(57)【要約】  加熱−冷却時の温度変化に伴う熱応力、熱歪みが生じにくく、しかも溶接時におけるシースヒータのシースの溶断が起こりにくく、溶接部分のブローホールが生じにくくする。  プレートヒータは、加熱板（１）に設けた溝（１１）の中にシースヒータ（３）を埋め込み、その当該シースヒータ（３）の径に対する埋め込み深さを３／４〜５／６とすると共に、溝（１１）とシースヒータ（３）との間隙に充填したフィラー（１６）により、加熱板（１）とシースヒータ（３）のシース（１３）とを溶接したものである。また、加熱板（３）の溝（１１）の開口縁に面取り（ｃ）を施す。シース（１３）の厚さ（ｔ）は、溶接によるシース（１３）の溶け込み深さの２倍以上とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の板体からなる加熱板（１）と、この加熱板（１）の中に埋設されたシースヒータ（３）とを有するプレートヒータにおいて、加熱板（１）に設けた溝（１１）の中にシースヒータ（３）を埋め込み、同シースヒータ（３）のその径に対する埋め込み深さを３／４〜５／６とすると共に、溝（１１）とシースヒータ（３）との間隙に充填したフィラー（１６）により、加熱板（１）とシースヒータ（３）のシース（１３）とを固定したことを特徴とする基板加熱プレートヒータ。
【請求項２】
加熱板（１）の溝（１１）の開口縁に面取り（ｃ）が施されていることを特徴とする請求項１に記載のプレートヒータ。
【請求項３】
シースヒータ（３）のシース（１３）の厚さ（ｔ）が、０．８ｍｍ以上、４ｍｍ以下とし、且つ溶接によるシース（１３）の溶け込み深さの２倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のプレートヒータ。
【請求項４】
シースヒータ（３）のシース（１３）の外径に対して、同シース（１３）の片側の加熱板（１）への溶接長さ（１８）が３０％以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のプレートヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の基板上に薄膜パターンを形成したり、あるいはその基板をエッチングする工程、さらには化学的気相堆積法（ＣＶＤ法）等の手段でガラス基板等の基板上に薄膜を形成する工程において、それら基板等を載せて加熱するプレートヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体製品は、半導体ウエハ等の基板上にフォトマスク等を適用して電極パターン等の薄膜パターンを形成したり、薄膜をエッチングして所定のパターンに形成する工程等を経て製造される。またディスクプレイ装置等に使用される透明基板上に形成される透明導電膜等からなる電極パターンは、いわゆるプラズマＣＶＤ法等の化学的気相堆積法等の手段で形成される。
これらの電子デバイス用の基板を製造する工程では、殆どの場合に基板を所定の温度に加熱した状態で行う。この基板の加熱のために基板を載置した状態で加熱するのに使用されるのがプレートヒータである。【０００３】
従来において、このような基板の加熱に使用されるプレートヒータは、熱伝導良好なステンレスやアルミニウム等の金属製の加熱板の中にシーズヒータ等の線状のヒータを埋め込み、このシースヒータの発熱により加熱板を加熱し、その上に載せられた基板を加熱する方式のものが多い。特にアルミニウム製の加熱板を使用したプレートヒータは、ステンレス鋼に比べて加熱板の熱容量が小さいので、温度応答性に優れ、加熱、冷却時間が短く、温度制御も容易である。また、熱伝導率が高いので比較的均一な温度になり易く、表面をアルマイト処理することにより、基板面を絶縁したり、耐腐食性を増す事が出来る。【０００４】
