JP4526734B2 - ヒータエレメント、加熱装置及び基板加熱装置 - Google Patents
ヒータエレメント、加熱装置及び基板加熱装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒータエレメント、加熱装置並びに基板加熱装置に関し、特に、給電用電極棒と給電用端子との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られる連結構造を有するヒータエレメント、および前記ヒータエレメントを用いた加熱装置並びに基板加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、高温度領域での使用に耐え、あらゆる使用雰囲気において耐久性に優れ、製造容易であり、しかも、メンテナンスが容易なヒータエレメントとして、チャンバー内に配置され、通電により発熱する発熱体素子と、前記チャンバーに取り付けられるとともに、前記チャンバー内を気密に覆う焼結体板と、前記焼結体板と気密に封着され、一端が前記発熱体素子に連結され、他端が前記焼結体板を貫通して前記チャンバー外に導出される導電性セラミックス焼結体製の給電用電極棒とを備えたヒータエレメントが知られている。
また、上記のヒータエレメントを備えた加熱装置や基板加熱装置が知られている。
【０００３】
このようなヒータエレメントや、前記ヒータエレメントを備えた加熱装置や基板加熱装置においては、ヒータエレメントの給電用電極棒にリード線が連結されている。そして、給電用電極棒にリード線を連結することにより、電力の供給が可能となり、供給電力の増減により発熱体素子の温度制御ができるようになっている。
【０００４】
図６は、従来のヒータエレメントにおける給電用電極棒とリード線との連結構造の一例を示した図であり、図６（ａ）は、側面図であり、図６（ｂ）は、給電用電極棒におけるリード線が連結される側の端部から見た図である。
図６において、符号５１は、給電用電極棒とリード線との連結部を示している。連結部５１において、給電用電極棒５４とリード線５９とは、給電用電極棒５４の端部に巻き付けられた、例えば、高温下での耐熱性に優れるＦｅーＣｒーＮｉ系合金（インコネル合金）やＮｉ等の金属薄板よりなる給電用端子５７の貫通孔５８に、金属製のボルト５２を挿入して、金属製のナットおよびワッシャーを用いて固定し、給電用端子５７が固定されている部分にリード線５９を連結することによって連結されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示した給電用電極棒５４とリード線５９との連結構造では、ヒータエレメントを昇温させた際、金属からなる給電用端子５７と導電性セラミックス焼結体からなる給電用電極棒５４との接触面積が、給電用端子５７と給電用電極棒５４との熱膨張率の差に起因して低下し、給電用端子５７と給電用電極棒５４との間に隙間が形成されてしまうことによる異常放電が発生しやすい。このため、耐久性が充分でなく、破損しやすいという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記の従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであり、そのための具体的な技術的課題は、給電用電極棒と給電用端子との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られる連結構造を有するヒータエレメント、および前記ヒータエレメントを用いた加熱装置並びに基板加熱装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明のヒータエレメントは、通電により発熱する発熱体素子と、焼結体板と、前記焼結体板を貫通し、その貫通部分において前記焼結体板と気密に封着され、前記発熱体素子に一端が連結された導電性セラミックス焼結体製の給電用電極棒と、前記給電用電極棒の他端に連結された金属製の給電用端子とを少なくとも備え、前記給電用端子には凹状部が形成され、前記凹状部の内部に前記給電用電極棒の他端が挿入され、前記給電用端子は前記給電用電極棒に嵌着されて嵌着部を形成し、前記嵌着部において前記給電用端子と前記給電用電極棒とが機械的固定手段により固定されていることを特徴とする。
【０００８】
本願発明において、「機械的固定手段」とは、嵌着部を固定するためのものであり、給電用電極棒と給電用端子との連結を強固にし、給電用端子の熱膨張を抑制するものである。具体的には、例えば、ボルトと、ナットおよびワッシャーとからなるものなどが含まれる。
【０００９】
このようなヒータエレメントにおいては、給電用電極棒と給電用端子との連結構造は、給電用端子には凹状部が形成され、前記凹状部の内部に前記給電用電極棒の他端が挿入され、前記給電用端子は前記給電用電極棒に嵌着されて嵌着部を形成し、前記嵌着部において前記給電用端子と前記給電用電極棒とが機械的固定手段により固定されているものであるので、連結構造が昇温した際に生じる給電用端子の横方向の熱膨張を、機械的固定手段により抑制することができ、給電用電極棒と給電用端子との接触面積の低下を防ぐことができる。このため、給電用電極棒と給電用端子との間に隙間が生じにくくなり、異常放電が発生しないものとなる。したがって、給電用電極棒と給電用端子との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られる。
【００１０】
また、上記のヒータエレメントにおいては、前記機械的固定手段は、前記給電用電極棒との熱膨張係数の差が２×１０-6／℃以下となる材料で形成されていることが望ましい。
このようなヒータエレメントとすることで、連結構造が昇温した際に、給電用端子が熱膨張することにより、給電用電極棒と給電用端子との接触面積が低下して異常放電の原因となることを有効に防止することができ、より一層、耐久性を向上させることができる。
【００１１】
また、上記のヒータエレメントにおいては、前記機械的固定手段は、前記給電用電極棒と同一の材料で形成されていることが望ましい。
このようなヒータエレメントとすることで、機械的固定手段と給電用電極棒との熱膨張係数の差がないものとなり、より一層、耐久性を向上させることができる。
【００１２】
また、上記のヒータエレメントにおいては、前記凹状部を構成する壁面の厚みは、０．５〜３ｍｍの範囲であることが望ましい。
このようなヒータエレメントとすることで、電流を十分に流すことができるとともに、壁面が熱膨張して給電用電極棒と給電用端子との接触面積が低下することによる給電用電極棒と給電用端子との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られる。
【００１３】
また、上記の目的を達成するために、本発明の加熱装置は、チャンバーと、上記のいずれかに記載のヒータエレメントとを少なくとも備え、前記ヒータエレメントを構成する焼結体板が、前記チャンバーに気密に取り付けられていることを特徴とする。
このような加熱装置は、上記のいずれかに記載のヒータエレメントを備えたものであるので、給電用電極棒と給電用端子との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られるものとなる。
【００１４】
また、上記の目的を達成するために、本発明の基板加熱装置は、チャンバーと、上記のいずれかに記載のヒータエレメントと、前記チャンバー内に設けられ、一方の面には基板が載置され、他方の面には前記ヒータエレメントの発熱体素子が配置される基板支持台とを少なくとも備え、前記ヒータエレメントを構成する焼結体板が、前記チャンバーに気密に取り付けられていることを特徴とする。
このような基板加熱装置は、上記のいずれかに記載のヒータエレメントを備えたものであるので、給電用電極棒と給電用端子との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られるものとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、この実施形態は、本発明の要旨を説明するためのものであり、特に限定がない限り本発明を限定するものではない。
