TW200847832A - Heating device - Google Patents

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Hisakazu Okajima
Yoshinobu Goto
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Description

200847832 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 加熱裝置，詳而言之， 中’加熱作為基板而被 用的加熱裝置。 本發明係有關於由陶瓷製成的 係有關於在半導體元件的製造步驟 利用的晶圓或其他板狀的被加熱材
L无刚技術J 在利用半導體製造裝置的半導體元件的製造步驟中， ，了在晶圓上形成氧化膜等，加熱處理被施加。在加㈠ 二二加：裝置方面，有包括具有與作為被加熱材的晶 0相對的加熱面的圓盤狀的陶瓷基體、在 設抵抗發熱體的加熱裝置。 I#土 皋逡興_ > & …袅置係，不僅適合作為 + ¥體7L件的製造步驟中的 Μ参“ 成膜裝置’且即使在將被加執 材的表面乾蝕刻的表面處理 ”、、 寻破利用，也非常適合。 ”、、支持此加熱裝置的陶瓷基體，有支持槎杜Λ人 此陶f其鲈从4也处文得構件接合於 狀，-方的端面與m…广〃有大略圓筒形 即，背面的加熱面相反側的表面（亦 猎由固相接合或液相接合被固著。 的㈣基體和支持構件的安裝構造，有在陶 ^的接5面和支持構件的外周面之間 裝置（專利文獻D。 Μ的加熱 [專利文獻1 ]曰本转Η 尽特開2004-247745號公報 【發明内容】 6 7066-9347^PF;Tungiriing 200847832 [發明所欲解決之問題]
習知的陶瓷加熱器係’陶瓷基體的背面和支持構件的 外周面藉由形成於兩者的接合部的1^部的曲面，平滑地連 接。藉由此R部，裂縫的發生被抑制。然而，即使這樣， 裂縫有時會從R部發生。此裂縫發生的話，由於加熱裝置 的使用時的加熱或冷卻而產生的熱應力係，集中於此裂 縫，而可能導致裂縫的擴大。 X ξ ' 因此，本發明係提供有效地防止陶瓷基體和支持構件 的接合部附近發生裂縫、藉此可更提高信賴性的加熱裝置 作為目的。 、 [解決問題之技術手段] 為了達成上述目的，本發明的由陶瓷製成的加熱裝置 係包括：板狀的加熱基體，具有加熱面；以及中空筒狀的 支持構件，軸線方向和此加熱基體的背面大略垂直地接合 於上述背面；在上述加熱基體和上述支持構件的接合部附 ( 近，平滑地連接此加熱基體的背面和支持構件的外表面的 凹曲面部被形成；此凹曲面部係，在包含上述支持構件的 轴線的剖面中，具有短軸方向和支持構件的軸線方向平行 的橢圓的弧的曲線作為特徵。 [發明的效果] 根據本發明的加熱裝置，在加熱基體和支持構件之間 的接合部附近，裂縫的產生被抑制，可提高加熱裝置的信 賴性。 7066-9347-PF;Tungming 7 200847832 【實施方式】 以下利用圖示說明有關本發明的加熱裝置的實施例。 第1圖係為有關本發明的加熱裝置的一實施例的模式 的縱剖面圖。在此圖所示的加熱裝置10係，具備作為加熱 基體而由圓盤狀的陶瓷製成的陶瓷基體u。此陶瓷基體u 係，具有和被加熱體（例如，半導體晶圓）相對的平面的加 熱面lla。又，在陶瓷基體u的内部方面，抵抗發熱體12 被埋設。在此抵抗發熱體12，藉由從外部的未圖示的電源 供給電力，抵抗發熱體12發熱，藉此陶瓷基體丨丨被加熱。 藉由此陶瓷基體11的加熱，可加熱載置於此陶究基體Η 的加熱面11a的被加熱材。在與陶瓷基體u的加熱面Ua 相反側的面（亦即，背面i lb)，作為支持陶瓷基體j i的支 持構件的軸13被接合。在此背面llb中的中央部附近，板 厚比周緣部附近厚，軸13被接合於此中央部表面丨丨c。 