JP5432758B2 - ヒータユニット - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素かなるヒータと、炭化珪素からなる電極とを備え、高温酸素雰囲気下において用いられるヒータユニットに関する。

従来、半導体ウエハの各種熱処理のために、炭化珪素からなるヒータと、炭化珪素からなる電極とを備えたヒータユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。炭化珪素からなるヒータを用いることで、好適に半導体ウエハを加熱できる。熱膨張率の関係から、炭化珪素からなるヒータは、炭化珪素からなる電極が使用される。

炭化珪素からなる電極は、外部電源と接続された電極板と電気的に接続されることにより、ヒータを通電できる。電極板は、電気抵抗の低い金属製のものが用いられていた。

特開２００２−１２４３６４号公報

ヒータユニットは、処理条件によって、酸素雰囲気下で用いられることがある。熱膨張率の小さな金属（例えば、Ｍｏ）は、高温酸素雰囲気下において、腐食してしまう。このため、ステンレス鋼（ＳＵＳ）やニッケル（Ｎｉ）等の腐食に強い材料が電極板や、電極板と電極とを固定するボルト及びナットに用いられていた。

しかしながら、電極板やボルト及びナットにステンレス鋼を用いた場合、炭化珪素と金属との熱膨張率の差によって、電極と電極板とに隙間が発生する。これにより、接触抵抗の増加及び放電現象によって、電極や電極板の破損が生じていた。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高温酸素雰囲気下において使用しても、熱膨張率差による隙間を生じず、電極や電極板の破損が抑制され、長期間使用可能なヒータユニットを提供することを目的とする。

前述した課題を解決するため、本発明は次のような特徴を有している。本発明の特徴は、高温酸素雰囲気下で用いることができ、炭化珪素からなるヒータ（ヒータ３）と、前記ヒータに通電して昇温させると共に炭化珪素からなる電極（電極５）と、電源に接続され、耐酸化材料からなる電極板（電極板７）と、炭化珪素からなるボルト（ボルト９）及びナット（ナット１１）と、耐酸化材料からなり、前記電極及び前記電極板を挟む一対のワッシャ（ワッシャ１３）とを備え、前記ボルトと前記ナットとを用いて、前記ワッシャ、前記電極及び前記電極板を貫通して挟持することにより、前記電極と前記電極板とを結合し、前記電極板及び前記ワッシャは、熱膨張率が炭化珪素よりも大きく、前記電極と前記電極板と前記ワッシャとの貫通方向（貫通方向ｘ）における前記ボルトと前記ナットとに狭持された厚みを合計厚さ（合計厚さＴ）とし、２５℃における前記合計厚さとヒータ使用時の温度における前記合計厚さとの差を使用電極長さ（使用電極長さΔＴ）とし、前記ボルトと前記ナットとを螺合させ、前記ボルトの頭部（頭部２１）と一の前記ワッシャとが接する位置から、前記ナットと他の前記ワッシャとが接する位置までの貫通方向における長さをボルトナット長さ（ボルトナット長さＬ）とし、２５℃において前記合計厚さと等しい前記ボルトナット長さから前記ヒータ使用時の温度における熱膨張によって前記貫通方向に延びた長さをボルト膨張長さ（ボルト膨張長さΔＬ）とすると、前記貫通方向における前記ワッシャの厚みは、前記使用電極長さから前記ボルト膨張長さを引いた値が、０ｍｍ以上０．０３ｍｍ以下となることを要旨とする。

本発明の特徴によれば、ボルトとナットとを用いて、ワッシャ、電極及び電極板を貫通して挟持することにより、電極と電極板とを結合し、電極板及びワッシャは、熱膨張率が炭化珪素よりも大きい。このため、高温雰囲気下において、電極板及びワッシャは、炭化珪素からなるボルト及びナルトよりも熱膨張する。従って、電極と電極板とに隙間が発生することがなくなる。

また、貫通方向におけるワッシャの厚みは、使用電極長さからボルト膨張長さを引いた値が、０ｍｍ以上、０．０３ｍｍ以下となる厚みである。使用電極長さからボルト膨張長さを引いた値が、０．０３ｍｍよりも大きくなると、電極板及びワッシャの熱膨張によるボルトに負担が生じる。その結果、ボルトが破損する可能性がある。ワッシャの厚みによって、熱膨張する電極と電極板とワッシャとの貫通方向における厚みを調整し、ボルトに係る負担を抑制できる。

