JP2005166475A - ＡｌＮセラミックスヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、ＡｌＮ焼結体ベースに設けた端子埋設穴に電力供給端子を挿入し、端子埋設穴の端子周りの間隙を高融点金属紛の焼結体で埋めてここに隙間が生じないようにしたセラミックスヒータを得ようとするものである。
【解決手段】ＡｌＮ焼結体ベースに、発熱体と電力供給端子を埋め込んで固定し、これにＡｌＮ焼結体カバーをホットプレスで一体化したＡｌＮセラミックスヒータであって、ＡｌＮ焼結体ベースに設けた端子埋設穴に高融点金属の電力供給端子を挿入し、端子埋設穴の電力供給端子周りの隙間を金属紛の仮焼体で埋めた構造のＡｌＮセラミックスヒータである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電力供給端子がＡｌＮ焼結体ベースの端子埋設穴に隙間なく、しっかりと埋め込み固定されたＡｌＮセラミックスヒータに関するものである。

半導体製造プロセスにおいては、ウェーハにプラズマＣＶＤ、プラズマエッチングなどの処理が施される。これらの処理には様々なウェーハ加熱ヒータが用いられているが、フッ素系プラズマに対してはＡｌＮ素材からなるヒータが耐食性も高く好評である。このＡｌＮセラミックスヒータは、一面を加熱面とするＡｌＮ焼結体と、このＡｌＮ焼結体の内部に埋設される抵抗発熱体と、この抵抗発熱体に一端が接続された電力供給端子の３つの部材から構成されている。

ＡｌＮセラミックスヒータの製造では、ＡｌＮ焼結体に発熱体と電力供給端子を埋め込み一体化しなければならない。これの部品の埋設・一体化の方法としては一般的にホットプレスが用いられている。また、埋設・一体化の手順としては、これまで次の二つの方法が考えられている。

その第１は、焼結前の造粒紛（脱脂紛造粒紛）をプレス成形する際に発熱体と電力端子の埋設を同時に行う方法である。具体的にはプレス成形された成形体に発熱体埋設溝、電力端子埋設穴を白地加工し、そこへパーツをセットして再度プレスすることにより、パーツ埋設済みの成型体を得る。これをホットプレス焼結することでヒータを得る。第２の方法は、発熱体埋設溝、電力端子埋設穴の加工を施したＡｌＮ焼結体ベースと、溝・穴加工を行わないＡｌＮ焼結体カバーを用意し、これら２枚のプレートでパーツで挟み込んだものをホットプレス接合することで、ヒータを得る。いずれの方法においても材料に発熱体・端子の埋設溝・埋設穴の加工が必要となるが、焼結体を用いた第２の方法の場合、成型体を用いた第１の方法に比べて加工が困難である。また、第２の方法の場合、基材の焼結と接合の工程が２つに分かれているため製造コストの点から見ても好ましくない。

しかしながら、第２の方法で得られたものは、常圧焼結によって得られた高熱伝導率の基材を用いることで、面内の温度均一性が向上するなどヒータの性能面では利点が多い。温度均一性を向上するためには、シュミレーションによる均熱性のよい発熱性のパターンを用いることと、熱伝導率の高い焼結体を加熱面に用いることが必要である。しかし、第１の方法によると、ホットプレス時の収縮により発熱体や端子の正確な位置決めが難しく、ホットプレス焼結では１００Ｗｍ／Ｋ以上の高い熱伝導率を有するＡｌＮ焼結体を得ることが難しい。いずれの方法によっても、セラミックスであるＡｌＮ焼結体と発熱体・端子などの金属部品は熱膨張率が異なるため、これら部品をＡｌＮ焼結体に隙間なくしっかりと埋め込み固定するために各種の工夫が試みられている。

ＡｌＮ焼結体と電力端子や発熱体などの金属部品では熱膨張率が異なるために、どうしても埋め込み部周辺にはクラックや隙間が生じやすい。この問題は電力端子の埋め込み部で特に生じやすく、この部分に隙間があると、入力電圧が高くなったときに隙間で火花放電が起こることが確認されている。これはＡｌＮの誘電率が加熱時の雰囲気（Ｎ_２などの不活性ガス又は真空など）に比べて高く、電界が電力端子を嵌め込んだ隙間に集中することに起因するものである。

また、先に述べた従来法において、第２の方法であるＡｌＮ焼結体を用いたものでは、第１の成形体（脱脂体）を用いた場合と比較して、ホットプレス時のＡｌＮベースの変形量が少ないので、ＡｌＮに設けた端子埋設穴の中に挿入した電力端子の周囲に隙間がさらに生じやすいものとなる。そのために、焼結体ベースをホットプレスで接合した後に、電力端子の接続をロウ付けによって行うなどの方法もあるが、これによると熱処理工程がさらに増えるためにコスト高となるデメリットがある。また、ＡｌＮと金属の接合が行えるロウ材の融点は高融点のものでも８００℃前後であるから、これ以上の高温領域で使用するようなヒータを製造することはできないといった問題が生じていた。