【００１６】
図１は、本発明のヒータエレメントの一例を説明するための図であり、図１（ａ）は、発熱体素子側から見た平面図であり、図１（ｂ）は、側面図である。
図１において、符号２０は、ヒータエレメントを示している。このヒータエレメント２０は、発熱体素子２と焼結体板３と給電用電極棒４と給電用端子７と機械的固定手段２５とを備えたものであり、焼結体板３よりも発熱体素子２側がチャンバー（図示略）内に配置され、焼結体板３よりも給電用端子７側がチャンバー外に配置されるものである。
【００１７】
発熱体素子２は、通電により発熱するものであり、図１に示すように平面視円形の平板状であり、中央部から外周部に向かって徐々に発熱体素子２の幅が薄くなるように形成されたスパイラル状となっている。
発熱体素子２は、導電性セラミックス焼結体からなり、具体的には、例えば、炭化珪素、二珪化モリブデン、ジルコニア、ランタンクロマイト等を例示することができ、中でも炭化珪素が好適に使用される。炭化珪素としては、高純度で金属汚染の原因とならない炭化珪素、例えば、特許第２７２６６９４号公報に記載されている常温下での熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、輻射率が０．７５以上である導電性炭化珪素材料などが好適に使用される。
【００１８】
給電用電極棒４は、２本設けられ、それぞれ焼結体板３と封着材１２により気密に封着されている。また、給電用電極棒４は、一端４ａ（発熱体素子側の端部）が発熱体素子２に連結され、他端４ｂ（給電用端子側の端部）が焼結体板３を貫通してチャンバー外に導出されるようになっている。また、給電用電極棒４の他端４ｂは、図２に示すように、給電用端子７の凹状部７ａに受容され、嵌着し得る形状となるように形成されているとともに、ボルト２１を挿入するための貫通穴４ｃが形成されている。
【００１９】
また、給電用電極棒４は、導電性セラミックス焼結体からなり、発熱体素子２と同様の導電性セラミックス焼結体などを使用することができるが、炭化珪素（熱膨張係数：４．０×１０-6／℃）、二珪化モリブデン（熱膨張係数：７．５×１０-6／℃）、ジルコニア（熱膨張係数：９．２×１０-6／℃）、ランタンクロマイト（熱膨張係数：９．７×１０-6／℃）からなる群から選ばれた少なくとも１種を主成分とするものであることが、高熱伝導性、耐熱性、焼結性などの点において好ましい。
【００２０】
例えば、発熱体素子２と給電用電極棒４とが共に炭化珪素で形成されている場合には、発熱体素子２と給電用電極棒４とを連結する際に、特願平１１−１５４３３６に開示されているように、Ｓｉを含む接合剤を用いて接合すれば、ヒータエレメントを酸化雰囲気中、不活性雰囲気中、還元雰囲気中のすべての雰囲気において好適に使用することができる。
【００２１】
給電用端子７は、２本の給電用電極棒４の他端４ｂにそれぞれ設けられている。給電用端子７の一方の端部には、図３に示すように、給電用電極棒４の他端４ｂを受容して嵌着し得る凹状部７ａが形成されている。凹状部７ａは、断面視コの字状であり、底部が矩形となっている。また、凹状部７ａを構成する壁面７ｅ、７ｅには、ボルトを挿入するための貫通孔７ｃ、７ｃが設けられている。
【００２２】
給電用端子７の凹状部７ａを構成する壁面７ｅ、７ｅの厚みｔは、０．５〜３ｍｍ程度の範囲とするのが好ましい。壁面７ｅ、７ｅの厚みｔを０．５ｍｍ未満とした場合、十分に電流を流せなくなる恐れや、十分な強度が得られない恐れがあるため好ましくない。また、壁面７ｅ、７ｅを３ｍｍを越える厚みｔとした場合、壁面７ｅ、７ｅの熱膨張により、給電用電極棒４と給電用端子７との接触面積が低下して、給電用電極棒４と給電用端子７との連結部分に破損が生じる恐れがあるので、好ましくない。
【００２３】
また、給電用端子７の他方の端部７ｂには、図２に示すように、給電用端子７の他方の端部７ｂにおける給電用端子７の軸の中心部にリード線９が連結されている。
【００２４】
給電用端子７は、金属からなるものであり、具体的には、耐熱性に優れ、酸化性雰囲気下での使用も可能となるように、例えば、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金（インコネル合金）、モネル合金等を使用することができ、特に、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金またはＮｉが好適である。
【００２５】
機械的固定手段２５は、給電用電極棒４と給電用端子７との連結を確実にし、給電用端子７の熱膨張を抑制するためのものであり、例えば、図２に示すように、給電用電極棒４の貫通穴４ｃと凹状部７ａの貫通孔７ｃとを貫通するように挿入されたボルト２１と、ナット２２およびワッシャー２３とからなるものなどが挙げられる。
また、機械的固定手段２５を形成する材料としては、給電用電極棒４との熱膨張係数の差が２×１０-6／℃以下となる材料などが好ましい。
さらに、機械的固定手段２５を形成する材料としては、給電用電極棒４と同一の材料としてもよい。
【００２６】
焼結体板３は、チャンバーに取り付けられるとともに、チャンバー内を気密に覆うものである。
また、焼結体板３は、セラミックスからなり、具体的には、例えば、窒化珪素（熱膨張係数：３．０〜３．７×１０-6／℃）、窒化アルミニウム（熱膨張係数：３．９〜４．４×１０-6／℃）、ムライト（熱膨張係数：３．７〜５．０×１０-6／℃）、アルミナ（熱膨張係数：７．５〜８．１×１０-6／℃）、コージュエライト（熱膨張係数：２．８×１０-6／℃）、サイアロン（熱膨張係数：３．０〜３．４×１０-6／℃）、マグネシア（熱膨張係数：１１×１０-6／℃）、ジルコン（熱膨張係数：２．５〜４．８×１０-6／℃）、フォルステライト（熱膨張係数：１０．５×１０-6／℃）、ステアライト（熱膨張係数：７．８×１０-6／℃）からなる群から選ばれた少なくとも１種を主成分とするものであることが、耐熱性、焼結性などの点において好ましい。
【００２７】
また、焼結体板３と給電用電極棒４とを封着する封着材１２としては、給電用電極棒４と焼結体板３とを気密に封着でき、ヒータエレメント２０を昇温させた際の温度に耐える耐熱性を備えている材質であることが必要であり、軟化点は４００℃以上、好ましくは６００℃以上であるのが好ましい。
【００２８】
このような封着材１２としては、例えば、アルミノ珪酸ガラス（熱膨張係数：４〜７×１０-6／℃）、バリウムホウ珪酸ガラス（熱膨張係数：５×１０-6／℃）、ホウ珪酸ガラス（熱膨張係数：３〜５×１０-6／℃）、ソーダバリウム珪酸ガラス（熱膨張係数：５×１０-6／℃）、鉛ホウ珪酸ガラス（熱膨張係数：５×１０-6／℃）、酸化亜鉛−酸化硼素−シリカガラスセラミックス（熱膨張係数：３〜７×１０-6／℃）、亜鉛ホウケイ酸ガラス（熱膨張係数：７×１０-6／℃）、ソーダ石英ガラス（熱膨張係数：９×１０-6／℃）、酸化イットリウム−酸化アルミニウム−シリカガラス（熱膨張係数：４〜６×１０-6／℃）等を例示することができる。
中でもとくに、強度に優れることから、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を２０〜７０重量％、酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）を２０〜３５重量％含有する酸化亜鉛−酸化硼素−シリカ系ガラスセラミックス（熱膨張係数：３．５〜６．５×１０-6／℃）を好適に例示することができる。
【００２９】
また、給電用電極棒４、焼結体板３、封着材１２に使用される材料は、熱膨張係数の差が以下に示す範囲となるように、上述した材料の中から選択するのが好ましい。
すなわち、給電用電極棒４と焼結体板３との熱膨張係数の差は、２×１０-6／℃以下、より好ましくは１×１０-6／℃以下の範囲となるように選択するのが好ましい。また、給電用電極棒４および焼結体板３と、封着材１２との熱膨張係数の差は、２×１０-6／℃以下、より好ましくは０．５×１０-6／℃以下の範囲となるように選択するのが好ましい。
