JP2012252790A - シャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニットの製造方法 - Google Patents

シャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニットの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】熱電導率が異なる材料を複合化することにより、ヒータの温度分布を改善するシャフト付きヒータユニットを提供する。
【解決手段】本発明は、被加熱物を載置して加熱するヒータプレート１と、ヒータプレート１を支持するシャフト部２を有するシャフト付きヒータユニット１００であって、シャフト部２は、シャフト部２を構成する材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度でヒータプレート１に吹き付けることにより形成されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板を支持しながら加熱するシャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニットの製造方法に関する。
半導体基板の製造プロセス、例えばアニール処理等において、真空チャンバ内で半導体基板を加熱処理している。このようなプロセスにおいて半導体基板を均一に加熱し、温度分布を少なくすることは歩留まりに大きな影響を及ぼすものであり、より精密な温度制御が望まれている。
この半導体基板の加熱処理の際には、半導体基板を支持しながら加熱するシャフト付きヒータが使用される。シャフト付きヒータは、被加熱物である半導体基板を載置し、内部にシースヒータが埋め込まれたヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトから構成されている。このような構成を有するシャフト付きヒータは、シースヒータ線の引き回しの制約からシャフト中心部に入熱しづらく、さらにシャフトを介した放熱が起こりやすいため、プレート中心部の温度が低下してしまうという問題を有していた。
これに対して、熱伝導率が高い金属または金属合金からなるヒータプレートと、熱伝導率がヒータプレート材料より低い金属または金属合金からなるシャフトとをろう付けなどで接合することにより、シャフトへの熱伝導を抑制して、ヒータプレートの温度分布を改善する技術が提案されている。
また、ヒータプレートがセラミックス焼結体であるセラミックスヒータにおいて、ヒータプレート部より熱伝導率が低い材料で形成したシャフト部と、ヒータプレート部とを接合したセラミックスヒータが提案されている（特許文献１を参照）。
特開２００５−１６６３６８号公報
しかしながら、異なる材料をろう付けなどで接合する場合、接合温度が高いため異なる材料間の熱膨張差によるひずみが蓄積してしまうといった問題が生じたり、材料の融点や接合温度などの関係で選択できる材料に制約があり、温度分布の改善を行うことが困難であった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヒータの温度分布を改善するとともに、異なる材料を接合する際のひずみや界面間での剥離、クラックを解消するシャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニット製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、被加熱物を載置して加熱するヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトを有するシャフト付きヒータユニットであって、前記シャフトは、該シャフトを構成する材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ヒータプレートに吹き付けることにより形成されたことを特徴とする。
また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、上記発明において、前記ヒータプレートは、熱伝導率の高い金属または合金からなり、前記シャフトは、前記ヒータプレートを構成する材料より熱伝導率が低い金属または合金からなることを特徴とする。
また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、上記発明において、前記シャフトは、筒状本体部に前記ヒータプレートから該シャフトへの熱伝導を抑制する熱伝導抑制手段を備えることを特徴とする。
また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、上記発明において、前記熱伝導抑制手段は、断熱用溝であることを特徴とする。
また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、上記発明において、前記熱伝導抑制手段は、冷却媒体用流路であることを特徴とする。
