(57)【要約】      （修正有）【課題】高温酸素雰囲気下の使用においても、電極と電極板との隙間が発生せず、電極や電極板の破損を抑制すると共に、ボルトの軸にかかる曲げ応力を緩和してボルトの破損をも抑制し、より安定した長期間の使用を可能とするヒータユニットを提供する。【解決手段】電極板７は、第１壁部７ｂと第２壁部７ｄとから、正面視略Ｌ字型に一体形成されている。固定部１５の貫通孔が形成されている１つの面である側面(第１の面)１５ｂに、第１壁部７ｂが対向している。また、固定部１５の貫通孔が形成されていない１つの面である下面(第２の面)１５ｃに、第２壁部７ｄが対向している。ボルト９とナット１１とが、電極５の固定部１５、電極板７の第１壁部７ｂ及びワッシャ１３ｂ〜１３ｄを挟持する。これによって、電極５と電極板７とを固定して電気的に接続する。【選択図】図１
2016225062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素からなるヒータと、
貫通孔が形成されている１つの面である第１の面と、前記貫通孔が形成されていない１つの面である第２の面とを備える固定部を有し前記ヒータに通電して昇温させる、炭化珪素からなる電極と、
耐酸化材料からなり、前記固定部に固定され、電源を前記ヒータに供給する電極板と、
耐酸化材料からなり、前記電極と前記電極板とを挟む複数のワッシャと、
炭化珪素の熱膨張率に対する割合が９５％〜１００％の熱膨張率を有する材料からなるボルト及びナットと、
を備え、
前記電極板は、貫通孔が形成されており、前記第１の面に対向する第１壁部と、前記第２の面に対向する第２壁部とを有し、前記第１壁部と前記第２壁部とが連結されてＬ字型に形成されており、
前記複数のワッシャ、前記電極の前記固定部及び前記電極板の前記第１壁部の各貫通孔に前記ボルトを貫通させて、前記ボルトに前記ナットを螺合し、前記複数のワッシャ、前記電極の前記固定部及び前記電極板の前記第１壁部を挟持することにより、前記電極と前記電極板とを固定して電気的に接続していることを特徴とするヒータユニット。
【請求項２】
前記複数のワッシャと、前記電極の前記固定部と、前記電極板の前記第１壁部との前記ボルトと前記ナットとに挟持された貫通方向における合計の長さを挟持部合計長さとし、
前記ボルトと前記ナットとを螺合させ、前記ボルトの頭部と一の前記ワッシャとが接する位置から、前記ナットと他の前記ワッシャとが接する位置までの貫通方向における長さをボルトナット長さとしたとき、
前記ヒータ使用前の所定温度での前記挟持部合計長さをＴ１１とし、前記ヒータ使用前の所定温度での前記ボルトナット長さをＬ１１とし、Ｌ１１＝Ｔ１１との条件において、前記複数のワッシャ、前記電極の前記固定部及び前記電極板の前記第１壁部を挟持しない状態で、前記ナットの位置を前記ボルトナット長さＬ１１の状態と同じ位置となるように前記ボルトと前記ナットとを螺合させ、この状態から前記ヒータ使用時の温度下にした時の、前記ボルトナット長さＬ１１の熱膨張によって延びた後の長さをボルトナット熱膨張長Ｌ２１とし、前記ヒータ使用時の温度下にした時の、熱膨張によって延びた後の前記挟持部合計長さをＴ２１とすると、
Ｔ２１からＬ２１を引いた値が、０ｍｍ〜０．０５ｍｍ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素かなるヒータと、炭化珪素からなる電極とを備え、高温酸素雰囲気下において用いられるヒータユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体ウエハの各種熱処理のために、炭化珪素からなるヒータと、炭化珪素からなる電極とを備えたヒータユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。炭化珪素からなるヒータを用いることで、好適に半導体ウエハを加熱できる。熱膨張率の関係から、炭化珪素からなるヒータは、炭化珪素からなる電極が使用される。
【０００３】
炭化珪素からなる電極は、外部電源と接続された電極板と電気的に接続されることにより、ヒータを通電できる。電極板は、電気抵抗の低い金属製のものが用いられていた。
【０００４】
