JP2019175641A - ヒータ及びヒータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】設計の自由度が高いヒータを提供する。【解決手段】ヒータ１は、絶縁性の基体１７と、抵抗発熱体１９と、第１パイプ１３と、第２パイプ１５とを有している。基体１７は、上面９ａ及びその背面の下面９ｂを有している。抵抗発熱体１９は、基体１７内で上面９ａ及び下面９ｂに沿って延びている。第１パイプ１３は、下面９ｂから下方へ延びている。第２パイプ１５は、第１パイプ１３の下端から下方へ延びている。第１パイプ１３は、絶縁性の第１材料からなる。第２パイプ１５は、第１材料よりも線膨張係数が高く、かつ基体１７の材料との線膨張係数の差が、第１材料と基体１７との線膨張係数の差よりも大きい、絶縁性の第２材料からなる。第２パイプ１５には、流路１５ｐが形成されている。【選択図】図２

Description

本開示は、ヒータ及びヒータシステムに関する。

半導体製造装置などに用いられるヒータが知られている（例えば特許文献１又は２）。このようなヒータは、例えば、上面にウェハが載置されるヒータプレートと、ヒータプレートから下方に延びるパイプ（シャフト）とを有している。ヒータプレートは、絶縁性の基体と、当該基体に埋設された抵抗発熱体とを有しており、ウェハの加熱に直接的に寄与する。パイプは、例えば、ヒータプレートの支持及び／又は抵抗発熱体に電力を供給する配線部材の保護に寄与する。

特許文献１及び２は、パイプの上部（ヒータプレート側部分）と下部とを別の材料乃至は別の部材によって構成することを提案している。さらに、特許文献１及び２は、冷却媒体が流れる流路をパイプに形成することも提案している。

特開２０１２−２５２７９０号公報 特表２０１７−５１１９８０号公報

設計の自由度を向上させることができるヒータ及びヒータシステムが提供されることが望まれる。

本開示の一態様に係るヒータは、第１主面及びその背面の第２主面を有している絶縁性の基体と、前記基体内で前記第１主面及び前記第２主面に沿って延びている抵抗発熱体と、前記第２主面から当該第２主面が面している方向へ延びている第１パイプと、前記第１パイプの前記第２主面とは反対側の端部から、前記第２主面が面している方向へ延びている第２パイプと、を有しており、前記第１パイプは、絶縁性の第１材料からなり、前記第２パイプは、前記第１材料よりも線膨張係数が高く、かつ前記基体の材料との線膨張係数の差が、前記第１材料と前記基体との線膨張係数の差よりも大きい、絶縁性の第２材料からなり、前記第２パイプには、流路が形成されている。

本開示の一態様に係るヒータシステムは、上記のヒータと、前記抵抗発熱体に電力を供給する電力供給部と、前記流路に冷媒を供給する冷媒供給部と、を有している。

上記の構成によれば、設計の自由度を向上させることができる。

実施形態に係るヒータの構成を示す模式的な分解斜視図。 図１のII−II線における断面図。 図２のIII−III線における断面図。 図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図４（ｄ）及び図４（ｅ）は図１のヒータの第１パイプと第２パイプとの接続に関して種々の例を示す模式的な断面図。

以下、本開示の実施形態に係るヒータについて、図面を参照しつつ説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上の模式的なものである。従って、細部は省略されていることがあり、また、寸法比率は必ずしも現実のものとは一致していない。また、ヒータは、各図に示されていない周知の構成要素をさらに備えていても構わない。

（ヒータシステム）
図１は、実施形態に係るヒータ１の構成を示す模式的な分解斜視図である。図２は、図１のヒータ１を含むヒータシステム１０１の構成を示す模式図である。図２において、ヒータ１については、図１のII−II線断面図が示されている。図１は、ヒータ１の構造を示すために便宜的にヒータ１を分解して示しており、実際の完成後のヒータ１は、図１の分解斜視図のように分解可能である必要はない。

なお、ヒータ１は、必ずしも図１及び図２の紙面上方を実際の上方として利用される必要はない。以下では、便宜上、図１及び図２の紙面上方が実際の上方であるものとして、上面及び下面等の用語を用いることがある。また、特に断りがない限り、単に平面視という場合、図１及び図２の紙面上方から見ることを指すものとする。

ヒータシステム１０１は、ヒータ１と、ヒータ１に電力を供給する電力供給部３（図２）と、ヒータ１に冷媒を供給する冷媒供給部５（図２）と、これらを制御する制御部６（図２）と、を有している。ヒータ１と電力供給部３とは配線部材７（図２）によって接続されている。

（ヒータ）
ヒータ１は、例えば、概略板状（図示の例では円盤状）のヒータプレート９と、ヒータプレート９から下方へ延びているパイプ１１とを有している。パイプ１１は、第１パイプ１３及び第２パイプ１５が直列に接続されて構成されている。

ヒータプレート９は、その上面９ａに加熱対象物の一例としてのウェハ（不図示）が載置され（重ねられ）、ウェハの加熱に直接に寄与する。パイプ１１は、例えば、ヒータプレート９の支持及び配線部材７の保護に寄与する。

（ヒータプレート）
ヒータプレート９の上面９ａ及び下面９ｂは、例えば、概ね平面である。ヒータプレート９の平面形状及び各種の寸法は、加熱対象物の形状及び寸法等を考慮して適宜に設定されてよい。例えば、平面形状は、円形（図示の例）又は多角形（例えば矩形）である。寸法の一例を示すと、直径は２０ｃｍ以上３５ｃｍ以下、厚さは５ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。

ヒータプレート９は、例えば、絶縁性の基体１７と、基体１７に埋設されている抵抗発熱体１９と、抵抗発熱体１９に電力を供給するための端子２１とを備えている。抵抗発熱体１９に電流が流れることによって、ジュールの法則に従って熱が発生し、ひいては、基体１７の上面９ａに載置されているウェハが加熱される。