また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、上記発明において、前記シャフトは、前記ヒータプレートを構成する材料と同一の第一材料と、熱伝導率が前記ヒータプレートを構成する材料より低い第二材料とから形成され、前記ヒータプレートに接する側の前記シャフトの端部は、前記第一材料を主成分として形成され、前記シャフトを構成する前記第一材料の割合は、前記ヒータプレート側の端部から他端部にかけて徐々に減少することを特徴とする。
また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットの製造方法は、被加熱物を載置して加熱するヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトを有するシャフト付きヒータユニットの製造方法であって、前記ヒータプレートに、前記シャフトを構成する材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ヒータプレートに吹き付けることにより前記シャフトを形成するシャフト形成ステップを含むことを特徴とする。
また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットの製造方法は、上記発明において、前記シャフト形成ステップは、前記ヒータプレートに、前記シャフトを構成する材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ヒータプレートに吹き付ける第一吹付ステップと、前記第一吹付ステップで形成した前記シャフトに断熱用溝を形成する溝形成ステップと、前記溝形成ステップ後、前記断熱用溝を形成した前記シャフトに、前記シャフトを構成する材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度でさらに吹き付ける第二吹付ステップと、を含むことを特徴とする。
また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットの製造方法は、上記発明において、前記シャフト形成ステップは、前記ヒータプレートに、前記シャフトを構成する材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ヒータプレートに吹き付ける第一吹付ステップと、前記第一吹付ステップで形成した前記シャフトに冷却媒体用パイプを載置するパイプ載置ステップと、前記パイプ載置ステップ後、前記パイプを載置した前記シャフトに、前記シャフトを構成する材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度でさらに吹き付ける第二吹付ステップと、を含むことを特徴とする。
また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットの製造方法は、上記発明において、前記シャフトは、前記ヒータプレートを構成する材料と同一の第一材料と、熱伝導率が前記ヒータプレートを構成する材料より低い第二材料とから形成され、前記ヒータプレートに接する側の前記シャフトの端部は、前記第一材料を主成分として形成され、前記シャフトを構成する前記第一材料の割合は、前記ヒータプレート側の端部から他端部にかけて徐々に減少させることを特徴とする。
本発明のシャフト付きヒータユニットおよびその製造方法は、ヒータプレートに、シャフトを構成する材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で直接吹き付けることによりシャフトを形成するため、ろう付けによりヒータプレートに接合しにくい材料をシャフトの材料として選択できるとともに、熱疲労によるヒータプレートとシャフトとの間の異材界面における剥がれ、ひび割れ等を効果的に防止しうるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態１に係るシャフト付きヒータユニットの構成を示す断面図である。 図２は、図１のシャフト付きヒータユニットのＡ−Ａ線の断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係るシャフト付きヒータユニットの製造に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す説明図である。 図４は、本発明の実施の形態２に係るシャフト付きヒータユニットの構成を示す断面図である。 図５は、図４のシャフト付きヒータユニットのＢ−Ｂ線の断面図である。 図６は、図４に示すシャフト付きヒータユニットの断熱用溝周辺の拡大断面図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態２に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を示す断面図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態２に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を示す断面図である。 