JP4098112B2

JP4098112B2 - ヒータユニット

Info

Publication number: JP4098112B2
Application number: JP2003036876A
Authority: JP
Inventors: 淳一宮原; 俊洋立川; 健嗣小原; 淳二口谷
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: KR100615737B1; KR20040074001A; JP2004247210A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体の製造工程において、半導体基板を保持及び加熱するために使用されるヒータユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造工程において、半導体基板（ウエハ）の表面に集積回路を形成するために、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やＰＶＤ（Plasma Vapor Deposition）といった成膜処理、エッチング処理などがプロセスチャンバ中で行われる。各処理においてウエハ全体にわたって均質に処理されるように、ウエハを平坦に保持するとともに、各処理に必要な温度にウエハを加熱するヒータを埋設したセラミックスヒータがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このセラミックスヒータは、抵抗加熱で発熱する抵抗発熱線（ヒータ）を内蔵するセラミックス製のヒータプレートと、このヒータプレートをプロセスチャンバ中に支持する支持ロッドを備える。ヒータに用いる材料として、タングステン、モリブデン、タンタル、ニッケル−クロム合金を例示している。ヒータの端子は、ヒータプレートの外表面に露出しており、給電線と接続されている。また、端子を囲んで金属管がヒータプレートに埋設されている。金属管に用いる材料として、タングステンやモリブデンを例示している。給電線は、シースワイヤで覆われている。シースワイヤは、金属管とろう付け接合されている。また、ヒータプレートの温度を計測するためにシース熱電対が設けられている。シース熱電対の先端は、ヒータプレートに埋設された金属管に挿入され、ろう付けされる。そして、シースワイヤ及びシース熱電対に用いる材料として、ＳＵＳ３１６、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）を例示している。
【０００４】
また、ヒータの伝熱効率を向上させるために、ヒータプレートを金属製にしたものがある（例えば、特許文献２参照。）。このヒータプレートは、金属製の上側ベースと下側ベースとこれらの間に挟まれるヒータとを備えている。ヒータは、金属製のパイプで覆われたシースヒータを採用している。上下ベースは、このシースヒータを挟んだ状態で、ろう付け、はんだ付け、拡散接合のいずれかによって密に接合している。上下ベース及びシースヒータに用いられる材料として、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル基合金、チタン及びチタン合金を例示している。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６-２６０６８７号公報（段落００２１−００２５、第１図）
【０００６】
【特許文献２】
特開２０００−２４３５４２号公報（段落００１１−００１３、第３図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
セラミック製のヒータプレートに埋設するヒータにタングステン、モリブデン、タンタルを適用する場合、熱による膨張係数がセラミックと近似しているので、ヒータプレートの内部応力を抑えることができる。しかし、タングステン、モリブデン、タンタルは、固有抵抗値がニッケル−クロム合金に比べて小さいため、発熱効率が悪い。また、ニッケル−クロム合金をヒータとして埋設した場合、発熱効率は良くなるが、タングステン、モリブデン、タンタルに比べて融点の低いニッケル−クロム合金を直に埋め込んでヒータプレートを焼成するには、セラミックの材質の選択範囲が限定されてしまう。
