JP6935920B2

JP6935920B2 - 基板ヒータ

Info

Publication number: JP6935920B2
Application number: JP2018006091A
Authority: JP
Inventors: 卓安島; 辰男櫻井
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2021-09-15
Anticipated expiration: 2038-01-18
Also published as: JP2019125516A

Description

本発明は、半導体製造工程において真空チャンバ内に載置した基板を加熱するための基板ヒータに関する。

半導体製造においては、基板上に薄膜パターンを形成したり、その基板をエッチングしたりする工程があるが、その際に、基板を真空チャンバ内に設けた基板ヒータに載置して加熱する場合がある。基板ヒータは、均一な温度分布が求められ、熱伝導性が良好なアルミニウム等の加熱板にシーズヒータを埋設したものが用いられる。

特許文献１に記載されているように、高温時の剛性を確保し、高温下での反りや曲がりが無く、アルマイト処理しやすい基板加熱プレートヒータの発明が開示されている。また、特許文献２に記載されているように、シーズヒータの埋設が容易であり低コストで製造可能なプレートヒータの発明について出願している。

基板ヒータは、加熱板の全体が加熱されるようにシーズヒータが配設され、先端のヒータリードが加熱板の中央から下垂するように設けたリード取出管から出される。リード取出管は、上端のフランジを加熱板の下面に凹みを空けて溶接又は摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）等することにより接合され、反対側はＯリングを介して真空チャンバ外に出ている。

特許第５８５７０８１号公報特願２０１７−０３２７６８号

しかしながら、従来の基板ヒータは、リード取出管により加熱板に生じる温度低下を防止するためにリード取出管の内部にマイクロヒータを配設したとしても、リード取出管のフランジから放熱による熱ロスが生じるので、リード取出管の近傍において加熱板の温度が低下するおそれがある。

また、加熱板は、使用条件によっては温度が約４００度になって強度が低下することもあり、リード取出管を取り付けるために凹みを空けた部分において加熱板の肉厚が薄くなるため、リード取出管内からの大気圧によって加熱板が真空チャンバ内に向かって変形するおそれがある。

そこで、本発明は、加熱板の温度が部分的に低下するのを抑制するとともに加熱板の変形を抑制した基板ヒータを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明である基板ヒータは、基板を加熱するためのシーズヒータが埋設され、前記シーズヒータのヒータリードを集めた位置に嵌合凹みが空けられた加熱板と、前記加熱板から下垂して前記ヒータリードを通すための管部と、前記管部の上端を拡げて嵌合凹みに嵌め込むためのフランジと、を有するリード取出管と、を備え、前記フランジは、前記管部を囲むように間欠的に貫通孔が空けられ、前記嵌合凹みは、前記貫通孔の形状に合わせて突出させたリブを有し、前記リブを前記貫通孔に嵌め込んだ上で、前記リブと前記フランジとを熱変形の少ない摩擦撹拌接合やレーザ又は電子ビーム溶接により接合させた、ことを特徴とする。

前記基板ヒータは、前記リブと前記貫通孔との間に隙間を確保した上で、前記リブの高さの半分の深さまで前記フランジと熱変形の少ない摩擦撹拌接合やレーザ又は電子ビーム溶接により接合させ、接合していない残りの隙間により前記リード取出管へ放熱することを抑制した、ことを特徴とする。

前記基板ヒータにおいて、前記嵌合凹みは、前記リード取出管の内部に向かって突出させた盛上部を有する、ことを特徴とする。

前記基板ヒータは、前記リブの内側を熱変形の少ない摩擦撹拌接合やレーザ又は電子ビーム溶接により接合させた接合部と、前記リブの外側を熱変形の少ない摩擦撹拌接合やレーザ又は電子ビーム溶接により接合させた接合部とを、ラップさせることにより継ぎ目を無くした、ことを特徴とする。

前記基板ヒータにおいて、前記リブと前記フランジとを接合させてその内側の径を小さくすることにより、前記嵌合凹みが大気圧側から気圧の低い真空側へ向かって変形することを抑制した、ことを特徴とする。

