JP7212006B2 - 熱電対ガイド及びセラミックヒータ - Google Patents

Description

本発明は、熱電対ガイド及びセラミックヒータに関する。

従来、セラミックヒータとしては、ウエハ載置面を有する円盤状のセラミックプレートの内周側と外周側にそれぞれ独立に抵抗発熱体を埋め込んだ２ゾーンヒータと呼ばれるものが知られている。例えば特許文献１には、図１０に示すシャフト付きセラミックヒータ４１０が開示されている。このシャフト付きセラミックヒータ４１０は、セラミックプレート４２０の外周側の温度を外周側熱電対４５０で測定する。熱電対ガイド４３２は、筒状部材であり、ストレートシャフト４４０の内部で下方から上方にまっすぐ延びたあと円弧状に曲げられて９０°方向転換している。この熱電対ガイド４３２は、セラミックプレート４２０の裏面のうちストレートシャフト４４０に囲まれた領域に設けられたスリット４２６ａに取り付けられている。スリット４２６ａは、熱電対通路４２６の入口部分をなす。外周側熱電対４５０は、熱電対ガイド４３２の筒内に挿入されて熱電対通路４２６の終端位置に達している。

国際公開第２０１２／０３９４５３号パンフレット（図１１）

しかしながら、セラミックヒータ４１０では、熱電対ガイド４３２を取り付けるには、セラミックプレートに熱電対ガイド４３２の外径以上の幅のスリット４２６ａを形成しなければならない。そのため、スリットの幅を小さくすることが望まれていた。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、熱電対通路の入口部分の幅を小さくすることを主目的とする。

本発明の熱電対ガイドは、
直線管部と、
前記直線管部に繋がり、前記直線管部の向きを変換するように設けられた湾曲管部と、
を備えた熱電対ガイドであって、
前記湾曲管部のうち先端を含む所定の先端側部分の断面の外形形状は、円の両側を直線的に切り落とした形状である。

この熱電対ガイドは、以下のように用いられる。すなわち、抵抗発熱体が内蔵されたプレートの熱電対通路入口部分に熱電対ガイドの先端部分を配置し、細長い熱電対を直線管部及び湾曲管部に通し、熱電対を熱電対通路へ導く。この熱電対ガイドは、湾曲管部の先端を含む所定の先端側部分の断面の外形形状は、円の両側を直線的に切り落とした形状である。すなわち、熱電対ガイドの先端側部分は直線管部よりも細い。そのため熱電対通路の入口部分の幅を小さくすることができる。

本発明の熱電対ガイドにおいて、前記先端側部分の断面の外形形状は、円を互いに向かい合う２本の平行で長さが同じ弦で切り落とした形状としてもよい。こうすれば、先端側部分では、穴の両側で熱電対ガイドの壁厚を等しくすることができる。

本発明の熱電対ガイドにおいて、前記熱電対ガイドは、シームレス管であってもよい。こうすれば、複数の管を溶接する必要がない。

本発明の熱電対ガイドにおいて、前記直線管部のうち、基端を含む所定の基端側部分の穴は、前記基端に向かって徐々に拡大したテーパ面になっていてもよい。こうすれば、熱電対を熱電対ガイドへ挿入しやすくなる。

本発明の熱電対ガイドにおいて、前記湾曲管部の曲率半径は、１５ｍｍ以上５０ｍｍ以下としてもよく、前記湾曲管部のストローク長さは、１５ｍｍ以上５０ｍｍ以下としてもよく、前記湾曲管部が前記直線管部の向きを変換する角度は、５０°以上９０°以下としてもよい。

本発明のセラミックヒータは、
ウエハ載置面を有する円盤状のセラミックプレートと、
前記セラミックプレートのうち前記ウエハ載置面とは反対側の裏面に接合された筒状シャフトと、
前記セラミックプレートの内周部に埋設された内周側抵抗発熱体と、
前記セラミックプレートの外周部に埋設された外周側抵抗発熱体と、
前記内周側抵抗発熱体の一対の端子及び前記外周側抵抗発熱体の一対の端子を含む付帯部品と、
前記セラミックプレートの前記裏面のうち前記筒状シャフトの内側領域の起点から前記セラミックプレートの外周部の終端位置に至る長穴と、
前記長穴の入口部分である長溝と、
前記長溝に前記湾曲管部の前記先端側部分が配置された上述したいずれかの態様の本発明の熱電対ガイドと、
を備えたものである。

