JP2007258115A

JP2007258115A - 加熱装置

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Publication number: JP2007258115A
Application number: JP2006084079A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Unno; 豊海野; Yoshinobu Goto; 義信後藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2007-10-04
Also published as: KR20070096892A; KR100859182B1; US20070221648A1; CN101043767A; CN100563397C; US7432474B2

Abstract

【課題】セラミックス基体とシャフトとの接合部が高い強度を確実に有し、よって製品歩留まりを向上し得る加熱装置を提供する。
【解決手段】加熱装置１は抵抗発熱体１２が埋設された板状のセラミックス基体１１の加熱面１１ａとは反対側の接合面１１ｂに概略円筒形状のシャフト２１が接合されている。このシャフト２１は、セラミックス基体１１との接合端部に形成されたフランジ部２１ａと、このフランジ部２１ａと接続する第１の円筒部２１ｂとを有し、このフランジ部２１ａの接合部の内径Ｄ３と、第１の円筒部２１ｂの外径Ｄ１との比率Ｄ３／Ｄ１が、９２％以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハなどを加熱する加熱装置に関する。

半導体デバイスの製造工程においては、半導体製造装置を用いてウエハ上へ酸化膜等を形成するために加熱処理が施される。この半導体製造装置における、ウエハを加熱するための加熱装置には、被加熱物としてのウエハを載置して加熱する加熱面を有する板状のセラミックス基体中に抵抗発熱体が埋設された加熱装置がある。この加熱装置は、半導体製造プロセスに使用される成膜装置ばかりでなく、板状の被加熱材の表面をドライエッチングする表面処理装置等に用いられても有利に適合するものである。

上述した加熱装置は、一般に、セラミックス基体の加熱面とは反対側の面（接合面）の中央部近傍に、この接合面に対して垂直に取り付けられた概略円筒形状のシャフトを備え、このシャフトによりセラミックス基体が支持される。また、このシャフトの内側空間には、セラミックス基体に埋設された抵抗発熱体等と接続する給電材が配設される。このシャフトは、セラミックス基体と同一材質のセラミックスからなり、セラミックス基体とは別個に作製された後、固相接合又は液相接合によりセラミックス基体に固着される。

セラミックス基体とシャフトとは、セラミックス基体を支持する十分な強度で、かつ、加熱処理時の腐食性ガスからシャフト内の給電材を保護する気密性を有して、確実に接合されることが求められ、更に、良好な接合状態を長期間維持できることが求められる。このような要求に応える加熱装置に関して、接合端部にフランジ部を有するシャフトとセラミックス基体とが接する円環状の接合部の半径方向長さと、当該シャフトのフランジ部の厚さとが、所定の関係を満たすような形状になる加熱装置がある（特許文献１）。
特開２００５−５６７５９号公報

セラミックス基体とシャフトとの接合面及びこの接合部近傍の当該シャフトの形状について、特許文献１に開示されているような適正化がなされた結果、要求されるシャフト接合部の強度や気密性は達成されていた。しかしながら、このような適正化がなされた加熱装置であっても、シャフトのセラミックス基体への接合工程後に、要求特性を満足できない個体があったり、昇温試験時にシャフトが外れたりするトラブルが突発的に発生して、製品歩留まりを低下させることがあった。

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、セラミックス基体とシャフトとの接合部が高い強度を確実に有し、よって製品歩留まりを向上し得る加熱装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成する本発明の加熱装置は、被加熱物を載置する加熱面を有する板状のセラミックス基体と、このセラミックス基体に配設された抵抗発熱体と、このセラミックス基体の加熱面とは反対側の接合面に一方の端部が接合され、このセラミックス基体を支持する概略円筒形状のシャフトとを備え、かつ、前記シャフトが、前記セラミックス基体との接合端部に形成されたフランジ部と、このフランジ部と接続する第１の円筒部とを有し、このフランジ部の接合部の内径Ｄ３と、前記第１の円筒部の外径Ｄ１との比率Ｄ３／Ｄ１が、９２％以上であることを特徴とする。

本発明の加熱装置によれば、セラミックス基体とシャフトとの接合部が高い強度を有し、接合後の接合状態の変化を抑制することができる。

以下、本発明の加熱装置の実施例について図面を用いて説明する。

図１は、本発明に係る加熱装置の一実施例を示す断面図である。図１に示された本実施例の加熱装置１は、この加熱装置により加熱される被加熱物としての例えば半導体ウェハよりも、大きな径になる円盤形状のセラミックス基体１１を有している。このセラミックス基体の一方の平面は、被加熱材がセットされて加熱される加熱面１１ａとなり、この加熱面１１ａとは反対側の平面は、セラミックス基体１１を支持するシャフト２１が接合される接合面１１ｂとなる。このセラミックス基体１１は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系セラミックスからなる。

