JP2019083115A - ヒータおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】端子間に並列にヒータパターンが形成される並列型ヒータにおいて、その本来の機能を損なわずに、製品化前の抵抗調整を熟練を要することなく容易に行うことができるヒータを提供する。【解決手段】並列型端子間にヒータパターン３１，３２が並列に設けられたヒータにおいて、各端子が、ヒータパターン３１にのみ導通する分割端子３７と、ヒータパターン３２にのみ導通する分割端子３８とに分割されている。ヒータ本体を作製した後、給電ボルトを装着する前の状態において、分割端子間に形成される仮想直列経路４５と、分割端子間に形成される仮想直列経路４６の各々について抵抗調整した後、各端子に給電ボルトを装着することにより複数の仮想直列ヒータパターン同士を導通させて並列回路を形成する。【選択図】図４

Description

本発明は、半導体製造プロセスなどにおいてウエハを加熱するヒータとして好適に用いられるヒータおよびその製造方法に関する。
セラミックスヒータなどのヒータは、半導体や液晶の製造プロセスにおいてウエハを加熱するための加熱装置として広く用いられており、ＰＧ（熱分解黒鉛）などの導電性材料からなるヒータエレメントを端士間で螺旋状、渦巻状、蛇行状などの所定ヒータパターンを基材上に形成したものが知られている（特許文献１など）。
このようなヒータには、端子Ａ，Ｂの間に直列にヒータパターン１１が形成される直列型ヒータ１０（図７）と、端子Ａ，Ｂの間に並列にヒータパターン２１，２２が形成される並列型ヒータ２０（図８）があり、被加熱物の形状や外径、ヒータが組み込まれる装置の使用目的、適用される電源などに応じて最適な加熱性能を発揮し得るように適宜選択して用いられている。なお、図７の直列型ヒータ１０および図７の並列型ヒータ２０におけるヒータパターン１１および２１，２２は、いずれも簡略化された一例として示されている。
多くの場合、ヒータで半導体ウエハなどの被加熱物を加熱すると、その外周部の温度が内周部に比べて低下する傾向にあるため、ヒータの設計においては、外周部の電気抵抗値を小さく、内周部の電気抵抗値を大きくして、外周部から内周部に至る全領域に均熱性を与えるようにしている。あるいは、場合によっては、外周部と内周部、上半部と下半部、右半部と左半部などの異なる領域に異なる発熱性を与えることが要求されることもある。いずれの場合でも、その設計要求を満たすためには、ヒータパターンの電気抵抗値を調整する必要がある。
たとえば、図７に示される直列型ヒータ１０のヒータパターン１１は、その半周ごとに、径方向に外周部１１ａと中間部１１ｂと内周部１１ｃとを有しており、これら各部を均等に発熱させるために、これら各部ごとに抵抗値を調整する場合の一例について、図９を参照して説明すると、各部の抵抗値を測定するために、測定点Ｐ１〜Ｐ４を設定し、端子Ａから測定点Ｐ１までの区間（外周部１１ａ）の抵抗値ｒ１が１．５９Ω、測定点Ｐ１から測定点Ｐ２までの区間（中間部１１ｂ）の抵抗値ｒ２が０．９６Ω、測定点Ｐ２から測定点Ｐ３までの区間（内周部１１ｃ）の抵抗値ｒ３が１．３６Ω、測定点Ｐ３から測定点Ｐ４までの区間（中間部１１ｂ）の抵抗値ｒ４が０．９６Ω、測定点Ｐ４から端子Ｂまでの区間（外周部１１ａ）の抵抗値ｒ５が１．５９Ωとなるように調整すべきものとする（各区間抵抗値ｒ１〜ｒ５は調整後の基準値）。
直列型ヒータ１０のヒータパターン１１では、端子Ａから測定点Ｐ１〜Ｐ４を経て端子Ｂまで一方通行で抵抗値を測定・調整することができる。すなわち、端子Ａから各測定点（端子Ｂを含む）までの抵抗値は、その間の区間抵抗値の合計に一致する（たとえば、端子ＡからＰ４までの抵抗値はｒ１＋ｒ２＋ｒ３＝３．９１Ωとなる）ので、端子Ａと各測定点Ｐ１〜Ｐ４および端子Ｂとの間で抵抗値を測定し、これらが上記区間抵抗値に合致するように順次に調整していけば良く、比較的容易に抵抗調整を行うことができる。具体的には、設計抵抗値より若干低くなるようにヒータパターン１１のエレメントを若干厚めに形成しておいて、各測定点で測定された抵抗値に応じてその区間のエレメントを削って抵抗調整することができる。