また、炭化珪素からなるヒータと、炭化珪素からなる電極とを備え、高温酸素雰囲気下において用いられても、熱膨張率の差による隙間を生じず、電極や電極板の破損が抑制されるヒータユニットが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このヒータユニットは、炭化珪素製のボルトとナットとを用いて、炭化珪素製の電極、金属製の電極板及びワッシャを貫通して挟持して締結する構造となっている。そして、高温酸素雰囲気下でも、放電による破損原因となる電極と電極板との隙間が発生せず、長期間の使用が可能となるものである。金属製の電極板にはＵ字型のものが用いられており、金属板が電極を両側から挟み込むようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１２４３６４号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６５５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、特許文献２のようなヒータユニットでは、より高い温度下での使用においては、温度が高くなるほど、電極板の下板部(ボルトの貫通方向と平行であり、電極の下方に位置する部分)と電極との熱膨張量の差が大きくなる傾向にある。金属板が電極を両側から挟み込むようにＵ字型となっているので、より高温度下での使用によって電極板の下板部と電極との熱膨張量の差が大きくなると、ボルトの軸にかかる曲げ応力が増大する傾向にあり、場合によってはボルトが破損する可能性があった。
【０００７】
そこで、本発明は、高温酸素雰囲気下の使用においても、電極と電極板との隙間が発生せず、電極や電極板の破損を抑制すると共に、ボルトの軸にかかる曲げ応力を緩和してボルトの破損をも抑制し、より安定した長期間の使用を可能とするヒータユニット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】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有する。
【０００９】
（１）まず、本発明の第１の特徴は、炭化珪素からなるヒータと、貫通孔が形成されている１つの面である第１の面と、前記貫通孔が形成されていない１つの面である第２の面とを備える固定部を有し前記ヒータに通電して昇温させる、炭化珪素からなる電極と、耐酸化材料からなり、前記固定部に固定され、電源を前記ヒータに供給する電極板と、耐酸化材料からなり、前記電極と前記電極板とを挟む複数のワッシャと、炭化珪素の熱膨張率に対する割合が９５％〜１００％の熱膨張率を有する材料からなるボルト及びナットと、を備え、前記電極板は、貫通孔が形成されており、前記第１の面に対向する第１壁部と、前記第２の面に対向する第２壁部とを有し、前記第１壁部と前記第２壁部とが連結されてＬ字型に形成されており、前記複数のワッシャ、前記電極の前記固定部及び前記電極板の前記第１壁部の各貫通孔に前記ボルトを貫通させて、前記ボルトに前記ナットを螺合し、前記複数のワッシャ、前記電極の前記固定部及び前記電極板の前記第１壁部を挟持することにより、前記電極と前記電極板とを固定して電気的に接続していることを特徴とするヒータユニットである。
【００１０】
（２）本発明の第２の特徴は、前記複数のワッシャと、前記電極の前記固定部と、前記電極板の前記第１壁部との前記ボルトと前記ナットとに挟持された貫通方向における合計の長さを挟持部合計長さとし、前記ボルトと前記ナットとを螺合させ、前記ボルトの頭部と一の前記ワッシャとが接する位置から、前記ナットと他の前記ワッシャとが接する位置までの貫通方向における長さをボルトナット長さとしたとき、前記ヒータ使用前の所定温度での前記挟持部合計長さをＴ１１とし、前記ヒータ使用前の所定温度での前記ボルトナット長さをＬ１１とし、Ｌ１１＝Ｔ１１との条件において、前記複数のワッシャ、前記電極の前記固定部及び前記電極板の前記第１壁部を挟持しない状態で、前記ナットの位置を前記ボルトナット長さＬ１１の状態と同じ位置となるように前記ボルトと前記ナットとを螺合させ、この状態から前記ヒータ使用時の温度下にした時の、前記ボルトナット長さＬ１１の熱膨張によって延びた後の長さをボルトナット熱膨張長Ｌ２１とし、前記ヒータ使用時の温度下にした時の、熱膨張によって延びた後の前記挟持部合計長さをＴ２１とすると、Ｔ２１からＬ２１を引いた値が、０ｍｍ〜０．０５ｍｍであることを特徴とする上記（１）に記載のヒータユニットである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高温酸素雰囲気下の使用においても、電極と電極板との隙間が発生せず、電極や電極板の破損を抑制すると共に、ボルトの軸にかかる曲げ応力を緩和してボルトの破損をも抑制し、より安定した長期間の使用を可能とするヒータユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るヒータユニット１の正面図である。