基体１７の外形は、ヒータプレート９の外形を構成している。従って、上述のヒータプレート９の形状及び寸法に係る説明は、そのまま基体１７の外形及び寸法の説明と捉えられてよい。基体１７の材料は、例えば、セラミックスである。セラミックスは、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３、アルミナ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、及び窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等を主成分とする焼結体である。なお、主成分は、例えば、その材料の５０質量％以上又は８０質量％以上を占める材料である（以下、同様。）。

図１では、基体１７は、第１絶縁層１７ａ及び第２絶縁層１７ｂによって構成されている。なお、基体１７は、第１絶縁層１７ａ及び第２絶縁層１７ｂとなる材料（例えばセラミックグリーンシート）が積層されて作製されてもよいし、そのような方法とは異なる方法によって作製され、完成後に抵抗発熱体２等の存在によって概念的に第１絶縁層１７ａ及び第２絶縁層１７ｂによって構成されていると捉えることができるだけであってもよい。

抵抗発熱体１９は、基体１７の上面９ａ及び下面９ｂに沿って（例えば平行に）延びている。また、抵抗発熱体１９は、平面視において、例えば、基体１７の概ね全面に亘って延びている。図１では、抵抗発熱体１９は、第１絶縁層１７ａ及び第２絶縁層１７ｂとの間に位置している。

平面視における抵抗発熱体１９の具体的なパターン（経路）は適宜なものとされてよい。例えば、抵抗発熱体１９は、ヒータプレート９において１本のみ設けられており、その一端から他端まで自己に対して交差することなく延びている。また、図示の例では、抵抗発熱体１９は、ヒータプレート９を２分割した各領域において、円周方向に往復するように（ミアンダ状に）延びている。この他、例えば、抵抗発熱体１９は、渦巻状に延びていたり、一の半径方向において直線状に往復するように延びていたりしてよい。

抵抗発熱体１９を局部的に見たときの形状も適宜なものとされてよい。例えば、抵抗発熱体１９は、上面９ａ及び下面９ｂに平行な層状導体であってもよいし、上記の経路を軸として巻かれたコイル状（スプリング状）であってもよいし、メッシュ状に形成されているものであってもよい。各種の形状における寸法も適宜に設定されてよい。

抵抗発熱体１９の材料は、電流が流れることによって熱を生じる導体（例えば金属）である。導体は、適宜に選択されてよく、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、プラチナ（Ｐｔ）若しくはインジウム（Ｉｎ）又はこれらを主成分とする合金である。また、抵抗発熱体１９の材料は、前記のような金属を含む導電ペーストを焼成して得られるものであってもよい。すなわち、抵抗発熱体１９の材料は、ガラス粉末及び／又はセラミック粉末等の添加剤（別の観点では無機絶縁物）を含むものであってもよい。

端子２１は、例えば、抵抗発熱体１９の長さ方向両端に接続されているとともに、当該両端の位置にて、基体１７のうちの下面９ｂ側の部分を貫通して下面９ｂから露出している。これにより、ヒータプレート９の外部から抵抗発熱体１９へ電力を供給可能になっている。１対の端子２１（抵抗発熱体１９の両端）は、例えば、ヒータプレート９の中央側に位置している。

（パイプ）
パイプ１１は、上下（軸方向両側）が開口している中空状である。別の観点では、パイプ１１は、上下に貫通する空間１１ｓを有している。パイプ１１の横断面（軸方向に直交する断面）及び縦断面（軸方向に平行な断面。図２に示す断面）の形状は適宜に設定されてよい。図示の例では、パイプ１１は、軸方向の位置に対して径が一定の円筒形状である。もちろん、パイプ１１は、高さ方向の位置によって径が異なっていてもよい。また、パイプ１１の寸法の具体的な値は適宜に設定されてよい。

第１パイプ１３は、パイプ１１の上部（ヒータプレート９側部分）を構成している。第２パイプ１５は、パイプ１１の下部を構成している。第１パイプ１３及び第２パイプ１５それぞれの形状及び大きさは適宜に設定されてよい。図示の例では、これらのパイプの横断面（軸に直交する断面）の形状は、円形とされているが、多角形等の他の形状であってもよい。また、第１パイプ１３及び第２パイプ１５の横断面又は縦断面の形状及び寸法は、互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。ただし、両者は互いに連結されるものであるから、第１パイプ１３の下端及び第２パイプ１５の上端において、両者の横断面は、概略、同様の形状及び大きさとされてよい。

また、第２パイプ１５は、第１パイプ１３に比較して長くされてもよい。例えば、第２パイプ１５の長さは、第１パイプ１３の長さに対して、１倍超、３倍以上又は５倍以上とされてよい。なお、ここでいう第１パイプ１３又は第２パイプ１５の長さは、両者の連結部において、両者が長さ方向に関して重複する部分がある場合は、当該重複する部分を除くものとする。

（パイプの材料）
＜第１条件＞
第１パイプ１３を構成する材料（以下、「第１材料」ということがある。）、及び第２パイプ１５を構成する材料（以下、「第２材料」ということがある。）は、いずれも絶縁材料であり、また、互いに異なる材料とされている。また、第１材料と基体１７の材料との線膨張係数の差（０であってもよい。）は、第２材料と基体１７の材料との線膨張係数の差よりも小さい。また、第２材料は、第１材料よりも線膨張係数が高い。

上記の条件（「第１条件」というものとする。）を満たす基体１７の材料、第１材料及び第２材料の組み合わせは、種々可能である。例えば、基体１７の材料及び第１材料は同じものとし（又は主成分を同じものとし）、第２材料を前者よりも線膨張係数が高いものとしてよい。

基体１７の材料及び第１材料を同じものとする場合について、セラミックを例にとり、かつ主成分のみに着目して、第１条件を満たす具体例を挙げる。焼結の態様等にもよるが、線膨張係数が低い順に代表的なセラミックを挙げると、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を挙げることができる。従って、例えば、基体１７及び第１材料が窒化珪素である場合は、上記において炭化珪素以降の３つの材料のいずれかが第２材料として用いられてよい。同様に、基体１７及び第１材料が炭化珪素であれば、第２材料として窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムが用いられてよいし、基体１７及び第１材料が窒化アルミニウムであれば、第２材料として酸化アルミニウムが用いられてよい。

