JP5449045B2 - Heater unit with shaft and heater unit manufacturing method with shaft - Google Patents

Heater unit with shaft and heater unit manufacturing method with shaft Download PDF

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Description

本発明は、半導体基板を支持しながら加熱するシャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニット製造方法に関する。   The present invention relates to a heater unit with a shaft for heating while supporting a semiconductor substrate, and a method for manufacturing a heater unit with a shaft.

半導体基板の製造プロセス、例えばアニール処理等において、真空チャンバ内で半導体基板を加熱処理しているが、半導体基板を均一に加熱し、温度分布を少なくすることは歩留まりに大きな影響を及ぼすものであり、近年、より厳密な温度制御が望まれている。   In a semiconductor substrate manufacturing process, such as annealing, the semiconductor substrate is heat-treated in a vacuum chamber. Evenly heating the semiconductor substrate and reducing the temperature distribution has a large effect on the yield. In recent years, more precise temperature control has been desired.

この半導体基板の加熱処理において、半導体基板を支持しながら加熱するシャフト付きヒータが知られている(たとえば、特許文献1参照)。シャフト付きヒータは、被加熱物である半導体基板を載置し、内部にシースヒータが埋め込まれたヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトから構成され、該シャフト付きヒータのヒータプレートの材料は、ヒータの使用温度範囲、即ち、被加熱物である半導体基板の加熱温度を考慮して選択されている。   In this heat treatment of a semiconductor substrate, a heater with a shaft that heats while supporting the semiconductor substrate is known (for example, see Patent Document 1). The heater with a shaft is composed of a heater plate on which a semiconductor substrate as an object to be heated is placed, a sheath heater embedded therein, and a shaft that supports the heater plate. The material of the heater plate of the heater with a shaft is: The temperature is selected in consideration of the operating temperature range of the heater, that is, the heating temperature of the semiconductor substrate that is the object to be heated.

特開2009−176569号公報JP 2009-176469 A

ところで、ヒータプレートの材料として、一般に熱伝導率が高いアルミニウムまたはアルミニウム合金が好適に使用されているが、ヒータを高温で連続使用するような場合、ヒータプレート中央部をシャフトで支持するシャフト付きヒータでは、シャフトで支持されないヒータプレート外周部にたわみが発生し、被加熱物の温度制御を精密に行うことができないおそれがある。   By the way, as a material for the heater plate, aluminum or aluminum alloy having a high thermal conductivity is generally preferably used. However, when the heater is continuously used at a high temperature, a heater with a shaft that supports the central portion of the heater plate with a shaft. Then, there is a possibility that the deflection of the outer peripheral portion of the heater plate that is not supported by the shaft occurs, and the temperature control of the object to be heated cannot be performed accurately.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヒータ強度を向上し、これによりヒータ温度分布を改善することができるシャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニット製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a heater unit with a shaft and a heater unit manufacturing method with a shaft that can improve the heater strength and thereby improve the heater temperature distribution. To do.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、被加熱物を載置して加熱するヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトを有するシャフト付きヒータユニットであって、前記ヒータプレートは、前記シャフトと接合される平板状のベース部と、前記ヒータプレートの使用温度域における強度が前記ベース部を構成する材料より高い材料から選択された固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ベース部上に吹き付けることにより積層されたプレート部と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a heater unit with a shaft according to the present invention includes a heater plate that places and heats an object to be heated, and a heater with a shaft that has a shaft that supports the heater plate. The heater plate is a solid state selected from a flat base portion joined to the shaft and a material whose strength in the operating temperature range of the heater plate is higher than the material constituting the base portion And a plate part laminated by spraying the material powder on the base part at a temperature lower than the melting point of the material powder by a heated compressed gas.

また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、上記発明において、前記ヒータプレートは、前記ベース部と同一の材料からなる固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記プレート部上に吹き付けることにより積層されてなり、被加熱物を載置する載置部を備えることを特徴とする。   In the heater unit with a shaft according to the present invention, in the above invention, the heater plate is made of a solid-state material powder made of the same material as the base portion, and is lower than the melting point of the material powder by a heated compressed gas. It is laminated | stacked by spraying on the said plate part with temperature, The mounting part which mounts a to-be-heated material is provided.

また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、上記発明において、前記ヒータプレートは、該ヒータプレート外周部を覆う皮膜層を備え、前記皮膜層は、前記ベース部と同一の材料からなる固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ヒータプレート外周部に吹き付けることにより積層されたことを特徴とする。   Moreover, the heater unit with a shaft according to the present invention is the above-described invention, wherein the heater plate includes a coating layer covering an outer peripheral portion of the heater plate, and the coating layer is in a solid phase made of the same material as the base portion. The material powder is laminated by spraying the outer peripheral portion of the heater plate with a heated compressed gas at a temperature lower than the melting point of the material powder.