セラミックス基体１１の内部には、抵抗発熱体１２が埋設されている。この抵抗発熱体１２は、例えば、ＭｏやＷ等の耐熱性金属を用いることができる。セラミックス基体１１の接合面１１ｂの中央部近傍には、抵抗発熱体１２に向かう導通孔１１ｃが形成されていて、この導通孔１１ｃに棒状の給電材１３が挿通されて、抵抗発熱体１２と電気的に接続されている。この給電材１３に図示しない電源から電力が供給されることにより、給電材１３を通じて抵抗発熱体１２に給電され、抵抗発熱体１２が加熱する。このことにより、セラミックス基体１１の加熱面１１ａにセットされた被加熱材が加熱される。

セラミックス基体１１の接合面１１ｂには、給電材１３を収容するように中空形状のシャフト２１が接合固定されている。このシャフト２１は概略円筒形状を有し、より具体的には、セラミックス基体１１と接合する端部にフランジ部２１ａを有し、このフランジ部２１ａに接続して第１の円筒部２１ｂを有し、この第１の円筒部２１ｂと接続して、セラミックス基体１１から遠い側に第２の円筒部２１ｃを有している。

そして、フランジ部２１ａが形成されているシャフト２１の端面とセラミックス基体１１の接合面１１ｂとが接している接合部の内径Ｄ３に関して、本実施形態の加熱装置は、この接合部の内径Ｄ３と、第１の円筒部の外径Ｄ１との比率Ｄ３／Ｄ１が９２％以上となっている。

この接合部の内径Ｄ３と、第１の円筒部の外径Ｄ１との比率Ｄ３／Ｄ１を９２％以上とすることの作用効果について以下説明する。

発明者らは加熱装置のセラミックス基体とシャフトとの接合部の安定した強度向上を図るべく、従来技術のようにセラミックス基体とシャフトとの接合面及びこの接合部近傍の当該シャフトの形状を適正化した加熱装置に生じた不良製品について、超音波探傷装置等により、接合面の状態を多数にわたり調査した。その結果、円環状になる接合面の半径方向で、外周部から中間部近傍では良好な接合状態であり、特に欠陥は観察されなかったが、接合面の半径方向内周部近傍に、不十分な接合状態になっているものが観察された。

この接合部の内周部分の不十分な接合状態の原因は、必ずしも明らかでないが、次のように考えられる。図２は、図１に示したＡ部近傍の拡大断面図である。この図２に示すように、セラミックス基体１１とシャフト２１とを接合する際は、まず、セラミックス基体１１の接合面の所定の位置にシャフト２１のフランジ部２１ａを位置決めして当接し、次いで、このフランジ部２１ａの背面に円筒形状の押圧工具Ｐを当接させた後、固相接合又は液相接合の条件下でセラミックス基体１１に向けて押圧する。この工程によりセラミックス基体１１とフランジ部２１ａとは加圧されて接合する。この接合時に、接合面の外周部から中間部近傍は、押圧工具Ｐの押圧力が直接的に加わるから、十分な接合強度が得られる。これに対して、接合面の内周部分は、押圧工具Ｐの押圧力が、この接合面の内周側端部の位置、すなわち接合部の内径と、円筒形状の押圧工具Ｐの位置に近似される第１の円筒部の外径との位置関係によっては、必ずしも押圧工具Ｐの押圧力が直接的に加わらない場合がある。これにより、接合面の内周部分で、不十分な接合状態になる場合があるものと推察される。

そこで、本実施形態の加熱装置では、接合面の内周側においても、押圧工具Ｐの押圧力が十分に加わるための位置関係を規定すべく、フランジ部２１ａの接合部の内径Ｄ３と、前記第１の円筒部の外径Ｄ１との比率Ｄ３／Ｄ１を９２％以上とした。もっとも、この比率があまりに大きいと、フランジ部２１ａが実質的に形成できなくなるおそれがあるので、比率の上限値は、１０７％程度である。この比率の、より好ましい範囲は、９７〜１０１％程度である。

また、フランジ部２１ａの接合部の内径Ｄ３は、１００ｍｍ以下であることが、接合されるシャフトの接合面の高温での膨張の絶対値を小さくでき、接合部における熱応力値が接合強度の安全係数を十分下回るために、より好ましい。