もちろん、基体１７の材料及び第１材料を互いに異なる材料にしつつ、上記第１条件が満たされてもよい。この場合、基体１７の材料及び第１材料は、いずれが他方よりも線膨張係数が大きくされてもよい。また、基体１７の材料及び第１材料は、主成分が同一とされつつ、副成分及び／又は焼結態様が異なる材料とされてもよい。

基体１７の材料及び第１材料を異なるものとする場合について、セラミックを例にとり、かつ主成分のみに着目して、第１条件を満たす具体例を挙げる。例えば、基体１７は、窒化珪素、炭化珪素及び窒化アルミニウムのうちの１つとされ、第１材料は前記３つのうちの他の１つとされ、第２材料は、酸化アルミニウムとされてよい。また、例えば、基体１７は、窒化珪素及び炭化珪素の一方とされ、第１材料は前記２つのうちの他方とされ、第２材料は、窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムとされてよい。

＜第２条件＞
また、上記の第１条件に加えて、第２材料の熱伝導率が第１材料の熱伝導率よりも低いという条件（「第２条件」というものとする。）が満たされてもよい。なお、このとき、基体１７の材料及び第１材料は、同じものであってもよいし（又は主成分が同じものであってもよいし）、異なるものであってもよい。

第１条件に加えて、第２条件が満たされる場合について、セラミックを例にとり、かつ主成分のみに着目して、具体例を挙げる。焼結の態様等にもよるが、例えば、上述した代表的なセラミックでは、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）及び酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）は、炭化珪素（ＳｉＣ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に比較して熱伝導率が低い。従って、例えば、基体１７の材料が窒化珪素、炭化珪素及び窒化アルミニウムのいずれか１つとされ、第１材料が炭化珪素又は窒化アルミニウム（基体１７の材料と同じであっても、異なっていてもよい。）とされ、第２材料が酸化アルミニウムとされてよい。

＜第３条件＞
第１材料の熱伝導率は、基体１７の材料の熱伝導率に対して同等以下とされてよい（「第３条件」というものとする。）。

第１条件及び第２条件に加えて、第３条件が満たされる場合について、セラミックを例にとり、かつ主成分のみに着目して、具体例を挙げる。例えば、基体１７の材料が炭化珪素又は窒化アルミニウムとされ、第１材料が炭化珪素又は窒化アルミニウム（基体１７の材料と同じであっても、異なっていてもよい。）とされ、第２材料が酸化アルミニウムとされてよい。

第１材料の熱伝導率が基体１７の材料の熱伝導率よりも低くされる場合、基体１７の材料及び第１材料は、主成分（例えば炭化珪素又は窒化アルミニウム）が同じで、かつ副成分及び／又は焼結態様が異なるものとされてもよい。

例えば、基体１７は、液相焼結によって形成される一方で、第１パイプ１３は、固相焼結によって形成されてよい。別の観点では、第１材料は、基体１７の材料に比較して、主成分よりも融点が低い副成分（助剤）の質量％が低くされてよい（第１材料が副成分を含まない場合を含む。）。液相焼結によって形成されたセラミック材料は、固相焼結によって形成されたセラミック材料に比較して、緻密化されるとともに熱伝導率が高くされる。

上記のような場合において、副成分は、適宜なものとされてよい。例えば、副成分は、アルカリ土類金属又は希土類から選択される１種類以上の元素を含むものとされてよい。添加される際には、上記元素の酸化物が添加されてよい。例えば、Ｙ_２Ｏ_３又はＣａＯが添加されてよい。上記元素の、質量％又は酸化物換算の質量％は、適宜に設定されてよいが、例えば１０質量％以下である。

なお、以上のパイプ１１（及び基体１７）の材料の説明では、限られた種類のセラミックを例にとったが、当然に、例示したものに限定されない。例えば、基体１７及びパイプ１１の材料としては、耐熱性に優れた有機材料が用いられたり、焼結されていない無機材料が用いられたりしてもよい。また、セラミックとして、例示したもの以外に、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ：ケイ素、アルミニウム、酸素及び窒素）、コージライト、ムライト、イットリア、サーメット、サファイア、ステアタイト、フォルステライト又はジルコニアが用いられてもよい。第１〜第３条件を満たす材料の組み合わせは、副成分の種類及び質量％等も含めて考えれば、無数に存在する。

（第２パイプの流路）
図３は、図２のIII−III線における断面図である。

図２及び図３に示すように、第２パイプ１５には、流路１５ｐが設けられている。この流路１５ｐには、例えば、冷媒が流される。ここで、第２パイプ１５は、上述のように、第１パイプ１３よりも線膨張係数が高い（第１条件）。従って、例えば、第２パイプ１５が冷却されることによって、両者の間の熱応力が緩和される。

流路１５ｐの位置、形状及び寸法は適宜に設定されてよい。図示の例では、流路１５ｐは、第２パイプ１５の軸方向（高さ方向）の所定の位置（一の位置）にて、第２パイプ１５の軸回りに延びる主流路１５ｐａを含んでいる。主流路１５ｐａは、第２パイプ１５を略１周するＣ字状である。なお、略１周は、例えば、３６０°×８割以上である。なお、主流路１５ｐａは、Ｃ字状ではなく、環状であってもよい（３６０°に亘って延びていてもよい。）。

第２パイプ１５の軸方向において、主流路１５ｐａの位置は、例えば、第１パイプ１３寄りとされている。例えば、主流路１５ｐａの全体又は主流路１５ｐａの上面（第１パイプ１３側の面）は、第２パイプ１５の上端からの距離が、第２パイプ１５の長さの１／２、１／５又は１／１０となる位置よりも上に位置している。なお、ここでいう第２パイプ１５の上端及び長さは、第１パイプ１３と第２パイプ１５との連結部において両者が長さ方向に関して重複する部分がある場合は、当該重複する部分を除くものとする。