図７Ｃは、本発明の実施の形態２に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を示す断面図である。 図７Ｄは、本発明の実施の形態２に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を示す断面図である。 図８は、本発明の実施の形態３に係るシャフト付きヒータユニットの構成を示す断面図である。 図９は、図８のシャフト付きヒータユニットのＣ−Ｃ線の断面図である。 図１０は、図８に示すシャフト付きヒータユニットの冷却媒体用流路周辺の拡大断面図である。 図１１Ａは、本発明の実施の形態３に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を示す断面図である。 図１１Ｂは、本発明の実施の形態３に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を示す断面図である。 図１１Ｃは、本発明の実施の形態３に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を示す断面図である。 図１２は、本発明の実施の形態４に係るシャフト付きヒータユニットの製造に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す説明図である。 図１３は、本発明の実施の形態４に係るシャフト付きヒータユニットのシャフト部の拡大断面図である。
以下に、本発明にかかるシャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニット製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るシャフト付きヒータユニット１００の構成を示す断面図である。シャフト付きヒータユニット１００は、略円板状で載置面１ａに被加熱物を載置するヒータプレート１と、ヒータプレート１の裏面１ｂ中央に接合されヒータプレート１を支持するシャフト部２と、を備える。本実施の形態１では、円板状のヒータプレート１を使用するが、これに限定されるものではなく、被加熱物の形状等を考慮した形状であればよく、例えば矩形状であってもよい。
図２は、図１のシャフト付きヒータユニット１００のＡ−Ａ線の断面図である。図２に示すように、ヒータプレート１内には渦巻状にシースヒータ３が配置される。シースヒータ３は、内部に、例えばニクロム線などの抵抗発熱体と、その外周部にマグネシアなどの粉末を固化した絶縁体とを有し、前記抵抗発熱体に電力を供給して発熱させている。シースヒータ３の配置は、図２に示す渦巻状のほか所望の形状を採用することができる。
ヒータプレート１は、熱伝導率が高い金属または合金から形成され、シャフト付きヒータユニット１００としての使用温度範囲に基づき適宜選択される。ヒータプレート１の材料としては、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金（熱伝導率：１００〜２４０Ｗ／ｍ・Ｋ）が好適に使用されるが、これに限定されず、ヒータプレート１の使用温度範囲によって、鉄または鉄合金（熱伝導率：１０〜８０Ｗ／ｍ・Ｋ）、銅または銅合金（熱伝導率：１００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ）、ニッケルまたはニッケル合金（熱伝導率：５〜１００Ｗ／ｍ・Ｋ）、チタンまたはチタン合金（熱伝導率：５〜３０Ｗ／ｍ・Ｋ）、インジウム（熱伝導率：８２Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）、鉛（熱伝導率：３５Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）、マグネシウム（熱伝導率：１５６Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）、錫（熱伝導率：６７Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）、銀（熱伝導率：４２０Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）、亜鉛（熱伝導率：１１６Ｗ／ｍ・Ｋ、常温時）等から選択されてもよい。
シャフト部２は、ヒータプレート１を支持し、外部電源から電力を供給する電力供給線３ａが挿通される空洞部５を有する円筒形状のシャフト本体部４からなる。シャフト部２は、後述するコールドスプレー装置によりヒータプレート１の裏面１ｂに積層形成される。
シャフト部２を構成する材料は、ヒータプレート１を構成する材料より熱伝導率が低い金属または合金から選択される。ヒータプレート１を構成する材料より熱伝導率が低い金属または合金によりシャフト部２を形成することにより、ヒータプレート１からシャフト部２への熱伝導を抑制することができる。シャフト部２の材料としては、ヒータプレート１がアルミニウムまたはアルミニウム合金（熱伝導率：１００〜２４０Ｗ／ｍ・Ｋ）である場合には、これより熱伝導率が低い金属又は合金、例えば、ステンレス（熱伝導率：１６〜２０Ｗ／ｍ・Ｋ）などが好適に使用される。
