JP3554555B2

JP3554555B2 - サセプターの支持構造

Info

Publication number: JP3554555B2
Application number: JP2002029119A
Authority: JP
Inventors: 和明山口; 義信後藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2022-02-06
Also published as: JP2002373837A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サセプターのチャンバーへの取付構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造用途等においては、例えば図６に示すように、セラミックヒーター２をチャンバー１０の内側壁面へと取り付ける必要がある。このため、セラミックス板製の筒状の支持部材２１の一端２１ａをセラミックヒーター２の接合面（背面）２ｂへと取り付け、この支持部材２１の他端２１ｃをチャンバー１０の内側壁面１０ｄへと取り付けることが行われている。支持部材２１は、アルミナ、窒化アルミニウム等の耐熱性のセラミックスによって形成されている。支持部材２１の内側空間６とチャンバー１０の開口１０ａとを連通させる。支持部材２１とチャンバー１０との間はＯリング２０によって気密に封止する。これによって、支持部材２１の内側空間６とチャンバー１０の内部空間５との間を気密に封止し、チャンバー１０の内部空間５内のガスがチャンバー１０の外部へと漏れないようにする。セラミックサセプター２内には、例えば抵抗発熱体４が埋設されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
セラミックサセプター２の半導体ウエハー１の設置面（加熱面）２ａの温度は、例えば４００℃以上、時には６００℃以上にも達する。一方、Ｏリング等のゴム製の封止部材２０は高熱には耐えられず、その耐熱温度は通常２００℃程度である。このため、チャンバー内に冷却フランジ８を設けることによって、Ｏリングの周辺を冷却し、Ｏリングの周辺の温度が２００℃以下となるように調節することが好ましい。
【０００４】
ところが、セラミックサセプター２の温度が上記のように高くなり、支持部材２１の一端２１ａの温度が例えば４００℃を超え、支持部材２１の他端２１ｃの温度を２００℃以下に冷却したものとすると、支持部材の内部における温度勾配は２００℃以上となる。
【０００５】
支持部材のサセプターに対する接合強度を向上させるためには、およびガス穴や、端子および熱電対を通すための貫通孔を支持部材２１の壁面の内部に設けるためには、支持部材２１を肉厚にし、支持部材のサセプターに対する接合面積を増大させる必要がある。しかし、支持部材を肉厚にすると、前述のように支持部材に温度勾配があることから、支持部材を伝搬する熱伝導量が大きくなる。この結果、支持部材の接合部分２１ａの近辺からの熱伝導の増大によって、加熱面２ａにコールドスポットが生ずる。このため、支持部材の本体部分は肉薄にし、支持部材のサセプター側端部に肉厚の拡張部分（フランジ部分）を設けることが有用である。
【０００６】
しかし、支持部材の端部に肉厚のフランジ部分を設けると、サセプターを高温に加熱するときに、本体部分とフランジ部分との境界付近に集中する内部応力が過大になる傾向がある。このために、支持部材の破壊を避けるためには、サセプターにおける温度の上限に限界がある。
【０００７】