本発明のセラミックヒータは、熱電対ガイドの先端側部分は直線管部よりも細い。そのため、長溝の幅を小さくすることができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記長溝の長さは、前記湾曲管部の前記先端側部分の長さ以上となるように定められていてもよい。こうすれば、熱電対ガイドを容易に長溝に配置することができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記湾曲管部の前記先端側部分が前記長溝に嵌まっていてもよい。こうすれば、長溝の幅を先端側部分の幅と同程度に小さくすることができる。

本発明のセラミックヒータにおいて、前記熱電対ガイド及び前記長穴に挿入された熱電対を備えていてもよい。

セラミックヒータ１０の斜視図。 図１のＡ－Ａ断面図。 図２のＸ部分の拡大図。 図３のＣ－Ｃ断面図。 図１のＢ－Ｂ断面図。 熱電対ガイド３２の斜視図。 熱電対ガイド３２の正面図。 熱電対ガイド３２の底面図。 図８のＤ－Ｄ断面拡大図。 図８のＥ－Ｅ断面図。 セラミックヒータ４１０の断面図。

本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、セラミックヒータ１０の斜視図であり、図２は図１のＡ－Ａ断面図であり、図３は図２のＸ部分の拡大図であり、図４は図３のＣ－Ｃ断面図であり、図５は図１のＢ－Ｂ断面図であり、図６は熱電対ガイド３２の斜視図であり、図７は熱電対ガイド３２の正面図であり、図８は熱電対ガイド３２の底面図であり、図９は図８のＤ－Ｄ断面拡大図であり、図１０は図８のＥ－Ｅ断面図である。

セラミックヒータ１０は、エッチングやＣＶＤなどの処理が施されるウエハＷを加熱するために用いられるものであり、図示しない真空チャンバ内に設置される。このセラミックヒータ１０は、ウエハ載置面２０ａを有する円盤状のセラミックプレート２０と、セラミックプレート２０のウエハ載置面２０ａとは反対側の面（裏面）２０ｂに接合された筒状シャフト４０とを備えている。

セラミックプレート２０は、窒化アルミニウムやアルミナなどに代表されるセラミック材料からなる円盤状のプレートである。セラミックプレート２０の直径は特に限定されるものではないが、２００～４００ｍｍ（例えば３００ｍｍ程度）である。セラミックプレート２０は、セラミックプレート２０と同心円状の仮想境界２０ｃ（図４参照）によって小円形の内周側ゾーンＺ１と円環状の外周側ゾーンＺ２とに分けられている。セラミックプレート２０の内周側ゾーンＺ１には内周側抵抗発熱体２２が埋設され、外周側ゾーンＺ２には外周側抵抗発熱体２４が埋設されている。両抵抗発熱体２２，２４は、例えばモリブデン、タングステン又は炭化タングステンを主成分とするコイルで構成されている。セラミックプレート２０は、図２に示すように、上側プレートＰ１とその上側プレートＰ１よりも薄い下側プレートＰ２とを面接合することにより作製されている。

筒状シャフト４０は、セラミックプレート２０と同じく窒化アルミニウム、アルミナなどのセラミックスで形成されている。筒状シャフト４０は、上端がセラミックプレート２０に拡散接合されている。

内周側抵抗発熱体２２は、図５に示すように、一対の端子２２ａ，２２ｂの一方から端を発し、一筆書きの要領で複数の折り返し部で折り返されつつ内周側ゾーンＺ１のほぼ全域に配線されたあと、一対の端子２２ａ，２２ｂの他方に至るように形成されている。一対の端子２２ａ，２２ｂは、シャフト内領域２０ｄ（セラミックプレート２０の裏面２０ｂのうち筒状シャフト４０の内側領域）に設けられている。一対の端子２２ａ，２２ｂには、それぞれ金属製（例えばＮｉ製）の給電棒４２ａ，４２ｂが接合されている。

外周側抵抗発熱体２４は、図５に示すように、一対の端子２４ａ，２４ｂの一方から端を発し、一筆書きの要領で複数の折り返し部で折り返されつつ外周側ゾーンＺ２のほぼ全域に配線されたあと一対の端子２４ａ，２４ｂの他方に至るように形成されている。一対の端子２４ａ，２４ｂは、セラミックプレート２０の裏面２０ｂのシャフト内領域２０ｄに設けられている。一対の端子２４ａ，２４ｂには、それぞれ金属製（例えばＮｉ製）の給電棒４４ａ，４４ｂが接合されている。

