(57)【要約】【課題】加熱基体１１と、この加熱基体１１に接合された支持部材１３とを有する加熱装置において、加熱基体１１と、支持部材１３との接合部近傍にクラックが発生することを効果的に防止する。【解決手段】セラミックスよりなる加熱装置１０は、加熱面１１ａを有する板状の加熱基体１１と、この加熱基体１１の背面１１ｂ接合された中空筒状の支持部材１３とを備えている。加熱基体１１と支持部材１３との接合界面１４の外端１４Ｅ近傍で、この加熱基体１１の背面１１ｂと支持部材１３の外表面１３ｂとを滑らかに接続する凹曲面部１５が形成されている。凹曲面部１５は、支持部材１３の軸線を含む断面において、短軸方向が支持部材１３の軸線方向と平行である楕円の弧の曲線を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスよりなる加熱装置であって、
加熱面を有する板状の加熱基体と、
この加熱基体の背面に、軸線方向が前記背面と垂直に接合された中空筒状の支持部材とを備え、
前記加熱基体と前記支持部材との接合部近傍に、この加熱基体の背面と支持部材の外表面とを滑らかに接続する凹曲面部が形成され、この凹曲面部は、前記支持部材の軸線を含む断面において、短軸方向が支持部材の軸線方向と平行な楕円の弧の曲線を有し、前記凹曲面部は、前記支持部材の軸線を含む断面において、楕円の短軸半径Ａに対する長軸半径Ｂの比Ｂ／Ａが、１．５以上であることを特徴とする加熱装置。
【請求項２】
前記凹曲面部の表面粗さが、中心線平均粗さＲａで０．８μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックスよりなる加熱装置、より詳しくは、半導体デバイスの製造工程で基板として用いられるウエハ又はその他の板状の被加熱材を加熱するための加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置を用いた半導体デバイスの製造工程においては、ウエハ上へ酸化膜等を形成するために加熱処理が施される。このウエハを加熱するための加熱装置には、被加熱材であるウエハに対向する加熱面を有する円盤状のセラミックス基体を備え、このセラミックス基体中に抵抗発熱体が埋設されている加熱装置がある。この加熱装置は、半導体デバイスの製造工程における成膜装置ばかりでなく、被加熱材の表面をドライエッチングする表面処理装置等に用いられても有利に適合するものである。
【０００３】
この加熱装置のセラミックス基体を支持するために、支持部材が、このセラミックス基体に接合されている加熱装置がある。この支持部材は、概略円筒形状を有し、一方の端面がセラミックス基体における加熱面とは反対側の面、すなわち背面に、固相接合又は液相接合により固着されている。
【０００４】
このようなセラミックス基体と支持部材との取付構造に関して、セラミックス基体の接合面と支持部材の外周面との間にアール部が設けられた加熱装置がある（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−２４７７４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のセラミックスヒータは、セラミックス基体の背面と支持部材の外周面とが、両者の接合部に形成されたアール部の曲面により滑らかに接続されている。このアール部によりクラックの発生が抑制されている。しかしながら、それでもアール部からクラックが発生することがあった。このクラックが発生すると、加熱装置の使用時における加熱や冷却によって生じた熱応力が、このクラックに集中し、クラックの拡大を招くおそれがあった。
【０００６】
そこで本発明は、セラミックス基体と支持部材との接合部近傍にクラックが発生することを効果的に防止し、よって信頼性を向上させることのできる加熱装置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】
