JPH09148056A - 石英プレートヒータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造方法が簡単で熱応力や熱歪に対する耐久
性に優れた石英プレートヒータおよびその製造方法を提
供する。 【解決手段】 フッ素金雲母またはカリ四ケイ素雲母を
主組成分とする複数の合成マイカ箔１０１にバインダを
含浸させて乾燥させ、この間に平板状の発熱エレメント
１０を挟んで約２００℃に加熱加圧積層した後、さらに
８００℃以上まで昇温して各合成マイカ箔１０１をセラ
ミック化する。これにより各合成マイカ箔１０１および
発熱エレメント１０が一体化されて発熱プレート１が完
成する。次いで、一方の主面に凹部３ａが形成された石
英ガラスプレート３の当該凹部３ａ内に発熱プレート１
を収容して石英ガラスプレート２を重ね合わせ、各石英
ガラスプレート２，３を周縁部同士で密着して石英プレ
ートヒータを完成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は石英プレートヒータ
およびその製造方法に係り、特に、製造方法が簡単で熱
応力や熱歪に対する耐久性に優れた石英プレートヒータ
およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体の製造工程では、半導体ウ
エハ上にプラズマＣＶＤ等によって半導体層を形成した
り、あるいは半導体層をプラズマエッチングする場合に
基板を均一に加熱する必要がある。このような半導体ウ
エハの加熱手段として、近年では薄型で温度分布の均一
な石英プレートヒータが普及している。この種の石英プ
レートヒータは、後に詳述するように、平板状の発熱エ
レメント（例えば、ニクロム線や薄膜抵抗体）を２枚の
石英ガラスの間に挟み込んで構成される。

【０００３】また、このような石英プレートヒータをプ
ラズマ中で用いる場合、例えば四フッ化炭素等の反応ガ
スが発熱エレメントに触れて反応すると、発熱エレメン
トが腐食し、さらには断線を引き起こすため、発熱エレ
メントは雰囲気から遮断された状態に保つ必要がある。
このため、従来の石英プレートヒータでは、例えば特開
平６−２６０４３０号公報あるいは実開平３−１０１８
９６号公報に記載されているように、発熱エレメントは
２枚の石英ガラスの間に挟み込まれて封止され、外気か
ら遮断されるように構成されていた。

【０００４】図１０(b) は、従来の石英プレートヒータ
の放熱部の構成を示した断面図、同図(a) は、その製造
方法を示した断面図である。従来の石英プレートヒータ
の放熱部は、２枚の石英ガラスプレート２１，２２の一
方の接合面（本実施形態では、石英ガラスプレート２２
の接合面）に、平面状の発熱エレメント１０の形状に合
わせて細い溝２１１を形成し、当該溝２１１内に前記平
面状発熱エレメント１０を収容すると供に、石英ガラス
プレート２１，２２の周縁部において両者の接合面同士
を液密に固着することによって構成されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、石英
ガラスプレート２２の接合面に、発熱エレメント１０の
形状に合わせて細い溝を多数形成してしまうと、ヒータ
加熱時の熱膨脹によって生じた応力が凸部の付根部分等
に集中し、石英ガラスプレート２２に歪や破損が生じ易
いという問題があった。さらに、発熱エレメント１０の
形状に合わせて多数の溝２１１を正確に刻まなければな
らないので、製造工程が繁雑になり、コストダウンが難
しいという問題もあった。

