JP2002203662A - ヒータエレメント及び加熱装置並びに基板加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造が容易で熱容量が小さく、温度変化に対
して強固な気密構造を有し、しかもメンテナンス性に優
れたヒータエレメントと、そのヒータエレメントを使用
した加熱装置、特に基板加熱装置を提供する。 【解決手段】 通電により発熱する導電性セラミックス
焼結体製の発熱体素子と、チャンバーの開口部を気密に
覆って前記発熱体素子をチャンバー内に取り付けるため
のセラミックス製の焼結体板と、一端が前記発熱体素子
に連結され他端が前記焼結体板を貫通して前記チャンバ
ー外に導出された導電性セラミックス焼結体製の給電用
電極棒とを備えるとともに、前記焼結体板と前記給電用
電極棒とはガラスまたはガラスセラミックスからなる封
着材で気密に封着したヒータエレメント。特に、排ガス
処理装置や基板加熱装置として有用である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温で使用される
セラミックス発熱体に関するものであり、さらに詳しく
は、例えば半導体ウエーハ、プリント基板、ガラス基板
等の基板加熱や、フロン等の排ガス処理に使用するセラ
ミックス発熱体の素子を備えたヒータエレメント及びそ
れを使用した加熱装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電気炉や気体加熱用に使用する発熱体
（ヒータ）の要求性能としては、高温まで速やかに昇温
すること、高温酸化性雰囲気中、あるいは不活性雰囲気
中、真空雰囲気中等において高い安定性を示すこと、高
温での連続使用や繰り返しの昇降温に対する耐久性が優
れていること、取り扱いが容易でメンテナンス性に優れ
ていること等種々の要求性能がある。特に、高温酸化性
雰囲気中、あるいは高温不活性雰囲気中で使用できる発
熱体として、非金属のセラミックスを主体とするものが
用いられている。セラミックスを主体とする発熱体は、
例えば、半導体製造工程のドライエッチングガス雰囲気
中や、排ガス処理工程中の熱分解工程の加熱装置に使用
しても高温耐食性に優れているので、長時間の使用に耐
えうる発熱体である。

【０００３】例えば、半導体ウエーハの製造において
は、ＣＶＤ膜形成工程、エピタキシャル膜形成工程、酸
化膜形成工程等の熱処理を必要とする工程が数多く存在
しており、その為、各種の基板加熱装置が用いられてい
る。そして、これらの基板加熱装置は、この基板加熱装
置を構成する部材、例えば電極部材から、半導体ウエー
ハ等の基板の汚染源となる物資が揮発して半導体ウエー
ハ等の基板を汚染することがないよう、構成されてい
る。このような基板加熱装置として、従来、例えば図５
に示すように、ヒータ部１０１と電極１０４とチャンバ
ー１０６からなる基板加熱装置１００が知られている。
図５に示す基板加熱装置１００のヒータ部１０１では、
セラミックス製の凸状支持部１０３の内部にタングステ
ン、モリブデン等の金属からなる抵抗発熱体１０５が埋
設され、凸状の上面には基板加熱面１０１ａが設けられ
ている。この凸状支持部１０３はチャンバー１０６内に
設置され、凸状支持部１０３の底部に設けられたフラン
ジ部１０３ａと前記チャンバー１０６との間で気密性シ
ール部１０８を介して接合されている。また、前記抵抗
発熱体１０５には、電力供給用の電極１０４が接続され
ており、該電極１０４は前記チャンバー１０６の内部空
間へ露出しないように、前記チャンバー１０６外に設け
られている。

【０００４】しかしながら、前記の基板加熱装置にあっ
ては、次のような問題点があった。 前記ヒータ部１０１は、ヒータ部の形状となるよう
にセラミックス粉末を成形し、この成形体中に予め金属
製抵抗発熱体１０５を埋め込み、これをホットアイソス
タティクプレス（ＨＩＰ）により焼結して製造されるの
で、基板加熱装置の繰り返し使用中には、前記セラミッ
クスと前記金属製抵抗発熱体１０５との熱膨張係数の差
に起因したクラックが入りやすく、耐久性が不十分であ
る。

【０００５】 前記ヒータ部１０１と前記凸状支持部
１０３とは、一体成形体をホットアイソスタティクプレ
スにより一体焼結して製造されため、製造が煩雑であ
る。 熱容量が大きく、急速な昇温、降温ができず、その
ため半導体ウエーハなどの基板の熱処理に長時間を要
し、生産性が低下する。 昇温する際に金属発熱体が高温になると蒸発し、こ
の蒸発成分が上記クラックからチャンバー１０６内に流
入して基板を汚染するので高性能なデバイスが得られな
い。

【０００６】また、電気炉等の加熱装置の内部を加熱す
る場合には、図６に示すように、セラミックスヒーター
２０５を炉壁２０１の断熱壁２０２を貫通させて取付け
る複雑な構造の方法が採用されている（特開2000-20823
6 参照）。すなわち、炉壁２０１は断熱壁２０２と炉殻
２０３からなり、断熱壁２０２と炉殻２０３との間には
間隙２０４が形成されている。２０５は該断熱壁２０２
を貫通するように設けられた棒状のセラミックスヒータ
で、不定型の耐熱性絶縁材２０６を介して支持されてい
る。該セラミックスヒータ２０５の炉外側の端部には、
セラミックスファイバー２０９を巻き付け、耐熱性絶縁
材２０８により挟持し蓋板をボルト２１１により止着し
ている。また、セラミックスヒータ２０５の炉外側の端
部を覆うように炉殻２０３の外側に小室２１４を一体形
成し、該小室２１４内にブスバー２１８を支持し、該ブ
スバー２１８にボルト２１９を締付けることによって、
可撓性の導電ケーブル２２０の一端をクランプ金具２１
２によってセラミックスヒータ２０５に接続している。