シャフト２１は、フランジ部２１ａの接合部の内周側端部と、第１の円筒部２１ｂの内周面の端部とを接続する平面２１ｄを有することが好ましい。この平面２１ｄを具備することにより、上述したフランジ部２１ａの接合部の内径Ｄ３と、前記第１の円筒部の外径Ｄ１との比率を容易に９２％以上にすることができる。この平面２１ｄは、シャフト２１の面取り加工等によって、容易に形成することができる。また、面取り加工に限られず、例えば、シャフト２１の金型成形時における金型に、平面２１ｄの部分を作りこむことにより、平面２１ｄを形成することもできる。

フランジ部２１ａの接合部の内周側端部と、第１の円筒部２１ｂの内周面の端部とを接続する面は、図２に示した平面２１ｄに限られない。図３は、加熱装置１の要部の拡大断面図である。図３に示されたシャフト２１は、上記平面２１ｄの代わりに曲面（アール部）２１ｅを具備している。この曲面２１ｅを具備することによっても同様に、上述したフランジ部２１ａの接合部の内径Ｄ３と、前記第１の円筒部の外径Ｄ１との比率を容易に９２％以上にすることができる。この曲面２１ｅは、研削加工や金型成形時の金型への作りこみ等により、容易に形成させることができる。この曲面２１ｅの曲率半径は、１．５ｍｍ以上であることが好ましい。曲率半径が１．５ｍｍ以上であるときに、より適正な接合を確保することができる。より好適な曲率半径の範囲は、１．５〜５．０ｍｍである。

次に、シャフト２１は、材質がセラミックス基体１１と主成分が一致していることが好ましい。主成分が一致していれば、熱膨張係数がほぼ同等となり、接合がしやすくなるばかりか、接合体の接合強度も高めることができる。セラミックス基体１１のセラミックスが窒化アルミニウムであるときには、この窒化アルミニウムセラミックス基体との接合部において熱応力が加わって接合強度が低下するのを防止するために、この窒化アルミニウムセラミックス基体と同一材質のシャフト２１とすることが好適である。

また、図１に示したように、本実施形態の加熱装置１は、シャフト２１が、第１の円筒部２１ｂに接続する第２の円筒部２１ｃを、セラミックス基体１１から遠い側に有し、かつ、第１の円筒部２１ｂの外径Ｄ１は、この第２の円筒部の外径Ｄ２よりも大径であることが好ましい。第１の円筒部２１ｂの外径Ｄ１が、第２の円筒部の外径Ｄ２よりも大径であることにより、図２に示した押圧工具Ｐを用いて、他の部分との干渉なくフランジ部２１ａの背面を押圧することが可能となり、接合部の接合を高強度でかつ確実に行うことが可能となる。

この第２の円筒部の外径Ｄ２と、前記第１の円筒部の外径Ｄ１との比率Ｄ２／Ｄ１は、４０％以上８０％以下であることが、より好ましい。これは、発明者らの調査により、Ｄ２／Ｄ１の比率の如何によっては、第１の円筒部２１ｂと第２の円筒部２１ｃと間で破損するケースが観察されたからである。この破壊起点やクラック形態を細部にわたり調査した結果、第１の円筒部２１ｂ及び第２の円筒部２１ｃとの間に、過大な応力が発生しており、これが破損原因になっていることが明らかになった。そして、シャフト２１に関し、第１の円筒部２１ｂの外径Ｄ１に対する第２の円筒部の外径Ｄ２の比率Ｄ２／Ｄ１を、４０％以上８０％以下にすることにより、第１の円筒部２１ｂと第２の円筒部２１ｃと間で破損しない、高い強度を有する加熱装置となった。したがって、Ｄ２／Ｄ１の比率は４０％以上８０％以下が好ましい。

第１の円筒部２１ｂの外周面と、第２の円筒部２１ｃの外周面とは、曲率半径１〜５ｍｍの曲面で滑らかに接続されていることが、より好ましい。図４は、加熱装置１の要部の拡大断面図である。図４に示されるように第１の円筒部２１ｂの外周面と、第２の円筒部２１ｃの外周面とが、曲率半径１〜５ｍｍの曲面２１ｆで滑らかに接続されることにより、第１の円筒部２１ｂと第２の円筒部２１ｃとの接続部で応力が集中するのが抑制され、この接続部で破損が生じない、高い強度を有する加熱装置となる。