【０００８】
また、シースヒータを金属製の上下ベースで挟んだヒータプレートは、上下ベースとシースヒータの保護パイプに同種材を選択することで、熱膨張差による歪が生じないが、温度を計測するための熱電対を備えていない。セラミック製のヒータプレートのようにシース熱電対を設けることも可能であるが、測定部以外が露出するため、プロセスチャンバ中の雰囲気の温度の影響を受けやすいとともに、ヒータプレートの下面側が煩雑になる。
【０００９】
そこで、本発明は、使用されるプロセスチャンバ中に充満するプロセスガスに対して十分な耐食性を有し、かつ発熱効率の優れたヒータユニットを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るヒータユニットは、互いに重ね合わせてろう付けされる金属製の第１プレート及び第２プレートと、第１プレートと第２プレートとの接合面の前記第１プレートに設けられた第１溝に沿って敷設されて第２プレートの中央部で第２プレートの接合面と反対側に連通する貫通孔を通して取り出されるシースヒータと、接合面の前記第２プレートに設けられた第２溝に沿って敷設されて第２プレートの中央部で第２プレートの接合面と反対側に連通する貫通孔を通して取り出されるシース熱電対と、貫通孔を囲う筒状に形成されて貫通孔から出されたシースヒータとシース熱電対とが内部に通されるシャフトとを備え、前記シースヒータのシースと前記第１プレートおよび前記第２プレートとが互いに同じ材質の金属材料からなり、前記シースヒータのシースと前記第１溝との隙間が０．１〜０．４ｍｍとなるよう前記シースヒータが前記第１溝に嵌め込まれかつ前記隙間にろう材が充填され該ろう材によって前記シースが前記第１溝に固定されているものである。
【００１１】
溝の加工を容易にするために、第１溝を第１プレートに設け、第２溝を第２プレートに設ける。温度変化による熱膨張差が生じないように、シースヒータのシースとシース熱電対のシースは、第１プレート及び第２プレートの金属材料と同じ材質の金属材料を用いる。腐食性の強いガス雰囲気中で使用するヒータユニットには、第１プレート、第２プレート、シースヒータのシース及びシース熱電対のシースをニッケル基耐熱合金製とする。また、ヒータの発熱効率を向上させるために、第１溝とシースヒータの隙間は、ろう材で充填する。
【００１２】
ヒータユニットの製造方法の一例は、第１プレートに第１溝を設ける第１溝加工工程と、第２プレートに第２溝を設ける第２溝加工工程と、第１溝にシースヒータを敷設するシースヒータ取付工程と、第２溝にシース熱電対を敷設するシース熱電対取付工程と、第２プレートにシース熱電対の測温部を固定する溶接工程と、第１プレートの第１溝が形成された側と第２プレートの第２溝が形成された側との少なくとも一方に第１溝とシースヒータとの隙間を満たしかつ第１プレートと第２プレートとを接合する充分な量のろう材を付着させるろう材付着工程と、シースヒータの端部とシース熱電対の端部を第２プレートの中央部に設けた貫通孔を通して第２溝が形成された側と反対側に導出した状態で第１溝と第２溝とを向き合わせて第１プレートと第２プレートとを接合させるろう付け工程とを備える。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る一実施形態のヒータユニット１について、図１から図４を参照して説明する。図１に示すように、ヒータユニット１は、第１プレート２、第２プレート３、シースヒータ４ａ，４ｂ、シース熱電対５ａ，５ｂ、シャフト６を備える。また、これらをヒータプレート１として組み合わせた状態を図４に示す。
【００１４】
第１プレート２及び第２プレート３は、金属製、具体的にはニッケル基耐熱合金製の円板状である。ニッケル基耐熱合金として、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）を用いることが好ましい。なお、ヒータユニットが使用される環境によっては、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金のいずれかを第１プレート２と第２プレート３に使用しても良い。
【００１５】