【０００７】また、小室２１４にはブスバー２１８によ
って一端を固定された棒状の給電端子２２１がある。給
電端子２２１は小室２１４の隔壁を貫通して先端部が外
部に導出され、隔壁貫通部にはアルミナファイバー２２
３と耐熱性絶縁材２２４とからなる絶縁性シール材２２
５で密封されている。セラミックスヒータ２０５へは給
電端子２２１、ブスバー２１８、導電ケーブル２２０及
びクランプ金具２１２を介して電力が供給される。ま
た、２３０は小室２１４中へ不活性ガスを供給するため
に設けられた配管接続口で、ここから供給された不活性
ガスは導電ケーブル２２０等の電気抵抗発熱による温度
上昇を抑えながら、矢印に示すように炉壁の間隙２０４
に入り、炉殻２０３の温度上昇を抑えるとともに炉内雰
囲気を余熱するようになっている。

【０００８】上記のように構成することにより、セラミ
ックスヒータ２０５は不定型の耐熱性絶縁材２０６やセ
ラミックスファイバー２０９等によって比較的ルーズに
炉壁２０１に支持されており、可撓性の導電ケーブル２
２０に接続されているので、発熱によって高温になり熱
膨張しても破損することはない。また、セラミックスヒ
ータ２０５が比較的ルーズに炉壁２０１に支持されてい
ても、小室２１４を設けることにより炉内の気密が保た
れ、導電ケーブル２２０やブスバー２１８等の冷却も可
能とされている。しかしながらこのような方式では構造
がかなり複雑で、セラミックス発熱体が高温の腐食性雰
囲気に曝されて損傷した場合に、交換するのは容易なこ
とではない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来の
技術が有する問題点に鑑みてなされたものであり、その
ための具体的な技術的課題は、高温度領域での使用に耐
え、あらゆる使用雰囲気において耐久性に優れ、製造容
易であり、しかも、メンテナンスが容易なヒータエレメ
ント及び加熱装置を提供することを目的とする。さら
に、基板加熱装置用にあっては、熱容量が小さく、急速
な昇温、降温が可能となり、半導体ウエーハなどの基板
の熱処理に長時間を必要とせず、基板の熱処理の生産性
を向上させるのは勿論のこと、基板加熱装置を構成する
部材、例えば発熱体や電極部材から、半導体ウエーハ等
の基板の汚染源となる物資が揮発して半導体ウエーハ等
の基板を汚染することがないような基板加熱装置を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
解決のため鋭意検討した結果、セラミックス発熱体とセ
ラミックス製の焼結板体とを熱膨張差の小さな封着材を
使用して固定したヒータエレメントを構成し、そのヒー
タエレメントを加熱装置外壁にオーリング（Ｏリング）
を介して気密に取り付ける方法を採用した。このような
方法を採用すれば、セラミックス発熱体とセラミックス
製の焼結板体との固定は現場の実機のメンテナンスと切
り離して行うことができ、実機のメンテナンスはヒータ
エレメントをオーリング（Ｏリング）を介して気密に取
り付けるのみで良いので、作業が極めて簡単になり、安
価に短時間で交換することが可能となる。

【００１１】即ち、請求項１に係る本発明のヒータエレ
メントは、少なくとも、通電により発熱する導電性のセ
ラミックス焼結体からなる発熱体素子と、チャンバーの
開口部を気密に覆って前記発熱体素子をチャンバー内に
取り付けるためのセラミックス製の焼結体板と、一端が
前記発熱体素子に連結され他端が前記焼結体板を貫通し
て前記チャンバー外に導出された導電性のセラミックス
焼結体からなる給電用電極棒とを備えるとともに、前記
焼結体板と前記給電用電極棒とはガラスまたはガラスセ
ラミックスからなる封着材で気密に封着されてなるヒー
タエレメントとした。

【００１２】上記のように構成した本発明のヒータエレ
メントによれば、導電性のセラミックス焼結体からなる
電極棒をガラスあるいはガラスセラミックス製の封着材
を用いて、セラミックス製の焼結板体に封着することに
より、異種物質の複合体により形成されたものでないた
め、熱膨張係数の差に起因したクラック等が発生するこ
とがなく、しかも、熱容量が小さく、急速な昇温、降温
が可能となる。また、電極棒を導電性のセラミックス焼
結体で作製し、しかも電極棒の端部をチャンバーの外へ
出すことによって、金属汚染の問題を考慮する必要がな
くなる。また、加熱装置への取り付け方法は、オーリン
グを介して加熱装置外壁に気密に取り付けるだけなの
で、極めて簡単で短時間に作業することが可能となる。

【００１３】本発明のヒータエレメントにおいては、前
記給電用電極棒、前記封着材、および前記封着材と前記
セラミックス製の焼結板体のそれぞれの熱膨張係数は、
一定の関係を有することが好ましい。即ち、前記給電用
電極棒と前記封着材との熱膨張係数の差が２×１０^―6
／℃以下、かつ、前記封着材と前記セラミックス製の焼
結板体の熱膨張係数の差が２×１０^―6／℃以下とする
のが好ましい。

【００１４】前記給電用電極棒、前記焼結体板、および
と前記封着材のそれぞれの熱膨張係数が上記の関係を満
たすことにより、温度変化を与えた場合の熱応力が小さ
くなり、クラックや剥離等の発生が無くなって十分な気
密性が確保される。また十分な接合強度を容易に達成す
ることができ、耐久性に富んだ装置とすることができ
る。これらの範囲を外れると熱膨張の差による応力が大
きくなり、クラックや剥離が生じ易くなり、特に熱サイ
クル試験を行った場合、短時間にリークが発生する虞が
ある。

【００１５】また、本発明のヒータエレメントにおい
て、前記給電用電極棒は、特定の導電性セラミックス焼
結体で形成するのが好ましい。即ち、前記給電用電極棒
の材質としては、炭化珪素、二珪化モリブデン、ジルコ
ニア、ランタンクロマイトからなる群から選ばれた少な
くとも１種を主成分とするものを使用して形成するのが
好ましい。ここに、「主成分」とは、これらのセラミッ
クスを５０重量％以上、好ましくは８０重量％以上含有
することを意味する。前記給電用電極棒の材質を、上記
のような導電性セラミックス製とすれば、高熱伝導性、
耐熱性、焼結性などの点において好ましく、更に、接合
する焼結体板や封着材との関係において、熱膨張係数が
前記の範囲内にあるものを容易に選択することができる
からである。

