JP6916587B2 - 耐久性が改善されたセラミックヒータ - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックヒータに関し、特に、電極部からセラミック面に加えられる力やストレスなどによるクラック（ｃｒａｃｋ）の発生を防止して耐久性を向上させたセラミックヒータおよびセラミックヒータ用セラミックプレートに関する。
セラミックヒータは、半導体ウェハ、ガラス基板、フレキシブル基板などのような様々な目的の熱処理対象体を所定の加熱温度で熱処理するために用いられる。半導体ウェハの処理のために、セラミックヒータは静電チャックの機能と結合して用いられたりもする。
図１は、従来のセラミックヒータを説明するための図である。図１を参照すれば、従来のセラミックヒータは、セラミックプレート１０の中心部に外部の電極ロッド３０と結合するための電極部を有する。セラミックプレート１０には、発熱体１１がリング形態などで埋め込まれており、その中心部の電極部周囲の所定の発熱体１１に電気的に連結されたコネクタ１２が埋め込まれている。電極部において、電極ロッド３０と結合された支持体２０が開口部に形成されたネジ山を介してネジ結合され、電極ロッド３０の端はろう付け（ｂｒａｚｉｎｇ）接合されてコネクタ１２と電気的に連結される。
このような従来のセラミックヒータにおいては、電極部のネジ山が開口部の底面まで形成されており、該ネジ山を介した支持体２０の結合によって支持体２０の端が開口部のセラミック面と接触するかまたは近接するようになる。
そのため、ヒータの長時間の使用やろう付け（ｂｒａｚｉｎｇ）の時に、支持体２０の膨張と変形が起こってセラミック面に力またはストレスが加えられることによって、図１のように周囲のセラミックにクラックを誘発するという問題がある。
また、電極ロッド３０の端とコネクタ１２との間のろう付け（ｂｒａｚｉｎｇ）の時に、導電性フィラー（ｆｉｌｌｅｒ）がメルトし固体化する時に生じるフィラー塊が周囲空間に位置を占めなければならないが、支持体２０の端部周辺に空間が無いかまたは狭くてフィラー塊が周囲のセラミック面に力またはストレスを加えることによって、図１のように周囲のセラミックにクラックを誘発するという問題がある。
関連の先行文献として、大韓民国公開特許第１０−２００８−００４６７９７号（２００８年０５月２８日）などを参照することができる。
本発明は、上述した問題を解決するために導き出されたものであり、本発明の目的は、電極部の開口部周囲のセラミック面でのクラックの発生を防止して耐久性を向上させるために、電極ロッドの支持部の端が対向するセラミック面から離隔するようにし、電極ロッドの支持部の端の周辺にフィラー塊が位置を占める空間を用意して、支持部の膨張やフィラー塊によってセラミック面に加えられる力やストレスなどが除去されるようにした、セラミックヒータおよびセラミックヒータ用セラミックプレートを提供することにある。
先ず、本発明の特徴を要約すれば、前記目的を達成するための本発明の一態様に係るセラミックヒータは、埋め込まれている発熱体、開口部の内周面の一部に形成されたネジ山、および前記発熱体と電気的に連結され、前記開口部の底面に部分的に露出されるように埋め込まれているコネクタを含むセラミックプレート、および前記ネジ山を介して締結される、電極ロッドと結合された支持アイレットを含み、前記開口部の内周面の前記底面側の端に内側に窪んだ凹部が形成されることを特徴とする。前記支持アイレットの端部が前記開口部の底面から所定の距離離隔するように前記ネジ山を介して締結される。
そして、本発明の他の一態様に係るセラミックプレートは、開口部の内周面の一部に形成され、電極ロッドと結合された支持アイレットを締結するためのネジ山、埋め込まれた発熱体と電気的に連結され、前記開口部の底面に部分的に露出されるように埋め込まれているコネクタ、および前記底面側の端に内側に窪んだ凹部を含む。
前記凹部は、前記支持アイレットの締結後、前記電極ロッドの端部面と前記コネクタとの間のろう付け接合時に発生するフィラー塊を収容するためのものである。それにより、前記フィラー塊が周囲のセラミック面に加えるストレスを除去することができる。
前記ネジ山を介して前記支持アイレットの端部が前記開口部の底面から所定の距離離隔するように締結してもよい。それにより、熱的膨張や変形によって前記支持アイレットの端部が周囲のセラミック面に加えるストレスを除去することができる。
前記開口部の全体深さに対して前記開口部の入口から前記ネジ山が形成された部分の端部までの深さが１０％〜９０％であってもよい。