前記目的を達成するために、本発明のセラミックスよりなる加熱装置は、加熱面を有する板状の加熱基体と、この加熱基体の背面に、軸線方向が前記背面と略垂直に接合された中空筒状の支持部材とを備え、前記加熱基体と前記支持部材との接合部近傍に、この加熱基体の背面と支持部材の外表面とを滑らかに接続する凹曲面部が形成され、この凹曲面部は、前記支持部材の軸線を含む断面において、短軸方向が支持部材の軸線方向と平行な楕円の弧の曲線を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の加熱装置によれば、加熱基体と支持部材との間の接合部近傍でクラックが生じることが抑制され、加熱装置の信頼性を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の加熱装置の実施例について図面を用いて説明する。
【００１０】
図１は、本発明に係る加熱装置の一実施例の模式的な縦断面図である。同図に示される加熱装置１０は、加熱基体として円盤状のセラミックスよりなるセラミックス基体１１を備えている。このセラミックス基体１１は、被加熱材（例えば半導体ウエハ）と対向する平面の加熱面１１ａを有している。また、セラミックス基体１１の内部には、抵抗発熱体１２が埋設されている。この抵抗発熱体１２に、外部の図示しない電源から電力が供給されることにより、抵抗発熱体１２が発熱し、更にセラミックス基体１１が加熱される。このセラミックス基体１１の加熱により、このセラミックス基体１１の加熱面１１ａに載置された被加熱材を加熱することが可能となる。セラミックス基体１１の加熱面１１ａとは反対側の面、すなわち背面１１ｂに、セラミックス基体１１を支持する支持部材としてのシャフト１３が接合される。この背面１１ｂにおける中央部近傍は、周縁部近傍よりも板厚が厚くなっていて、この中央部表面１１ｃにシャフト１３が接合される。
【００１１】
シャフト１３は、中空の概略円筒形状であり、好適にはセラミックス基体１１と同種のセラミックスよりなる。このシャフト１３の内部空間に、セラミックス基体１１の抵抗発熱体１２に電力を供給するためのリード線や給電棒が配設される。また、セラミックス基体１１が静電電極や高周波電極を有しているときには、セラミックス基体１１内に埋設されたこれらの電極と接続するリード線等が、このシャフト１３の内部空間に配設される。
【００１２】
シャフト１３は、セラミックス基体１１と接合する側の端部に、フランジ部１３ａが形成されている。フランジ部１３ａの端面１３ｃがセラミックス基体１１の中央部表面１１ｃに突合された状態で、固相接合又は液相接合により、シャフト１３はセラミックス基体１１に接合されている。
【００１３】
そして、セラミックス基体１１とシャフト１３との接合界面１４の外端１４Ｅ近傍に、このセラミックス基体１１の背面１１ｂと、シャフト１３のフランジ部１３ａの外周面１３ｄとを滑らかに接続する凹曲面部１５が形成されている。
【００１４】
この加熱装置１０の凹曲面部１５近傍のＩＩ領域の拡大断面図を図２に示す。この凹曲面部１５は、シャフト１３の軸線Ｌを含む断面、すなわち、図２に示した縦断面において、楕円の弧の曲線になる形状を有している。そして、この楕円の短軸方向がシャフト１３の軸線Ｌ方向と平行であり、長軸方向がシャフト１３の軸線Ｌ方向と垂直である。
【００１５】
本実施例の加熱装置は、凹曲面部１５が縦断面で楕円の弧になるような曲面となっていることから、この凹曲面部１５にクラックが発生することが、より効果的に抑制される。このことについて、以下に詳しく説明する。
【００１６】
発明者らの検討によれば、セラミックス基体とシャフトとの接合部近傍にアール部が形成されている加熱装置においても、このアール部にクラックが生じることがある原因は、セラミックス基体の加熱時又は冷却時に発生する熱応力が、このアール部で最大となるためと考えられる。図３は、比較例としてアール部を有する従来の加熱装置の接合部近傍の縦断面図である。図３に示された加熱装置２０は、セラミックス基体２１の内部に抵抗発熱体１２が埋設されており、このセラミックス基体２１の加熱面２１ａとは反対側の背面２１ｂの中央部表面２１ｃにシャフト１３が接合されている。セラミックス基体２１とシャフト１３との接合界面２４の外端２４Ｅ近傍に、セラミックス基体２１の背面２１ｂとシャフト１３のフランジ部１３ａとを一定の曲率半径Ｒ１で滑らかに接続するアール部２５が形成されている。この図３に示した加熱装置２０において、セラミックス基体２１に埋設された抵抗発熱体１２が発熱すると、セラミックス基体２１は加熱面２１ａでは均一に加熱されるが、シャフト１３と接続している接合界面２４では、シャフト１３への伝熱により他の部分よりも温度が低くなる。したがって、セラミックス基体２１には、この基体２１内の温度勾配によりセラミックス基体２１の半径方向に熱応力が生じる。この熱応力が最も集中するのは、アール部の中間部の最大応力σ２ｍａｘの位置である。そのため、アール部の表面上のσ２ｍａｘ近傍でクラックが生じることがある。