第１プレート２と第２プレート３は、外縁部においてピン７で位置合わせされ、ろう材８によって接合される。第１プレート２は、中央部と外縁寄りの範囲に、渦巻状に連続する第１溝９ａ，９ｂが形成されている。なお、本実施形態において、第１溝９ａ，９ｂは、中央部と外縁寄りの範囲の２か所に分けられているが、一続きであっても良いし、複数のリング状の範囲に分かれていても良いし、また、渦巻状以外のパターン形状で敷設されていても良い。
【００１６】
第２プレート３は、中央部に、接合面から外面に連通する貫通孔１０ａ，１０ｂがシースヒータ４ａ，４ｂとシース熱電対５ａ，５ｂの数に応じて設けられている。なお、これらの貫通孔１０ａ，１０ｂは、シースヒータ４ａ，４ｂとシース熱電対５ａ，５ｂを全て通せる１つの穴であっても良い。そして、図２に示すように第２プレート３は、第１プレート２に設けられた第１溝９ａ，９ｂの両端に対応する位置から中央部に向けて半径方向に、それぞれ第１溝９ａ，９ｂへの導入溝１１が設けられている。この導入溝１１は、各貫通孔１０ａまで互いに交差しないように配置されている。また、図３に示すように第２プレート３の接合面に第２溝１２が設けられている。第２溝１２は、中央部の貫通孔１０ｂから温度計測部１３まで半径方向へ延びている。
【００１７】
シースヒータ４ａ，４ｂは、抵抗加熱によって発熱するヒータ線１４ａを金属製のシース１４ｂで覆ったものである。ヒータ線１４ａとシース１４ｂとは、例えば酸化マグネシウムやアルミナなどセラミックの粉体１４ｃが間に充填されることによって絶縁される。シースヒータ４ａ，４ｂは、第１溝９ａ，９ｂに沿わせて嵌め込まれ、ろう付けによって固定される。また、シースヒータ４ａ，４ｂは、第１溝９ａ，９ｂの両端で第１溝９ａ，９ｂから第２プレート３の導入溝１１に沿うように曲げられ、さらに、第１プレート２と第２プレート３を重ね合わせたときに貫通孔１０ａから端部が出るように曲げられている。
【００１８】
シースヒータ４ａ，４ｂと第１溝との密着性を向上させるために、第１溝９ａ，９ｂの底は、シースヒータ４ａ，４ｂの外形に合わせて丸く加工する。シースヒータ４ａ，４ｂと第１溝９ａ，９ｂとの間隙が０．１ｍｍ以下の場合、シースヒータ４ａ，４ｂと第１溝９ａ，９ｂとの間のろう材８が不足し、ろう付け不良を生じる恐れがある。また、間隙が０．５ｍｍ以上の場合、ろう材８が不足することで引け巣や空隙ができ、また、ろう材８で間隙が満たされても脆化層が生じやすくなるので、加熱と放熱を繰り返すことでろう付け部に亀裂が生じやすい。したがって、シースヒータ４ａ，４ｂと第１溝９ａ，９ｂの間隙は、０．１〜０．４ｍｍ程度となるように管理することが好ましい。
【００１９】
シース熱電対５ａ，５ｂは、先端に測温部１５ａが配置されるように熱電対を金属製のシース１５ｂで覆ったものである。熱電対とシース１５ｂは、例えば酸化マグネシウムやアルミナなどセラミックの粉体が間に充填されることによって絶縁されている。シース熱電対５ａ，５ｂは、第２溝１２に沿わせて嵌め込まれる。測温部１５ａは、第２プレート３に溶接される。シース熱電対５ａ，５ｂは、基端部１５ｃが第２プレート３の貫通孔１０ｂから出るように曲げられる。本実施形態では、シースヒータ４ａ，４ｂの数にあわせてそれぞれ１つずつシース熱電対５ａ，５ｂを配置している。ヒータユニット１の温度制御をより精度よく行うために、図示した以外の位置にも第２溝を設けてシース熱電対を配置しても良い。
【００２０】
シースヒータ４ａ，４ｂ及びシース熱電対５ａ，５ｂのシース１４ｂ、１５ｂは、第１プレート２及び第２プレート３と同じ材質のニッケル基耐熱合金で造られることが好ましいが、線膨張係数が第１プレート２や第２プレート３と近似した金属製材料、例えばステンレス鋼でも良い。また、第１プレート２及び第２プレート３に他の金属材料が適用される場合は、その金属材料と同じ材質の金属材料のシースを用いることが好ましい。
【００２１】
シャフト６は、第２プレート３の中央部に設けられた貫通孔１０ａ，１０ｂを囲む円筒状である。貫通孔１０ａ，１０ｂから出されたシースヒータ４ａ，４ｂ及びシース熱電対５ａ，５ｂは、シャフト６の内部に通される。シャフト６と第２プレート３は、溶接またはろう付けなど、内部と外部との気密を維持できる方法で接合されている。
【００２２】