本発明によれば、加熱板の温度が部分的に低下するのを抑制することができる。リード取出管の内部にマイクロヒータを配設することに加え、加熱板側に断熱用のリブを設け、さらにフランジとリブの間に放熱を抑制する隙間を設けた上で接合することにより、熱ロスが防止され、温度分布を均一にすることができる。

また、加熱板の変形を抑制することもできる。リード取出管のフランジの径を小さくすることに加え、加熱板側に設けたリブで補強するとともに、嵌合凹みの中央を盛り上げて厚みを増やすことにより、変形を低減させることができる。

本発明である基板ヒータを示す正面図である。本発明である基板ヒータを示す底面図である。本発明である基板ヒータのリード取出管を示す斜視図である。本発明である基板ヒータのリード取出管を嵌合凹みに取り付けた状態を示す断面図である。本発明である基板ヒータの変形を抑制するための構造について説明する断面図である。本発明である基板ヒータのリード取出管の接合部を拡大した図である。本発明である基板ヒータの接合部をラップさせた状態を示す図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

まず、本発明である基板ヒータについて説明する。図１は、基板ヒータを示す正面図である。図２は、基板ヒータを下側から見た底面図である。

図１に示すように、基板ヒータ１００は、加熱板２００にシーズヒータ４００ａ、ｂが埋設された加熱装置である。基板ヒータ１００の上面には加熱させる基板を載せ、基板ヒータ１００の下面にはシーズヒータ４００ａ、ｂのヒータリード４１０を出すためのリード取出管３００が垂直に延びる。

加熱板２００は、熱伝導性の良いアルミニウム（Ａｌ）等の金属又は合金製の板材である。例えば、アルミニウムにマグネシウム（Ｍｇ）及びケイ素（Ｓｉ）を添加した６０６１や６１０１等の合金板を使用すれば良い。なお、加熱板２００の表面にアルマイト（Ａ１_２Ｏ_３）等の酸化被膜を形成させて耐食性を持たせても良い。

シーズヒータ４００ａ、ｂは、細長い管状の加熱器具であり、例えば、ニクロム（Ｎｉ８０％、Ｃｒ２０％など）などをコイル状に巻いた発熱線を、アルミニウム等の金属シース管の内部に挿通し、発熱線と金属シース管の間に絶縁材としてマグネシア（ＭｇＯ）粉末などを充填したものである。

図２に示すように、シーズヒータ４００ａ、ｂは、加熱板２００の全体が均一な温度分布で加熱されるように経路が形成されれば良い。例えば、シーズヒータ４００ａは、中央から各四隅を通ってまた中央に戻るように配置され、シーズヒータ４００ｂは、中央からシーズヒータ４００ａの内側を通ってまた中央に戻るように配置される。

加熱板２００の下面には、シーズヒータ４００ａ、ｂを配置する位置にヒータ用溝４５０（図３、図５参照）が形成される。シーズヒータ４００ａ、ｂをヒータ用溝４５０に嵌め込み、ヒータ用溝４５０に押当板で蓋をして、押当板を加熱板２００に熱変形の少ない摩擦撹拌接合やレーザ又は電子ビーム溶接により継ぎ目が見えなくなるように接合すれば良い。

加熱板２００の中央に集められたシーズヒータ４００ａ、ｂの先端は、加熱板２００の下面に連設されたリード取出管３００から出される。リード取出管３００は、加熱板２００の下面中央に空けた嵌合凹みに取り付けられ、摩擦撹拌接合やレーザ又は電子ビーム溶接により一体化される。

次に、基板ヒータのリード取出管の構造について説明する。図３は、基板ヒータのリード取出管を示す斜視図である。図４は、基板ヒータのリード取出管を嵌合凹みに取り付けた状態を示す断面図である。図５は、基板ヒータとリード取出管の変形を抑制するための構造について説明する断面図である。なお、基板ヒータの上面を下側にした状態を示すが、説明上は図１が基本なので、上下関係は図１に沿って説明する。