【００１７】
この熱応力は、縦断面におけるアール部の曲率半径が小さいほど大きくなるので、この熱応力を小さくするには、縦断面におけるアール部の曲率半径を大きくすることが考えられる。図４は、別の比較例として、図３に示した加熱装置２０よりもアール部の曲率半径が大きい加熱装置３０の接合部近傍の縦断面図である。図４に示された加熱装置３０は、セラミックス基体３１の内部に抵抗発熱体１２が埋設されており、このセラミックス基体３１の加熱面３１ａとは反対側の背面３１ｂの中央部表面３１ｃにシャフト１３が接合されている。セラミックス基体３１とシャフト１３との接合界面３４の外端３４Ｅ近傍に、セラミックス基体３１の背面３１ｂとシャフト１３のフランジ部１３ａとを、図３のアール部の曲率半径Ｒ１よりも大きな一定の曲率半径Ｒ２で滑らかに接続するアール部３５が形成されている。
【００１８】
この図４に示した加熱装置３０はアール部３５の曲率半径Ｒ２が、図３に示した加熱装置２０のアール部２５の曲率半径Ｒ１よりも大きいことから、このアール部３５の中間部の最大応力σ３ｍａｘは、図３に示した加熱装置の最大応力σ２ｍａｘよりも小さい値となる。したがって、図４に示した加熱装置３０は、図３に示した加熱装置よりもクラックの発生が抑制される。しかしながら、図４に示した加熱装置は、アール部３５の曲率半径Ｒ２が、図３に示した加熱装置のアール部２５の曲率半径Ｒ１よりも大きくするために、セラミックス基体３１の厚さｔ２を、図３に示したセラミックス基体２１の厚さｔ０よりも大きくしている。したがって、この加熱装置３０は、セラミックス基体３１の厚さが大きいために、セラミックス基体２１の成形、焼成時に内部欠陥が生じる確率が高くなり、この内部欠陥によるクラックの発生のリスクが高くなってしまう。
【００１９】
そこで、本実施例の加熱装置１０では、図１及び図２に示したように、凹曲面部１５が縦断面で楕円の弧になるような曲面となっていて、短軸方向がシャフト１３の軸線Ｌ方向と平行であり、長軸方向がシャフト１３の軸線Ｌ方向と垂直である。このような凹曲面部１５を具備していることにより、凹曲面部１５がセラミックス基体１１の背面１１ｂと接続する近傍の曲率半径が特に大きくなり、この凹曲面部１５における熱応力の最大応力σ１ｍａｘは、図４に示した加熱装置３０のアール部３５における最大応力σ３ｍａｘよりも小さい値にすることができる。そのため、クラックの発生が、より抑制される。また、この凹曲面部１５の最大応力σ１ｍａｘの位置は、セラミックス基体１１とシャフト１３との接合界面１４の外端１４Ｅから十分に離れている。したがって、この最大応力σ１ｍａｘにより接合界面３４の外端３４Ｅにクラックが生じるのが抑制される。このことによっても、本実施例の加熱装置１０は、クラックの発生が更に抑制される。しかも、セラミックス基体１１の厚さｔ０は、図４に示した加熱装置３０のセラミックス基体３１の厚さｔ２のように大きくする必要がない。したがって、セラミックス基体１１の厚さｔ０を厚くすることによる内部欠陥を原因としたクラックの発生のリスクを抑制することができ、この点でもクラックの発生が抑制される。これらのクラックの抑制により、加熱装置の信頼性を高めることができる。
【００２０】
凹曲面部１５は、シャフト１３の軸線を含む断面、すなわち図１及び図２に示した縦断面において、楕円の短軸半径Ａに対する長軸半径Ｂの比Ｂ／Ａが、１．５以上であることが好ましい。短軸半径Ａに対する長軸半径Ｂの比Ｂ／Ａが、１．５以上であることにより、最大応力σ１ｍａｘを効果的に小さくすることができ、かつ、最大応力σ１ｍａｘの位置を接合界面３４の外端３４Ｅから十分に離すことができ、よってクラックを著しく抑制することができる。楕円の短軸半径Ａに対する長軸半径Ｂの比Ｂ／Ａの上限は、クラックの抑制の観点からは特に限定されるものではない。凹曲面部１５の加工代やセラミックス基体２１の中心部近傍の熱容量等を考慮して適切な範囲にすることができる。好ましい範囲としては、１０以下、より好ましくは５以下とすることができる。
【００２１】
