(57)【要約】【課題】  本発明は、シリコンウェハなどの基板に対し高温の熱処理を行った場合にも、ヒータの気密性を損なうことなく、安定に熱処理を行うことが可能なヒータを提供することを目的とする。【解決手段】  セラミックス材料からなる、内部にカーボンにより形成されるカーボンワイヤー発熱体が配設された発光管と、該発光管の両端に接合されるベース部材とを備えてなり、前記発熱体は、少なくとも前記発光管と前記ベース部材との接合箇所に対応する箇所において、その電気抵抗を低減させるための電気抵抗低減部を有することを特徴とする。【選択図】  図１
2006059633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス材料からなる、内部にカーボンにより形成される発熱体が配設された発光管と、該発光管の両端に接合されるベース部材とを備えてなり、
前記発熱体は、少なくとも前記発光管と前記ベース部材との接合箇所に対応する箇所において、その電気抵抗を低減させるための電気抵抗低減部を有することを特徴とするヒータ。
【請求項２】
前記発光管は、サファイアからなることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
【請求項３】
前記ベース部材は、絶縁材料からなり、前記発光管とフリットガラスによって接合されたことを特徴とする請求項２に記載のヒータ。
【請求項４】
前記ベース部材は、導電性材料からなり、前記発光管とロウ付けによって接合されたことを特徴とする請求項２に記載のヒータ。
【請求項５】
前記電気抵抗低減部は、導電部材からなることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
【請求項６】
前記導電部材は、カーボンからなることを特徴とする請求項５に記載のヒータ。
【請求項７】
前記発熱体は、前記ベース部材内に充填されたワイヤーカーボン部材に圧縮固定され、かつ、該ワイヤーカーボン部材に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
【請求項８】
前記ベース部材は、前記発光管に接続された側と逆側の端部に導電性材料からなる排気管が接続され、該排気管は、その一部に形成された縮径部において前記発熱体に電気的に接続されたことを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工業用加熱分野、例えば半導体加熱、ガラス基板加熱などの加熱装置に使用されるヒータに関する。詳細には、高耐熱性を有する、例えばサファイアなどのセラミックスからなる発光管の内部にカーボン発熱体が配設されたヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体製造プロセスにおいては、例えばシリコンウェハなどの基板の表面に酸化膜を形成させるための成膜工程や、シリコンウェハの表層部分におけるシリコン結晶に対してホウ素や砒素などの不純物イオンを注入した状態において、当該不純物を拡散させる拡散工程などを行うに際して、所定の加熱処理を施すことが行われている。
【０００３】
上記工程で使用される加熱手段は、不純物金属などのシリコンウェハの性能を劣化させる物質の発生源とならないことが要求される。そのため、上記加熱処理は、不純物金属などを発生させるおそれの少ない、例えばタングステンからなる棒状発熱体の外側を石英ガラスからなる発光管で覆い、当該発光管内に発熱体の酸化防止を目的として、例えば窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを封入してなる管状ヒータを使用して行われている。
【０００４】
かかる不純物金属汚染防止の観点から、無垢の棒状金属質発熱体に比して、半導体製造プロセス用の加熱手段として好適に使用することができる、非常に細いカーボン繊維を複数本編んで作製されたカーボンワイヤー発熱体を石英ガラス管内に配設してなるヒータが特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１５８４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年の半導体製造プロセス用の加熱時には、シリコンウェハなどの基板に対し１２００℃以上もの高温の熱処理を要求される場合がある。しかしながら、従来のヒータを使用してこのような高温の熱処理を行うと、発熱体の外側を覆っている石英ガラス管が溶融して変形するため、ヒータの気密性が損なわれることにより発熱体が酸化する、という問題が生じることが判明した。
【０００６】