【０００６】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を全て解決し、特に製造方法が簡単で熱応力や熱歪に
対する耐久性に優れた石英プレートヒータおよびその製
造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明では、以下のような手段を講じた点に特
徴がある。 (1) 平面状発熱素子と、前記平面状発熱素子の熱的変形
が阻止されるように、少なくともその一方の主面に固着
されて前記平面状発熱素子を支持する平面状合成マイカ
と、平面状合成マイカによって支持された平面発熱素子
を挟み込むように対向配置され、周縁部同士で密着され
た２枚の石英プレートとを具備し、２枚の石英プレート
の少なくとも一方の接合面には凹所が形成され、前記平
面状合成マイカによって支持された平面発熱素子は当該
凹所内に配置されるようにした。 (2) 第１の石英プレート（２）と、石英管部（３０ｂ）
およびこれに連通する開口を有する第２の石英プレート
（３）との間に平面発熱素子（１）を挟み込み、当該平
面発熱素子（１）のリード線（１１１、１１２）を前記
開口から石英管部（３０ｂ）を経由して外部へ引き出す
ように構成された石英プレートヒータの製造方法におい
て、一対のリード電極（３１，３３および３２，３４）
を導電箔によって電気的に接続してなるリード電極対の
２組について、各組の一方のリード電極（３１、３２）
を絶縁性棒（３０１）の一端に相互に絶縁して簡易固定
し、他方のリード電極（３３、３４）を当該絶縁性棒の
他端に相互に絶縁して簡易固定する工程と、前記２組の
リード電極対が簡易固定された絶縁性棒を石英ガラス管
（４１）内に挿貫して内部を真空排気する工程と、前記
石英ガラス管（４１）を絶縁性棒（３０１）の中心部近
傍で収縮させて当該絶縁性棒および各リード電極（３１
〜３４）を前記石英ガラス管に対して位置決め固定する
と共に、前記石英ガラス管内において、各組の一方のリ
ード電極（３１、３２）の雰囲気と他方のリード電極
（３３、３４）の雰囲気とを遮断する工程と、前記石英
ガラス管の一端を切断して前記各組の一方のリード電極
を大気に露出させる工程と、前記第２の石英プレートの
石英管部から引き出された前記平面状発熱素子のリード
線を前記露出された各組の一方のリード電極と電気的に
接続する工程と、前記石英ガラス管を前記石英管部へ挿
貫し、石英管部の端部を前記各組の他方のリード電極が
固定されている位置近傍において石英ガラス管の表面に
加熱溶着すると供に、前記平面状発熱素子を各石英プレ
ートで挟み込んで各石英プレートを周縁部同士で密着さ
せる工程と、前記第１および第２の石英プレートによっ
て遮断された領域内を真空排気して封止する工程と、前
記石英ガラス管の他端を切断して前記各組の他方のリー
ド電極を大気に露出させる工程とを含むようにした。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を詳
細に説明する。図１，２は、本発明の石英プレートヒー
タの放熱部の製造方法を模式的に示した断面図である。 第１工程 フッ素金雲母［ＫＭg3（ＡｌＳi3Ｏ10）Ｆ2 ］またはカ
リ四ケイ素雲母［ＫＭg2.5（Ｓi4Ｏ10）Ｆ2 ］といった
非膨潤性雲母を主組成分とする１枚または複数枚の合成
マイカ箔１０１に、例えばオルガノポリシロキサン組成
物、プリセラミックポリマー系のポリシロキサン、ある
いはポリチタノカルポシラン等のバインダを含浸させて
乾燥させる。 第２工程 前記第１工程でバインダを含浸された複数枚の合成マイ
カ箔１０１の間に平板状の発熱エレメント１０を重ね合
わせ、これらを約１８０〜２００℃で加熱加圧（図１
(a) ）した後、さらに８００℃以上まで徐々に昇温して
各合成マイカ箔１０１をセラミック化する。このとき、
各合成マイカ箔１０１および発熱エレメント１０が一体
化されて発熱プレート１（図１(b) ）が完成し、セラミ
ック化した合成マイカによって発熱エレメント１０の熱
的変形が阻止される。

【０００９】次いで、この発熱プレート１の一方の表面
に、例えばシリコンカーバイト系あるいはジルコニア系
のセラミック耐熱保護材１０２をコーティング焼き付け
塗膜化する。なお、この種のセラミック耐熱保護材１０
２は、約５００℃の温度に加熱されると遠赤外線を放出
する性質を有するので、後に放熱面となる側の表面にコ
ーティングすることが望ましい。 第３工程 同図(c) に示したように、一方の主面に凹部３ａが形成
された石英ガラスプレート３の当該凹部３ａ内に前記発
熱プレート１を収容する。この凹部３ａは、エッチング
による腐食、ブラスト、および研磨のいずれかによって
形成される。