図３に示すように、リード取出管３００は、加熱板２００から下垂してシーズヒータ４００ａ、ｂの先端を通してヒータリード４１０を外に出すための管部３１０、管部３１０の上端（図では下になっている）をテーパ状に拡げたテーパ部３２０、及びテーパ部３２０からさらに円板状に拡げて加熱板２００に空けた嵌合凹み２１０に嵌め込むためのフランジ３３０等を有する。

リード取出管３００も、加熱板２００と同様にアルミニウム合金を使用すれば良いが、たとえば、リード取出管３００は、耐食性に優れた６０６１合金を使用し、加熱板２００は、マグネシウムを少なくして強度も高い６１０１合金を使用しても良い。

管部３１０は、加熱板２００の下面に対して法線方向に垂立させた内部が中空な管材であり、内部に複数のシーズヒータ４００ａ、ｂが通る。上端にテーパ部３２０が連設され、上部は真空チャンバ内にあるが、下部は外周をＯリング等でシールした上で真空チャンバの外側に出されるので、管内は大気圧となる。

テーパ部３２０は、下端に管部３１０が連設され、上端にフランジ３３０が連設された内部が中空の下方に先細る円錐台状の部分である。また、フランジ３３０は、管部３１０と垂直な面となるように、テーパ部３２０から外側に延設させた中心が抜けた縁状に飛び出した部分であり、リード取出管３００を傾かせないための押え代となる。

なお、加熱板２００の下面中央には、フランジ３３０の形状に合わせた嵌合凹み２１０を空けておく。フランジ３３０を嵌合凹み２１０に嵌め込んだとき、加熱板２００の下面とフランジ３３０の下面とが連となる。シーズヒータ４００ａ、ｂの先端は、嵌合凹み２１０に集まり、リード取出管３００を通って、真空チャンバの外側に出される。

嵌合凹み２１０には、管部３１０を囲むように突出させたリブ２２０ａ及びリブ２２０ｂを設け、フランジ３３０には、リブ２２０ａ、ｂが通る位置に貫通孔３４０ａ及び貫通孔３４０ｂを空ける。貫通孔３４０ａ、ｂが円環状に繋がると中央部が抜け落ちるので、フランジ３３０には管部３１０を囲むように間欠的に貫通孔３４０ａ、ｂが空けられれば良い。

例えば、円弧状の貫通孔３４０ａや円柱状の貫通孔３４０ｂを組み合わせて円環状に配置されれば良い。また、リブ２２０ａは、貫通孔３４０ａの形状に合わせて円弧状に突出させ、リブ２２０ｂは、貫通孔３４０ｂの形状に合わせて円柱状に突出させれば良い。なお、リブ２２０ａ、ｂ間の切れ目２３０は、シーズヒータ４００ａ、ｂの通り道としても良い。

また、嵌合凹み２１０には、テーパ部３２０の内側の形状に合わせて管部３１０の内部に向かって円錐台状に突出させた盛上部２４０を設ける。なお、盛上部２４０は、加熱板２００の下面よりも出ない範囲で設ければ良い。

なお、加熱板２００内にはヒータ用溝４５０が通っており、シーズヒータ４００ａ、ｂを嵌合凹み２１０まで導いた上で、リード取出管３００へ送り出すように溝が形成されれば良い。

図４に示すように、加熱板２００の嵌合凹み２１０により薄くなった部分に盛上部２４０を設けることにより、嵌合凹み２１０における加熱板２００の厚みが増す。加熱板２００の上面側は真空で、リード取出管３００内の中空部２５０は大気圧のため、加熱により強度が低くなったときに大気圧により変形しないように盛上部２４０で補強する。

加熱板２００の熱がリード取出管３００に伝達して放熱されるとリード取出管３００の近傍において加熱板２００の温度が低下するので、熱ロスを軽減するために、管部３１０の内壁に沿ってマイクロヒータ４２０をコイル状に巻いて配置しても良い。