電極板とワッシャは、耐酸化性材料からなるため、高温酸素雰囲気下において使用しても腐食しない。

高温酸素雰囲気下において使用しても、熱膨張率差による隙間を生じず、電極や電極板の破損が抑制でき、長期間使用可能である。

本発明の実施形態に係るヒータユニット１の正面図である。 図１の分解斜視図である。 図１の要部における断面図である。 ボルト９及びナット１１の側面図である。 各構成部品における寸法を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態に係るヒータユニットの詳細を図面に基づいて説明する。具体的には、（１）ヒータユニットの全体構成、（２）各構成部品の寸法、（３）比較評価、（４）作用効果について説明する。図面は模式的なものであり、各材料層の厚みやその比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

（１）ヒータユニット１の全体構成
ヒータユニット１の全体構成について図１から図４を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係るヒータユニット１の正面図である。図２は、図１の分解斜視図である。図３は、図１の要部における断面図である。図４はボルトとナットの側面図である。

図１に示すように、ヒータユニット１は、ヒータ３、電極５、電極板７、一対のワッシャ１３、ボルト９及びナット１１を備えている。本実施形態では、電極板７を電極５の端部１５に結合する例を説明するが、結合箇所は、電極５の端部１５に限定されない。

ヒータユニット１は、高温酸素雰囲気下において、用いることができる。具体的な温度は、４００℃〜６００℃で好適に用いられる。酸素濃度は、２０％以上で用いられる。ただし、これ以外の条件であっても、ヒータユニット１は、用いることができる。

ヒータ３は、炭化珪素からなる。ヒータ３は、電極５からの電流が流れると発熱するように構成されている。これによって、半導体基板を加熱処理することができる。ヒータ３は円板上に形成されている。ヒータ３は、電極５と電気的に接続されている。

電極５は、炭化珪素からなる。電極５の一の端部は、ヒータ３と物理的に接続されている。これによって、電極５は、電極的に接続されたヒータ３に通電して、ヒータ３を発熱させる。図２，３に示されるように、電極５の他の端部１５は、直方体状に形成されている。電極５の他の端部１５には、ボルト９が通る貫通孔１５ａが形成されている。後述するように、ボルト９とナット１１とによって、電極板７と電気的に接続されている。

電極板７は、正面視略Ｕ字状に形成された挟持部７ｂと、挟持部７ｂの下側から下方へ延びる脚部７ｃとから一体形成されている。挟持部７ｂは、同じ板厚に形成された左右一対の側壁板を連結して略Ｕ字状に形成したものである。挟持部７ｂの各側壁板には、ボルト９が通る貫通孔７ａが形成されている。この狭持部７ｂに電極５が挟まれる。脚部７ｃは電源と電気的に接続されている。

電極板７は、熱膨張率が炭化珪素よりも大きい耐酸化性材料からなる。電極板７には、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、ニッケル（Ｎｉ）、インコネル（登録商標）が用いられる。なお、インコネルは、Ｎｉをベースとした合金である。電極板７は、電源とで電気的に接続されるため、導電率の高い方が好ましい。

ワッシャ１３は、円板状の部材である。電極５及び電極板７と同様に、ボルト９が通る貫通孔１３ａが形成されている。一のワッシャ１３は、ボルト９の頭部２１の裏面２７と電極板７とに接している。他のワッシャ１３は、ナット１１と電極板７とに接している。すなわち、一対のワッシャ１３は、電極５及び電極板７と挟んでいる。

ワッシャ１３は、熱膨張率が炭化珪素よりも大きい耐酸化性材料からなる。ワッシャ１３には、電極板７と同様の材料が用いられる。

ボルト９及びナット１１は、炭化珪素からなる。図４に示すように、ボルト９は、頭部２１と軸部２３とからなり、軸部２３の先端部に外周面に雄ネジを切ったネジ部２５が設けられている。このネジ部２５にナット１１が螺合される。ボルト９は、貫通孔１５ａ、貫通孔７ａ及び貫通孔１３ａを通り、電極５、電極板７及び一対のワッシャ１３を貫通する。ボルト９にナット１１を螺合することによって、ボルト９とナット１１とが、電極５、電極板７及び一対のワッシャ１３を狭持する。これによって、電極５と電極板７とを結合する。

（２）各構成部品の寸法
次に、各構成部品の寸法について図５を参酌して説明する。図５は各構成部品における寸法を示す概略図である。図５に示されるように、ボルト９が貫通する貫通方向ｘにおいて、電極５の端部１５の厚さをＴ１とする。電極板７における挟持部７ｂの合計厚みをＴ２とする。本実施形態において、一対の側壁板における一方の板厚が等しいため、Ｔ２／２となる。従って、左右の側壁板の板厚を合わせるとＴ２になる。このＴ２は、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍが好ましい。一枚のワッシャ１３の厚さをＴ３／２とする。本実施形態において、ワッシャ１３の厚みは等しいためである。一対のワッシャ１３の厚みは、Ｔ３となる。