【００１０】次いで、石英ガラスプレート２を重ね合わ
せ、各石英ガラスプレート２，３を周縁部同士で液密に
密着する。各石英ガラスプレート２，３の周縁部には精
密仕上げ以上の仕上げ、例えば超精密仕上げが施されて
いるので各石英ガラスプレート２，３は強固に密着され
ることになる。

【００１１】これにより、図２(a) に示したような石英
プレートヒータ３０（放熱部３０ａ）が完成する。な
お、図２(b) に示したように、必要に応じて、放熱部３
０ａの裏面に金液および白金液のいずれかを塗布して熱
反射膜４を形成するようにしても良い。また、この熱反
射膜４はスパッタ法によって被着された窒化チタンであ
っても良い。

【００１２】このように、本実施形態では石英ガラスプ
レート３に発熱エレメント１０を直接配置するのではな
く、発熱エレメント１０を複数枚の合成マイカ箔１０１
で挟み込んで加熱加圧し、その結果得られた発熱プレー
ト１を石英ガラスプレート３の凹部３ａ内に収容するよ
うにした。したがって、発熱エレメント１０の熱膨脹や
熱変形が抑えられるのみならず、これまで発熱エレメン
ト１０のパターンに合わせて石英ガラスプレート３の接
合面に形成されていた多数の細い溝が不要になり、その
代わりに大きな凹部３ａが唯一形成されるだけなので、
熱応力や熱歪に対する耐久性が向上し、生産方法も簡略
化される。

【００１３】図３は、本発明を適用した石英プレートヒ
ータの他の実施形態の放熱部３０ｃの断面図であり、前
記と同一の符号は同一または同等部分を表している。本
実施形態では、石英ガラスプレート３の凹部３ａに複数
の突起３ｅを設け、発熱プレート１のリード線を引き回
すスペースを発熱プレート１と石英ガラスプレート３と
の間に確保した点に特徴がある。

【００１４】なお、上記した各実施形態では、合成マイ
カ箔１０１を発熱エレメント１０の両面に積層するもの
として説明したが、本発明はこれのみに限定されず、発
熱エレメント１０のいずれか一方の主面のみに積層する
ようにしても良い。この際、前記セラミック耐熱保護材
１０２を発熱プレート１の表面にコーティングするので
あれば、前記合成マイカ箔１０１は発熱エレメント１０
の放熱面側に積層することが望ましい。

【００１５】図４は、本発明を適用した石英プレートヒ
ータの放熱面の平面図（同図 (a)）およびそのＡ−Ａ線
での断面図（同図 (b)）であり、前記と同一の符号は同
一または同等部分を表している。

【００１６】図１〜３では図示および説明を省略した
が、放熱部３０ａの石英ガラスプレート３の裏側には、
発熱プレート１の２本のリード線１１１，１１２を外部
に引き出すための比較的大口径の石英管部３０ｂが連結
されており、放熱部３０ａ内部は石英管部３０ｂによっ
て大気と連通することになる。

【００１７】このような構成の石英プレートヒータ３０
は、図５に示したように、前記発熱プレート１の挟み込
まれている放熱部３０ａのみが反応炉５０内に収容さ
れ、石英管部３０ｂは、発熱プレート１のリード電極１
１１，１１２を外部装置へ接続するために、反応炉５０
の壁面に設けられた開口５１を貫通して反応炉５０外へ
導かれる。石英管部３０ｂと反応炉壁面の開口５１と
は、例えばＯリング５２等の適宜の封止手段によって封
止される。

【００１８】ところで、上記した構成では、放熱部３０
ａ内部も大気圧となるために、反応炉５０内を真空にす
ると石英ガラスプレート２，３に歪みが生じることにな
る。したがって、真空中で使用する場合には、放熱部３
０ａの内部も真空状態に保つことが望ましい。

