JP2010040422A - シャフト付きヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】筒状シャフトの内部空間からガスがリークするのを防止する。
【解決手段】シャフト付きヒータ１０は、ウエハを支持可能で抵抗発熱体２２が埋設された窒化アルミニウム製のセラミック基板２０と、該セラミック基板２０の背面に接合された筒状シャフト３０とを備えている。筒状シャフト３０は、少なくともセラミック基板側の端部がアルミニウム−シリコン合金製であり、該端部がセラミック基板２０の背面に接合されている。このため、筒状シャフト３０自身の気密化や筒状シャフト３０とセラミック基板２０との接合部位の気密化を図ったり、筒状シャフト３０のうちセラミック基板側の端部の熱膨張係数をセラミック基板２０の熱膨張係数に近付けたりすることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウエハを加熱するのに用いられるシャフト付きヒータに関する。

従来より、ウエハを加熱するのに用いられるシャフト付きヒータが知られている。こうしたシャフト付きヒータは、一般に真空チャンバ内に設置されて使用される。例えば、特許文献１には、図１３に示すように、ウエハを支持可能で抵抗発熱体が埋設されたセラミック基板２０と、そのセラミック基板２０をアルミナリング１１２を介して背面側から支持する金属製の筒状シャフト３０とを備えたシャフト付きヒータ１１０が開示されている。筒状シャフト３０とアルミナリング１１２とセラミック基板２０とは、ボルト１１４により固定されている。すなわち、筒状シャフト３０のフランジを貫通する貫通孔と、アルミナリング１１２を貫通する貫通孔と、セラミック基板２０の背面に設けられたボルト穴１１６とを同軸になるように位置決めしたあと、筒状シャフト３０のフランジの貫通孔の下方からボルト１１４を差し込んでボルト穴１１６に螺合することにより、筒状シャフト３０とアルミナリング１１２とセラミック基板２０とを一体化している。また、セラミック基板２０の材質としては、窒化アルミニウムなどが例示され、筒状シャフト３０の材質としては、アルミニウム合金などが例示されている。ここで、筒状シャフト３０とセラミック基板２０とをボルト１１４で締結しているのは、熱膨張係数が窒化アルミニウムとアルミニウム合金とで大きく異なるからである。
特開２００５−１６６３６８号公報

しかしながら、特許文献１のシャフト付きヒータ１１０では、筒状シャフト３０とアルミナリング１１２とセラミック基板２０とがボルト１１４で締結されているため、筒状シャフト３０とアルミナリング１１２との微小な隙間やアルミナリング１１２とセラミック基板２０との微小な隙間からガスリークが生じることがあった。このようなガスリークが生じると、筒状シャフト３０の内部空間を大気にした場合には真空チャンバの内部空間が大気によって汚染されるおそれがあった。また、前出の微小な隙間は熱障壁となりやすいため、セラミック基板２０の熱が筒状シャフト３０へ逃げにくく、ウエハの温度を制御しにくいという問題があった。一方、セラミックス製のシャフトを固相接合したシャフト付きヒータも考えられるが、こうしたシャフト付きヒータでは、ガスリークの問題はないものの、接合温度がセラミックスの焼結温度（約２０００℃）と同程度に高く、非常に特殊な設備が必要であるという問題があった。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、比較的簡易な製造工程で作製でき、且つ、筒状シャフトの内部空間からガスがリークするのを防止可能で、筒状シャフトから熱を逃がしやすいシャフト付きヒータを提供することを主目的とする。

本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のシャフト付きヒータは、
ウエハを支持可能で抵抗発熱体が埋設された窒化アルミニウム製のセラミック基板と、
該セラミック基板の背面に接合された筒状シャフトと、
を備え、
前記筒状シャフトは、少なくとも前記セラミック基板側の端部がアルミニウム−シリコン合金製であり、該端部が前記セラミック基板の背面に接合されている
ものである。

このシャフト付きヒータでは、筒状シャフトのうちセラミック基板側の端部がアルミニウム−シリコン合金製であり、該端部がセラミック基板の背面に接合されている。このため、筒状シャフト自身の気密化や筒状シャフトとセラミック基板との接合部位の気密化を図ったり、筒状シャフトのうちセラミック基板側の端部の熱膨張係数をセラミック基板の熱膨張係数に近付けたりすることが可能となる。したがって、シャフト付きヒータをチャンバ内に設置したときに、筒状シャフトの内部空間からチャンバの内部空間へのガスのリークを防止することができる。また、筒状シャフトとセラミック基板との間に熱障壁が存在しない。このため、シャフト付きヒータをチャンバ内に設置してプラズマを発生させたときにセラミック基板の中央付近の熱を筒状シャフトを介して効率よく除去することができる。したがって、セラミック基板上の各点の温度差を小さくすることができ、セラミック基板に支持されるウエハの温度を制御しやすくなる。