軸13係，為中空的大略圓筒形狀，由和陶竟基體工工 相同種類的陶瓷製成是較佳地。在此軸13的内部空間，供 給電力至陶瓷基體U的抵抗發熱體12用的導線或給電棒 被配設。又，在陶瓷基體U具有靜電電極或高頻率電極 時，與埋設於陶瓷基體11内的這些電極連接的導線等係被 配設於此軸13的内部空間。 軸13係’在與陶瓷基體11接合側的端部，凸緣部1 3 a 被形成。在凸緣部13a的端面13c抵接於陶瓷基體11的中 央部表面11 c的狀態下，藉由固相接合或液相接合，轴i 3 接合於陶瓷基體11。 7066-9347-PF;Tungming 8 200847832 又，在陶瓷基體Γ1和軸〗3的接人 附近，平滑地連#的接合介面〗4的外端14E 逆接此加熱基體U的 緣部13a的外周 面Ub和軸13的凸 將此“ 曲面部15被形成。 將此加熱裝置10的凹曲面部 剖面圖在第2圖表+ .近的Η區域的擴大 間表不。此凹曲面部丨ς 軸線L的叫而r + 5係’在包含軸13的 軸線面(亦即，在第2圖所示 為橢圓的弧的曲線的 1 具有成 _…向平行，長轴方向=的短轴方向係與轴 垂直。 σ系 >、軸13的軸線l方向 本貫施例的加献努署在 為橢圓的孤*… 凹曲面部15在縱剖面成 為橢0的弧般的曲面，在 ..W曲面部15發生裂縫係更有效 地被抑制。此將在此下詳細說明。 更有忒 根據發明人的研究，在 在陶瓷基體和軸的接合部附近形
成R部的加熱裝置中，A “十 $置中纟此R部產生裂縫的原因係，考慮 由於在陶瓷基體的加埶時志 ’ R,p 也…、字或冷郃時發生的熱應力，為在此 K 口P成為最大。第3圖伤炎> & ^ ^ 糸為作為比較例且具有R部的習知 加熱裴置的接合部附近的縱 σ]面圖。在第3圖所示的加熱 #置20係’抵抗發熱體12埋設於陶竞基體^的内部，轴 13接合於與此陶竟基體21的加熱面…相反側的背面21b 的中央部表面21c。在陶窨就触 ..n 免基體21和軸13的接合介面24 的外端24E附近，將陶警A _ 土體21的背面21b和軸13的凸 緣部13 a以一定的曲率丰你^ n， k R1平滑地連接的R部25係被 形成。在此第3圖所示的加熱裝置2〇中，埋設於陶竟基體 21的抵抗發熱體12發埶的^ ^ …的話，陶瓷基體21係在加熱面21a 7 066~934*7 — PF/Tungming 9 200847832 均-地被加熱，但在與轴]3連接的接合介面2[ ㈣的傳熱’溫度比其他部分低。因此，在陶变基體I 由於此基體内的溫度梯度，在陶莞基體21的半徑方向 產生熱應力。此熱應力最集令的部分係…㈣間部的 最大應力σ2_的位置。因此，在R部的表面上 附近，裂縫產生。 此熱應力係，因為縱剖面中的 ▲ r的K部的曲率半徑越小而 變大，在降低此熱應力方面 ，一、 曰加縱剖面中的R部的曲率 半徑被考慮。帛4圖係為作為另—比較例、r部的曲 徑比第3圖所示的加熱裝置2〇大的加熱裝置⑽的接合部 附近的縱剖面圖。在第4圖所示的加熱裝置3〇係，抿抗發 熱體12埋設於陶£基體31的内部，軸以接合於與此陶究 基體31的加熱面31a相反側的背面31b的中央部表面 31。。在陶究基體31和軸13的接合介面34的外端34e附 近，將陶竟基體31的背面31b和軸13的凸緣部…以比 第3圖的R部的曲率半徑R1大的-定的曲率半徑R2平滑 地連接的R部35係被形成。 由於在此第4圖所示的加熱裝置3〇的^ 35的曲率 半徑R2比第3圖所示的加熱裝置2。的"”5的曲率半徑 R1大’此R部35的中間部的最大應力σ 3max係，成為比 第3圖所示的加熱裝置的最大應力σ 2max小的值。因此’ 在第4圖所示的加熱裝置3〇係，比第3圖所示的加熱裝置 更抑制裂縫的發生。然巾，在第4圖所示的加熱裝置係， 為了使R部35的曲率半徑R2比第3圖所示的加熱裝置的 7066-9347~PF；Tungming 10 200847832 25的曲率半技η大，使陶莞基體的厚度比第3 圖所tf的陶究基體21的厚度t0A。