(57)【要約】【課題】  ショートタイプのシャフト部を有するヒータユニットにおいて、ヒータプレートとシャフトボトム部との間に所望の温度差が得られるヒータユニットを提供する。【解決手段】  ヒータユニット１１は、抵抗発熱体１２を有するヒータプレート１３と、ヒータプレート１３の下面側に設けられた長さ２０〜５０ｍｍのショートタイプの中空のシャフト部１４とを有している。シャフト部１４はアルミニウム合金からなる。シャフト部１４の底面１４ｃは、筐体１０のヒータ取付部２５に固定される。シャフト部１４の底面１４ｃと筐体１０との間に、シール部材３０が設けられている。シャフト部１４の肉厚ｔは０．５〜５．０ｍｍであり、シャフト部１４の熱抵抗が０．４（Ｋ／Ｗ）以上となるように、シャフト部１４の長さと伝熱面積および材質が選定されている。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体の内部に収容され、発熱体を備えたヒータプレートと、
前記ヒータプレートの下面側に設けられた長さ５０ｍｍ以下のショートタイプの中空のシャフト部であってその底面が前記筐体のヒータ取付部に固定されるシャフト部と、
前記シャフト部の底面と前記筐体のヒータ取付部との間をシールするシール部材とを具備し、
前記シャフト部の周壁の肉厚が０．５〜５．０ｍｍであり、かつ、
該シャフト部の熱抵抗Ｒｔｈが０．４以上となるよう該シャフト部の長さ、伝熱面積および材質を選定してなることを特徴とするヒータユニット。
【請求項２】
前記シャフト部の熱抵抗Ｒｔｈが０．４２以上であることを特徴とする請求項１に記載のヒータユニット。
【請求項３】
前記シール部材がふっ素系の耐熱性Ｏリングであることを特徴とする請求項１または２に記載のヒータユニット。
【請求項４】
前記シャフト部の材質がアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のヒータユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば半導体基板等を加熱するためのヒータプレートを備えたヒータユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体の製造プロセスにおいて、プロセスチャンバに収容された半導体基板を加熱するために加熱装置が使用されている（例えば下記特許文献１参照）。
【０００３】
この種の加熱装置は、抵抗発熱体を内蔵したヒータプレートを有し、抵抗発熱体の電流制御を行なうことによりヒータプレートが所望の温度に保たれる。ヒータプレートの下面側にシャフト部が設けられ、このシャフト部の底面が処理装置の筐体のヒータ取付部に固定される。特許文献１に記載された加熱装置は、支持部材（シャフト部）の長さを大きくすることにより（例えば長さ２５０ｍｍ）、半導体設置面の温度のばらつきを小さくしていた。
【０００４】
しかし最近は、半導体製造装置のコンパクト化を図るために、シャフト部の長さを小さくすることが望まれる傾向がある。しかしながらシャフト部の長さが小さくなると、ヒータプレートの熱がシャフト部の下部（シャフトボトム部）に伝達しやすくなり、シャフトボトム部が高温になりやすい。
【０００５】
シャフト部の底面には、プロセスチャンバの筐体とシャフト部との間をシールするための耐熱性Ｏリングが設けられている。このためシャフトボトム部が高温になりすぎると、シャフトボトム部に設けられているシール部材（耐熱性Ｏリング）が劣化したり、シール機能が喪失する原因となる。このような不具合を防止するために、筐体のヒータ取付部付近に冷媒流路を形成し、この冷媒流路に冷却媒体を流通させることにより、シャフト部の底面付近を強制的に冷却することも提案されている。
【特許文献１】特開２００３−１３３１９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、長さが５０ｍｍ以下のショートタイプのシャフト部は、ロングタイプのシャフト部と比較して、ヒータプレートとシャフトボトム部との間を熱が伝わりやすいため、シャフトボトム部が過冷却されるとヒータプレートの中心部等に温度低下が発生し、ヒータプレートの温度均一性が悪くなり、被加熱物である半導体基板等を精度良く加熱することができないという問題が生じる。