【００１６】更に、本発明のヒータエレメントにおい
て、前記焼結体板は、特定のセラミックスで形成するの
が好ましい。即ち前記焼結体板の材質としては、窒化珪
素、窒化アルミニウム、ムライト、アルミナ、コージュ
エライト、サイアロン、マグネシア、ジルコン、フォル
ステライト、ステアライトからなる群から選ばれた少な
くとも１種を主成分とするもので形成するのが好まし
い。ここに、「主成分」とは、これらのセラミックスを
５０重量％以上、好ましくは８０重量％以上含有するこ
とを意味する。前記焼結体板の材質を、上記のようなセ
ラミックスとすれば、耐熱性、焼結性などの点において
好ましく、更に、接合する焼結体板や封着材との関係に
おいて、熱膨張係数が前記の範囲内にあるものを容易に
選択することができるからである。

【００１７】更に、本発明のヒータエレメントにおい
て、前記のガラスまたはガラスセラミックス（結晶化ガ
ラス）からなる封着材は、特定のセラミックスで形成さ
れているのが好ましい。即ち、前記のガラスまたはガラ
スセラミックスからなる封着材は、アルミノ珪酸ガラ
ス、バリウムホウ珪酸ガラス、ホウ珪酸ガラス、ソーダ
バリウム珪酸ガラス、鉛ホウ珪酸ガラス、酸化亜鉛−酸
化硼素―シリカガラスセラミックス、亜鉛ホウケイ酸ガ
ラス、ソーダ石英ガラス、酸化イットリウム−酸化アル
ミニウム−シリカガラスからなる群から選ばれた少なく
とも１種で形成するのが好ましい。前記の封着材を、上
記のようなガラスまたはガラスセラミックスとすれば、
軟化点が高く、更に、接合する焼結体板や封着材との関
係において、熱膨張係数が前記の範囲内にあるものを容
易に選択することができるからである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、添付の図面を参照して本
発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、
この実施形態は本発明の要旨を説明するためのものであ
り、特に限定のない限り本発明を限定するものではな
い。

【００１９】本発明に係わるヒータエレメントの一実施
形態を図１に示す。図１においてヒータエレメント２０
は、例えば金属アルミニウム製のチャンバー１と、この
チャンバー１内に配設される導電性セラミックス焼結体
からなる発熱体素子２と、前記チャンバー１の開口部を
気密に覆う焼結体板３と、一端が前記発熱体素子２に連
結され、他端が前記焼結体板３を貫通して前記チャンバ
ー１の外に導出された導電性セラミックス焼結体からな
る給電用電極棒４を備えている。

【００２０】前記導電性セラミックス焼結体製の発熱体
素子２と、前記導電性セラミックス焼結体からなる給電
用電極棒４とは、接合層５を介して連結されているか、
または、セラミックス製ナット、ワッシャー等を用いて
機械的に連結されている。この発熱体素子２の材質とし
ては、例えば炭化珪素、二珪化モリブデン、ジルコニ
ア、ランタンクロマイト等を例示することができるが、
なかでも炭化珪素が好適に使用される即ち、発熱体素子
２と給電用電極棒４とが共に炭化珪素で形成されている
場合には、特願平11-154336 に開示されているように、
Ｓｉを含む接合剤を用いて接合すれば、ヒータエレメン
トを酸化雰囲気中、不活性雰囲気中、還元雰囲気中のす
べての雰囲気において好適に使用することができる。炭
化珪素としては、高純度で金属汚染の原因とならない例
えば特許第２７２６６９４号公報に記載された、常温下
での熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、輻射率が０．
７５以上である導電性炭化珪素材料が好適に使用され
る。

【００２１】前記給電用電極棒４は、ガラスあるいはガ
ラスセラミックスからなる封着材１２を介して、焼結体
板３と気密に封着されている。十分な気密性、接合強度
を得るためには、前記焼結体板３と上記封着材１２との
熱膨張係数の差が２×１０^-6／℃以下の範囲であり、か
つ、前記給電用電極棒４と上記封着材１２との熱膨張係
数の差が２×１０^-6／℃以下の範囲であるのが好まし
い。より好ましくは給電用電極棒４と焼結体板３との熱
膨張係数の差が１×１０^-6／℃以下の範囲であり、かつ
給電用電極棒４と上記ガラスあるいはガラスセラミック
ス製の封着材１２との熱膨張係数の差が０．５×２×１
０^-6／℃以下の範囲であるのが良い。これらの範囲を外
れると、クラックや剥離が生じやすくなり、特に熱サイ
クルを繰り返した場合に、短時間にリークが発生する虞
がある。

【００２２】前記給電用電極棒４の材質としては、炭化
珪素（熱膨張係数：４．０×１０^-6／℃）、二珪化モリ
ブデン（熱膨張係数：７．５×１０^-6／℃）、ジルコニ
ア（熱膨張係数：９．２×１０^-6／℃）、ランタンクロ
マイト（熱膨張係数：９．７×１０^-6／℃）からなる群
から選ばれた少なくとも１種を主成分とするものである
ことが、高熱伝導性、耐熱性、焼結性などの点において
好ましい。

【００２３】また、前記焼結体板３の材質としては、窒
化珪素（熱膨張係数：３．０〜３．７×１０^-6／℃）、
窒化アルミニウム（熱膨張係数：３．９〜４．４×１０
^-6／℃）、ムライト（熱膨張係数：３．７〜５．０×１
０^-6／℃）、アルミナ（熱膨張係数：７．５〜８．１×
１０^-6／℃）、コージュエライト（熱膨張係数：２．８
×１０^-6／℃）、サイアロン（熱膨張係数：３．０〜
３．４×１０^-6／℃）、マグネシア（熱膨張係数：１１
×１０^-6／℃）、ジルコン（熱膨張係数：２．５〜４．
８×１０^-6／℃）、フォルステライト（熱膨張係数：１
０．５×１０^-6／℃）、ステアライト（熱膨張係数：
７．８×１０^-6／℃）からなる群から選ばれた少なくと
も１種を主成分とするものであることが、耐熱性、焼結
性などの点において好ましい。