また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、上記発明において、前記ヒータプレートは、前記プレート部中にシースヒータを配置することを特徴とする。   Moreover, the heater unit with a shaft according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the heater plate has a sheath heater disposed in the plate portion.

また、本発明に係るシャフト付きヒータユニットは、上記発明において、前記ベース部はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記プレート部は銅または銅合金からなることを特徴とする。   In the heater unit with a shaft according to the present invention as set forth in the invention described above, the base portion is made of aluminum or an aluminum alloy, and the plate portion is made of copper or a copper alloy.

また、本発明に係るシャフト付きヒータユニット製造方法は、被加熱物を載置して加熱するヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトを有するシャフト付きヒータユニット製造方法であって、前記シャフトと接合される平板状のベース部に、シースヒータを配置する配置工程と、前記ヒータプレートの使用温度域における強度が前記ベース部を構成する材料より高い材料から選択された固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ベース部上に吹き付けることにより、プレート部を形成するプレート部積層工程と、を含むことを特徴とする。   A heater unit manufacturing method with a shaft according to the present invention is a heater unit manufacturing method with a shaft having a heater plate for placing and heating an object to be heated, and a shaft for supporting the heater plate, An arrangement step of arranging a sheath heater on a flat base portion to be joined, and a solid-state material powder selected from materials whose strength in the operating temperature range of the heater plate is higher than the material constituting the base portion, And a plate portion stacking step of forming a plate portion by spraying the base portion with a heated compressed gas at a temperature lower than the melting point of the material powder.

また、本発明に係るシャフト付きヒータユニット製造方法は、上記発明において、前記ベース部を構成する材料と同一の材料で構成される固相状態の材料粉末を、該材料粉末の融点より低い温度に加熱した圧縮ガスとともに前記プレート部上に吹き付けることにより、前記プレート部に積層され、前記被加熱物を載置する載置部を形成する載置部積層工程を含むことを特徴とする。   Further, in the above method for manufacturing a heater unit with a shaft according to the present invention, the solid-state material powder made of the same material as that constituting the base portion is set to a temperature lower than the melting point of the material powder. By spraying on the plate part with the heated compressed gas, it is characterized by including the mounting part lamination | stacking process which laminates | stacks on the said plate part and forms the mounting part which mounts the said to-be-heated material.

また、本発明に係るシャフト付きヒータユニット製造方法は、上記発明において、前記ベース部を構成する材料と同一の材料で構成される固相状態の材料粉末を、該材料粉末の融点より低い温度に加熱した圧縮ガスとともに前記ヒータプレート外周部に吹き付けることにより、前記ヒータプレート外周部を覆う皮膜層を形成する皮膜層積層工程を含むことを特徴とする。   Further, in the above method for manufacturing a heater unit with a shaft according to the present invention, the solid-state material powder made of the same material as that constituting the base portion is set to a temperature lower than the melting point of the material powder. It is characterized by including a coating layer laminating step of forming a coating layer covering the outer peripheral portion of the heater plate by spraying the outer peripheral portion of the heater plate together with the heated compressed gas.

本発明のシャフト付きヒータユニットは、被加熱物を載置するヒータプレートが、該ヒータプレートの使用温度範囲を考慮した第1の材料で構成されたベース部と、前記ヒータプレートの使用温度域における強度が前記ベース部を構成する材料より高い第2の材料で構成されたプレート部からなり、前記プレート部を、固相の粉末材料を融点以下の圧縮ガスでそれぞれ溶射し積層する、いわゆるコールドスプレー法で形成することにより、プレートヒータを高温域で使用する場合でも、プレートヒータの外周部のたわみを防止するとともに、ヒータの温度分布を改善し、かつ熱疲労によるヒータプレートの異材界面における剥がれ、ひび割れ等を効果的に防止しうるという効果を奏する。   In the heater unit with a shaft according to the present invention, a heater plate on which an object to be heated is placed in a base portion made of a first material in consideration of a use temperature range of the heater plate, and a use temperature range of the heater plate. A so-called cold spray comprising a plate portion made of a second material whose strength is higher than that of the material constituting the base portion, and laminating the plate portion by spraying a solid powder material with a compressed gas having a melting point or lower. By forming the plate heater, even when the plate heater is used in a high temperature range, the deflection of the outer periphery of the plate heater is prevented, the heater temperature distribution is improved, and peeling at the dissimilar material interface of the heater plate due to thermal fatigue, There is an effect that cracks and the like can be effectively prevented.

