(57)【要約】【課題】加熱基板からシャフト側への熱伝導を抑制することが可能なステージヒータ及びシャフトの製造方法を提供すること。【解決手段】アルミニウム又はアルミニウムを含む合金からなる加熱基板２と、加熱基板の一方の面に接合され、加熱基板を支持するシャフト５とを備えたステージヒータ及びシャフトの製造方法。シャフト５は、加熱基板の素材よりも熱伝導率の低い金属からなるパイプ６と、アルミニウムの粉体又はアルミニウムを含む合金の粉体をガスと共に加速し、固相状態のままでパイプに吹き付けて堆積させることにより、パイプの加熱基板と接合される側に形成された接合層７とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム又はアルミニウムを含む合金からなる加熱基板と、
前記加熱基板の一方の面に接合され、前記加熱基板を支持するシャフトとを備え、
前記シャフトは、前記加熱基板の素材よりも熱伝導率の低い金属からなるパイプと、アルミニウムの粉体又はアルミニウムを含む合金の粉体をガスと共に加速し、固相状態のままで前記パイプに吹き付けて堆積させることにより、前記パイプの前記加熱基板と接合される側に形成される接合層とを有することを特徴とするステージヒータ。
【請求項２】
前記接合層は、前記パイプの前記加熱基板と接合される側の端面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のステージヒータ。
【請求項３】
前記接合層は、前記パイプの外周面に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のステージヒータ。
【請求項４】
前記パイプは、ステンレス鋼、チタン、チタン合金のうちのいずれかの素材によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のステージヒータ。
【請求項５】
アルミニウム又はアルミニウムを含む合金からなり、ステージヒータで使用される加熱基板の一方の面に接合され、前記加熱基板を支持するシャフトの製造方法であって、
アルミニウムの粉体又はアルミニウムを含む合金の粉体をガスと共に加速し、固相状態のままで前記加熱基板の素材よりも熱伝導率の低い金属からなるパイプに吹き付けて堆積させることにより、前記パイプの前記加熱基板と接合される側に接合層を形成する工程を含むことを特徴とするシャフトの製造方法。
【請求項６】
前記工程は、前記接合層を前記パイプの前記加熱基板と接合される側の端面に形成することを特徴とする請求項５に記載のシャフトの製造方法。
【請求項７】
前記工程は、前記接合層を前記パイプの外周面に形成することを特徴とする請求項５又は６に記載のシャフトの製造方法。
【請求項８】
前記パイプは、ステンレス鋼、チタン、チタン合金のうちのいずれかの素材によって形成されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載のシャフトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージヒータ及びステージヒータで使用するシャフトの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造装置、例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）装置は、真空チャンバ内に設けたステージヒータの加熱基板上にウエハを載置して加熱しながら、ウエハ上に半導体膜や絶縁膜を形成している。ここで、ステージヒータは、加熱基板と、前記加熱基板の裏面に接合され、前記加熱基板を支持するシャフトとを備えており、前記加熱基板には前記ウエハを加熱する発熱体が埋設されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−４０４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ステージヒータは、加熱基板上の載置場所が異なってもウエハに成膜される半導体膜や絶縁膜に質の違いが発生しないよう、加熱基板を均一に加熱する必要がある。