【００２４】封着材１２を形成するガラスあるいはガラ
スセラミックスの材質としては、前記給電用電極棒４と
前記焼結体板３とを気密に封着できることは勿論のこ
と、発熱体素子２の通電時に温度が上昇するため、耐熱
性を備えていることが必要であり、軟化点は４００℃以
上、好ましくは６００℃以上であるのが好ましい。この
ような封着材１２用のガラスあるいはガラスセラミック
スとしては、例えば、アルミノ珪酸ガラス（熱膨張係
数：４〜７×１０^-6／℃）、バリウムホウ珪酸ガラス
（熱膨張係数：５×１０^-6／℃）、ホウ珪酸ガラス（熱
膨張係数：３〜５×１０^-6／℃）、ソーダバリウム珪酸
ガラス（熱膨張係数：５×１０^-6／℃）、鉛ホウ珪酸ガ
ラス（熱膨張係数：５×１０^-6／℃）、酸化亜鉛−酸化
硼素−シリカガラスセラミックス（熱膨張係数：３〜７
×１０^-6／℃）、亜鉛ホウケイ酸ガラス（熱膨張係数：
７×１０^-6／℃）、ソーダ石英ガラス（熱膨張係数：９
×１０^-6／℃）、酸化イットリウム−酸化アルミニウム
−シリカガラス（熱膨張係数：４〜６×１０^-6／℃）等
を例示することができる。なかでも、強度に優れること
から、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を２０〜７０重量％、酸化ホ
ウ素（Ｂ₂Ｏ₃）を２０〜３５重量％含有する酸化亜鉛−
酸化硼素−シリカ系ガラスセラミックス（熱膨張係数：
３．５〜６．５×１０^-6／℃）を好適に例示することが
できる。

【００２５】そして、前記のような材質で形成された給
電用電極棒４と、前記のような材質で形成された焼結体
板３、及び前記のような材質で形成された封着材１２の
うちから、前記給電用電極棒４と焼結体板３との熱膨張
係数の差が２×１０^-6／℃以下、より好ましくは１×１
０^-6／℃以下の範囲とし、かつ、前記焼結体板３及び給
電用電極棒４と上記封着材１２との熱膨張係数の差が２
×１０^-6／℃以下、より好ましくは０．５×１０^-6／℃
以下となるように選択するのが好ましい。

【００２６】上述の封着は、酸素を含有する雰囲気中あ
るいは不活性ガス雰囲気中で行うことが好適であり、さ
らには、酸素中、窒素中、アルゴン中、もしくはこれら
の混合雰囲気中がより好適に使用できる。真空中あるい
は還元雰囲気中で行った場合、ガラスもしくはガラスセ
ラミックスが還元される等不具合が生じ、十分な気密性
を得る事ができない虞がある。ガラスもしくはガラスセ
ラミックスを用いて封着する場合の温度は軟化点に関連
し、封着処理温度は４００〜１２００℃の範囲が好まし
い。封着処理温度が４００℃以下の場合、ガラスの流動
性が不十分であり、一方、封着処理温度が１２００℃以
上となると発泡が生じやすく、気密を得ることが困難と
なる。より好ましくはガラスもしくはガラスセラミック
スの封着処理温度は５００〜１１００℃の範囲である。

【００２７】封着する際、前記給電用電極棒４及び焼結
体板３に特別な前処理を行わなくても十分な気密性を得
る事ができる。しかし、前記給電用電極棒４が炭化珪
素、二珪化モリブデン等の非酸化物から形成されている
場合には、ガラスもしくはガラスセラミックスとの塗れ
性が悪く、気密性は得られるものの強度が不十分となる
場合がある。そのため、前記給電用電極棒４が非酸化物
で形成されている場合は、酸化雰囲気中、例えば６００
〜１３００℃で熱処理して給電用電極棒４の表層に酸化
物層を形成させ、その後に封着を行うと、ガラスあるい
はガラスセラミックスとの濡れ性が改善され、また酸化
物層とガラスあるいはガラスセラミックスが化学的に反
応・結合し、強固な接合が得られるので好ましい。ま
た、焼結体板３が非酸化物から形成されている場合も上
記と同様、酸化雰囲気中で熱処理し、焼結体板３の表層
に酸化物層を形成させ、その後に封着することにより、
強固な接合を得ることができる。

【００２８】前記の給電用電極棒４の端部はチャンバー
１の外部に導出させる。導出された給電用電極棒４は、
該給電用電極棒４の熱膨張係数に近似した熱膨張係数を
有する給電用の金属電極部７と電気的に接続され、供給
電力の増減を行い、ヒータエレメント２０の温度制御が
できるようになっている。加熱時、発熱体素子２の発熱
が給電用電極棒４に伝導し、また給電用電極棒４自身が
発熱することによって、給電用電極棒４の端部が高温と
なる。そのため、給電用金属電極も高温となる。しか
し、この実施形態に係る基板加熱装置では、給電用電極
棒４の端部をチャンバー１の外へ導出することによっ
て、金属電極部７からの金属蒸発に起因した金属汚染の
問題を考慮する必要がなくなる。また、チャンバー１外
に導出された給電用の金属電極部７を水冷、空冷などの
手段で強制的に冷却することができ、そのため給電用電
極棒４と給電用の金属電極７とを容易に接続でき、しか
も該接合部の耐久性を飛躍的に改善させることができ
る。

【００２９】次に、前述のヒータエレメント２０を使用
した加熱装置について説明する。前述のヒータエレメン
ト２０を利用した加熱装置は特に制限はなく、加熱室を
有する全ての加熱装置に適用できる。例えば、ガス加熱
装置や基板加熱装置が挙げられる。本発明のヒータエレ
メントは、特に、高温で腐食環境を使用する加熱装置に
有効である。ガス加熱装置を例に取れば、内部をガスが
流れる管状の加熱用のチャンバーに穴を開け、本発明の
ヒータエレメントの発熱素子部を加熱用のチャンバー内
に挿入し、チャンバー外壁にヒータエレメントの焼結板
体をＯリングを使用して気密にボルト締めして取り付け
る。高温、腐食性のガスにより発熱素子が劣化してきた
ならば、このヒータエレメントごと交換すればよい。ヒ
ータエレメントの交換は、ボルト締めだけなので、短時
間に極めて簡単に交換することができる。

