化ケイ素ヒータ基板によく接着しているように見えるが、最外層は粒界に多数のクラックを有する微細構造であることが確認された。このような欠陥は、最外層に存在する異なる相の間のＣＴＥおよび／または収縮挙動の不一致に起因していると思われる。

比較例Ｃ２．２：腐食防止層ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３モル比＞２．７を有する窒化ケイ素ヒータ基板－“ＳｉＯ_２リッチ”
比較例（Ｃ２．２）は、最外層を作製するためのセラミックスリップがＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３モル比３．０であったこと以外は、実施例２と同様に作製した。ＸＲＤにより、最外層にＹｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７とＳｉＯ_２が存在することが確認され、本製剤がシリカリッチであることが示された。Ｃ２．２の腐食防止層は、下にある窒化ケイ素ヒータ基板によく結合しているように見えるが、最外層はＳｉＯ_２の多数の孔および介在物を有する微細構造を示した。

Ｅ２、Ｃ２．１およびＣ２．２は、ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３モル比を制御して、最外層に存在する微細構造と相を調整し、保護、腐食防止層を提供することが重要であることを示している。他のＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３組成範囲も準備した。少なくとも９５％の相純度（すなわち、所望のＹｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７相の）が、約１．８ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３から約３．０ＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３までのＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３モル比を有するバッチ調合物で達成された。

実施例３：予め反応させたＹｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７粉末から調製した腐食防止層を有する窒化ケイ素ヒータ基板
最外層を作製するためのセラミックスリップが、予め反応させたイッテルビウムジシリケート（Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）粉末を含むことを除いて、実施例３（Ｅ３）は、実施例２と同様に作製された。ｄ_５０が１．２μｍで表面積が４．２ｍ_２／ｇのイッテルビウムジシリケート粉末（Ｔｒａｎｓ－Ｔｅｃｈ Ｃｅｒａｍｉｃｓ ａｎｄ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ａｄａｍｓｔｏｗｎ、ＭＤ、ＵＳＡ）を窒化ケイ素ヒータ基板に積層し、窒素中で１６３０℃、２０ＭＰａでホットプレス成形した。

Ｅ３から分析用断面試料を作製した。最外層の非多孔性層は厚さ１．３ｍｍ、窒化ケイ素ヒータ基板は厚さ５．４ｍｍと測定された。窒化ケイ素ヒータ基板の平均粒径は０．３８μｍ、無孔質最外層の平均粒径は３４．０μｍであった。平均粒径の測定は、ＡＳＴＭ Ｅ１１２－９６の方法に従って行った。

Ｅ３について図１４に示すような断面微細構造を参照すると、窒化ケイ素ヒータ基板１４１０は、非多孔性最外層１４２０と同様に緻密であった。最外層１４２０とヒータ基板１４１０との間の界面１４５０は、ＳＥＭにより１０００倍で画像化された５％未満の多孔性を示した。

Ｅ３の最外層の研磨された断面の光学的明視野画像が、非多孔性最外層１５２０および孔Ｐ、暗相によって表される孔を含んで図１５に示されている。Ｅ３の複数の顕微鏡写真を用いた画像分析によって推定されたように、気孔率は３体積％未満であると計算された。

Ｅ３のサンプルを粉末状に粉砕して、Ｘ線回折［D8 Discover Theta-Theta X-Ray Diffractometer, copper tube operated at 40kV, Bruker AXS GmbH, Germany］による位相分析を行い、そのスペクトルを図１６に示した。存在するヒータ基板相について、リートベルト解析は、存在する窒化ケイ素相が３５％のα－窒化ケイ素（α－Ｓｉ_３Ｎ_４）および６５％のβ－窒化ケイ素（β－Ｓｉ_３Ｎ_４）を含むと算出した。β型窒化ケイ素相に関連する１０１ピークの最大強度は、近傍の２００ピークの最大強度よりも大きく、ランダムに配向した結晶粒であることが示された。最外層に存在する相については、Ｘ線回折を用いて検出可能な唯一のイッテルビウム含有相は、００１ピークの強度が隣接する０２０ピークの強度よりも大きいケービアイト構造を示し、やはりランダムに配向した結晶粒を示している。また、Ｘ線回折データからのピーク、およびそれによる相対的な％の違いは、Ｘ線回折パラメータの違いに基づいて変化し得ることは、当業者には明らかである。言い換えれば、異なる手順は異なる結果を提供する可能性がある。Ｘ線回折パラメータは、比較可能な結果を提供するために、慎重に選択されるべきである。