第１の円筒部２１ｂの外周面の、接合面１１ｂからの長さ、すなわち、第１の円筒部２１ｂのくびれ部長さＴ２は８〜７０ｍｍであることが、より好ましい。８〜７０ｍｍを満足したシャフト形状であれば接合プロセスでのシャフト破損を回避できる熱応力値に抑制できる。第１の円筒部２１ｂの外周面の、接合面１１ｂからの長さが８ｍｍに満たないと、第１の円筒部２１ｂ及び第２の円筒部２１ｃとの間に、相対的に過大な応力が発生する場合があり、また、第１の円筒部２１ｂの外周面の、接合面１１ｂからの長さが７０ｍｍを超えるとフランジ部２１ａ及び第２の円筒部２１bとの間に、相対的に過大な応力が発生する場合があり、いずれもシャフト破損を招くおそれがある。

以上、図面を用いて本発明の加熱装置の実施形態を説明したが、本発明に係る加熱装置は、図面及び上述の記載に限定されるものではない。

例えば、セラミックス基体１１の形状は円板が好ましく、この加熱面１１ａに、被加熱物としてのウエハを取り付けるポケット形状を有していてもよく、加熱面１１ａの表面がエンボス形状であってもよく、また加熱面１１ａが溝形状を有していてもよい。またセラミックス基体１１の厚みは、０．５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲とすることができるが、この範囲に限定されない。セラミックス基体１１の材料は、窒化アルミニウムの他に、炭化珪素や窒化珪素や酸化アルミニウムを用いることができる。

セラミックス基体１１に埋設される抵抗発熱体１２は、網状物（メッシュ状）、コイルスプリング状物、膜形状、シート状のいずれの形状であってもよい。また、この抵抗発熱体１２の材質は、モリブデン、タングステン、タングステン−モリブデン化合物から選ばれる少なくとも一種とすることができる。

セラミックス基体１１の内部には、抵抗発熱体１２の他に、高周波電極用エレメントや静電チャック用エレメントを埋設することもできる。

シャフト２１の材質は既に述べた窒化アルミニウムが好ましいが、この他に、窒化珪素やアルミナを、セラミックス基体１１の材質に合わせて用いることが好ましい。このシャフト２１とセラミックス基体１１との接合は、一体化接合が望ましい。

給電材１３は、図１に示したロッド形状の他、ワイヤ形状、あるいは複合体等も適用できる。この給電材１３は、金属が好ましく、特にＮｉが良い。この給電材１３と電極１２近傍に設けられた端子部との電気的接続方法としては、ネジ、かしめ、嵌合、ロウ付け、溶接、共晶等が適用できる。

［実施例１］
５%のイットリアを添加した窒化アルミニウム製のセラミックス基体と、０．５％のイットリアを添加した窒化アルミニウム製のシャフトとを、固相接合法により接合した加熱装置について、第１の円筒部の外径Ｄ１と接合部の内径Ｄ３とを種々に変えた例についてヘリウムガスのリークテストを行った。その結果を表１に示す。

表１から、フランジ部の接合部の内径Ｄ３と、前記第１の円筒部の外径Ｄ１との比率Ｄ３／Ｄ１が８９％の場合は接合が完全でなく、ヘリウムリーク値の測定は不可であるほどガスリークがあった。また、Ｄ３／Ｄ１が９２％以上の場合は、接合が適正に完結し、ヘリウムリーク値はいずれも製品仕様を満足した（下限値：１．０×１０^−８Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ）。

［実施例２］
次に、シャフトについて、第１の円筒部と第２の円筒部とを有する場合に、上記のＤ３／Ｄ１を９２％以上とするには、このフランジ部の接合部の内周側端部と、第１の円筒部の内周面の端部とを接続する部分（以下、シャフト内周面端部）のシャフトにチャンファー平面又は曲面を設けることが有効である。この効果を調べるために、このチャンファー平面（Ｃ部）のチャンファー長さ又は曲面（Ｒ部）の曲率半径を種々の値にした例についてヘリウムガスリークテストを行った。その結果を表２に示す。

表２より、シャフト内周面端部に平面（C）又は曲面（R）を設けることにより、シャフト側の接合面全体に均等な圧力を加えることが可能となり、シャフト接合後のヘリウムリーク値が大幅に改善した。このＣ又はＲは、１．５〜５．０ｍｍが適正な接合を確保できる範囲であることがわかった。Ｃ又はＲが小さい場合（表２でＣが０．５ｍｍの例）、シャフトのフランジ部に対しシャフト接合面が内径側に大きく張り出すがその結果、シャフト接合面内径側に十分な荷重が加わらず十分な接合がされなかった。