【００３０】加熱装置の他の例として、基板加熱装置を
取り上げて説明する。基板加熱装置は、加熱チャンバー
内に半導体基板等を載置するための基板支持板が配置さ
れ、この基板支持板の裏側にヒータを配置して基板を加
熱するような構造となっている。したがって、基板加熱
装置で使用する発熱体素子は、基板支持板に並列配置さ
れた平面状の発熱体素子を使用するのが好ましい。平面
状の発熱体素子を使用すれば、基板支持板を均等に加熱
することができ、基板の平面的な温度分布を均一に保つ
ことが可能となる。基板加熱装置においては、平面状の
発熱体素子を使用する以外は、ヒータエレメントの構造
は先のガス加熱装置の場合と同様でよい。基板加熱装置
へのヒータエレメントの取付方法も、先のガス加熱装置
の場合と同様で良い。高温、腐食性のガスにより発熱素
子が劣化してきたならば、このヒータエレメントごと交
換すれば良い。ヒータエレメントの交換は、ボルト締め
だけなので、短時間に極めて簡単に交換することができ
る。

【００３１】

【実施例】以下、本発明の実施例と比較例を掲げ、本発
明を具体的に説明する。 （実施例１）図１に示した構造のヒータエレメントを作
製した。発熱体素子２と給電用電極棒４の材質は、常温
下での熱伝導率が１７５Ｗ／ｍ・Ｋで、かつ、輻射率が
０．９の導電性炭化珪素焼結体を用いた。発熱体素子２
は、放電加工により厚みが３ｍｍ、幅が６ｍｍの帯状の
発熱体が図１のように屈曲形状に形成されたものであ
る。発熱体素子全体の高さは２００ｍｍ、幅は４６ｍｍ
で、屈曲部分の長さは１００ｍｍとした。給電用電極棒
４の形状は直径６ｍｍ、長さ１００ｍｍの棒状とした。
焼結体板３の材質としては、窒化アルミニウム（住友大
阪セメント（株）製）を用いた。焼結体板３の直径は１
００ｍｍ、厚さ６ｍｍとし、給電用電極棒４の貫通穴の
直径を８ｍｍとした。給電用電極棒４，４は中心から１
８ｍｍの位置に配置した。金属電極部７の材質は、コバ
ールとした。

【００３２】発熱体素子２と給電用電極棒４の接合体
を、以下のようにして得た。珪素粉末０．７ｇとモリブ
デン粉末０．３ｇを秤量し、アクリル樹脂を溶解したα
−テルピネオールを加えて混合した後、発熱体素子２と
給電用電極棒４の接合面に塗付した。次いで発熱体素子
２と給電用電極棒４を所定の形状に組み立て、３５０℃
にて２０分間脱脂を行い、大気圧下１５００℃で３０分
間熱処理することにより接合した。一方、封着材１２用
のガラスセラミックスを下記のようにして作製した。酸
化亜鉛（ＺｎＯ）６０ｇと酸化硼素（Ｂ₂Ｏ₃）２５ｇと
シリカ（ＳｉＯ₂ ）１５ｇを自動乳鉢にて混合後、１６
８０℃の電気炉にて白金ルツボを用いて溶融した。溶融
後、水中に投下して急冷し、ガラスを得た。得られたガ
ラスは遊星ミルにてエタノール中で粉砕し、３００メッ
シュ以下になるまで粉砕した。粉砕後、乾燥して組成Ａ
の封着材（粉末、軟化点６５０℃）を得た。

【００３３】発熱体素子２に接合された給電用電極棒４
と、焼結体板３とを下記のようにして封着した。カーボ
ン治具を用い、発熱体素子２に接合された給電用電極棒
４と、焼結体板３とをそれぞれ所定の位置に配設した。
配設後、前記封着材を給電用電極棒４と焼結体板３との
隙間に入れ、窒素雰囲気中にて速度１０℃／ｍｉｎで９
００℃まで昇温し、９００℃で３０分間保持した後、速
度１０℃／ｍｉｎにて室温まで冷却した。一方、給電用
電極棒４の端部に金属製電極部７をコバール製のボルト
１７を用いて連結した。

【００３４】上記のようにして製作したヒータエレメン
トについて、封着部の気密性と封着部の接合強度を評価
した。 「封着部の気密性の評価」給電用電極棒４とセラミック
ス製の焼結体板３との封着部の気密性を以下のようにし
て評価した。空気中で発熱体素子２部分の温度が１１０
０℃になるまで出力を調整しながら１０℃／ｍｉｎの速
度にて昇温し、１１００℃に到達後、３０分間保持し、
１０℃／ｍｉｎの速度にて室温まで降温する熱負荷サイ
クルを所定回数負荷した。負荷終了後、ヘリウムリーク
ディテクタ（日本真空技術（株）製モデルＤＬＭＳ−３
３）を用いて気密性を評価した。その結果を表１に示し
た。評価基準は次のとおりである。 ○印……５００サイクル後にリークなし、 △印……２００サイクル後にリークあり、 ×印……１０サイクル後にリークあり。

【００３５】「封着部の接合強度の評価」別途、図２に
示す試験片（給電用電極棒４と焼結体板３との前記封着
材を用いて接合された接合体。寸法は前記ヒータエレメ
ント２０における場合と同一）を作製し、強度測定装置
（インストロン（株）製、インストロンMZ-401）を用い
て給電用電極棒４と焼結体板３との間のガラスセラミッ
クスの破壊強度を室温、４００℃にて測定した。その結
果を表１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】（実施例２）実施例１と同様な操作を行っ
て、図１に示す構造のヒータエレメントを作製した。た
だし、発熱体素子２と給電用電極棒４との接合体を製作
後、１３００℃にて１時間空気中で酸化処理して表面に
酸化膜を形成した。一方、焼結体板３も９００℃にて１
時間空気中で酸化処理し、表面に酸化膜を形成し、その
後にこれらをガラス封着した。得られた基板加熱装置に
ついて実施例１と同様の性能評価をした。結果を表１に
示す。

【００３８】（実施例３）焼結体板３の材質をムライト
に変え、このムライトからなる焼結体板３に対しては酸
化処理は施さなかった以外は、実施例２と同様な操作を
行って、図１に示す構造の基板加熱装置を作製した。得
られた基板加熱装置について実施例１と同様の性能評価
をした。結果を表１に示す。