表１Ａ～１Ｂは、実施例１～３、Ｅ１Ｓ２、Ｅ２、Ｅ３、並びに比較試料Ｃ１．１、Ｃ２．１およびＣ２．２の異なるＳｉＯ_２：Ｙｂ_２Ｏ_３モル比処方を有する組成物のデータをまとめたものである。全ての値は概算値である。

表１Ａ．

表１Ｂ．

Ｅ３の他のＸ線回折スペクトルを図１７に示すが、その試料調製は、下にあるヒータ基板層に存在する相を分析するために、金属化平面と平行に表面を研磨する工程を含む（図１６のスペクトルについてと同じ装置および分析パラメータを使用する）。図１７のβ－窒化ケイ素（β－Ｓｉ_３Ｎ_４）相のインデックスピークに示されるように、１０１ピーク強度は２００反射のピーク強度の８０％未満であり、結晶粒のｃ軸が金属化平面に優先的に平行に横たわっていることが示された。このような優先的な結晶粒の配向は、この平面における材料の引張強度の増加をもたらし、それによって、より堅牢なウエハヒータを提供すると思われる。

Ｅ３の他のＸ線回折スペクトルが、図１８に示される。図１６のサンプルと同様に、このサンプル調製は、最外層に存在する相を分析するために、金属化平面と平行に表面を研磨する工程を含む（図１６および図１７のスペクトルと同じ装置および分析パラメータを使用）。図１８に示すように、最外層に存在するイッテルビウムジシリケート（Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）相のインデックスピークは、００１ピーク強度が０２０反射のピーク強度の７０％未満であり、これも、結晶粒のｃ軸が金属化平面に平行にあることを示す結果であった。Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７のケービアイト構造のｃ軸に平行な熱膨張は、３方向のうちで最も小さい。その結果、このような優先的な結晶粒配向は、Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７層とその下のβ型窒化ケイ素材料との間の膨張ミスマッチが減少したことを示しており、これもヒータの堅牢性に寄与している。

実施例４：参照Ｓｉ_３Ｎ_４およびＡｌＮ並びにＹｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７最外層を有する基板のエッチングテスト
窒化ケイ素ヒータ基板上のＹｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７粉末ベースの最外層を、実施例２と同様にホットプレスして、直径２８．６ｍｍ（１．１２５インチ）のパックを形成した。この試料Ｅ５の断面を研磨し、比較のための参照試料である研磨ＡｌＮおよび研磨Ｓｉ_３Ｎ_４試料とともに、適切なエッチマスクを配置してプラズマエッチリアクタに入れた。

エッチャーは、約５００ワットのマイクロ波電力で、２００ｍＴｏｒｒのＣＦ_４ガスを使用して２６０ＶのＲＦバイアス（１３．５６ＭＨｚ発生器から）で９時間運転された。表２に示すように、ステップ高さからエッチング速度を測定し、その結果、最外層のイッテルビウムジシリケートでは約５０ｎｍ／時間、ＡｌＮでは１７５ｎｍ／時間、窒化ケイ素基準では４０００ｎｍ／時間以上であることが確認された。これらの結果から、窒化ケイ素ヒータ基板上にイッテルビウムジシリケートの最外層を有するＥ５は、従来のＡｌＮヒータ基板に比べて３～４倍のエッチング耐性を示し、窒化ケイ素よりも圧倒的に優れていることがわかった。

表２．

他の実施例
本開示の多くの変形および修正を使用することができる。他のものを提供することなく、本開示のいくつかの特徴を提供することが可能であろう。

本開示は、様々な態様、実施形態、および構成において、実質的に本明細書に描かれ、説明されるような構成要素、方法、プロセス、システムおよび／または装置を含み、それらの様々な態様、実施形態、構成、サブコンビネーション、およびサブセットを含む。当業者であれば、本開示を理解した上で、様々な態様、側面、実施形態、および構成をどのように作製し、使用するかを理解することができる。本開示は、様々な態様、実施形態、および構成において、本明細書に描かれていないおよび／または説明されていない項目がない場合、または本明細書の様々な態様、実施形態、および構成において、例えば性能を改善し、容易さを達成し、および／または実装コストを低減するために、以前のデバイスまたはプロセスで使用されてきたような項目がない場合を含むデバイスおよびプロセスを提供することも含んでいる。

