JP4805466B2

JP4805466B2 - シースヒーターを配設したヒータープレートの製造方法

Info

Publication number: JP4805466B2
Application number: JP2001071578A
Authority: JP
Inventors: 克己渡邊; 昭福地
Original assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Current assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2021-03-14
Also published as: JP2002270347A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シースヒーターを配設したヒータープレートの製造方法に係り、特に真空容器（真空チャンバー）内で加熱して使用されるシースヒーターを配設した半導体もしくは液晶ディスプレー製造装置用ヒータープレートまたは基板ホルダーの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム部材を積層し、その内部にシースヒーターを設けたヒータープレートは知られており、図８に示すように、アルミニウム部材（５２）とアルミニウム部材（５３）の間にシースヒーター（４）を組み付け、外周部（５４）をＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接あるいはＥＢＷ溶接（電子ビーム溶接）を行って接合しているものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の図８に示したように、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接によりアルミニウム部材を接合したヒータープレートは、溶接時にピンホールの発生、ガスの巻き込み等で気密性の問題があり、また溶接接合部は外周部の接合端面からの深いものではなく、その溶接接合部の信頼性に問題があった。
また、アルミニウム部材を接合したヒータープレートは、内部にシースヒーターをタイトに組み付けて、アルミニウム部材の外周部を溶接したものであり、アルミニウム部材と内部のシース材（ステンレス鋼）はタイトに組み付けられているので、ヒータープレートを成膜時に使用温度域（３５０〜４５０℃）に加熱すると、アルミニウム部材と内部にタイトに組み付けたヒーターのシース材（ステンレス鋼）との線膨脹の差により、アルミニウム部材とステンレス鋼のシース材にの間に引張応力や圧縮応力が作用して、ヒータープレートの変形、内部に配設されているシース材の変形又は破損するという問題、さらに熱サイクルを受けて変形や破損が加速される問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、複数のアルミニウムまたはアルミニウム合金である金属部材を積層し、その内部にシースヒーターを配設したヒータープレートの製造方法において、シースヒーターの配設部を囲むように積層する金属部材の接合面の対向位置に環状凹部と環状凸部を設け、前記金属部材の接合面にシースヒーターを組み付け、かつ前記金属部材の接合面の環状凹部と環状凸部を組み合わせ、積層する金属部材の外周部または外周部と所定の位置を拘束して、ヒータープレートが使用される加熱領域である２５０℃〜５００℃の温度近傍で鍛圧を行い、接合面の環状凹部と環状凸部で締結部を形成するとともに接合面の平面接触部では金属接合され、シースヒーターの変形や破損、ヒータープレートの変形がないことを特徴とする加熱領域で使用されるシースヒーターを配設したヒータープレートの製造方法である。
【０００６】
【作用】
本発明においては、金属部材の接合面にシースヒーターを組み付け、かつ金属部材の接合面の環状凹部と環状凸部を組み合わせて鍛圧を行い締結部を形成しすることにより、シースヒーターが配設されている内部と高度な密閉度が確保されるものである。
また、本発明においては、金属部材の接合面にシースヒーターを組み付け、かつ金属部材の接合面の環状凹部と環状凸部を組み合わせ、積層する金属部材の外周部または外周部と所定の位置を拘束して鍛圧を行い、締結部を形成しするとともに接合面の平面接触部では金属接合されることことにより、シースヒーターが配設されている内部と高度な密閉度が確保されるとともに、接合面の平面接触部では金属接合され、またヒータープレート最外周の鍛接接合面に液体やガスが浸入することがない。