凹曲面部１５の表面粗さは、中心線平均粗さＲａで０．８μｍ以下であることが好ましい。発明者らの研究により、同一曲面の場合であっても、凹曲面部１５の表面粗さが大きいと、クラックが発生し易いことが判明した。これは、表面粗さが大きいと、表面の凹凸が破壊起点となり易いためと考えられる。凹曲面部１５の表面粗さが、中心線平均粗さＲａで０．８μｍ以下であることにより、クラックの発生を効果的に抑制し、いっそう信頼性を高めることが可能となる。このような中心線平均粗さＲａの調整は、セラミックス基体１１の作製時において、凹曲面部を研削加工する際に、研削砥石の粒度を３２５番以上の条件で行うことで有利に実現できる。
【００２２】
凹曲面部１５の弧の短軸半径Ａは、特に限定されず、また、セラミックス基体１１の厚さｔ０にもよるが、１〜１０ｍｍ程度であることが好ましい。より好ましくは、短軸半径Ａが２〜９ｍｍである。凹曲面部１５の形成は、研削加工によりｔ０の厚さを有するセラミックス基体１１の中央部近傍以外の部分を除去して、周縁側をｔ１の厚さにすることによって行われるので、この研削加工代等も考慮して、適切な値を選択することができる。
【００２３】
セラミックス基体１１の中央部近傍での厚さｔ０は、特に限定されないが、２〜５０ｍｍの範囲が望ましく、５〜３０ｍｍの範囲がより好ましい。本発明の加熱装置は、凹曲面部１５が縦断面で楕円の弧の形状を有しているので、凹曲面部１５に集中する応力を緩和するために厚さを限定する必要はなく、それ以外の条件により適切な厚さを選択することができる。
【００２４】
また、本発明の加熱装置における楕円の弧の形状は、厳密な意味での楕円の弧の形状に限定されるものではない。本発明の加熱装置は、断面形状がプレート裏面を接線とした緩やかな弧になっていることがポイントである。そのため、本発明の加熱装置は、楕円の弧に近似した、例えば２次曲線、双曲線、スプライン曲線等である場合を含み、これらの場合でも同様の効果が得られる。また、加熱装置の工業的な製造時に通常認められる形状誤差は許容される。
【００２５】
セラミックス基体１１の材料としては、好ましくは、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ムライト、サイアロンなどの窒化物セラミックス、アルミナ−炭化ケイ素複合材料などがあり、またこれらに限らず公知のセラミックス材料であってもよい。加熱装置１０の使用時の雰囲気中に含まれるハロゲン系ガスなどの腐食性ガスに対して高い耐腐食性を付与するためには、窒化アルミニウムやアルミナが特に好ましい。
【００２６】
シャフト１３は、熱応力をできるだけ緩和する観点から、セラミックス基体と同一の材料であることが好ましい。
【００２７】
本発明の加熱装置は、セラミックス基体１１の作製工程、シャフト１３の作製工程、セラミックス基体１１とシャフト１３との接合工程の各工程を経て製造される。これらの各工程については、常法に従って行うことができる。
【実施例】
【００２８】
［凹曲面部の形状評価］
セラミックス基体とシャフトとの接合部近傍の凹曲面部の位置及び形状を種々に変えた複数の加熱装置を製造した。この加熱装置は、セラミックス基体及びシャフトをＡｌＮ粉末を原料としてプレス成形−焼結によりそれぞれ作製したのち、両者を固相接合法により接合することにより製造したものである。
【００２９】
セラミックス基体の外径は３４８ｍｍ、周縁部での厚さ（図２、図３及び図４のｔ１）は２０ｍｍと一定とし、凹曲面部の形状及びセラミックス基体の中央部での厚さ（図２及び図３のｔ０並びに図４のｔ２）を種々に変えた加熱装置を用意した。これらの加熱装置のシャフトは、フランジ部の外径が７５ｍｍ、内径が５２ｍｍ、フランジ部の厚さ（外周部の軸線方向長さ）が５ｍｍであった。なお、凹曲面部の加工にあたっては、砥石の番手を＃２００、砥石の回転数を６０００（ｒｐｍ）、砥石の送り速度を０．３ｍｍ/minとし、凹曲面部の表面粗さはＲａ０．９μｍであった。これらの加熱装置のそれぞれを、ＮＦ３ガス、４００Ｔｏｒｒの雰囲気になるチャンバ内に設けて、７００℃で加熱し、１０時間の連続運転を行った後、一旦、２００℃まで降温し、再び、７００℃まで昇温する熱試験を所定の期間行った後、クラックの発生の有無を調べた。
【００３０】
その結果を表１に示す。
【表１】
2008270197.tif 000003
【００３１】