次に、以上のように構成されるヒータユニット１の製造方法について説明する。ヒータユニット１の製造方法は、第１溝加工工程、第２溝加工工程、シースヒータ取付工程、シース熱電対取付工程、溶接工程、ろう材付着工程、及びろう付け工程を備える。第１溝加工工程において、第１プレート２は、第１溝９ａ，９ｂが形成される。第２溝加工工程において、第２プレート３は、第２溝１２及び導入溝１１が形成される。第１プレート２は、第１溝加工工程の後、シースヒータ取付け工程において、シースヒータ４ａ，４ｂが第１溝９ａ，９ｂに沿って敷設される。第２プレート３は、第２溝加工工程の後、シース熱電対取付け工程において、シース熱電対５ａ，５ｂが第２溝１２に沿って敷設される。シース熱電対５ａ，５ｂの測温部１５ａは、溶接工程において、温度計測部１３に位置する第２溝１２の末端に溶接され、シース熱電対５ａ，５ｂの基端部１５ｃは、第２プレート３の中央部に設けられた貫通孔１０ａに通される。第１プレート２は、ろう材付着工程において、第１溝９ａ，９ｂが形成された接合面に箔状のろう材８が付着される。ろう材８の量は、第１溝９ａ，９ｂとシースヒータ４ａ，４ｂとの隙間を満たしかつ第１プレート２と第２プレート３とを接合する充分な量である。なお、シースヒータ４ａ，４ｂの端部を通す穴がろう材８に設けられる。ろう付け工程において、シースヒータ４ａ，４ｂの端部は、第２プレート３の中央部に設けられた貫通孔１０ｂを通して第２溝１２が形成された側と反対側に取り出される。この状態で、第１プレート２と第２プレート３は、第１溝９ａ，９ｂと第２溝１２とがそれぞれ形成された接合面をあわせる。第１溝９ａ，９ｂと導入溝１１の位置は、第１プレート２と第２プレート３の外縁部に取付けられる位置決め用のピン７によって合わされる。さらに、貫通孔１０ａ，１０ｂから取り出されたシースヒータ４ａ，４ｂとシース熱電対５ａ，５ｂとが通されたシャフト６が、第２プレート３にろう材８を挟んで据えられる。この状態で、ヒータユニット１は、真空炉に入れられて真空引きされた後、ろう材８が溶融する温度まで加熱されることで、第１プレート２と第２プレート３、及び第２プレート３とシャフト６とがろう付けされる。また、第１溝９ａ，９ｂとシースヒータ４ａ，４ｂの隙間は、ろう材８で充填される。なお、シャフト６と第２プレート３との接合は、第１プレート２と第２プレート３とをろう付けした後に溶接などによって接合しても良い。
【００２３】
なお、図示しないが、第１プレート２の表面に、半導体ウエハを吸着するための排気溝や排気孔を設けたり、半導体ウエハを第１プレート２から離すリフトピンを通すため穴を設けたりしても良い。また、第１溝９ａ，９ｂを第１プレート２に、第２溝１２を第２プレート３に設けたが、第１溝９ａ，９ｂと第２溝１２をどちらか一方のプレートに凹設しても良い。さらに、第１溝９ａ，９ｂや第２溝１２に相当するスリットを設けたプレートを第１プレート２と第２プレート３との間に挟んでろう付けしても良い。
【００２４】
以上のように構成されたヒータユニット１においてシースヒータ４ａ，４ｂとシース熱電対５ａ，５ｂは、第１プレート２と第２プレート３との接合面に設けた第１溝９ａ，９ｂと第２溝１２に嵌め込まれている。そして、シースヒータ４ａ，４ｂの端部とシース熱電対５ａ，５ｂの基端１５ｃは、第２プレート３の中央部に設けた貫通孔１０ａ，１０ｂから取り出され、シャフト６の内部に通されている。したがって、シースヒータ４ａ，４ｂ及びシース熱電対５ａ，５ｂが露出することなく、ヒータユニット１の周辺が煩雑にならない。また、シースヒータ４ａ，４ｂやシース熱電対５ａ，５ｂがシャフト６の内部に通されているので、半導体の製造プロセスにおいて、腐食性の強いプロセスガスで充満されたプロセスチャンバの中で使用される場合でも、シースヒータ４ａ，４ｂやシース熱電対５ａ，５ｂがガス雰囲気中に晒されることがない。第１プレート２及び第２プレート３が金属製であるので、セラミック製のものに比べて、溝の加工が容易であるとともに、振動や衝撃或いは応力などに対する耐久性に優れ、ろう材８に対する濡れ性も良好である。
【００２５】
また、シースヒータ４ａ，４ｂやシース熱電対５ａ，５ｂのシース１４ｂ，１５ｂを第１プレート２及び第２プレート３の金属材料と同じ材質の金属材料にするので、温度変化によってシースヒータ４ａ，４ｂおよびシース熱電対５ａ，５ｂと第１プレート２および第２プレート３との間に応力が発生しない。