図1は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニットの構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a heater unit with a shaft according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を説明するフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart for explaining a manufacturing process of the heater unit with a shaft according to the embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニットの製造に使用される溶射装置の一例の概要を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory view showing an outline of an example of a thermal spraying apparatus used for manufacturing the heater unit with a shaft according to the embodiment of the present invention. 図4は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the heater unit with a shaft according to the embodiment of the present invention. 図5は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the heater unit with a shaft according to the embodiment of the present invention. 図6は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニットの製造工程を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the heater unit with a shaft according to the embodiment of the present invention. 図7は、本発明の実施の形態の変形例1に係るシャフト付きヒータユニットの構成を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a heater unit with a shaft according to the first modification of the embodiment of the present invention. 図8は、本発明の実施の形態の変形例2に係るシャフト付きヒータユニットの構成を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of a heater unit with a shaft according to the second modification of the embodiment of the present invention. 図9は、本発明の実施の形態の変形例3に係るシャフト付きヒータユニットの構成を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of a heater unit with a shaft according to the third modification of the embodiment of the present invention. 図10は、図9に示すシャフト付きヒータユニットのX−X断面図である。10 is a cross-sectional view of the heater unit with shaft shown in FIG. 9 taken along the line XX.

以下に、本発明にかかるシャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニット製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。   Embodiments of a heater unit with a shaft and a method for manufacturing a heater unit with a shaft according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to these embodiment, A various change is possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.

図1は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニット100の構成を示す断面図である。シャフト付きヒータユニット100は、略円板状のヒータプレート1と、ヒータプレート1を支持するシャフト部2と、を備える。シャフト付きヒータユニット100は、通常、半導体製造装置の反応室であるプロセスチャンバ内の箱状のハウジング内に設置され、該ハウジング内は真空状態となるよう気密性を有している。本実施の形態では、円板状のヒータプレートを使用するが、これに限定されるものではなく、被加熱物の形状等を考慮すれば矩形状であってもよい。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a heater unit 100 with a shaft according to an embodiment of the present invention. The shaft-equipped heater unit 100 includes a substantially disc-shaped heater plate 1 and a shaft portion 2 that supports the heater plate 1. The shaft-equipped heater unit 100 is usually installed in a box-shaped housing in a process chamber that is a reaction chamber of a semiconductor manufacturing apparatus, and the inside of the housing is airtight so as to be in a vacuum state. In the present embodiment, a disk-shaped heater plate is used, but the present invention is not limited to this, and a rectangular shape may be used in consideration of the shape of an object to be heated.

ヒータプレート1は、シャフト部2と接合されるベース部3と、ベース部3上に積層されるプレート部4と、被加熱物である半導体基板を載置する載置部5と、を備える。   The heater plate 1 includes a base portion 3 joined to the shaft portion 2, a plate portion 4 stacked on the base portion 3, and a placement portion 5 on which a semiconductor substrate that is an object to be heated is placed.

ベース部3は、中心部に円状の開口部10を有し、ベース部3上には、略一面にシースヒータ6が配置される。シースヒータ6に電力を供給する電力供給線7が、開口部10を介して外部電源と接続される。ベース部3および後述する載置部5は、同一の材料であり、ヒータプレート1としての使用温度範囲に基づき材料は適宜選択される。ヒータプレート1の材料として好ましい材料として、熱伝導率の高い金属、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金(熱伝導率:100〜240W/m・K、常温時)が好適に使用されるが、これに限定されず、ヒータプレート1の使用温度範囲によって、鉄または鉄合金(熱伝導率:10〜80W/m・K、常温時)、銅または銅合金(熱伝導率:100〜400W/m・K、常温時)、ニッケルまたはニッケル合金(熱伝導率:5〜100W/m・K、常温時)、チタンまたはチタン合金(熱伝導率:5〜30W/m・K、常温時)、インジウム(熱伝導率:82W/m・K、常温時)、鉛(熱伝導率:35W/m・K、常温時)、マグネシウム(熱伝導率:156W/m・K、常温時)、錫(熱伝導率:67W/m・K、常温時)、銀(熱伝導率:420W/m・K、常温時)、亜鉛(熱伝導率:116W/m・K、常温時)等から選択されてもよい。   The base portion 3 has a circular opening 10 at the center, and the sheath heater 6 is disposed on the base portion 3 on substantially one surface. A power supply line 7 that supplies power to the sheath heater 6 is connected to an external power source through the opening 10. The base part 3 and the mounting part 5 to be described later are made of the same material, and the material is appropriately selected based on the operating temperature range as the heater plate 1. As a preferable material for the heater plate 1, a metal having high thermal conductivity, such as aluminum or an aluminum alloy (thermal conductivity: 100 to 240 W / m · K, at room temperature) is preferably used, but is not limited thereto. Depending on the operating temperature range of the heater plate 1, iron or iron alloy (thermal conductivity: 10 to 80 W / m · K, at normal temperature), copper or copper alloy (thermal conductivity: 100 to 400 W / m · K, normal temperature) ), Nickel or nickel alloy (thermal conductivity: 5 to 100 W / m · K, at room temperature), titanium or titanium alloy (thermal conductivity: 5 to 30 W / m · K, at room temperature), indium (thermal conductivity) : 82 W / m · K, normal temperature, lead (thermal conductivity: 35 W / m · K, normal temperature), magnesium (thermal conductivity: 156 W / m · K, normal temperature), tin (thermal conductivity: 67 W) / M · K at room temperature) Silver (thermal conductivity: 420W / m · K, at normal temperature), zinc (thermal conductivity: 116W / m · K, normal temperature) may be selected from such.