本発明のシャフト付きヒータにおいて、前記筒状シャフトは、ロウ材なしで前記端部を加熱することにより接合することができる。すなわち、筒状シャフトの少なくとも端部はアルミニウム−シリコン合金製であることから、アルミニウム−シリコン合金の共晶点（５７７℃）に加熱すると液相が発生するが、それより低い温度で圧力をかけながら加熱することで、合金の接合界面における拡散流動性を高め、且つ、全体の変形を伴わないようにしながら固相接合することができる。ここで、アルミニウム−シリコン合金は、シリコン量が比較的多い方が好ましい。こうすれば、高融点のシリコンが骨格をなし、共晶組成のアルミニウム−シリコン合金が結合材の役目を果たす。そのため、接合に伴う変形が生じにくくなる。なお、筒状シャフトは、接合温度を下げる目的で、アルミニウム−シリコン共晶合金からなるロウ材を用いてセラミックス基板に接合してもよい。

本発明のシャフト付きヒータにおいて、前記筒状シャフトは、全体がアルミニウム−シリコン合金製であり、熱膨張係数が前記セラミック基板の０．９〜１．１倍としてもよい。こうすれば、筒状シャフトとセラミック基板との熱膨張係数の差が僅少なため、筒状シャフトとセラミック基板との接合をより気密化しやすくなる。熱膨張係数がセラミック基板の０．９〜１．１倍を外れる場合には、セラミックス基板に発生する接合時の熱膨張係数の際に伴う残留応力が過大となり、セラミックス基板にクラックが発生するおそれがある。筒状シャフトにアルミニウム−シリコン合金を用いることで、筒状シャフトをセラミック基板と同等の熱膨張係数とすることができるようになる。また、アルミニウム−シリコン合金は、そのアルミニウムとシリコンの組成比に伴い熱膨張係数がアルミニウムの２３ｐｐｍ／Ｋからシリコンの３ｐｐｍ／Ｋ近傍まで比較的容易に変化させることができるので、本発明に好適な材料といえる。

本発明のシャフト付きヒータにおいて、前記筒状シャフトは、前記セラミック基板側の端部を含むアルミニウム−シリコン合金製の第１パートと、該第１パートの前記セラミック基板とは反対側の端部に接合されたアルミニウム製の第２パートとを有していてもよい。こうすれば、第２パートはアルミニウム製のため、セラミック基板の熱をより効率よく逃がすことができるし、筒状シャフトの全体がアルミニウム−シリコン合金製の場合に比べてコスト的にも有利になる。ここで、「アルミニウム製」とは、純アルミニウムで作製されている場合のほか、アルミニウムを主体とするアルミ合金であって第１パートのアルミニウム−シリコン合金に比べてシリコン含有量が低いもので作製されている場合も含む意である。

このように第１パートと第２パートとを有する筒状シャフトを用いた本発明のシャフト付きヒータにおいて、前記第１パートは、全体がアルミニウム−シリコン合金製であり、熱膨張係数が前記セラミック基板の０．９〜１．１倍としてもよい。こうすれば、筒状シャフトとセラミック基板との熱膨張係数の差が僅少なため、筒状シャフトとセラミック基板との接合をより気密化しやすくなる。

また、第１パートと第２パートとを有する筒状シャフトを用いた本発明のシャフト付きヒータにおいて、前記第１パートは、複数のアルミニウム−シリコン合金製のセグメントが接合されたものであり、前記複数のセグメントは、前記セラミック基板側から前記第２パートに向かって熱膨張係数が窒化アルミニウムに近い値からアルミニウムに近い値まで徐々に高くなるように配設されていてもよい。こうすれば、セラミック基板と筒状シャフトの第１パートとの熱膨張差や筒状シャフトの第１パートと第２パートとの熱膨張差が小さくなるため、発生する熱応力が小さくなり、熱サイクルを長期にわたって繰り返したとしても筒状シャフトの内部空間の気密性を保持することができる。

このとき、前記第１パートは、アルミニウム−シリコン合金製であることから、前記複数のセグメントがロウ材なしで加熱することにより接合することができる。あるいは、前記第１パートは、前記複数のセグメントがアルミニウム−シリコン共晶合金製のロウ材を用いて加熱することにより接合されていてもよい。こうすれば、ロウ材を用いない場合に比べて各セグメントが互いに密着するように押圧する必要がないため、接合作業を簡単に行える。すなわち、ロウ材を用いない場合に比べて接合面の寸法精度が緩くてもよい。また、ロウ材を用いることで、微視的により良いシール性が得られる。また、アルミニウム−シリコン合金製の第１パートとアルミニウム製の第２パートとを接合する際にロウ材を用いて加熱してもよい。アルミニウム製の第２パートは加熱時に押圧すると変形しやすいが、ロウ材を用いることにより押圧する必要がないため、第２パートの変形のおそれがなくなる。

本発明のシャフト付きヒータにおいて、筒状シャフトはアルミニウムとシリコンを含み、アルカリ金属や重金属を含まないものとしてもよい。こうすれば、半導体製造装置に用いた場合にコンタミネーションを発生しない。