本開示の前述の議論は、例示および説明の目的で提示された。前述は、本開示を本明細書に開示される形態または形に限定することを意図するものではない。例えば前述の詳細な説明において、本開示の様々な特徴は、本開示を合理化する目的で、１つ以上の、態様、実施形態、および構成にグループ化されている。本開示の側面、実施形態、および構成の特徴は、上述した以外の代替的な態様、実施形態、および構成で組み合わされてもよい。この開示方法は、請求された開示が各請求項に明示的に記載されている以上の特徴を必要とするという意図を反映していると解釈されるべきではない。むしろ、以下の請求項が反映するように、発明的側面は、単一の前述の開示された態様、実施形態、および構成のすべての特徴よりも少ない特徴に存在する。したがって、以下の請求項は、本詳細説明に組み込まれ、各請求項は、本開示の別個の好ましい実施形態としてそれ自体で存在する。

さらに、本開示の説明には、１つまたは複数の態様、実施形態、または構成、および特定の変形および修正の説明が含まれているが、他の変形、組み合わせ、および修正は、例えば、本開示を理解した後に、当業者の技術および知識の範囲内にあり得るように、本開示の範囲に含まれる。そのような代替、交換可能および／または同等の構造、機能、範囲、またはステップが本明細書に開示されているか否かにかかわらず、請求されたものと代替、交換可能および／または同等の構造、機能、範囲、またはステップを含む代替の態様、実施形態、および構成を許される範囲で含む権利を取得し、いかなる特許性の主題を公に捧げる意図もなく、そのような権利を取得することが意図される。

上述の説明から、当業者は本開示の本質的な特徴を容易に把握することができ、その精神および範囲から逸脱することなく、様々な用途および条件に適合させるために本開示の様々な変更および修正を行うことができる。したがって、他の実施形態も本請求項の範囲に含まれると考えられる。

範囲は、前述の説明の中で議論され、使用されてきた。当業者であれば、本発明から逸脱することなく、記載された範囲内の任意のサブ範囲が、広い範囲内の任意の数と同様に適切であろうことを理解するであろう。

Claims (25)