プレート部4は、ベース部3上に一様に積層される。プレート部4は、ヒータプレート1の使用温度域における強度がベース部3を構成する材料より高い材料から選択される。ここで、強度とは、材料の使用温度域における機械的強度を意味し、使用温度域におけるヤング率や、引張強さ等を考慮して材料を選択すればよい。表1に、使用可能な金属材料(純金属またはその合金)の常温時におけるヤング率を示す。   The plate part 4 is uniformly laminated on the base part 3. The plate portion 4 is selected from materials whose strength in the operating temperature range of the heater plate 1 is higher than the material constituting the base portion 3. Here, the strength means the mechanical strength in the use temperature range of the material, and the material may be selected in consideration of the Young's modulus in the use temperature range, the tensile strength, and the like. Table 1 shows Young's modulus at room temperature of usable metal materials (pure metals or alloys thereof).

Figure 0005449045
Figure 0005449045

ベース部3としてアルミニウムまたはアルミニウム合金が選択される場合、プレート部4の材料は、これより機械的強度が高い材料、例えば、銅または銅合金が使用される。プレート部4をベース部3よりヒータプレート1の使用温度範囲の機械的強度の高い材料で構成すると、使用温度範囲の上限域で連続的に使用した場合でも、後述するシャフト部2で支持されないヒータプレート1の外周部のたわみを防止することができる。なお、ベース部3とプレート部4の厚さは、ヒータプレート1の径の大きさ、厚みに加え、ベース部3およびプレート部4として選択された各材料の熱伝導率および機械的強度を考慮して、ヒータプレート1の温度分布が使用温度範囲において一様となるように適宜調整する。   When aluminum or aluminum alloy is selected as the base part 3, the material of the plate part 4 is a material having higher mechanical strength, for example, copper or copper alloy. When the plate portion 4 is made of a material having a higher mechanical strength in the operating temperature range of the heater plate 1 than the base portion 3, even when continuously used in the upper limit region of the operating temperature range, the heater not supported by the shaft portion 2 described later Deflection of the outer periphery of the plate 1 can be prevented. In addition, the thickness of the base part 3 and the plate part 4 considers the thermal conductivity and mechanical strength of each material selected as the base part 3 and the plate part 4 in addition to the size and thickness of the heater plate 1. Then, it adjusts suitably so that the temperature distribution of the heater plate 1 may become uniform in a use temperature range.

載置部5は、プレート部4上に積層され、被加熱物である半導体基板を載置する。載置部5には、半導体基板とヒータプレート1の表面(載置部5)との接触を低減させるスペーサを設置してもよい。本実施の形態にかかるシャフト付きヒータプレート100は載置部5を備えるが、必ずしも載置部5を設ける必要はなく、プレート部4上に被加熱物を載置してもよい。   The mounting unit 5 is stacked on the plate unit 4 and mounts a semiconductor substrate that is an object to be heated. A spacer that reduces contact between the semiconductor substrate and the surface of the heater plate 1 (mounting unit 5) may be installed in the mounting unit 5. Although the heater plate 100 with a shaft according to the present embodiment includes the placement portion 5, the placement portion 5 is not necessarily provided, and an object to be heated may be placed on the plate portion 4.

シャフト部2は、ヒータプレート1を支持するシャフト本体部8と、ヒータプレート1と接合するためのフランジ部9とを備える。シャフト本体部8は、中空円筒形状であり、電力供給線7が内部に配置される。フランジ部9は、ヒータプレート部のシャフト側に配置するベース部3と溶接またはろう付け等によって接合される。本実施の形態にかかるシャフト付きヒータ100は、フランジ部9を介してシャフト部2とヒータプレート1とを接続しているが、フランジ部9を設けることなく、シャフト部2の端部とヒータプレート1とを溶接またはろう付け等によって接合してもよい。なお、シャフト部2及びベース部3についても、後述するコールドスプレー法により積層形成することができる。   The shaft portion 2 includes a shaft main body portion 8 that supports the heater plate 1 and a flange portion 9 for joining to the heater plate 1. The shaft body 8 has a hollow cylindrical shape, and the power supply line 7 is disposed inside. The flange portion 9 is joined to the base portion 3 disposed on the shaft side of the heater plate portion by welding or brazing. Although the shaft-equipped heater 100 according to the present embodiment connects the shaft portion 2 and the heater plate 1 via the flange portion 9, the end portion of the shaft portion 2 and the heater plate are not provided with the flange portion 9. 1 may be joined by welding or brazing. Note that the shaft portion 2 and the base portion 3 can also be laminated by a cold spray method described later.