主流路１５ｐａの横断面（図２に示す断面）の形状及び寸法は適宜に設定されてよい。図示の例では、主流路１５ｐａの横断面の形状は、矩形とされている。また、図示の例では、主流路１５ｐａは、高さ（第２パイプ１５の軸方向の大きさ。高さが幅方向において一定でない場合は例えば最大高さ）が幅（第２パイプ１５の内面から外面への方向（径方向）の大きさ。幅が高さ方向において一定でない場合は例えば最大幅）よりも大きい。なお、図示の例とは異なり、主流路１５ｐａの横断面は、円形であったり、矩形以外の多角形であったり、幅が高さよりも大きくされていたりしてもよい。

流路１５ｐ（主流路１５ｐａ）を流れる流体の供給及び排出は適宜になされてよい。図示の例では、流路１５ｐは、第２パイプ１５内を主流路１５ｐａから下方へ延び、第２パイプ１５の下端に開口する２本の副流路１５ｐｂを含んでいる。２本の副流路１５ｐｂは、主流路１５ｐａの両端に開口している。従って、一方の副流路１５ｐｂに流体を供給することによって、主流路１５ｐａに流体を流し、当該流体を他方の副流路１５ｐｂから排出することができる。

なお、図示の例とは異なり、副流路１５ｐｂを設けずに、主流路１５ｐａとその外部とを通じさせる開口を第２パイプ１５の内面又は外面に形成して、流体の供給及び排出を行ってもよい。また、主流路１５ｐａがＣ字状ではなく、環状の場合においては、例えば、第２パイプ１５の軸を挟んで互いに反対側に２本の副流路１５ｐｂ（又は２つの開口）を通じさせて、流体の供給及び排出を行ってもよい。

以上の流路１５ｐの位置、形状及び寸法は一例であり、上記以外に種々の態様が可能である。例えば、流路１５ｐは、高さ方向の複数の位置に、第２パイプ１５の軸回りに延びる主流路１５ｐａを有し、この複数の主流路１５ｐａが副流路１５ｐｂによって互いに接続されていてもよい。また、例えば、流路１５ｐは、螺旋状に延びていてもよい。なお、螺旋状の流路も、Ｃ字状又は環状の流路と同様に、第２パイプ１５の軸回りに延びている流路の一例である。また、第２パイプ１５の軸方向に延びる流路が、第２パイプ１５の軸回りに複数（例えば多数）設けられたり、第２パイプ１５内に網目状に張り巡らされた流路が設けられたりしてもよい。

（配線部材）
図２に示す配線部材７は、パイプ１１の空間１１ｓ内に挿通されている。平面透視において、ヒータプレート９のうちパイプ１１の空間１１ｓ内に露出する領域では、複数の端子２１が基体１７から露出している。そして、配線部材７は、その一端が複数の端子２１に接続されており、これにより、抵抗発熱体１９と電力供給部３とを接続している。

複数の配線部材７は、可撓性の電線であってもよいし、可撓性を有さないロッド状のものであってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。また、複数の可撓性の電線は、纏められて１本のケーブルのようになっていてもよいし、纏められていなくてもよい。また、配線部材７と端子２１との接続も適宜なものとされてよい。例えば、両者は、導電性の接合材によって接合されてよい。また、例えば、両者は、一方に雄ねじ部が形成され、他方に雌ねじ部が形成されることにより、螺合されていてもよい。

（電力供給部、冷媒供給部及び制御部）
電力供給部３は、例えば、特に図示しないが、電源回路及びコンピュータ等を含んで構成されており、商用電源からの電力を適宜な電圧の交流電力及び／又は直流電力に変換してヒータ１（複数の端子２１）に供給する。電力供給部３（の制御部）は、ヒータ１に設けられた不図示の温度センサが検出する温度に基づいてヒータ１の温度のフィードバック制御をしてもよい。

なお、温度センサは、例えば、熱電対又はサーミスタである。抵抗発熱体１９がサーミスタとして用いられてもよい。温度センサの位置は適宜な位置とされてよい。例えば、熱電対は、パイプ１１の空間１１ｓ内に配置され、その少なくとも先端がヒータプレート９に埋設されていてもよい。

冷媒供給部５は、例えば、冷媒（流体）を流路１５ｐに供給する。冷媒の状態は適宜なものとされてよい。例えば、冷媒は、液体であってもよいし、気体であってもよいし、流路１５ｐ内で気化したり、流路１５ｐ内で液体と気体との比率が変化したりしてもよい。別の観点では、冷媒は、顕熱、潜熱及びこれらの組み合わせのいずれが利用されてもよい。また、冷媒の成分も適宜なものとされてよい。例えば、冷媒は、水又は空気であってもよいし、窒素、フロン、アルゴン若しくはクリプトン又はこれらの組み合わせであってもよい。

冷媒供給部５の構成は、適宜なものとされてよい。例えば、多くの工場は、冷却水を供給する設備を有している。この設備が冷媒供給部５とされてもよいし、当該設備からの冷却水の流量を制御する装置によって冷媒供給部５が構成されてもよい。また、冷媒供給部５は、冷媒の経路上に順に圧縮機、凝縮器及び膨張弁を有し、流路１５ｐを含んで循環路を構成しているものであってもよい。また、冷媒供給部５は、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を有し、流路１５ｐを流れる冷媒を蒸発器によって冷却するものであってもよい。冷媒の流量は、例えば、ポンプ及び／又はバルブによって適宜に制御されてよい。

制御部６は、冷媒供給部５を制御する。具体的には、例えば、制御部６は、冷媒供給部５から流路１５ｐへ供給される冷媒の流量を制御する。この流量の制御は、冷媒の供給及びその停止を含むものとする。また、制御部６は、冷媒の流量の制御に加えて、又は代えて、冷媒の温度を制御してもよい。

