JP4133958B2 - ワークを加熱または冷却するための装置と、その製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば半導体製造プロセス等において半導体ウエハ等のワークを加熱または冷却するために使用する装置と、その製造方法に関する。

例えば半導体製造プロセスにおいて、半導体ウエハを加熱するためのヒータ装置を備えたプロセスチャンバが使用されている。該ヒータ装置では、例えば柱状のシャフトの上端の外周が、発熱体を備えたプレートの下面にろう付あるいはビーム溶接等によって固定されている。前記シャフトの下端は、プロセスチャンバの底壁にろう付あるいは溶接によって固定されている。（下記特許文献１参照）
また、半導体ウエハ加熱装置において、導線が挿通される円筒状体をセラミックスヒータに固定する手段として、該円筒状体を、円盤状セラミックス基体の所定位置に、チタン蒸着金ろう、チタン蒸着銀ろう、ガラス接合等によって接合することも提案されている。（下記特許文献２参照）
特開２００１−３２６１８１号公報 特許第２５２５９７４号公報

前記特許文献１のヒータ装置は、プレートとシャフトとの接合部（ろう付部または溶接部）の面積が小さく、しかもシャフトとプレートの接合部に熱応力が加わったときに接合部に応力が集中しやすい。万一この接合部に過剰な応力が集中すると、接合部等が破損する懸念がある。また、複数のプレート要素を重ねることによってプレートを構成する場合に、各プレート要素どうしをろう付する工程と、プレートをシャフトに接合する工程とを別個に実施する必要があるために、製造に要する工数が多く、コストが高くなる要因となる。

引用文献２の半導体ウエハ加熱装置の場合、円筒状体と円盤状セラミックス基体とのろう付接合部の強度が低く、熱応力の大きさいかんによっては、接合部が剥離する可能性がある。また、ろう付時にセラミックス製の円筒状体と円盤状セラミックス基体に大きな荷重を加えると、円筒状体や円盤状セラミックス基体が破損するおそれがある。

従って本発明の目的は、シャフト部材とプレート部材の接合部が熱応力によって破損することがなく、しかもろう付に適した荷重をシャフト部材とプレート部材に加えることが可能なワークを加熱または冷却するための装置と、その製造方法を提供することにある。

本発明のワークを加熱または冷却するための装置は、シャフト部材と、前記シャフト部材の端部に固定されるプレート部材とを備え、前記シャフト部材は、シャフト本体と、該シャフト本体の端部に該シャフト本体と一体に成形されかつ該シャフト本体よりも大きい径を有するフランジ部とを有し、前記プレート部材は、前記フランジ部を収容する凹部を有し、さらに、前記プレート部材に対する前記フランジ部の径方向の位置決めをなす位置決め部と、前記フランジ部の周面と前記凹部の内周面との間に形成されるギャップと、前記凹部内において前記フランジ部の端面と前記プレート部材を互いに接合するろう付部とを具備している。
前記シャフト部材と前記プレート部材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。

本発明の好ましい形態では、前記プレート部材は、複数のプレート要素を互いに厚み方向に重ねてろう付することによって構成され、これらプレート要素間のろう付部が、前記フランジ部の端面と平行である。また、前記フランジ部の裏面と前記プレート部材の裏面が、互いに略同一の平面上に位置していてもよい。

本発明の製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるシャフト部材と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、該シャフト部材の端部に固定されかつ厚み方向に重なる複数のプレート要素によって構成されるプレート部材と、を有するワークを加熱または冷却するための装置の製造方法であって、シャフト部材の端部に、シャフト本体よりも径が大きいフランジ部を形成し、前記複数のプレート要素のうち前記フランジ部がろう付されるプレート要素に、前記フランジ部を挿入可能な凹部を形成し、前記フランジ部の厚さを前記凹部の深さよりも大とし、かつ、前記フランジ部の径は該フランジ部を前記凹部に挿入した状態において前記凹部の内周面と該フランジ部の周面との間にギャップが生じる寸法とする。

そして前記複数のプレート要素間にろう材を配置し、これらプレート要素を互いに厚み方向に重ね、前記フランジ部の端面と前記プレート要素との間にろう材を配置し、前記フランジ部を前記凹部に挿入し、フランジ部の裏面を加圧用治具によって前記シャフト部材の軸線方向に加圧する。この加圧によって前記フランジ部の厚みが減少するとともに、該フランジ部の周面が拡がることを前記ギャップによって許容する。

前記加圧によって該フランジ部の裏面と前記プレート要素の裏面が面一となったのち、前記加圧用治具を該フランジ部の裏面と前記プレート要素の裏面に接触させた状態で該フランジ部と前記プレート要素の双方を前記軸線方向に加圧し、前記各ろう材が溶融する温度に加熱することにより、前記フランジ部とプレート要素とをろう付すると同時に、前記プレート要素どうしをろう付する。