プレートヒータによる基板の加熱温度は薄膜パターンやホトレジスト等の成膜温度により決定されるが、４００℃以上の高い加熱温度が要求されることも多い。このような高温下で使用されるプレートヒータにおいては、プレートヒータ自身の強度が低下するので、シースヒータのシース材質もアルミニウムに変えて、同じ温度でも熱膨張が同じになるようにして、バイメタルのような熱膨張の違いによるプレートヒータの変形を無くすことが要求され、更に、温度分布があってもシースヒータが加熱板の取り付け溝から取れないように、シースヒータの加熱板への固定手段の信頼性が必要である。具体的には、加熱−冷却による温度の上下に伴い、加熱板とシースヒータのシースに熱応力が発生し、熱歪みを生じるが、この熱歪み等により、シースヒータの加熱板への密着性が失われないことが必要となる。【０００５】
従来のプレートヒータのシースヒータの固定手段としては、下記特許文献１〜１１に記載されたように、加熱板の表面に溝を設け、この溝にシースヒータを埋め込み、これを押え板で固定する手段、シースヒータを加熱板にろう付けする手段、或いはシースヒータを加熱板に溶接する等の手段がとられていた。例えば下記特許文献７（特開２００２−３５９０６２号公報）には、シーズヒータの取付方法として、加熱板の上面また下面に溝を設け、この溝内にシーズヒータをブレージングによりロー付けしたことが記載されている。また、下記特許文献２（特開２００７−１６９７７７号公報）には、加熱板の溝に収容した加熱素子を、摩擦攪拌溶接プロセスにより溶接することが記載されている。【０００６】
しかし、これらの固定手段は、シースヒータの固定が必ずしも良好ではなく、特にろう付けは、ろう材と加熱板やシースとの熱膨張係数の違いにより、前述した熱歪による密着性の喪失が起こりやすい。また、ＡＣ−ＴＩＧ、ＭＩＧ溶接もアルミニウムの比熱と溶融潜熱が大きい為に入熱が大きくなり、溶接範囲と熱影響部が大きくなり、ヒータのシースの溶け込み過ぎによる溶断が起こりやすく、また内部にブローホールが生じて、これがシースヒータの破断や割れの発生原因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−９１６６０号公報
【特許文献２】特開２００７−１６９７７７号公報
【特許文献３】特開２００６−１７２９７０号公報
【特許文献４】特開２００５−７１９４７号公報
【特許文献５】特開２００４−２４７２１０号公報
【特許文献６】特開２００２−３５９０６２号公報
【特許文献７】特開２００２−２８０１５２号公報
【特許文献８】特開２００２−２７０３４７号公報
【特許文献９】特開２００１−１７６６４５号公報
【特許文献１０】特開２０００−２４３５４２号公報
【特許文献１１】特開平１０−３２２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来におけるプレートヒータの前記の課題に鑑み、加熱板の中にシーズヒータを収納した場合に、加熱−冷却時の温度変化に伴う熱応力、熱歪みが生じにくく、しかも溶接時におけるシースヒータのシースの溶断が起こりにくく、溶接部分のブローホールが生じにくいシースヒータの溶接部分を有するプレートヒータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、前記の目的を達成するため、加熱板１に設けた溝１１の中にシースヒータ３を埋め込んで溶接するに当たり、シースヒータ３の溝１１内への同シースヒータ３のその径に対する埋め込み深さを３／４〜５／６とし、溝１１とシースヒータ３との間隙に充填したフィラー１６により溶接するようにした。このときシース３の厚みは０．８ｍｍ以上、４ｍｍ以下とする。【００１０】
すなわち、本発明によるプレートヒータは、加熱板１に設けた溝１１の中にシースヒータ３を埋め込み、その当該シースヒータ３の径に対する埋め込み深さを３／４〜５／６とすると共に、溝１１とシースヒータ３との間隙に充填したフィラー１６により、加熱板１とシースヒータ３のシース１３とを溶接したものである。フィラー１６には、加熱板１とシール１３と同一材質又はそれらに合った溶接棒を使用する。【００１１】