また、フランジ３３０は、縁部３５０において加熱板２００と接合されるが、リブ２２０ａ、ｂを嵌合させるために空けた貫通孔３４０ａ、ｂにより、フランジ３３０からテーパ部３２０の方へ熱が伝達されるのを抑制する。

なお、リブ２２０ａ、ｂが円弧状に突出することにより、嵌合凹み２１０における厚みを部分的に増すことになり、また、嵌合凹み２１０により薄くなった部分の径、すなわち、リブ２２０ａ、ｂとフランジ３３０の縁部３５０とを接合させた内側の径を小さくすることになる。円弧状のリブ２２０ａ、ｂによって嵌合凹み２１０により薄くなった部分が補強されることになり、嵌合凹み２１０において加熱板２００が大気圧側から気圧の低い真空側へ向かって変形することが抑制される。

加熱板２００の使用温度とリード取出管３００の管部３１０の太さによってフランジ３３０の厚みが異なるが、加熱板２００が大きくなればなるほど後加工できにくい管部３１０は、加熱板２００に対して垂直（下向き）に精度良く接合されなければならない。そのためには、フランジ３３０を溶接した際に形成される溶接ビードは管部３１０より離れている方が良く、フランジ３３０も含め管部３１０が溶接時に熱の影響で曲がらないようにフランジ３３０を押さえ付けるための押え代５００を含めると、フランジ３３０は大きくなる。リード取出管３００の管部３１０の太さやフランジ３３０の厚みが多少異なる場合でも、押え代５００は溶接ビード幅も含めて５０ｍｍ程度必要であり、リード取出管の管部３１０の太さがφ８０〜φ１５０なので、管部３１０のテーパ部３２０を含めるとフランジ３３０の外径はφ３００近くになる。

図５に示すように、フランジ３３０が大きくなればなるほど加熱板２００の板厚５１０ａが薄くなった部分は、大気圧による圧力５３０により真空側へ向けて撓み５４０が生じる。リード取出管３００を接合する際に傾かないように押さえるための押え代５００を大きく取ると、板厚５１０ａが薄くなった部分の内径５２０ａも大きくなり、変形しやすくなる。

ここで、薄くなった部分の板厚５１０ａをｈ、その内径５２０ａをｒ、そこに掛かる圧力５３０をｑ、その周辺の支持条件に関する係数をα、フックの法則における歪みと応力の比例定数であるヤング率をＥ、薄くなった部分の撓み５４０をδとしたとき、下記（式１）で表される。
（式１） δ＝α（ｑｒ^４／Ｅｈ^３）

薄くなった部分の変形は、内径５２０ａの４乗で効いてくるので、内径５２０ａが小さくなると、撓み５４０が少なくなる。すなわち、内径５２０ａが２割減れば、撓みが約半分になる。

リブ２２０ａ、ｂにより押え代５００を確保した上で内径５２０ｂに小さくすることになり、また、盛上部２４０により板厚５１０ｂに厚くすることになるので、圧力５３０による撓み５４０が抑えられる。

次に、基板ヒータのリード取出管の接合について説明する。図６は、基板ヒータのリード取出管の接合部を拡大した図であり、シーズヒータ埋設部と接合部の断面を示す。図７は、基板ヒータの接合部をラップさせた状態を示す図であり、（ａ）は接合方法を説明する図であり、（ｂ）はその断面を示す。なお、基板ヒータの下面を上側にした状態である。

図６の左側に示すように、加熱板２００には、上面と下面の中央にシーズヒータ４００ａ、ｂを配置するため、且つ下面からシーズヒータ４００ａ、ｂを入れるためのヒータ用溝４５０が空けられる。ヒータ用溝４５０に図４に示したシーズヒータ４００ａ、ｂを押し込み、さらに押当板４３０を押し当てた上で、押当板４３０と加熱板２００との接合部４４０を摩擦撹拌接合やレーザ又は電子ビーム溶接により一体化し、加熱板２００の下面を平坦にする。図６では説明上ヒータ用溝４５０とシーズヒータ４００ａ、ｂとの隙間を大きく記載したが、伝熱性を良くするため密着させることは言うまでもない。