次に、図2〜6を参照して、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニット100の製造工程を説明する。図2は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニット100の製造工程を説明するフローチャートである。図3は、本発明の実施の形態に係るシャフト付きヒータユニットの製造に使用される溶射装置の一例の概要を示す説明図である。図4〜6は、シャフト付きヒータユニット100の製造工程を説明する断面図である。   Next, with reference to FIGS. 2-6, the manufacturing process of the heater unit 100 with a shaft which concerns on embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 2 is a flowchart for explaining the manufacturing process of the heater unit with shaft 100 according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is an explanatory view showing an outline of an example of a thermal spraying apparatus used for manufacturing the heater unit with a shaft according to the embodiment of the present invention. 4-6 is sectional drawing explaining the manufacturing process of the heater unit 100 with a shaft.

図2のフローチャートに示すように、まず、ベース部3の開口部10をマスキング部材11でマスキングする(ステップS101)。ベース部3は、切削や鋳造などにより加工成形したものを使用すればよい。その後、図4に示すように、ベース部3の略一面にシースヒータ6を配置する(ステップS102)。   As shown in the flowchart of FIG. 2, first, the opening 10 of the base 3 is masked with the masking member 11 (step S101). The base part 3 may be formed by machining or casting. Thereafter, as shown in FIG. 4, the sheath heater 6 is disposed on substantially one surface of the base portion 3 (step S102).

その後、ベース部3上に、プレート部4の粉末材料を、図3に示すような溶射装置50を用いてコールドスプレーすることによって、プレート部4を形成する(ステップS103、図5参照)。溶射装置50は、圧縮ガスを融点以下に加熱するガス加熱器40と、被溶射物に溶射する粉末材料を収容し、スプレーガン44に供給する粉末供給装置41と、スプレーガン44で過熱された圧縮ガスと混合された材料粉末を基材に噴射するガスノズル45とを備えている。   Then, the plate part 4 is formed on the base part 3 by cold spraying the powder material of the plate part 4 using the thermal spraying apparatus 50 as shown in FIG. 3 (refer step S103, FIG. 5). The thermal spraying device 50 contains a gas heater 40 that heats the compressed gas below the melting point, a powder material that sprays the sprayed material, and a powder supply device 41 that supplies the powder material to the spray gun 44. A gas nozzle 45 for injecting the material powder mixed with the compressed gas onto the substrate.

圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。供給された圧縮ガスは、バルブ42および43により、ガス加熱器40と粉末供給装置41にそれぞれ供給される。ガス加熱器40に供給された圧縮ガスは、溶射材料の融点より低い温度、例えば50〜700℃に加熱された後、スプレーガン44に供給される。より好ましくは、圧縮ガスにより加熱された溶射材料粉末の上限温度は、材料の融点以下に留める。粉末加熱温度を材料の融点以下に留めることにより、材料の酸化を抑制できるためである。粉末供給装置41に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置41内の、例えば、粒径が10〜100μm程度の材料粉末をスプレーガン44に所定の吐出量となるように供給する。加熱された圧縮ガスは先細末広形状のガスノズル45により超音速流(約340m/s以上)にされる。スプレーガン44に供給された粉末材料は、この圧縮ガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のまま基材に高速で衝突して皮膜を形成する。材料粉末を基材に固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、本実施の形態に係るシャフト付きヒータユニット100の製造に使用可能であり、図3の溶射装置50に限定されるものではない。   As the compressed gas, helium, nitrogen, air or the like is used. The supplied compressed gas is supplied to the gas heater 40 and the powder supply device 41 by valves 42 and 43, respectively. The compressed gas supplied to the gas heater 40 is heated to a temperature lower than the melting point of the thermal spray material, for example, 50 to 700 ° C., and then supplied to the spray gun 44. More preferably, the upper limit temperature of the thermal spray material powder heated by the compressed gas is kept below the melting point of the material. This is because the oxidation of the material can be suppressed by keeping the powder heating temperature below the melting point of the material. The compressed gas supplied to the powder supply device 41 supplies, for example, material powder having a particle size of about 10 to 100 μm in the powder supply device 41 to the spray gun 44 so as to have a predetermined discharge amount. The heated compressed gas is converted into a supersonic flow (about 340 m / s or more) by a gas nozzle 45 having a tapered tapered shape. The powder material supplied to the spray gun 44 is accelerated by the injection of the compressed gas into the supersonic flow, and collides with the substrate at a high speed in the solid state to form a film. Any apparatus capable of forming a film by colliding material powder with a base material in a solid phase can be used for manufacturing the heater unit with shaft 100 according to the present embodiment, and is limited to the thermal spraying apparatus 50 of FIG. It is not something.