しかしながら、端子Ａ，Ｂ間にそれぞれ半周に亘るヒータパターン２１，２２が形成されている並列型ヒータ２０（図８）においてヒータパターン２１，２２内に設定した複数の測定点で抵抗値を測定して調整しようとしても、各測定点で測定される抵抗値は、端子Ａから該測定点に至る経路（Ａ−Ｐｎ）と、該測定点から端子Ａに至る経路（Ｐｎ−Ａ）の２つの電流経路があり、測定した区間のエレメントを削って抵抗調整すると、他の区間の抵抗値も変わってしまうので、それらを考慮して加工しなければならず、抵抗調整に熟練を要するという問題があった。
図１０を参照して詳しく説明すると、ヒータ２０としての設計抵抗値１．６１Ωとして、端子Ａ，Ｂ間のヒータパターン２１，２２に測定点Ｐ１１〜Ｐ１４を設定し、端子Ａと測定点Ｐ１の間の区間（ヒータパターン２１の外周部２１ａおよび中間部２１ｂ）の抵抗値ｒ１１が１．０１Ω、測定点Ｐ１１，Ｐ１２間の区間（ヒータパターン２１の内周部２１ｃおよび中間部２１ｂ）の抵抗値ｒ１２が０．９７Ω、測定点Ｐ１２と端子Ｂの間の区間（ヒータパターン２１の外周部２１ａ）の抵抗値ｒ１３が０．６８Ω、端子Ｂと測定点Ｐ１３の間の区間（ヒータパターン２２の外周部２２ａおよび中間部２２ｂ）の抵抗値ｒ１４が１．０１Ω、測定点Ｐ１３，Ｐ１４間の区間（ヒータパターン２２の内周部２２ｃおよび中間部２２ｂ）の抵抗値ｒ１５が０．９７Ω、測定点Ｐ１４と端子Ａの間の区間（ヒータパターン２２の外周部２２ａ）の抵抗値ｒ１５が０．６８Ωとなるように調整すべきものとする（各区間抵抗値ｒ１１〜ｒ１５は調整後の基準値）。
この場合の各区間の設計上の抵抗値は表１に示す通りであり、経路Ａ−Ｂと経路Ｂ−Ａが完全並列で同一の抵抗値（１．６１Ω）を持ち、且つ、各経路において対称位置にある測定区間（Ａ−Ｐ１１とＢ−Ｐ１４，Ｐ１１−Ｐ１２とＰ１３−Ｐ１４，Ｐ１２−ＢとＰ１４−Ａ）が同一の抵抗値を持つように設計されている。並列パターンでは、各測定点において端子Ａからの経路と端子Ａまでの経路の２つの経路が並列するため、たとえば端子Ａと測定点Ｐ１１の間の区間（Ａ−Ｐ１１）での抵抗値は、１／｛１／ｒ１１＋１／（ｒ１２＋ｒ１３＋ｒ１４＋ｒ１５＋ｒ１６）｝＝１／（１／１．２６＋１／５．１８）＝１．０１Ωとなる（図１０（ｂ）参照）。
このように、並列パターンでは、各測定点において端子Ａからの経路と該測定点から端子Ａに至る経路の２経路が並列していることから、直列パターンのように各測定点での抵抗値が単純な合計値にならず、ある区間で抵抗調整すると、他の区間の抵抗値も変わってしまい、厳密な調整がきわめて困難である。並列経路を構成する区間Ａ−Ｐｎと区間Ｐｎ（−Ｂ）−Ａの抵抗値の差が大きい場合は特に調整が難しく、エレメント加工について熟練した技術が要求される。
この点について具体例を示してより詳細に説明すると、ヒータ製造時のＣＶＤ条件だけでは並列型ヒータ２０のヒータパターン２１，２２を構成するエレメントの厚さを全領域に亘って完全に同一にすることは実際上困難であり、エレメントの厚さが部分的に異なって形成されてしまうことが多い。そのため、各測定点Ｐ１１，Ｐ１２，Ｂ，Ｐ１３，Ｐ１４で測定される測定抵抗値ｒ１１〜ｒ１６が、図１０（ｂ）に示す基準値から大きく外れて、図１１に示すような測定値になることがある。この例では、並列型ヒータ２０のヒータパターン２１，２２の上半部のエレメントはほぼ規定の厚さに形成され、したがって上半部の区間抵抗値ｒ１１，ｒ１２，ｒ１３はいずれも図１０（ｂ）に示す基準値にほぼ合致しており、エレメント切削加工による抵抗調整を行う必要はほとんどないが、下半部のエレメントが規定より厚く形成されたため、下半部の区間抵抗値ｒ１４〜ｒ１６がいずれも図１０（ｂ）に示す基準値より０．８〜１．１Ω程度低くなっており、この部分のエレメントを切削して薄くすることによりこれらの区間抵抗値を基準値と略同一になるように抵抗調整する必要がある。