同様に、図６の右側に示すように、加熱板２００とリード取出管３００との接合部３６０ａ、ｂ、ｃも摩擦撹拌接合やレーザ又は電子ビーム溶接により一体化する。すなわち、フランジ３３０の中央部とリブ２２０ａ、ｂの内壁との接合部３６０ａ、リブ２２０ａ、ｂの外壁と縁部３５０の内側との接合部３６０ｂ、及び縁部３５０の外側と嵌合凹み２１０の側壁との接合部３６０ｃが、表面が平坦に接合される。

なお、シーズヒータ４００ａ、ｂを埋め込むときは、押当板４３０の高さと同じ深さまで加熱板２００と接合させるが、リード取出管３００を嵌め込むときは、リブ２２０ａ、ｂの高さの半分程度の深さまで接合させ、そこから残りの深さまでは隙間２６０ａ、ｂを設ける。ただし、接合部３６０ｃについては、フランジ３３０の取付強度が必要となるため、且つ管部３１０の溶接時の変形を無くし管部３１０が垂直に自立するように接合するため、フランジ３３０の押え代５００を利用してフランジ３３０の外側の接合部３６０ｃを隙間なく深くフランジ３３０の厚さまで完全溶け込み溶接により接合させる。この完全溶け込み溶接を行ってから他の接合部３６０ａ、ｂを溶接するのが望ましい。

これにより、リブ２２０ａ、ｂの内壁から嵌合凹み２１０の底に至る隙間２６０ａ、及びリブ２２０ａ、ｂの外壁から嵌合凹み２１０の底に至る隙間２６０ｂが形成される。隙間２６０ａ、ｂを設けることにより、フランジ３３０からテーパ部３２０への放熱が低減される。

加熱板２００とリード取出管３００との間、リブ２２０ａ、ｂと貫通孔３４０ａ、ｂとの間を僅かに空けておくことで、隙間２６０ａ、ｂを確保すれば良い。加熱板２００の下面側の接合部３６０ａ、ｂ、ｃにおいては熱が伝達されるが、加熱板２００の中央側においては隙間２６０ａ、ｂにより断熱され、熱ロスが抑制される。すなわち、基板を載置する加熱板２００の上面における温度分布が維持されると共に、更にリブ２２０ａ、ｂがフランジ３３０に接合されることによって嵌合凹み２１０により薄くなった部分の撓み５４０が少なくなる。

図７（ａ）（ｂ）に示すように、リブ２２０ａ、ｂの幅が狭い場合には、リブ２２０ａ、ｂの内側における接合部３６０ａと、リブ２２０ａ、ｂの外側における接合部３６０ｂとが、ラップするように摩擦撹拌接合することで継ぎ目なく接合しても良い。また、縁部３５０の幅が狭い場合には、縁部３５０の内側における接合部３６０ｂと、縁部３５０の外側における接合部３６０ｃとが、ラップするように摩擦撹拌接合することで継ぎ目なく接合しても良い。

摩擦撹拌接合は、接合部３６０ａ、ｂ、ｃに回転する工具を押し付けて、摩擦熱により接合部３６０ａ、ｂ、ｃを軟化させて練り混ぜることにより一体化させる。接合部３６０ａ、ｂ、ｃの終点に形成されるクレータを処理する必要があるが、異なる金属でも接合しやすく、接合部３６０ａ、ｂ、ｃの温度が局所的なので強度が低下しにくく接合後の変形も小さく割れなども生じにくい。また、接合部３６０ａ、ｂ、ｃにおける酸化も防止することができる。

一方、レーザ溶接は、大気中で実施するとブローホールや酸化物の巻き込みが生じるので不活性ガス中や電子ビーム溶接と同様に真空状態での接合が望ましい。特に、摩擦撹拌接合は、終点に形成されるクレータを処理する必要があるので終点処理を嫌う場合は、レーザ溶接や電子ビーム溶接をデフォーカス（焦点をずらす）して使用する。