本発明によれば、シャフト部材に形成されたフランジ部の端面を、プレート部材の凹部内において、プレート部材に対して広い面積でろう付することができ、熱応力によってろう付部等が破損することを防止できる。また、シャフト部材のフランジ部をプレート部材の凹部に挿入することにより、フランジ部とプレート部材を共通の加圧用治具によって加圧することが可能となり、ろう付に適した荷重をフランジ部とプレート部材のろう付部に加えることができ、かつ、フランジ部とプレート部材のろう付を同時に行うことが可能となる。

以下に本発明の一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１は、例えば半導体製造プロセスに用いる処理装置１０を示している。この処理装置１０は、密閉可能な筐体を構成するプロセスチャンバ１１と、プロセスチャンバ１１の内部に収容されるヒータ装置１２などを備えている。このヒータ装置１２は、ワークを加熱するための装置の一例である。

ヒータ装置１２は、支柱として機能するシャフト部材２０と、該シャフト部材２０の上端に固定されるプレート部材２１とを有している。シャフト部材２０の下端２２は、プロセスチャンバ１１の底壁２３に固定される。シャフト部材２０の下端２２に形成された溝２４には、シャフト部材２０と底壁２３との間をシールするためのシール材（図示せず）が設けられる。

シャフト部材２０は、上下方向に延びるシャフト本体３０と、シャフト本体３０の上端部にシャフト本体３０と一体に成形された円板形のフランジ部３１とを有している。シャフト本体３０は、例えばアルミニウムもしくはアルミニウム合金の中実材からなる。シャフト本体３０の軸線Ｘは上下方向に延びている。フランジ部３１の径Ｄ１（図２に示す）は、シャフト本体３０の幅方向の寸法Ｄ２よりも大きい。

図１に示すように、プレート部材２１の内部に、発熱体の一例としての抵抗発熱体４０（シースのみ図示する）が設けられている。この抵抗発熱体４０は、プレート部材２１に形成された溝４０ａに収容されている。シャフト部材２０の内部に、シャフト本体３０の軸線Ｘに沿う貫通孔４１，４２が形成されている。一方の貫通孔４１に、抵抗発熱体４０に導通する導線（図示せず）が挿通される。このヒータ装置１２の使用時に、プレート部材２１の上面に、ワークの一例としての半導体ウエハ（図示せず）が載置される。

プレート部材２１は、一例として、３枚のプレート要素５１，５２，５３を厚み方向に重ね、互いにろう付することによって構成されている。図１において、第１のプレート要素５１と第２のプレート要素５２との間にろう付部５５が形成され、第２のプレート要素５２と第３のプレート要素５３との間にろう付部５６が形成されている。

プレート要素５１，５２，５３は、いずれもシャフト部材２０と同様のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ほぼ円板形に形成されている。これらプレート要素５１，５２，５３の外径は互いに同等である。

第１のプレート要素５１と第２のプレート要素５２は、図２に示すろう材６０によって互いに接合される。第２のプレート要素５２と第３のプレート要素５３は、ろう材６１によって互いに接合される。これらプレート要素５１，５２には、必要に応じて、所定位置に溝６２や孔６３などが形成されている。

フランジ部３１の端面７０の複数箇所に、前記軸線Ｘ方向に突出する小突起７１が形成されている。第１のプレート要素５１には、小突起７１に嵌合可能な孔７２が形成されている。小突起７１を孔７２に挿入することにより、フランジ部３１をろう付するプレート要素５１とフランジ部３１との径方向の位置決めをなすことができる。これらの小突起７１と孔７２は、位置決め部として機能する。

フランジ部３１の端面７０と第１のプレート要素５１との間に、ろう付部７３（図１に示す）が形成されている。このろう付部７３は、プレート要素５１，５２，５３間の前記ろう付部５５，５６と平行である。これらのろう付部５５，５６，７３は、フランジ部３１の端面７０と平行である。

第１のプレート要素５１に、フランジ部３１を収容可能な大きさの円形の凹部８０が形成されている。ろう付前のフランジ部３１の厚さＨ１（図２に示す）は、凹部８０の深さＨ２よりも僅かに大きい。

また、フランジ部３１の外径Ｄ１は、凹部８０の内径Ｄ３よりも僅かに小さい。このため、フランジ部３１を凹部８０に挿入した状態において、フランジ部３１の周面３１ａと凹部８０の内周面８０ａとの間に、０．２ｍｍ〜２．０ｍｍ程度のギャップＧ（図４に示す）が、フランジ部３１の全周にわたって形成される。