次に、図３を参照して、実施の形態１に係るシャフト付きヒータユニット１００の製造方法を説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係るシャフト付きヒータユニットの製造に使用されるコールドスプレー装置５０の概要を示す説明図である。
図３に示すように、コールドスプレー装置５０は、ガス供給源からヘリウム（Ｈｅ）や窒素（Ｎ２）等の不活性ガスや空気等のガス（作動ガス）を導入するガス導入管５１と、原料である材料粉末ＰＭを供給する粉末供給部５２と、ガス導入管５１から導入されたガスを所望の温度まで加熱するヒータ５３と、材料粉末ＰＭとガスとを混合して噴射するチャンバ５４と、材料粉末ＰＭを噴射するノズル５５と、を備えている。ここで、材料粉末ＰＭは、シャフト部２を構成する材料の粉末である。
粉体供給部５２には、微小な材料粉末ＰＭ（例えば、粒径１０μｍ〜１００μｍ程度）が収容されている。材料粉末ＰＭは、ガス導入管５１に設けられたバルブ５１ａを操作して所望流量のガスを粉体供給部５２に導入することにより、ガスと共に粉体供給管５２ａを通ってチャンバ５４内に供給される。
ヒータ５３は、導入されたガスを、例えば、５０℃〜７００℃程度まで加熱する。この加熱温度の上限は、材料粉末ＰＭを固相状態のままでヒータプレート１の裏面１ｂに吹き付けるため、材料の融点未満とする。より好ましくは、上限温度を、摂氏で融点の約６０％以下に留める。これは、加熱温度が高くなるほど、材料粉末ＰＭが酸化する可能性が高くなるからである。
ヒータ５３において加熱されたガスは、ガス用配管５３ａを介してチャンバ５４に導入される。なお、チャンバ５４に導入されるガスの流量は、ガス導入管５１に設けたバルブ５１ｂによって調節される。加熱された圧縮ガスは先細末広形状のノズル５５により超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）にされ、チャンバ５４に供給された材料粉末ＰＭは、このガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のまま基材、本実施の形態１ではヒータプレート１に高速で衝突して皮膜を形成する。
図３に示すように、ノズル５５を図中矢印Ｘ方向及び矢印Ｙ方向に移動させながら材料粉末を堆積させて、ヒータプレート１裏面１ｂにシャフト本体部４を形成する。なお、材料粉末を基材に固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、本実施の形態１に係るシャフト付きヒータユニット１００の製造に使用可能であり、図３のコールドスプレー装置５０に限定されるものではない。
ヒータプレート１裏面１ｂに所望の形状のシャフト部２を上述したコールドスプレー装置５０により形成した後、不要な部分に付着した材料粉末ＰＭを除去するとともに、シャフト部２の端面や側面等を研磨して平滑にすることによって、シャフト付きヒータユニット１００が製造される。
このようにして製造されたシャフト部２は、材料粉体ＰＭが下層（ヒータプレート１裏面１ｂや、それまでに堆積したシャフト本体部４）の表面に高速に衝突して食い込むと共に、自身を変形させて下層に付着するので、下層に強く密着した金属皮膜の積層体となる。本実施の形態１にかかるシャフト付きヒータユニット１００は、シャフト本体部４とヒータプレート裏面１ｂとの界面において、金属皮膜が裏面１ｂに食い込む現象（アンカー効果と呼ばれる）を観察することができ、シャフト本体部４は、異種の金属によって形成されたヒータプレート１と互いの間に隙間を生じさせることなく密に接合している。
シャフト部２は、ヒータプレート１の裏面１ｂに強固に固定されるため、実施の形態１にかかるシャフト付ヒータユニット１００は、ヒータプレート１と、ヒータプレート１の材料と異なる材料（熱伝導率が小さい材料等）で形成したシャフト部２とを、例えばろう付けで接合した場合におこりうる、ヒータプレート１とシャフト部２との間での剥離やクラックの発生を抑制することが可能となる。また、ヒータプレート１がアルミニウムまたはアルミニウム合金である場合に、ステンレスで形成されたシャフト部をろう付けにより接合することは困難であったが、コールドスプレー装置５０によれば、ろう付けが困難な材料をシャフト部２の原料として選択した場合であっても、ヒータプレート１へのシャフト部２の接合を強固に行うことが可能であるため、シャフト部２の材料の選択肢を広げることができる。
また、ヒータプレート１をアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成し、シャフト部２を、たとえばアルミニウムまたはアルミニウム合金より熱伝導率が低いステンレスにより形成した場合、ヒータプレート１からシャフト部２への熱伝導が抑制され、ヒータプレート１の温度分布を改善することができる。これにより、被加熱物の均一な加熱が可能となり、シャフト付きヒータユニット１００を使用した半導体製造装置では、品質の安定した半導体基板を製造することができる。