このように、加熱板２００の温度が部分的に低下するのを抑制することができる。リード取出管３００の内部にマイクロヒータ４２０を配設することに加え、加熱板２００側に断熱用のリブ２２０ａ、ｂを設け、さらにフランジ３３０とリブ２２０ａ、ｂの間に放熱を抑制する隙間２６０ａ、ｂを設けた上で接合することにより、熱ロスが防止され、温度分布を均一にすることができる。

また、加熱板２００の変形を抑制することもできる。リード取出管３００のフランジ３３０の径を小さくすることに加え、加熱板２００側に設けたリブ２２０ａ、ｂで補強するとともに、嵌合凹み２１０の中央を盛り上げて厚みを増やすことにより、変形を低減させることができる。

リブ２２０ａ、ｂが設けられ、その半分が接合されることにより、嵌合凹み２１０におけるリブ２２０ａ、ｂより内側の径が小さくなることで、大気圧による嵌合凹み２１０の真空側への膨らみが少なくなる。嵌合凹み２１０の径に対して、リブ２２０ａ、ｂより内側の径を２割程度小さくすれば、大気圧による嵌合凹み２１０の真空側への膨らみが２分の１に減少する。

以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。なお、加熱板２００とリード取出管３００との接合については、レーザや電子ビームによる溶接など摩擦撹拌接合以外の手段を用いても良い。

１００：基板ヒータ
２００：加熱板
２１０：嵌合凹み
２２０ａ：リブ
２２０ｂ：リブ
２３０：切れ目
２４０：盛上部
２５０：中空部
２６０ａ：隙間
２６０ｂ：隙間
３００：リード取出管
３１０：管部
３２０：テーパ部
３３０：フランジ
３４０ａ：貫通孔
３４０ｂ：貫通孔
３５０：縁部
３６０ａ：接合部
３６０ｂ：接合部
３６０ｃ：接合部
４００ａ：シーズヒータ
４００ｂ：シーズヒータ
４１０：ヒータリード
４２０：マイクロヒータ
４３０：押当板
４４０：接合部
４５０：ヒータ用溝
５００：押え代
５１０ａ：板厚
５１０ｂ：板厚
５２０ａ：内径
５２０ｂ：内径
５３０：圧力
５４０：撓み

Claims

基板を加熱するためのシーズヒータが埋設され、前記シーズヒータのヒータリードを集めた位置に嵌合凹みが空けられた加熱板と、
前記加熱板から下垂して前記ヒータリードを通すための管部と、前記管部の上端を拡げて嵌合凹みに嵌め込むためのフランジと、を有するリード取出管と、を備え、
前記フランジは、前記管部を囲むように間欠的に貫通孔が空けられ、
前記嵌合凹みは、前記貫通孔の形状に合わせて突出させたリブを有し、
前記リブを前記貫通孔に嵌め込んだ上で、前記リブと前記フランジとを摩擦撹拌接合又は溶接により接合させた、
ことを特徴とする基板ヒータ。
前記リブと前記貫通孔との間に隙間を確保した上で、前記リブの高さの半分の深さまで前記フランジと摩擦撹拌接合又は溶接により接合させ、接合していない残りの隙間により前記リード取出管へ放熱することを抑制した、
ことを特徴とする請求項１に記載の基板ヒータ。
前記嵌合凹みは、前記リード取出管の内部に向かって突出させた盛上部を有する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の基板ヒータ。
前記リブの内側を摩擦撹拌接合又は溶接により接合させた接合部と、前記リブの外側を摩擦撹拌接合又は溶接により接合させた接合部とを、ラップさせることにより継ぎ目を無くした、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の基板ヒータ。
前記リブと前記フランジとを接合させてその内側の径を小さくすることにより、前記嵌合凹みが気圧の低い側へ向かって変形することを抑制した、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の基板ヒータ。