因此，此加熱裝置3〇 係，由於陶瓷基體31的厚度變大，在陶瓷基體21的成形、 k、”。寸内°卩缺陷產生的機率變高，由於此内部缺陷，裂 缝發生的風險變高。 因此在本實施例的加熱裝置1 〇 ,如第J圖及第2圖 所不般’凹曲面部15成為在縱剖面為橢圓的弧般的曲面， 短轴方向與軸13的軸線L方向平行，長軸方向與轴13的 軸線L方向垂直。藉由具備此類的凹曲面部15，凹曲面部 15與陶£基體u的背面Ub連結的附近的曲率半徑特別 大’此凹曲面部15中的熱應力的最大應力仏⑽係，可 為比第4圖所示的加熱裝置3" R部35中的最大應力 σ3_小的值。因此’裂縫的發生係更被抑制。又，:凹 曲面部15的最大應力“随的位置係，從陶究基體“和 轴13的接合介面14的外端UE充分地分離。因此，由於 此最大應力而在接合介面14的外端 穿 缝被抑制。以此方式’本實施例的加熱裝 = 發生更被抑制。又，陶究基體u的厚度t〇係，不= 4圖所不的加熱裝置3。的陶：是基體31的厚度t2般變大 因此，可抑制由於使陶瓷基體u的厚度 陷作為原因的裂縫的發生的風險 ’’予的内部缺 也被抑制。藉由這些裂縫的抑制，二裂縫的發生 性。 了扣回加熱裝置的信賴 亦即 凹曲面部15係’在包含軸13的軸線的剖面，
7066-9347-pF;Tungming H 200847832
在第1圖及第2圖所示的縱剖面中，對於橢圓的短軸半徑 A的長軸半徑B的比B/A係，不小於1 · 5為較佳地。藉由 對於短軸半徑A的長轴半徑B的比B/A不小於丨· 5，可使 最大應力σ lmax有效地減少，且可將最大應力σ lmax的 位置從接合介面14的外端14E充分地分離，藉此可顯著地 抑制裂縫。對於橢圓的短軸半徑A的長軸半徑B的比β/Α 的上限係，從裂縫的抑制的觀點並不被特別限定。考慮凹 曲面部15的加工費用或陶瓷基體21的中心部附近的熱容 ϊ等，可設定在適當的範圍。作為較佳的範圍係在ι〇以 下’更佳的是可在5以下。 a τ ^綠十均租度不 大於為較佳地。根據發明人的研究，發現即使在同 ::面的情形，凹面曲面15的表面粗度大的話，裂縫容易 表生。此係考慮，表面粗度 破璁Mi 表面的凹凸容易成為 破展起點1由凹曲面部15的表面粗度以中心線平均粗声 :不大於〇.8“’有效地抑制裂縫的發生，而更可： 賴性。此類的中心線粗度 ^ , 的凋整係，在陶瓷基體11的 表作時在研削加工凹曲面部時，蕤i脸 以325號以上的條件進 古’、研削磨石的粒度 干進仃而可有利地實現。 凹曲面部15的弧的短軸半徑“ 據陶究基體U的厚度tG的話，、寺別限定’又’根 佳的是，短軸半徑A為_ mm左右是較佳地。更 v厶ymm。凹曲而邱 為藉由研削加工，除去且 的形成係，因 央部附近以外的部分 度的陶竞基體11的中 將周緣側設定在tl的厚度而進行， 12 7〇66-9347-PF;Tungming 200847832 此研削加工費用等也考慮，可選擇適當的值。 A在陶竟基體11㈤巾央部附近的厚度to係不特別被限 A仁2 50mm的範圍是較佳地，5〜3〇mm的範圍是更佳地。 本發明的加熱裝置係，因為凹曲面部15在縱剖面具有橢圓 2的形狀，不須為了緩和集中在凹曲面部15的應力而限 疋厚度，根據其他條件，可選擇適當的厚度。 w又，本發明的加熱裝置中的橢圓的弧的形狀係，不以 嚴格的疋義被限定在橢圓的弧的形狀。本發明的加熱裝置 系"彳面形狀成為使板襄面作為切線的和緩的弧是重要 :二因此广發明的加熱裝置係，近似於橢圓的弧，例如， 人曲線、雙曲線、栓槽（sp 1 i ne)曲線等的情形，即 情形，可得到同樣的效果…在加熱裝置的工 >、仏0’ ，通常被辨認的形狀誤差係被容許的。 emu 11❺材料’較佳的是有氣化銘、碳化 :的：:：、氮化侧、模來石(muiute)、賽隆(siai〇n) 陶变、氧化銘-碳化石夕系、複合材料等，又，不 於此’周知的陶咨分斗立丄 义 的产产h 對於在加熱裝置ig的使用時 古衣兄；包含的齒素系氣體等的腐姓性氣體、為了職予 门的耐腐n氮化或氧化料是特別好的。 