熱膨張係数の差が上記の範囲を外れると、給電用電極棒４や焼結体板３にクラックが発生したり、給電用電極棒４や焼結体板３と、封着材１２との間で剥離が発生したりしやすくなるので、ヒータエレメント２０を繰り返し昇温させた場合などに、短時間にリークが発生する虞がある。
【００３０】
また、焼結体板３と給電用電極棒４との封着は、酸素を含有する雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中で行うことが好適であり、さらには、酸素中、窒素中、アルゴン中、もしくはこれらの混合雰囲気中がより好適に使用できる。
例えば、焼結体板３と給電用電極棒４との封着を、真空中あるいは還元雰囲気中で行った場合、ガラスもしくはガラスセラミックスが還元される等の不具合が生じ、十分な気密性を得る事ができない虞がある。
【００３１】
また、焼結体板３と給電用電極棒４とをガラスもしくはガラスセラミックスを用いて封着する場合の温度は、軟化点に関連し、封着処理温度は４００〜１２００℃の範囲が好ましい。封着処理温度が４００℃以下の場合、ガラスの流動性が不十分であり、一方、封着処理温度が１２００℃以上となると発泡が生じやすく、気密を得ることが困難となる。より好ましくはガラスもしくはガラスセラミックスの封着処理温度は５００〜１１００℃の範囲である。
【００３２】
このような焼結体板３と給電用電極棒４とのガラスもしくはガラスセラミックスを用いた封着においては、封着する際に給電用電極棒４及び焼結体板３に特別な前処理を行わなくても十分な気密性を得ることができる。しかし、給電用電極棒４が炭化珪素や二珪化モリブデン等の非酸化物から形成されている場合には、給電用電極棒４とガラスもしくはガラスセラミックスとの塗れ性が悪くなってしまうため、十分な気密性は得られるものの強度が不十分となる場合がある。そのため、給電用電極棒４が非酸化物で形成されている場合には、酸化雰囲気中、例えば６００〜１３００℃で熱処理してから給電用電極棒４の表層に酸化物層を形成させ、その後に封着を行う。このような封着方法とすることで、酸化物層とガラスあるいはガラスセラミックスとの濡れ性が改善され、酸化物層とガラスあるいはガラスセラミックスとが化学的に反応・結合し、強固な接合が得られる。
【００３３】
また、焼結体板３が非酸化物から形成されている場合も、給電用電極棒４が非酸化物で形成されている場合と同様に、酸化雰囲気中で熱処理し、焼結体板３の表層に酸化物層を形成させ、その後に封着することにより、焼結体板３とガラスあるいはガラスセラミックスとの強固な接合を得ることができる。
【００３４】
このようなヒータエレメント２０では、発熱体素子２と給電用電極棒４とは、接合剤からなる接合層を介して接合され、給電用電極棒４と焼結体板３とは、封着材１２により封着されている。
また、給電用電極棒４と給電用端子７とは、図２に示すように、給電用端子７の凹状部７ａ内に給電用電極棒４の他端４ｂを挿入して、給電用端子７が給電用電極棒４に嵌着された嵌着部５を形成し、さらに、機械的固定手段２５により嵌着部５を固定することによって連結されている。
【００３５】
そして、このようなヒータエレメント２０では、給電用端子７とリード線９とを連結することにより、電力の供給が可能となり、供給電力の増減により発熱体素子２の温度制御ができるようになっている。
【００３６】
このようなヒータエレメント２０は、上記の給電用電極棒４と給電用端子７との連結構造を有するものであるので、耐久性に優れたものとなる。
すなわち、本実施形態における給電用電極棒４と給電用端子７との連結構造では、給電用端子７には凹状部７ａが形成され、凹状部７ａの内部に給電用電極棒４の他端４ｂが挿入され、給電用端子７は給電用電極棒４に嵌着されて嵌着部５を形成し、嵌着部５において給電用電極棒４と給電用端子７とが機械的固定手段２５により固定されているので、ヒータエレメント２０が昇温した際の給電用端子７の熱膨張を効率的に抑えることができ、給電用電極棒４と給電用端子７との接触面積の低下を防ぎ、給電用電極棒４と給電用端子７との間に隙間が生じにくくなり、異常放電が発生しないものとなる。したがって、給電用電極棒４と給電用端子７との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られる。
【００３７】
また、このヒータエレメント２０においては、給電用端子７は、給電用端子７の軸の中心部にリード線９が連結されたものであるので、ヒータエレメント２０を昇温させた際に、リード線９の熱膨張によって発生するリード線９と給電用端子７との連結部分への応力が均一なものとなり、リード線９の熱膨張に起因するリード線９と給電用端子７との接触不良を防止することができ、より一層、耐久性を向上させることができる。したがって、リード線９の熱膨張により発生する不均一な応力によって、リード線９が連結されている部分が緩み、接触不良を起こす虞もない。
【００３８】
本実施形態のヒータエレメント２０においては、機械的固定手段２５を、給電用電極棒４との熱膨張係数の差が２×１０-6／℃以下となる材料で形成することで、ヒータエレメント２０が昇温した際に、給電用端子７が熱膨張することにより、給電用電極棒４と給電用端子７との接触面積が低下して異常放電の原因となることを有効に防止することができ、より一層、耐久性を向上させることができる。
【００３９】
また、機械的固定手段２５を、給電用電極棒４と同一の材料で形成することで、機械的固定手段２５と給電用電極棒４との熱膨張係数の差がないものとなり、より一層、耐久性を向上させることができる。
【００４０】
さらに、本実施形態のヒータエレメント２０においては、凹状部７ａを構成する壁面７ｅ、７ｅの厚みｔを、０．５〜３ｍｍの範囲とすることで、電流を十分に流すことができるとともに、壁面７ｅ、７ｅが熱膨張して給電用電極棒４と給電用端子７との接触面積が低下することによる給電用電極棒４と給電用端子７との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られる。
【００４１】
次に、本発明のヒータエレメントを備えた基板加熱装置を例に挙げて説明する。
図４は、本発明の基板加熱装置の一例を示した概略断面図である。
この基板加熱装置３０は、チャンバー１と、図１に示したヒータエレメント２０と、基板支持台１０と、熱電対１５とを備えている。
【００４２】
チャンバー１は、金属アルミニウムなどからなるものである。チャンバー１とヒータエレメント２０とは、オーリング（Ｏリング）１１を介して、ヒータエレメント２０の焼結体板３をチャンバー１の外壁に気密に取り付けることによって一体化されている。焼結体板３は、焼結体板３の下側に配置された押さえ板１６をボルト１７を用いて固定することによりチャンバー１に取り付けられている。
【００４３】
基板支持板１０は、透明石英などからなるものであり、チャンバー１内に設けられている。また、基板支持板１０の上面１０ａには、シリコンウエハ基板８が載置され、下面にはヒータエレメント２０の発熱体素子２が配置されている。
発熱体素子２は、基板支持板１０と不透明石英などで形成されたヒータケース６とによって形成される空間内に、透明石英などで形成されたヒータケース６の脚１３によって支えられて収容されている。
【００４４】
そして、このような基板加熱装置３０では、給電用端子７とリード線９とを連結し、給電用電極棒４を介して発熱体素子２に電力を供給することにより、発熱体素子２が昇温して基板支持台１０を介してシリコンウエハ基板８が加熱されるようになっている。
【００４５】
このような基板加熱装置３０は、図１に示したヒータエレメント２０を備えたものであるので、給電用電極棒４と給電用端子７との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られるものとなる。
【００４６】
なお、本発明においては、上述した例に示したように、発熱体素子２と給電用電極棒４とは、接合層を介して連結されていてもよいが、他の連結方法によって連結されていてもよく、例えば、導電性セラミックス製ナットやワッシャー等を用いて機械的に連結されていてもよい。
【００４７】