【００１９】図６は、放熱部３０ａの内部が真空に保た
れるようにした本発明の第２実施形態である石英プレー
トヒータ３０の断面図であり、図７〜９は、その製造方
法を示した断面図である。各図において、前記と同一の
符号は同一または同等部分を表している。

【００２０】本実施形態では、図７(a) に示したよう
に、直方体状の石英ガラス棒３０１の両端に、それぞれ
２本のタングステンリード電極３１，３２および３３，
３４をモリブデンワイヤ３５，３６で縛り付けて簡易固
定する。さらに、タングステンリード電極３１，３２に
板厚０．１〜０．５ミリのモリブデン板、ニッケル板、
あるいはステンレス板等の金属板３８，３９をそれぞれ
スポット溶接する。なお、リード電極３１，３３同士お
よびリード電極３２，３４同士は、予めモリブデン箔等
の導電箔（図示せず）を介して電気的に接続されてい
る。

【００２１】次いで、同図(b) に示したように、一端が
封止された石英ガラス管４１内に前記石英ガラス棒３０
１を収容し、その他端に吸引管４２を連結する。なお、
両端が開放された石英ガラス管内に前記石英ガラス棒３
０１を収容し、その後、一方の端部を封止するようにし
ても良い。

【００２２】次いで、石英ガラス管４１内を真空状態ま
で吸引した後、同図(c) に示したように、石英ガラス管
４１に対して前記石英ガラス棒３０１および各タングス
テンリード電極３１〜３４が位置決め固定され、かつリ
ード電極３１，３２の雰囲気とリード電極３３，３４の
雰囲気とが遮断されるように、石英ガラス管４１を前記
石英ガラス棒３０１の中央部近傍において収縮させ、石
英ガラス棒３０１および各タングステンリード電極３１
〜３４が挟持されるようにする。その後、吸引管４２を
封止する。

【００２３】次いで、リード電極３１，３２がタングス
テンワイヤ３５によって石英ガラス棒３０１に縛り付け
られている位置よりも内側（図中、破線部分）において
前記石英ガラス管４１を切断し、前記リード電極３１，
３２を大気に露出させる。このときタングステンワイヤ
３５も切断して取り外す。

【００２４】次いで、図８に示したように、前記発熱プ
レート１のリード線１１１，１１２を前記金属板３８，
３９とスポット溶接し、石英ガラスプレート３の石英管
部３０ｂ内に前記石英ガラス管４１を挿入する。さら
に、石英ガラス管４１を石英管部３０ｂ内から引き出す
ように図中左方向に移動して前記発熱プレート１を石英
ガラスプレート３の凹部３ａへ収納する。

【００２５】次いで、図９に示したように、石英ガラス
プレート３に石英ガラスプレート２を重ね合わせ、各石
英ガラスプレート２，３を両者の周縁部同士で密着する
と共に、石英管部３０ｂの端部７９を溶融し、リード電
極３３，３４が収容されている位置近傍において前記石
英ガラス管４１の露出面に加熱溶着する。このとき、リ
ード電極３３，３４の雰囲気は真空なので、この加熱に
よって酸化されてしまうことがない。

【００２６】次いで、排気管３２を介して放熱部３０ａ
および石英管部３０ｂ内を真空排気し、排気管３２を封
止する。最後に、石英ガラス管４１を破線部分において
切断して前記リード電極３３，３４を大気に露出させ、
タングステンワイヤ３６を切断して取り外す。

【００２７】本実施形態によれば、石英プレートヒータ
３０の内部を真空状態に保つことができるので、放熱部
３０ａを真空内で使用しても、石英ガラスプレート２，
３の歪や破損が防止される。また、本実施形態によれ
ば、リード電極３３，３４が収容されている位置近傍に
おいて石英管部３０ｂの端部７９を石英ガラス管４１の
露出面に加熱溶着する際には、リード電極３３，３４の
雰囲気が真空なので、この加熱溶着時にリード電極３
３，３４が酸化されてしまうことがない。