加熱板１とシースヒータ３のシース１３の厚みが大幅（２倍を超えて）に違う場合、ＡＣ−ＴＩＧ、ＭＩＧ溶接の様なアーク放電による溶接では、発熱範囲が大きい為、熱容量の違うシース１３のみ温度上昇し、加熱板１は、熱容量、熱放散も大きく温度が上がり難い為にシース１３の溶断が生じてしまう。また、その緩和のために加熱板１等を予備加熱し、数百度の温度上昇させて溶接を行なう場合もあるが、加熱板１との熱容量差の大きくシース１３が始めに解けてしまう。従って、入熱が、局所的で非常に大きい電子ビーム溶接やレーザー溶接あるいは摩擦攪拌接合による接合が考えられる。溝１１と埋め込まれるシースヒータ３の間隙に充填したフィラー１６を用いて溶接面積を増やことにより、シースヒータ３と加熱板１の熱伝導性も良好になり、シースヒータ３と加熱板１の温度差も小さくなり、熱応力が発生しにくくなる。しかし、この様に、フィラー１６を用いて接合する場合、摩擦攪拌接合の様に、回転体の摩擦熱による接合は、加熱板１とシースヒータ３とフィラー１６を固定しなければならず、電子ビーム溶接やレーザー溶接が望ましい。シースヒータ３のリード部のように立体的に立ち上がる様な複雑な形状の場合は、フィラー１６を全体的には三角形の断面にして且つヒータシースに当たる面を円弧にした物を高温で押し付けて拡散接合する場合もあり得る。勿論、コストは高くなるが全てを拡散接合にすることが出来ることは言うまでもない。ここでは、コスト的に安く技術的に簡単なレーザービーム等に絞って説明する。【００１２】
加熱板１に設けた溝１１の中に埋め込んだシースヒータ３をレーザ溶接するに当たっては、まず第一にブローホールの発生の問題がある。ブローホールは、溶加材から溶接部に移行した溶着金属の中に発生する気孔による球状の空洞のことであり、溶接部における溶接欠陥の一種となり得る。溶接中に溶融した金属が高温にさらされると、溶融金属がガスを吸収し、それらのガスが溶融金属の表面に浮き上がる前に凝固することによって溶接部分の内部に空洞が出来る。ブローホールは溶接部に存在する不連続部として存在するため、加熱板１とシースヒータ３が加熱−冷却を繰り返すときの熱応力によって亀裂の発生原因ともなる。【００１３】
さらに溶接に当たっての第二の問題は、シースヒータ３のシース１３の溶断の問題である。加熱板１に設けた溝１１の中に埋め込んだシースヒータ３を溶接するに当たっては、溶加材と共にシース１３の表面部分が溶融する。このとき、その溶融部分がシースの内側の無機絶縁材１５にまで達して無機絶縁材１５が露出しシース１３内のガスが吹き上げて溶接できず、陥没状の穴が出来てしまうのが溶断である。溶断部分が小さいときは欠陥にはならないが、溶断部分が前記ブローホール等の溶接部分内部の空洞を通して外部に通じると、シース１３の機能が失われ、シーズヒータ３の絶縁不良等の原因となる。【００１４】
本件発明者らは、これの溶接欠陥が起こる状態を再現しながら、加熱板１に設けた溝１１の中にシースヒータ３を埋め込む際の当該シースヒータ３の埋め込み深さを検討したその結果、シースの厚みは０．８ｍｍ以上とし、その埋め込み深さをシースヒータ３の径の３／４〜５／６とすることにより、溶接欠陥が起こりにくいことに着目した。なお且つ、このような埋め込み深さとすることで、溶接金属の厚みが増したためシースヒータ３を加熱し、放熱した時の温度変化に伴う熱応力、熱歪みも生じにくいことが確認された。本発明は、このような着目を基になされたものである。但し、シースヒータ３の加工上の問題等からシース１３の厚さは５ｍｍ以下となる。【００１５】
さらに、シースヒータ３のシース１３の加熱板１への溶接強度の観点から、同シース１３の片側の加熱板１への溶接長さ１８はシースヒータ３のシース１３の外径（Ａ＋Ｂ）に対して３０％以上であることが好ましい。但し、シース１３の加熱板１への溶接長さ１８は当然のことながら、シース１３の片側の円周長以下となる。【００１６】