セラミックプレート２０の内部には、図２に示すように、外周側熱電対５０を挿入するための長穴２６がウエハ載置面２０ａと平行に設けられている。長穴２６は、セラミックプレート２０の裏面２０ｂのうちシャフト内領域２０ｄの起点２６ｓからセラミックプレート２０の外周部の所定の終端位置２６ｅに至っている。長穴２６のうち、起点２６ｓから筒状シャフト４０との境界までの部分は、図３，４に示すように熱電対ガイド３２の先端側部分３４ａを嵌め込むための長溝２６ａになっている。長溝２６ａは、筒状シャフト４０の内部空間４１に開口している。端子２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂは、シャフト内領域２０ｄであって長溝２６ａ以外の位置に設けられている。

熱電対ガイド３２は、１本の金属製（例えばステンレス製）のシームレス管に曲げ加工を施したものであり、図６～８に示すように、直線管部３３と、湾曲管部３４と、ガイド穴３２ａとを備えている。直線管部３３は、図７に示すように、垂直状に延びる部分である。湾曲管部３４は、図７に示すように、先端３４ｅを、直線管部３３に対して角度θだけ方向転換させる円弧状の部分である。角度θは、湾曲管部３４の中心軸の先端における接線と直線管部３３の中心軸とのなす角度である。図３に示すように、湾曲管部３４のうち先端３４ｅから少なくとも長溝２６ａに嵌め込まれる部分に至る領域を、先端側部分３４ａと称する。熱電対ガイド３２の先端３４ｅは、長溝２６ａ内に単に嵌め込まれているだけでもよいし、長溝２６ａ内に接合又は接着されていてもよい。先端側部分３４ａの断面の外形形状は、図９に示すように、円の両側を直線で切り落とした形状、具体的には円の両側を互いに向かい合う２本の平行で長さが同じ弦で切り落とした形状である。ガイド穴３２ａは、外周側熱電対５０を長穴２６までガイドするための穴である。ガイド穴３２ａは、基端３３ｓを含む所定範囲の基端側部分３３ａでは、図１０に示すように基端３３ｓに向かって徐々に拡大したテーパ面になっている。

熱電対ガイド３２は、断面の外形形状が円の両端を直線的に切り落とした形状である先端側部分３４ａ以外の箇所の外径が４．９ｍｍ以上５．１ｍｍ以下であることが好ましく、内径（基端側部分３３ａ以外のガイド穴３２ａの直径）は２．９ｍｍ以上３．１ｍｍ以下であることが好ましい。湾曲管部３４の曲率半径Ｒ、ストローク長さＳ（湾曲管部３４の先端３４ｅから直線管部３３の中心軸までの水平距離）及び角度θは、熱電対ガイド３２をセラミックヒータ１０に取り付けた際の、内部空間４１に占める熱電対ガイド３２の割合を考慮して定められるのが好ましい。例えば、曲率半径Ｒは、１５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好ましく、２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることがより好ましく、２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。ストローク長さＳは１５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好ましく、２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることがより好ましい。角度θは５０°以上９０°以下であることが好ましい。

熱電対ガイド３２のうち、先端側部分３４ａ及び基端側部分３３ａ以外の部分の壁厚Ｔ２（図４参照）は０．９ｍｍ以上１．１ｍｍ以下であることが好ましい。先端側部分３４ａの断面の互いに対向する平面同士の幅β（図４参照）は、長溝２６ａの幅α（図４参照）を小さくすることを考慮して定められるのが好ましい。先端側部分３４ａの壁厚が最も薄い箇所の壁厚Ｔ１（図４参照）は、この箇所が破損しない程度の剛性や強度を持つように定められることが好ましい。例えば、幅βは３．５ｍｍ以上３．７ｍｍ以下であることが好ましく、壁厚Ｔ１は０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であることが好ましい。先端側部分３４ａは、図３，４に示すように長溝２６ａに嵌め込まれている。長溝２６ａの水平方向の長さＬ１は、図３に示すように、先端側部分３４ａの水平方向の長さＬ２以上となるように定められることが好ましい。長溝２６ａの幅αは、図４に示すように、先端側部分３４ａが嵌まるように、先端側部分３４ａの幅βと同程度となるように定められてることが好ましい。

筒状シャフト４０の内部には、図２に示すように、内周側抵抗発熱体２２の一対の端子２２ａ，２２ｂのそれぞれに接続される給電棒４２ａ，４２ｂや外周側抵抗発熱体２４の一対の端子２４ａ，２４ｂのそれぞれに接続される給電棒４４ａ，４４ｂが配置されている。筒状シャフト４０の内部には、セラミックプレート２０の中央付近の温度を測定するための内周側熱電対４８やセラミックプレート２０の外周付近の温度を測定するための外周側熱電対５０も配置されている。内周側熱電対４８は、セラミックプレート２０の裏面２０ｂに設けられた凹部４９に差し込まれ、先端の測温部４８ａがセラミックプレート２０に接触している。凹部４９は、各端子２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂや長溝２６ａと干渉しない位置に設けられている。外周側熱電対５０は、シース熱電対であり、熱電対ガイド３２のガイド穴３２ａ及び長穴２６を通過し、先端の測温部５０ａが長穴２６の終端位置２６ｅに達している。