フランジ部３１の端面７０と第１のプレート要素５１は、凹部８０内において、図２に示すろう材８５によって互いに接合される。このろう材８５は、前記ろう材６０，６１と同様に、例えばＡｌにＳｉ等を添加した箔である。ろう材６０，６１，８５の厚さは、例えば数十μｍである。

次に、上記ヒータ装置１２の製造方法について説明する。
図２に示すように、第１のプレート要素５１と第２のプレート要素５２との間にろう材６０を配置する。また、第２のプレート要素５２と第３のプレート要素５３との間にもろう材６１を配置する。さらに、フランジ部３１と第１のプレート要素５１との間にろう材８５を配置する。

図３に示すように、各プレート要素５１〜５３を図１とは上下を逆さまにした状態で、受け治具１００の平坦な支持面１０１の上に載置する。また第１のプレート要素５１の凹部８０にフランジ部３１を挿入する。このとき、位置決め部として機能する小突起７１が孔７２に嵌合することにより、プレート要素５１に対するフランジ部３１の径方向の位置が決まるとともに、フランジ部３１の全周に前記ギャップＧが形成される。

図４に示すように、フランジ部３１の裏面３１ｂ（図４においてフランジ部３１の上側の面）に、加圧用治具１０２の平坦な加圧面１０３を接触させる。そして真空炉内で、フランジ部３１とプレート要素５１，５２，５３を、ろう材６０，６１，８５が溶融し拡散する温度（例えば５００℃）に加熱するとともに、加圧用治具１０２によって、軸線Ｘ方向に荷重Ｐを加える。

フランジ部３１に荷重Ｐを負荷する前は、前述したようにフランジ部３１の厚さＨ１が凹部８０の深さＨ２よりも大きい。このため、フランジ部３１の厚さＨ１と凹部８０の深さＨ２の差ΔＨ（図４に示す）だけ、フランジ部３１の裏面３１ｂが第１のプレート要素５１の裏面５１ａ（図４においてプレート要素５１の上側の面）よりも高くなっている。

この状態で、加圧用治具１０２によって、フランジ部３１に軸線Ｘ方向の荷重Ｐを加えると、始めのうちは加圧用治具１０２はフランジ部３１のみを加圧する。この状態のもとでは、受け治具１００と加圧用治具１０２とによって、主にフランジ部３１と、プレート要素５１，５２，５３の中央部付近が厚み方向に加圧される。

前記荷重Ｐによって、フランジ部３１が厚み方向にある程度潰されると、フランジ部３１の厚さＨ１が小さくなる。フランジ部３１の厚さＨ１が小さくなると、フランジ部３１の周面３１ａが径方向に拡がるため、図５に示すようにギャップＧの幅Ｗが狭まる。しかしこのギャップＧによって、フランジ部３１の周面３１ａが拡がることが許容される。

フランジ部３１の厚さＨ１が凹部８０の深さＨ２と同等になると、図５に示すように、加圧用治具１０２の加圧面１０３がフランジ部３１の裏面３１ｂと、プレート要素５１の裏面５１ａとの双方に接するようになる。このため加圧用治具１０２は、フランジ部３１と第１のプレート要素５１の双方を、軸線Ｘ方向に加圧することになる。この状態のもとでは、フランジ部３１と、プレート要素５１，５２，５３の全体が、厚み方向に加圧される。

上記の軸線Ｘ方向の加圧と加熱によって、ろう材６０，６１，８５が溶融し、フランジ部３１とプレート要素５１，５２，５３のＡｌ中に拡散することにより、ろう付部５５，５６，７３のろう付が同時に行われる。すなわち、フランジ部３１と第１のプレート要素５１間のろう材８５が、フランジ部３１と第１のプレート要素５１の接合面に拡散することにより、フランジ部３１と第１のプレート要素５１が互いに強固に接合する。

また、これと同時に、第１のプレート要素５１と第２のプレート要素５２との間のろう材６０が、これらプレート要素５１，５２の接合面において拡散することにより、第１および第２のプレート要素５１，５２が互いに強固に接合する。さらに、第２のプレート要素５２と第３のプレート要素５３との間のろう材６１が、これらプレート要素５２，５３の接合面において拡散することにより、第２および第３のプレート要素５２，５３が互いに強固に接合する。

上記したように、フランジ部３１と各プレート要素５１，５２，５３が同時に厚み方向に加圧されつつ、ろう材６０，６１，８５が溶融し拡散することにより、一回のホットプレス工程によって、３箇所のろう付部５５，５６，７３のろう付が能率良く完了する。このヒータ装置１２は、フランジ部３１の端面７０に沿うろう付部７３が、プレート要素５１，５２，５３間のろう付部５５，５６と平行であるため、軸線Ｘ方向に加える荷重Ｐによって、これら３箇所のろう付部５５，５６，７３を同時に加圧することができる。