【００２８】なお、上記した実施形態では、石英プレー
トヒータ３０の内部を真空状態に保つ場合を例にして説
明したが、本発明はこれのみに限定されず、石英プレー
トヒータ３０の放熱部を大気圧の環境下で使用するので
あれば、内部に不活性ガスを充填するようにしても良
い。

【００２９】

【発明の効果】上記したように、本発明によれば発熱エ
レメントを複数枚の合成マイカ箔で挟み込んで加熱加圧
積層後に高温焼成し、その結果得られた発熱プレートを
石英ガラス内に収容するようにしたので、加熱時におけ
る発熱エレメントの膨脹や変形が防止されるのみなら
ず、これまで石英ガラスの接合面に形成されていた多数
の細い溝の代わりに大きな窪みを唯一形成するだけで良
いので、熱応力や熱歪に対する耐久性が向上し、生産方
法も簡略化される。

【００３０】さらに、本発明の製造方法によれば、リー
ド電極の近傍でガラス管同士を加熱溶着する際には、リ
ード電極の雰囲気が真空あるいは不活性ガスなので、こ
の加熱溶着時の熱によるリード電極の酸化が防止され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の石英プレートヒータの放熱部の製造
方法を示した断面図である。

【図２】 本発明の第１実施形態である石英プレートヒ
ータの放熱部の断面図である。

【図３】 本発明の第１実施形態である石英プレートヒ
ータの放熱部の断面図である。

【図４】 本発明を適用した石英プレートヒータの平面
図および断面図である。

【図５】 本発明の石英プレートヒータの使用方法を示
した断面図である。

【図６】 本発明を適用した他の石英プレートヒータの
断面図である。

【図７】 図６に示した石英プレートヒータの製造方法
を示した断面図である。

【図８】 図６に示した石英プレートヒータの製造方法
を示した断面図である。

【図９】 図６に示した石英プレートヒータの製造方法
を示した断面図である。

【図１０】 従来の石英プレートヒータの放熱部の構成
を示した断面図である。

【符号の説明】

１…発熱プレート、２，３…石英ガラスプレート、３ａ
…石英ガラスプレート３に設けられた凹部、４…熱反射
膜、１０…発熱エレメント、３０…石英プレートヒー
タ、３０ａ…放熱部、３０ｂ…石英管部、３１〜３４…
リード電極、３５，３６…タングステンワイヤ、１０１
…合成マイカ箔、１０２…セラミック耐熱保護材、１１
１，１１２…リード線

フロントページの続き (72)発明者 服部 栄市 大阪府大阪市都島区友渕町２丁目５番７号 服部ヒーティング工業株式会社内 (72)発明者 鈴木 佑 埼玉県熊谷市万吉572−237 テクノ・タス ク内