【０００７】
従ってこの発明の目的は、ショートタイプのシャフト部を有するヒータユニットにおいて、ヒータプレートとシャフトボトム部との間に所望の温度差が得られるヒータユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のヒータユニットは、筐体の内部に収容され、発熱体を備えたヒータプレートと、前記ヒータプレートの下面側に設けられた長さ５０ｍｍ以下のショートタイプの中空のシャフト部であってその底面が前記筐体のヒータ取付部に固定されるシャフト部と、前記シャフト部の底面と前記筐体のヒータ取付部との間をシールするシール部材とを具備し、前記シャフト部の周壁の肉厚が０．５〜５．０ｍｍであり、かつ、該シャフト部の熱抵抗Ｒｔｈが０．４以上となるよう該シャフト部の長さ、伝熱面積および材質を選定してなることを特徴とするものである。
【０００９】
この発明の好ましい形態では、前記シャフト部の熱抵抗Ｒｔｈは０．４２以上である。前記シール部材の一例は、連続使用可能な温度（耐熱温度）が３００℃以下のふっ素系の耐熱性Ｏリングである。シャフト部の材質は例えばアルミニウム合金である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ヒータプレートとシャフトボトム部との間に所望の温度差を得ることができ、ヒータプレートの高温がシャフトボトム部のシール部材に悪影響を及ぼすことを回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に本発明の第１の実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。  
図１に、半導体製造プロセスに用いる処理装置（プロセスチャンバ）１の断面を模式的に示す。この処理装置１の筐体１０の内部に、加熱装置として機能するヒータユニット１１が収容されている。筐体１０は、その内部が外部（大気）と遮断できるように気密性を有する構造となっている。
【００１２】
図２に示すようにヒータユニット１１は、抵抗発熱体１２を内蔵した円板形のヒータプレート１３と、ヒータプレート１３の下面側に設けられた長さ５０ｍｍ以下のショートタイプの中空のシャフト部１４などを有している。発熱体の一例である抵抗発熱体１２は、ヒータプレート１３に形成された溝１５に収容されている。抵抗発熱体１２の端子部１２ａは、シャフト部１４の内側を通って筐体１０の外部に引き出されている。
【００１３】
半導体処理装置（プロセスチャンバ）１は、被加熱物Ｗとしての半導体ウエハを筐体１０内に出し入れするための搬送装置を備えているのが通例である。その場合、搬送装置等がヒータプレート１３と干渉することを防ぐために、実用上、シャフト部１４の長さを１０ｍｍ以上、より好ましくは２０ｍｍ以上にする必要がある。
【００１４】
ヒータプレート１３上に、例えば半導体基板等の被加熱物（ワーク）Ｗが載置される。筐体１０の内部空間の温度、雰囲気、真空度等は、被加熱物Ｗの処理に応じてコントローラ（図示せず）によって制御される。筐体１０の内部は、被加熱物Ｗの処理中に例えば真空雰囲気となる。ヒータプレート１３の表面使用温度は約３００℃（５７３Ｋ）を超え、例えば３５０℃（６２３Ｋ）である。
【００１５】
ヒータプレート１３は、アルミニウム合金製の基体２１と、基体２１上に積層されたプレート部材２２とを含んでいる。基体２１とプレート部材２２は、互いにろう付けによって接合されている。シャフト部１４は、基体２１と一体に形成された円筒形のシャフト本体部１４ａと、このシャフト本体部１４ａの下部に形成されたフランジ状のシャフトボトム部１４ｂとを備えている。シャフトボトム部１４ｂの底面１４ｃが筐体１０のヒータ取付部２５に固定されている。
【００１６】