また、制御部６は、例えば、第１パイプ１３及び第２パイプ１５（特にその連結部）の熱膨張差を小さくするように、冷媒供給部５を制御してよい。この制御は、例えば、単に、第２パイプ１５の温度が予め定められた目標温度になるように冷媒供給部５を制御するオープン制御又はフィードバック制御であってもよいし、第１パイプ１３及び第２パイプ１５の線膨張係数と、第１パイプ１３の検出温度とから、熱膨張差が小さくなる第２パイプ１５の目標温度を特定し、その目標温度に第２パイプ１５の温度が至るように冷媒供給部５を制御するオープン制御又はフィードバック制御であってもよい。

なお、第１パイプ１３と第２パイプ１５との間に生じる熱応力は、両者の連結部で最も大きいと考えられ、また、連結部において両者の温度は近い。従って、上記の制御において、第１パイプ１３の温度と第２パイプ１５の温度とは同一視されてもよい。また、上記の説明から理解されるように、第１パイプ１３及び第２パイプ１５の一方又は双方には、又は両者の連結部には、温度センサ（不図示）が設けられてもよいし、設けられなくてもよい。また、制御部６は、電力供給部３の制御装置と統合されていてもよい。

（ヒータの製造方法）
ヒータ１の製造方法においては、例えば、ヒータプレート９、第１パイプ１３及び第２パイプ１５が互いに別個に作製される。その後、これらの部材が互いに固定される。これにより、ヒータ１が作製される。なお、ヒータプレート９及び第１パイプ１３は共に作製されてもよい。第１パイプ１３及び第２パイプ１５も、焼成が共に行われるなど、一部の工程が共に行われてもよい。

ヒータプレート９の作製方法は、例えば、公知の種々の方法と同様とされてよい。例えば、ヒータプレート９の作製方法においては、まず、ドクターブレード法等により、基体１７を構成する複数のセラミックグリーンシートを用意する。次に、必要に応じて、抵抗発熱体１９及び端子２１等が配置される溝又は孔を形成する加工（例えば切削加工又はプレス加工）を行う。次に、いずれかのセラミックグリーンシートに抵抗発熱体１９となる材料（例えば導電ペースト）を配置する。そして、複数のセラミックグリーンシートを積層して焼成する。この他、例えば、ヒータプレート９は、ホットプレス法によって形成されてもよい。

第１パイプ１３の作製方法も、例えば、具体的な寸法等を除いて、公知の種々の方法と同様とされてよい。例えば、セラミックの第１パイプ１３は、押出成形法、射出成形法又はホットプレス法によって作製されてよい。また、ドクターブレード法等によって形成したセラミックグリーンシートを軸状部材に巻き付けて焼成してもよい。

第２パイプ１５の作製方法も、ヒータプレート９及び第１パイプ１３の作製方法に倣って作製されてよい。例えば、第２パイプ１５がセラミックの場合は、上記の第１パイプ１３と同様に、材料をパイプ状に成形する。その後、パイプの上端面に主流路１５ｐａとなる凹溝を形成し、この凹溝を塞ぐセラミックグリーンシートを被せて焼成したり、又は凹溝を塞ぐ部材を接着剤又は固相接合により接合したりする。

ドクターブレード法等によって形成したセラミックグリーンシートを軸状部材に巻き付けて焼成する場合においては、第２パイプ１５の内面側部分を構成するセラミックグリーンシート及び第２パイプ１５の外面側部分を構成するセラミックグリーンシートの一方又は双方に流路１５ｐとなる凹溝を形成してもよい。あるいは、第２パイプ１５となるセラミックグリーンシートの、流路１５ｐとなる部分に、焼成によって消失する材料を埋設しておくことによって、流路１５ｐを形成してもよい。

また、副流路１５ｐｂは、空間１１ｓと共に型によって形成されてもよいし、パイプ１１の成形後にドリル等を用いた切削加工によって形成されてもよい。

（部材同士の固定）
図４（ａ）〜図４（ｅ）は、第１パイプ１３と第２パイプ１５との接続に関して種々の例を示す模式的な断面図である。なお、図４（ａ）〜図４（ｃ）においては、例えば、紙面左側がヒータ１の中心側である。図４（ｄ）及び図４（ｅ）は、基体１７と第１パイプ１３との接続に関しての例を示す断面図として捉えられてもよく、この場合の符号も括弧内に付している。

図４（ａ）の例では、第２パイプ１５の上端面に凹溝１５ｒが形成されている。凹溝１５ｒは、例えば、第２パイプ１５の軸回りに１周している。そして、第１パイプ１３の下端がこの凹溝１５ｒに嵌合されていることによって、第１パイプ１３と第２パイプ１５とは連結されている。なお、両者は、着脱可能に嵌合しているだけであってもよいし、後述する図４（ｄ）及び図４（ｅ）のように接着剤又は固相接合によって接合されていてもよい。また、図示の例では、凹溝１５ｒの１対の内壁面が、第１パイプ１３の内面と外面とに接しているが、一方のみが接して嵌合していてもよい。凹溝１５ｒは、１周していなくてもよく、また、周方向において複数に分割されていてもよい。

第１パイプ１３と凹溝１５ｒとの嵌合には、第２パイプ１５の収縮を利用してもよい。具体的には、例えば、第１パイプ１３及び第２パイプ１５（いずれも焼結後）のうち、第２パイプ１５のみを適宜な温度まで加熱する。そして、凹溝１５ｒに第１パイプ１３の下端を挿入し、第２パイプ１５の加熱を停止する（積極的に冷却してもよい。）。その結果、第２パイプ１５は収縮し、第１パイプ１３は、凹溝１５ｒの１対の内壁面に締め付けられ、及び／又は１対の内壁面のうち外側の内壁面が第１パイプ１３の外面を締め付ける（押圧する）。これにより、両者の間の摩擦力が増加し、第１パイプ１３が凹溝１５ｒから抜けにくくなる。