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平面状発熱素子と、 前記平面状発熱素子の熱的変形が阻止されるように、少
   なくともその一方の主面に固着されて前記平面状発熱素
   子を支持する平面状合成マイカと、 前記平面状合成マイカによって支持された平面発熱素子
   を挟み込むように対向配置され、周縁部同士で密着され
   た２枚の石英プレートとを具備し、 前記２枚の石英プレートの少なくとも一方の接合面には
   凹所が形成され、前記平面状合成マイカによって支持さ
   れた平面発熱素子は当該凹所内に配置されることを特徴
   とする石英プレートヒータ。
2. 【請求項２】 前記平面状合成マイカは、人工的に合成
   したフッ素金雲母およびカリ四ケイ素雲母のいずれか一
   方を主組成分とするマイカ箔にバインダを含浸乾燥さ
   せ、これを１枚または複数積層して加熱加圧した後、さ
   らに焼成して形成されることを特徴とする請求項１に記
   載の石英プレートヒータ。
3. 【請求項３】 前記バインダは、オルガノポリシロキサ
   ン組成物、プリセラミクポリマー系のポリシロキサン、
   およびポリチタノカルポシランのいずれかであることを
   特徴とする請求項２に記載の石英プレートヒータ。
4. 【請求項４】 前記平面状合成マイカによって支持され
   た平面発熱素子が配置される領域は真空状態に保たれる
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の
   石英プレートヒータ。
5. 【請求項５】 前記平面状合成マイカによって支持され
   た平面発熱素子が配置される領域には不活性ガスが充填
   されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに
   記載の石英プレートヒータ。
6. 【請求項６】 前記合成マイカの表面には、所定の温度
   範囲において遠赤外線を放出するセラミック耐熱保護材
   がコーティングされたことを特徴とする請求項１ないし
   ５のいずれかに記載の石英プレートヒータ。
7. 【請求項７】 前記セラミック耐熱保護材は、シリコン
   カーバイト系およびジルコニア系のいずれかであること
   を特徴とする請求項６に記載の石英プレートヒータ。
8. 【請求項８】 前記一方の石英プレートの一方の主面に
   は熱反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１
   ないし７のいずれかに記載の石英プレートヒータ。
9. 【請求項９】 前記熱反射膜は、金液および白金液のい
   ずれか一方を前記石英プレートの一方の主面に塗布して
   焼成することにより形成されることを特徴とする請求項
   ８に記載の石英プレートヒータ。
10. 【請求項１０】 前記熱反射膜は、スパッタ法によって
    被着された窒化チタンであることを特徴とする請求項８
    に記載の石英プレートヒータ。
11. 【請求項１１】 前記各石英プレートの周縁部の接合面
    には精密仕上げ以上の仕上げが施されていることを特徴
    とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の石英プレ
    ートヒータ。
12. 【請求項１２】 前記石英プレートの接合面の凹所は、
    エッチングによる腐食、ブラスト、および研磨のいずれ
    かによって形成されたことを特徴とする請求項１ないし
    １１のいずれかに記載の石英プレートヒータ。
13. 【請求項１３】 第１の石英プレートと、石英管部およ
    びこれに連通する開口を有する第２の石英プレートとの
    間に平面発熱素子を挟み込み、当該平面発熱素子のリー
    ド線を前記開口から石英管部を経由して外部へ引き出す
    ように構成された石英プレートヒータの製造方法におい
    て、 一対のリード電極を導電箔によって電気的に接続してな
    るリード電極対の２組について、各組の一方のリード電
    極を絶縁性棒の一端に相互に絶縁して簡易固定し、他方
    のリード電極を当該絶縁性棒の他端に相互に絶縁して簡
    易固定する工程と、 前記２組のリード電極対が簡易固定された絶縁性棒を石
    英ガラス管内に挿貫して内部を真空排気する工程と、 前記石英ガラス管を絶縁性棒の中心部近傍で収縮させて
    当該絶縁性棒およびリード電極を前記石英ガラス管に対
    して位置決め固定すると共に、前記石英ガラス管内にお
    いて、各組の一方のリード電極の雰囲気と他方のリード
    電極の雰囲気とを遮断する工程と、 前記石英ガラス管の一端を切断して前記各組の一方のリ
    ード電極を大気に露出させる工程と、 前記第２の石英プレートの石英管部から引き出された前
    記平面状発熱素子のリード線を前記露出された各組の一
    方のリード電極と電気的に接続する工程と、 前記石英ガラス管を前記石英管部へ挿貫し、石英管部の
    端部を前記各組の他方のリード電極が固定されている位
    置近傍において石英ガラス管の表面に加熱溶着すると供
    に、前記平面状発熱素子を各石英プレートで挟み込んで
    各石英プレートを周縁部同士で密着させる工程と、 前記第１および第２の石英プレートによって遮断された
    領域内を真空排気して封止する工程と、 前記石英ガラス管の他端を切断して前記各組の他方のリ
    ード電極を大気に露出させる工程とを含むことを特徴と
    する石英プレートヒータの製造方法。
14. 【請求項１４】 前記絶縁性棒端部へのリード電極の簡
    易固定は、リード電極を絶縁性棒へ縛り付けることによ
    って行われることを特徴とする請求項１３に記載の石英
    プレートヒータの製造方法。