また、本発明においては、給電用端子７の凹状部７ａの形状は、給電用電極棒４の他端４ａを受容し、嵌着し得る形状であれば、とくに限定されるものではなく、例えば、図５に示すように、壁面が湾曲しているものであってもよい。
また、本発明の加熱装置は、本発明のヒータエレメントとチャンバーとを少なくとも備えたものであればよく、上述した例に示した基板加熱装置に限定されるものではなく、基板以外のものを加熱する装置としても使用することができ、例えば、気体や液体を加熱する装置としても使用することができる。
【００４８】
【実施例】
以下、本発明を具体的に詳しく説明する。
（実施例）
図４に示す構造を有する基板加熱装置を作製した。
発熱体素子２および給電用電極棒４には、常温下での熱伝導率が１７５Ｗ／ｍ・Ｋで、かつ、輻射率が０．９の導電性炭化珪素焼結体を用いた。
発熱体素子２の形状は、平面視円形の平板状で、厚み３ｍｍ、直径２４０ｍｍとした。また、発熱体素子２の幅は、中央部で２４ｍｍ、外周部に向かって徐々に小さくして外周部の一番外側で６ｍｍのスパイラル状とした。
給電用電極棒４は、直径１０ｍｍ、長さ３００ｍｍの円柱状に形成した。また、給電用電極棒４の給電用端子７側の端部４ｂは、８ｍｍの角柱状とし、ボルト２１を挿入するためのＭ４のネジ切りの貫通孔４ｃを放電加工法と切削法により形成した。そして、給電用電極棒４，４は、発熱体素子２の中心から１８ｍｍの位置に配置した。
【００４９】
焼結体板３の材質として、窒化アルミニウム（住友大阪セメント（株）製）を用いた。焼結体板３は、直径１００ｍｍ、厚さ６ｍｍとし、給電用電極棒４を貫通させるための穴の直径を１２ｍｍとした。
また、基板支持板１０およびヒータケース６の脚１３は、透明石英製とし、ヒータケース６は、不透明石英製とした。
給電用端子７は、凹状部７ａを構成する壁面７ｅ、７ｅ同士の距離を１０ｍｍ、壁面７ｅ、７ｅの厚みｔを１ｍｍとし、その材質はＮｉとした。
ボルト２１と、ナット２２およびワッシャー２３として、発熱体素子２および給電用電極棒４と同一の材料のものを用いた。
【００５０】
そして、発熱体素子２と給電用電極棒４の接合体を、以下のようにして得た。
珪素粉末０．７ｇとモリブデン粉末０．３ｇを秤量し、アクリル樹脂を溶解してなるα−テルピネオールを加えて混合した後、発熱体素子２と給電用電極棒４との接合面に塗付した。次いで、発熱体素子２と給電用電極棒４とを所定の形状に組み立て、３５０℃にて２０分間脱脂を行い、大気圧下１５００℃で３０分間熱処理することにより接合した。
【００５１】
また、封着材１２としてのガラスセラミックスを以下のようにして作製した。
酸化亜鉛（ＺｎＯ）６０ｇと酸化硼素（Ｂ2Ｏ3）２５ｇとシリカ（ＳｉＯ2）１５ｇとを自動乳鉢にて混合後、１６８０℃の電気炉にて白金ルツボを用いて溶融した。溶融後、水中に投下して急冷し、ガラスセラミックスを得た。
得られたガラスセラミックスは、遊星ミルにてエタノール中で粉砕し、３００メッシュ以下になるまで粉砕した。粉砕後、乾燥して封着材１２（粉末、軟化点６５０℃）を得た。
【００５２】
そして、発熱体素子２に接合された給電用電極棒４と、焼結体板３とを以下のようにして封着した。
カーボン治具を用い、発熱体素子２に接合された給電用電極棒４と焼結体板３とをそれぞれ所定の位置に配設した。配設後、封着材１２を給電用電極棒４と焼結体板３との隙間に入れ、窒素雰囲気中にて速度１０℃／ｍｉｎで９００℃まで昇温し、９００℃で３０分間保持した後、速度１０℃／ｍｉｎにて室温まで冷却した。
【００５３】
また、給電用電極棒４と給電用端子７とを、給電用端子７の凹状部７ａ内に給電用電極棒４の他端４ｂを挿入して、給電用端子７が給電用電極棒４に嵌着された嵌着部５を形成し、さらに、給電用電極棒４の貫通穴４ｃと凹状部７ａの貫通孔７ｃとを貫通するように挿入されたボルト２１と、ナット２２およびワッシャー２３により嵌着部５を固定することによって連結した。
さらに、給電用端子７の軸の中心部にリード線９をコネクタ７ｂを用いて連結した。
【００５４】
（従来例）
給電用電極棒とリード線との連結構造を図６に示した構造とした他は、実施例と同様にして基板加熱装置を作製した。
幅１６ｍｍ、厚み１ｍｍのＮｉ薄板を給電用電極棒５４の他端に巻き付け、給電用端子５７とし、給電用端子５７が固定されている部分にリード線５９を連結した。
【００５５】
上記のようにして製作した実施例及び従来例の基板加熱装置について、以下に示すように、給電用電極棒と給電用端子との連結部分の耐久性を評価した。
「耐久性の評価」
基板支持板１０上にシリコンウエハ基板８を載置し、供給電源を接続して出力を調整しながら、室温から８００℃（ウエハ温度）まで３０分間で昇温し、８００℃に到達後、２３時間保持し、３０分間で室温まで降温する熱負荷サイクルを負荷した。
【００５６】
その結果、従来例の基板加熱装置では、５日後に給電用電極棒５４と給電用端子５７との連結部分に異常放電が認められ、連結部分が破損したが、実施例の基板加熱装置３０では、２００日後においても給電用電極棒４と給電用端子７との連結部分に異常放電が認められず、連結部分の破損も認められなかった。
このことにより、実施例の基板加熱装置３０は、従来例の基板加熱装置と比較して、優れた耐久性が得られることが明らかとなった。
【００５７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明のヒータエレメント、加熱装置並びに基板加熱装置によれば、給電用電極棒と給電用端子との連結構造が昇温した際の給電用端子の熱膨張を効率的に抑えることができ、給電用電極棒と給電用端子との接触面積の低下を防ぎ、給電用電極棒と給電用端子との間に隙間が生じにくくなり、異常放電が発生しないものとなる。したがって、給電用電極棒と給電用端子との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のヒータエレメントの一例を説明するための図であり、図１（ａ）は、発熱体素子側から見た平面図であり、図１（ｂ）は、側面図である。
【図２】 給電用電極棒と給電用端子との連結構造を説明するための部分拡大図である。
【図３】 給電用端子の構造の一例を示した斜視図である。
【図４】 本発明の基板加熱装置の一例を示した概略断面図である。
【図５】 給電用端子の構造の他の例を示した斜視図である。
【図６】 従来のヒータエレメントにおける給電用電極棒とリード線との連結構造の一例を示した図であり、図６（ａ）は、側面図であり、図６（ｂ）は、給電用電極棒におけるリード線が連結される側の端部から見た図である。
【符号の説明】
１ チャンバー
２ 発熱体素子
３ 焼結体板
４ ５４ 給電用電極棒
４ａ 一端
４ｂ 他端
４ｃ、７ｃ、５８ 貫通孔
５ 嵌着部
６ ヒータケース
７ ５７ 給電用端子
７ａ 凹状部
７ｂ 他方の端部
７ｅ 壁面
８ シリコンウエハ基板
９、５９ リード線
１０ 基板支持台
１０ａ 上面
１１ オーリング（Ｏリング）
１２ 封着材
１３ 脚
１５ 熱電対
１６ 押さえ板
１７、２１、５２ ボルト
２０ ヒータエレメント
２２ ナット
２３ ワッシャー
２５ 機械的固定手段
３０ 基板加熱装置
５１ 連結部
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒータエレメント、加熱装置並びに基板加熱装置に関し、特に、給電用電極棒と給電用端子との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られる連結構造を有するヒータエレメント、および前記ヒータエレメントを用いた加熱装置並びに基板加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、高温度領域での使用に耐え、あらゆる使用雰囲気において耐久性に優れ、製造容易であり、しかも、メンテナンスが容易なヒータエレメントとして、チャンバー内に配置され、通電により発熱する発熱体素子と、前記チャンバーに取り付けられるとともに、前記チャンバー内を気密に覆う焼結体板と、前記焼結体板と気密に封着され、一端が前記発熱体素子に連結され、他端が前記焼結体板を貫通して前記チャンバー外に導出される導電性セラミックス焼結体製の給電用電極棒とを備えたヒータエレメントが知られている。