このような問題を解決すべく、本発明は、シリコンウェハなどの基板に対し高温の熱処理を行った場合にも、ヒータの気密性を損なうことなく、安定に熱処理を行うことが可能な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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、セラミックス材料からなる、内部にカーボンにより形成されるカーボンワイヤー発熱体が配設された発光管と、該発光管の両端に接合されるベース部材とを備えてなり、前記発熱体は、少なくとも前記発光管と前記ベース部材との接合箇所に対応する箇所において、その電気抵抗を低減させるための電気抵抗低減部を有することを特徴とする。
【０００８】
さらに、前記発光管は、サファイアからなることを特徴とする。
【０００９】
さらに、前記ベース部材は、絶縁材料からなり、サファイアからなる発光管とフリットガラスによって接合されたことを特徴とする。
【００１０】
さらに、前記ベース部材は、導電性材料からなり、サファイアからなる発光管とロウ付けによって接合されたことを特徴とする。
【００１１】
さらに、前記電気抵抗低減部は、導電部材からなることを特徴とする。
【００１２】
さらに、前記導電部材は、カーボンからなることを特徴とする。
【００１３】
さらに、前記発熱体は、前記ベース部材内に充填されたワイヤーカーボン部材に圧縮固定され、かつ、該ワイヤーカーボン部材に電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
さらに、前記ベース部材は、前記発光管に接続された側と逆側の端部に導電部材が接続され、該導電部材は、その一部に形成された縮径部において前記発熱体に電気的に接続されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のヒータによれば、例えばサファイアのような高い耐熱性を有するセラミックスによって発光管を構成したことにより、発光管に石英ガラスを用いた場合に比して耐熱性が向上するため、半導体製造プロセスにおいて要求される、例えば１２００℃を超えるような高温の熱処理を実現すべくヒータを駆動させた場合においても、発光管が溶融して変形する、という不具合を生じることがない。
さらには、カーボン発熱体には少なくとも前記発光管と前記ベース部材との接合箇所に対応する箇所において、その電気抵抗を低減させるための電気抵抗低減部が設けられていることにより、発熱体が高温になった場合においても、発光管とベース部材とを接合しているフリットガラスあるいはロウ材などからなる接合箇所の温度が過剰に上昇することを抑制することができるため、当該接合箇所が熱破損することがない。
以上から、高温条件下において、ヒータの気密性を損なうことに伴って発熱体が酸化する、という問題を確実に解決することができるため、安定な熱処理を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明のヒータを管軸方向にて切断した断面図を示す。図２は、本発明のヒータの要部拡大図である。
図１に示すように、カーボンヒータ１は、サファイアからなる発光管１１と、絶縁性材料として、例えばアルミナからなる、その一端に発光管１１の各々の端部が嵌入されて発光管１１に接合された筒状のベース部材１２と、発光管１１の内部を貫通し、その両端が発光管１１から外方に突出するとともにベース部材１２内に配置されるよう発光管１１の管軸方向に沿って配置された発熱体１３とを備えて構成される。発熱体１３は、ベース部材１２の内部空間に圧縮収納されたワイヤーカーボン部材１４中に、圧縮された状態で埋設固定される。ベース部材１２において、発光管１１と接合される側と逆側の端部に形成された開口部には閉塞部材１５が嵌め込まれることにより、発光管１１とベース部材１２からなるヒータ１の内部が気密に保たれる。
【００１７】
発光管１１は、高温耐久性に優れていることが必要であることから、高温耐久性に優れるセラミックス材料からなることが好ましく、特に、サファイアからなることが好ましい。サファイアは、融点が２０５３℃と高いことから、サファイアから構成される発光管は従来の石英ガラスからなる発光管（軟化点は１２００℃）に比して高温耐久性に優れるため、高温出力への要求に応えるべく発熱体への投入電力を増加させることが可能となる。また、サファイアは、赤外線透過率において石英ガラスに比べ優れるため、発光管をサファイアで構成することによりヒータの性能が向上する。
【００１８】
ベース部材１２は、電気的絶縁性を確保するためにアルミナからなり、内部空間を有する筒体である。このベース部材１２内に、所定の長さだけ発光管１１の端部を嵌め込み、発光管１１とベース部材１２とを管軸方向において一体化する。発光管１１とベース部材１２とは、フリットガラスを溶融させてなる接合部１７を形成することによって固定される。
【００１９】