しかし、通常、加熱基板は、ウエハを載置する面の裏面にシャフトが接合されているため、加熱基板の熱がシャフト側へ伝導してしまい、シャフトとの接合部分の温度が他の部分に比べて低下してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、加熱基板からシャフト側への熱伝導を抑制することが可能なステージヒータ及びシャフトの製造方法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】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のステージヒータは、アルミニウム又はアルミニウムを含む合金からなる加熱基板と、前記加熱基板の一方の面に接合され、前記加熱基板を支持するシャフトとを備え、前記シャフトは、前記加熱基板の素材よりも熱伝導率の低い金属からなるパイプと、アルミニウムの粉体又はアルミニウムを含む合金の粉体をガスと共に加速し、固相状態のままで前記パイプに吹き付けて堆積させることにより、前記パイプの前記加熱基板と接合される側に形成される接合層とを有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のステージヒータは、上記の発明において、前記接合層は、前記パイプの前記加熱基板と接合される側の端面に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のステージヒータは、上記の発明において、前記接合層は、前記パイプの外周面に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のステージヒータは、上記の発明において、前記パイプは、ステンレス鋼、チタン、チタン合金のうちのいずれかの素材によって形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のシャフトの製造方法は、アルミニウム又はアルミニウムを含む合金からなり、ステージヒータで使用される加熱基板の一方の面に接合され、前記加熱基板を支持するシャフトの製造方法であって、アルミニウムの粉体又はアルミニウムを含む合金の粉体をガスと共に加速し、固相状態のままで前記加熱基板の素材よりも熱伝導率の低い金属からなるパイプに吹き付けて堆積させることにより、前記パイプの前記加熱基板と接合される側に接合層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のシャフトの製造方法は、上記の発明において、前記工程は、前記接合層を前記パイプの前記加熱基板と接合される側の端面に形成することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のシャフトの製造方法は、上記の発明において、前記工程は、前記接合層を前記パイプの外周面に形成することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のシャフトの製造方法は、上記の発明において、前記パイプは、ステンレス鋼、チタン、チタン合金のうちのいずれかの素材によって形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、シャフトは、アルミニウムの粉体又はアルミニウムを含む合金の粉体をガスと共に加速し、固相状態のままで加熱基板の素材よりも熱伝導率の低い金属からなるパイプに吹き付けて堆積させることにより、パイプの加熱基板と接合される側に形成された接合層を有するので、パイプによって加熱基板からシャフト側への熱伝導を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明のステージヒータの実施の形態１を示す断面正面図である。
【図２】図２は、図１のステージヒータで使用されるシャフトを拡大して示す中間省略断面正面図である。
【図３】図３は、実施の形態１においてコールドスプレー法による接合層の形成に使用する形成装置の模式図である。
【図４】図４は、実施の形態１のステージヒータの変形例を示す断面正面図である。
【図５】図５は、本発明のステージヒータの実施の形態２を示す断面正面図である。
【図６】図６は、図５のステージヒータで使用されるシャフトを拡大して示す中間省略断面正面図である。
【図７】図７は、実施の形態２においてコールドスプレー法による接合層７の形成に使用する形成装置の模式図である。
【図８】図８は本発明のステージヒータの実施の形態３を示す断面正面図である。
【図９】図９は、図８のステージヒータで使用されるシャフトを拡大して示す断面正面図である。
【図１０】図１０は、実施の形態３のステージヒータで使用されるシャフトの変形例を示す断面正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明のステージヒータ及びシャフトの製造方法に係る実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明のステージヒータの実施の形態１を示す断面正面図である。
【００１８】
ステージヒータ１は、図１に示すように、ウエハを載置して加熱する円盤状の加熱基板２と、加熱基板２の裏面中央に接合され、加熱基板２を支持するシャフト５とを備えている。
【００１９】