加熱板３の溝１１の開口縁に面取りｃを施すことは、フィラー１６を溶かし込んでいくときのガス出しを良くするためのものであり、大気圧のシールドガス中で行なうレーザー溶接を使用する場合に必要条件となる。この面取りｃを施した部分の加熱板１とシースヒータ３との間隙に溶可材としてのフィラー１６を充填し、このフィラー１６をレーザ溶接する。さらに、シースヒータ３のシース１３の溶断欠陥を防止する観点からは、シース１３の厚さｔが、溶接によるシース１３の溶け込み深さの２倍以上であることが必要となる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明した通り、本発明によれば、溶接部分のブローホールやシースヒータのシースの溶断が生じにくく、しかも加熱板とシーズヒータとの加熱−冷却時の温度変化に伴う熱応力による亀裂が生じにくく、これによって加熱板からのシースヒータの密着性の喪失や加熱板の熱歪みによる変形が起こりにくいプレートヒータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例によるプレートヒータを示す裏面図である。
【図２】本発明の一実施例によるプレートヒータを示す側面図である。
【図３】本発明の各実施例によるプレートヒータ加熱板のシースヒータが埋設された部分の溶接する前の状態の断面を示す要部断面図である。
【図４】本発明の一実施例によるプレートヒータ加熱板のシースヒータが埋設された部分の溶接された後の状態の断面を示す要部断面図である。
【図５】本発明の一実施例によるプレートヒータ加熱板のシースヒータが埋設された部分をカバープレートで覆った状態の断面を示す要部断面図である。
【図６】本発明に対する各比較例としてプレートヒータ加熱板のシースヒータが埋設された部分の溶接する前の状態の断面を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、シースヒータの溝内への埋め込み深さをシースヒータの径の３／４〜５／６とし、溝とシースヒータとの間隙に充填したフィラーにより溶接し、前記の目的を達成するものである。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態によるプレートヒータの底面図であり、図２はその側面図である。
加熱板１は金属製の板からなり、最も好ましくはアルミニウム系合金の板が使用される。例えば厚さ５０ｍｍのアルミニウム合金の板体からなる。
【００２１】
加熱板１をアルミニウム合金の板体とした場合、その加熱板１は表面を耐蝕化するため陽極酸化等の手段で表面酸化処理し、表面にアルマイト（Ａｌ２Ｏ３等の酸化膜被膜）を形成する。そのため、加熱板１としては陽極酸化等による表面処理に適したアルミニウム合金が使用される。例えば国際アルミニウム合金名として５０００番台のＡｌ−Ｍｇ系合金や６０００番台のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等を使用することになる。
【００２２】
この加熱板１の所要の剛性を維持しながら肉薄化と軽量化を図る目的で、図１に示すように、その裏面にはリブ２が形成され、その間の部分は凹部９となっている。さらに、この加熱板１の裏面中央には円筒形のリード線引出筒部６が立設されている。
【００２３】
加熱板１の中には、シースヒータ３が配線され、このシースヒータ３のリード線は前記リード線引出筒部６から電源側に引き出される。このシースヒータ３の配線パターンは、例えば図１に示すようなものであるが、これに限るものではない。シースヒータ３の配線パターンの設計に必要な点は、シースヒータ３による加熱板１の加熱温度が全面にわたって出来るだけ均一になるようなパターンとすることである。加熱板１の放熱量はその中心部より周辺部の大きいが、例えば中心部に前述のようなリード線引出筒部６が立設されているとそこからの放熱もある。これらのバランスが均衡するようにシースヒータ３を配置することで、放熱板１の温度分布の均一性が得られるようなシースヒータ３の配置パターンを採用する。
【００２４】
図３は加熱板１のシースヒータ３が埋設された部分の断面を示しており、図２とは上下を逆にして示している。すなわち、図３では加熱板１の上面が下側にしてある。