以上のように、実施の形態１にかかるシャフト付きヒータユニット１００は、ヒータプレート１の裏面１ｂに、シャフト部２を構成する材料粉末ＰＭを、熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で吹き付けることによりシャフト部２を形成するので、異なる材料をろう付けすることによる熱膨張差によるひずみの蓄積や、長期間の使用による界面間での剥離やクラック等の発生を抑制することができる。また、シャフト部２を構成する材料として、ヒータプレート１の材料より熱伝導率の低い金属または合金を選択することにより、ヒータプレート１からシャフト部２への熱伝導を抑制して、ヒータプレート１の温度分布を改善することができる。
（実施の形態２）
実施の形態２にかかるシャフト付きヒータユニットを、図面を参照して説明する。図４は、本発明の実施の形態２に係るシャフト付きヒータユニット１００Ａの構成を示す断面図である。図５は、図４のシャフト付きヒータユニット１００ＡのＢ−Ｂ線の断面図である。図６は、図４に示すシャフト付きヒータユニット１００Ａの断熱用溝６周辺の拡大断面図である。実施の形態２にかかるシャフト付きヒータユニット１００Ａは、シャフト本体部４に断熱用溝６を備える。
断熱用溝６は、円筒形状のシャフト本体部４の略中央部に形成される断面矩形の溝であり、図５に示すように、シャフト本体部４の断面を周回するように設けられる。また、図６に示すように、断熱用溝６は蓋部７で覆われる構造をなす。蓋部７は、断熱用溝６の外径より径が大きい円板形状をなす。断熱用溝６内には、断熱材として空気（熱伝導率：０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ）が存在しうる構造であれば、断面形状は、矩形に限定されず、円形等であってもよい。
続いて、図７Ａ〜図７Ｄを参照して、断熱用溝７を備えるシャフト部２Ａの製造工程について説明する。
まず、図７Ａに示すように、ヒータプレート１の裏面１ｂに、シャフト本体部４を構成する材料粉末ＰＭを、コールドスプレー装置５０を用いて、加熱した圧縮ガスにより材料粉末ＰＭの融点より低い温度で吹き付けて、金属皮膜を堆積形成する。金属皮膜の高さが所定高さ（ｈ１）となったところで、一旦金属皮膜の堆積を終了する。
シャフト本体部４の端面を平滑にした後、図７Ｂに示すように、切削加工等により断熱用溝６を形成する。その後、断熱用溝６の開口部の周辺部をさらに切り欠いて蓋部７を載置する蓋支持部８を形成する。
その後、図７Ｃに示すように、蓋支持部８に蓋部７を載置し、再度コールドスプレー装置５０を用いて、加熱した圧縮ガスにより材料粉末ＰＭの融点より低い温度で蓋部７を覆うようにシャフト本体部４に吹き付けて、金属皮膜の高さが所定高さ（ｈ２）になるまで堆積形成する。金属皮膜の堆積終了後、シャフト部２Ａの端面や側面等を研磨して平滑にすることによって、シャフト付きヒータユニット１００Ａを製造する。
なお、蓋部７の径は、断熱用溝６内に材料粉末ＰＭが入らないように断熱用溝６の開口部外径より大きく、かつ、蓋支持部８により支持されるように蓋支持部８の径より小さくする。また蓋部７の高さは、断熱用溝６に断熱材としての空気を密閉できれば、蓋支持部８の高さと同じとする必要はない。
以上のように、実施の形態２にかかるシャフト付きヒータユニット１００Ａは、ヒータプレート１の裏面１ｂにシャフト部２Ａがコールドスプレー装置５０により形成されるため、ヒータプレート１と、ヒータプレート１の材料と異なる材料（熱伝導率が小さい材料等）で形成したシャフト部２Ａとを、例えばろう付けで接合した場合におこりうる、ヒータプレート１とシャフト部２Ａとの間での熱膨張差によるひずみの蓄積、剥離やクラックの発生を抑制することが可能となる。また、シャフト部２Ａをヒータプレート１と同じ材料、たとえばアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成した場合であっても、断熱用溝６内に封止される断熱材（空気）により、ヒータプレート１からシャフト部２Ａへの熱伝導を抑制することができ、ヒータプレート１の温度分布を改善することができる。さらに、シャフト部２Ａを構成する材料としてヒータプレート１の材料より熱伝導率が小さい材料を選択した場合、ヒータプレート１からシャフト部２Ａへの熱伝導をさらに低減することが可能となる。さらにまた、ヒータプレート１と接していないシャフト部２Ａの端部に伝導する熱量が少なくなるため、シャフト付きヒータユニット１００Ａの設置に使用するＯ−リングの劣化を防止することが可能となる。
なお、実施の形態２のシャフト付きヒータユニット１００Ａでは、断熱用溝６の開口部周辺部に蓋支持部８を設けて、蓋支持部８に蓋部７を載置する構造としているが、蓋支持部８を形成することなく、蓋部７により断熱用溝６を覆い、そのままコールドスプレー装置５０によりシャフト本体部４を形成して、断熱用溝６内に空気を封止してもよい。
（実施の形態３）