上記のように第２パイプ１５の収縮を利用する場合、第２パイプ１５を加熱するときの温度よりも低い温度範囲で、第１パイプ１３及び第２パイプ１５が同一の温度である状態においては、例えば、凹溝１５ｒの幅は第１パイプ１３の下端の厚さよりも小さくされ、及び／又は外側の内壁面は第１パイプ１３の下端の外面よりも内側に位置している。上記の嵌合のために第２パイプ１５を加熱したときの第２パイプ１５の温度は、例えば、ヒータ１の使用温度（例えば３５０℃以下）よりも高くされる。一例として、第２パイプ１５の温度は、４００℃以上８００℃以下である。凹溝１５ｒへの挿入時の第１パイプ１３の温度は、上記の加熱温度よりも低い温度であればよく、例えば、室温（５℃以上３５℃以下）又はヒータ１の使用温度以下（例えば３５０℃以下）である。

なお、製造方法の観点から説明したが、完成後のヒータ１の観点からは、例えば、第１パイプ１３及び第２パイプ１５は、所定の温度範囲で同一の温度とされた場合に凹溝１５ｒの壁面が第１パイプ１３の外周面（又は、外周面及び内周面）に圧縮方向の応力を付与する寸法を有しているということができる。なお、上記の温度範囲は、例えば、２５℃以上３００℃以下である。

図４（ｂ）の例では、第１パイプ１３及び第２パイプ１５は、着脱可能に連結されている。また、第１パイプ１３と前記第２パイプ１５とは、両者の連結部において、所定の遊びの範囲内で径方向において相対変位可能に連結されている。

具体的には、例えば、第１パイプ１３の下端及び第２パイプ１５の上端は、概略Ｌ字に構成されており、前者が後者に載置されているとともに、両者は径方向において互いに対向する第１対向部１３ｆ及び第２対向部１５ｆを有している。この対向部には、ボルト２３が挿通され、ナット２５に螺合している。ボルト２３のボルト頭２３ａとナット２５との距離は、第１対向部１３ｆ及び第２対向部１５ｆの合計の厚さよりも所定の差（遊び）で大きくされている。これにより、第１パイプ１３と前記第２パイプ１５とは、上記の遊びの範囲内で相対変位可能に連結されている。

なお、遊びの大きさは、第１パイプ１３が第２パイプ１５から脱落してしまわない範囲で適宜に設定されてよい。図示の例では、第２対向部１５ｆが第１対向部１３ｆの外側に位置しているが、両者の位置関係は逆であってもよい。ボルト２３の挿通方向も図示とは逆であってもよい。また、ボルト２３及びナット２５は、例えば、適宜な数で、パイプ１１の軸回りに配置されてよい。

図４（ｃ）の例では、第１パイプ１３及び第２パイプ１５は接着剤２７によって接合されている。具体的には、接着剤２７は、第１パイプ１３と第２パイプ１５とのつなぎ目に対して、内面側及び外面側の少なくとも一方（図示の例では双方）から接着されている。接着剤２７は、有機材料であってもよいし、無機材料であってもよいし、導電材料であってもよいし、絶縁材料であってもよい。例えば、接着剤２７は、セラミックを溶射することによって形成されてよい。

図４（ｃ）の例では、第１パイプ１３の下端及び第２パイプ１５の上端は、図４（ｂ）の例と同様に、概略Ｌ字に構成されており、前者が後者に載置されているとともに、径方向において互いに対向する第１対向部１３ｆ及び第２対向部１５ｆを有している。ただし、これらの互いに対向する面は、第１対向部１３ｆ及び第２対向部１５ｆの先端ほど薄くなるようにパイプ１１の軸方向に対して傾斜している。図４（ｂ）及び図４（ｃ）の例において、このような傾斜の有無及び角度は適宜に設定されてよい。図４（ｃ）においても、第２対向部１５ｆが第１対向部１３ｆの外側に位置しているが、両者の位置関係は逆であってもよい。

図４（ｄ）の例では、第１パイプ１３及び第２パイプ１５は接着剤２９（接着層）によって接合されている。具体的には、接着剤２９は、第１パイプ１３と第２パイプ１５との間に介在している。接着剤２９は、有機材料であってもよいし、無機材料であってもよいし、導電材料であってもよいし、絶縁材料であってもよい。具体的には、接着剤２９としては、例えば、ガラス系のものが用いられてよい。すなわち、第１パイプ１３と第２パイプ１５とはガラス接合されてよい。

図４（ｅ）の例では、第１パイプ１３及び第２パイプ１５は、互いに対向する面が、その間に接着材を介在させずに直接に接合されている。この接合には、例えば、固相接合が利用されてよい。固相接合としては、例えば、拡散接合が利用されてよい。拡散接合では、第１パイプ１３と第２パイプ１５とが加熱加圧されることによって接合される。図４（ｅ）では、多角形によってセラミックの粒子が模式的に示されている。なお、拡散接合は、第１パイプ１３及び第２パイプ１５を直接に当接させるものだけでなく、両者の間に接合を促進するための材料が配置されるものも含むものとする。当該材料は、接合に際して、固相状態のままであってもよいし、液相状態となってもよい。

なお、図４（ｄ）及び図４（ｅ）では、上下方向に互いに対向する面同士の接合を示しているが、当該面に加えて、又は代えて、図４（ｂ）又は図４（ｃ）のように第１対向部１３ｆ及び第２対向部１５ｆの互いに対向する面同士が、接着剤２９又は固相接合によって接合されてよい。

第１パイプ１３と第２パイプ１５との固定について述べたが、ヒータプレート９（基体１７）と第１パイプ１３との固定も、適宜な方法によって実現されてよい。例えば、両者は、図４（ｄ）に示すように、両者の間に介在する接着剤２９によって接合されてもよいし、図４（ｅ）に示すように、固相接合（拡散接合）によって接合されてもよいし、ボルト及びナット等を用いた機械的結合によって固定されてもよい。