本発明の課題は、被処理物を加熱するためのサセプターと、このサセプターに接合されており、内側空間が設けられている支持部材と、支持部材に接合されている開口が設けられたチャンバーとを備えており、チャンバーの開口と支持部材の内側空間とが連通しており、支持部材の内側空間がチャンバーの内部空間に対して気密に封止されている取付構造において、サセプターから支持部材中へと伝達される熱を抑制すると共に、サセプターを高温にしたときに支持部材に集中する応力を緩和することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被処理物を加熱するためのサセプター、およびこのサセプターに接合されており、内側空間が設けられている支持部材、開口が設けられたチャンバーであって、該支持部材とこのチャンバーが接合されており、その開口が支持部材の内側空間と連通しているチャンバー、および、チャンバーの内部空間に対して気密に封止されている支持部材の内側空間、を備えている支持構造であって、前記支持部材が、さらに、筒状の本体部分を規定する第１の壁部と、前記支持部材の前記サセプター側の端部に設けられた拡径部を規定する第２の壁部と、前記支持部材の縦断面の外側輪郭において前記本体部分と前記拡径部との間に一つまたは複数の連続したアール部分とを備えており、前記第２の壁部の外表面の部分が前記第１の壁部の外表面の部分と平行であり、前記第１の壁部の半径方向の厚みが前記第２の壁部の半径方向の厚みより小さく、前記支持部材の内表面が前記支持部材の全長さに亘って均一な内径を有することを特徴とするものである。
【０００９】
拡径部とは、本体部分に比べて外径が大きくなっている部分を指している。
【００１０】
「本体部分と拡径部との間に一つのアール部分が設けられている」とは、本体部分と拡径部との間に、２つ以上のアール部分が設けられている場合を排除することを意図している。アール部の個数は曲率中心の数によって定まる。曲率中心が１つであれば、その曲率中心に対応するアール部も１つである。アール部が２つあれば、各アール部に対応して各曲率中心が存在する。
【００１１】
また、本発明においては、本体部分と拡径部との間に、複数のアール部分が連続的に形成されている場合を含む。ここで、複数のアール部分とは、曲率中心の異なる複数のアール部分を意味する。また、複数のアール部分が連続しているとは、複数のアール部分の間に、直線状部、真直部分や段差などのアール部以外の形態を挟むことなしに、複数のアール部が連続的に形成されていることを意味する。この場合には、複数のアール部分の各曲率半径が異なっていても良いし、各曲率半径が同一であってもよい。
【００１２】
むろん、拡径部とサセプターとの間に、別途アール部分を設けることは排除されない。
【００１３】
図１−図３の実施形態を参照しつつ、本発明を更に説明する。
【００１４】
筒状の支持部材７の一端には拡径部７ａが設けられており、他端にも拡径部７ｃが設けられている。拡径部７ａの接合面（端面）７ｅがサセプター２の接合面（背面）２ｂへと接合されている。支持部材７の他端の拡径部７ｃの端面７ｇがチャンバー１０の内側壁面１０ｄへと接合されている。支持部材７の内側空間６とチャンバー１０の開口１０ａとが連通している。支持部材７とチャンバー１０との間はＯリング２０によって気密に封止する。７ｄは支持部材７の縦断面の内側輪郭であり、７ｆは外側輪郭である。
【００１５】
支持部材とサセプターとの接合方法は特に限定されず、例えばろう材によって接合でき、あるいは特開平８−７３２８０号公報に記載のようにして固相接合または固液接合できる。サセプター２の加熱面２ａの最高温度は、例えば４００℃以上、時には６００℃以上、１２００℃以下に達する。
【００１６】
チャンバー１０の外側空間１１、チャンバー１０の開口１０ａおよび支持部材７の内側空間６が連通しており、チャンバー１０の内部空間５とは隔離されている。チャンバー１０内に冷却フランジ８を設けることによって、封止部材２０の周辺を冷却し、封止部材２０の周辺の温度が２３０℃以下となるように調節している。
【００１７】
支持部材７は、筒状の本体部分７ｂと、サセプター側の拡径部７ａと、チャンバー側の拡径部７ｃとを備えている。本発明は、本体部分７ｂから拡径部７ａへと至る、支持部材７の縦断面の外側輪郭７ｆに関するものである。
【００１８】