次に、セラミックヒータ１０の製造例について説明する。熱電対ガイド３２は、セラミックヒータ１０の製造工程の終盤で取り付けられる。セラミックプレート２０の裏面２０ｂに筒状シャフト４０を接合し、セラミックプレート２０の裏面２０ｂに露出している端子２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂのそれぞれに給電棒４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂを接合した後、熱電対ガイド３２を取り付ける。具体的には、熱電対ガイド３２の先端側部分３４ａを長溝２６ａに嵌め込む。その後、熱電対ガイド３２のガイド穴３２ａに外周側熱電対５０を挿通して測温部５０ａを長穴２６の終端位置２６ｅに到達させる。

次に、セラミックヒータ１０の使用例について説明する。まず、図示しない真空チャンバ内にセラミックヒータ１０を設置し、そのセラミックヒータ１０のウエハ載置面２０ａにウエハＷを載置する。そして、内周側熱電対４８によって検出された温度が予め定められた内周側目標温度となるように内周側抵抗発熱体２２に供給する電力を調整すると共に、外周側熱電対５０によって検出された温度が予め定められた外周側目標温度となるように外周側抵抗発熱体２４に供給する電力を調整する。これにより、ウエハＷの温度が所望の温度になるように制御される。そして、真空チャンバ内を真空雰囲気もしくは減圧雰囲気になるように設定し、真空チャンバ内にプラズマを発生させ、そのプラズマを利用してウエハＷにＣＶＤ成膜を施したりエッチングを施したりする。

以上説明した本実施形態の熱電対ガイド３２では、湾曲管部３４の先端３４ｅを含む所定の先端側部分３４ａの断面の外形形状は、円の両側を直線的に切り落とした形状である。すなわち、熱電対ガイド３２の先端側部分３４ａは直線管部３３よりも細い。そのため、長溝２６ａの幅αを小さくすることができる。

また、本実施形態の熱電対ガイド３２では、先端側部分３４ａの断面の外形形状は、円を互いに向かい合う２本の平行で長さが同じ弦で切り落とした形状である。そのため、先端側部分３４ａでは、ガイド穴３２ａの両側で熱電対ガイド３２の壁厚を等しくすることができる。

更に、本実施形態の熱電対ガイド３２では、熱電対ガイド３２はシームレス管であるため、複数の管を溶接する必要がない。

そして、本実施形態の熱電対ガイド３２では、直線管部３３のうち、基端３３ｓを含む所定の基端側部分３３ａのガイド穴３２ａは、基端３３ｓに向かって徐々に拡大したテーパ面になっている。そのため、外周側熱電対５０を熱電対ガイド３２へ挿入し易い。

そしてまた、本実施形態のセラミックヒータ１０では、長溝２６ａの長さは、湾曲管部３４の先端側部分３４ａの長さ以上となるように定められている。そのため、熱電対ガイド３２を容易に長溝２６ａに配置することができる。

そして更に、湾曲管部３４の先端側部分３４ａが長溝２６ａに嵌まっている。そのため、長溝２６ａの幅αを先端側部分３４ａの幅βと同程度に小さくすることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態において、両抵抗発熱体２２，２４をコイル形状としたが、特にコイル形状に限定されるものではなく、例えば印刷パターンであってもよいし、リボン形状やメッシュ形状などであってもよい。

上述した実施形態において、セラミックプレート２０に抵抗発熱体２２，２４に加えて静電電極やＲＦ電極を内蔵してもよい。

上述した実施形態において、内周側抵抗発熱体２２と外周側抵抗発熱体２４との間に１つ以上の環状領域を設け、各環状領域に抵抗発熱体を配置してもよい。

上述した実施形態では、熱電対ガイド３２の上下方向の長さを筒状シャフト４０の高さとほぼ同じにしたが、筒状シャフト４０の高さより短くしてもよいし長くしてもよい。

上述した実施形態において、内周側ゾーンＺ１を複数の内周側小ゾーンに分けて内周側小ゾーンごとに抵抗発熱体を一筆書きの要領で引き回してもよい。また、外周側ゾーンＺ２を複数の外周側小ゾーンに分けて外周側小ゾーンごとに抵抗発熱体を一筆書きの要領で引き回してもよい。端子の数は小ゾーンの数に応じて増加するが、これらの端子は、熱電対ガイド３２と干渉しないため、端子の数が多くなってもシャフト内領域２０ｄの中央付近に比較的容易に配置することができる。