実施の形態３にかかるシャフト付きヒータユニットを、図面を参照して説明する。図８は、本発明の実施の形態３に係るシャフト付きヒータユニット１００Ｂの構成を示す断面図である。図９は、図８のシャフト付きヒータユニット１００ＢのＣ−Ｃ線の断面図である。図１０は、図８に示すシャフト付きヒータユニット１００Ｂの冷却媒体用流路周辺の拡大断面図である。実施の形態３にかかるシャフト付きヒータユニット１００Ｂは、シャフト本体部４に冷却媒体用流路９を備える。
冷却媒体用流路９は、円筒形状のシャフト本体部４の略中央部に形成される断面矩形の流路であり、図９に示すように、シャフト本体部４の断面を周回するように設けられる。図１０に示すように、冷却媒体用流路９は、パイプ１３により形成され、パイプ１３の断面形状を変更することにより、冷却媒体用流路９の断面形状を円状または三角等としてもよい。パイプ１３を構成する材料は、冷却媒体の種類によって選択され、市水を冷却媒体とする場合には、耐食性を有する材料、たとえば、銅、銅合金、ステンレス、ニッケル、ニッケル合金、タンタル、タンタル合金、チタン、チタン合金等が使用される。なお、媒体は、液体に限らず気体であってもよい。
冷却媒体用流路９には、冷却パイプ１０と接続された流入口１１から冷却媒体が導入され、冷却媒体用流路９を冷却媒体が通過することによりシャフト本体部４から吸熱し、図示しない冷却パイプと接続された流出口１２から冷却媒体が流出する構造をなす。
続いて、図１１Ａ〜図１１Ｃを参照して、冷却媒体用流路９を備えるシャフト部２Ｂの製造工程について説明する。
まず、図１１Ａに示すように、ヒータプレート１の裏面１ｂに、シャフト本体部４を構成する材料粉末ＰＭを、コールドスプレー装置５０を用いて、加熱した圧縮ガスにより材料粉末ＰＭの融点より低い温度で吹き付けて、金属皮膜を堆積形成する。金属皮膜の高さが所定高さ（ｈ１）となったところで、一旦金属皮膜の堆積を終了する。
シャフト本体部４の端面を平滑にした後、図１１Ｂに示すように、シャフト本体部４の端面にパイプ１３を載置する。
その後、図１１Ｃに示すように、加熱した圧縮ガスにより材料粉末ＰＭの融点より低い温度でパイプ１３の上部から材料粉末ＰＭをシャフト本体部４に吹き付けて、金属皮膜の高さが所定高さ（ｈ２）になるまで堆積形成する。金属皮膜の堆積終了後、シャフト部２Ｂの端面や側面等を研磨して平滑にすることによって、シャフト付きヒータユニット１００Ｂを製造する。
以上のように、実施の形態３にかかるシャフト付きヒータユニット１００Ｂは、ヒータプレート１の裏面１ｂにシャフト部２Ｂがコールドスプレー装置５０により形成されるため、ヒータプレート１と、ヒータプレート１の材料と異なる材料（熱伝導率が小さい材料等）で形成したシャフト部２Ｂとを、例えばろう付けで接合した場合におこりうる、ヒータプレート１とシャフト部２Ｂとの間での熱膨張差によるひずみの蓄積、剥離やクラックの発生を抑制することが可能となる。また、シャフト部２Ａをヒータプレート１と同じ材料、たとえばアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成した場合であっても、冷却媒体用流路９に導入される冷却媒体により、ヒータプレート１からシャフト部２Ｂへの熱伝導を抑制することができ、ヒータプレート１の温度分布を改善することができる。さらに、シャフト部２Ｂを構成する材料としてヒータプレート１の材料より熱伝導率が小さい材料を選択した場合、ヒータプレート１からシャフト部２Ｂへの熱伝導をさらに低減することが可能となる。さらにまた、ヒータプレート１と接していないシャフト部２Ｂの端部に伝導する熱量が少なくなるため、シャフト付きヒータユニット１００Ｂの設置に使用するＯ−リングの早期の劣化を防止することが可能となる。
（実施の形態４）
実施の形態４にかかるシャフト付きヒータユニットを、図面を参照して説明する。図１２は、本発明の実施の形態４に係るシャフト付きヒータユニットの製造に使用されるコールドスプレー装置５０Ａの概要を示す説明図である。図１３は、本発明の実施の形態４に係るシャフト付きヒータユニットのシャフト部２Ｃの拡大断面図である。
実施の形態４にかかるシャフト部２Ｃは、ヒータプレート１を構成する材料と同一の第一材料と、熱伝導率が前記ヒータプレート１を構成する材料より低い第二材料とから形成される。たとえば、ヒータプレート１を構成する材料がアルミニウム（熱伝導率：１００〜２４０Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ヒータプレート１を構成する材料より熱伝導率が低い材料としてステンレス（熱伝導率：１６〜２０Ｗ／ｍ・Ｋ）を使用する場合について説明する。
実施の形態４にかかるシャフト付きヒータユニットを製造するコールドスプレー装置５０Ａは、図１２に示すように、原料である第一材料であるアルミニウム粉末を貯蔵し供給する第一粉末供給部５２Ａと、第二材料であるステンレス粉末を貯蔵し供給する第二粉末供給部５２Ｂとを備える。
第一材料粉末および第二材料粉末は、ガス導入管５１に設けられたバルブ５１ａおよび５１ｃを操作して所望流量のガスを第一粉体供給部５２Ａおよび第二粉体供給部５２Ｂに導入することにより、ガスと共に粉体供給管５２ａおよび５２ｂを通ってチャンバ５４内に供給される。