前記ネジ山を介して締結された前記支持アイレットの端部が前記開口部の底面から１ｍｍ〜５ｍｍ離隔するようにしてもよい。
前記凹部は、最大に窪んだ部分が加工前の前記内周面の延長線から０．１ｍｍ〜３ｍｍ内側に窪むように丸い形状に加工されてもよい。
本発明に係るセラミックヒータによれば、電極ロッドの支持部の端が対向するセラミック面から離隔するようにし、電極ロッドの支持部の端の周辺にフィラー塊が位置を占める空間を用意して、支持部の膨張やフィラー塊によってセラミック面に加えられる力やストレスなどが除去されるようにすることによって、電極部周囲のセラミック面でのクラックの発生を防止して耐久性を向上させることができる。
以下では、添付図面を参照して本発明について詳しく説明する。この時、図面上、同一の構成要素には可能な限り同一の符号を付することにする。また、既に公知された機能および／または構成に関する詳しい説明は省略する。以下にて開示された内容は、様々な実施形態に応じた動作を理解するのに必要な部分を重点的に説明し、その説明の要旨を不要に濁す恐れがある要素に関する説明は省略する。また、図面の一部の構成要素は、誇張、省略または概略的に図示されることがある。各構成要素の大きさは実際の大きさを完全に反映するのではなく、よって、それぞれの図面に示された構成要素の相対的な大きさや間隔によってこれに記載される内容が制限されるものではない。
図２ａおよび図２ｂは、本発明の一実施形態によるセラミックヒータを説明するための図である。図２ａは本発明の一実施形態によるセラミックヒータの電極部１５０を具体的に示す図であり、図２ｂは図２ａの電極部１５０の開口部１４０に締結された電極１２５をさらに示す図である。
図２ａおよび図２ｂを参照すれば、本発明の一実施形態によるセラミックヒータは、発熱体１１１と電極部１５０とを含むセラミックプレート１１０、および電極部１５０の開口部１４０に締結される電極１２５、すなわち、電極ロッド１３０と電極ロッド１３０に結合された支持アイレット（ｅｙｅｌｅｔ）１２０とを含む。セラミックプレート１１０は、セラミック焼結体に埋め込まれた発熱体１１１を含む。電極１２５は、発熱体１１１に電力（例えば、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電力）を供給するための構成要素であって、電極ロッド１３０と電極ロッド１３０に結合された支持アイレット１２０とを含む。
セラミックプレート１１０の電極部１５０は、電極１２５の連結のための開口部１４０にコネクタ１１２と凹部１４２とを含み、また、開口部１４０の内周面の一部に形成されたネジ山１４１を含む。電極ロッド１３０と結合された支持アイレット１２０は、ネジ山１４１（例えば、雌ネジ山）を介して締結するために外周面にネジ山１２１（例えば、雄ネジ山）を有する。
ここで、セラミックはＡｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３／Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＡｌＣ（Ａｕｔｏｃｌａｖｅｄ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ）、ＴｉＮ、ＡｌＮ、ＴｉＣ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＣｅＯ２、ＴｉＯ２、ＢｘＣｙ、ＢＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、ＹＡＧ、Ｍｕｌｌｉｔｅ、ＡｌＦ３などのような様々な素材であってもよい。
発熱体１１１にＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電力などを供給するために、コネクタ１１２、電極ロッド１３０、支持アイレット１２０は導電性素材からなることができ、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、ニオビウム（Ｎｂ）、チタニウム（Ｔｉ）またはこれらの合金からなることができる。また、発熱体１１１もこのような導電性素材からなることができる。
電極ロッド１３０は、支持アイレット１２０に結合されて末端部がコネクタ１１２とろう付け（ｂｒａｚｉｎｇ）接合されるように、支持アイレット１２０の端部より所定の長さだけさらに延びた形態になるように支持アイレット１２０と結合されることができる。電極ロッド１３０は支持アイレット１２０と様々な方法で電気的に連結されるように結合されることができ、例えば、その界面に導電性物質を含む接着剤を用いて結合されることができる。例えば、接着剤として、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）または銅（Ｃｕ）などの金属物質と有機物エポキシが混合された形態が利用できる。