【００２６】
さらに、シースヒータ４ａ，４ｂが第１プレート２の第１溝９ａ，９ｂにろう付けされているので、シースヒータ４ａ，４ｂから第１プレート２への熱伝達効率がよい。また、シース熱電対５ａ，５ｂの測温部１５ａも第１プレート２及び第２プレート３にろう付けによって接触しているので、温度測定の応答性が良い。
【００２７】
【発明の効果】
本発明に係るヒータユニットによれば、シースヒータとシース熱電対が外部に露出しない。したがって、半導体の製造プロセスにおける腐食性の強いプロセスガスが充満するプロセスチャンバ中で使用される場合でも、シースヒータとシース熱電対がガス雰囲気中に晒されることがないので、耐食性が向上する。
【００２８】
また、シースヒータおよびシース熱電対のシースの材料に第１プレートと第２プレートに用いる金属材料と同じ材質の金属材料を用いるので、温度変化による熱膨張差がシースヒータ及びシース熱電対と第１プレート及び第２プレートとの間に生じない。したがって、加熱と放熱を繰返す条件で使用される場合でも、蓄積される疲労が少なく耐久性に優れている。
【００２９】
そして、第１プレート、第２プレート、シースヒータのシース、シース熱電対のシースを同じ材質のニッケル基耐熱合金製にすることで、耐熱性のみならず耐食性に優れたヒータユニットとすることができる。
【００３０】
さらに、第１溝とシースヒータとの隙間が０．１〜０．４ｍｍとなるよう前記シースヒータが前記第１溝に嵌め込まれかつ前記隙間にろう材が充填され、該ろう材によって前記シースヒータのシースが前記第１溝に固定されているので、シースヒータで発生した熱が効率良く第１プレートに伝わり、加熱と放熱を繰り返してもろう付け部に亀裂が生じにくく脆化層も生じにくい。また、シース熱電対も第１プレートとろう材によって接触していれば、温度計測の応答性が良い。したがって、シース熱電対によって検出された温度を基にシースヒータの発熱量を制御することで、ヒータユニットの温度及びその分布を細かく調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施形態のヒータユニットを示す分解斜視図。
【図２】図４中のＦ２−Ｆ２に沿って示すヒータユニットの部分断面図。
【図３】図４中のＦ３−Ｆ３に沿って示すヒータユニットの部分断面図。
【図４】図１に示すヒータユニットを示す斜視図。
【符号の説明】
１…ヒータユニット、２…第１プレート、３…第２プレート、４ａ，４ｂ…シースヒータ、５ａ，５ｂ…シース熱電対、６…シャフト、８…ろう材、９ａ，９ｂ…第１溝、１０ａ，１０ｂ…貫通孔、１２…第２溝、１４ｂ，１５ｂ…シース。

Claims

互いに重ね合わせてろう付けされる金属製の第１プレート及び第２プレートと、
前記第１プレートと前記第２プレートとの接合面の前記第１プレートに設けられた第１溝に沿って敷設されて前記第２プレートの中央部で前記第２プレートの接合面と反対側に連通する貫通孔を通して取り出されるシースヒータと、
前記接合面の前記第２プレートに設けられた第２溝に沿って敷設されて前記第２プレートの中央部で前記第２プレートの接合面と反対側に連通する貫通孔を通して取り出されるシース熱電対と、
前記貫通孔を囲う筒状に形成されて前記貫通孔から出された前記シースヒータと前記シース熱電対とが内部に通されるシャフトとを備え、
前記シースヒータのシースと前記第１プレートおよび前記第２プレートとが互いに同じ材質の金属材料からなり、
前記シースヒータのシースと前記第１溝との隙間が０．１〜０．４ｍｍとなるよう前記シースヒータが前記第１溝に嵌め込まれ、かつ、
前記隙間にろう材が充填され該ろう材によって前記シースヒータのシースが前記第１溝に固定されていることを特徴とするヒータユニット。
前記シース熱電対のシースは、前記第１プレート及び第２プレートに使用される金属材料と同じ材質の金属材料で造られることを特徴とする請求項１に記載のヒータユニット。
前記第１プレートと前記第２プレートと前記シースヒータのシースと前記シース熱電対のシースとは、同じ材質のニッケル基耐熱合金製であることを特徴とする請求項１に記載のヒータユニット。