即ち、本例では、図２、３に示すように、本体部分の外側輪郭は略真直であり、拡径部７ａの外側面１６も略真直であり、支持部材７の中心軸Ａに対して略平行である。支持部材７の外側輪郭を見ると、本体部分７ｂからサセプター２へと向かって、アール部分１３（１３Ａ、１３Ｂ）、真直部１４、角１５、拡径部７ａの外側面１６、アール部分１７、サセプターの背面１８が順に形成されている。なお、Ｒはアール部分１３（１３Ａ、１３Ｂ）の曲率半径であり、ＲＥはアール部分１７の曲率半径である。
【００１９】
本発明者は、前述した拡径部近辺における応力集中を緩和する構造を検討していく過程で、例えは図１−図３に示したような特定形態が特に有効であることを発見した。即ち、本体部分７ｂと拡径部７ａとの間に一つのアール部分１３（１３Ａ、１３Ｂ）を設けた場合に、特に支持部材の内部応力が減少し、かつ支持部材７のチャンバー１０側の端部７ｃの温度を最も低く抑制できることを見出した。
【００２０】
本発明者は、他の複数の形態についても詳細に検討を加え、支持部材の内部応力のシミュレーションを行った。例えば、図５に示すような形態の支持部材７Ａを検討した。この例では、本体部分７ｆと拡径部７ａの外側面１６との間に、第一のアール部分２１、真直部２２、角２３、真直部２４、第二のアール部分２５、真直部２６、角１５が設けられている。Ｒ１、Ｒ２は、それぞれアール部分２１、２５の各曲率半径である。本発明者は、このように本体部分７ｆと拡径部７ａとの間に複数のアール部分を設け、各アール部分の曲率半径を種々変更することで、支持部材の内部応力の低減を図った。しかし、実際のシミュレーション結果によると、本体部分７ｆと拡径部７ａとの間に単一のアール部分を設けることによって、多数のアール部分を設けて応力を分散させた場合に比べて、支持部材における内部応力の最大値が著しく低下することを発見し、本発明に到達した。
【００２１】
アール部分１３の曲率半径は限定されないが、支持部材における内部応力を低減するという観点から、３ｍｍ以上とすることが好ましく、５ｍｍ以上とすることが更に好ましく、１０ｍｍ以上とすることが一層好ましい。
【００２２】
また、アール部分の曲率半径が大きくなると、支持部材を伝達される熱が多くなる傾向がある。例えは、図３においては、実線で示すアール部分１３Ａの曲率半径Ｒは相対的に小さく、点線で示すアール部分１３Ｂの曲率半径Ｒは相対的に大きい。支持部材７における内部応力を低減するという観点からは、曲率半径が大きいアール部分１３Ｂの方が好適である。しかし、アール部分の曲率半径が大きいと、それだけ支持部材の横断面の面積が大きくなり、支持部材の他端の拡径部７ｃ（図１参照）近辺の温度が上昇する傾向がある。こうした支持部材のチャンバー側端部における温度を低減するという観点からは、アール部分１３の曲率半径３０ｍｍ以下が好ましく、２５ｍｍ以下が更に好ましく、２０ｍｍ以下が最も好ましい。アール部分１３の曲率半径の最も好適な範囲は１４−１６ｍｍである。
【００２３】
本発明の好適な実施形態においては、例えば図３に示すように、支持部材７の縦断面の外側輪郭７ｆにおいて、拡径部７ａと湾曲部分１３Ａ（１３Ｂ）との間に、支持部材７の中心軸Ａに対して交差する方向に延びる真直部１４を設ける。この真直部１４を設けることによって、拡径部７ａの厚さを十分に大きくでき、あるいは、本体部分７ｂの厚さを十分に小さくできる。例えば図３において直線状部を設けないと、拡径部７ａの厚さは著しく小さい設計になる。
【００２４】
真直部１４のＡに対する傾斜角度θは限定されないが、上記の観点から、４５−９０度とすることが好ましい。
【００２５】
また、好適な実施形態においては、支持部材７の縦断面の外側輪郭７ｆにおいて、拡径部７ａとサセプター２の表面１８との間に他のアール部分１７が設けられている。
【００２６】
この際、図２、３に示すように、他のアール部分１７の少なくとも一部がサセプターに形成されていることが好ましい。言い換えると、サセプター２の表面１８と接合面７ｅとの間に段差ａが生じていることが好ましい。これによって、接合部分における応力集中を最大限緩和できる。
【００２７】