電極５の端部１５、電極板７及びワッシャ１３の合計厚さ（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）をＴとする。すなわち、合計厚さＴは、電極５と電極板７とワッシャ１３との貫通方向ｘにおけるボルト９とナット１１とに狭持された厚さである。２５℃における合計厚さＴと、ヒータ使用時の温度における合計厚さＴとの差を、使用電極長さΔＴとする。ヒータ使用時の温度における合計厚さＴとは、ヒータを使用している時の各部材の温度における合計厚さである。ヒータの温度と、各部材の温度とは、必ずしても一致していない。

ボルト９とナット１１とを螺合させ、ボルト９の頭部２１とワッシャ１３とが接する位置から、ナット１１とワッシャ１３とが接する位置までの貫通方向ｘにおける長さをボルトナット長さＬとする。すなわち、ボルトナット長さＬは、ボルト９とナット１１とを螺合させたときの、裏面２７からナット１１の頭部２１側の面２９までの貫通方向ｘにおける長さである。

２５℃における合計厚さＴと等しいボルトナット長さからヒータ使用時の温度における熱膨張によって延びた長さをボルト膨張長さΔＬとする。ボルト９とナット１１とによって電極５と電極板７とワッシャ１３とを狭持させない状態において、ボルトナット長さＬを２５℃における合計厚さＴと等しくしておく。このときのボルトナット長さをＬ２５とする。その状態から、ヒータの使用温度まで上昇させたときのボルト長さをＬｕｓｅとする。ボルト膨張長さΔＬは、ＬｕｓｅからＬ２５を引いた値と等しい。

電極板７とワッシャ１３とは、炭化珪素よりも大きい熱膨張率の材料を用いているため、使用電極長さΔＴは、ボルト膨張長さΔＬよりも大きくなる。これによって、電極５と電極板７との間に隙間が生じないため、接触抵抗の増加及び放電現象が生じることはない。従って、電極５や電極板７の破損が生じることがない。

貫通方向ｘにおけるワッシャ１３の厚みＴ３は、使用電極長さΔＴからボルト膨張長さΔＬを引いた値が、０ｍｍ以上、０．０３ｍｍ以下となる厚みのものを用いる。値が０．０３ｍｍよりも大きくなるとボルト９の破損が生じる可能性がある。ワッシャ１３の厚みＴ３によって、使用電極長さΔＴとボルト膨張長さΔＬとの差を調整することによって、ボルト９の破損を生じずに長期間使用可能となる。値が０ｍｍより小さくなると、隙間を生じるからである。ただし、本発明では、電極板７及びワッシャ１３は、熱膨張率が炭化珪素よりも大きいため、値は０ｍｍ以上となる。

使用電極長さΔＴからボルト膨張長さΔＬとの差が、０．０３ｍｍ以下となる厚みのワッシャを用いるには、各部材の貫通方向における厚さを測定しておいて、熱膨張率から計算を行う。そして、使用電極長さΔＴとボルト膨張長さΔＬとの差が、０．０３ｍｍとなるような範囲の厚みを有するワッシャを用いる。

（３）比較評価
本発明の効果を確かめるため、シミュレーションにより計算した。

実施例及び比較例において、電極には、炭化珪素材料を用いたとし、電極板には、インコネル６００材料を用いたとし、ワッシャには、ＳＵＳ３０４を用いたとした。ボルト及びナットには、実施例では炭化珪素材料を用いたとし、比較例では、ＳＵＳ３０４を用いたとした。

２５℃及び６００℃における各材料の厚みと熱膨張率との関係から、計算した結果を表１に示す。なお、炭化珪素の熱膨張率は、４．３×１０^―６であり、インコネル６００の熱膨張率は、１３．３×１０^―６であり、ＳＵＳ３０４の熱膨張率は、１７．３×１０^―６であるとして、計算した。

比較例では、ボルト及びナットにＳＵＳ３０４を用いているため、２５℃でのボルトナット長さＬと、６００℃でのボルトナット長さＬとの差は、０．０７ｍｍである。このため、比較例では、使用電極長さΔＴからボルト膨張長さΔＬを引いた値が、―０．０４ｍｍとなっており、０ｍｍよりも低い。すなわち、比較例では、螺合されたボルトとナットとの間の方が、電極、電極板及びワッシャの貫通方向厚さよりも長くなっている。このため、比較例では、螺合されたボルトとナットとに挟まれた各部材の間の少なくともどこかに隙間が生じることが分かった。