たとえば、測定区間Ｂ−Ｐ１３の測定抵抗値０．９０Ωは図１０（ｂ）に示す同区間の抵抗値ｒ１４＝１．０１Ωより低いのでヒータエレメントを削って抵抗調整する必要があるが、前出の式から分かるように、各区間抵抗値は他の区間の区間抵抗値も関連するので、この区間抵抗値ｒ１４を変えると、先行する他の区間（元々基準値に近く抵抗調整が不要であった区間や、既に抵抗調整済の区間）の抵抗値も変わってしまう。したがって、ある区間で抵抗調整を行う際には、それによって他の区間の抵抗値も変化することとその変化量を予測した上で、全体のバランスを考慮しつつエレメント切削加工を行わなければならず、経験則を駆使した熟練技術が要求されていた。
特開平１１−３５４２６０号公報
したがって、本発明が解決しようとする課題は、端子間に並列にヒータパターンが形成される並列型ヒータにおいて、その本来の機能を損なわずに、製品化前の抵抗調整を熟練を要することなく容易に行うことができるようにすることである。
すなわち、本願の請求項１に係る発明は、各々に給電ボルトが装着される一対の端子間に複数のヒータパターンが並列に形成された並列型ヒータであって、各端子は、ヒータパターン数に応じて複数個に互いに非接触に分割され、これら複数の分割端子同士が給電ボルトによって導通されており、給電ボルトが装着されない状態では一方の端子の一の分割端子と他方の端子の一の分割端子との間に複数の仮想直列ヒータパターンが形成され、給電ボルトが装着されることにより複数の仮想直列ヒータパターン同士が導通して並列回路が形成されることを特徴とする。
本願の請求項２に係る発明は、請求項１記載の並列型ヒータにおいて、給電ボルトの頭部が直接または導電性材料からなる座金を介してヒータパターンを形成するヒータエレメントに接触していることを特徴とする。
本願の請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の並列型ヒータにおいて、一対の端子間に第一および第二のヒータパターンが並列に形成され、各端子は、第一のヒータパターンのみに導通する第一の分割端子と、第二のヒータパターンのみに導通する第二の分割端子とに分割されていることを特徴とする。
本願の請求項４に係る発明は、請求項３記載の並列型ヒータにおいて、第一および第二の分割端子は各々略半円リング状に形成され、それらの間に径方向に延長するように設けられる隙間で第一及び第二のヒータパターンが絶縁されていることを特徴とする。
本願の請求項５に係る発明は、請求項１または２記載の並列型ヒータにおいて、一対の端子間に第一ないし第四のヒータパターンが並列に形成され、各端子は、第一のヒータパターンのみに導通する第一の分割端子と、第二のヒータパターンのみに導通する第二の分割端子と、第三のヒータパターンのみに導通する第三の分割端子と、第四のヒータパターンのみに導通する第四の分割端子に分割されていることを特徴とする。
本願の請求項６に係る発明は、請求項５記載の並列型ヒータにおいて、第一ないし第四の分割端子は各々略四半円リング状に形成され、それらの間に径方向および周方向に延長するように設けられる隙間で第一ないし第四のヒータパターンが絶縁されていることを特徴とする。
本願の請求項７に係る発明は、請求項１ないし６記載の並列型ヒータの製造方法であって、一対の端子間に複数のヒータパターンが並列に形成されたヒータ本体を作製し、各端子に給電ボルトを装着する前の状態において、一方の端子の一の分割端子と他方の端子の一の分割端子との間に形成される複数の仮想直列ヒータパターンについて抵抗調整を行った後、各端子に給電ボルトを装着することにより複数の仮想直列ヒータパターン同士を導通させて並列回路を形成することを特徴とする。