この図３に示すように、シースヒータ３は、金属筒状のシースの中にタングステン、ニクロム、タンタル等の高融点金属からなる電熱線１４が収納され、これがシース１３の中に充填したマグネシア粉末等からなる無機絶縁材１５で絶縁されている。シースヒータ３のシース１３は一般にステンレスが使用されるが、加熱板１が前述のようなアルミニウム合金の場合、シース１３には同じようなアルミニウム合金のものを使用するのが好ましい。これにより、加熱板１とシース１３との熱膨張率の違いによる熱応力が低減され、熱歪みによる加熱板１の反りや曲がりを低減することが出来る。
【００２５】
図３に示したように、加熱板１の裏面に溝１１を設け、この溝１１の中に前記のシースヒータ３を埋め込んで装着する。図３に示した実施例では、溝１１は断面Ｕ字形であり、その部分円筒形の曲率半径はシースヒータ３の径より僅かに大きい。このシースヒータ３は加熱板１の裏面側、すなわち図１に示した面側、図２において下面側に寄せて加熱板１の中に埋設する。
【００２６】
加熱板１のシースヒータ３が埋設された部分の断面を示した図３において溝１１へのシースヒータ３の埋込深さＢと、シースヒータ３が加熱板１の裏面から突出した寸法Ａとの比、Ａ：Ｂ＝１：３〜５とする。シースヒータ３の径はＡ＋Ｂであり、その径に対する埋込深さＢの割合は：Ｂ／（Ａ＋Ｂ）＝３／４〜５／６とする。図３（ａ）は、Ａ：Ｂ＝１：３であり、その径に対する埋込深さＢ／（Ａ＋Ｂ）＝３／４である。図３（ｂ）は、Ａ：Ｂ＝１：４であり、その径に対する埋込深さＢ／（Ａ＋Ｂ）＝４／５である。図３（ｃ）は、Ａ：Ｂ＝１：５であり、その径に対する埋込深さＢ／（Ａ＋Ｂ）＝５／６である。
【００２７】
さらに図３に示すように、溝１１の開口縁には、その長手方向に沿って面取りｃを施す。この面取りｃの角度θは、θ＝４５゜前後が最適である。面取りは、フィラー１６を設置しやすくするためと、フィラー１６の湯流れを良くして、ある必要不可欠の溶接長さ１８を確保するためであるが、さらにレーザービームLBはシース１３に穴をあけずに溶接をするために、シース１３の断面に対して接線方向に照射する必要がある。このとき、シース１３の断面の接線方向に沿うよう移動させるレーザービームLBを、溝１１の開口縁が遮らないようにするために、前述の角度の面取り角θをつける必要がある。
【００２８】
この面取りｃを施した溝１１の開口部とシースヒータ３のシース１３との間に溶可材としてのフィラー１６を充填し、これにレーザビームＬＢを照射し、溶接する。この溶接の過程で、加熱板１の溝１１の部分とシースヒータ３のシース１３の外周部分とがフィラー１６と共に一旦溶融し、混合し、その後硬化して一体の融着部分を形成する。これにより、図４に示すように、シースヒータ３が加熱板１の溝１１に固定される。
【００２９】
このように、前記溶接工程では、フィラー１６と共にシースヒータ３のシース１３も溶融するが、このときシース１３の厚さｔは、溶接による当該シース１３の溶け込み深さの２倍以上とする。これにより、溶接時のシース１３の溶融がシース１３の内周部分に達することはなく、シース１３が溶断により欠損することはない。
【００３０】
加熱板１の溝１１へのシースヒータ３の径に対する埋込深さＢ／（Ａ＋Ｂ）を前述のように、３／４〜５／６とし、実際に溝１１の開口部とシースヒータ３のシース１３との間にフィラー１６を充填し、これにレーザビームＬＢを照射し、溶接試験を行った。この溶接試験では、シースヒータ３のシース１３の厚さｔは、溶接時の通常のシース１３の溶け込み深さの２倍とした。
【００３１】
この溶接試験の結果、溶接不良は何れも０であった。ここで言う「溶接不良」とは、Ａ：溶接部分のブローホールの発生、Ｂ：シースヒータ３のシース１３の溶断の発生、Ｃ：溶着不良の発生の３点の有無である。何れも、サンプル個所の断面目視検査により判定した。
【００３２】
これに対して比較例として、加熱板１の溝１１へのシースヒータ３の径に対する埋込深さＢ／（Ａ＋Ｂ）を３／４未満及び５／６を越えるとし、同様にして溝１１の開口部とシースヒータ３のシース１３との間にフィラー１６を充填し、これにレーザビームＬＢを照射し、溶接試験を行った。