【００３９】（実施例４）実施例１と同様な操作を行っ
て、図１に示す構造のヒータエレメントを作製した。た
だし、封着材の組成Ａを酸化亜鉛（ＺｎＯ）３０ｇと酸
化硼素（Ｂ₂Ｏ₃）５０ｇとシリカ（ＳｉＯ₂ ）２０ｇ
（粉末、軟化点５７０℃）からなる組成Ｂに変更した。
得られたヒータエレメントについて実施例１と同様の性
能評価をした。結果を表１に示す。

【００４０】（実施例５）実施例１と同様な操作を行っ
て、図１に示す構造のヒータエレメントを作製した。た
だし、発熱体素子２と電極棒４の材質を二珪化モリブデ
ンに、焼結体板３の材質をステアタイトに変更した。ま
た、封着ガラスセラミックの組成Ａを、ＳｉＯ₂ （７
２．５重量％）−Ａｌ₂Ｏ₃（２重量％）−[ ＭｇＯ＋Ｃ
ａＯ＋ＢａＯ]（１２重量％）−[ Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ ]
（１３．５重量％）の組成Ｃを有するソーダ石灰ガラス
（旭硝子（株）製、Asahi AS、軟化点７００〜７５０
℃）に変更した。さらに、発熱体素子２と電極棒４とは
二珪化モリブデン製のネジを用いて機械的に連結した。
得られたヒータエレメントについて実施例１と同様の性
能評価をした。結果を表１に示す。

【００４１】（実施例６）実施例１と同様な操作を行っ
て、図１に示す構造のヒータエレメントを作製した。た
だし、焼結体板３の材質を窒化珪素に変更した。また、
封着ガラスセラミックの組成Ａを、ＳｉＯ₂ （４９重量
％）−Ａｌ₂Ｏ₃（１０重量％）−[ ＭｇＯ＋ＣａＯ＋Ｂ
ａＯ ]（２５重量％）−[ Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ ]（０．１重
量％）の組成Ｄを有するバリウム硼珪酸ガラス（コーニ
ング（株）製、Corning 7059、軟化点８４０℃）に変更
した。得られたヒータエレメントについて実施例１と同
様の性能評価をした。結果を表１に示す。

【００４２】（実施例７）実施例１と同様な操作を行っ
て、図１に示す構造の基板加熱装置を作製した。ただ
し、発熱体素子２と電極棒４の材質をランタンクロマイ
トに変更し、焼結体板３の材質をフォルステライトに変
更した。また、封着ガラスセラミックの組成Ａを、Ｓｉ
Ｏ₂ （７２．５重量％）−Ａｌ₂Ｏ₃（２重量％）−[ Ｍ
ｇＯ＋ＣａＯ＋ＢａＯ ]（１２重量％）−[ Ｎａ₂Ｏ＋
Ｋ₂Ｏ ]（１３．５重量％）の組成Ｃを有するソーダ石
灰ガラス（旭硝子（株）製、Asahi AS、軟化点７００〜
７５０℃）に変更した。さらに、発熱体素子２と電極棒
４とはランタンクロマイト製のネジを用いて機械的に連
結した。得られたヒータエレメントについて実施例１と
同様の性能評価をした。結果を表１に示す。

【００４３】（実施例８）実施例１と同様な操作を行っ
て、図１に示す構造のヒータエレメントを作製した。た
だし、発熱体素子２と電極棒４の材質をジルコニアに変
更した。また、発熱体素子２と電極棒４とはジルコニア
製のネジを用いて機械的に連結した。得られたヒータエ
レメントについて実施例１と同様の性能評価をした。結
果を表１に示す。

【００４４】（比較例）給電用電極棒４と焼結体板３を
Ｏリング（デュポン（株）製、カルレッツ）によって気
密に連結した以外は、実施例１と同様のヒータエレメン
トを作製した。得られたヒータエレメントについて実施
例１と同様にして封着部の気密性を評価した。結果を表
１に示す。

【００４５】表１から明らかなように、電極棒と焼結体
板とをガラスあるいはガラスセラミックスからなる封着
材で封着すれば、加熱した際の熱応力が小さいので機密
性が保たれ、高い接合強度が得られる。特に実施例１〜
実施例７では、電極棒と封着材との間の熱膨張係数差及
び焼結体板と封着材との間の熱膨張係数差が共に２×１
０^―6／℃以下と小さいので、５００サイクルの熱サイ
クルを与えても気密性は少しも劣化していない。実施例
８では電極棒と封着材との間の熱膨張係数差が５．７×
１０^―6／℃と大きいため、耐用熱サイクル回数が２０
０回にやや低下している。

【００４６】（実施例９）図３に示す構造の廃ガス処理
用の加熱装置を作製した。この廃ガス処理用の加熱装置
は、フロンを含有する産業廃棄物の処理や、プラスチッ
ク類を焼却する際に出る有害ガスを熱分解して処理する
ための装置に使用される。この廃ガス処理用の加熱装置
に導入された廃ガスは約４５０℃〜６５０℃に加熱され
て熱分解し、さらに改質装置で９００℃〜１１００℃で
水蒸気と反応させて脱ハロゲン化し、ガススクラバーで
アルカリ水を噴霧して洗浄されて無害化処理される。

【００４７】図３に示すようにこの廃ガス処理用の加熱
装置４０は、管状の加熱用チャンバー４１内を加熱すべ
き廃ガスが流れ、このガス流の中にセラミックス焼結体
製の発熱体素子２が配置されている。発熱体素子２は本
発明になるヒーターエレメント２０に組み込まれて、廃
ガス加熱装置４０のチャンバー４１に取り付けられてい
る。すなわち、発熱体素子２は給電用電極棒４と一体成
形されており、給電用電極棒４は封着材を介して焼結体
板３に気密に封着されており、発熱体素子２をチャンバ
ーの開口部から挿入して焼結体板３がチャンバー４１の
外壁にＯリング１１を使用して気密に取り付けられてい
る。ヒータエレメント２と給電用電極棒４の材質は、常
温下での熱伝導率が１７５Ｗ／ｍ・Ｋで、かつ、輻射率
が０．９の導電性炭化珪素焼結体を用いた。封着材には
熱膨張係数が３．５×１０^-6／℃の酸化亜鉛−酸化硼素
系のガラスを使用した。金属電極部７を電源に接続して
電力を供給すれば、発熱体素子２が発熱して廃ガスの加
熱を連続して行うことができる。