発熱体１１１と電気的に連結され、開口部１４０の底面に部分的に露出されるように、コネクタ１１２がセラミックプレート１１０に埋め込まれている。電極ロッド１３０の端部面とコネクタ１１２との間にはろう付け接合によって電気的に連結される。ろう付け（ｂｒａｚｉｎｇ）接合のために、導電性フィラー（ｆｉｌｌｅｒ）を開口部１４０の底面、またはコネクタ１１２の露出部分に、予め注入し、電極ロッド１３０の端部面とコネクタ１１２を密着させた後に高温加熱し冷却させる方法によってなされる。
セラミックプレート１１０の電極部１５０は、開口部１４０に電極ロッド１３０が結合された支持アイレット１２０のネジ山１２１（例えば、雄ネジ山）と締結するためのネジ山１４１（例えば、雌ネジ山）および開口部１４０の底面に部分的に露出されるようにセラミックプレート１１０に埋め込まれているコネクタ１１２の他にも、開口部１４０内周面の底面１１４側の端に内側に窪むように丸い形状（Ｒ）に加工された凹部１４２をさらに含む。
電極ロッド１３０と接合されたコネクタ１１２を介して発熱体１１１にＲＦ電力などを供給して、発熱体１１１から発生する熱を用いて熱処理対象体を加熱し、所定の加熱温度で熱処理をすることができる。但し、図２のセラミックプレート１１０をひっくり返して、その上面に半導体ウェハ、ガラス基板、フレキシブル基板などのような様々な目的の熱処理対象体を加熱して熱処理することができ、場合によっては、図２のセラミックプレート１１０の下面にそのまま様々な目的の熱処理対象体を加熱して熱処理することもできる。本発明のセラミックヒータは、静電チャックの機能と結合して用いられてもよい。
図３は、図２のセラミックヒータの電極部１５０周囲を拡大した図である。
図３を参照すれば、凹部１４２は、支持アイレット１２０の締結後、電極ロッド１３０の端部面とコネクタ露出部分との間のフィラー１１３を介したろう付け接合時に発生する残留フィラー塊１１５を収容する。このような残留フィラー塊１１５を収容するための空間を確保するために、凹部１４２は、図３のｄ２のように最大に窪んだ部分が加工前の開口部１４０内周面の延長線から０．１ｍｍ〜３ｍｍ内側に窪むように丸い形状に加工されることができる。凹部１４２のこのような加工範囲から脱すれば、加工が難しいかまたはクラック発生の防止効果が落ちる。
下記の表１には、凹部１４２の様々なタイプ（図５参照）に対して実験した結果を示す。すなわち、開口部１４０の全体深さＤが１０ｍｍであり、開口部１４０内周面の直径が６ｍｍである場合に対して、凹部１４２の加工がない場合（Ｔｙｐｅ１）、開口部１４０内周面の延長線から丸い形状に加工されて、凹部１４２の最大に窪んだ部分の直径が、６．５ｍｍの場合（Ｔｙｐｅ２）、７．５ｍｍの場合（Ｔｙｐｅ３）を例に挙げて示した。
表１に示すように、Ｔｙｐｅ１の場合は、残留フィラー塊１１５を収容する空間がなくてクラックが発生し、ろう付け接合も不良であった。Ｔｙｐｅ２、Ｔｙｐｅ３の場合は、適切な凹部１４２の形成によりクラックの発生がなくて良好であり、ろう付け接合も優秀または良好な状態を示した。
図５において、凹部１４２の最大に窪んだ部分の直径が８．５８ｍｍの場合（Ｔｙｐｅ４）のように凹部１４２の直径が大きい場合は加工に困難があって実験することはできなかったが、適切な切削方法により、Ｔｙｐｅ３より大きい凹部１４２の直径に対して適切な範囲までクラックの発生がなくて良好であり、ろう付け接合も良好な状態を示すであろう。よって、凹部１４２は、図３のｄ２のように最大に窪んだ部分が加工前の開口部１４０内周面の延長線から０．１ｍｍ〜３ｍｍ内側に窪むように丸い形状に加工されることが好ましい。但し、これに限定されず、場合によっては、凹部１４２の直径ｄ２をそれ以上に大きくしてもよい。
従来のようにアイレット端部周辺に空間がないかまたは狭くて、ろう付け接合時に導電性フィラーがメルトし固体化するする時に生じるフィラー塊が位置を占める周囲空間の不足により、フィラー塊が周囲のセラミック面にストレスを加えてクラックを誘発するようになる。
本発明においては、このように支持アイレット１２０の端部周辺にフィラー塊１１５が位置を占める空間を用意することによって、フィラー塊１１５によって底などの周囲のセラミック面１１４に加えられるストレス（または力）などが除去されるようにすることによって、従来のような（図１参照）電極部開口部１４０周囲のセラミック面でのクラックの発生を防止して耐久性を向上させることができる。