なお、前記ろう付後に、フランジ部３１の裏面３１ｂと、プレート要素５１の裏面５１ａを、機械加工によって所定の厚さとなるように研削してもよい。また、シャフト部材２０とプレート要素５１，５２，５３の材質はアルミニウム合金以外の金属が使用されてもよい。プレート部材は、１枚あるいは２枚のプレート要素、あるいは３枚以上のプレート要素によって構成されてもよい。また位置決め部としては、前記小突起７１と孔７２以外に、種々の形態のものを採用することができる。

前記実施形態では、ワークを加熱するための装置としてヒータ装置１２について説明したが、本発明はワークを冷却するための装置に適用することもできる。ワークを冷却するための装置では、プレート部材に冷媒流通用の溝や孔が形成され、これらの溝や孔に冷却媒体が流通される。

例えば前記プレート部材２１に形成された溝４０ａ（図１に示す）に抵抗発熱体４０を収容する代わりに、溝４０ａの内部に冷媒回路によって冷却媒体を流せば、プレート部材２１をワーク冷却用の装置に使用することができる。あるいは、プレート部材に形成された溝の内部に冷媒流通管を収容し、この冷媒流通管に冷媒回路を接続することによって、プレート部材を冷却するようにしてもよい。

本発明の一実施形態を示すヒータ装置の断面図。 上記ヒータ装置のろう付前のシャフト部材とプレート要素およびろう材を示す断面図。 図２に示されたプレート要素を治具に載置した状態の斜視図。 ろう付前の上記ヒータ装置の一部を示す断面図。 ろう付後の上記ヒータ装置の一部を示す断面図。

符号の説明

１２…ヒータ装置
２０…シャフト部材
２１…プレート部材
３０…シャフト本体
３１…フランジ部
３１ａ…周面
３１ｂ…裏面
５１，５２，５３…プレート要素
５１ａ…裏面（プレート部材の裏面）
５５，５６…ろう付部
７０…端面
７１…小突起（位置決め部）
７３…ろう付部
８０…凹部
８０ａ…内周面
Ｇ…ギャップ

Claims (4)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるシャフト部材と、
   アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記シャフト部材の端部に固定されるプレート部材と、
   を備え、
   前記シャフト部材は、シャフト本体と、該シャフト本体の端部に該シャフト本体と一体に成形されかつ該シャフト本体よりも大きい径を有するフランジ部とを有し、
   前記プレート部材は、前記フランジ部を収容する凹部を有し、さらに、
   前記プレート部材に対する前記フランジ部の径方向の位置決めをなす位置決め部と、
   前記フランジ部の周面と前記凹部の内周面との間に形成されるギャップと、
   前記凹部内において前記フランジ部の端面と前記プレート部材を互いに接合するろう付部と、
   を具備したことを特徴とするワークを加熱または冷却するための装置。
2. 前記プレート部材は、
   複数のプレート要素を互いに厚み方向に重ねてろう付することによって構成され、
   これらプレート要素間のろう付部が、前記フランジ部の端面と平行であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記フランジ部の裏面と前記プレート部材の裏面が、互いに略同一の平面上に位置していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるシャフト部材と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、該シャフト部材の端部に固定されかつ厚み方向に重なる複数のプレート要素によって構成されるプレート部材と、を有するワークを加熱または冷却するための装置の製造方法であって、
   前記シャフト部材の端部に、シャフト本体よりも径が大きいフランジ部を形成し、
   前記複数のプレート要素のうち前記フランジ部がろう付されるプレート要素に、前記フランジ部を挿入可能な凹部を形成し、
   前記フランジ部の厚さを前記凹部の深さよりも大とし、かつ、
   前記フランジ部の径は該フランジ部を前記凹部に挿入した状態において前記凹部の内周面と該フランジ部の周面との間にギャップが生じる寸法とし、
   前記複数のプレート要素間にろう材を配置し、
   これらプレート要素を互いに厚み方向に重ね、
   前記フランジ部の端面と前記プレート要素との間にろう材を配置し、
   前記フランジ部を前記凹部に挿入し、
   前記フランジ部の裏面を加圧用治具によって前記シャフト部材の軸線方向に加圧し、
   前記加圧によって前記フランジ部の厚みが減少するとともに、該フランジ部の周面が拡がることを前記ギャップによって許容し、
   前記加圧によって該フランジ部の裏面と前記プレート要素の裏面が面一となったのちは、前記加圧用治具を該フランジ部の裏面と前記プレート要素の裏面に接触させた状態で該フランジ部と前記プレート要素の双方を前記軸線方向に加圧し、
   前記各ろう材が溶融する温度に加熱することにより、
   前記フランジ部とプレート要素とをろう付すると同時に、前記プレート要素どうしをろう付することを特徴とするワークを加熱または冷却するための装置の製造方法。

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