本発明においては、図４に示すように、接合面７ｅとサセプター２の表面（露出面）１８との間に段差が生じないようにすることもできる。ただし、この場合には、アール部分１７Ａを形成すると、アール部分１７Ａにおける支持部材の厚さが非常に小さくなり、かつ異形となる。このため、アール部分１７Ａの近辺に応力が集中し易くなり、あるいは剥離の起点となり易い。
【００２８】
他のアール部分１７、１７Ａの曲率半径ＲＥは、接合部分における応力を最小限とするという観点からは１ｍｍ以上が好ましく、２ｍｍ以上が更に好ましい。
【００２９】
段差ａは限定されないが、接合部分における応力を低減するという観点からは１ｍｍ以上が好ましい。
【００３０】
好適な実施形態においては、拡径部７ａの外側輪郭１６が支持部材７の中心軸Ａと略平行に延びる。外側輪郭または外側面１６の長さｂを大きくすることは、つまり拡径部７ａの厚さを大きくすることを意味している。そして、ｂを大きくすることによって、拡径部の近辺における応力が一層減少することを発見した。この観点からは、ｂを２ｍｍ以上とすることが好ましく、５ｍｍ以上とすることが一層好ましい。
【００３１】
しかし、ｂを大きくすると、今度は支持部材７を伝達してチャンバーの方へと逃げる熱が多くなり、支持部材のチャンバー側端部の温度が上昇し、規定温度（例えば２００℃）を超える傾向がある。このため、ｂは１０ｍｍ以下が特に好ましい。
【００３２】
サセプター、支持部材の材質は限定されないが，好ましくはセラミックスである。ハロゲン系腐食性ガスに対して耐蝕性を有するセラミックスが好ましく、特に窒化アルミニウムまたは緻密質アルミナが好ましく、９５％以上の相対密度を有する窒化アルミニウム質セラミックス、アルミナが一層好ましい。
【００３３】
セラミックサセプターは何らかの加熱源によって加熱されるが、その加熱源は限定されず、外部の熱源（例えば赤外線ランプ）によって加熱されるサセプターと、内部の熱源（例えばサセプター内に埋設されたヒーター）によって加熱されるサセプターとの双方を含む。サセプター中には、抵抗発熱体、静電チャック用電極、プラズマ発生用電極などの機能性部品を埋設することができる。
【００３４】
封止部材の材質は限定されないが、Ｏリングシールやメタルリングシールを例示できる。
【００３５】
【実施例】
（本発明例１−５）
図１−図３を参照しつつ説明した本発明の取付構造を作製した。サセプター２としては、直径３３０ｍｍ、厚さ１５ｍｍの窒化アルミニウム焼結体製の円盤を使用した。支持部材７は、緻密質の窒化アルミニウム焼結体によって成形した。支持部材７とサセプター２とを、特開平８−７３２８０号公報に記載のようにして固相接合した。支持部材７とチャンバー１０との間は、ネジによって締めつけ固定した。Ｏリング１２はフッ素ゴムからなる。
【００３６】
支持部材７の全長は１８０ｍｍとした。支持部材７の内径は３８ｍｍとし、本体部分７ｂの厚さは８ｍｍとし、拡径部７ａの厚さは８ｍｍとした。アール部分１７の曲率半径ＲＥは３ｍｍとし、段差ａは２ｍｍとし、真直部分１６の長さｂは５ｍｍとした。アール部分１３の曲率半径Ｒは表１に示す。
【００３７】
この状態で、サセプター２の設置面２ａの温度を約６００°に加熱したものという設定で、シュミレーションを行った。この状態で、支持部材７の内部応力をその全体にわたって計算し、最大応力を求めた。また、支持部材７のチャンバー側の端部７ｃの温度を求めた。
【００３８】
【表１】

【００３９】
（比較例１）
図５に示した比較例の構造を作製した。基本的には本発明例１と同様にしたが、ただしアール部分２１、２５、真直部分２２、２４、２６、角２３、１５を設けた。アール部分２１の曲率半径Ｒ１は５ｍｍとし、Ｒ２を３ｍｍとした。実験１と同様にして最大応力と支持部材７のチャンバー側の端部７ｃの温度を求めた。この結果、最大応力は３．２ｋｇｆ／ｍｍ^２であり、７ｃの温度は１８０℃であった。
【００４０】
（本発明例６、７）