［実施例３］
次に、シャフト形状について、第１の円筒部の外径Ｄ１と第２の円筒部の外径Ｄ２とを種々に変えた例についてシャフト接合テストを行った。シャフト形状は図１で示すものでテストを行った。その結果を表３に示す。

表３から、前記第１の円筒部の外径Ｄ１と前記第２の円筒部の外径Ｄ２との比率Ｄ２／Ｄ１が８４％および３７％の場合は接合中にシャフトが破損した。一方、前記比率D２／Ｄ１が４０％〜８０％の場合は接合中のシャフト破損は発生せずヘリウムリーク値も製品仕様を満足した。接合中のシャフト破損原因を特定するため熱応力解析シミュレーションを実施した結果、第１の円筒部２１ｂ及び第２の円筒部２１ｃとの間に、相対的に過大な応力が発生していることが判明した。前記比率D２／Ｄ１が４０％〜８０％を満足したシャフト形状であれば接合プロセスでのシャフト破損を回避できる熱応力値に抑制できることが確認された。

［実施例４］
次に、シャフト形状について、第１の円筒部の外径Ｄ１と第２の円筒部の外径Ｄ２を固定し、くびれ部長さＴ２を種々に変えた例についてシャフト接合テストを行った。シャフト形状は図１に示すものでテストを行った。くびれ部長さＴ２は、図３に示された第１の円筒部２１ｂの外周面の、接合面１１ｂからの長さである。その結果を表４に示す。

表４から、くびれ部長さＴ２が４ｍｍおよび８０ｍｍの場合は接合中にシャフトが破損した。一方、くびれ部長さＴ２が８〜７０ｍｍの場合は接合中のシャフト破損は発生せずヘリウムリーク値も製品仕様を満足した。接合中のシャフト破損原因を特定するため熱応力解析シミュレーションを実施した結果、くびれ部長さＴ２が４ｍｍの場合は第１の円筒部２１ｂ及び第２の円筒部２１ｃとの間に、相対的に過大な応力が発生していることが判明した。くびれ部長さＴ２が８０ｍｍの場合は第１の円筒部２１a及び第２の円筒部２１bとの間に、相対的に過大な応力が発生していることが判明した。前記くびれ部長さＴ２が８〜７０ｍｍを満足したシャフト形状であれば接合プロセスでのシャフト破損を回避できる熱応力値に抑制できることが確認された。

本発明に係る加熱装置の一実施例を示す断面図である。加熱装置の要部の拡大断面図である。加熱装置の要部の拡大断面図である。加熱装置の要部の拡大断面図である。

符号の説明

１加熱装置
１１セラミックス基体
１１ａ加熱面
１１ｂ接合面
１２抵抗発熱体
１３給電材
２１シャフト
２１ａフランジ部
２１ｂ第１の円筒部
２１ｃ第２の円筒部
２１ｄ平面
２１ｅ曲面
２１ｆ曲面

Claims

被加熱物を載置する加熱面を有する板状のセラミックス基体と、
このセラミックス基体に配設された抵抗発熱体と、
このセラミックス基体の加熱面とは反対側の接合面に一方の端部が接合され、このセラミックス基体を支持する概略円筒形状のシャフトと
を備え、かつ、
前記シャフトが、前記セラミックス基体との接合端部に形成されたフランジ部と、このフランジ部と接続する第１の円筒部とを有し、このフランジ部の接合部の内径Ｄ３と、前記第１の円筒部の外径Ｄ１との比率Ｄ３／Ｄ１が、９２％以上であることを特徴とする加熱装置。
前記シャフトは、前記フランジ部の接合部の内周側端部と、前記第１の円筒部の内周面の端部とを接続する平面又は曲面を有することを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
前記平面又は曲面が、面取りの平面または曲率半径１．５ｍｍ以上の曲面である請求項２に記載の加熱装置。
前記シャフトは、材質がセラミックス基体と主成分が一致していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱装置。
前記シャフトは、前記第１の円筒部に接続する第２の円筒部を、セラミックス基体から遠い側に有し、前記第１の円筒部の外径は、この第２の円筒部の外径よりも大径であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の加熱装置。
前記第２の円筒部の外径Ｄ２と、前記第１の円筒部の外径Ｄ１との比率Ｄ２／Ｄ１が４０％以上８０％以下であることを特徴とする請求項５に記載の加熱装置。
前記第１の円筒部の外周面と前記第２の円筒部の外周面とが、曲率半径１〜５ｍｍの曲面で滑らかに接続されていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の加熱装置。
前記第１の円筒部の外周面の、接合面からの長さが８〜７０ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載の加熱装置。