本実施の形態４では、コールドスプレー装置５０Ａを使用して、シャフト部２Ｃを構成する材料の割合を変化させる。図１３に示すように、シャフト部２Ｃは、シャフト本体部４Ａと、シャフト本体部４Ｂと、シャフト本体部４Ｃと、シャフト本体部４Ｄとからなる。シャフト本体部４Ａがヒータプレート１側で、シャフト４Ｄが装置ハウジング側である。
シャフト部２Ｃは、ヒータプレート１に接する側のシャフト本体部４Ａは、第一材料であるアルミニウムのみから構成され、シャフト本体部４Ｂは、第一材料のアルミニウムと第二材料のステンレスとが３：７の割合で構成され、シャフト本体部４Ｃは、第一材料のアルミニウムと第二材料のステンレスとが７：３の割合で構成され、シャフト本体部４Ｄは、第二材料のステンレスのみで構成されている。上記のシャフト本体部４Ａ、４Ｂ、４Ｃおよび４Ｄの第一材料と第二材料の割合は例示であって、シャフト部２Ｃを構成する第一材料の割合が、ヒータプレート１側の端部から他端部にかけて徐々に減少するものであればよい。
シャフト部２Ｃの製造は、まず、ヒータプレート１の裏面１ｂに第一材料であるアルミニウム粉末のみがチャンバ５４に供給されるようにバルブ５１ａを操作して、加熱した圧縮ガスにより材料粉末ＰＭの融点より低い温度で吹き付けて、シャフト本体部４Ａを堆積形成する。金属皮膜の高さが所定の高さとなった後、第一材料のアルミニウムと第二材料のステンレスとが３：７の割合で供給されるようにバルブ５１ａおよび５１ｃを操作して、加熱した圧縮ガスにより材料粉末ＰＭの融点より低い温度で吹き付けて、シャフト本体部４Ｂを堆積形成する。
その後、第一材料のアルミニウムと第二材料のステンレスとが７：３の割合で供給されるようにバルブ５１ａおよび５１ｃを操作してシャフト本体部４Ｃを堆積形成し、最後に第二材料であるステンレス粉末のみがチャンバ５４に供給されるようにバルブ５１ｃを操作して、シャフト本体部４Ｄを堆積形成すればよい。
実施の形態４にかかるシャフト付きヒータユニットは、ヒータプレート１の裏面１ｂに、最初に、ヒータプレート１を構成する材料と同一の第一材料を主成分としてシャフト部２Ｃを形成するので、ヒータプレート１とシャフト部２Ｃとの間での熱膨張差によるひずみの蓄積や、界面間での剥離やクラック等の発生を抑制することができる。また、シャフト部２Ｃを構成する材料の１つとして、ヒータプレート１の材料より熱伝導率が小さい第二材料を選択し、ヒータプレート１側の端部から他端部にかけて第二材料の割合を段階的に増加させているため、ヒータプレート１からシャフト部２Ｃへの熱伝導を低減することができる。さらに、ヒータプレート１と接していないシャフト部２Ｃの端部は熱伝導率の低い材料で形成されているため、シャフト部２Ｃのシャフト本体部４Ｄ側端部に伝導する熱量が少なくすることができ、シャフト付きヒータユニットを収容するハウジングへの設置に使用するＯ−リングの早期の劣化を防止することが可能となる。
なお、実施の形態４では、シャフト部２Ｃを構成する材料の割合を段階的に変更する場合について説明したが、２種の材料の割合を漸次変更してシャフト部を形成してもよい。また、実施の形態２では、第２材料が１種の金属または合金の場合について説明したが、第２材料として、ヒータプレート１の材料と同じ第１材料より熱伝導率が低い材料を２種以上使用してもよい。
さらに、実施の形態４の変形例として、シャフト部を構成する材料が、熱膨張率がヒータプレート１を構成する材料と同程度の第一材料と、熱伝導率がヒータプレート１を構成する材料より低い第二材料とからなり、ヒータプレート１に接する側のシャフト部の端部を、熱膨張率がヒータプレート１と同程度の第一材料を主成分として形成し、シャフト部を構成する第二材料の割合を、ヒータプレート１側から他端部にかけて徐々に増加するようにして形成したシャフト部を有するシャフト付きヒータユニットを例示することができる。
変形例にかかるシャフト付きヒータユニットは、シャフト部のヒータプレート側を、ヒータプレートの材料と熱伝導率が同程度の第一材料を主成分として形成することにより、実施の形態４と同様に、ヒータプレート１とシャフト部との間での熱膨張差によるひずみの蓄積や、界面間での剥離やクラック等の発生を抑制することができる。また、シャフト部を構成する熱伝導率の低い第二材料の割合を、ヒータプレート１側から他端部にかけて徐々に増加するようにしてシャフト部を形成するので、ヒータプレート１からシャフト部への熱伝導を低減することができる。さらに、ヒータプレート１と接していないシャフト部の端部は熱伝導率の低い材料で形成されているため、シャフト部のシャフト本体部側端部に伝導する熱量が少なくすることができ、シャフト付きヒータユニットを収容するハウジングへの設置に使用するＯ−リングの早期の劣化を防止することが可能となる。
本発明は、ヒータプレートの精密な温度制御を行うシャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニット製造方法に利用可能であり、特に、半導体製造装置に有用である。
