JP2007109648A - 半導体装置アセンブリ用耐熱コネクタ配置 - Google Patents

Abstract

【課題】 異種材料からなる２つの部品、例えば金属をグラファイトもしくはセラミック部材に接続する高温用連結アセンブリを提供する。
【課題を解決するための手段】 第一の材料のカラー２がヒータ端部に位置する第二の材料のポスト５の周囲に嵌合するように連結アセンブリを作製する。ポストはヒータと略同じ温度であるか、或いはポストは作動中に温度変化を受ける。カラー２は、内径ねじを適宜有するインサート３を備え、弾性材料４がインサートとカラーの間のポストとは反対側のインサート端に挟装される。外径ねじを有するロッド１をインサート３の内径ねじに係合させる。カラー２、インサート３、ねじ付ロッド１及び弾性バネ部材４の配置は、ねじ付ロッドをヒータポスト５に向かって締め付けると、インサート３が弾性層４を圧迫し、高温でもコネクタアセンブリを適所に保持する把持作用をもたらすように構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温環境で用いられるコネクタアセンブリ、特に熱膨張係数が大きく異なる部材同士を接続するためのコネクタアセンブリに関する。

半導体加工業で用いられる静電チャック（ＥＳＣ）、サセプタ、ヒータなどの装置は周期的に極端な温度条件に付される。かかる装置の部品、例えば電極、給電部から（ヒータ、ＥＳＣ、サセプタなどへ）の電気的接続、ヒータポスト、装着ポストなどはセラミックス又は合金のような材料から作られ、予想される極端な条件に耐えるように設計される。半導体加工業で用いられるヒータやＥＳＣの作製には、様々な形態のセラミックやグラファイトが使用される。セラミック又はグラファイトは、加熱環境に耐える耐熱性、及びある電気抵抗の幾何形状への成形性に基づいて選択される。作動時には、その幾何形状に電圧を印加して電流を流し、発熱させる。

セラミックと金属の熱膨張係数（ＣＴＥ）には大きな差があり、例えばニッケルの熱膨張係数は約１３×１０^−６／℃であるのに対して、ある種のグラファイト材料の熱膨張係数は約２．２×１０^−６／℃である。異種材料からなる部品同士を接続することが必要とされることは多々あり、例えば給電部から化学気相堆積室内で使用されるヒータもしくは静電チャックへの電気的接続を達成する必要がある。堅固な電気的接続を形成するため、金属給電部をヒータにしっかりと接合しなければならない。

従来技術でセラミック−金属接続を形成する一つの方法として、ねじ切りされた金属給電ロッドの外径をセラミックヒータのねじ穴にねじ込む方法がある。温度変化サイクル及び温度上昇を伴う作動時に、相対的に安定なグラファイト又はセラミックヒータねじ穴内で金属ロッドが相対的に大きくなるため、接合部は頻繁に熱応力を受け、ねじ接合部で早期ヒータ破損が起こる。

従来の別の設計では、雌ねじを有する金属給電部と接続するための雄ねじをグラファイト／セラミックヒータに設けて、金属がグラファイトの外側に嵌合する接合部を形成する。作動に際して、２つの材料の相対的熱膨張の差のため加熱時に金属がセラミック／グラファイト部品よりも寸法が大きくなり、接合部が緩んでしまう。

作動時の熱膨張差が許容されるような態様で金属給電部をセラミック又はグラファイトヒータに接続する必要がある。

本発明は、金属ロッドとグラファイト又はセラミックヒータ部品との間の連結アセンブリであって、ヒータ端部のグラファイト又はセラミック製ポストの周囲に嵌合する金属カラーを備える連結アセンブリに関する。該カラーは、弾性材料（例えばＧｒａｆｏｉｌ（登録商標））からなるバネ部材、ねじ付インサート及び金属ロッド部材と共に一体ボディを形成する。カラー、インサート、ねじ付ロッド及び弾性バネ部材の配置は、ねじ付ロッドをヒータポストに向かって締め付けると、インサートが弾性層を圧迫し、高温でもコネクタアセンブリを適所に保持する把持作用をもたらすように構成される。

