JP3716249B2

JP3716249B2 - 加熱装置とその製造方法

Info

Publication number: JP3716249B2
Application number: JP2002331955A
Authority: JP
Inventors: 誠桜井; 大輔橋本
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: JP2004165085A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば半導体基板等を加熱するためのヒータプレートとシース熱電対を備えた加熱装置と、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体の製造プロセスにおいて、半導体基板を加熱するためにプロセスチャンバが使用されている（例えば下記特許文献１参照）。プロセスチャンバの内部にヒータプレートが収容されている。このヒータプレートには抵抗発熱体が内蔵され、抵抗発熱体の電流制御を行なうためにヒータプレートの温度が測定される。
【０００３】
ヒータプレートの温度を測定するための温度測定器は、プロセスチャンバ内に印加される高周波やプラズマ等による電気信号上の影響を受けないことが望まれる。また、温度測定器の測温部や電気絶縁物がプロセスチャンバ内に導入されるガス等と反応すると、腐食やコンタミネーション（汚染物）の原因となるため、測温部や電気絶縁物がガスと反応することも避けなければならない。
【０００４】
このような要求を満たす温度測定器として、シース熱電対が適している。従来のシース熱電対は、例えばＮｉ合金であるインコネルやステンレス鋼からなる金属管（シース）の内部に、測温部が収容されている。
【０００５】
シース熱電対をヒータプレートに取付ける手段として、例えば、シース熱電対に連結用の部材を取付け、シースの先端部をヒータプレートのシース取付穴に挿入しシースの先端部をヒータプレートに接触させた状態で、ねじ部材あるいは溶接によって前記連結用の部材を介してヒータプレートに固定することが行なわれている。
【０００６】
あるいは、下記特許文献２に記載されているように、シース先端をヒータプレート等の金属体の測温部に溶接する方法も提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−２６０６８７号公報
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２８１４９８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
シース熱電対のシースには、材料の強度、耐食性、耐久性などの観点から、インコネルあるいはステンレス鋼などが用いられている。しかしこれらの材料は、アルミニウム製のヒータプレートとの間に無視することができない熱膨張差がある。
【００１０】
プロセスチャンバ内で半導体基板を処理する工程では、加熱と冷却が繰返し行なわれる。このためヒータプレートとシース熱電対との間に熱膨張差があると、常温ではヒータプレートとシース熱電対とが隙間無く接触していても、半導体基板の処理中の熱により、ヒータプレートとシース熱電対との間に隙間が生じてしまう。
【００１１】
しかもプロセスチャンバ内では、半導体基板の処理に伴い、雰囲気ガスや真空度が繰返し変化することがある。このためヒータプレートとシース熱電対との間に隙間が存在すると、ヒータプレートとシース熱電対との間の熱伝達媒体の物性変化が生じることにより、熱電対による温度測定の結果に影響が生じるおそれがある。
【００１２】
シース熱電対はシースの側面からシース内部の測温部（測温接点）への伝熱も測定結果に影響を及ぼす。このため、前記特許文献２のようにシース先端をヒータプレート等の金属体に溶接する場合でも、シースの側面とヒータプレートとの間に隙間が存在すると、熱伝達媒体の物性変化が生じることにより、熱電対による温度測定結果に悪影響がでる。
【００１３】
前記熱膨張差によってヒータプレートとシース熱電対との間に生じる隙間は、温度が上がれば上がるほど大きくなる。プロセスチャンバ内に導入されるガスはヒータプレートとシース熱電対との間の熱伝達媒体となるが、隙間の大きさによって熱伝達のレスポンスが影響されるため、温度によってレスポンスが変化することになり、好ましくない。
【００１４】
さらに、ヒータプレートとシース熱電対との間に隙間があると、プロセスチャンバに真空度の変化が生じたときに熱伝達の度合いが著しく変化する。あるいは熱伝達媒体を失って真空断熱のような状態になることから、温度測定のレスポンスに大きな影響を及ぼし、温度測定の精度が悪化するという問題もある。
【００１５】