本発明のシャフト付きヒータは、種々の製法により作製可能である。例えば、本発明のシャフト付きヒータを作製するにあたり、筒状シャフトのセラミック基板側の端部をセラミック基板の背面に押圧しながら所定の温度に加熱したあと冷却することにより該端部をロウ材なしでセラミック基板の背面に接合させてもよい。ここで、押圧力や温度については、セラミック基板に筒状シャフトが液相接合又は固相接合する数値範囲に設定すればよく、例えば、押圧力は９．８×１０²〜９．８×１０³Ｐａ、好ましくは９．８×１０²〜２．９×１０³Ｐａの範囲に設定し、温度は５００〜５８０℃、好ましくは５２０〜５６０℃の範囲に設定してもよい。あるいは、筒状シャフトのセラミック基板側の端部とセラミック基板との間にロウ材（アルミニウム−シリコン共晶合金からなるロウ材など）を介在させた状態で所定の温度に加熱したあと冷却することにより該端部をセラミック基板の背面に接合させてもよい。

また、筒状シャフトとして、セラミック基板側の端部を含むアルミニウム−シリコン合金製の第１パートと、該第１パートのセラミック基板とは反対側の端部に接合されたアルミニウム製の第２パートとを有するものを採用してもよい。その場合、第１パートと第２パートとを接合して筒状シャフトとしたあと該筒状シャフトとセラミック基板とを接合してもよいし、第１パートとセラミック基板とを接合したあと第１パートと第２パートとを接合してもよいし、第１パートと第２パートとセラミック基板とを同時に接合してもよい。このとき、第１パートとして、複数のアルミニウム−シリコン合金製のセグメントを、熱膨張係数が窒化アルミニウムに近い値からアルミニウムに近い値まで徐々に高くなるように接合したものを採用してもよい。その場合、予め複数のセグメントを接合して第１パートとしたあとセラミック基板や第２パートと接合してもよいし、複数のセグメントを互いに接合すると同時にセラミック基板と該セラミック基板に接するセグメントとを接合してセラミック基板−第１パートのアセンブリとしたあと第１パートと第２パートとを接合してもよいし、複数のセグメントを互いに接合すると同時に第２パートと該第２パートに接するセグメントとを接合して第１パート−第２パートのアセンブリとしたあとセラミック基板と第１パートとを接合してもよい。なお、第１パートと第２パートとを接合する際、第１パートの接合面に設けた凹凸と第２パートの接合面に設けた凹凸とを嵌め合わせた状態で接合してもよい。このとき、第１及び第２パートの熱膨張係数差を考慮して、常温では第２パートの凹凸を第１パートの凹凸に比べて小さめに設計しておき、接合温度に達したとき又は接合温度に達する直前に第２パートが第１パートよりも大きく膨張して第１パートの凹凸と第２パートの凹凸とが嵌り合うようにしてもよい。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は実施例１のシャフト付きヒータ１０の断面図、図２は筒状シャフト３０の斜視図、図３は筒状シャフト３０の寸法入り断面図、図４はシャフト付きヒータ１０の製造工程図である。

シャフト付きヒータ１０は、プラズマＣＶＤ工程などの加熱処理を施すウエハを加熱するのに用いられるものであり、図示しない真空チャンバ内に設置される。このシャフト付きヒータ１０は、ウエハを支持可能で抵抗発熱体２２が埋設されたセラミック基板２０と、このセラミック基板２０の背面に接合された筒状シャフト３０とを備えている。

セラミック基板２０は、窒化アルミニウム製の円板部材である。このセラミック基板２０は、抵抗発熱体２２としてモリブデン抵抗発熱体が埋設されている。また、セラミック基板２０の背面の中央付近には、第１孔２４と第２孔２６が開けられている。抵抗発熱体２２は、セラミック基板２０の略中央に位置する一端２２ａから端を発し、いわゆる一筆書きの要領でセラミック基板２０のほぼ全面にわたって配線されたあと、セラミック基板２０の略中央に位置する他端２２ｂに至っている。この抵抗発熱体２２の一端２２ａ及び他端２２ｂは、それぞれセラミック基板２０の第１孔２４及び第２孔２６から外部に露出している。なお、セラミック基板２０には、高周波電極として平板電極２３も埋設されている。

筒状シャフト３０は、全体がアルミニウム−シリコン合金製の部材である。この筒状シャフト３０は、途中に段差３２を有しており、段差３２を境にしてセラミック基板側が大径部３４、セラミック基板２０と反対側が小径部３６となっている。大径部３４の端部及び小径部３６の端部には、それぞれフランジ３４ａ，３６ａが形成されている。そして、筒状シャフト３０のうち大径部３４の端部がセラミック基板２０の背面に接合されている。筒状シャフト３０の内部には、抵抗発熱体２２の一端２２ａ及び他端２２ｂにそれぞれロウ接合されたニッケル製の給電ロッド３８，３８が軸方向に沿って設けられている。セラミック基板２０の抵抗発熱体２２には、この給電ロッド３８，３８を介して電力が供給される。