また、上記のヒータエレメントを備えた加熱装置や基板加熱装置が知られている。
【０００３】
このようなヒータエレメントや、前記ヒータエレメントを備えた加熱装置や基板加熱装置においては、ヒータエレメントの給電用電極棒にリード線が連結されている。そして、給電用電極棒にリード線を連結することにより、電力の供給が可能となり、供給電力の増減により発熱体素子の温度制御ができるようになっている。
【０００４】
図６は、従来のヒータエレメントにおける給電用電極棒とリード線との連結構造の一例を示した図であり、図６（ａ）は、側面図であり、図６（ｂ）は、給電用電極棒におけるリード線が連結される側の端部から見た図である。
図６において、符号５１は、給電用電極棒とリード線との連結部を示している。連結部５１において、給電用電極棒５４とリード線５９とは、給電用電極棒５４の端部に巻き付けられた、例えば、高温下での耐熱性に優れるＦｅーＣｒーＮｉ系合金（インコネル合金）やＮｉ等の金属薄板よりなる給電用端子５７の貫通孔５８に、金属製のボルト５２を挿入して、金属製のナットおよびワッシャーを用いて固定し、給電用端子５７が固定されている部分にリード線５９を連結することによって連結されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示した給電用電極棒５４とリード線５９との連結構造では、ヒータエレメントを昇温させた際、金属からなる給電用端子５７と導電性セラミックス焼結体からなる給電用電極棒５４との接触面積が、給電用端子５７と給電用電極棒５４との熱膨張率の差に起因して低下し、給電用端子５７と給電用電極棒５４との間に隙間が形成されてしまうことによる異常放電が発生しやすい。このため、耐久性が充分でなく、破損しやすいという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記の従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであり、そのための具体的な技術的課題は、給電用電極棒と給電用端子との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られる連結構造を有するヒータエレメント、および前記ヒータエレメントを用いた加熱装置並びに基板加熱装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明のヒータエレメントは、通電により発熱する発熱体素子と、焼結体板と、前記焼結体板を貫通し、その貫通部分において前記焼結体板と気密に封着され、前記発熱体素子に一端が連結された導電性セラミックス焼結体製の給電用電極棒と、前記給電用電極棒の他端に連結された金属製の給電用端子とを少なくとも備え、前記給電用端子には凹状部が形成され、前記凹状部の内部に前記給電用電極棒の他端が挿入され、前記給電用端子は前記給電用電極棒に嵌着されて嵌着部を形成し、前記嵌着部において前記給電用端子と前記給電用電極棒とが機械的固定手段により固定されていることを特徴とする。
【０００８】
本願発明において、「機械的固定手段」とは、嵌着部を固定するためのものであり、給電用電極棒と給電用端子との連結を強固にし、給電用端子の熱膨張を抑制するものである。具体的には、例えば、ボルトと、ナットおよびワッシャーとからなるものなどが含まれる。
【０００９】
このようなヒータエレメントにおいては、給電用電極棒と給電用端子との連結構造は、給電用端子には凹状部が形成され、前記凹状部の内部に前記給電用電極棒の他端が挿入され、前記給電用端子は前記給電用電極棒に嵌着されて嵌着部を形成し、前記嵌着部において前記給電用端子と前記給電用電極棒とが機械的固定手段により固定されているものであるので、連結構造が昇温した際に生じる給電用端子の横方向の熱膨張を、機械的固定手段により抑制することができ、給電用電極棒と給電用端子との接触面積の低下を防ぐことができる。このため、給電用電極棒と給電用端子との間に隙間が生じにくくなり、異常放電が発生しないものとなる。したがって、給電用電極棒と給電用端子との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られる。
【００１０】
また、上記のヒータエレメントにおいては、前記機械的固定手段は、前記給電用電極棒との熱膨張係数の差が２×１０-6／℃以下となる材料で形成されていることが望ましい。
このようなヒータエレメントとすることで、連結構造が昇温した際に、給電用端子が熱膨張することにより、給電用電極棒と給電用端子との接触面積が低下して異常放電の原因となることを有効に防止することができ、より一層、耐久性を向上させることができる。
【００１１】
また、上記のヒータエレメントにおいては、前記機械的固定手段は、前記給電用電極棒と同一の材料で形成されていることが望ましい。
このようなヒータエレメントとすることで、機械的固定手段と給電用電極棒との熱膨張係数の差がないものとなり、より一層、耐久性を向上させることができる。
【００１２】
また、上記のヒータエレメントにおいては、前記凹状部を構成する壁面の厚みは、０．５〜３ｍｍの範囲であることが望ましい。
このようなヒータエレメントとすることで、電流を十分に流すことができるとともに、壁面が熱膨張して給電用電極棒と給電用端子との接触面積が低下することによる給電用電極棒と給電用端子との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られる。
【００１３】
また、上記の目的を達成するために、本発明の加熱装置は、チャンバーと、上記のいずれかに記載のヒータエレメントとを少なくとも備え、前記ヒータエレメントを構成する焼結体板が、前記チャンバーに気密に取り付けられていることを特徴とする。
このような加熱装置は、上記のいずれかに記載のヒータエレメントを備えたものであるので、給電用電極棒と給電用端子との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られるものとなる。
【００１４】
また、上記の目的を達成するために、本発明の基板加熱装置は、チャンバーと、上記のいずれかに記載のヒータエレメントと、前記チャンバー内に設けられ、一方の面には基板が載置され、他方の面には前記ヒータエレメントの発熱体素子が配置される基板支持台とを少なくとも備え、前記ヒータエレメントを構成する焼結体板が、前記チャンバーに気密に取り付けられていることを特徴とする。
このような基板加熱装置は、上記のいずれかに記載のヒータエレメントを備えたものであるので、給電用電極棒と給電用端子との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られるものとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、この実施形態は、本発明の要旨を説明するためのものであり、特に限定がない限り本発明を限定するものではない。
【００１６】
図１は、本発明のヒータエレメントの一例を説明するための図であり、図１（ａ）は、発熱体素子側から見た平面図であり、図１（ｂ）は、側面図である。
図１において、符号２０は、ヒータエレメントを示している。このヒータエレメント２０は、発熱体素子２と焼結体板３と給電用電極棒４と給電用端子７と機械的固定手段２５とを備えたものであり、焼結体板３よりも発熱体素子２側がチャンバー（図示略）内に配置され、焼結体板３よりも給電用端子７側がチャンバー外に配置されるものである。
【００１７】
発熱体素子２は、通電により発熱するものであり、図１に示すように平面視円形の平板状であり、中央部から外周部に向かって徐々に発熱体素子２の幅が薄くなるように形成されたスパイラル状となっている。
発熱体素子２は、導電性セラミックス焼結体からなり、具体的には、例えば、炭化珪素、二珪化モリブデン、ジルコニア、ランタンクロマイト等を例示することができ、中でも炭化珪素が好適に使用される。炭化珪素としては、高純度で金属汚染の原因とならない炭化珪素、例えば、特許第２７２６６９４号公報に記載されている常温下での熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、輻射率が０．７５以上である導電性炭化珪素材料などが好適に使用される。