本発明例６においては、本発明例１と同様の構造を作製した。ただし、アール部分１７の曲率半径ＲＥは３ｍｍとし、段差ａは２ｍｍとし、真直部分１６の長さｂは５ｍｍとし、アール部分１３の曲率半径Ｒは１５ｍｍとした。この結果、最大応力２．６ｋｇｆ／ｍｍ^２であった。
【００４１】
本発明例７においては、本発明例６において真直部分１６を除いた。この結果、最大応力は２．７ｋｇｆ／ｍｍ^２であった。
【００４２】
（本発明例８、９）
本発明例１と同様の構造を作製した。ただし、真直部分１６の高さｂを表２のように変更した。各構造について、最大応力と端部７ｃの温度とを算出した。
【００４３】
【表２】

【００４４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、サセプターから支持部材中へと伝達される熱を抑制すると共に、サセプターを高温にしたときにも支持部材に集中する応力を緩和できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る取付構造の全体を概略的に示す断面図である。
【図２】図１の構造において、支持部材７とサセプター２との接合部分の拡大図である。
【図３】図２の一部を更に拡大して示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る取付構造を示す断面図である。
【図５】本発明外の取付構造を示す断面図である。
【図６】本発明外の取付構造を示す断面図である。
【符号の説明】
２サセプター２ａ設置面２ｂ、１８背面
５チャンバーの内部空間６支持部材の内側空間７、７Ａ支持部材７ａ拡径部７ｂ本体部分７ｃ拡径部（チャンバー側の端部）７ｄ支持部材の内側輪郭（内側面）
７ｅ、７ｇ接合面７ｆ支持部材の外側輪郭（外側面）
８冷却機構１０チャンバー１０ａ開口１０ｄチャンバーの内側面１３本体部分７ｂと拡径部７ａとの間のアール部分１４アール部分１３と拡径部との間の真直部分１６拡径部の外側面（外側輪郭）１７他のアール部分２０封止部材Ａ支持部材の中心軸Ｒアール部分１３の曲率半径
ＲＥアール部分１７、１７Ａの曲率半径Ｏ曲率中心

Claims

被処理物を加熱するためのサセプター、およびこのサセプターに接合されており、内側空間が設けられている支持部材、開口が設けられたチャンバーであって、該支持部材とこのチャンバーが接合されており、その開口が支持部材の内側空間と連通しているチャンバー、および、チャンバーの内部空間に対して気密に封止されている支持部材の内側空間、を備えている支持構造であって、前記支持部材が、さらに、筒状の本体部分を規定する第１の壁部と、前記支持部材の前記サセプター側の端部に設けられた拡径部を規定する第２の壁部と、前記支持部材の縦断面の外側輪郭において前記本体部分と前記拡径部との間に一つまたは複数の連続したアール部分とを備えており、前記第２の壁部の外表面の部分が前記第１の壁部の外表面の部分と平行であり、前記第１の壁部の半径方向の厚みが前記第２の壁部の半径方向の厚みより小さく、前記支持部材の内表面が前記支持部材の全長さに亘って均一な内径を有することを特徴とする、サセプターの支持構造。
前記アール部分の曲率半径が３ｍｍ以上、３０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の構造。
前記支持部材の縦断面の外側輪郭において、前記拡径部と前記アール部分との間に、前記支持部材の中心軸に対して交差する方向に延びる真直部分が設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載の構造。
前記支持部材の縦断面の外側輪郭において、前記拡径部と前記サセプターの表面との間に他のアール部分が設けられていることを特徴とする、請求項１−３のいずれか一つの請求項に記載の構造。
前記他のアール部分の少なくとも一部が前記サセプターに形成されていることを特徴とする、請求項４記載の構造。
前記サセプターまたは前記支持部材の材質がセラミックスであることを特徴とする、請求項１−５のいずれか一つの請求項に記載の構造。