次に、このシャフト付きヒータ１０の製造方法について説明する。まず、セラミック基板２０として、直径３４０ｍｍ、厚み１８ｍｍの窒化アルミニウム製のものを準備した。このセラミック基板２０の熱膨張係数は５．０ｐｐｍ／Ｋであった。そして、このセラミック基板２０の背面つまり筒状シャフト３０との接合面を、表面粗さＲａが０．５μｍとなるように研磨加工した。なお、このようなセラミック基板２０は、例えば特開２００６−２３２５７６の実施例の記載に準じて作製可能である。一方、２０ｗｔ％Ａｌ−８０ｗｔ％Ｓｉ合金（熱膨張係数４．９ｐｐｍ／Ｋ）製のインゴットをスプレーフォーミング法で作製し、このインゴットから切削加工により図３に示す形状及び寸法を有する筒状シャフト３０を作製した。この筒状シャフト３０の大径部３４の端部表面つまりセラミック基板２０との接合面を、表面粗さＲａが０．５μｍとなるように研磨加工した。続いて、図４に示すように、筒状シャフト３０の大径部３４の端部が下になるようにして、セラミック基板２０の背面に筒状シャフト３０を載せた。このとき、筒状シャフト３０の軸中心とセラミック基板２０の中心とが一致するようにした。そして、この状態で不活性ガス雰囲気（ここでは窒素ガス雰囲気、減圧１００Ｐａ以下）の真空炉中に入れ、大径部３４の端部に形成されたフランジ３４ａを円筒状のアルミナ治具４０で１０ｋｇ（１０００Ｐａ）の荷重をかけて押圧しながら５４０℃に加熱し、１時間保持した後、炉内で冷却した。こうすることにより、筒状シャフト３０の大径部３４の端部がセラミック基板２０の背面に接合された。２０ｗｔ％Ａｌ−８０ｗｔ％Ｓｉ合金中の共晶成分（８８ｗｔ％Ａｌ−１２ｗｔ％Ｓｉ）が５４０℃での押圧により拡散流動し半液相化することにより、窒化アルミニウムとの界面で、主として固相接合（拡散接合）により接合される。なお、アルミナ治具４０とフランジ３４ａとの押圧面には、予め窒化ホウ素パウダをスプレーして両者がくっつくのを防止した（以下の実施例でも同じ）。

次に、こうして得られたシャフト付きヒータ１０の性能について説明する。ヘリウムリークディテクタ（型名：ＭＳＥ−２０００、メーカ名：島津製作所）を用いて、フード法により、筒状シャフト３０の内部を真空引きした状態で筒状シャフト３０の外側をヘリウムガス雰囲気とすることでセラミック基板２０と筒状シャフト３０との接合面の気密性を測定したところ、リーク量は１×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ以下であった。この結果から、シャフト付きヒータ１０のセラミック基板２０と筒状シャフト３０との接合面は極めて良好な気密性を有していることがわかった。

また、シャフト付きヒータ１０を図示しない真空チャンバ内に設置し、窒素ガス５０Ｐａ中でセラミック基板２０に埋設された抵抗発熱体２２に給電ロッド３８，３８を介して電力を供給して３５０℃に昇温した。このときのセラミック基板２０の温度分布を赤外線温度モニタ（型名：ＪＴＧ６４００、メーカ名：ＪＥＯＬ）を用いて測定したところ、プラズマなしで６℃、プラズマありで８℃であった。ここで、温度分布とは、セラミック基板２０のウエハ載置面のφ３００ｍｍの領域を赤外線温度モニタで測定したときの最高温度と最低温度との差をいう。この結果から、プラズマの有無によって温度分布にほとんど差がみられないことがわかった。なお、プラズマは、セラミック基板２０に埋設された平板電極２３と真空チャンバ内に設置された平板電極（図示せず）との間に１３．５６ＭＨｚ、１２００Ｗの高周波電力を印加することにより発生させた。

更に、室温と４５０℃の間の熱サイクルを１０００回繰り返した後に先ほどと同様にして気密性を測定したところ、リーク量は依然として１×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ以下であり、良好な気密性を維持していた。

以上詳述した実施例１のシャフト付きヒータ１０によれば、真空チャンバ内に設置したときに、筒状シャフト３０の内部空間から真空チャンバの内部空間へのガスのリークを防止することができる。また、筒状シャフト３０とセラミック基板２０との間に熱障壁が存在しないため、シャフト付きヒータ１０を真空チャンバ内に設置してプラズマを発生させたときにセラミック基板２０の中央付近の熱を筒状シャフト３０を介して効率よく除去することができ、セラミック基板２０上の各点の温度差を小さくすることができる。これにより、セラミック基板２０に支持されるウエハの温度を制御しやすくなる。