【００１８】
給電用電極棒４は、２本設けられ、それぞれ焼結体板３と封着材１２により気密に封着されている。また、給電用電極棒４は、一端４ａ（発熱体素子側の端部）が発熱体素子２に連結され、他端４ｂ（給電用端子側の端部）が焼結体板３を貫通してチャンバー外に導出されるようになっている。また、給電用電極棒４の他端４ｂは、図２に示すように、給電用端子７の凹状部７ａに受容され、嵌着し得る形状となるように形成されているとともに、ボルト２１を挿入するための貫通穴４ｃが形成されている。
【００１９】
また、給電用電極棒４は、導電性セラミックス焼結体からなり、発熱体素子２と同様の導電性セラミックス焼結体などを使用することができるが、炭化珪素（熱膨張係数：４．０×１０-6／℃）、二珪化モリブデン（熱膨張係数：７．５×１０-6／℃）、ジルコニア（熱膨張係数：９．２×１０-6／℃）、ランタンクロマイト（熱膨張係数：９．７×１０-6／℃）からなる群から選ばれた少なくとも１種を主成分とするものであることが、高熱伝導性、耐熱性、焼結性などの点において好ましい。
【００２０】
例えば、発熱体素子２と給電用電極棒４とが共に炭化珪素で形成されている場合には、発熱体素子２と給電用電極棒４とを連結する際に、特願平１１−１５４３３６に開示されているように、Ｓｉを含む接合剤を用いて接合すれば、ヒータエレメントを酸化雰囲気中、不活性雰囲気中、還元雰囲気中のすべての雰囲気において好適に使用することができる。
【００２１】
給電用端子７は、２本の給電用電極棒４の他端４ｂにそれぞれ設けられている。給電用端子７の一方の端部には、図３に示すように、給電用電極棒４の他端４ｂを受容して嵌着し得る凹状部７ａが形成されている。凹状部７ａは、断面視コの字状であり、底部が矩形となっている。また、凹状部７ａを構成する壁面７ｅ、７ｅには、ボルトを挿入するための貫通孔７ｃ、７ｃが設けられている。
【００２２】
給電用端子７の凹状部７ａを構成する壁面７ｅ、７ｅの厚みｔは、０．５〜３ｍｍ程度の範囲とするのが好ましい。壁面７ｅ、７ｅの厚みｔを０．５ｍｍ未満とした場合、十分に電流を流せなくなる恐れや、十分な強度が得られない恐れがあるため好ましくない。また、壁面７ｅ、７ｅを３ｍｍを越える厚みｔとした場合、壁面７ｅ、７ｅの熱膨張により、給電用電極棒４と給電用端子７との接触面積が低下して、給電用電極棒４と給電用端子７との連結部分に破損が生じる恐れがあるので、好ましくない。
【００２３】
また、給電用端子７の他方の端部７ｂには、図２に示すように、給電用端子７の他方の端部７ｂにおける給電用端子７の軸の中心部にリード線９が連結されている。
【００２４】
給電用端子７は、金属からなるものであり、具体的には、耐熱性に優れ、酸化性雰囲気下での使用も可能となるように、例えば、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金（インコネル合金）、モネル合金等を使用することができ、特に、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金またはＮｉが好適である。
【００２５】
機械的固定手段２５は、給電用電極棒４と給電用端子７との連結を確実にし、給電用端子７の熱膨張を抑制するためのものであり、例えば、図２に示すように、給電用電極棒４の貫通穴４ｃと凹状部７ａの貫通孔７ｃとを貫通するように挿入されたボルト２１と、ナット２２およびワッシャー２３とからなるものなどが挙げられる。
また、機械的固定手段２５を形成する材料としては、給電用電極棒４との熱膨張係数の差が２×１０-6／℃以下となる材料などが好ましい。
さらに、機械的固定手段２５を形成する材料としては、給電用電極棒４と同一の材料としてもよい。
【００２６】
焼結体板３は、チャンバーに取り付けられるとともに、チャンバー内を気密に覆うものである。
また、焼結体板３は、セラミックスからなり、具体的には、例えば、窒化珪素（熱膨張係数：３．０〜３．７×１０-6／℃）、窒化アルミニウム（熱膨張係数：３．９〜４．４×１０-6／℃）、ムライト（熱膨張係数：３．７〜５．０×１０-6／℃）、アルミナ（熱膨張係数：７．５〜８．１×１０-6／℃）、コージュエライト（熱膨張係数：２．８×１０-6／℃）、サイアロン（熱膨張係数：３．０〜３．４×１０-6／℃）、マグネシア（熱膨張係数：１１×１０-6／℃）、ジルコン（熱膨張係数：２．５〜４．８×１０-6／℃）、フォルステライト（熱膨張係数：１０．５×１０-6／℃）、ステアライト（熱膨張係数：７．８×１０-6／℃）からなる群から選ばれた少なくとも１種を主成分とするものであることが、耐熱性、焼結性などの点において好ましい。
【００２７】
また、焼結体板３と給電用電極棒４とを封着する封着材１２としては、給電用電極棒４と焼結体板３とを気密に封着でき、ヒータエレメント２０を昇温させた際の温度に耐える耐熱性を備えている材質であることが必要であり、軟化点は４００℃以上、好ましくは６００℃以上であるのが好ましい。
【００２８】
このような封着材１２としては、例えば、アルミノ珪酸ガラス（熱膨張係数：４〜７×１０-6／℃）、バリウムホウ珪酸ガラス（熱膨張係数：５×１０-6／℃）、ホウ珪酸ガラス（熱膨張係数：３〜５×１０-6／℃）、ソーダバリウム珪酸ガラス（熱膨張係数：５×１０-6／℃）、鉛ホウ珪酸ガラス（熱膨張係数：５×１０-6／℃）、酸化亜鉛−酸化硼素−シリカガラスセラミックス（熱膨張係数：３〜７×１０-6／℃）、亜鉛ホウケイ酸ガラス（熱膨張係数：７×１０-6／℃）、ソーダ石英ガラス（熱膨張係数：９×１０-6／℃）、酸化イットリウム−酸化アルミニウム−シリカガラス（熱膨張係数：４〜６×１０-6／℃）等を例示することができる。
中でもとくに、強度に優れることから、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を２０〜７０重量％、酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）を２０〜３５重量％含有する酸化亜鉛−酸化硼素−シリカ系ガラスセラミックス（熱膨張係数：３．５〜６．５×１０-6／℃）を好適に例示することができる。
【００２９】
また、給電用電極棒４、焼結体板３、封着材１２に使用される材料は、熱膨張係数の差が以下に示す範囲となるように、上述した材料の中から選択するのが好ましい。
すなわち、給電用電極棒４と焼結体板３との熱膨張係数の差は、２×１０-6／℃以下、より好ましくは１×１０-6／℃以下の範囲となるように選択するのが好ましい。また、給電用電極棒４および焼結体板３と、封着材１２との熱膨張係数の差は、２×１０-6／℃以下、より好ましくは０．５×１０-6／℃以下の範囲となるように選択するのが好ましい。
熱膨張係数の差が上記の範囲を外れると、給電用電極棒４や焼結体板３にクラックが発生したり、給電用電極棒４や焼結体板３と、封着材１２との間で剥離が発生したりしやすくなるので、ヒータエレメント２０を繰り返し昇温させた場合などに、短時間にリークが発生する虞がある。
【００３０】
また、焼結体板３と給電用電極棒４との封着は、酸素を含有する雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中で行うことが好適であり、さらには、酸素中、窒素中、アルゴン中、もしくはこれらの混合雰囲気中がより好適に使用できる。
例えば、焼結体板３と給電用電極棒４との封着を、真空中あるいは還元雰囲気中で行った場合、ガラスもしくはガラスセラミックスが還元される等の不具合が生じ、十分な気密性を得る事ができない虞がある。
【００３１】
また、焼結体板３と給電用電極棒４とをガラスもしくはガラスセラミックスを用いて封着する場合の温度は、軟化点に関連し、封着処理温度は４００〜１２００℃の範囲が好ましい。封着処理温度が４００℃以下の場合、ガラスの流動性が不十分であり、一方、封着処理温度が１２００℃以上となると発泡が生じやすく、気密を得ることが困難となる。より好ましくはガラスもしくはガラスセラミックスの封着処理温度は５００〜１１００℃の範囲である。