本発明によれば、端子に給電ボルトが装着されない状態では、一方の端子の一の分割端子と他方の端子の一の分割端子との間に複数の仮想直列ヒータパターンが形成される。したがって、この仮想直列ヒータパターンについて、従来の直列型ヒータと同様にして比較的容易に抵抗調整を行うことができる。その後、端子に給電ボルトを装着することにより、複数の仮想直列ヒータパターン同士を導通させて並列回路が形成されるので、完成品としては従来の並列型ヒータと同様の構成になる。このようにして、個体差の小さい製品を安定的・効率的に提供することができる。
本発明の一実施形態（実施例１）による並列型ヒータ（完成状態ないし給電ボルト取付状態）の全体平面図である。 図１の端子部拡大平面図（ａ）および同図中Ｉ−Ｉ切断線による断面図（ｂ）である。 給電ボルトが除かれた状態の全体平面図である。 図３の端子部拡大平面図（ａ）および同図中ＩＩ−ＩＩ切断線による断面図（ｂ）である。 図３および図４に示す状態で抵抗調整を行う説明図である。 本発明の他実施形態（実施例２）による並列型ヒータにおいて図３と同様に給電ボルトが除かれた状態を示す全体平面図である。 従来技術による直列型ヒータの全体平面図である。 従来技術による並列型ヒータの全体平面図である。 図７の直列型ヒータのヒータパターンに抵抗測定点を設けた全体平面図（ａ）およびその抵抗調整説明図である。 図８の並列型ヒータのヒータパターンに抵抗測定点を設けた全体平面図（ａ）およびその抵抗調整説明図（ｂ）である。 図８の並列型ヒータについての抵抗調整が難しいことを具体例で示す抵抗調整説明図である。
以下に実施例を挙げて本発明について詳述する。
図１および図２に本発明の一実施形態（実施例１）による並列型ヒータ３０が示されている。このヒータ３０では、対称形状のヒータパターン３１，３２が端子Ａ，Ｂ間に並列に形成されている。
このヒータ３０は、少なくともその表裏面がＰＢＮ（熱分解性窒化ホウ素、微量のカーボンを添加したものを含む。）などの絶縁材料から円板状に形成されたヒータベース３３と、ヒータパターン３１，３２（中心経路を一点鎖線で示す）を構成するＰＧ（熱分解性グラファイト）などの導電材料からなるヒータエレメント３４と、ＰＢＮなどの絶縁材料からなるオーバーコート３５とで３層積層構造に形成されたヒータ本体３６を有する。ヒータ本体３６は、常法に従い、ヒータベース３３上にヒータエレメント３４を蒸着し、ヒータパターン３１，３２となる部分以外の部分を除去してヒータパターン３１，３２を加工し、さらにその上にオーバーコート３５を形成した後、端子部のオーバーコート３５を除去してヒータエレメント３４を露出させて端子Ａ，Ｂとすることにより製造される。なお、オーバーコート３５は図２（ｂ）に示されているが、図１および図２（ａ）では図示省略されている。
各端子Ａ，Ｂは、略半円リング状に２分割された分割端子部３７，３８として形成されており、ヒータベース３３を貫通するボルト穴３９に挿通される給電ボルト４０と、ヒータ本体３６を挟んで給電ボルト４０に螺着されるナット４１と、座金４２，４３とを有して構成されている。分割端子部３７はヒータパターン３１にのみ導通し、分割端子部３８はヒータパターン３２にのみ導通しており、分割端子部３７，３８は径方向に延長する隙間４４で分断・絶縁されているが、給電ボルト４０が取り付けられることにより、給電ボルト４０の頭部４０ａが座金４２を挟んで分割端子部３７，３８の両方に接触するので、ヒータパターン３１，３２が導通して並列型ヒータ３０が形成される。給電ボルト４０および座金４２はＰＧなどの導電性材料で形成される。座金４３は導電性材料であっても絶縁性材料であっても良い。