軸13係’從盡可能緩和熱應力的觀點來看，和 體為同一材料是較佳地。 土 本孓月的加熱裝置係’經由陶瓷基體！工的製 軸13的製作步驟、陶窨美 v驟、 驟而被製造。有關之此：別。軸13的接合步驟的各步 有關这些個別的步驟，可依據一般方法進行。 7066-9347-PF;Tungming 幻 200847832 [實施例] [凹曲面部的形狀評價] 製造複數個加熱裝置，其陶瓷基體和軸的接合部附近 的凹曲面部的位置及形狀有各種變化。此加熱裝置係，將 陶瓷基體及軸以A1N(氮化鋁）粉末作為原料，藉由加壓成 形-燒結而分別被製作後，藉由將兩者由固相接合法接合而 被製造。 f .. 準備加熱裝置，其陶瓷基體的外徑為348mm、在周緣 部的厚度（第2®、第3圖、以及第4圖的tl)為20顔作 為一定，而凹曲面部的形狀及在陶瓷基體的中央部的厚度 (第2圖及第3圖的tO及第4圖的t2)有各種變化。這些 加熱裝置的軸係，凸緣部的外徑為75mm、内徑為52mm、凸 緣部的厚度（外周部的軸線方向長度）為5mm。又，在凹曲 面部的加工方面，磨石的粒號設定為#2〇〇，磨石的旋轉數 設定為6000(rpm)，磨石的傳送速度設定為〇3mm/min，而 , 凹曲面部的表面粗度Ra為0.9/Zm。將這些加熱裝置分別 汉置於NF3氣體、400Torr的環境的腔室内，進行在7〇〇〇c 加熱、1 0小時的連續運轉之後、一旦降溫至2 〇 〇艺、再次 升溫至700°C的熱試驗進行所定時間之後，調查有無發生 裂縫。 將其結果表示於表1。 7066-9347-PF;Tungming 14 200847832 [表1] 區分 比較例1 凹曲面 形狀 圓弧 尺寸(mm) B/A 陶瓷基體 中央部附近 的厚度：to (mm) 經過暗問 1天後 半年後 1年後 1.5年後 2年後 R=2 - 21 發生裂縫 比較例2 比較例3 圓弧 擴圓弧 R=8 - 27 沒有異常 發生裂縫 A=2, B=2. 4 1.2 21 沒有異常 發生裂縫 實施例1 橢圓弧 a=27~b^Tj 1.5 21 沒有異常 沒有異常 沒有異常 沒有異常 發生裂縫 實施例2 實施例3 橢圓弧 橢圓弧 A=2, B~4 2 21 沒有異常 沒有異常泰 沒有異常 沒有異常 沒有異常 A=2, B=8 4 21 沒有異常 沒有異常 沒有異常 沒有異常 沒有異f 實施例4 橢圓弧 A=2, B=l〇 5 21 沒有異常 沒有異常 沒有異常 沒有異常 沒有異 從表1可了解，比較例1係/陶瓷基體和轴的接合部 附近的凹曲面部為，由於成為在縱剖面具有一定曲率半徑 (2mm)的正圓的弧的形狀，在經過一天後，裂縫發生。又， 比較例2係，陶瓷基體和軸的接合部附近的凹曲面部為， 由於成為在縱剖面具有一定曲率半徑（8mm)的正圓的弧的 形狀，且其曲率半徑比比較例丨大，在半年後，裂縫發生。 又，比較例3係，凹曲面部為，在縱剖面具有橢圓的弧的 形狀的例子，且橢圓的短軸半徑A和長軸半徑β的比為 1 · 2，由於近似圓，在半年後，裂縫發生。 同時，實施例1〜4係，依據本發明，凹曲面部在縱剖 面中具有橢圓的弧的形狀的例子。根據實施例丨~4，在橢 圓的短軸半徑A和長軸半徑B的比為不小於15的情形， 即使經過1. 5年後也沒有異常，展現特別優良的信賴性。 藉由比較實施例3以及具有與此實施例3的短轴半徑 (Μ相同的曲率半徑(2_)的比較例卜可發現藉由將凹 曲面部作為橢圓剖面形狀，即使陶竟基體的中央部的厚度 相^可更提高信賴性。又’藉由比較實施例4以及具有 .、此實苑例4的長軸半徑(8mm)相同的曲率半徑(8_)的比 7066-9347-PF;Tungming 15 200847832 =2:可發現藉由將凹曲面部作為橢圓剖面形狀 『增加陶竟基體的中央部的厚度，仍可更提高信賴性。 