上述した実施形態では、セラミックプレート２０の裏面２０ｂに筒状シャフト４０を接合し、セラミックプレート２０の端子２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂのそれぞれに給電棒４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂを接合した後、熱電対ガイド３２を取り付ける手順を例示したが、取付手順はこれに限定されない。例えば、セラミックプレート２０の裏面２０ｂに筒状シャフト４０を接合し、熱電対ガイド３２を取り付けた後、端子２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂのそれぞれに給電棒４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂを接合してもよい。また、熱電対ガイド３２は、予め長溝２６ａに取り付けられており、端子２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂのそれぞれに給電棒４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂを接合した後に、セラミックプレート２０の裏面２０ｂに筒状シャフト４０を接合してもよい。

１０，４１０ セラミックヒータ、２０，４２０ セラミックプレート、２０ａ ウエハ載置面、２０ｂ 裏面、２０ｃ 仮想境界、２０ｄ シャフト内領域、２２ 内周側抵抗発熱体、２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ 端子、２４ 外周側抵抗発熱体、２６ 長穴、２６ａ 長溝、２６ｅ 終端位置、２６ｓ 起点、３２，４３２ 熱電対ガイド、３２ａ ガイド穴、３３ 直線管部、３３ａ 基端側部分、３３ｓ 基端、３４ 湾曲管部、３４ａ 先端側部分、３４ｅ 先端、４０ 筒状シャフト、４１ 内部空間、４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ 給電棒、４８ 内周側熱電対、４８ａ 測温部、４９ 凹部、５０，４５０ 外周側熱電対、４２６ 熱電対通路、４２６ａ スリット、４４０ シャフト、Ｐ１ 上側プレート、Ｐ２ 下側プレート、Ｒ 曲率半径、Ｓ ストローク長さ、Ｔ１，Ｔ２ 壁厚、Ｗ ウエハ、Ｚ１ 内周側ゾーン、Ｚ２ 外周側ゾーン、α，β 幅、θ 角度。

Claims (8)

1. 直線管部と、
   前記直線管部に繋がり、前記直線管部の向きを変換するように設けられた湾曲管部と、
   を備えた熱電対ガイドであって、
   前記湾曲管部のうち先端を含む所定の先端側部分の断面の外形形状は、円の両側を直線的に切り落とした形状である、
   熱電対ガイド。
2. 前記先端側部分の断面の外形形状は、円を互いに向かい合う２本の平行で長さが同じ弦で切り落とした形状である、
   請求項１に記載の熱電対ガイド。
3. 前記熱電対ガイドは、シームレス管である、
   請求項１又は２に記載の熱電対ガイド。
4. 前記湾曲管部の曲率半径は、１５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、
   前記湾曲管部のストローク長さは、１５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、
   前記湾曲管部が前記直線管部の向きを変換する角度は、５０°以上９０°以下である、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の熱電対ガイド。
5. ウエハ載置面を有する円盤状のセラミックプレートと、
   前記セラミックプレートのうち前記ウエハ載置面とは反対側の裏面に接合された筒状シャフトと、
   前記セラミックプレートの内周部に埋設された内周側抵抗発熱体と、
   前記セラミックプレートの外周部に埋設された外周側抵抗発熱体と、
   前記内周側抵抗発熱体の一対の端子及び前記外周側抵抗発熱体の一対の端子を含む付帯部品と、
   前記セラミックプレートの前記裏面のうち前記筒状シャフトの内側領域の起点から前記セラミックプレートの外周部の終端位置に至る長穴と、
   前記長穴の入口部分である長溝と、
   前記長溝に前記湾曲管部の前記先端側部分が配置された請求項１～４のいずれか１項に記載の熱電対ガイドと、
   を備えたセラミックヒータ。
6. 前記長溝の水平方向の長さは、前記湾曲管部の前記先端側部分の水平方向の長さ以上となるように定められている、
   請求項５に記載のセラミックヒータ。
7. 前記湾曲管部の前記先端側部分が前記長溝に嵌まっている、
   請求項５又は６に記載のセラミックヒータ。
8. 請求項５～７のいずれか１項に記載のセラミックヒータであって、
   前記熱電対ガイド及び前記長穴に挿入された熱電対
   を備えたセラミックヒータ。

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