ステップS103の後、図6に示すように、載置部5の粉末材料を、プレート部4上にコールドスプレーにより積層して、所望の厚さ分の載置部5を形成する(ステップS104)。   After step S103, as shown in FIG. 6, the powder material of the mounting part 5 is laminated on the plate part 4 by cold spray to form the mounting part 5 having a desired thickness (step S104). .

すべての材料の積層終了後、マスキング部材11を除去し(ステップS105)、シャフト部2のフランジ部9とヒータプレート1のベース部3とを、溶接またはろう付けにより接合する(ステップS106)。続いて、シャフト部2およびベース部3の開口部10を介して、電力供給線7とシースヒータ6とを接続する(ステップS107)。なお、シースヒータ6がシャフト部2から飛び出す程度に長い場合は電力供給線7の接続が不要な場合もある。   After all materials are laminated, the masking member 11 is removed (step S105), and the flange portion 9 of the shaft portion 2 and the base portion 3 of the heater plate 1 are joined by welding or brazing (step S106). Subsequently, the power supply line 7 and the sheath heater 6 are connected through the opening 2 of the shaft portion 2 and the base portion 3 (step S107). When the sheath heater 6 is long enough to protrude from the shaft portion 2, the connection of the power supply line 7 may be unnecessary.

上述した製造工程において、切削または鋳造などにより予め所定形状に成形されたベース部3を使用してシャフト付きヒータユニット100を製造しているが、ベース部3ならびにシャフト部2も、プレート部4および載置部5と同様に、コールドスプレー法によりそれぞれ成形してもよい。   In the manufacturing process described above, the heater unit 100 with a shaft is manufactured using the base portion 3 that has been previously formed into a predetermined shape by cutting or casting, but the base portion 3 and the shaft portion 2 are also formed of the plate portion 4 and Similarly to the mounting portion 5, each may be formed by a cold spray method.

上記のように、異なる材料を用いてコールドスプレー法によりヒータプレート1を製造した場合、圧縮ガス温度が低いため、使用する材料の酸化や熱変質がほとんどなく、緻密で密着力が高い皮膜を形成することが出来る。また、コールドスプレー法によれば、任意の箇所に必要な材料を積層できるため、ヒータプレート1の使用温度範囲での強度が高い材料を複合化することにより、ヒータ強度を向上し、ヒータプレート1の温度分布を効果的に改善できる。さらに接合時の温度を低くできるため、材料間に熱膨張差によるひずみの蓄積がなく、材料界面での剥がれ、ひび割れを防止できるという優れた効果を有する。   As described above, when the heater plate 1 is manufactured by the cold spray method using different materials, since the compressed gas temperature is low, there is almost no oxidation or thermal alteration of the material used, and a dense and highly adhesive film is formed. I can do it. Further, according to the cold spray method, since a necessary material can be laminated at an arbitrary location, the heater plate 1 is improved by combining a material having a high strength in the operating temperature range of the heater plate 1 to increase the heater strength. Can effectively improve the temperature distribution. Furthermore, since the temperature at the time of joining can be lowered, there is no accumulation of strain due to a difference in thermal expansion between materials, and there is an excellent effect that peeling and cracking at the material interface can be prevented.

なお、実施の形態にかかるシャフト付きヒータユニット100の変形例1として、図7に示すシャフト付きヒータユニット100Aが例示される。シャフト付きヒータユニット100Aは、ベース部3Aの中心部に開口部を有していない。したがって、プレート部4をコールドスプレー法により積層する場合に、マスキングする必要がなく、工程を短縮して製造することができる。   In addition, as a modified example 1 of the heater unit with shaft 100 according to the embodiment, a heater unit with shaft 100A illustrated in FIG. 7 is illustrated. The heater unit with shaft 100A does not have an opening at the center of the base portion 3A. Therefore, when the plate portion 4 is laminated by the cold spray method, it is not necessary to mask, and the manufacturing process can be shortened.