上記のように、発光管及び発光管と別部材の封止用のベース部材を一体化させる、というヒータ構造を採用する理由は以下のとおりである。第１に、発光管の端部をピンチシールなどの従来から周知の手段によって封止してヒータの気密性を確保するという構造も可能なように思えるが、発光管構成材料であるサファイアが高い融点を有することに起因して、サファイアからなる発光管においてピンチシール構造を採用することが困難であることによる。第２に、ベース部材の内部には、発熱体が熱膨張した際に管軸方向にある程度伸縮可能であるよう固定するとともに、発熱体への給電を行うためのカーボンワイヤー部材を十分に充填するための空間が必要となるが、サファイアからなる発光管に対し、かかる空間を有するよう加工を施すこと、具体的には、カーボンワイヤー部材を充填する空間に相当する部分の径が大きい形状とすることは極めて困難であることによる。
【００２０】
発熱体１３は、直径が５μｍ〜１５μｍのカーボン単繊維ファイバーを約３０００〜３５００本程度束ねたファイバー束を９束程度用いて直径２ｍｍ程度の編紐、あるいは組紐形に編み込んだ等のカーボンワイヤー発熱体である。このようなカーボンワイヤー発熱体は、従来の金属材料からなる無垢の発熱体に比べて、熱容量が小さく昇降温特性に優れ、さらには、非酸化性雰囲気中では高温耐久性にも優れている。
【００２１】
ベース部材１２は、発光管１１が接合された側と逆側の端部において、ヒータ１の気密性を確保するため、接合部１７と同じフリットガラスにより、アルミナからなる円板状の閉塞部材１５が取付けられている。この閉塞部材１５の中央付近に設けられた貫通穴には、発光管１１及びベース部材１２の内部に後述の不活性ガスを封入するための排気管１６がフリットガラスにより固定されている。
この排気管１６は、図示していない電源に繋がり発熱体１３に給電する役割を果たすため導電性を有することが必要であり、かつ、閉塞部材１５を構成するアルミナに近い熱膨張係数を有する材料からなることが好ましく、具体的にはニオブからなり、ベース部材１２の内部空間に圧縮収納されたワイヤーカーボン部材１４中に圧縮された状態で固定されている。排気管１６は、ヒータの気密性を確保するため、不活性ガスを封入した後、ベース部材１２から外方に突出している側の端部を封じ切るものであり、便宜上、封じ切り後の状態を図示している。
ワイヤーカーボン部材１４は、発熱体１３を構成するカーボンワイヤー発熱体と同一材料からなり、同一の構造を有することが好ましい。
【００２２】
図２に示すように、筒状の導電部材１８は、管軸方向に沿って伸び、発熱体１３における発光管１１とベース部材１２とを接合する接合部１７に対応する箇所の外周を覆うことができるよう所定の長さを有し、一端が発熱体１３の外面と発光管１１の内面との間に嵌入されて固定され、他端が発熱体１３の外面に沿って発光管１１の端部から突出するとともにベース部材１２の内部空間に圧縮収納されたワイヤーカーボン部材１４中に圧縮固定されている。導電部材１８により、発熱体１３における接合部１７付近の電気抵抗を減少させることができるので、接合部１７が高温状態となることを防止できる。
導電部材は、電流通過面積を増やすことにより発熱体の電気抵抗を低減させることができさえすれば良く、上記のような筒状のものに代えて、例えば棒状のものを用いることもできる。
【００２３】
前記導電部材１８は、発熱体１３の電気抵抗を低減させる必要があるため高い導電性を有し、かつ、高温耐久性に優れる材料からなることが好ましく、例えばカーボン、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、などからなり、特に、安価で、加工性が良いという理由からカーボンからなることが好ましい。導電部材１８は、全長（管軸方向）が１０ｍｍ〜５０ｍｍであって、例えば４０ｍｍであり、厚みが０．１ｍｍ〜０．９ｍｍであって例えば０．３ｍｍである。
【００２４】
ここで上記の導電部材１８によって、発熱体１３における電流通過面積を増やさねばならない理由は、以下のとおりである。
すなわち、発光管１１とベース部材１２との接合部１７は、発光管１１とベース部材１２とは所定の手段によって管軸方向において接合されており、かつ、発熱体１３が給電のためにワイヤーカーボン部材１４中に埋設している必要がある、という事情により、熱源となる発熱体１３に近在する構造とならざるを得ず、この場合には、接合部１７を構成するフリットガラスが発熱体１３からの熱を受けて溶融する、という不具合が生じるからである。
【００２５】
このような発光管１１及びベース部材１２が一体化されてなるヒータ１の内部には、発熱体１３の酸化防止のため、排気管１６を通じて、例えば窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが封入される。このようなヒータ１は、図示していない電源により排気管１６へ給電することにより、排気管１６に電気的に接続されたワイヤーカーボン部材１４を介して発熱体１３へ給電されることで駆動される。