従ってこの発明の目的は、温度測定の精度が向上する加熱装置と、その製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の加熱装置は、内部に発熱体を備えたアルミニウム製のヒータプレートと、前記ヒータプレートの温度を測定するための測温部および該測温部を覆うシースを有しかつ先端部が閉じているシース熱電対とを有し、前記シースがアルミニウム製であり、該シースの先端部が前記ヒータプレートに形成されたシース取付穴に挿入されかつ前記ヒータプレートにろう付けされる加熱装置であって、前記シースの先端部に、端面が平坦に機械加工された端壁を有し、前記ヒータプレートは、その厚み方向に接合される第１プレート部材と第２プレート部材とを含み、前記第１プレート部材に前記シース取付穴が形成され、前記シースの先端部が前記シース取付穴に挿入され、かつ、前記シースの先端部の前記端面と前記第２プレート部材が互いにろう付けされていることを特徴とする。この明細書で言うアルミニウムとは、純粋なアルミニウムと、アルミニウム合金とを含む概念である。
【００１８】
この発明の好ましい形態では、前記シースの先端部の側面と前記シース取付穴の内面とがろう付けされている。
【００１９】
本発明の加熱装置の製造方法は、前記第１プレート部材にシース取付穴を形成し、該シース取付穴に挿入された前記シースの先端部と前記第１プレート部材とを前記シースの先端部外周の溶接部において溶接し、前記第１プレート部材の前記第２プレート部材に対する接合面を前記溶接部および前記シースの先端部の端面とともに機械加工によって平坦に仕上げたのち、前記第１プレート部材と第２プレート部材を重ねてろう付けするとともに、前記シースの先端部の端面を前記第２プレート部材にろう付けすることを特徴とする。
【００２０】
この発明において、前記第１プレート部材と第２プレート部材をろう付けする際に、前記シースの先端部の側面と前記シース取付穴の内面をろう付けするとよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の第１の実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
図１に、半導体製造プロセスに用いるプロセスチャンバ１０が示されている。プロセスチャンバ１０の内部に、加熱装置１１が収容されている。
【００２２】
加熱装置１１は、抵抗発熱体１２を内蔵したヒータプレート１３と、抵抗発熱体１２の発熱量をコントロールするためのシース熱電対１４を備えている。発熱体の一例である抵抗発熱体１２は、ヒータプレート１３に形成された溝１５に収容されている。
【００２３】
ヒータプレート１３上に、例えば半導体基板等の被加熱物（ワーク）Ｗが載置される。プロセスチャンバ１０の内部空間の温度、雰囲気、真空度等は、被加熱物Ｗの処理に応じてコントローラ（図示せず）によって制御される。
【００２４】
円板形のヒータプレート１３は、互いに厚み方向に積層されるアルミニウム製の第１プレート部材２１と、第２プレート部材２２とを含んでいる。ここで言うアルミニウムはアルミニウム合金も含む概念である。これらプレート部材２１，２２は、互いにろう付けによって接合されている。
【００２５】
図２に示すようにシース熱電対１４は、先端が閉じたアルミニウム製の円筒状のシース２５と、シース２５の先端部２６付近の内側に収容された測温部として機能する測温接点２７と、測温接点２７に接続されたリード線２８などを備えている。
【００２６】
シース２５の先端部２６は、端壁３０によって閉塞されている。この端壁３０は、後述する機械加工を行なう際の削り代ΔＴ（図３に示す）を確保するに足る肉厚を有している。シース２５の先端部２６の端面２６ａは、旋盤等の機械加工によって平坦な形状に加工されている。
【００２７】
図２に示すようにシース熱電対１４の先端部すなわちシース２５の先端部２６は、第１プレート部材２１に形成されたシース取付穴４０に挿入されている。シース２５の先端部２６の端面２６ａの外周部と第１プレート部材２１とが電子ビーム溶接等によって溶接され、溶接部４１が形成されている。
【００２８】
また、シース２５の先端部２６の端面２６ａが、ろう材４５によって第２プレート部材２２にろう付け接合されている。シース２５の先端部２６の側面（外周面）２６ｂとシース取付穴４０の内面との間も、ろう材４６によって互いに接合されている。
【００２９】
アルミニウム製のシース２５は、インコネルやステンレス鋼と比較して熱伝導性が良く、しかもアルミニウム製ヒータプレート１３との間に熱膨張差が無いため、ヒータプレート１３の温度測定のレスポンスが優れている。また、被加熱物Ｗを加熱する際に、ヒータプレート１３とシース２５との間に熱膨張差による隙間が生じない。このことにより、ヒータプレート１３とシース熱電対１４との間の熱伝達が外部環境の変化に影響されにくくなり、温度測定のレスポンスに及ぼす影響を小さくできるという利点がある。
【００３０】
シース２５の先端部２６を閉じている端壁３０はヒータプレート１３と同じ材質（アルミニウム）であり、しかも溶接とろう付けによってヒータプレート１３と金属的に一体化しているため、端壁３０の熱容量が従来のシース熱電対よりも大きくても、温度測定のレスポンスに悪影響を与えることがない。