本明細書で用いる「連結アセンブリ」という用語は、「コネクタアセンブリ」又は単に「コネクタ」と互換的に用いられ、熱膨張係数の差が５．０×１０^−６／Ｋ以上又は４００℃以上の高温環境で２倍以上の差がある異種材料からなる２つの部品間の連結部をいう。例えば、第一の材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）は、第二の材料のＣＴＥの２倍以上であるか、或いは第一の材料のＣＴＥの１／２未満である。具体的には、３１６ＳＳのＣＴＥは１６．２×１０^−６／Ｋであり、モリブデンのＣＴＥは４．９×１０^−６／Ｋである。グラファイトのＣＴＥは２．６×１０^−６／Ｋである。ｐＢＮのｃ方向のＣＴＥは４０×１０^−６／Ｋであり、ａｂ方向のＣＴＥは２×１０^−６／Ｋである。

「ロッド部材」という用語は、「給電部」、「給電ロッド」、「ポスト」又は単に「ロッド」と互換的に用いられ、異種材料からなる別の部品に接続されるポストをいう。本発明の一実施形態では、給電部は、ヒータ／ＥＳＣアセンブリ内のセラミック又はグラファイト部品に接続される金属給電部をいう。給電部は金属ワイヤ、ロッド又はポストの形態を取り得る。

図１は、本発明の例示的な連結アセンブリの断面図である。この図において、ロッド部材又はポスト１は、ねじ付インサートの形態のクランプ部材３によって適所に保持され、インサート３は、ポスト１の外径に螺刻されたねじと係合する。給電部とインサートアセンブリは、給電部１と同一又は異なる材料からなるカラーの形態の保持部材２のスロットに収容される。バネ部材４はＧｒａｆｏｉｌ（登録商標）可撓性グラファイトのような耐熱性弾性材料からなるインサートであり、カラー２とねじ付インサート３の間に配置される。Ｇｒａｆｏｉｌインサート４はカラー２とは反対側に向いたねじ付インサート３の端部に配置される。ポスト１はカラー２内にねじ込まれ、別のポスト、例えばＣＴＥの異なる異種材料からなるヒータポスト５に向かって内側に延びる。

図１の連結アセンブリは、材料の異なる２つの異なる構造体、例えば金属給電ロッドをヒータアセンブリのグラファイト／セラミックポストに接続するための設計例であるが、これ以外の連結構造も本発明に包含されることは明らかである。例えば、雄ねじポスト１は、ロッド（ねじ付でもねじ無でもよい）、可撓性リード又はねじ付ボルトの形態であってもよい。クランプ部材３はねじ付でもねじ無でもよい。一実施形態では、クランプ部材３は、図１に示すようなねじ付インサートの形態である。別の実施形態では、クランプ部材３は、カラー２にねじ込んだ後のポスト１を適所に保持する戻り止めナットの形態である。保持部材２はポスト１及びインサート３アセンブリを囲繞／収容するためのものであり、これはねじ付でもねじ無でもよい。一実施形態では、保持部材２は環状カラーの形態である。

ポスト１、クランプ部材３及び保持部材２は、耐火金属、セラミック材料（アルミナ、グラファイトなど）及び高温耐食性材料（ステンレス鋼、ニッケル合金など）から選択される同一又は異なる材料から製造できる。一実施形態では、ポスト１、クランプ部材３及び保持部材２は、コネクタアセンブリ内の応力を最低限に抑制するため、熱膨張係数（ＣＴＥ）が同一又は近接した金属又は合金から製造される。

バネ部材４は、一実施形態では、耐熱性の弾性材料からなるインサートであり、圧縮力が加わると抵抗バネ力を発揮する。別の実施形態では、バネ部材４は、高温で抵抗バネ力を保持する環状バネ座金である。さらに他の実施形態では、バネ部材４は、Ｇｒａｆｏｉｌ（登録商標）又はＥＧＲＡＦ（登録商標）可撓性グラファイトのような可撓性グラファイトシート材料からなる平円板、ガスケット又は座金の形態である。別の実施形態では、バネ部材は、圧縮コイルバネ、引張コイルバネ、バネ座金、平座金、重ね板バネ、ねじりバネ、ガーターバネ、竹の子バネ、ねじり棒バネ、渦巻きバネ、円錐コイルバネ、接触型渦巻きバネ、皿バネ、輪バネ、止めバネ、スプリングピン及び板バネナットからなる群から選択され、バネ部材は高温つまり４００℃以上で抵抗バネ力の２５％以上を保持するという特徴をもつ。