以上のとおり、本実施形態では、ヒータ１は、絶縁性の基体１７と、抵抗発熱体１９と、第１パイプ１３と、第２パイプ１５とを有している。基体１７は、上面９ａ及びその背面の下面９ｂを有している。抵抗発熱体１９は、基体１７内で上面９ａ及び下面９ｂに沿って延びている。第１パイプ１３は、下面９ｂから下方（下面９ｂが面している方向）へ延びている。第２パイプ１５は、第１パイプ１３の下端（下面９ｂとは反対側の端部）から下方（下面９ｂが面している方向）へ延びている。第１パイプ１３は、絶縁性の第１材料からなる。第２パイプ１５は、第１材料よりも線膨張係数が高く、かつ基体１７の材料との線膨張係数の差が、第１材料と基体１７との線膨張係数の差よりも大きい、絶縁性の第２材料からなる（すなわち、第１条件が満たされる。）。第２パイプ１５には、流路１５ｐが形成されている。

従って、例えば、第１パイプ１３及び第２パイプ１５のいずれも絶縁材料から構成されていることから、これらが抵抗発熱体１９若しくは配線部材７、又はウェハに対する加工（例えばプラズマ処理）に干渉するおそれが低減される。また、例えば、第２材料によってパイプ１１の全体が形成されたと仮定した場合に比較して、基体１７とパイプ１１（第１パイプ１３）との間の熱応力を低減することができる。また、例えば、第１材料によってパイプ１１の全体が形成されたと仮定した場合に比較して、設計の自由度が高くなる。例えば、第２材料として、伝熱性が低いもの、安価なもの等を選択することができる。その一方で、例えば、第１材料及び第２材料の２種類を用いることから、１種類の材料でパイプ１１を形成したと仮定した場合に比較して、パイプ１１内（第１パイプ１３と第２パイプ１５との間）の熱応力が大きくなるおそれがある。しかし、第１パイプ１３よりも線膨張係数が大きい第２パイプ１５に流路１５ｐを形成し、冷媒を流すことによって、熱応力を緩和することができる。

また、本実施形態では、第２材料は、第１材料よりも熱伝導率が低くされてよい（第２条件が満たされてよい。）。

この場合、例えば、基体１７からパイプ１１へ逃げる熱を低減できる。その結果、例えば、ヒータプレート９のパイプ１１との接続位置において温度が低下するおそれが低減され、ヒータプレート９の温度を均一化することが容易化される。ひいては、ウェハの加工精度が向上する。また、第２材料の熱伝導率が低いことから、第２パイプ１５を冷却するための流路１５ｐの冷媒によってヒータプレート９まで冷却されてしまうおそれが低減される。ただし、流路１５ｐの冷媒は、ヒータプレート９の温度を積極的に下げることに利用されても構わない。

また、本実施形態では、第１材料の主成分は、基体１７の材料の主成分と同一とされてよい。そして、第２材料の主成分は、基体１７の材料の主成分及び第１材料の主成分と異なっていてよい。

この場合、例えば、基体１７の線膨張係数と第１パイプ１３の線膨張係数とを近づけやすい。その一方で、例えば、基体１７及び第１パイプ１３とは特性等が大きく異なる第２パイプ１５を構成することができる。例えば、既述のように、第２パイプ１５の熱伝導率を低くしたり、パイプ１１全体として材料費を低減したりすることができる。

また、本実施形態では、第２材料は、主成分よりも融点が低い成分の質量％が基体１７の材料よりも低くてもよい。なお、この場合には、既述のように、第１材料にそのような副成分が含まれていない場合も含む。別の観点では、基体１７が液相焼結体とされる一方で、第１パイプ１３が固相焼結体とされてよい。

この場合、基体１７及び第１パイプ１３の主成分が同じであることにより、両者の線膨張係数の差を小さくすることが容易である。その一方で、第１パイプ１３の熱伝導率を下げて、基体１７からパイプ１１へ逃げる熱を低減できる。

また、本実施形態では、第１材料は、窒化アルミニウムを主成分として含んでよく、また、第２材料は、酸化アルミニウム（アルミナ）を主成分として含んでよい。

この場合、窒化アルミニウムは耐食性がよく、酸化アルミニウムは窒化アルミニウムよりも断熱性が高いことから、パイプ１１全体として耐久性及び断熱性が向上する。なお、この場合において、基体１７の主成分と第１材料の主成分とが同じ窒化アルミニウムの場合においては、ヒータ１全体としての耐久性等が向上する。

また、本実施形態では、基体１７と第１パイプ１３とは固相接合又は接着剤（２７及び／又は２９）により固定されてよく、また、第１パイプ１３と第２パイプ１５とは着脱可能に連結されてよい。

この場合、例えば、ヒータプレート９及び第１パイプ１３は汎用のものにして、第２パイプ１５をヒータ１が組み込まれるシステムに応じたものにできる。その逆に、第２パイプ１５を汎用のものとして、ヒータプレート９及び第１パイプ１３はシステムに応じたものにすることもできる。すなわち、ウェハ付近の設計と、ウェハから離れた部分の設計との独立性が向上する。その結果、設計が容易化される。別の観点では、ヒータプレート９及び第２パイプ１５の組み合わせの変更により、ヒータの種々のバリエーションを低コストで実現可能である。設計段階ではなく、販売直前又は使用直前に、システムに応じた組み合わせを実現したり、適宜な時期にヒータ１の一部を交換したりすることも可能である。

また、本実施形態では、基体１７と第１パイプ１３とは固相接合又は接着剤により固定されてよく、第１パイプ１３と第２パイプ１５とは、両者の連結部において、所定の遊びの範囲内で径方向において相対変位可能であってもよい。

この場合、第１パイプ１３と第２パイプ１５との熱膨張差の大きさに対して、両者の間に生じる熱応力を小さくすることができる（熱応力を無くす場合を含む。）。その結果、第２パイプ１５を構成する第２材料の選択の自由度が向上する。ひいては、パイプ１１全体として、耐久性及び／又は断熱性等の特性を向上させることが容易化される。また、遊びによって第１パイプ１３と第２パイプ１５との間の断熱がなされ、ヒータプレート９の熱が第２パイプ１５へ逃げるおそれを低減できる。