L表面粗度評價] 調查陶究基體的凹曲面部的表面粗度和接合強度間的 關係。利用的加執，窨在 ^ ^ ”、、裝置係，具有與在實施例2中利用的加 …、：置相同的材料、尺寸的物件。凹曲面部係，縱剖面為 橢圓的弧t狀’短軸半徑為2難，長軸半徑為，陶究 f 土體的中央^附近的厚度tQ為2丨咖，周緣部附近的厚度 tl係利用20mm的物件。 將在凹曲面部的表面處理研削加工時，研削磨石的磨 粒的大小、磨石的旋轉速度、磨石的傳送速度作各種變更， 將進行加工的結果、以及接合介面的強度與接合介面附近 的凹曲面部的表面粗度在表2表示。X，接合介面的強度 係，將測試件（test piece)切割出來，藉由懸臂樑彎曲試 驗而求得。
[表2] 磨石的粒號 磨石的旋轉數 (rpm) 磨石的傳送速度 (mm/inin) 強度 (Mpa) 表面粗度 (Ra) 180 6000 0.2 250 \ivdy 12 200 6000 0.2 270 1 200 卜 6000 0.3 280 0 9 325 6000 0.2 350 0 8 325 6000 0.3 360 0.7 從表2可得知，藉由改變加工條件使中心平均粗度Ra 被設定在〇 · 8 # m以下，強度係急劇地提升。 其次’在縱剖面加工為擴圓的弧的形狀的凹曲面部 7066—934 7-PF;Timgming 16 200847832 時’適用Ra成為u" m的加工條件，製作和表】的實施 例2相同形狀的加熱裝置’在與先前說明的凹曲面部形狀 評價相同條件下’進行加熱腐料驗。其結果，即使在2 年後’裂縫沒有發生。從此可L . *此了去〇。藉由使擴圓的弧的粗度 不大於0.8# m，可更提高加熱裝置的信賴性。 以上利用實施例及圖面具體說明本發明的加埶裝置， 但本發明的加熱裝置係不被限定在實施例及圖面的‘載， 在不脫離本發明主旨的範圍内，可有各種變化。例如 第1圖及第2圖所示的實施例中，表示陶竟基體U和軸 13的接合介面14的外端14E係，位於形成在縱剖 橢圓的弧的形狀的凹曲面部15 @長軸端部和短軸端部之 間的弧上的例子，但此外端14E係位於與凹曲面部15二 的長轴端部一致的點也可。 ^ 【圖式簡單說明】 的模式 第1圖係為有關本發明的加熱裝置的一實施例 的縱剖面圖； 第2圖係為第i圖的主要部分的擴大縱剖面圖； 第3圖係為比較例的加熱裝置的主要部分的擴大剖 圖；以及 弟4圖係為比較例的加熱裝置的主要部 面 圖 刀的擴大剖 面 【主要元件符號說明】 7066-9347-PF;Tungming 17 200847832 10〜加熱裝置； 11〜陶瓷基體（加熱基體） 11 a〜加熱面； lib〜背面； 11c〜中央部表面； 12〜抵抗發熱體； 13〜軸（支持構件）； 13a〜凸緣部； 1 3 c〜端面； 13d〜外表面； 14〜接合介面； 1 5〜凹曲面部。 14E〜外端； 7066_9347—PF/Timgming 18

Claims (1)

  1. 200847832 十、申請專利範圍： 1·-種加熱裝置，由陶瓷製成，包括· 板狀的加熱基體’具有加熱面；以及 中空筒狀的支持構件，轴線方向和 垂直地接合於上述#面； μ加熱基體的背面 平；述加熱基體和上述支持構件的接合部附近， 面：…，加熱基體的背面和支持構件的外表面的凹曲 =:成；"凹曲面部係，在包含上述支持構件的軸線 门相中，具有短軸方向與支持構件的轴線方向 圓的弧的曲線；上述凹曲面部係，在包含上述支持構件的 軸線的剖面中’對於橢圓的短軸半徑A的長軸半徑B的比 B/A不小於1. 5。 2.如申請專㈣圍第丨項料之加熱裝置，其中上述 凹曲面部粗度係中心線平均粗度Ra不大於〇· 8"。 7066-9347-PF；Tungming 19
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