図３および図４は、上記のように構成された並列型ヒータ３０から給電ボルト４０を取り除いた状態（言い換えれば、ヒータ３０の製造過程においてヒータ本体３６を作製後、給電ボルト４０を取り付ける前の状態）を示す。既述したように、この状態では、分割端子部３７と分割端子部３８とが隙間４４で絶縁されているので、ヒータパターン３１は端子Ａ，Ｂの分割端子部３７，３７間に形成され、ヒータパターン３２は端子Ａ，Ｂの分割端子部３８，３８間に形成され、それぞれが直列のヒータ経路４５，４６となる。したがって、この状態で、既述した直列型ヒータ１０（図７）の場合と同様に、抵抗調整を容易に行うことができる。
既述した従来の並列型ヒータ２０（図８）と同様にヒータパターン３１，３２に抵抗測定点Ｐ２１〜Ｐ２４を設けて抵抗調整を行う場合について、図５を参照して説明する。この例では、ヒータ３０としての設計抵抗値を１．６１Ω（経路４５，４６の抵抗値がいずれも３．２２Ω）として、端子Ａと測定点Ｐ１の間の区間抵抗値ｒ２１＝１．２６Ω、測定点Ｐ２１，Ｐ２２間の区間抵抗値ｒ２２＝１．１９Ω、測定点Ｐ２２と端子Ｂの間の区間抵抗値ｒ２３＝０．７７Ω、端子Ｂと測定点Ｐ２３の間の区間抵抗値ｒ２４＝１．２６Ω、測定点Ｐ２３，Ｐ２４間の区間抵抗値ｒ２５＝１．１９Ω、測定点Ｐ２４と端子Ａの間の区間抵抗値ｒ２５＝０．７７Ωとなるように調整すべきものとする（各区間抵抗値ｒ２１〜ｒ２５は調整後の基準値）。
給電ボルト４０が取り付けられていない状態では、経路４５は端子Ａから端子Ｂに至る直列経路であるから、直列型ヒータ１０（図７）について図９を参照して説明した抵抗調整と同様にして、端子Ａと各測定点Ｐ２１，Ｐ２２および端子Ｂとの間で抵抗値を測定し、これらが上記基準値に合致するように順次に調整していけば良く、これを経路４６についても同様に行えば良いので、比較的容易に抵抗調整を行うことができる。具体的には、設計抵抗値より若干低くなるようにヒータパターン３１，３２のヒータエレメント３４を若干厚めに形成しておいて、各測定点で測定された抵抗値に応じてその区間のヒータエレメント３４を削って抵抗調整することができる。
このようにして、仮想直列経路４５，４６で抵抗調整を行った後、端子Ａ，Ｂにおいて給電ボルト４０、ナット４１および座金４２，４３を取り付けると、既述したように、給電ボルト４０の頭部４０ａが座金４２を挟んで分割端子部３７，３８の両方に接触するので、ヒータパターン３１，３２が導通して並列経路となり、並列型ヒータ３０が製造される。
以上に説明した実施例１の並列型ヒータ３０は、一対の端子Ａ，Ｂ間に２つのヒータパターン３１，３２が並列に設けられているので、これに応じて各端子Ａ，Ｂを径方向の隙間４４で分割端子部３７，３８に２分割した構成を有するが、大型のヒータなどにおいてより厳密な温度制御が必要とされる場合にあっては、一対の端子Ａ，Ｂ間により多数、たとえば４つのヒータパターンが並列に形成されることがある。
このような場合の一例が図６に示されている。すなわち、この並列型ヒータ５０は、端子Ａ，Ｂ間に４つのヒータパターン５１〜５４が形成されており、端子Ａ，Ｂが分割端子部５５〜５８に４分割されている。ヒータパターン５１（中心経路を一点鎖線で示す）は端子Ａ，Ｂの分割端子部５５，５５間に形成され、ヒータパターン５２（中心経路を破線で示す）は端子Ａ，Ｂの分割端子部５６，５６間に形成され、ヒータパターン５３（中心経路を一点鎖線で示す）は端子Ａ，Ｂの分割端子部５７，５７間に形成され、ヒータパターン５４（中心経路を破線で示す）は端子Ａ，Ｂの分割端子部５８，５８間に形成される。これらの分割端子部５５〜５８は、径方向および周方向に延長する隙間５９を介して分断され、各々が略四半円リング状に形成されている。