【００２６】
以上のような本発明のヒータによれば、例えばサファイアのような高温耐久性に優れる材料で発光管が構成されていることにより、例えば半導体製造プロセスにおいて要求されている極めて高温の温度条件を満たすべく、大電力を投入して発熱体を高温状態にした場合にも、発光管を構成する材料が溶融してヒータの気密性が損なわれることに起因して発熱体が酸化する、という不具合が生じることを確実に防止することができる。さらには、発熱体１３と発光管１１との間において、少なくとも発熱体１３における発光管１１及びベース部材１２を接合している接合部１７に対応する箇所の近傍を覆うように所定の長さを有する電気抵抗低減部としての導電部材１８が介在することにより、導電部材１８の設けられた箇所の発熱体１３の電気抵抗が低減することに起因して、接合部１７の温度上昇が抑制されることにより接合部１７を構成するフリットガラスが溶融するおそれがないため、接合部１７が溶融することに伴って発熱体１３が酸化する、という不具合の発生を確実に防止することができる。
【００２７】
これに対し、従来の石英ガラスからなる発光管を備えたヒータによると、高温の温度条件を満たすべく発熱体に大電力を投入した場合には、発光管構成材料である石英ガラスが溶融してヒータの気密性が損なわれることによって、発熱体が大気に曝されて酸化する、という不具合を生じることになる。
【００２８】
さらに、本発明の完成に至るまでの過程において本発明者が試作して評価を行った、発熱体と発光管との間に電気抵抗減少手段（導電部材１８）を具備しない点以外は本発明（図１）と同様の構造を有するヒータにおいては、発光管とベース部材とを接合しているフリットガラスが溶融することによってヒータの気密性が損なわれることにより、従来のヒータと同様に発熱体が大気に曝されて酸化する、という不具合を生じることが判明している。
【００２９】
図３は、本発明の他の実施形態に係るヒータの要部拡大断面図である。図１、２と同一符号は同一部分を示す。
図３に示されるように、ヒータ２は、サファイアからなる発光管１１と、導電性材料、例えばコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金）からなるベース部材１２とが、あらかじめ接合部１７に該当するサファイア外表面に行っていたメタライズ処理部においてロウ付けによって接合され、例えば銀ロウなどのロウ材からなる接合部１７が形成されている。ベース部材１２の発光管１１と接続される側と逆側の端部には、円板状の閉塞部材１５が嵌め込まれている。すなわち、ヒータ３は、図１に示す排気管１６に相当する部材を具備せず、ベース部材１２を通じて発光管１１及びベース部材１２の内部に発熱体１３の酸化を防止するために不活性ガスを封入した後、閉塞部材１５を嵌め込んで固定すれば良い。これらの構造を除く他の構造は図１に示すヒータ１と同様である。
【００３０】
上記ヒータ２は、ベース部材１２が導電性材料から構成されているため、ベース部材１２を図示していない電源に接続し、ベース部材１２を介して発熱体１３に給電することで駆動される。
【００３１】
上記ヒータ２によれば、排気管に相当する構造を具備せず、ベース部材１２を通じて発光管１１及びベース部材１２の内部に直接不活性ガスを封入するとともに、導電性材料からなるベース部材１２を介して給電可能な構造であることに特徴があり、これにより、部品数を一つ減らすことができるので、図１に示すヒータ１で得られる効果に加えて、生産性が向上するとともにコスト面で有利となる、という効果がある。
【００３２】
図４は、本発明の他の実施形態に係るヒータの要部拡大断面図である。図１、２と同一符号は同一部分を示す。
ヒータ３は、サファイアからなる発光管１１と、導電性材料として、例えばコバールからなる、その一端に発光管１１の各々の端部が嵌入されて発光管１１に接合された筒状のベース部材１２と、発光管１１及びベース部材１２の内部を貫通し、その両端がベース部材１２から外方に突出するとともに、後述の排気管１６内に配置されるよう発光管１１の管軸方向に沿って配置された発熱体１３と、を備えて構成される。発光管１１とベース部材１２とは、あらかじめ接合部１７に該当するサファイア外表面に行っていたメタライズ処理部において、例えば銀ロウによるロウ付けによって接合部１７を形成して固定される。ベース部材１２の他端には、発光管１１及びベース部材１２の内部に不活性ガスを封入するための排気管１６が嵌入され、例えば銀ロウによるロウ付け等の所定の手段によって固定されている。
【００３３】