加熱基板２は、アルミニウム又はアルミニウム合金によって円盤状に成形されており、渦巻き状等、所望形状に成形加工したシースヒータ３が、図１に示すように、基板２ａ，２ａ間に挟み込まれている。シースヒータ３には、シャフト５内に配置した電気配線によって外部電源から電力が供給される。シースヒータ３は、主に単線化コイル状に成形したニクロム線を発熱体とし、これをマグネシア，アルミナ等の絶縁粉末で覆って固化し、さらにその外側をアルミニウムのパイプやステンレス，インコネル（登録商標）等の合金パイプで被覆したものである。
【００２０】
図２は、図１のステージヒータで使用されるシャフトを拡大して示す中間省略断面正面図である。シャフト５は、加熱基板２の素材よりも熱伝導率の低い金属、例えば、ステンレス鋼、チタン、チタン合金等からなるパイプ６の一方の端面に接合層７が形成されている。接合層７は、図２に示すように、加熱基板２と接合される側の端面６ａにコールドスプレー法によって堆積形成されている。シャフト５は、接合層７の部分で加熱基板２とろう付等によって接合される。
【００２１】
次に、コールドスプレー法によるシャフト５の製造方法を以下に説明する。図３は、コールドスプレー法による接合層７の形成に使用する形成装置の模式図である。
【００２２】
形成装置１０は、図３に示すように、ガス供給源からヘリウム（Ｈｅ）や窒素（Ｎ２）等の不活性ガスや空気等のガス（作動ガス）を導入するガス導入管１１と、原料である粉体ＰＭを供給する粉体供給部１２と、ガス導入管１１から導入されたガスを所望の温度まで加熱するヒータ１３と、粉体ＰＭとガスとを混合して噴射するチャンバ１４と、粉体ＰＭを噴射するノズル１５と、パイプ６を保持するホルダ１６とを備えている。ここで、粉体ＰＭは、アルミニウムからなる接合層７を形成する場合はアルミニウムの粉体を使用し、アルミニウム合金からなる接合層７を形成する場合はアルミニウム合金の粉体を使用する。以下、アルミニウムからなる接合層７をパイプ６に形成する場合について説明する。
【００２３】
粉体供給部１２には、アルミニウムの微小な粉体ＰＭ（例えば、粒径１０μｍ〜１００μｍ程度）が収容されている。粉体ＰＭは、ガス導入管１１に設けられたバルブ１１ａを操作して所望流量のガスを粉体供給部１２に導入することにより、ガスと共に粉体供給管１２ａを通ってチャンバ１４内に供給される。
【００２４】
ヒータ１３は、導入されたガスを、例えば、５０℃〜７００℃程度まで加熱する。この加熱温度の上限は、粉体ＰＭを固相状態のままでパイプ６に吹き付けるため、原料の融点未満とする。より好ましくは、上限温度を、摂氏で融点の約６０％以下に留める。これは、加熱温度が高くなるほど、粉体ＰＭが酸化する可能性が高くなるからである。従って、アルミニウムの融点である約６６０℃に対して、加熱温度を約３９６℃以下とすればより好ましい。
【００２５】
ヒータ１３において加熱されたガスは、ガス用配管１３ａを介してチャンバ１４に導入される。なお、チャンバ１４に導入されるガスの流量は、ガス導入管１１に設けたバルブ１１ｂによって調節する。
【００２６】
チャンバ１４の内部には、ガス用配管１３ａから導入されたガスにより、ノズル１５からパイプ６に向けたガスの流れが形成される。チャンバ１４に粉体供給部１２から粉体ＰＭを供給すると、粉体ＰＭは、ガスの高速な流れに乗って加速されると共に加熱され、ノズル１５からパイプ６に向けて吹き付けられる。このときの衝撃により粉体ＰＭが端面６ａの表面に食い込み、粉体ＰＭが有している運動エネルギー及び熱エネルギーによって粉体ＰＭが塑性変形して端面６ａの表面に付着し、パイプ６の端面６ａに高密度のアルミニウムからなる接合層７が形成される。
【００２７】
粉体ＰＭを加速する速さ、即ち、ノズル１５から噴射される際のガスの流速は、超音速（約３４０ｍ／ｓ以上）であり、例えば、約４００ｍ／ｓ以上とすることが好ましい。この速さは、バルブ１１ｂの操作によるチャンバ１４に導入されるガスの流量を調節することにより制御することができる。また、形成装置１０のように、基端から先端に向けて口径がテーパ状に広がるノズル１５を使用することにより、チャンバ１４内で形成されたガスの流れをノズル１５への導入部で一旦絞って再加速することができる。
【００２８】
図３に示すように、ノズル１５の口径に対して成膜範囲（パイプ６の端面６ａの面積）が広い場合には、ノズル１５を図中矢印Ｘ方向及び矢印Ｙ方向に移動させながら成膜を行う。或いは、ノズル１５の位置を固定し、ホルダ１６を図中矢印Ｘ方向及び矢印Ｙ方向へ移動させても良い。
【００２９】
以上のようにしてパイプ６の端面６ａに所望の厚さの接合層７を形成した後、不要な部分に付着したアルミニウムの層を除去すると共に、接合層７の端面や側面等を研磨して平滑にすることによって、シャフト５が製造される。
【００３０】