また、従来のように開口部内周面のネジ山とアイレット外周面のネジ山、特に、開口部内周面のネジ山が底面まで形成されている場合、アイレット端部が底のセラミック面と接触するかまたは近接するようになって、ヒータの長時間の使用やろう付けの時にアイレットの膨張と変形が起こってセラミック面にストレスを加え、周囲のセラミックにクラックを誘発するようになる。
本発明においては、図３のように、タブ（ｔａｂ）加工によるネジ山１４１を介して支持アイレット１２０の端部が開口部１４０の底面１１４から所定の距離ｄ３離隔するように支持アイレット１２０の締結を制限することができる。例えば、開口部１４０の全体深さＤに対して開口部１４０の入口からネジ山１４１が形成された部分の端部までの深さｄ１が１０％〜９０％になるようにすることができ、支持アイレット１２０の端部１２２がネジ山１４１が形成された部分の端部１２３から所定の長さだけ離れて位置するように製作することによって、安定的に支持アイレット１２０の端部１２２が開口部１４０の底面１１４から所定の距離ｄ３離隔するようにすることができる。例えば、ネジ山１４１を介して締結された支持アイレット１２０の端部１２２は、開口部１４０の底面１１４から離隔距離ｄ３が１ｍｍ〜５ｍｍになるようにすることができる。
支持アイレット１２０の端部１２２がネジ山１４１が形成された部分の端部１２３まで降りてくるように締結され、この時、開口部１４０の全体深さＤが１０ｍｍの場合に対して、ネジタブ（ｔａｂ）による加工深さｄ１、すなわち、開口部１４０の入口からネジ山１４１が形成された部分の端部までの深さｄ１が、１、３、６、８、１０ｍｍの場合に対して、実験した結果が表２のとおりである。
表２に示すように、ネジタブ（ｔａｂ）による加工深さｄ１が１ｍｍの場合は、クラックの発生がなくて良好であるが、ネジ山（１２１／１４１）の数が少なくて支持アイレット１２０の締結が不可であり、ｄ１が３ｍｍの場合は、クラックの発生がなくて良好であるが、ネジ結合が弱くてろう付け接合が不良であった。また、ｄ１が１０ｍｍとして開口部１４０の全体深さＤと等しくなった場合には、クラックの発生とろう付け接合と関連していずれも不良であった。但し、ｄ１が６ｍｍ／８ｍｍの場合は、クラックの発生とろう付け接合と関連していずれも良好であった。よって、ネジ山１４１を介して締結された支持アイレット１２０の端部１２２は、開口部１４０の底面１１４から離隔距離ｄ３が１ｍｍ〜５ｍｍになるようにすることが好ましい。但し、これに限定されず、場合によっては、離隔距離ｄ３をさらに小さくするかまたはさらに大きくしてもよい。
図４は、図２の支持アイレット１２０の端部１２２が対向するセラミック面との離隔程度を具体的に説明するための図である。
図４（ａ）に示すように、設計によってはネジ山１４１を介して締結された支持アイレット１２０の端部１２２が上記のような凹部１４２開始境界線以前まで延びる場合があり、また、設計によってはネジ山１４１を介して締結された支持アイレット１２０の端部１２２が上記のような凹部１４２開始境界線を越えて延びる場合がある。
この時、全ての場合において、ネジ山１４１を介して締結された支持アイレット１２０の端部１２２が開口部１４０の底面１１４から離隔距離ｄ３が１ｍｍ〜５ｍｍになるようにすることができ、このような範囲から脱すれば、クラック発生の防止効果が落ちる。
本発明において、このように支持アイレット１２０の端部１２２が開口部１４０の底面１１４から所定の離隔距離ｄ３を保持するようにすることによって、ヒータの長時間の使用やろう付けの時に支持アイレット１２０の熱的膨張と変形があるとしても、支持アイレット１２０の端部１２２によって底などの周囲のセラミック面１１４に加えられるストレス（または力）などが除去されるようにし、従来のような（図１参照）電極部開口部１４０周囲のセラミック面でのクラックの発生を防止して耐久性を向上させることができる。
上述したように、本発明のセラミックヒータによれば、電極ロッド１３０の支持アイレット１２０の端が対向するセラミック面から離隔するようにし、電極ロッド１３０の支持アイレット１２０の端の周辺にフィラー塊１１５が位置を占める空間を用意して、支持アイレット１２０の膨張やフィラー塊によってセラミック面に加えられる力やストレスなどが除去されるようにすることによって、電極部１５０周囲のセラミック面でのクラックの発生を防止して耐久性を向上させることができる。