【００３３】
この比較例の溶接試験の結果、例えば図６の（a）に示すように、試験によりシースヒータ３の径の１／２〜３／４未満のときは、溶接が出来るが、シースヒータ３の熱サイクルによる剪段力によって簡単に溶接部に亀裂が生じシースヒータ３が埋め込み溝１１から浮いてしまう事が判明した。さらに、図６の（ｂ）に示すように、シースヒータ３の径の５／６を超えると、溶接時の溶融部の重さと溶融部内の攪拌作用によってシースヒータ３のシース１３が溶けて、その溶融部分がシースの内側の無機絶縁材１５にまで達して、無機絶縁材１５が露出しシース１３内のガスが吹き上げて溶接できず、陥没状の穴が出来てしまう。上記試験でシース１３に対する最小溶け込み深さはばらつきがあるものの０．４〜０．８ｍｍという結果が生じており、従って、シース１３の厚みを０．８ｍｍ以上と決定した。更に、溶接時の欠陥が無く確実な溶接を得る為には、１．６mm以上とする必要があり好ましくは、２mm程度のシース厚が望ましい。この観点からは、シース１３の厚さｔが、溶接によるシース１３の溶け込み深さの２倍以上であることが必要であると確認された。なお、ここでいう溶け込み深さとは、シース１３の厚み方向において溶融部分の占める距離を指す。
【００３４】
但し、一般にシースヒータ３は曲げ加工しなければならず、シース１３の厚さは５ｍｍ以下でないと曲げ加工できない。また、現在のレーザー溶接工具の最大容量から、製作可能はシース１３の厚さは４ｍｍ以下である。さらに次に述べるように、シース１３の溶接長さ１８をシースヒータ３の外径（Ａ＋Ｂ）の３０％以上にするためには、シース１３の厚みを４ｍｍ以下にしなければ製作できない。
【００３５】
さらに図４に示すように、同シース１３の片側の加熱板１への溶接長さ１８はシースヒータ３のシース１３の外径（Ａ＋Ｂ）に対して３０％以上であるのが良い。この溶接長さを確保することによってシースヒータ３のシース１３から加熱板１への熱伝導が良くなり、シース１３と加熱板１との温度差が非常に少なくなって溶接部に発生する熱応力が小さくなって溶接強度上の問題が無くなるからである。シース１３の片側の円周長は、シース１３の外径（Ａ＋Ｂ）に対してπ／２（Ａ＋Ｂ）であるから、当然のことながら、加熱板１へのシース１３の溶接長さ１８はそれ以下となる。
【００３６】
図５に示すように、シースヒータ３を加熱板１の溝１１に溶接した後、このシースヒータ３が固定された加熱板１の裏面を覆うように、カバープレート４を被せ、これを図示してない固定手段で加熱板１に固定する。なお、この固定手段についてネジ等でもよいが、摩擦撹拌接合を用いるとカバープレート４の浮き上がりを防止しながら接合することができるため、より強固に固定することができ好ましい。これにより、加熱板１へのシースヒータ３の組み込みが完了する。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によるプレートヒータは、半導体製品は、半導体ウエハ等の基板上にフォトマスク等を適用して電極パターン等の薄膜パターンを形成したり、薄膜をエッチングして所定のパターンに形成する工程等において、基板を載置した状態で加熱するのに使用される。
【符号の説明】
【００３８】
１    加熱板
３    シースヒータ
１１  加熱板の溝
１３  シースヒータのシース
１６  フィラー
１８  シースの加熱板への溶接長さ
ｃ    溝の面取り
【図１】
2012057172.tif 000003
【図２】
2012057172.tif 000004
【図３】
2012057172.tif 000005
【図４】
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【図５】
2012057172.tif 000007
【図６】
2012057172.tif 000008
【国際調査報告】
2012057172.tif 000009
2012057172.tif 000010