このようにして製造されたシャフト５は、上記のように接合層７がコールドスプレー法によって形成されることから、次の特徴を有している。
【００３１】
シャフト５は、金属の粉体ＰＭが下層（パイプ６の端面６ａや、それまでに堆積した接合層７）の表面に高速に衝突して食い込むと共に、自身を変形させて下層に付着するので、下層に強く密着した接合層７が形成される。これは、接合層７とパイプ６の端面６ａとの界面において、接合層７が端面６ａに食い込む現象（アンカー効果と呼ばれる）が観察されることからもわかる。即ち、接合層７は、異種の金属によって形成されたパイプ６と互いの間に隙間を生じさせることなく密に接合している。そして、パイプ６は、加熱基板２の素材よりも熱伝導率の低い金属が使用されている。
【００３２】
このため、シャフト５を使用したステージヒータ１は、加熱基板２の熱が接合層７を介してシャフト５へ伝導しても、シャフト５を加熱基板２と同じアルミニウムから形成した場合に比べると、加熱基板２及び接合層７の素材よりも熱伝導率の低いパイプ６によって熱の伝導が抑制される。このため、ステージヒータ１は、加熱基板２のシャフト５との接合部分の温度の低下が抑えられ、加熱基板２を均一に加熱することができる。従って、ステージヒータ１を使用した半導体製造装置では、製造されるウエハの品質が安定する。
【００３３】
また、シャフト５は、パイプ６の端面６ａに接合層７が強固に固定されている。このため、ステージヒータ１の使用によるヒートサイクルによって熱応力の変化が繰り返し作用しても、接合層７とパイプ６との間に新たな剥離やクラックが発生する可能性は非常に低く、剥離等に起因する伝熱性の低下も抑えることができる。
【００３４】
さらに、コールドスプレー法によって接合層７が形成されることから、接合層７自体も非常に緻密な層となっており、例えば、バルク材に比較して９５％以上の密度を有している。それに加えて、コールドスプレー法においては、固相状態を維持できる程度までしか粉体ＰＭを加熱しないため、粉体ＰＭが酸化し難い。このため、ステージヒータ１を使用した半導体製造装置では、シャフト５の接合層７から放出されるアウトガスが大きく減少する。
【００３５】
以上のように、シャフト５は、加熱基板２の素材であるアルミニウムよりも熱伝導率の低い金属からなるパイプ６の、加熱基板２と接合される側の端面６ａにコールドスプレー法によってアルミニウムからなる接合層７が形成されている。このため、実施の形態１のステージヒータ１は、加熱基板２からシャフト５側への熱伝導をパイプ６によって抑制することができる。
【００３６】
また、ステージヒータ１は、シャフト５を加熱基板２と同じアルミニウムから形成した場合に比べると、パイプ６が熱の伝導を抑制するので、シャフト５の加熱基板２から離れた端部の温度を低下させることができる。このため、従来のステージヒータのように、加熱基板２から離れた端部側に冷却手段を設けてシャフト５を強制的に冷却する必要がない。
【００３７】
なお、ステージヒータ１は、図４に示すように、パイプ６の両端に接合層７を形成したシャフト５Ａを使用しても良い。
【００３８】
（実施の形態２）
次に、本発明のステージヒータ及びシャフトの製造方法に係る実施の形態２を図面を参照しながら詳細に説明する。実施の形態１のステージヒータは、パイプの基板側の端面に接合層を形成したのに対し、実施の形態２のステージヒータは、パイプの外周面に接合層を形成したことを特徴とする。
【００３９】
図５は、本発明のステージヒータの実施の形態２を示す断面正面図である。図６は、図５のステージヒータで使用されるシャフトを拡大して示す中間省略断面正面図である。ここで、図５及び図６を含め、以下の説明において使用する図面においては、実施の形態１と同一の構成部材には同一の符号を使用する。
【００４０】
ステージヒータ１Ａは、図５及び図６に示すように、パイプ６の外周面にコールドスプレー法によって接合層７を堆積形成したシャフト５Ｂを使用している。
【００４１】
図７は、実施の形態２においてコールドスプレー法による接合層７の形成に使用する形成装置の模式図である。形成装置１０Ａは、実施の形態１の形成装置１０で使用したホルダ１６に代えて、回転移動装置１７を備えている。
【００４２】
回転移動装置１７は、図７に示すように、１対の把持爪１８ａによってパイプ６を内側から把持するチャック装置１８を搭載し、チャック装置１８を図中矢印Ｙ方向へ移動させると共に、パイプ６の軸Ａｘの周りに回転させるＹ，θステージである。
【００４３】
接合層７を形成する際、形成装置１０Ａは、パイプ６を軸Ａｘの周りに回転させながら、パイプ６を図７の矢印Ｙ方向に沿って移動させ、パイプ６の外周面に接合層７を形成してゆく。
【００４４】
以上のようにしてパイプ６の外周面に所望の厚さの接合層７を形成した後、不要な部分に付着したアルミニウムの層を除去すると共に、接合層７の端面や外周面等を研磨して平滑にし、シャフト５Ｂが製造される。