【００３１】
旋盤等の機械加工によってシース２５の先端部２６の端面２６ａを平坦に仕上げれば、シース２５の先端部２６の周囲とヒートプレート１３との間の隙間を実質的に無くすことができる。
【００３２】
シース２５の外径は、シース熱電対１４の絶縁抵抗を充分に確保し、かつ、製造上および使用上の耐久性も勘案して、φ５ｍｍ以上とする。但し、シース２５の外径が大きくなり過ぎると温度測定のレスポンスに悪影響を与えるため、シース２５の外径はφ１２ｍｍ以下とする。
【００３３】
次に、前記加熱装置１１の製造方法について説明する。
第１プレート部材２１と第２プレート部材２２とを重ねる前に、第１プレート部材２１の所定位置に機械加工によってシース取付穴４０を形成する。第２プレート部材２２には、抵抗発熱体１２を収容するための溝１５が形成される。
【００３４】
図３に示すようにシース２５の先端部２６をシース取付穴４０に挿入し、シース２５の端面２６ａの外周部と第１プレート部材２１とを電子ビーム溶接等によって溶接することにより、端面２６ａの周りに環状の溶接部４１を形成する。
【００３５】
第１プレート部材２１の上面すなわち第２プレート部材２２との接合面２１ａを、旋盤等の機械加工によって、溶接部４１およびシース２５の端面２６ａと共に平坦に仕上げる。図３にその削り代ΔＴが示されている。
【００３６】
この実施形態のように、シース２５の先端部２６を第１プレート部材２１に溶接し、その溶接部４１を含むプレート部材２１，２２どうしの接合面２１ａを平坦に機械加工することにより、シース２５の端面２６ａとヒータプレート１３との間の隙間を最小限にすることができる。
【００３７】
第１プレート部材２１の接合面２１ａとシース２５の端面２６ａを平坦に機械加工したのち、第１プレート部材２１に第２プレート部材２２を重ねる。このとき、第１プレート部材２１と第２プレート部材２２との間に、ろう材４５を設ける。シース２５の端面２６ａと第２プレート部材２２との間にも、ろう材４５を設ける。また、シース２５の側面２６ｂとシース取付穴４０の内面との間にろう材４６を設ける。
【００３８】
ろう材４５，４６が溶融する温度にプレート部材２１，２２を加熱したのち、冷却することにより、プレート部材２１，２２が互いにろう付けされ、かつ、シース２５の端面２６ａと第２プレート部材２２がろう付けされる。さらに、シース２５の側面２６ｂとシース取付穴４０の内面との間もろう付けされる。
【００３９】
このように、ヒータプレート１３のシース取付穴４０にシース２５の先端部２６を挿入し、両者を互いにろう付けすることにより、ヒータプレート１３とシース２５が一体化して金属の一体物となるため、ヒータプレート１３の温度測定のレスポンスが向上する。また、第１プレート部材２１と第２プレート部材２２とをろう付けする際に、シース２５の先端部２６とヒータプレート１３とのろう付けを同時に行なうことができる。
【００４０】
この実施形態の場合、シース２５の端面２６ａだけでなく、シース２５の側面２６ｂとシース取付穴４０の内面もろう付けされる。このため、ヒータプレート１３からシース２５内の測温接点２７への熱伝達経路が外部環境の変化に左右されなくなり、外部環境が温度測定のレスポンスに及ぼす影響をさらに小さくすることができる。
【００４１】
なお、シース２５の先端部２６をプレート部材２１，２２の双方に溶接してもよいし、シース２５の先端部２６をプレート部材２１，２２のいずれか一方に溶接あるいはろう付けしてもよい。
【００４２】
図４と図５は本発明の第２の実施形態の加熱装置５０を示している。この加熱装置５０は、前記第１の実施形態の加熱装置１１と同様にプロセスチャンバに収容される。この加熱装置５０において、前記加熱装置１１と共通の部位には両者に共通の符号を付して説明を省略し、異なる点について以下に説明する。
【００４３】
この加熱装置５０は、円筒形の中空の支持構造物５１を有している。支持構造物５１の内側に、抵抗発熱体１２の一部１２ａとシース熱電対１４の一部１４ａが挿通されている。支持構造物５１の内部空間は、半導体基板の処理中に例えば真空雰囲気となる。
【００４４】
ヒータプレート１３は、第１プレート部材２１と、第２プレート部材２２と、第３プレート部材５５とを含んでいる。各プレート部材２１，２２，５５は、第１の実施形態と同様にアルミニウム製である。ここで言うアルミニウムも、アルミニウム合金を含む概念である。プレート部材２１，２２，５５は互いに厚み方向に積層され、ろう付けされる。
【００４５】
シース熱電対１４は、第１の実施形態と同様に、アルミニウム製のシース２５と、シース２５の内部に収容された測温部などを備えている。第２プレート部材２２に、抵抗発熱体１２を収容するための溝１５が形成されている。第１プレート部材２１と第２プレート部材２２に、シース取付穴４０が形成されている。
【００４６】