【００３２】
このような焼結体板３と給電用電極棒４とのガラスもしくはガラスセラミックスを用いた封着においては、封着する際に給電用電極棒４及び焼結体板３に特別な前処理を行わなくても十分な気密性を得ることができる。しかし、給電用電極棒４が炭化珪素や二珪化モリブデン等の非酸化物から形成されている場合には、給電用電極棒４とガラスもしくはガラスセラミックスとの塗れ性が悪くなってしまうため、十分な気密性は得られるものの強度が不十分となる場合がある。そのため、給電用電極棒４が非酸化物で形成されている場合には、酸化雰囲気中、例えば６００〜１３００℃で熱処理してから給電用電極棒４の表層に酸化物層を形成させ、その後に封着を行う。このような封着方法とすることで、酸化物層とガラスあるいはガラスセラミックスとの濡れ性が改善され、酸化物層とガラスあるいはガラスセラミックスとが化学的に反応・結合し、強固な接合が得られる。
【００３３】
また、焼結体板３が非酸化物から形成されている場合も、給電用電極棒４が非酸化物で形成されている場合と同様に、酸化雰囲気中で熱処理し、焼結体板３の表層に酸化物層を形成させ、その後に封着することにより、焼結体板３とガラスあるいはガラスセラミックスとの強固な接合を得ることができる。
【００３４】
このようなヒータエレメント２０では、発熱体素子２と給電用電極棒４とは、接合剤からなる接合層を介して接合され、給電用電極棒４と焼結体板３とは、封着材１２により封着されている。
また、給電用電極棒４と給電用端子７とは、図２に示すように、給電用端子７の凹状部７ａ内に給電用電極棒４の他端４ｂを挿入して、給電用端子７が給電用電極棒４に嵌着された嵌着部５を形成し、さらに、機械的固定手段２５により嵌着部５を固定することによって連結されている。
【００３５】
そして、このようなヒータエレメント２０では、給電用端子７とリード線９とを連結することにより、電力の供給が可能となり、供給電力の増減により発熱体素子２の温度制御ができるようになっている。
【００３６】
このようなヒータエレメント２０は、上記の給電用電極棒４と給電用端子７との連結構造を有するものであるので、耐久性に優れたものとなる。
すなわち、本実施形態における給電用電極棒４と給電用端子７との連結構造では、給電用端子７には凹状部７ａが形成され、凹状部７ａの内部に給電用電極棒４の他端４ｂが挿入され、給電用端子７は給電用電極棒４に嵌着されて嵌着部５を形成し、嵌着部５において給電用電極棒４と給電用端子７とが機械的固定手段２５により固定されているので、ヒータエレメント２０が昇温した際の給電用端子７の熱膨張を効率的に抑えることができ、給電用電極棒４と給電用端子７との接触面積の低下を防ぎ、給電用電極棒４と給電用端子７との間に隙間が生じにくくなり、異常放電が発生しないものとなる。したがって、給電用電極棒４と給電用端子７との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られる。
【００３７】
また、このヒータエレメント２０においては、給電用端子７は、給電用端子７の軸の中心部にリード線９が連結されたものであるので、ヒータエレメント２０を昇温させた際に、リード線９の熱膨張によって発生するリード線９と給電用端子７との連結部分への応力が均一なものとなり、リード線９の熱膨張に起因するリード線９と給電用端子７との接触不良を防止することができ、より一層、耐久性を向上させることができる。したがって、リード線９の熱膨張により発生する不均一な応力によって、リード線９が連結されている部分が緩み、接触不良を起こす虞もない。
【００３８】
本実施形態のヒータエレメント２０においては、機械的固定手段２５を、給電用電極棒４との熱膨張係数の差が２×１０-6／℃以下となる材料で形成することで、ヒータエレメント２０が昇温した際に、給電用端子７が熱膨張することにより、給電用電極棒４と給電用端子７との接触面積が低下して異常放電の原因となることを有効に防止することができ、より一層、耐久性を向上させることができる。
【００３９】
また、機械的固定手段２５を、給電用電極棒４と同一の材料で形成することで、機械的固定手段２５と給電用電極棒４との熱膨張係数の差がないものとなり、より一層、耐久性を向上させることができる。
【００４０】
さらに、本実施形態のヒータエレメント２０においては、凹状部７ａを構成する壁面７ｅ、７ｅの厚みｔを、０．５〜３ｍｍの範囲とすることで、電流を十分に流すことができるとともに、壁面７ｅ、７ｅが熱膨張して給電用電極棒４と給電用端子７との接触面積が低下することによる給電用電極棒４と給電用端子７との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られる。
【００４１】
次に、本発明のヒータエレメントを備えた基板加熱装置を例に挙げて説明する。
図４は、本発明の基板加熱装置の一例を示した概略断面図である。
この基板加熱装置３０は、チャンバー１と、図１に示したヒータエレメント２０と、基板支持台１０と、熱電対１５とを備えている。
【００４２】
チャンバー１は、金属アルミニウムなどからなるものである。チャンバー１とヒータエレメント２０とは、オーリング（Ｏリング）１１を介して、ヒータエレメント２０の焼結体板３をチャンバー１の外壁に気密に取り付けることによって一体化されている。焼結体板３は、焼結体板３の下側に配置された押さえ板１６をボルト１７を用いて固定することによりチャンバー１に取り付けられている。
【００４３】
基板支持板１０は、透明石英などからなるものであり、チャンバー１内に設けられている。また、基板支持板１０の上面１０ａには、シリコンウエハ基板８が載置され、下面にはヒータエレメント２０の発熱体素子２が配置されている。
発熱体素子２は、基板支持板１０と不透明石英などで形成されたヒータケース６とによって形成される空間内に、透明石英などで形成されたヒータケース６の脚１３によって支えられて収容されている。
【００４４】
そして、このような基板加熱装置３０では、給電用端子７とリード線９とを連結し、給電用電極棒４を介して発熱体素子２に電力を供給することにより、発熱体素子２が昇温して基板支持台１０を介してシリコンウエハ基板８が加熱されるようになっている。
【００４５】
このような基板加熱装置３０は、図１に示したヒータエレメント２０を備えたものであるので、給電用電極棒４と給電用端子７との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られるものとなる。
【００４６】
なお、本発明においては、上述した例に示したように、発熱体素子２と給電用電極棒４とは、接合層を介して連結されていてもよいが、他の連結方法によって連結されていてもよく、例えば、導電性セラミックス製ナットやワッシャー等を用いて機械的に連結されていてもよい。
【００４７】
また、本発明においては、給電用端子７の凹状部７ａの形状は、給電用電極棒４の他端４ａを受容し、嵌着し得る形状であれば、とくに限定されるものではなく、例えば、図５に示すように、壁面が湾曲しているものであってもよい。
また、本発明の加熱装置は、本発明のヒータエレメントとチャンバーとを少なくとも備えたものであればよく、上述した例に示した基板加熱装置に限定されるものではなく、基板以外のものを加熱する装置としても使用することができ、例えば、気体や液体を加熱する装置としても使用することができる。
【００４８】
【実施例】
以下、本発明を具体的に詳しく説明する。
（実施例）
図４に示す構造を有する基板加熱装置を作製した。
発熱体素子２および給電用電極棒４には、常温下での熱伝導率が１７５Ｗ／ｍ・Ｋで、かつ、輻射率が０．９の導電性炭化珪素焼結体を用いた。
発熱体素子２の形状は、平面視円形の平板状で、厚み３ｍｍ、直径２４０ｍｍとした。また、発熱体素子２の幅は、中央部で２４ｍｍ、外周部に向かって徐々に小さくして外周部の一番外側で６ｍｍのスパイラル状とした。