1. ウエハヒータアセンブリであって、
   窒化物を含むヒータ基板であって、その中に埋め込まれた少なくとも１つの加熱要素を含み、第１表面を有するヒータ基板、および、
   ヒータ基板の第１表面に関連する非多孔質性最外層であって、ケービアイト結晶構造を有する希土類（ＲＥ）ジシリケート（ＲＥ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）を含み、ＲＥはＹｂおよびＹの１つであり、第１表面とは反対側の露出表面を含み、露出表面は加熱のためにウエハに接触するように構成された非多孔質性最外層、を含むウエハヒータアセンブリ。
2. 非多孔質性最外層の希土類ジシリケートは、イッテルビウムジシリケート（Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７）を含む請求項１に記載のウエハヒータアセンブリ。
3. 非多孔質性最外層の少なくとも５０体積％は、ケービアイト結晶構造を有する希土類ジシリケートを含む、または非多孔質性最外層の少なくとも９５体積％は、ケービアイト結晶構造を有する希土類ジシリケートを含む請求項１に記載のウエハヒータアセンブリ。
4. 最外層のＸ線回折は、ケービアイト０２０強度の９５％未満のケービアイト００１ピーク強度を示す請求項１に記載のウエハヒータアセンブリ。
5. ヒータ基板と非多孔質性最外層との間に位置する界面であって、５体積％以下の空隙率を含む界面をさらに含む請求項１に記載のウエハヒータアセンブリ。
6. ヒータ基板は、少なくとも１０体積％のβ－窒化ケイ素（β－Ｓｉ_３Ｎ_４）、または少なくとも５０体積％のβ－窒化ケイ素（β－Ｓｉ_３Ｎ_４）、または少なくとも９０体積％のβ－窒化ケイ素（β－Ｓｉ_３Ｎ_４）を含む請求項１に記載のウエハヒータアセンブリ。
7. ヒータ基板のＸ線回折スペクトルは、β－窒化ケイ素（β－Ｓｉ_３Ｎ_４）２００ピーク強度の９５％未満であるβ－窒化ケイ素（β－Ｓｉ_３Ｎ_４）１０１ピーク強度を示す請求項１に記載のウエハヒータアセンブリ。
8. 非多孔質性最外層の平均粒径は、０．１μｍ（マイクロメートル）から１００μｍ（マイクロメートル）、または非多孔質性最外層の平均粒径は、０．１μｍ（マイクロメートル）から１０μｍ（マイクロメートル）である請求項１に記載のウエハヒータアセンブリ。
9. 最外層の厚さは、０．５ｍｍから１０ｍｍである請求項８に記載のウエハヒータアセンブリ。
10. ヒータ基板の平均粒径は、０．０５μｍ（マイクロメートル）から５μｍ（マイクロメートル）である請求項１に記載のウエハヒータアセンブリ。
11. ヒータ基板の厚さは、少なくとも５ｍｍである請求項１０に記載のウエハヒータアセンブリ。
12. ヒータ基板の窒化物は、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される請求項１に記載のウエハヒータアセンブリ。
13. ヒータ基板は、熱膨張係数調整剤を含む請求項１に記載のウエハヒータアセンブリ。
14. ウエハヒータアセンブリを形成する方法であって、
    少なくとも１つの添加物と、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される窒化物とを含む第１層材料を準備する工程；
    第１層材料を少なくとも１つの加熱要素に適用し、それによってプレラミネートを形成する工程であって、ドライプレス、冷間静水圧プレス、ロール成形、またはテープキャスティングに続くラミネート、およびこれらの組み合わせを含む工程；および、
    １５００℃から１９００℃の温度でプレラミネートを焼結する工程；を含むウエハヒータアセンブリを形成する方法。
15. 少なくとも１つの添加物は、希土類酸化物、アルカリ土類酸化物、アルミナ、シリカ、リチウム化合物、フッ素化合物、炭化ケイ素、窒化ホウ素、耐火金属、または耐火金属化合物からなる群から選択される請求項１４に記載の方法。
16. 第１層材料は、６０から９９モル％の窒化物を含む請求項１４に記載の方法。
17. 窒化物は、少なくとも窒化ケイ素を含み、窒化ケイ素は、８５から１００重量％のα相窒化ケイ素と、１重量％以下の不可避不純物を含み、残部がβ相窒化ケイ素である請求項１６に記載の方法。
18. 第１層材料は、１～１０モル％の希土類酸化物を含み、希土類酸化物は、セリウム（Ｃｅ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、エルビウム（Ｅｒ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ランタン（Ｌａ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ネオジム（Ｎｄ）、プラセオジム（Ｐｒ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、スカンジウム（Ｓｃ）、テルビウム（Ｔｂ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、イットリウム（Ｙ）、およびそれらの組み合わせの酸化物である請求項１６に記載の方法。
19. 第１層材料は、０モル％より大きく２０モル％までのシリカを含む請求項１８に記載の方法。
20. 第１層材料は、１から３０重量％の有機材料を含む請求項１９に記載の方法。
21. 第１層材料は、０．５から１５体積％の熱膨張係数調整剤を含む請求項１９に記載の方法。
22. さらに、焼結工程の前に、１５０℃から６５０℃の温度でプレラミネートを熱処理する工程を含む請求項１４に記載の方法。
23. 非多孔質性最外層の希土類ジシリケートは、本質的にイッテルビウムジシリケート（Ｙｂ _２ Ｓｉ _２ Ｏ _７ ）からなる請求項１に記載のウエハヒータアセンブリ。
24. 非多孔質性最外層の希土類ジシリケートは、イッテルビウムジシリケート（Ｙｂ _２ Ｓｉ _２ Ｏ _７ ）からなる請求項１に記載のウエハヒータアセンブリ。
25. 焼結工程は、１５５０℃から１９００℃の温度でプレラミネートを焼結する工程である請求項１４に記載の方法。