本願発明の従来技術としては、セラミックスベースの表面に凹部を形成し、この凹部内に絶縁管を挿入してその末端面をセラミックスベースに接触させることで、電力供給部材間で放電するのを防止したセラミックスヒータが公知となっている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−９４２５７号公報［００１４］

ところで、この先行技術は、内側に空間を有する絶縁管を用い、この絶縁管の内側に電力供給部材、塊状端子、端子を順次結合するもので、電力供給部材と塊状端子は螺合、塊状端子と端子は挟持接合するものである。そのために、この先行技術のものは構造が複雑で加工も面倒なものである。こうした多数の部材を用いることなく、電力端子をＡｌＮベースに直接に接合する技術が求められているが、先行技術にはこうした技術は何も開示がなされていない。この発明は、ＡｌＮ焼結体ベースに設けた端子埋設穴に電力供給端子を挿入し、端子埋設穴の端子周りの間隙を高融点金属紛の焼結体で埋めてここに隙間が生じないようにしたセラミックスヒータを得ようとするものである。

この発明は、溝・穴加工を施したＡｌＮ焼結体ベースに、発熱体と電力供給端子を埋め込み、これとＡｌＮ焼結体カバーをホットプレスで一体化したＡｌＮセラミックスヒータであって、ＡｌＮ焼結体ベースに設けた端子埋設穴に高融点金属の電力供給端子を挿入し、端子埋設穴の電力供給端子周りの隙間を金属紛の仮焼体で埋めた構造のＡｌＮセラミックスヒータ（請求項１）、上記高融点金属粉が、粒径６〜１２μｍ、融点１８００℃以上の高融点金属粉末である請求項１記載のＡｌＮセラミックスヒータ（請求項２）及び電力供給端子は、発熱体と拡散接合されている請求項１記載のＡｌＮセラミックスヒータ（請求項３）である。

この発明は、ＡｌＮ焼結体ベースに設けた端子埋設穴に電力供給端子を挿入してセットするに際して、端子埋設穴に挿入した端子の周りに隙間が生じないように、端子埋設穴の端子周りの隙間を高融点の金属紛の仮焼体で埋めて固定し、ここに隙間が生じて通電時に火花放電が生じないようにようにしたものである。

この発明によれば、端子埋設穴の電力端子周りが導電性の粉体の仮焼体で隙間無く埋められているので、ここでの火花放電を防ぐことができるようになったものである。また、ホットプレス工程では１８００〜１９００℃の熱処理を行うが、この隙間に充填する金属粉の融点がその温度以上であるために、ホットプレス工程では金属粉の仮焼を同時に行うことが可能である。さらに、ホットプレス時に発熱体と金属端子を拡散接合すると、端子を引き抜く方向に対しても十分な強度が得られ、実用上問題のない強度をもった電力供給端子を得ることができる。

図１は、この発明の１実施例のセラミックスヒータの構成部品の配置を示す説明図、図２は、図１の点線で示す端子部の拡大図である。

図１において、１は抵抗発熱体で、この抵抗発熱体１はＡｌＮの常圧焼結体ベース２に設けた溝３に埋設されている。４は焼結体２に形成した電流導入端子埋設穴である。この穴４には端子７が抵抗発熱体４と接合するようにして挿入されている。５は上記のＡｌＮ常圧焼結体ベース２のカバーで、これもＡｌＮ常圧焼結体で形成されている。６はこのＡｌＮ焼結体カバーの焼結体ベース側に塗布された接合剤層である。

焼結体ベース２における端子の接続部の詳細は図２に示されている。図２で、４は端子埋設穴でその中に電力端子７が挿入されている。電力端子の下端には抵抗発熱体１が白金箔８を介して接続されている。図２に示すように、電力端子７は端子埋設穴４に挿入されただけではその周囲に間隙があるが、その隙間は導電性の金属粉の仮焼体９で埋められている。このために、端子埋設穴４では端子７との間には隙間は存在せず、ここでの火花放電を防ぐことができる。この隙間を金属紛の仮焼で埋めるには、この隙間に金属紛を充填して１８００〜１９００℃で熱処理（ホットプレス）して仮焼体とするが、ここに充填する金属紛の融点をこの熱処理温度以上のものとすることによって、焼結体のホットプレスと同時に金属紛の仮焼を行うことができる。しかし、ここでのホットプレスによって高融点金属の仮焼体が大きく収縮するとここに隙間が生ずるようになって意味がなくなるので、ここに用いる金属紛は収縮が小さくなるように粒径の大きな金属紛を用いる。しかし、あまり大きな粒径の粒子を用いると今度は仮焼体の強度が落ちるといった問題が生じる。従って、ここに用いる金属紛の粒径は６〜１２μｍのものが好ましい。さらに、ホットプレス時に発熱体と金属端子を拡散接合させると、端子を引き抜く方向に対しても十分な強度が生じて、実用上問題のない強度をもった電力供給端子を形成することができる。なお、ここで用いる金属粉は電力端子と同一の材料を用い、通常はタングステン粉末である。