比較例

図１３は比較例のシャフト付きヒータ１１０の断面図である。シャフト付きヒータ１１０は、実施例１と同様のセラミック基板２０と、そのセラミック基板２０をアルミナリング１１２（直径１２０ｍｍ、内径８０ｍｍ、厚み１０ｍｍ）を介して背面側から支持する実施例１と同様の筒状シャフト３０とを備えている。このシャフト付きヒータ１１０は以下のようにして製造した。すなわち、筒状シャフト３０の大径部３４の端部に設けられたフランジ３４ａを貫通する貫通孔と、アルミナリング１１２を貫通する貫通孔と、セラミック基板２０の背面に設けられたボルト穴１１６とを同軸になるように位置決めしたあと、フランジ３４ａの貫通孔の下方からボルト１１４を差し込んでボルト穴１１６に螺合することにより、筒状シャフト３０とアルミナリング１１２とセラミック基板２０とを一体化した。

次に、こうして得られたシャフト付きヒータ１１０の性能について説明する。実施例１と同様にしてセラミック基板２０と筒状シャフト３０との接合面の気密性を測定したところ、リーク量が１×１０^-3Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ以上であり、ヘリウムガスの漏れが確認された。また、実施例１と同様にして３５０℃におけるセラミック基板２０の温度分布を測定したところ、プラズマなしで６℃、プラズマありで１２℃であり、プラズマの有無により温度分布に大きな差があることがわかった。

図５は実施例２のシャフト付きヒータ５０の断面図、図６は筒状シャフト６０の寸法入り断面図、図７及び図８はシャフト付きヒータ５０の製造工程図である。

シャフト付きヒータ５０は、実施例１の筒状シャフト３０の代わりに筒状シャフト６０を採用した以外は、実施例１と同様であるため、実施例１と同じ構成要素については同じ符号を付してその説明を省略する。

筒状シャフト６０は、途中に段差６２を有しており、段差６２を境にしてセラミック基板側が大径部６４、セラミック基板２０と反対側が小径部６６となっている。大径部６４の端部及び小径部６６の端部には、それぞれフランジ６４ａ，６６ａが形成されている。そして、筒状シャフト６０のうち大径部６４の端部がセラミック基板２０の背面に接合されている。また、筒状シャフト６０は、第１パートＰ１と第２パートＰ２とを接合することにより作製されたものである。第１パートＰ１は、大径部６４の端部から段差６２の手前までの部分であり、アルミニウム−シリコン合金製である。この第１パートＰ１のセラミック基板側とは反対側の端面Ｐ１ａは、外周側に比べて内周側が突出した凹凸形状となっている。一方、第２パートＰ２は、大径部６４の一部と小径部６６の全体を含む部分であり、アルミニウム製である。この第２パートＰ２の第１パートＰ１に対向する側の端面Ｐ２ａは、外周側に比べて内周側が没入した凹凸形状となっている。そして、第１パートＰ１の端面Ｐ１ａと第２パートＰ２の端面Ｐ２ａとは、互いの凹凸が隙間なく嵌り合った状態で接合されている。このような接合形態は、インロー継ぎと呼ばれる。なお、筒状シャフト６０の寸法を図６に示した。

次に、このシャフト付きヒータ５０の製造方法について図７及び図８に基づいて説明する。まず、実施例１と同様のセラミック基板２０を準備した。また、２０ｗｔ％Ａｌ−８０ｗｔ％Ｓｉ合金（熱膨張係数４．９ｐｐｍ／Ｋ）製のインゴットをスプレーフォーミング法で作製し、このインゴットから切削加工により第１パートＰ１を作製した。このとき、第１パートＰ１の端面Ｐ１ａを、外周側に比べて内周側が突出した凹凸形状になるように切削加工した。そして、第１パートＰ１のセラミック基板２０との接合面を、表面粗さＲａが０．５μｍとなるように研磨加工した。一方、第２パートＰ２を耐食アルミニウム伸展材Ａ６０６１を用いて作製した。このとき、第２パートＰ２の端面Ｐ２ａを、外周側に比べて内周側が没入した凹凸形状となるように切削加工した。第１パートＰ１と第２パートＰ２は、接合温度で互いの凹凸が嵌り合うように、熱膨張係数差を考慮して、第２パートＰ２が第１パートＰ１より小さくなるように寸法を設定した。ここでは、５４０℃でクリアランスが径方向に０．１ｍｍ以下となるように設定した。

続いて、図７に示すように、加熱炉内で、第１パートＰ１のフランジ６４ａが下になるようにしてセラミック基板２０の背面に第１パートＰ１を載せ、更に第２パートＰ２の端面Ｐ２ａが下になるようにして第１パートＰ１の端面Ｐ１ａに第２パートＰ２を載せた。このとき、第１パートＰ１及び第２パートＰ２の軸中心とセラミック基板２０の中心とが一致するようにした。この状態では、第２パートＰ２と第１パートＰ１は互いの凹凸が嵌り合わないので、円筒状の内側アルミナ治具４２で第２パートＰ２の外周を支持した。そして、この状態で加熱炉を不活性ガス雰囲気とし、第１パートＰ１のフランジ３４ａを円筒状の外側アルミナ治具４４により１０ｋｇ（１０００Ｐａ）の荷重をかけて押圧しながら５４０℃に加熱し、５４０℃に達した時点で内側アルミナ治具４２により第２パートＰ２の段差６２に４ｋｇ（１３００Ｐａ）の荷重をかけて押圧しながら５４０℃まで加熱した。５４０℃に到達するより前に、第２パートＰ２は熱膨張により端面Ｐ２ａの凹凸が広がり、図８に示すように、重力の作用によって下がって第１パートＰ１の凹凸に嵌り合った。その後、５４０℃で１時間保持した後、炉内で冷却した。こうすることにより、第１パートＰ１のフランジ側の端部がセラミック基板２０の背面に接合されると共に、第１パートＰ１と第２パートＰ２とが接合された。