シース２５の先端部２６がシース取付穴４０に挿入されている。シース２５の先端部２６の端面２６ａの外周部が第２プレート部材２２に溶接されることにより、端面２６ａの周りに溶接部４１が形成されている。
【００４７】
第２プレート部材２２の上面すなわち第３プレート部材５５との接合面２２ａは、溶接部４１とシース２５の端面２６ａを含めて、旋盤等の機械加工によって平坦に仕上げられている。そしてシース２５の端面２６ａが第３プレート部材５５にろう付けされている。この場合も、シース２５の側面２６ｂとシース取付穴４０の内面がろう付けされるとよい。
【００４８】
この実施形態の加熱装置５０は、第１の実施形態の加熱装置１１と同様に、シース取付穴４０に挿入されたシース２５の先端部２６とヒータプレート１３が、ろう付けによって溶接部４１と一体化している。このためヒータプレート１３からシース熱電対１４の測温部への熱伝達の経路が外部環境の変化に左右されず、レスポンスが向上する。
【００４９】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、アルミニウム製のヒータプレートと、ヒータプレートの温度を測定するためのシース熱電対とを備えた加熱装置において、温度測定の精度を高めることができる。また、シースの先端部がヒータプレートにろう付けされることにより、ヒータプレートとシースとの熱伝達経路が外部環境の影響を受けにくくなり、温度測定の精度とレスポンスが改善される。しかも本発明によれば、互いに積層される第１プレート部材と第２プレート部材とを有するヒータプレートにおいて、シースの先端部とヒータプレートが一体化され、外部環境の影響を受けにくい熱伝達経路が確保される。
【００５２】
請求項２に記載した発明によれば、シースの先端部の側面とヒータプレートとがろう付けされることによって、外部環境の影響をさらに受けにくくなり、温度測定の精度とレスポンスが向上する。
【００５３】
請求項３に記載した製造方法によれば、本発明の目的にかなう加熱装置を製造することができる。
請求項４に記載した発明によれば、第１プレート部材と第２プレート部材とをろう付けする際に、シースの先端部とヒータプレートとのろう付けを行なうことができるため、製造工程が簡略化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す加熱装置を備えたプロセスチャンバの断面図。
【図２】図１に示された加熱装置の一部を拡大して示す断面図。
【図３】図２に示されたヒータプレートとシースの端面を機械加工する前の状態を示す断面図。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す加熱装置の平面図。
【図５】図４中のＶ−Ｖ線に沿う加熱装置の断面図。
【符号の説明】
１１…加熱装置
１２…抵抗発熱体
１３…ヒータプレート
１４…シース熱伝対
２１…第１プレート部材
２２…第２プレート部材
２５…シース
２６…先端部
２６ａ…端面
２６ｂ…側面
３０…端壁
４０…シース取付穴
４１…溶接部
５０…加熱装置

Claims

内部に発熱体を備えたアルミニウム製のヒータプレートと、
前記ヒータプレートの温度を測定するための測温部および該測温部を覆うシースを有しかつ先端部が閉じているシース熱電対とを有し、
前記シースがアルミニウム製であり、
該シースの先端部が前記ヒータプレートに形成されたシース取付穴に挿入されかつ前記ヒータプレートにろう付けされる加熱装置であって、
前記シースの先端部に、端面が平坦に機械加工された端壁を有し、
前記ヒータプレートは、その厚み方向に接合される第１プレート部材と第２プレート部材とを含み、前記第１プレート部材に前記シース取付穴が形成され、前記シースの先端部が前記シース取付穴に挿入され、かつ、前記シースの先端部の前記端面と前記第２プレート部材が互いにろう付けされていることを特徴とする加熱装置。
前記シースの先端部の側面と前記シース取付穴の内面とがろう付けされていることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
厚み方向に積層される第１プレート部材および第２プレート部材を含むアルミニウム製のヒータプレートと、
先端部が閉じているアルミニウム製のシースを有するシース熱電対と、
を具備する加熱装置、の製造方法において、
前記第１プレート部材にシース取付穴を形成し、
該シース取付穴に挿入された前記シースの先端部と前記第１プレート部材とを前記シースの先端部外周の溶接部において溶接し、
前記第１プレート部材の前記第２プレート部材に対する接合面を前記溶接部および前記シースの先端部の端面とともに機械加工によって平坦に仕上げたのち、
前記第１プレート部材と第２プレート部材を重ねてろう付けするとともに、
前記シースの先端部の端面を前記第２プレート部材にろう付けすることを特徴とする加熱装置の製造方法。
前記第１プレート部材と第２プレート部材をろう付けする際に、前記シースの先端部の側面と前記シース取付穴の内面をろう付けすることを特徴とする請求項３に記載の加熱装置の製造方法。