【００４８】このような構成の廃ガス処理用の加熱装置
とすれば、発熱体素子２は導電性のセラミックス焼結体
からなっているので、高温の廃ガスに対してかなりの耐
食性を有している。また、長時間運転した末に発熱体素
子２が損傷してきた場合には、予め別途準備しておいた
ヒータユニット２０ごと交換すれば良い。ヒータユニッ
ト２０の交換は、例えばボルト（図示省略）を使用し
て、Ｏリング１１を介して気密に締め付けるだけの極め
て単純な作業で行うことができるので、作業時間を大幅
に短縮することができた。

【００４９】（実施例１０）図４に示す構造の基板加熱
装置を作製した。平面状の発熱体素子２と給電用電極棒
４の材質は、常温下での熱伝導率が１７５Ｗ／ｍ・Ｋ
で、かつ、輻射率が０．９の導電性炭化珪素焼結体を用
いた。発熱体素子２の形状は、厚みが３ｍｍ、直径が２
４０ｍｍであり、発熱体素子２の幅は内週部中央で２４
ｍｍとし、徐々に小さくして外周部の一番外側では６ｍ
ｍとした。給電用電極棒４の形状は直径６ｍｍ、長さ３
００ｍｍの棒状とした。焼結体板３の材質としては、窒
化アルミニウム（住友大阪セメント（株）製）を用い
た。焼結体板３の直径は１００ｍｍ、厚さ６ｍｍとし、
給電用電極棒４の貫通穴の直径を８ｍｍとした。基板支
持板１０及び脚１３は透明石英製とし、ヒータケース６
は不透明石英製とした。給電用電極棒４，４は中心から
１８ｍｍの位置に配置した。金属電極部７の材質は、コ
バールとした。

【００５０】発熱体素子２と給電用電極棒４の接合体
を、以下のようにして得た。珪素粉末とモリブデン粉末
を使用して、アクリル樹脂を溶解したα−テルピネオー
ルを加えて混合した接合剤を、発熱体素子２と給電用電
極棒４の接合面に塗付した。次いで発熱体素子２と給電
用電極棒４を所定の形状に組み立て、３５０℃にて２０
分間脱脂を行い、大気圧下１５００℃で３０分間熱処理
することにより接合した。一方、封着材１２としては軟
化点６５０℃のＺｎＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂ 系のガラスセ
ラミックスを使用した。

【００５１】発熱体素子２に接合された給電用電極棒４
と、焼結体板３とを下記のようにして封着してヒーター
エレメント２０を得た。先ず、カーボン治具を用い、発
熱体素子２に接合された給電用電極棒４と、焼結体板３
とをそれぞれ所定の位置に配設した。配設後、前記封着
材を給電用電極棒４と焼結体板３との隙間に入れ、窒素
雰囲気中にて速度１０℃／ｍｉｎで９００℃まで昇温
し、９００℃で３０分間保持した後、速度１０℃／ｍｉ
ｎにて室温まで冷却した。一方、給電用電極棒４の端部
に金属製電極部７をコバール製ボルトを用いて連結し
た。

【００５２】上記のようにして製作したヒーターエレメ
ント２０を基板加熱装置の基板支持板１０の裏面に組み
込み、焼結体板３をＯリング１１を介してチャンバー１
の外壁にボルト１７を使用して気密に取り付けて、基板
加熱装置３０を完成させた。この基板加熱装置につい
て、封着部の気密性と封着部の接合強度を評価した。
「封着部の気密性の評価」基板支持板１０上にシリコン
ウエハ８を載置し、金属電極部７に供給電源を接続し、
出力を調整しながら１０℃／ｍｉｎの速度にて７５０℃
（ウエハ温度）まで昇温し、７５０℃に到達後、３０分
間保持し、１０℃／ｍｉｎの速度にて室温まで降温する
熱負荷サイクルを所定回数負荷した。負荷終了後、ヘリ
ウムリークディテクタ（日本真空技術（株）製モデルＤ
ＬＭＳ−３３）を用いて気密性を評価した。その結果、
５００サイクル後にもリークは少しも認められなかっ
た。

【００５３】「封着部の接合強度の評価」上記の気密性
評価終了後、強度測定装置（インストロン（株）製、イ
ンストロンMZ-401）を用いて給電用電極棒４と焼結体板
３との間のガラスセラミックスの破壊強度を室温および
４００℃にて測定したところ、室温では１２４ＭＰａ、
４００℃では１０５ＭＰａと十分な強度を有していた。

【００５４】このような構成の基板加熱装置とすれば、
発熱体素子２は導電性のセラミックス焼結体からなって
いるので、高温の反応ガスに対して耐食性を有している
ので装置寿命が長い。また、長時間運転した末に発熱体
素子２が損傷してきた場合には、予め別途準備しておい
たヒータユニット２０ごと交換すれば良い。ヒータユニ
ット２０の交換は、例えばボルト１７を使用して、Ｏリ
ング１１を介して気密に締め付けるだけの極めて単純な
作業で行うことができるので、作業時間を大幅に短縮す
ることができた。

【００５５】

【発明の効果】以上のように、本発明のヒータエレメン
トは発熱体素子と給電用電極棒とを導電性セラミックス
焼結体で形成し、給電用電極棒の端部をチャンバー外へ
導出したため、発熱部が導電性セラミックスにより単に
形成加工され、異種物質の複合により形成されたもので
ないため、熱膨張係数の差に起因したクラック等が発生
することがなく耐久性に優れ、更にＨＩＰ等の装置を使
用しないため製造容易である。しかも、加熱装置への取
り付けは、Ｏリングを介してボルト締めするだけ出よ
く、簡単で短時間の作業で行うことができる。さらに熱
容量が小さくて急速な昇温、降温が可能となり、そのた
め半導体ウエーハなどの基板の熱処理の場合には長時間
を必要とせず、基板の熱処理の生産性を大幅に向上させ
ることが可能となることは勿論のこと、基板加熱装置を
構成する部材、例えば電極部材等から、半導体ウエーハ
等の基板の汚染源となる物資が揮発して半導体ウエーハ
等の基板を汚染することがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のヒータエレメントの構造を説明する
断面図である。