【０００７】
また、本発明においては、金属部材の接合面にシースヒーターを組み付け、金属部材の接合面の環状凹部と環状凸部を組み合わせて行う鍛圧を、ヒータープレートが使用される加熱領域の温度近傍で鍛圧を行うことにより、ヒータープレートの使用温度域で、金属部材例えばアルミニウム部材と、内部ヒーターのシース材例えばステンレス鋼やニッケル合金との線膨脹の差による応力を軽減することができ、シース材の変形や破損、ヒータープレートの変形が少ないものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の内部にシースヒーターを配設したヒータープレートは、積層する金属部材の接合面にシースヒーターを密着させたもので、シースヒーターの発熱がヒータープレートの金属部材に伝えられる。またシースヒーターはヒータープレートを均一な温度に加熱するようにヒータープレートの内部に配設されているものである。例えばシースヒーターを蛇行、渦巻き状等に配設してヒータープレートが均一な温度に加熱されるようにしている。またシースヒーターは、ステンレス鋼例えばＳＵＳ３０４、ニッケル合金例えばインコロイ、チタンのシース材（パイプ）の中に電熱線が絶縁材が封入されているものである。
【０００９】
本発明により製造された内部にシースヒーターを配設したヒータープレートは、半導体、液晶の製造装置の真空容器（真空チャンバー）内でヒータープレートとして用いられるものである。
図７で内部にシースヒーターを配設したヒータープレートの使用例を示す。図７は化学的気相成長（ＣＶＤ）処理装置であり、真空チャンバー（３０）内にシースヒーター（４）を配設したヒータープレート（１）が支持部材（２６）により設けられている。ヒータープレート（１）には基板（６）が載置される。また真空チャンバー（３０）内には、ＣＶＤ処理のためのガス供給部（２７）が設けられており、供給口（２８）よりガスＡとガスＢを供給して化学的気相成長により基板（６）に成膜するものである。
【００１０】
ヒータープレート（１）は、ヒーター端子（４´）から通電されシースヒーター（４）により成膜時の温度領域（２５０〜５００℃）に加熱されるものであるが、この加熱により、従来例の図８に示した内部にシースヒーターを室温でタイトに組み付けて外周部を溶接したものでは、成膜時の温度領域に昇温すると、アルミニウム部材とステンレス鋼のシース材の線膨脹の差により引張応力や圧縮応力が働き、鎖線（１ａ）や鎖線（１ｂ）のようにヒータープレートが変形する。
これに対して、本発明の金属部材の接合面にシースヒーターを組み付け、金属部材の接合面の環状凹部と環状凸部を組み合わせてヒータープレートが成膜時に使用される加熱領域の温度近傍で鍛圧したものでは、成膜時の温度領域（２５０〜５００℃）に加熱されても、アルミニウム部材とシース材の線膨脹の差による引張応力や圧縮応力が鍛圧接合した温度領域に近ずく程、両者（アルミニウム部材とシース材）の間に発生する応力は減少することになり、ヒータープレート（１）が変形することがなく、またシース材（４）が変形したり破損することもない。
【００１１】
また、ヒータープレートは使用される加熱領域の温度近傍で鍛圧することにより、鍛圧後自然冷却されて常温になるとアルミニウム部材とシース材の線膨脹の差による引張応力や圧縮応力は生じるが、常温でのアルミニウム部材及びシース材の強度は高温の状態より高く、それらの変形抵抗が高いのでヒータープレートの変形、シース材の変形や破損は生じない。
【００１２】
また、本発明の内部にシースヒーターを配設したヒータープレートの製造において、金属部材の接合面の環状凹部と環状凸部は、内部に配設されるシースヒーターを囲むように全周に、そして対向する接合面の対向位置に設ける。すなわち一方の金属部材の接合面には環状凹部を設け、もう一方の金属部材の接合面には環状凸部を設けるもので、環状凹部と環状凸部は、例えば機械加工により成形する。また環状凹部と環状凸部の断面形状は、矩形に限るものではなく、鍛圧圧縮により凹部に凸部が充満して締結部を形成するものであればよい。また接合する金属部材の接合面の対向位置に設けられている環状凹部と環状凸部を２重または３重のように多重に設け、環状凹部と環状凸部による締結部のよりより高度な密閉度にすることができる。
また、積層する金属部材の外周部を拘束して鍛圧を行うことにより最外周の鍛接接合面はで金属接合されてヒータープレート最外周の鍛接接合面に液体やガスが浸入することがなく、必要に応じて積層する金属部材の外周部と所定の位置を拘束して鍛圧を行うものである。