給電用電極棒４は、直径１０ｍｍ、長さ３００ｍｍの円柱状に形成した。また、給電用電極棒４の給電用端子７側の端部４ｂは、８ｍｍの角柱状とし、ボルト２１を挿入するためのＭ４のネジ切りの貫通孔４ｃを放電加工法と切削法により形成した。そして、給電用電極棒４，４は、発熱体素子２の中心から１８ｍｍの位置に配置した。
【００４９】
焼結体板３の材質として、窒化アルミニウム（住友大阪セメント（株）製）を用いた。焼結体板３は、直径１００ｍｍ、厚さ６ｍｍとし、給電用電極棒４を貫通させるための穴の直径を１２ｍｍとした。
また、基板支持板１０およびヒータケース６の脚１３は、透明石英製とし、ヒータケース６は、不透明石英製とした。
給電用端子７は、凹状部７ａを構成する壁面７ｅ、７ｅ同士の距離を１０ｍｍ、壁面７ｅ、７ｅの厚みｔを１ｍｍとし、その材質はＮｉとした。
ボルト２１と、ナット２２およびワッシャー２３として、発熱体素子２および給電用電極棒４と同一の材料のものを用いた。
【００５０】
そして、発熱体素子２と給電用電極棒４の接合体を、以下のようにして得た。
珪素粉末０．７ｇとモリブデン粉末０．３ｇを秤量し、アクリル樹脂を溶解してなるα−テルピネオールを加えて混合した後、発熱体素子２と給電用電極棒４との接合面に塗付した。次いで、発熱体素子２と給電用電極棒４とを所定の形状に組み立て、３５０℃にて２０分間脱脂を行い、大気圧下１５００℃で３０分間熱処理することにより接合した。
【００５１】
また、封着材１２としてのガラスセラミックスを以下のようにして作製した。
酸化亜鉛（ＺｎＯ）６０ｇと酸化硼素（Ｂ2Ｏ3）２５ｇとシリカ（ＳｉＯ2）１５ｇとを自動乳鉢にて混合後、１６８０℃の電気炉にて白金ルツボを用いて溶融した。溶融後、水中に投下して急冷し、ガラスセラミックスを得た。
得られたガラスセラミックスは、遊星ミルにてエタノール中で粉砕し、３００メッシュ以下になるまで粉砕した。粉砕後、乾燥して封着材１２（粉末、軟化点６５０℃）を得た。
【００５２】
そして、発熱体素子２に接合された給電用電極棒４と、焼結体板３とを以下のようにして封着した。
カーボン治具を用い、発熱体素子２に接合された給電用電極棒４と焼結体板３とをそれぞれ所定の位置に配設した。配設後、封着材１２を給電用電極棒４と焼結体板３との隙間に入れ、窒素雰囲気中にて速度１０℃／ｍｉｎで９００℃まで昇温し、９００℃で３０分間保持した後、速度１０℃／ｍｉｎにて室温まで冷却した。
【００５３】
また、給電用電極棒４と給電用端子７とを、給電用端子７の凹状部７ａ内に給電用電極棒４の他端４ｂを挿入して、給電用端子７が給電用電極棒４に嵌着された嵌着部５を形成し、さらに、給電用電極棒４の貫通穴４ｃと凹状部７ａの貫通孔７ｃとを貫通するように挿入されたボルト２１と、ナット２２およびワッシャー２３により嵌着部５を固定することによって連結した。
さらに、給電用端子７の軸の中心部にリード線９をコネクタ７ｂを用いて連結した。
【００５４】
（従来例）
給電用電極棒とリード線との連結構造を図６に示した構造とした他は、実施例と同様にして基板加熱装置を作製した。
幅１６ｍｍ、厚み１ｍｍのＮｉ薄板を給電用電極棒５４の他端に巻き付け、給電用端子５７とし、給電用端子５７が固定されている部分にリード線５９を連結した。
【００５５】
上記のようにして製作した実施例及び従来例の基板加熱装置について、以下に示すように、給電用電極棒と給電用端子との連結部分の耐久性を評価した。
「耐久性の評価」
基板支持板１０上にシリコンウエハ基板８を載置し、供給電源を接続して出力を調整しながら、室温から８００℃（ウエハ温度）まで３０分間で昇温し、８００℃に到達後、２３時間保持し、３０分間で室温まで降温する熱負荷サイクルを負荷した。
【００５６】
その結果、従来例の基板加熱装置では、５日後に給電用電極棒５４と給電用端子５７との連結部分に異常放電が認められ、連結部分が破損したが、実施例の基板加熱装置３０では、２００日後においても給電用電極棒４と給電用端子７との連結部分に異常放電が認められず、連結部分の破損も認められなかった。
このことにより、実施例の基板加熱装置３０は、従来例の基板加熱装置と比較して、優れた耐久性が得られることが明らかとなった。
【００５７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明のヒータエレメント、加熱装置並びに基板加熱装置によれば、給電用電極棒と給電用端子との連結構造が昇温した際の給電用端子の熱膨張を効率的に抑えることができ、給電用電極棒と給電用端子との接触面積の低下を防ぎ、給電用電極棒と給電用端子との間に隙間が生じにくくなり、異常放電が発生しないものとなる。したがって、給電用電極棒と給電用端子との連結部分の破損を防ぐことができ、優れた耐久性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のヒータエレメントの一例を説明するための図であり、図１（ａ）は、発熱体素子側から見た平面図であり、図１（ｂ）は、側面図である。
【図２】 給電用電極棒と給電用端子との連結構造を説明するための部分拡大図である。
【図３】 給電用端子の構造の一例を示した斜視図である。
【図４】 本発明の基板加熱装置の一例を示した概略断面図である。
【図５】 給電用端子の構造の他の例を示した斜視図である。
【図６】 従来のヒータエレメントにおける給電用電極棒とリード線との連結構造の一例を示した図であり、図６（ａ）は、側面図であり、図６（ｂ）は、給電用電極棒におけるリード線が連結される側の端部から見た図である。
【符号の説明】
１ チャンバー
２ 発熱体素子
３ 焼結体板
４ ５４ 給電用電極棒
４ａ 一端
４ｂ 他端
４ｃ、７ｃ、５８ 貫通孔
５ 嵌着部
６ ヒータケース
７ ５７ 給電用端子
７ａ 凹状部
７ｂ 他方の端部
７ｅ 壁面
８ シリコンウエハ基板
９、５９ リード線
１０ 基板支持台
１０ａ 上面
１１ オーリング（Ｏリング）
１２ 封着材
１３ 脚
１５ 熱電対
１６ 押さえ板
１７、２１、５２ ボルト
２０ ヒータエレメント
２２ ナット
２３ ワッシャー
２５ 機械的固定手段
３０ 基板加熱装置
５１ 連結部
Claims (6)
- 通電により発熱する発熱体素子と、焼結体板と、前記焼結体板を貫通し、その貫通部分において前記焼結体板と気密に封着され、前記発熱体素子に一端が連結された導電性セラミックス焼結体製の給電用電極棒と、前記給電用電極棒の他端に連結された金属製の給電用端子とを少なくとも備え、
前記給電用端子には凹状部が形成され、前記凹状部の内部に前記給電用電極棒の他端が挿入され、前記給電用端子は前記給電用電極棒に嵌着されて嵌着部を形成し、前記嵌着部において前記給電用端子と前記給電用電極棒とが機械的固定手段により固定されていることを特徴とするヒータエレメント。 - 前記機械的固定手段は、前記給電用電極棒との熱膨張係数の差が２×１０-6／℃以下となる材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒータエレメント。
- 前記機械的固定手段は、前記給電用電極棒と同一の材料で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータエレメント。
- 前記凹状部を構成する壁面の厚みが、０．５〜３ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のヒータエレメント。
- チャンバーと、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のヒータエレメントとを少なくとも備え、
前記ヒータエレメントを構成する焼結体板が、前記チャンバーに気密に取り付けられていることを特徴とする加熱装置。 - チャンバーと、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のヒータエレメントと、前記チャンバー内に設けられ、一方の面には基板が載置され、他方の面には前記ヒータエレメントの発熱体素子が配置される基板支持台とを少なくとも備え、
前記ヒータエレメントを構成する焼結体板が、前記チャンバーに気密に取り付けられていることを特徴とする基板加熱装置。
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