図２は、グラファイト製ポストを備えたヒータに接続するための金属製電気接続用ポストに関して、中心シャフトヒータアセンブリと共に用いられる本発明の一実施形態の一部を切り欠いた斜視図である。このアセンブリでは、グラファイトポスト５は、ヒータパターン（図示せず）に接続されるヒータシャフトを貫通する。図示した通り、ねじ付ナット３が金属給電ポスト１のねじ付外径と係合する。この構造をさらに補強するため、任意構成要素としてのねじ付金属ナット６をＧｒａｆｏｉｌ（登録商標）バネ部材４に向かって螺合して、連結アセンブリを金属カラー２内の適所に保持する。ねじ付ナット３及び任意構成要素のねじ付ナット６は、ヒータパターンと接続させるため金属ロッド１をポスト５に向かって押しつける。

コネクタアセンブリを取り付けるには、まずバネ部材４を給電ポスト１に滑合させる。保持部材２内でバネ部材４と共に給電ポスト１をクランプ部材３にゆるくねじ込む。次いで、アセンブリをヒータ（セラミック又はグラファイト）ポスト５の端部に滑合させる。給電ロッド１を回すと、クランプ部材３が保持部材２につかまり、バネ部材４に対する締め付けが増す。バネ部材４に対するクランプ部材３の締め付けが増すと保持部材２がクランプ部材３を所定位置に保つので、給電ポスト１をヒータポスト５に押しつける。

本発明の一実施形態では、ヒータポスト５はグラファイトからなる。別の実施形態では、ヒータポスト５はアルミナ又はアルミナ系組成物のような耐熱性セラミックからなる。金属給電部１は、半導体加工環境で遭遇する高温に耐えることができることから、ステンレス鋼、モリブデン、タンタルなど又はこれらの合金からなる。作動中、ヒータポストはヒータと実質的に同じ温度となるか、或いはポストは、作動中ヒータ温度の変化に伴ってある程度の温度変化を受けることもある。また作動中に、ＣＴＥが同一又は近接した金属部品のコネクタアセンブリは給電接続部の機械的健全性を維持し、バネ部材４は、接続部の各種金属／グラファイト又はセラミック部品の異なるＣＴＥに起因する熱膨張／収縮を吸収するのに必要とされる抵抗バネ力を発揮する。

図３は、金属給電ロッド１（Ｎｉ又は３１６ＳＳ製ねじ付ロッド）、Ｇｒａｆｏｉｌ（登録商標）製の座金４、金属ロッド１と係合して金属カラー２のスロット内にロッドを保持するねじ付インサート３を備える本発明の連結アセンブリの性能の確認に使用できる試験アセンブリの一例を示す。この試験アセンブリでは、抵抗ヒータ５は直径０．１２５インチ、長さ５．５インチのグラファイトヒータからなり、その両端が２つのコネクタに接続されている。Ｎｉ給電ロッドは抵抗率７．２２×１０^６Ω−ｉｎ、抵抗０．００１Ωである。３１６ＳＳ給電ロッドは抵抗０．００４Ωである。両材料とも、ヒータ抵抗０．１８Ωよりも格段に低い抵抗特性を有する。

図４は、図３のＮｉコネクタを用いた試験の結果を示すもので、ヒータを７００℃に４５サイクル加熱し、ｐＢＮ（熱分解窒化ホウ素）スペーサで熱電対（ＴＣ）をヒータから絶縁した。チャートの温度はＴＣ温度であり、時間は作動時間（分）である。図５は、ＳＳ３１６コネクタを用いた試験の結果を示すものであり、ヒータを７００℃に４０サイクル加熱し、そこで試験をいったん停止し、４００分の時点で再開した。

図のグラフから、本発明のコネクタアセンブリを用いたヒータではヒータ温度プロファイルが時間の関数として比較的安定であることが分かる。さらに、連結アセンブリは簡単に組立、分解することができる。

本明細書では、最良の実施形態を含めて本発明を開示し、また当業者が本発明を実施できるようにするため、具体例を用いる。本発明の特許性を有する技術的範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明の他の具体例も包含する。かかる他の具体例も、特許請求の範囲の文言に相違しない構成要素を有するか或いは特許請求の範囲の文言と本質的な差のない均等な構成要素を有する限り、本発明の技術的範囲に属する。

本発明の一実施形態に係る連結アセンブリの断面図である。 本発明の一実施形態に係る連結アセンブリを組み込んだヒータポストの斜視図である。 本発明の一実施形態に係るコネクタアセンブリの試験のための試験アセンブリの斜視図である。 本発明のコネクタアセンブリを用いた試験における比較的安定なヒータ温度プロファイルを時間の関数として示すグラフである。 本発明のコネクタアセンブリを用いた試験における比較的安定なヒータ温度プロファイルを時間の関数として示すグラフである。