【００１３】
また、本発明の内部にシースヒーターを配設したヒータープレートの製造において接合する金属部材の鍛圧を行う際、その前処理として表面を洗浄することが望ましい。例えばアルミニウム又はアルミニウム合金部材の場合は、▲１▼硝酸で表面の油とり、▲２▼水洗、▲３▼苛性処理（アルカリ溶液によるエッチング）、▲４▼水洗、▲５▼硝酸での洗浄、▲６▼水洗、▲７▼湯洗等の適宜の工程を組み合わせて表面を洗浄するものである。
【００１４】
金属部材としては、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられる。積層する金属部材は、同一材料であると、鍛圧圧縮時の変形により環状凹部と環状凸部は締結部を形成し、また接合面の平面接触部は金属接合し易い。異種の材料であっても鍛圧圧縮時の変形により環状凹部と環状凸部は締結部を形成する。また２種の部材同志が圧着し平面接触部は物理的に金属接合するものである。
【００１５】
本発明に係るヒータープレートの製造方法について、図１〜図４を参照してさらに具体的に説明する。
図１は鍛圧して積層する金属部材とシースヒーターを示す斜視図、図２（ａ）（ｂ）は鍛圧を説明する図、図３及び図４はアルミニウム部材とシースヒーターの線膨張を示す図である。
図１には、積層するアルミニウム部材（２）とアルミニウム部材（３）、シースヒーター（４）が示されている。アルミニウム部材（２）の接合面（２１）には環状に凸部（２２）とシースヒーター（４）を組み付ける溝（２３）が形成されている。溝（２３）の端部はアルミニウム部材（２）を貫通している。
アルミニウム部材（３）の接合面（３１）には環状に凹部（３２）とシースヒーター（４）を組み付ける溝（図示省略）が形成されている。環状凸部（２２）と環状凹部（３２）は対向位置に設けられている。
シースヒーター（４）を組み付ける溝（２３）（３３）は、シースヒーター（４）が密着するように形成される。
シースヒーター（４）は蛇行状に曲げ加工され、その端部はアルミニウム部材（２）の下部から引き出されている。
【００１６】
図２（ａ）に示すように、アルミニウム部材（２）の溝（２３）と、アルミニウム部材（３）の溝（３３）にシースヒーター（４）を取り付ける。またアルミニウム部材（２）の環状凸部（２２）とアルミニウム部材（３）の環状凹部（３２）を組み合わせ、これをヒータープレートとして使用される加熱領域の温度近傍で鍛圧を行うことにより、図２（ｂ）に示すように、アルミニウム部材（２）の環状凸部（２２）とアルミニウム部材（３）の環状凹凸部（３２）は締結部（５）を形成する。またシースヒーター（４）は、アルミニウム部材（２）の溝（２３）及びアルミニウム部材（３）の溝（３３）に密着する。
シースヒーター（４）は、図２（ａ）（ｂ）に拡大して示したように、中央部の発熱線（４１）とその周りに充填剤を有しているものであり、ここではシースヒーターの発熱線（４１）と充填剤を封入しているパイプがアルミニウム部材の溝の密着されている。
【００１７】
ヒータープレートとして使用される加熱領域の温度近傍で鍛圧を行うことについて、図３、図４を参照して説明する。
ヒータープレートの使用される加熱領域が３５０〜４５０℃である場合、その温度近傍として４００℃で、アルミニウム合金部材（２）（３）にステンレス鋼パイプのシースヒーター（４）を図１及び図２で示したように取り付けて鍛圧を行う場合について示す。
図３、図４は、ヒータープレートを構成するアルミニウム合金部材としてＪＩＳ６０６１、シースヒーターのステンレス鋼としてＳＵＳ３０４について、温度と線膨脹の関係及び温度と耐力の関係を示した図である。
図３において、線（１０）はアルミニウム合金の線膨脹を示したもので、４００℃近辺の線膨脹率は２４×１０^−６／℃である。線（１２）はシース材のステンレス鋼の線膨脹を示したもので、４００℃近辺の線膨脹率は１７．５×１０^−６／℃である。
また、線（１３）はアルミニウム合金の耐力（変形抵抗）と温度との関係の概略を示したもので、２５℃の耐力は６ｋｇ／ｍｍ^２、４００℃近辺の耐力は１ｋｇ／ｍｍ^２である。
【００１８】