（実施例１）
抵抗発熱体１としてタングステン箔を１０００Ｗに相当する渦巻き状のパターンに加工した。図１に示す直径２００ｍｍ、厚さ１０ｍｍのＡｌＮ常圧焼結体ベース２に、発熱体１を収める溝３と、径６ｍｍの電流導入用端子穴４を機械加工で穿孔した。さらに、直径２００ｍｍ、厚さ７ｍｍのＡｌＮ常圧焼結体カバー５に接合剤６をスクリーン印刷した。発熱体をセットした焼結体ベースと焼結体カバーを張り合わせ、端子埋設穴４の底に１０μｍのＰｔ箔を敷き、その上に直径５．０ｍｍのタングステン端子７をセットし、その周りに粒径８〜１０μｍのタングステン紛を充填した。

これを常圧窒素雰囲気、１８００℃、０．１ｔ／ｃｍ^２の温度・圧力で１時間保持する条件でホットプレスを行い、ＡｌＮ焼結体同士の接合と、端子と発熱体の接合と、タングステン紛の仮焼を行った。これによって得られたものに対し、形状加工、端子部ねじ加工を行って直径１９０ｍｍ、厚さ８ｍｍの円盤状ＡｌＮヒータを得た。

この円盤状ＡｌＮヒータは、端子部のねじ加工に際して、端子の抜けや緩みは一切生じなかった。このＡｌＮヒータを真空チャンバー内にセットし、通電加熱による加熱テストを行った。真空チャンバーにはヒータの表裏面が観察できる石英製の窓を設け、端子部で火花放電が生じないかを確認しながら２［Ｐａ］の真空下で８００℃まで加熱を行った。ＡｌＮ基材には若干の透光性があるため、火花放電が生じると基材越しに放電の有無が確認できる。８００℃到達時のヒータ端子間に印可されている電圧は１７０Ｖであったが、端子部での放電は生じなかった。

（比較例１−従来例）
各部品の配置は実施例１と同様としたが、タングステン端子７は直径５．９ｍｍのものを用いた。端子の周りにはタングステン紛を充填しなかった。その後、これをホットプレスすると端子埋設穴の径はクリープ変形により数十〜数百μｍ程度細くなるので、この変形を利用してタングステン端子７を固定した。このようにして得られたＡｌＮヒータを実施例１と同様にして加熱試験を行ったところ、６００℃に到達した時点で端子部から火花放電が見られたために加熱を終了した。冷却後、端子部を切断して断面観察を行ったところ、クリープ変形量の小さい端子埋設穴底において、数十μｍの隙間と放電痕が観察された。

（比較例２）
実施例１と同様にして、端子挿入埋設穴に挿入した端子の周りに充填するタングステン粒子の粒径を２〜４μｍとしてホットプレスを行った。ホットプレス後に端子部を切断して断面観察を行ったところ、タングステン仮焼体の収縮が大きく目視で確認できる隙間が生じていた。

（比較例３）
実施例１と同様にして、、端子挿入穴に挿入した電力端子の周りに充填するタングステン粒子の粒径を１５〜１７μｍとしてホットプレスを行った。ホットプレス後に端子部を切断して断面観察を行ったところ隙間は生じていなかった。しかし、タングステン紛は十分な強度で固まっておらずねじ加工時に端子部の破損が起こった。

以上の結果から、適度な粒径のタングステン紛を端子挿入穴の端子周りに充填することで、端子部で火花放電の生じないＡｌＮセラミックスヒータとすることができる。また、上記の本発明の構造を採用すれば、ホットプレス工程の一度の熱処理で、ＡｌＮの接合、端子と発熱体の接合、タングステン紛の仮焼を同時に行うことができる。

この発明の１実施例になるセラミックスヒータの構成部品の配置を示す説明図。 図１の点線で示す端子部の拡大図。

符号の説明

１…抵抗発熱体、２…ＡｌＮ常圧焼結体ベース、３…発熱体埋設溝、４…電流導入端子埋設用穴、５…ＡｌＮ常圧焼結体カバー、６…接合剤層、７…タングステン端子、８…白金箔、９…タングステン紛の仮焼体。

Claims (3)

1. ＡｌＮ焼結体ベースに、発熱体と電力供給端子を埋め込んで固定し、これにＡｌＮ焼結体カバーをホットプレスで一体化したＡｌＮセラミックスヒータであって、ＡｌＮ焼結体ベースに設けた端子埋設穴に高融点金属の電力供給端子を挿入し、端子埋設穴の電力供給端子周りの隙間を高融点金属紛の仮焼体で埋めた構造のＡｌＮセラミックスヒータ。
2. 上記高融点金属粉が、粒径６〜１２μｍ、融点１８００℃以上の高融点金属粉末である請求項１記載のＡｌＮセラミックスヒータ。
3. 電力供給端子は、発熱体と拡散接合されている請求項１記載のＡｌＮセラミックスヒータ。

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