符号の説明

１ ロッド部材
２ 保持部材
３ クランプ部材
４ バネ部材
５ ヒータポスト
１０ コネクタアセンブリ

Claims (10)

1. 第一の部材（５）と第二の部材としてのコネクタ構造との間の接続を強固に固定するコネクタアセンブリ（１０）であって、第一の部材と第二の部材が熱膨張係数の異なる材料からなり、上記コネクタ構造が、
   第一の部材（５）と長さ方向の一端部で接するロッド部材（１）、
   ロッド部材（１）の上記端部の少なくとも一部を把持するクランプ部材（３）であって、第一の部材（５）に面した第一の端部と第一の部材（５）とは反対側に向いた第二の端部とを有するクランプ部材（３）、
   クランプ部材（３）の第二の端部に配置された抵抗バネ力を有するバネ部材（４）、及び
   バネ部材（４）、クランプ部材（３）及びロッド部材（１）と共に一体ボディを形成する保持部材（２）
   を備え、第一の部材（５）がロッド部材（１）とは異なる熱膨張係数を有していて熱膨張係数の差が５．０×１０^−６／Ｋ以上であり、
   バネ部材（４）が保持部材（２）とクランプ部材（３）との間に配置され、クランプ部材（３）を保持部材（２）に対して圧縮付勢し、４００℃以上の温度で抵抗バネ力を保持する、
   コネクタアセンブリ（１０）。
2. 第一の部材（５）がヒータアセンブリの構成要素であって、第一の部材（５）がグラファイト及びセラミック材料の少なくともいずれかからなり、コネクタ構造を受け入れる、請求項１記載のコネクタアセンブリ（１０）。
3. さらに、コネクタ構造を保持部材（２）に固定するためのねじ付ナットを備える、請求項１又は請求項２記載のコネクタアセンブリ（１０）。
4. 保持部材（２）が環状カラーであり、ロッド部材（１）がクランプ部材（３）と係合するねじ付端部を有し、クランプ部材（３）がロッド部材のねじ付端部と係合する内径ねじを有するインサートである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のコネクタアセンブリ（１０）。
5. クランプ部材（３）がねじ付ナットであり、バネ部材（４）が平円板、ガスケット又は座金である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のコネクタアセンブリ（１０）。
6. バネ部材（４）がグラファイトを含んでなる可撓性シート材料からなり、ロッド部材（１）がねじ付ポスト、ねじ無ポスト、可撓性リード又はねじ付ボルトである、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のコネクタアセンブリ（１０）。
7. 熱膨張係数の異なる材料からなる第一の部材（５）とコネクタ構造との間の接続を強固に固定する方法であって、上記コネクタ構造が、第一の部材（５）と長さ方向の一端部で接するロッド部材（１）、第一の部材（５）に面した第一の端部と第一の部材（５）とは反対側に向いた第二の端部とを有するロッド部材（１）の上記端部の少なくとも一部を把持するクランプ部材（３）、及びクランプ部材（３）とロッド部材（１）を収容する保持部材（２）を備え、当該方法が、
   ４００℃以上の温度で抵抗バネ力を保持するバネ部材（４）を用意し、
   バネ部材（４）を、保持部材（２）とクランプ部材（３）の間にクランプ部材（３）の第二の端部に当設して配置して、保持部材（２）をしてバネ部材（４）、クランプ部材（３）及びロッド部材（１）と共に一体ボディを形成せしめることを含み、
   ロッド部材（１）と第一の部材（５）とが異なる熱膨張係数を有していて熱膨張係数の差が５．０×１０^−６／Ｋ以上であり、
   バネ部材（４）がクランプ部材（３）を保持部材（２）に対して圧縮付勢する、
   方法。
8. さらに、コネクタ構造を保持部材（２）に固定するためのねじ付ナットを設けることを含む、請求項７記載の方法。
9. 第一の部材（５）がヒータアセンブリの構成要素であって、第一の部材（５）がグラファイト及びセラミック材料の少なくともいずれかからなり、コネクタ構造を受け入れる、請求項７又は請求項８記載の方法。
10. 保持部材（２）が環状カラーであり、ロッド部材（１）がクランプ部材（３）と係合するねじ付端部を有し、クランプ部材（３）がロッド部材（１）のねじ付端部と係合する内径ねじを有するインサートであり、バネ部材（４）が平円板、ガスケット又は座金であり、ロッド部材（１）がねじ付ポスト、ねじ無ポスト、可撓性リード又はねじ付ボルトである、請求項７乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。