次に、こうして得られたシャフト付きヒータ５０の性能について説明する。実施例１と同様にしてセラミック基板２０と筒状シャフト６０との接合面の気密性を測定したところ、リーク量は１×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ以下であり、良好な気密性を有していた。また、実施例１と同様にして３５０℃におけるセラミック基板２０の温度分布を測定したところ、プラズマなしで６℃、プラズマありで７℃であり、プラズマの有無により温度分布にほとんど差がなかった。更に、室温と４５０℃の間の熱サイクルを１０００回繰り返した後に気密性を測定したところ、リーク量は５×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃであった。

以上詳述した実施例２のシャフト付きヒータ５０によれば、実施例１の効果に加えて以下の効果も得られる。すなわち、第１パートＰ１と第２パートＰ２との熱膨張係数差を利用して焼き嵌めの効果を得ることができる。また、内側アルミナ治具４２による第２パートＰ２の押圧面（段差６２）を端面Ｐ２ａの直近にすることにより、接合面に直接押圧力が掛かり易くなり、しかも押圧面以外の部分（中空部分やフランジ部分）の高温加熱時の加重による変形を防ぐことができる。このため、良好な寸法精度を得ることができる。更に、実施例１と比較してアルミニウム−シリコン合金製のインゴットを小さなサイズにすることができるため、コスト的に極めて有利であると共に、アルミニウム製の第２パートＰ２はアルミニウム−シリコン合金製の第１パートＰ１に比べて熱伝導率が大きいため、セラミック基板２０の中央付近の熱を筒状シャフト６０を介して一層効率よく除去することができる。更にまた、第１パートＰ１が十分長く設計されている（ここでは７０ｍｍ以上）ため、第１パートＰ１と第２パートＰ２との接合部分の温度が高くなりすぎず、両者の熱膨張係数差に起因する気密性の低下が有効に防止される。７０ｍｍ未満とすると、シャフト付きヒータを４５０℃と室温で熱サイクルをかけた場合、３００回で２×１０^-7Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃのリークが発生したが、７０ｍｍ以上では上記のような良好な結果が得られた。

実施例３は、実施例２の第１パートＰ１の作製方法を変更した以外は、実施例２とほぼ同様であるため、実施例２と同じ構成要素については同じ符号を付してその説明を省略する。図９は実施例３の第１パートＰ１を作製する際に使用するセグメントの説明図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。また、図１０は実施例３の第１パートＰ１の製造工程図である。なお、実施例３の第１パートＰ１は高さ２８ｍｍ、第２パートＰ２は高さ１４２ｍｍとした。

この実施例３では、第１パートＰ１を、アルミニウム−シリコン合金製のリング状の第１〜第４セグメントＳ１〜Ｓ４を接合することにより作製した。第１セグメントＳ１は２０ｗｔ％Ａｌ−８０ｗｔ％Ｓｉの合金（熱膨張係数４．９ｐｐｍ／Ｋ）、第２セグメントＳ２は３０ｗｔ％Ａｌ−７０ｗｔ％Ｓｉの合金（熱膨張係数７ｐｐｍ／Ｋ）、第３セグメントＳ３は５５ｗｔ％Ａｌ−４５ｗｔ％Ｓｉの合金（熱膨張係数１２ｐｐｍ／Ｋ）、第４セグメントＳ４は７５ｗｔ％Ａｌ−２５ｗｔ％Ｓｉの合金（熱膨張係数１７ｐｐｍ／Ｋ）を使用した。各セグメントＳ１〜Ｓ４は、いずれもスプレーフォーミング法で作製したインゴットから研削加工して作製したものであり、それぞれの接合面にはシリコン製のピン（位置決め用）を挿入可能な座繰り孔をリング中心に対して点対称となるように２箇所ずつ設けた。なお、第１セグメントＳ１にはフランジ６４ａを形成し、第４セグメントＳ４には凹凸を有する端面Ｐ１ａを形成した。