表１から分かるように、比較例１は、セラミックス基体とシャフトとの接合部近傍の凹曲面部が、縦断面において一定の曲率半径（２ｍｍ）を有する真円の弧の形状になるため、一日経過後でクラックが発生した。また、比較例２は、セラミックス基体とシャフトとの接合部近傍の凹曲面部が、縦断面において一定の曲率半径（８ｍｍ）を有する真円の弧の形状になり、かつこの曲率半径が比較例１よりも大きいため、半年後にクラックが発生した。しかも、比較例２は、セラミックス基体の中央部近傍の厚さが比較例１よりも厚くなったため、内部欠陥によるクラック発生のリスクが大きくなった。また、比較例３は、凹曲面部が縦断面において楕円の弧の形状を有している例であるが、楕円の短軸半径Ａと長軸半径Ｂとの比が１．２であり、円に近いため、半年後にクラックが発生した。
【００３２】
一方、実施例１〜４は、本発明に従い、凹曲面部が縦断面において楕円の弧の形状を有している例である。実施例１〜４から、楕円の短軸半径Ａと長軸半径Ｂとの比が１．５以上である場合は、１．５年経過後も異常が見られず、特に優れた信頼性を示した。
【００３３】
実施例３を、この実施例３の短軸半径（２ｍｍ）と同じ曲率半径（２ｍｍ）を有している比較例１と対比することにより、凹曲面部を楕円断面形状とすることで、セラミックス基体の中央部の厚みが同じでも、より信頼性を高くできることが分かった。また、この実施例４を、この実施例４の長軸半径（８ｍｍ）と同じ曲率半径（８ｍｍ）を有している比較例２と対比することにより、凹曲面部を楕円断面形状とすることで、セラミックス基体の中央部の厚みを厚くすることなく、より信頼性を高くできることが分かった。
【００３４】
［表面粗さ評価］
セラミックス基体の凹曲面部の表面粗さと接合強度との関係を調べた。用いた加熱装置は、実施例２に用いた加熱装置と同一の材料、サイズを有するものである。
【００３５】
凹曲面部は縦断面が楕円の弧形状であり、短軸半径は２ｍｍ、長軸半径は３．０ｍｍ、セラミックス基体の中央部近傍の厚さｔ０は２１ｍｍ、周縁部近傍の厚さｔ１は２０ｍｍのものを用いた。
【００３６】
凹曲面部の仕上研削加工時に研削砥石の砥粒の大きさと、砥石の回転速度と、砥石の送り速度を種々に変更して、加工を行った結果を、接合界面の強度と接合界面近傍の凹曲面部の表面粗さとともに表２に示す。なお、接合界面の強度は、テストピースを切り出し、片持ち曲げ試験により求めた。
【表２】
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【００３７】
表２から、加工条件を変えることで中心平均粗さＲａを０．８μｍ以下にすることにより、劇的に強度が向上することが分かる。
【００３８】
次に、縦断面が楕円の弧の形状の凹曲面部を加工するにあたり、Ｒａ０．８μｍになるような加工条件を適用し、表１の実施例２と同じ形状の加熱装置を作製し、先に説明した凹曲面部形状評価と同じ条件で加熱腐食試験を行った。その結果、２年後でもクラックは発生しなかった。このことから、楕円の弧の粗さをＲａを０．８μｍ以下にすることにより、加熱装置の信頼性をさらに高めることができることがわかった。
【００３９】
以上、本発明の加熱装置を実施例及び図面を用いて具体的に説明したが、本発明の加熱装置は、実施例及び図面の記載に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で幾多の変形が可能である。例えば、図１及び図２に示した実施例では、セラミックス基体１１とシャフト１３との接合界面１４の外端１４Ｅが、縦断面において楕円の弧の形状をなす凹曲面部１５の長軸端部と短軸端部との間の弧上に位置するような例を示しているが、この外端１４Ｅは、凹曲面部１５の弧の長軸端部に一致する点に位置していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る加熱装置の一実施例の模式的な縦断面図である。
【図２】図１の要部の拡大縦断面図である。
【図３】比較例の加熱装置の要部の拡大断面図である。
【図４】比較例の加熱装置の要部の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１  セラミックス基体（加熱基体）
１２  抵抗発熱体
１３  シャフト（支持部材）
１５  凹曲面部
【図１】
2008270197.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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