また、本実施形態では、第２パイプ１５は、第１パイプ１３側の端部に、第１パイプ１３の第２パイプ１５側の端部が嵌合する凹溝１５ｒを有していてもよい。

この場合、例えば、第１パイプ１３の第２パイプ１５からの脱落のおそれを低減できる。また、第１パイプ１３を凹溝１５ｒに差し込むだけでよいので、第１パイプ１３と第２パイプ１５との連結作業も簡素化される。

また、本実施形態では、第１パイプ１３及び第２パイプ１５は、２５℃以上３００℃以下の範囲で同一の温度とされた場合に凹溝１５ｒの壁面が第１パイプ１３の外周面に圧縮方向の応力を付与する寸法を有していてもよい。

この場合、例えば、上記の温度範囲よりも高い温度まで第２パイプ１５を加熱することによって第１パイプ１３及び第２パイプ１５の着脱を行うことができる。また、ボルトを用いた場合のように局所に力が加えられるのではないことから、第１パイプ１３及び第２パイプ１５に生じる応力を分散させやすい。

また、本実施形態では、流路１５ｐは、第２パイプ１５の軸回りに延びる部分（主流路１５ｐａ）を有し、当該部分は、第２パイプ１５の内面から外面への方向における幅よりも、第２パイプ１５の軸方向における深さの方が大きい。

この場合、流路１５ｐの第１パイプ１３に対して対向する面積を相対的に小さくしつつ、流路１５ｐの流体が第２パイプ１５に接触する面積を大きくできる。すなわち、第１パイプ１３が冷却されるおそれを低減しつつ、第２パイプ１５を効率的に冷却することができる。その結果、第１パイプ１３と第２パイプ１５との間に生じる熱応力を低減する効果が向上する。

本開示に係るヒータは、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。

ヒータは、ヒータとしての機能以外の機能を有していてもよい。例えば、基体内には、抵抗発熱体以外に、ヒータプレートを静電チャックとして機能させるための電極、及び／又はプラズマを発生させるための電極等が設けられていてもよい。このような電極は、例えば、抵抗発熱体に対して第１主面（上面）側に位置してよい。

また、例えば、ヒータは、抵抗発熱体を１層のみ有するものに限定されず、２層以上の抵抗発熱体を有していてもよい。また、１層の抵抗発熱体は、複数に分割されて、又は１本の抵抗発熱体の複数個所に給電点が設けられて、個別に発熱量を制御可能とされていてよい。ヒータは、抵抗発熱体及び端子に加えて、端子と抵抗発熱体とを接続する配線パターンを抵抗発熱体の層とは別個の層に有していてもよい。上記の説明からも理解されるように、抵抗発熱体が埋設された基体は、２層の絶縁層によって構成されるものに限定されず、適宜な枚数の絶縁層によって構成されてよい。

１…ヒータ、９…ヒータプレート、９ａ…上面（第１主面）、９ｂ…下面（第２主面）、１３…第１パイプ、１５…第２パイプ、１５ｐ…流路、１７…基体、１９…抵抗発熱体。

Claims (12)

1. 第１主面及びその背面の第２主面を有している絶縁性の基体と、
   前記基体内で前記第１主面及び前記第２主面に沿って延びている抵抗発熱体と、
   前記第２主面から当該第２主面が面している方向へ延びている第１パイプと、
   前記第１パイプの前記第２主面とは反対側の端部から、前記第２主面が面している方向へ延びている第２パイプと、
   を有しており、
   前記第１パイプは、絶縁性の第１材料からなり、
   前記第２パイプは、前記第１材料よりも線膨張係数が高く、かつ前記基体の材料との線膨張係数の差が、前記第１材料と前記基体との線膨張係数の差よりも大きい、絶縁性の第２材料からなり、
   前記第２パイプには、流路が形成されている
   ヒータ。
2. 前記第２材料は、前記第１材料よりも熱伝導率が低い
   請求項１に記載のヒータ。
3. 前記第１材料の主成分は、前記基体の材料の主成分と同一であり、
   前記第２材料の主成分は、前記基体の材料の主成分及び前記第１材料の主成分と異なっている
   請求項１又は２に記載のヒータ。
4. 前記第１材料は、主成分よりも融点が低い成分の質量％が前記基体の材料よりも低い
   請求項３に記載のヒータ。
5. 前記第１材料は、窒化アルミニウムを主成分として含んでおり、
   前記第２材料は、酸化アルミニウムを主成分として含んでいる
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒータ。
6. 前記基体と前記第１パイプとは固相接合又は接着剤により固定されており、
   前記第１パイプと前記第２パイプとは着脱可能に連結されている
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒータ。
7. 前記基体と前記第１パイプとは固相接合又は接着剤により固定されており、
   前記第１パイプと前記第２パイプとは、両者の連結部において、所定の遊びの範囲内で径方向において相対変位可能である
   請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒータ。
8. 前記第２パイプは、前記第１パイプ側の端部に、前記第１パイプの前記第２パイプ側の端部が嵌合する凹溝を有している
   請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒータ。
9. 前記第１パイプ及び前記第２パイプは、２５℃以上３００℃以下の範囲で同一の温度とされた場合に前記凹溝の壁面が前記第１パイプの外周面に圧縮方向の応力を付与する寸法を有している
   請求項８に記載のヒータ。
10. 前記流路は、前記第２パイプの軸回りに延びる部分を有し、当該部分は、前記第２パイプの内面から外面への方向における幅よりも、前記第２パイプの軸方向における深さの方が大きい
    請求項１〜９のいずれか１項に記載のヒータ。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のヒータと、
    前記抵抗発熱体に電力を供給する電力供給部と、
    前記流路に冷媒を供給する冷媒供給部と、
    を有しているヒータシステム。
12. 前記第１パイプと前記第２パイプとの連結部における両者の熱膨張差を小さくするように前記冷媒供給部を制御する制御部を更に有している
    請求項１１に記載のヒータシステム。

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