そして、図１０に示すように、加熱炉内でセラミック基板２０の背面に第１セグメントＳ１から第４セグメントＳ１までを順番に座繰り孔にピンを差し込みながら積層した。このとき、各セグメントＳ１〜Ｓ４の軸中心とセラミック基板２０の中心とが一致するようにした。この状態で、第４セグメントＳ４に内側アルミナ治具４６より４ｋｇ（１３００Ｐａ）の荷重をかけて押圧すると共にフランジ６４ａに外側アルミナ治具４８により１０ｋｇ（１０００Ｐａ）の荷重をかけて押圧しながら、不活性ガス雰囲気中で５４０℃に加熱し、１時間保持した後、炉内で冷却した。こうすることにより、第１セグメントＳ１の端部がセラミック基板２０の背面に接合されると共に第１〜第４セグメントＳ１〜Ｓ４がそれぞれ接合された。その後、第１パートＰ１の端面Ｐ１ａに、第２パートＰ２（高さ１４２ｍｍ）を実施例２の製造工程に準じて接合することにより、実施例３のシャフト付きヒータを得た。

こうして得られたシャフト付きヒータについて、実施例１と同様にして気密性を測定したところ、リーク量は１×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ以下であり、良好な気密性を有していた。また、実施例１と同様にして３５０℃におけるセラミック基板２０の温度分布を測定したところ、プラズマなしで６℃、プラズマありで６℃であり、プラズマの有無により温度分布に差がなかった。更に、室温と４５０℃の間の熱サイクルを１０００回繰り返した後に気密性を測定したところ、リーク量は依然として１×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ以下であり、良好な気密性を維持していた。

以上詳述した実施例３のシャフト付きヒータによれば、実施例１，２の効果に加えて以下の効果も得られる。すなわち、第１パートＰ１は熱膨張係数がセラミック基板２０に近い値から第２パートＰ２に近い値まで段階的に徐々に変化しているため、第１パートＰ１の長さを短くし第２パートＰ２の長さを長くしても熱膨張差に起因する両パート間の気密性の低下を招くおそれがない。また、第１パートＰ１に比べて熱伝導率の高い第２パートＰ２の長さを長くすることができるため、プラズマの有無による温度分布の発生をよりよく抑制することができる。更に、各セグメントＳ１〜Ｓ４の接合面や第１パートＰ１と第２パートＰ２との接合面は強固且つ気密な界面になると共に発生する熱応力が小さくなるため、長期の繰り返し熱サイクルの後でも高い気密性が保持される。更に、シャフト部の大部分が熱伝導率の良いアルミニウムでできているため、シャフト部からの熱の逃げが良好であり、プラズマの有無によるプレートの温度変化をよりよく制御できる。

実施例４は、実施例２の第１パートＰ１の作製方法を変更した以外は、実施例２とほぼ同様であるため、実施例２と同じ構成要素については同じ符号を付してその説明を省略する。図１１は実施例４の第１パートＰ１を作製する際に使用するセグメントの断面図、図１２は実施例４のシャフト付きヒータの製造工程図である。なお、実施例４の第１パートＰ１は、高さ２８ｍｍ、第２パートＰ２は高さ１４２ｍｍとした。

この実施例４では、第１パートＰ１を、図１１に示したリング状の第１〜第４セグメントＳ１１〜Ｓ１４を接合することにより作製した。各セグメントＳ１１〜Ｓ１４の材質は実施例３の各セグメントＳ１〜Ｓ４と同じである。また、各セグメントＳ１１〜Ｓ１４は、いずれもスプレーフォーミング法で作製したインゴットから研削加工して作製したものであり、それぞれの接合面には互いに嵌り合う凹凸を設け、インロー継ぎが可能なようにした。

そして、図１２に示すように、加熱炉内でセラミック基板２０の背面に、８８ｗｔ％Ａｌ−１２ｗｔ％Ｓｉの合金でできたドーナツ形状の箔（外径１００ｍｍ、内径９１ｍｍ、厚み０．０５ｍｍ）を載せ、そこに第１セグメントＳ１から第４セグメントＳ１までを順番に先ほどと同様の箔を挟みながら積層し、更にその上に箔を介して第２パートＰ２を載せた。このとき、各セグメントＳ１〜Ｓ４の軸中心とセラミック基板２０の中心と第２パートＰ２の軸中心とが一致するようにした。こうした位置決めは、実施例２で用いた内側アルミナ治具４２と外側アルミナ治具４４を用いることにより行った。このとき、外側アルミナ治具４４は、内側アルミナ治具４２のガイドとしての役割も果たした。この状態で、各アルミナ治具４２，４４に荷重をかけることなく、不活性ガス雰囲気中で５４０℃に加熱し、１時間保持した後、炉内で冷却した。こうすることにより、シャフト付きヒータを得た。

こうして得られたシャフト付きヒータについて、実施例１と同様にして気密性を測定したところ、リーク量が１×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ以下であり、良好な気密性を有していた。また、実施例１と同様にして３５０℃におけるセラミック基板２０の温度分布を測定したところ、プラズマなしで６℃、プラズマありで６℃であり、プラズマの有無により温度分布に差がなかった。更に、室温と４５０℃の間の熱サイクルを１０００回繰り返した後に気密性を測定したところ、リーク量は依然として１×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ以下であり、良好な気密性を維持していた。