以上に本発明について実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲によって画定される発明の範囲内において多種多様に変形して実施することができる。たとえば、実施例１においては、給電ボルト４０を装着したときに座金４２を介してヒータパターン３１，３２（経路４５，４６）同士を導通させているが、座金４２を省略して、給電ボルト頭部４０ａの裏面を直接分割端子部３７，３８に接触させて導通するようにしても良い。また、一つのヒータにおいて複数対の端子が設けられる場合は、各対の端子について、端子間に並列される複数のヒータパターン数に応じて２分割（実施例１）または４分割（実施例２）などに分割して、給電ボルト非装着時に仮想直列パターンが形成されるように構成すれば良い。
１０ 直列型ヒータ（従来技術）
２０ 並列型ヒータ（従来技術）
３０ 並列型ヒータ（本発明実施例）
３１，３２ 並列ヒータパターン
３３ ヒータベース
３４ ヒータエレメント
３５ オーバーコート
３６ ヒータ本体
３７，３８ 分割端子部（２分割）
３９ ボルト穴
４０ 給電ボルト
４１ ナット
４２ 座金
４３ 座金
４４ 隙間
４５，４６ 経路
５０ 並列型ヒータ（本発明実施例）
５１〜５４ 並列ヒータパターン
５５〜５８ 分割端子部（４分割）
５９ 隙間

Claims (7)

  1. 各々に給電ボルトが装着される一対の端子間に複数のヒータパターンが並列に形成された並列型ヒータであって、各端子は、ヒータパターン数に応じて複数個に互いに非接触に分割され、これら複数の分割端子同士が給電ボルトによって導通されており、給電ボルトが装着されない状態では一方の端子の一の分割端子部材と他方の端子の一の分割端子との間に複数の仮想直列ヒータパターンが形成され、給電ボルトが装着されることにより複数の仮想直列ヒータパターン同士が導通して並列回路が形成されることを特徴とする並列型ヒータ。
  2. 給電ボルトの頭部が直接または導電性材料からなる座金を介してヒータパターンを形成するヒータエレメントに接触していることを特徴とする請求項１記載の並列型ヒータ。
  3. 一対の端子間に第一および第二のヒータパターンが並列に形成され、各端子は、第一のヒータパターンのみに導通する第一の分割端子と、第二のヒータパターンのみに導通する第二の分割端子とに分割されていることを特徴とする請求項１または２記載の並列型ヒータ。
  4. 第一および第二の分割端子は各々略半円リング状に形成され、それらの間に径方向に延長するように設けられる隙間で第一及び第二のヒータパターンが絶縁されていることを特徴とする請求項３記載の並列型ヒータ。
  5. 一対の端子間に第一ないし第四のヒータパターンが並列に形成され、各端子は、第一のヒータパターンのみに導通する第一の分割端子と、第二のヒータパターンのみに導通する第二の分割端子と、第三のヒータパターンのみに導通する第三の分割端子と、第四のヒータパターンのみに導通する第四の分割端子に分割されていることを特徴とする請求項１または２記載の並列型ヒータ。
  6. 第一ないし第四の分割端子は各々略四半円リング状に形成され、それらの間に径方向および周方向に延長するように設けられる隙間で第一ないし第四のヒータパターンが絶縁されていることを特徴とする請求項５記載の並列型ヒータ。
  7. 一対の端子間に複数のヒータパターンが並列に形成されたヒータ本体を作製し、各端子に給電ボルトを装着する前の状態において、一方の端子の一の分割端子と他方の端子の一の分割端子との間に形成される複数の仮想直列ヒータパターンについて抵抗調整を行った後、各端子に給電ボルトを装着することにより複数の仮想直列ヒータパターン同士を導通させて並列回路を形成することを特徴とする請求項１ないし６記載の並列型ヒータの製造方法。
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