以上、本発明を具体的な構成要素などのような特定の事項と限定された実施形態および図面によって説明したが、これは本発明のより全般的な理解を助けるために提供されたものに過ぎず、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明が属する技術分野における通常の知識を有した者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲内で様々な修正および変形が可能である。したがって、本発明の思想は説明された実施形態に限定して定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、該特許請求の範囲と均等または等価的な変形がある全ての技術思想は本発明の権利範囲に含まれると解釈しなければならない。
１１０ ・・・セラミックプレート
１２０ ・・・支持アイレット
１３０ ・・・電極ロッド
１４０ ・・・開口部
１５０ ・・・電極部
１２０ ・・・支持アイレット
１３０ ・・・電極ロッド
１４０ ・・・開口部
１５０ ・・・電極部
Claims (12)
- 埋め込まれている発熱体、開口部の内周面の一部に形成されたネジ山、および前記発熱体と電気的に連結され、前記開口部の底面に部分的に露出されるように埋め込まれているコネクタを含むセラミックプレート、および
前記ネジ山を介して締結される、電極ロッドと結合された支持アイレットを含み、
前記開口部の内周面の前記底面側の端に内側に窪んだ凹部が形成され、
前記支持アイレットの端部が前記開口部の底面から所定の距離離隔するように前記ネジ山を介して締結されることを特徴とする、セラミックヒータ。 - 埋め込まれている発熱体、開口部の内周面の一部に形成されたネジ山、および前記発熱体と電気的に連結され、前記開口部の底面に部分的に露出されるように埋め込まれているコネクタを含むセラミックプレート、および
前記ネジ山を介して締結される、電極ロッドと結合された支持アイレットを含み、
前記支持アイレットの端部が前記開口部の底面から所定の距離離隔するように前記ネジ山を介して締結されることを特徴とする、セラミックヒータ。 - 開口部の内周面の一部に形成され、電極ロッドと結合された支持アイレットを締結するためのネジ山、
埋め込まれた発熱体と電気的に連結され、前記開口部の底面に部分的に露出されるように埋め込まれているコネクタ、および
前記底面側の端に内側に窪んだ凹部を含み、
前記支持アイレットの端部が前記開口部の底面から所定の距離離隔するように前記ネジ山を介して締結されることを特徴とする、セラミックプレート。 - 前記凹部は、前記支持アイレットの締結後、前記電極ロッドの端部面と前記コネクタとの間のろう付け接合時に発生するフィラー塊を収容するためのものであることを特徴とする、請求項３に記載のセラミックプレート。
- 前記フィラー塊が周囲のセラミック面に加えるストレスを除去するためであることを特徴とする、請求項４に記載のセラミックプレート。
- 前記凹部が前記底面の全周にわたって内側に窪んでいることを特徴とする、請求項３に記載のセラミックプレート。
- 熱的膨張や変形によって前記支持アイレットの端部が周囲のセラミック面に加えるストレスを除去するためであることを特徴とする、請求項３に記載のセラミックプレート。
- 前記開口部の全体深さに対して前記開口部の入口から前記ネジ山が形成された部分の端部までの深さが１０％〜９０％であることを特徴とする、請求項３に記載のセラミックプレート。
- 前記ネジ山を介して締結された前記支持アイレットの端部が前記開口部の底面から１ｍｍ〜５ｍｍ離隔するようにするためであることを特徴とする、請求項３に記載のセラミックプレート。
- 前記凹部は、最大に窪んだ部分が加工前の前記内周面の延長線から０．１ｍｍ〜３ｍｍ内側に窪むように丸い形状に加工されることを特徴とする、請求項３に記載のセラミックプレート。
- 埋め込まれている発熱体、開口部の内周面の一部に形成されたネジ山、および前記発熱体と電気的に連結され、前記開口部の底面に部分的に露出されるように埋め込まれているコネクタを含むセラミックプレート、および
前記ネジ山を介して締結される、電極ロッドと結合された支持アイレットを含み、
前記開口部の内周面の前記底面側の端に、前記底面の全周にわたって、内側に窪んだ凹部が形成されることを特徴とする、セラミックヒータ。 - 前記支持アイレットの端部が前記開口部の底面から所定の距離離隔するように前記ネジ山を介して締結されることを特徴とする、請求項１１に記載のセラミックヒータ。
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