以上詳述した実施例４のシャフト付きヒータによれば、実施例３の効果に加えて以下の効果も得られる。すなわち、各部品と治具の自重のみで接合することができるため、実施例３に比べて製造工程が簡素化される。

なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した各実施例では、筒状シャフト３０，６０に段差３２，６２を設けたが、こうした段差３２，６２をなくしてストレートなシャフトにしてもよい。

上述した実施例１〜３では、セラミック基板２０と筒状シャフト３０，６０との間にロウ材を用いずに固相接合又は液相接合するとしたが、ロウ材（例えば実施例４の８８ｗｔ％Ａｌ−１２ｗｔ％Ｓｉの合金でできた箔など）を用いて接合してもよい。

上述した実施例３では、セラミック基板２０に第１〜第４セグメントＳ１〜Ｓ４を積層し、その状態で加熱して接合することによりセラミック基板２０と第１〜第４セグメントＳ１〜Ｓ４とのアセンブリを得るようにしたが、第１〜第４セグメントＳ１〜Ｓ４だけを積層して第１パートＰ１を作製し、その後、実施例２と同様にしてシャフト付きヒータを作製してもよい。あるいは、第１〜第４セグメントＳ１〜Ｓ４に第２パートＰ２を積層し、その状態で加熱して接合することにより筒状シャフト６０を作製し、その後、実施例１と同様にしてシャフト付きヒータを作製してもよい。

実施例１のシャフト付きヒータ１０の断面図。 筒状シャフト３０の斜視図。 筒状シャフト３０の寸法入り断面図。 シャフト付きヒータ１０の製造工程図。 実施例２のシャフト付きヒータ５０の断面図。 筒状シャフト６０の寸法入り断面図。 シャフト付きヒータ５０の製造工程図。 シャフト付きヒータ５０の製造工程図。 実施例３で用いる第１〜第４セグメントＳ１〜Ｓ４の説明図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。 実施例３で用いる筒状シャフトの製造工程図。 実施例４で用いる第１〜第４セグメントＳ１１〜Ｓ１４の断面図。 実施例４のシャフト付きヒータの製造工程図。 比較例のシャフト付きヒータ１１０の断面図。

符号の説明

１０，５０，１１０ シャフト付きヒータ、２０ セラミック基板、２２ 抵抗発熱体、２２ａ 一端、２２ｂ 他端、２３ 平板電極、２４ 第１孔、２６ 第２孔、３０，６０ 筒状シャフト、３２，６２ 段差、３４，６４ 大径部、３４ａ，３６ａ，６４ａ，６６ａ フランジ、３６，６６ 小径部、３８ 給電ロッド、４０ アルミナ治具、４２，４６ 内側アルミナ治具、４４，４８ 外側アルミナ治具、１１２ アルミナリング、１１４ ボルト、１１６ ボルト穴、Ｐ１ 第１パート、Ｐ１ａ，Ｐ２ａ 端面、Ｐ２ 第２パート、Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ１１〜Ｓ１４ 第１〜第４セグメント。

Claims (8)

1. ウエハを支持可能で抵抗発熱体が埋設された窒化アルミニウム製のセラミック基板と、
   該セラミック基板の背面に接合された筒状シャフトと、
   を備え、
   前記筒状シャフトは、少なくとも前記セラミック基板側の端部がアルミニウム−シリコン合金製であり、該端部が前記セラミック基板の背面に接合されている、
   シャフト付きヒータ。
2. 前記筒状シャフトは、ロウ材なしで前記端部を加熱することにより接合されている、
   請求項１に記載のシャフト付きヒータ。
3. 前記筒状シャフトは、全体がアルミニウム−シリコン合金製であり、熱膨張係数が前記セラミック基板の０．９〜１．１倍である、
   請求項１又は２に記載のシャフト付きヒータ。
4. 前記筒状シャフトは、前記セラミック基板側の端部を含むアルミニウム−シリコン合金製の第１パートと、該第１パートの前記セラミック基板とは反対側の端部に接合されたアルミニウム製の第２パートとを有する、
   請求項１又は２に記載のシャフト付きヒータ。
5. 前記第１パートは、全体がアルミニウム−シリコン合金製であり、熱膨張係数が前記セラミック基板の０．９〜１．１倍である、
   請求項４に記載のシャフト付きヒータ。
6. 前記第１パートは、複数のアルミニウム−シリコン合金製のセグメントが接合されたものであり、前記複数のセグメントは、前記セラミック基板側から前記第２パートに向かって熱膨張係数が窒化アルミニウムに近い値からアルミニウムに近い値まで徐々に高くなるように配設されている、
   請求項４に記載のシャフト付きヒータ。
7. 前記第１パートは、前記複数のセグメントがロウ材なしで加熱することにより接合されている、
   請求項６に記載のシャフト付きヒータ。
8. 前記第１パートは、前記複数のセグメントがアルミニウム−シリコン合金製のロウ材を用いて加熱することにより接合されている、
   請求項６に記載のシャフト付きヒータ。

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