１ ヒータプレート
２、２Ａ、２Ｂ シャフト部
３ シースヒータ
３ａ 電力供給線
４ シャフト本体部
５ 空洞部
６ 断熱用溝
７ 蓋部
８ 蓋支持部
９ 冷却媒体用流路
１０ 冷却パイプ
１１ 流入口
１２ 流出口
１３ パイプ
５０、５０Ａ コールドスプレー装置
５１ ガス導入管
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ バルブ
５２ 粉体供給部
５３ ヒータ
５４ チャンバ
５５ ノズル
１００、１００Ａ、１００Ｂ シャフト付きヒータユニット

Claims (10)

  1. 被加熱物を載置して加熱するヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトを有するシャフト付きヒータユニットであって、
    前記シャフトは、該シャフトを構成する材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ヒータプレートに吹き付けることにより形成されたことを特徴とするシャフト付きヒータユニット。
  2. 前記ヒータプレートは、熱伝導率の高い金属または合金からなり、
    前記シャフトは、前記ヒータプレートを構成する材料より熱伝導率が低い金属または合金からなることを特徴とする請求項１に記載のシャフト付きヒータユニット。
  3. 前記シャフトは、筒状本体部に前記ヒータプレートから該シャフトへの熱伝導を抑制する熱伝導抑制手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のシャフト付きヒータユニット。
  4. 前記熱伝導抑制手段は、断熱用溝であることを特徴とする請求項３に記載のシャフト付きヒータユニット。
  5. 前記熱伝導抑制手段は、冷却媒体用流路であることを特徴とする請求項３に記載のシャフト付きヒータユニット。
  6. 前記シャフトは、前記ヒータプレートを構成する材料と同一の第一材料と、熱伝導率が前記ヒータプレートを構成する材料より低い第二材料とから形成され、
    前記ヒータプレートに接する側の前記シャフトの端部は、前記第一材料を主成分として形成され、前記シャフトを構成する前記第一材料の割合は、前記ヒータプレート側の端部から他端部にかけて徐々に減少することを特徴とする請求項１に記載のシャフト付きヒータユニット。
  7. 被加熱物を載置して加熱するヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトを有するシャフト付きヒータユニットの製造方法であって、
    前記ヒータプレートに、前記シャフトを構成する材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ヒータプレートに吹き付けることにより前記シャフトを形成するシャフト形成ステップを含むことを特徴とするシャフト付きヒータユニットの製造方法。
  8. 前記シャフト形成ステップは、
    前記ヒータプレートに、前記シャフトを構成する材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ヒータプレートに吹き付ける第一吹付ステップと、
    前記第一吹付ステップで形成した前記シャフトに断熱用溝を形成する溝形成ステップと、
    前記溝形成ステップ後、前記断熱用溝を形成した前記シャフトに、前記シャフトを構成する材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度でさらに吹き付ける第二吹付ステップと、
    を含むことを特徴とする請求項７に記載のシャフト付きヒータユニットの製造方法。
  9. 前記シャフト形成ステップは、
    前記ヒータプレートに、前記シャフトを構成する材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ヒータプレートに吹き付ける第一吹付ステップと、
    前記第一吹付ステップで形成した前記シャフトに冷却媒体用パイプを載置するパイプ載置ステップと、
    前記パイプ載置ステップ後、前記パイプを載置した前記シャフトに、前記シャフトを構成する材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度でさらに吹き付ける第二吹付ステップと、
    を含むことを特徴とする請求項７に記載のシャフト付きヒータユニットの製造方法。
  10. 前記シャフトは、前記ヒータプレートを構成する材料と同一の第一材料と、熱伝導率が前記ヒータプレートを構成する材料より低い第二材料とから形成され、
    前記ヒータプレートに接する側の前記シャフトの端部は、前記第一材料を主成分として形成され、前記シャフトを構成する前記第一材料の割合は、前記ヒータプレート側の端部から他端部にかけて徐々に減少させることを特徴とする請求項８に記載のシャフト付きヒータユニットの製造方法。
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