排気管１６は、管軸方向における任意の箇所に形成された縮径部１６１において発熱体１３に当接していることにより、発熱体１３を管軸方向に移動することがないよう固定するとともに、発熱体１３と電気的に接続している点に特徴がある。
【００３４】
上記ヒータ３によれば、排気管１６がその一部に形成された縮径部１６１において発熱体１３に電気的に接続されていることにより、図１乃至図３に示すヒータ１及びヒータ２のように、ワイヤーカーボン部材及び閉塞部材を具備してなく、排気管１６に繋がる図示していない電源により排気管１６のみを介して発熱体１３に給電することができるため、図１及び図２に示すヒータ１及びヒータ２に比して構造が簡便になる結果、図１に示すヒータ１で得られる効果に加えて、生産性が向上するとともにコスト面で有利になる、という効果がある。
【００３５】
本発明のヒータは、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることができる。
例えば、本発明のヒータにおいて、発光管１１は、サファイアに限らず、多結晶アルミナ、ムライト（Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２）、ジルコニア、マグネシア等から構成することができる。
【００３６】
また、発熱体１３の接合部１７に対応する箇所における電流通過面積を拡げる手法としては、発熱体１３と別体の導電部材１８を設けることに限らず、発熱体１３に対し、接合部１７に対応する箇所における径が、接合部１７から離れた箇所、例えば中央部における径に比べて拡がっている構造となるよう加工を施すこともできる。
【００３７】
さらには、図１及び図２に示すヒータ１及びヒータ２において、ベース部材１２内にワイヤーカーボン部材１４を充填することは必須の条件ではなく、他の手段により、発熱体１３と排気管１６若しくはベース部材１２とを電気的に接続させることもできる。
【００３８】
以下、本発明の作用効果を確認するために行った実験例について説明する。
【００３９】
〔実施例〕
図１に示す構造に従い、本発明に係るヒータ１を複数作製した。このヒータ１の具体的な構成は、以下に示すとおりである。
発熱体１３は、外径が１．８ｍｍ、全長が１０５０ｍｍであり、直径が１０μｍのカーボン単繊維ファイバーを３５０本束ねたファイバー束を９束用いた編紐状のカーボンワイヤー発熱体である。
発光管１１は、サファイアからなり、外径が５ｍｍ、内径が２ｍｍ、全長が１０６０ｍｍの直管状のものである。
ベース部材１２は、アルミナからなり、外径が８ｍｍ、内径が６ｍｍ、全長が４７ｍｍである。
排気管１６は、ニオブからなり、外径が３ｍｍ、内径が２ｍｍ、全長が３７ｍｍである。
導電部材１８は、カーボンからなり、外径が１．９５ｍｍ、内径が１．３５ｍｍ、全長が４０ｍｍである。
【００４０】
作製された複数のヒータ１を、それぞれ発熱体１３の温度が１２００℃となるよう駆動させて確認したところ、全てのヒータにおいて、発光管１１及び発光管１１とベース部材１２とを接合している接合部１７が溶融することなく、発熱体１３が酸化する不具合が生じないことが確認された。また、発熱体１３は、その中央部付近は赤熱して高温状態となっているのに対し、導電部材１８が設けられた箇所は、発熱体が赤熱することなく黒色であり、比較的低温状態となっていることが確認された。
【００４１】
〔比較例〕
導電部材１８を具備しないことの他は上記実施例と同じ構成を有するヒータを複数作製した。
【００４２】
作製された複数のヒータを、それぞれ発熱体１３の温度が１２００℃となるよう駆動させて確認したところ、幾つかのヒータにおいては、発光管１１とベース部材１２とを接合している接合部１７（フリットガラス）が溶融し、これに伴って、発熱体１３が酸化する不具合が発生した。また、発熱体１３は、その全体が赤熱して高温状態となっていることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明のヒータを説明するための図である。
【図２】本発明のヒータの要部拡大図である。
【図３】本発明のヒータに係る他の実施形態を説明するための図である。
【図４】本発明のヒータに係る他の実施形態を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４４】
１        ヒータ
１１      発光管
１２      ベース部材
１３      発熱体
１４      ワイヤーカーボン部材
１５      閉塞部材
１６      排気管
１７      接合部
１８      導電部材
【図１】
2006059633.tif 000003
【図２】
2006059633.tif 000004
【図３】
2006059633.tif 000005
【図４】
2006059633.tif 000006