従来例の図８に示したアルミニウム部材（５２）と（５３）の間にステンレス鋼のシースヒーター（４）を室温で密着させて組み付けて外周部（５４）を溶接した基板ホルダーでは、アルミニウム部材（５２）と（５３）は図３の線（１０）の矢印Ａのように線膨脹し、またステンレス鋼のシースヒーター（４）は図３の線（１２）の矢印Ｄのように線膨脹する。４００℃近辺でアルミニウム部材（５２）（５３）とシースヒーター（４）との線膨脹の差はＬ１になる。アルミニウム部材（５２）（５３）とシースヒーター（４）は密着しているので、膨脹係数の高いアルミニウム部材（５２）（５３）がシースヒーター（４）を引張るような応力が生じ、またシースヒーター（４）は膨脹係数の高いアルミニウム部材（５２）（５３）を伸ばさないようにする応力が生じる。アルミニウム合金部材（５２）（５３）の耐力は温度が高くなると低下し変形抵抗が小さくなり、ヒータープレートに変形が生ずることになる。
【００１９】
図４は、使用される加熱温度領域で鍛圧した場合のアルミニウム合金部材（ＪＩＳ６０６１）とシースヒーターのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の温度と線膨脹の関係を示したものである。
図２（ａ）に示すアルミニウム部材（２）の溝（２３）とアルミニウム部材（３）の溝（３３）にシースヒーター（４）を常温で密着されて取り付け、これを加熱することにより、アルミニウム部材（２）（３）は図４の線（１０）の矢印Ａのように線膨脹し、ステンレス鋼のシースヒーター（４）は図４の線（１２）の矢印Ｄのように線膨脹し、４００℃近辺でアルミニウム部材（２）（３）とシースヒーター（４）との線膨脹の差はＬ１になる。
【００２０】
これを４００℃近辺で鍛圧することにより、アルミニウム部材（２）の溝（２３）と、アルミニウム部材（３）の溝（３３）にシースヒーター（４）は４００℃近辺の線膨脹された状態で密着することになる。
４００℃近辺での鍛圧時により、シースヒーター（４）が矢印Ｍ方向に引っ張られた状態で、アルミニウム部材（２）（３）は矢印Ｎ方向にＬ２の圧縮がなされて鍛圧される。
アルミニウム部材（２）（３）の耐力は温度が高くなると低下し変形抵抗が低下するので、アルミニウム部材（２）（３）は変形してシースヒーター（４）に密着する。シースヒーター（４）のステンレス鋼は引っ張られた状態になるが、４００℃近辺でも大きい耐力を有しているので変形しない。
【００２１】
具体的には、アルミニウム合金部材（ＪＩＳ６０６１）の２５℃における耐力６ｋｇ／ｍｍ^２、４００℃における耐力１ｋｇ／ｍｍ^２であり、シースヒーターのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の２５℃における耐力２８ｋｇ／ｍｍ^２、４００℃における耐力２２ｋｇ／ｍｍ^２であり、シースヒーター（４）のステンレス鋼は、膨脹したアルミニウム部材（２）（３）により引っ張られた状態になるが、アルミニウム部材（２）（３）が変形してシースヒーター（４）に密着する。
アルミニウム部材（２）（３）としてＪＩＳ１０５１、シースヒーター（４）としてインコロイを用いた場合においても、同様にアルミニウム部材（２）（３）が変形してシースヒーター（４）に密着する。
【００２２】
鍛圧後自然冷却されて、４００℃近辺から常温になると、アルミニウム部材（２）（３）は図４の線（１０）の矢印Ｂのように収縮し、またステンレス鋼のシースヒーター（４）は図４の線（１２）の矢印Ｅのように収縮し、常温でアルミニウム部材（２）（３）とシースヒーター（４）との差はＬ２になる。常温で差Ｌ２の応力が生じているが、常温ではアルミニウム部材（２）（３）の耐力は大きいのでヒータープレートは変形することがない。またシースヒーターのステンレス鋼の強度も高いので、シースヒーター（４）の変形や破損も起こらないものである。
このように４００℃近辺で鍛圧されたヒータープレートは、使用される温度領域である４００℃近辺に加熱されるということは、鍛圧された時の状態で使用されるもので、アルミニウム部材（２）（３）とステンレス鋼のシース材（４）との間の応力は少ないので、ヒータープレートの変形、シース材の変形や破損は生じない。
【００２３】
また、アルミニウム部材（２）の環状凸部（２２）とアルミニウム部材（３）の環状凹部（３２）は、鍛圧されて締結部（５）を形成して高度に密閉されており、本発明によるヒータープレートは、真空チャンバー内で高真空の状態におかれても、内部のシースヒーター（４）の部分からの漏れが生じなかった。
【００２４】
【実施例】
本発明の実施例について、図１、図５、図６を参照して説明する。
図５、図６は、積層する金属部材の外周部を拘束しての鍛圧を説明する図である。