【図２】 電極棒と焼結体板の接合強度を測定するため
の試験片の平面図及び断面図である。

【図３】 実施例９に示す廃ガス処理用の加熱装置の構
造を説明する断面図である。

【図４】 実施例１０に示す基板加熱装置の構造を説明
する断面図である。

【図５】 従来技術における基板加熱装置の構造を説明
する断面図である。

【図６】 従来技術における加熱装置にセラミックスヒ
ータを取り付ける方法に一例を示す図である。

【符号の説明】

１，１０６・・・・・・チャンバー、２・・・・・・発熱体素子、３
・・・・・・焼結体板、４，１０４・・・・・・給電用電極棒、５・・
・・・・接合層、６・・・・・・ヒータケース、７・・・・・・金属電極
部、８・・・・・・基板、１０・・・・・・基板支持板、１１・・・・・・
Ｏリング、１２・・・・・・封着材、１５，１１５・・・・・・熱電
対、２０・・・・・・ヒータエレメント、３０，１００・・・・・・
基板加熱装置、４０・・・・・・廃ガス処理用の加熱装置、１
０１・・・・・・ヒータ部、１０３・・・・・・凸状支持部、１０５
・・・・・・抵抗発熱体、１０８・・・・・・気密性シール部、２０
３・・・・・・炉殻、２０５・・・・・・セラミックスヒータ、２０
６・・・・・・耐熱性絶縁材、２０８，２２４・・・・・・耐熱性絶
縁材、２０９，２２３・・・・・・アルミナファイバー、２２
１・・・・・・給電端子、２２５・・・・・・絶縁性シール材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渋川 和典 千葉県市川市二俣新町22−１ 住友大阪セ メント株式会社新材料事業部内 (72)発明者 井上 克郎 千葉県市川市二俣新町22−１ 住友大阪セ メント株式会社新材料事業部内 (72)発明者 村上 嘉彦 千葉県市川市二俣新町22−１ 住友大阪セ メント株式会社新材料事業部内 Ｆターム(参考） 3K092 PP09 QA01 QB03 QB04 QB12 QB13 QB24 QB45 QB74 QC02 QC13 QC18 QC38 RA05 RC02 VV03 VV40 5F046 KA04

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも、通電により発熱する導電性
   セラミックス焼結体製の発熱体素子と、チャンバーの開
   口部を気密に覆って前記発熱体素子をチャンバー内に取
   り付けるためのセラミックス製の焼結体板と、一端が前
   記発熱体素子に連結され他端が前記焼結体板を貫通して
   前記チャンバー外に導出された導電性セラミックス焼結
   体製の給電用電極棒とを備えるとともに、前記焼結体板
   と前記給電用電極棒とはガラスまたはガラスセラミック
   スからなる封着材で気密に封着されてなることを特徴と
   するヒータエレメント。
2. 【請求項２】 前記給電用電極棒と前記封着材との熱膨
   張係数の差が２×１０^-6／℃以下であり、かつ、前記セ
   ラミックス製の焼結体板と前記封着材との熱膨張係数の
   差が２×１０^-6／℃以下であることを特徴とする請求項
   １又は請求項２に記載のヒータエレメント。
3. 【請求項３】 前記発熱体素子と前記給電用電極棒と
   が、接合剤による連結又は機械的連結により予め一体成
   形されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に
   記載のヒータエレメント。
4. 【請求項４】 前記発熱体素子と前記給電用電極棒と
   が、同一材料にて予め一体成形されてなることを特徴と
   する請求項１又は請求項２に記載のヒータエレメント。
5. 【請求項５】 前記給電用電極棒の材質が、炭化珪素、
   二珪化モリブデン、ジルコニア、ランタンクロマイトか
   らなる群から選ばれた少なくとも１種を主成分とするも
   のであることを特徴とする請求項１から請求項４のいず
   れか１項に記載のヒータエレメント。
6. 【請求項６】 前記セラミックス製の焼結体板の材質
   が、窒化珪素、窒化アルミニウム、ムライト、アルミ
   ナ、コージュエライト、サイアロン、マグネシア、ジル
   コン、フォルステライト、ステアライトからなる群から
   選ばれた少なくとも１種を主成分とするものであること
   を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記
   載のヒータエレメント。
7. 【請求項７】 前記封着材が、アルミノ珪酸ガラス、バ
   リウムホウ珪酸ガラス、ホウ珪酸ガラス、ソーダバリウ
   ム珪酸ガラス、鉛ホウ珪酸ガラス、酸化亜鉛−酸化硼素
   −シリカガラスセラミックス、亜鉛ホウケイ酸ガラス、
   ソーダ石英ガラス、酸化イットリウム−酸化アルミニウ
   ム−シリカガラスからなる群から選ばれた少なくとも１
   種であることを特徴とする請求項１から請求項６のいず
   れか１項に記載のヒータエレメント。
8. 【請求項８】 少なくとも加熱用のチャンバーと該チャ
   ンバー内に配置された加熱用の発熱体を具備し、該発熱
   体として請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の
   ヒータエレメントを用いた加熱装置であって、前記セラ
   ミックス製の焼結板がオーリング（Ｏリング）を介して
   加熱装置本体チャンバーの外壁に気密に取り付けられて
   いることを特徴とする加熱装置。
9. 【請求項９】 少なくとも加熱用のチャンバーと、該チ
   ャンバー内に配置された基板支持台と、該基板支持台の
   裏面に配置された平板状の発熱体とを具備し、該平板状
   の発熱体として請求項１から請求項７のいずれか１項に
   記載のヒータエレメントを用いた基板加熱装置であっ
   て、前記セラミックス製の焼結板がオーリング（Ｏリン
   グ）を介して基板加熱装置本体チャンバーの外壁に気密
   に取り付けられていることを特徴とする基板加熱装置。