【００４５】
このようにして製造されたシャフト５Ｂは、実施の形態１のシャフト５と同じ特性を有している。従って、実施の形態２のステージヒータ１Ａは、加熱基板２からシャフト５Ｂ側への熱伝導をパイプ６によって抑制することができる。このため、ステージヒータ１Ａは、加熱基板２のシャフト５Ｂとの接合部分の温度の低下が抑えられ、加熱基板２を均一に加熱することができる。しかも、ステージヒータ１Ａを使用した半導体製造装置では、加熱基板２を均一に加熱することができるので、製造されるウエハの品質が安定する。
【００４６】
また、ステージヒータ１Ａは、シャフト５Ｂを加熱基板２と同じアルミニウムから形成した場合に比べると、パイプ６が熱の伝導を抑制するので、シャフト５Ｂの加熱基板２から離れた端部の温度を低下させることができる。このため、従来のステージヒータのように、加熱基板２から離れた端部側に冷却手段を設けてシャフト５Ｂを強制的に冷却する必要がない。
【００４７】
（実施の形態３）
次に、本発明のステージヒータ及びシャフトの製造方法に係る実施の形態３を図面を参照しながら詳細に説明する。実施の形態２のステージヒータは、パイプの外周面に接合層を形成したのに対し、実施の形態３のステージヒータは、パイプの基板側の端面及びパイプの外周面に接合層を形成した。
【００４８】
図８は、本発明のステージヒータの実施の形態３を示す断面正面図である。図９は、図８のステージヒータで使用されるシャフトを拡大して示す断面正面図である。
【００４９】
ステージヒータ１Ｂは、図８及び図９に示すように、パイプ６の加熱基板２側の端面６ａ及び外周面にコールドスプレー法によって接合層７を堆積形成したシャフト５Ｃを使用している。
【００５０】
このとき、シャフト５Ｃは、図３に示した形成装置１０を使用することによってパイプ６の加熱基板２側の端面６ａに接合層７を堆積形成し、図７に示した形成装置１０Ａを使用することによってパイプ６の外周面に接合層７を堆積形成することができる。
【００５１】
このようにして製造されたシャフト５Ｃは、実施の形態１のシャフト５と同じ特性を有している。従って、実施の形態３のステージヒータ１Ｂは、加熱基板２からシャフト５Ｃ側への熱伝導をパイプ６によって抑制することができる。このため、ステージヒータ１Ｂは、加熱基板２のシャフト５Ｃとの接合部分の温度の低下が抑えられ、加熱基板２を均一に加熱することができる。しかも、ステージヒータ１Ｂを使用した半導体製造装置では、加熱基板２を均一に加熱することができるので、製造されるウエハの品質が安定する。
【００５２】
また、ステージヒータ１Ｂは、シャフト５Ｃを加熱基板２と同じアルミニウムから形成した場合に比べると、パイプ６が熱の伝導を抑制するので、シャフト５Ｃの加熱基板２から離れた端部の温度を低下させることができる。このため、従来のステージヒータのように、加熱基板２から離れた端部側に冷却手段を設けてシャフト５Ｃを強制的に冷却する必要がない。
【００５３】
なお、ステージヒータ１Ｂは、図１０に示すように、パイプ６の両端面及び外周面に接合層７を形成したシャフト５Ｄを使用しても良い。
【００５４】
また、実施の形態１〜３のシャフト５，５Ａ〜５Ｄにおいて、加熱基板２と接合される部分における接合層７の長手方向に沿った厚みや半径方向に沿った厚みは、加熱基板２との間の十分な接合強度と加熱基板からシャフト側への熱伝導の抑制効果との兼ね合いで決まるが、通常、パイプ６の肉厚の５０〜５％程度あればよい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明のステージヒータ及びシャフトの製造方法は、加熱基板からシャフト側への熱伝導を抑制するのに有用であり、特に、半導体製造装置に使用して製造されるウエハの品質を安定させるのに適している。
【符号の説明】
【００５６】
１，１Ａ，１Ｂ  ステージヒータ
２  加熱基板
３  シースヒータ
５，５Ａ〜５Ｄ  シャフト
６  パイプ
６ａ  端面
７  接合層
１０  形成装置
１１  ガス導入管
１１ａ，１１ｂ  バルブ
１２  粉体供給部
１２ａ  粉体供給管
１３  ヒータ
１３ａ  ガス用配管
１４  チャンバ
１５  ノズル
１６  ホルダ
１７  回転移動装置
１８  チャック装置
１８ａ  把持爪
Ａｘ  軸
ＰＭ  粉体
【図１】
2011236460.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011236460.tif 000009
【図８】
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【図９】
2011236460.tif 000011
【図１０】
2011236460.tif 000012