また、実施の形態にかかるシャフト付きヒータユニット100の変形例2として、図8に示すシャフト付きヒータユニット100Bが例示される。シャフト付きヒータユニット100Bは、ヒータプレート1B外周部を覆う皮膜層12を備える。例えば、ベース部3および載置部5をアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成し、プレート部4の材料として、アルミニウムまたはアルミニウム合金より強度が高い銅または銅合金を選択した場合、プレート部4からの銅の拡散による被加熱物である半導体基板への銅汚染を防止するために、皮膜層12を備えることが好ましい。皮膜層12は、ベース部3および載置部5と同様に、アルミニウムまたはアルミニウム合金とすることが好ましい。皮膜層12は、固相状態の材料粉末を、該材料粉末の融点より低い温度に加熱した圧縮ガスとともにヒータプレート1B外周部に吹き付けることにより積層し、形成する。   Further, as a modification example 2 of the heater unit with shaft 100 according to the embodiment, a heater unit with shaft 100B illustrated in FIG. 8 is illustrated. The shaft-equipped heater unit 100B includes a coating layer 12 that covers the outer periphery of the heater plate 1B. For example, when the base part 3 and the mounting part 5 are made of aluminum or an aluminum alloy, and copper or a copper alloy having a higher strength than aluminum or an aluminum alloy is selected as the material of the plate part 4, the copper of the plate part 4 In order to prevent copper contamination of the semiconductor substrate, which is an object to be heated, due to diffusion, it is preferable to include the coating layer 12. The coating layer 12 is preferably made of aluminum or an aluminum alloy like the base portion 3 and the placement portion 5. The coating layer 12 is formed by laminating the material powder in the solid state by spraying the outer periphery of the heater plate 1B together with the compressed gas heated to a temperature lower than the melting point of the material powder.

さらに、実施の形態にかかるシャフト付きヒータユニット100の変形例3として、図9および10に示すシャフト付きヒータユニット100Cが例示される。シャフト付きヒータユニット100Cのヒータプレート1Cは、シャフト部2と接合されるベース部3と、ベース部3上に積層される第1プレート部4Aおよび第2プレート部4Bと、被加熱物である半導体基板を載置する載置部5と、を備える。第1プレート部4Aは、図10に示すように、ベース部3上に中心から放射状の形状に積層される。第1プレート部4Aは、ヒータプレート1の使用温度域における強度がベース部3を構成する材料より高い材料から選択される。第2プレート部4Bは、ベース部3上に第1プレート部4Aの間を埋めるように積層される。第2プレート部4Bは、ベース部3を構成する材料と同じ材料から選択される。変形例3にかかるシャフト付きヒータユニット100Cは、第1プレート部4Aをベース部3上に放射状に形成することにより、ヒータプレート1Cを使用温度範囲の上限域で連続的に使用した場合でも、シャフト部2で支持されないヒータプレート1の外周部のたわみを防止することができる。   Furthermore, as a modified example 3 of the heater unit 100 with a shaft according to the embodiment, a heater unit 100C with a shaft shown in FIGS. 9 and 10 is exemplified. The heater plate 1C of the heater unit with shaft 100C includes a base part 3 joined to the shaft part 2, a first plate part 4A and a second plate part 4B stacked on the base part 3, and a semiconductor to be heated. And a placement unit 5 on which a substrate is placed. As shown in FIG. 10, the first plate portion 4A is laminated on the base portion 3 in a radial shape from the center. The first plate portion 4 </ b> A is selected from materials whose strength in the operating temperature range of the heater plate 1 is higher than the material constituting the base portion 3. The second plate portion 4B is stacked on the base portion 3 so as to fill the space between the first plate portions 4A. The second plate portion 4B is selected from the same material as that constituting the base portion 3. In the heater unit 100C with a shaft according to the modified example 3, the first plate portion 4A is formed radially on the base portion 3, so that the shaft can be used even when the heater plate 1C is continuously used in the upper limit of the operating temperature range. Deflection of the outer peripheral portion of the heater plate 1 that is not supported by the portion 2 can be prevented.

本発明は、異なる材料を接合してなるシャフト付きヒータユニットおよびシャフト付きヒータユニット製造方法に利用可能であり、特に、半導体製造装置で使用されるシャフト付きヒータに有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a heater unit with a shaft formed by joining different materials and a heater unit manufacturing method with a shaft, and is particularly useful for a heater with a shaft used in a semiconductor manufacturing apparatus.

1、1A、1B、1C ヒータプレート
2 シャフト部
3、3A ベース部
4 プレート部
4A 第1プレート部
4B 第2プレート部
5 載置部
6 シースヒータ
7 電力供給線
8 シャフト本体部
9 フランジ部
10 開口部
11 マスキング部材
40 ガス加熱器
41 粉末供給装置
42、43 バルブ
44 スプレーガン
45 ガスノズル
50 溶射装置
100、100A、100B、100C シャフト付きヒータユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A, 1B, 1C Heater plate 2 Shaft part 3, 3A Base part 4 Plate part 4A 1st plate part 4B 2nd plate part 5 Mounting part 6 Sheath heater 7 Electric power supply line 8 Shaft body part 9 Flange part 10 Opening part DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Masking member 40 Gas heater 41 Powder supply apparatus 42, 43 Valve 44 Spray gun 45 Gas nozzle 50 Thermal spray apparatus 100, 100A, 100B, 100C Heater unit with a shaft

Claims (8)