シャフト部１４の長さＬは２０〜５０ｍｍであり、外径Ｄは２０〜２００ｍｍである。すなわちこのシャフト部１４は、長さが５０ｍｍ以下のショートタイプのシャフト部である。シャフト本体部１４ａの周壁の肉厚ｔは０．５〜５．０ｍｍである。肉厚ｔが０．５ｍｍ未満のシャフト部１４では実用上の強度を得ることができない。肉厚ｔが５．０ｍｍを超えると伝熱面積が大きくなりすぎ、下記熱抵抗Ｒｔｈを得ることができなくなる。
【００１７】
シャフトボトム部１４ｂの底面１４ｃに、シャフト部１４と筐体１０との間をシールするためのシール部材３０が設けられている。シール部材３０の一例は、ふっ素系の耐熱性Ｏリングである。ふっ素系の耐熱性Ｏリングの連続使用可能な最高使用温度は約３００℃（５７３Ｋ）である。
【００１８】
シール部材３０は、シャフトボトム部１４ｂに形成された環状のシール溝３１に収容されている。シール溝３１はシャフト本体部１４ａと同心円状に形成されている。シール部材３０によってシャフトボトム部１４ｂと筐体１０との間がシールされることにより、筐体１０の気密性が保たれている。
【００１９】
シャフトボトム部１４ｂは、抵抗発熱体１２の通電時に、シール部材（ふっ素系０リング）３０の連続使用可能な最高温度を超えないように、３００℃以下に保たれる必要がある。しかしシャフトボトム部１４ｂを冷却媒体によって強制的に冷却すると温度むらが生じるため、シャフト部１４単体でシャフトボトム部１４ｂの温度を３００℃以下に下げることが望まれる。
【００２０】
そこで本実施形態のヒータユニット１１は、シャフト部１４の熱抵抗Ｒｔｈが０．４以上となるように、シャフト本体部１４ａの長さＬ１と、シャフト本体部１４ａの伝熱面積Ｓと、材質を選定をすることにより、シャフトボトム部１４ｂの温度Ｔ１を３００℃以下に抑えている。シャフト部１４の材質の一例はＪＩＳ  Ｈ４０００で規定されるＡ６０６１である。プレート部材２２の材質の一例はＡ１０５０である。
【００２１】
Ａ６０６１の化学成分（重量％）は、Ｓｉ：０．４０〜０．８，Ｆｅ：０．７以下，Ｃｕ：０．１５〜０．４０，Ｍｎ：０．１５以下，Ｍｇ：０．８〜１．２，Ｃｒ：０．０４〜０．３５，Ｚｎ：０．２５以下，Ｔｉ：０．１５以下、残部がＡｌである。
【００２２】
Ａ１０５０の化学成分（重量％）は、Ｓｉ：０．２５以下，Ｆｅ：０．４０以下，Ｃｕ：０．０５以下，Ｍｎ：０．０５以下，Ｍｇ：０．０５以下，Ｚｎ：０．０５以下，Ｔｉ：０．０３以下、Ａｌ：９９．５０以上である。
【００２３】
図３は、熱抵抗Ｒｔｈが互いに異なる３種類のシャフト部を有するヒータユニットにおいて、ヒータプレートとシャフトボトム部との間の温度差（Ｔ２−Ｔ１）を実測した結果を示している。図３中の３箇所の黒丸が実測値である。これら実測値から、線分Ａに示すように、熱抵抗Ｒｔｈと温度差（Ｔ２−Ｔ１）との間に相関があることがわかる。すなわち、温度差（Ｔ２−Ｔ１）に影響を及ぼすパラメータとして、シャフト部１４の熱抵抗Ｒｔｈ（Ｋ／Ｗ）が深く関係していることがわかった。
【００２４】
前記温度差（Ｔ２−Ｔ１）は下記（１）式によって表わされる。（１）式において、ｑはシャフト部１４を伝わる熱流量、Ｒｔｈはシャフト部１４の熱抵抗（Ｋ／Ｗ）である。
【００２５】
Ｔ２−Ｔ１＝ｑ×Ｒｔｈ      …（１）
またシャフト部１４の長さをＬ（ｍ）、シャフト本体部１４ａの伝熱面積をＳ（ｍ２）、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）をλとした場合、熱抵抗Ｒｔｈは、下記の（２）式によって表わされる。
【００２６】
Ｒｔｈ＝Ｌ／λＳ            …（２）
図３の実測値に基く線分Ａは、熱抵抗Ｒｔｈと温度差（Ｔ２−Ｔ１）との関係（Ｔ２−Ｔ１）＝ｑ×Ｒｔｈにほぼ沿っている。この線分Ａは、熱流量ｑが大きくなると傾きが急になり、熱流量ｑが小さくなると傾きが小さくなるが、熱抵抗Ｒｔｈが０．４以上であれば、温度差（Ｔ２−Ｔ１）を３５℃以上にすることが可能である。半導体製造プロセスでは、ヒータプレート１３によってウエハを３３５℃以上に加熱するため、Ｔ２は最低でも３３５℃となるが、その場合も温度差（Ｔ２−Ｔ１）が３５℃以上であれば、シャフトボトム部の温度Ｔ１を３００℃以下にすることができる。
【００２７】