前述したように、図１に示したアルミニウム部材（２）の接合面（２１）には環状に凸部（２２）とシースヒーター（４）を組み付ける溝（２３）が形成され、溝（２３）の端部はアルミニウム部材（２）を貫通している。またアルミニウム部材（３）の接合面（３１）には環状に凹部（３２）とシースヒーター（４）を組み付ける溝（図示省略）が形成されている。環状凸部（２２）と環状凹部（３２）は対向位置に設けられている。またシースヒーター（４）を組み付ける溝（２３）（３３）は、シースヒーター（４）が密着するように形成される。
【００２５】
次いで、図５に示すように、アルミニウム部材（２）の溝（２３）と、アルミニウム部材（３）の溝（３３）にシースヒーター（４）を取り付け、またアルミニウム部材（２）の環状凸部（２２）とアルミニウム部材（３）の環状凹部（３２）を組み合わせ、その外周部を型（７）で拘束し、台（８）と加圧手段（９）により、ヒータープレートとして使用される加熱領域の温度近傍で鍛圧を行う。
【００２６】
この外周部を外周部を型（７）で拘束して行う鍛圧により、図６（ａ）に示すように、アルミニウム部材（２）とアルミニウム部材（３）は、鍛圧時の加圧手段（９）の加圧軸圧縮方向ａに垂直で中心部から径方向（外周方向）ｂ、ｃに金属が流れ出ようとするが、鍛圧時にアルミニウム部材（２）とアルミニウム部材（３）の外周部が型（７）で拘束されているため、図６（ｂ）に示すように、一種の座屈のような変形が径方向（外周方向）に生ずる。このような径方向（外周方向）に座屈変形が生じている状態のものに、さらに加圧圧縮を加え、最終的に成形されたものは、図６（ｃ）に示すように、座屈変形が伸び、結果的に接触部である積層するアルミニウム部材（２）とアルミニウム部材（３）の接合面にミクロ的なメタルフローｄが生じて金属接合を生じさせる。
これにより積層するアルミニウム部材（２）とアルミニウム部材（３）の接合面の平面接触部でも金属接合され、最外周の鍛接接合面（図１の環状凸部（２２）と環状凹部（３２）の外側）の接合も完全なものになり、ヒータープレートを、例えば、表面処理液に浸漬するような処理を行うことがあっても、最外周の鍛接接合面の接合が完全になっているので処理液が浸入することがない。
【００２７】
また、４００℃付近で鍛圧されることにより、先に図４を参照して説明したように、アルミニウム部材（２）の溝（２３）とアルミニウム部材（３）の溝（３３）にシースヒーター（４）は４００℃付近の線膨張された状態で密着され、ヒータープレートは変形することがなく、またシースヒーター（４）の変形も破損も起こらないものであった。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、金属部材の接合面の環状凹部と環状凸部を組み合わせて行う鍛圧をヒータープレートが使用される加熱領域の温度近傍で行うことにより、金属部材と内部ヒーターのシース材との線膨脹の差による応力が発生しないので、シース材の変形や破損、ヒータープレートの変形が生じないものであり、また金属部材の接合面の環状凹部と環状凸部を組み合わせて鍛圧を行い締結部を形成しすることによりシースヒーターが配設されている内部と高度な密閉度が確保されるものである。さらに金属部材の接合面の環状凹部と環状凸部を組み合わせ外周部を拘束して鍛圧を行い締結部を形成しするとともに接合面の平面接触部では金属接合されることことにより高度な密閉度が確保されるとともに、接合面の平面接触部では金属接合されるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ヒータープレートの製造方法を説明する図
【図２】ヒータープレートの製造方法を説明する図
【図３】ヒータープレートの製造方法を説明する図
【図４】ヒータープレートの製造方法を説明する図
【図５】本発明の実施例の製造方法を説明する図
【図６】本発明の実施例の製造方法を説明する図
【図７】本発明の実施の形態を示す図
【図８】従来技術を説明する図

Claims

複数のアルミニウムまたはアルミニウム合金である金属部材を積層し、その内部にシースヒーターを配設したヒータープレートの製造方法において、シースヒーターの配設部を囲むように積層する金属部材の接合面の対向位置に環状凹部と環状凸部を設け、前記金属部材の接合面にシースヒーターを組み付け、かつ前記金属部材の接合面の環状凹部と環状凸部を組み合わせ、積層する金属部材の外周部または外周部と所定の位置を拘束して、ヒータープレートが使用される加熱領域である２５０℃〜５００℃の温度近傍で鍛圧を行い、接合面の環状凹部と環状凸部で締結部を形成するとともに接合面の平面接触部では金属接合され、シースヒーターの変形や破損、ヒータープレートの変形がないことを特徴とする加熱領域で使用されるシースヒーターを配設したヒータープレートの製造方法。