一方、実施例では、ボルト及びナットに炭化珪素を用いているため、２５℃でのボルトナット長さＬと、６００℃でのボルトナット長さＬとの差は、０．０２ｍｍである。このため、実施例では、使用電極長さΔＴからボルト膨張長さΔＬを引いた値が、０．０１となり、０ｍｍ以上、０．０３ｍｍ以下となっている。すなわち、実施例では、螺合されたボルトとナットとの間の方が、電極、電極板及びワッシャの貫通方向厚さよりも短くなっている。このため、実施例では、螺合されたボルトとナットとが、電極、電極板及びワッシャを強く挟み、各部材の間に隙間は、生じないことが分かった。

（４）作用効果
ヒータユニット１では、炭化珪素からなるヒータ３と、ヒータ３に通電して昇温させると共に炭化珪素からなる電極５と、電源に接続され、耐酸化材料からなる電極板７と、炭化珪素からなるボルト９及びナット１１と、耐酸化材料からなり、電極５及び前記電極板７を挟む一対のワッシャ１３とを備え、ボルト９とナット１１とを用いて、ワッシャ１３、電極５及び電極板７を貫通して挟持することにより、電極５と電極板７とを結合し、電極板７及びワッシャ１３は、熱膨張率が炭化珪素よりも大きい。このため、ヒータ３の使用温度では、電極板７及びワッシャ１３は、炭化珪素からなるボルト９及びナット１１よりも膨張する。このため、螺合されたボルトとナットとが、電極、電極板及びワッシャを強く挟み、ボルトとナットとに挟まれた各部材の間に隙間が生じない。従って、接触抵抗の増加及び放電現象による電極５や電極板７の破損を抑制することができる。

ヒータユニット１では、２５℃において合計厚さＴと等しいボルトナット長さＬからヒータ３使用時の温度における熱膨張によって貫通方向ｘに延びた長さをボルト膨張長さΔＬとすると、貫通方向ｘにおけるワッシャ１３の厚みＴ３は、使用電極長さΔＴからボルト膨張長さΔＬを引いた値が、０ｍｍ以上０．０３ｍｍ以下となる厚みである。このため、電極５と電極板７とに隙間を生じさせず、電極５と電極板７とを結合する以上の力がボルト９に働かないワッシャ１３厚みを用いるため、ボルト９の破損が抑えられる。その結果、結合部分に破損を生じず、ヒータユニット１は、長期間使用可能となる。

電極５、ボルト９及びナット１１は、炭化珪素からなり、電極板７とワッシャ１３とは、耐酸化材料からなる。このため、高温酸素雰囲気下においてヒータユニット１を使用しても、腐食を生じずに、長期間使用可能となる。

なお、前述した実施の形態の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…ヒータユニット、３…ヒータ、５…電極、７…電極板、９…ボルト、１１…ナット、１３…ワッシャ、７ａ，１３ａ，１５ａ…貫通孔、２１…頭部、２３…軸部、２５…ネジ部、２７…（頭部の）裏面、２９…（頭部側の）面

Claims (1)

1. 高温酸素雰囲気下で用いることができ、
   炭化珪素からなるヒータと、前記ヒータに通電して昇温させると共に炭化珪素からなる電極と、電源に接続され、耐酸化材料からなる電極板と、炭化珪素からなるボルト及びナットと、耐酸化材料からなり、前記電極及び前記電極板を挟む一対のワッシャとを備え、
   前記ボルトと前記ナットとを用いて、前記ワッシャ、前記電極及び前記電極板を貫通して挟持することにより、前記電極と前記電極板とを結合し、
   前記電極板及び前記ワッシャは、熱膨張率が炭化珪素よりも大きく、
   前記電極と前記電極板と前記ワッシャとの貫通方向における前記ボルトと前記ナットとに狭持された厚みを合計厚さとし、２５℃における前記合計厚さとヒータ使用時の温度における前記合計厚さとの差を使用電極長さとし、
   前記ボルトと前記ナットとを螺合させ、前記ボルトの頭部と一の前記ワッシャとが接する位置から、前記ナットと他の前記ワッシャとが接する位置までの貫通方向における長さをボルトナット長さとし、
   ２５℃において前記合計厚さと等しい前記ボルトナット長さから前記ヒータ使用時の温度における熱膨張によって前記貫通方向に延びた長さをボルト膨張長さとすると、
   前記貫通方向における前記ワッシャの厚みは、前記使用電極長さから前記ボルト膨張長さを引いた値が、０ｍｍ以上０．０３ｍｍ以下となる厚みであるヒータユニット。

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