図３によると、ヒータプレート１３の表面使用温度が３５０℃のヒータユニット１１において、例えばシャフト部の熱抵抗Ｒｔｈを０．４６とした場合、温度差（Ｔ２−Ｔ１）が約５０℃となり、シャフトボトム部を３００℃にすることができる。シャフト部の熱抵抗Ｒｔｈが１．００の場合、温度差（Ｔ２−Ｔ１）が１５０℃以上となり、シャフトボトム部の温度をさらに下げることが可能となる。
【００２８】
一例として、シャフト本体部１４ａの長さＬ１が２０ｍｍ、肉厚ｔが２．０ｍｍ、ヒータプレート１３の表面使用温度が約３５０℃（６２３Ｋ）で、シャフトボトム部１４ｂが３００℃（５７３Ｋ）以下となるようなヒータユニット１１について検討したところ、図３中に白丸で示すように、Ｒｔｈが０．４２であれば所望の温度差（Ｔ２−Ｔ１）＝５０℃が得られた。シャフト部１４の材質はアルミニウム合金：Ａ６０６１で、熱伝導率λ：１８０（Ｗ／ｍＫ）である。
【００２９】
このヒータユニット１１を試作し、０．１Ｔｏｒｒ以下の真空中で、ヒータプレート１３の表面使用温度Ｔ２＝３５０℃（６２３Ｋ）に加熱した時のシャフトボトム部１４ｂの温度Ｔ１（シール溝３１付近の温度）を実測したところ、Ｔ１＝２５０℃（５２３Ｋ）であり、シール部材３０の連続使用の最高温度（３００℃）以下まで下がっていることが確認された。
【００３０】
比較例として、図２に示すシャフト部１４の長さＬ１が１４ｍｍ、肉厚ｔ＝２．０ｍｍ、Ｒｔｈ＝０．３のヒータユニットの試作品で、Ｔ２＝３５０℃（６２３Ｋ）の時のシャフトボトム部の温度Ｔ１を測定した。測定条件は前述のＲｔｈ＝０．４２の場合と同じである。
【００３１】
この比較例の温度Ｔ１を測定した結果、Ｔ２＝３５０℃（６２３Ｋ）に対しＴ１＝３２５℃（５９８Ｋ）となり、温度差（Ｔ２−Ｔ１）が２５℃であった。また、Ｔ２＝３３５℃（６０８Ｋ）に対しＴ１＝３０８℃（５８１Ｋ）となり、温度差（Ｔ２−Ｔ１）が２７℃であった。いずれの場合も、ふっ素系シール部材の耐熱温度（３００℃）を越えてしまった。
【００３２】
図３によれば、Ｒｔｈ＝０．３の場合には温度差（Ｔ２−Ｔ１）が１５℃となるため、Ｔ２＝３５０℃（６２３Ｋ）のときにはＴ１＝３３５℃（６０８Ｋ）となり、ふっ素系シール部材の耐熱温度を越えてしまう。これに対しＲｔｈを０．４以上（例えば０．４６）とすることによって、Ｔ１を３００℃以下にすることが可能となる。また、半導体の製造プロセスで必要なＴ２の最低温度３３５℃のときにも温度差（Ｔ２−Ｔ１）を３５℃以上にすることができるため、Ｔ１を３００℃以下にすることができる。
【００３３】
図４は，本発明の第２の実施形態のシャフト部１４´を示している。このシャフト部１４´は、ヒータプレート１３（図２に示す）との接合部４０の外周側に、全周にわたってテーパ加工部４１を形成することにより、伝熱面積Ｓに関与する肉厚ｔを減らしている。こうすることにより、シャフト部１４´の強度を低下させることなく伝熱面積Ｓを減らし、熱抵抗Ｒｔｈを大きくすることができる。それ以外の構成は第１の実施形態と同様である。
【００３４】
なお、この発明を実施するに当たって、ヒータプレートをはじめとして、シャフト部、シール部材、筐体等を、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜に変形して実施できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施形態のヒータユニットを備えた処理装置を模式的に示す断面図。
【図２】図１に示されたヒータユニットの断面図。
【図３】シャフト部の熱抵抗Ｒｔｈと、温度差（Ｔ２−Ｔ１）との関係を示す図。
【図４】本発明の第２の実施形態のシャフト部の端部を一部断面で示す斜視図。
【符号の説明】
【００３６】
１０…筐体
１１…ヒータユニット
１２…発熱体（抵抗発熱体）
１３…ヒータプレート
１４…シャフト部
３０…シール部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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