被加熱物を載置して加熱するヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトを有するシャフト付きヒータユニットであって、
前記ヒータプレートは、
前記シャフトと接合される平板状のベース部と、
前記ヒータプレートの使用温度域における強度が前記ベース部を構成する材料より高い材料から選択された固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度でベース部上に吹き付けることにより積層されたプレート部と、
を備えることを特徴とするシャフト付きヒータユニット。
A heater plate with a shaft having a heater plate for placing and heating an object to be heated, and a shaft for supporting the heater plate,
The heater plate is
A flat base portion joined to the shaft;
A solid-state material powder selected from materials whose strength in the operating temperature range of the heater plate is higher than the material constituting the base portion is heated on the base portion at a temperature lower than the melting point of the material powder by a heated compressed gas. Plate parts stacked by spraying;
A heater unit with a shaft, comprising:
前記ヒータプレートは、
前記ベース部と同一の材料からなる固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記プレート部上に吹き付けることにより積層されてなり、被加熱物を載置する載置部を備えることを特徴とする請求項1に記載のシャフト付きヒータユニット。
The heater plate is
The material powder in the solid phase made of the same material as the base part is laminated by spraying on the plate part with a heated compressed gas at a temperature lower than the melting point of the material powder, and the object to be heated is placed thereon. The heater unit with a shaft according to claim 1, further comprising a mounting portion.
前記ヒータプレートは、該ヒータプレート外周部を覆う皮膜層を備え、前記皮膜層は、前記ベース部と同一の材料からなる固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ヒータプレート外周部に吹き付けることにより積層されたことを特徴とする請求項2に記載のシャフト付きヒータユニット。   The heater plate includes a coating layer covering an outer peripheral portion of the heater plate, and the coating layer is made of a solid-state material powder made of the same material as the base portion by a heated compressed gas from a melting point of the material powder. The heater unit with a shaft according to claim 2, wherein the heater unit is laminated by spraying the outer peripheral portion of the heater plate at a low temperature. 前記ヒータプレートは、前記プレート部中にシースヒータを配置することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載のシャフト付きヒータユニット。   The said heater plate arrange | positions a sheath heater in the said plate part, The heater unit with a shaft as described in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 前記ベース部はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記プレート部は銅または銅合金からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載のシャフト付きヒータユニット。   The heater unit with a shaft according to any one of claims 1 to 4, wherein the base portion is made of aluminum or an aluminum alloy, and the plate portion is made of copper or a copper alloy. 被加熱物を載置して加熱するヒータプレートと、該ヒータプレートを支持するシャフトを有するシャフト付きヒータユニット製造方法であって、
前記シャフトと接合される平板状のベース部に、シースヒータを配置する配置工程と、
前記ヒータプレートの使用温度域における強度が前記ベース部を構成する材料より高い材料から選択された固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ベース部上に吹き付けることにより、プレート部を形成するプレート部積層工程と、
を含むことを特徴とするシャフト付きヒータユニット製造方法。
A heater unit manufacturing method with a shaft having a heater plate for placing and heating an object to be heated, and a shaft for supporting the heater plate,
An arrangement step of arranging a sheath heater on a flat base portion joined to the shaft;
A solid-state material powder selected from materials whose strength in the operating temperature range of the heater plate is higher than the material constituting the base portion is heated on the base portion at a temperature lower than the melting point of the material powder by heated compressed gas. A plate part stacking step for forming the plate part by spraying on
A method for manufacturing a heater unit with a shaft, comprising:
前記ベース部を構成する材料と同一の材料で構成される固相状態の材料粉末を、該材料粉末の融点より低い温度に加熱した圧縮ガスとともにプレート部上に吹き付けることにより、前記プレート部上に積層され、前記被加熱物を載置する載置部を形成する載置部積層工程を含むことを特徴とする請求項6に記載のシャフト付きヒータユニット製造方法。   By spraying a solid-state material powder composed of the same material as the material constituting the base portion onto the plate portion together with a compressed gas heated to a temperature lower than the melting point of the material powder, The method of manufacturing a heater unit with a shaft according to claim 6, further comprising a placement portion laminating step of forming a placement portion on which the object to be heated is placed. 前記ベース部を構成する材料と同一の材料で構成される固相状態の材料粉末を、加熱した圧縮ガスにより該材料粉末の融点より低い温度で前記ヒータプレート外周部に吹き付けることにより、前記ヒータプレート外周部を覆う皮膜層を形成する皮膜層積層工程を含むことを特徴とする請求項7に記載のシャフト付きヒータユニット製造方法。   The heater plate is sprayed onto the outer periphery of the heater plate with a solid-state material powder composed of the same material as that constituting the base portion at a temperature lower than the melting point of the material powder by a heated compressed gas. The method for manufacturing a heater unit with a shaft according to claim 7, further comprising a coating layer laminating step of forming a coating layer covering the outer peripheral portion.
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