【図２】図１の分解斜視図である。
【図３】図１の要部における断面図である。
【図４】ボルト及びナットの側面図である。
【図５】各構成部品における寸法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態に係るヒータユニットの詳細を図面に基づいて説明する。具体的には、（１）ヒータユニットの全体構成、（２）各構成部品の寸法関係について説明する。
【００１４】
（１）ヒータユニット１の全体構成
ヒータユニット１の全体構成について図１から図４を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係るヒータユニット１の正面図である。図２は、図１の分解斜視図である。図３は、図１の要部における断面図である。図４はボルトとナットの側面図である。
【００１５】
図１に示すように、ヒータユニット１は、ヒータ３、電極５、電極板７、複数のワッシャ１３ｂ〜１３ｄ、ボルト９及びナット１１を備えている。本実施形態では、電極板７を電極５に固定して電気的に接続するための固定部１５を、電極５の端部に設けた例を説明する。なお、電極５の一部を構成する固定部１５は、電極５の端部に限定されない。
【００１６】
ヒータユニット１は、高温酸素雰囲気下において、用いることができる。具体的な温度は、例えば４００℃〜６００℃で好適に用いられる。酸素濃度は、２０％以上で用いられる。ただし、これ以外の条件であっても、ヒータユニット１は、用いることができる。
【００１７】
ヒータ３は、炭化珪素からなる。ヒータ３は、電極５からの電流が流れると発熱するように構成されている。これによって、半導体基板を加熱処理することができる。ヒータ３は円板上に形成されている。ヒータ３は、電極５と電気的に接続されている。
【００１８】
電極５は、炭化珪素からなる。電極５の一の端部は、ヒータ３と物理的に接続されている。これによって、電極５は、電気的に接続されたヒータ３に通電して、ヒータ３を発熱させる。図２，３に示すように、電極５の他の端部には固定部１５が設けられており、直方体状に形成されている。電極５の固定部１５には、ボルト９が通る貫通孔１５ａが形成されている。後述するように、固定部１５にはボルト９とナット１１とによって、電極板７が固定され、電極５は電極板７と電気的に接続される(電極５と電極板７とは導通可能な状態に接続される)。
【００１９】
電極板７は、第１壁部７ｂと第２壁部７ｄとから、正面視略Ｌ字型に一体形成されている。第２壁部７ｄには、その下方へ延びる脚部７ｃが設けられている。第１壁部７ｂには、ボルト９が通る貫通孔７ａが形成されている。第１壁部７ｂと電極５の固定部１５とは、ボルト９が貫通して、そのボルト９とナット１１とによって挟持されている。固定部１５の貫通孔１５ａが形成されている１つの面である側面(第１の面)１５ｂに、第１壁部７ｂが対向している。また、固定部１５の貫通孔１５ａが形成されていない１つの面である下面(第２の面)１５ｃに、第２壁部７ｄが対向している。脚部７ｃは図示しない電源と電気的に接続されており、電極板7は、電極５を介して電源をヒータ３に供給する。
【００２０】
電極板７は、例えば熱膨張率が炭化珪素よりも大きい耐酸化材料からなる。電極板７には、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、ニッケル（Ｎｉ）、インコネル（登録商標）が用いられる。なお、インコネルは、Ｎｉをベースとした合金である。電極板７は、電源と電気的に接続されるため、導電率の高い方が好ましい。
【００２１】
ワッシャ１３ｂ〜１３ｄは、円板状の部材である。電極５及び電極板７と同様に、ボルト９が通る貫通孔１３ａが形成されている。ワッシャ１３ｂは、ボルト９の頭部２１の裏面２７と固定部１５の側面１５ｄとに接している。ワッシャ１３ｃは、固定部１５の側面１５ｂと電極板７の第１壁部７ｂとに接している。ワッシャ１３ｄは、ナット１１の面２９(ボルト９の頭部２１側の面)と電極板７の第１壁部７ｂとに接している。即ち、ワッシャ１３ｂ〜１３ｄは、電極５と電極板７とを挟んで配置されている。
【００２２】
ワッシャ１３ｂ〜１３ｄは、例えば熱膨張率が炭化珪素よりも大きい耐酸化材料からなる。ワッシャ１３ｂ〜１３ｄには、電極板７と同様の材料が用いられてもよい。なお、本実施形態では、固定部１５を直方体状に設けたが、ワッシャ１３ｂ、１３ｃと接する側面１５ｄ、１５ｂ(貫通孔１５ａが形成された側面)以外は曲面としてもよい。
【００２３】
ボルト９及びナット１１は、炭化珪素の熱膨張率に対する割合が９５％〜１００％の熱膨張率を有する材料からなる。図４に示すように、ボルト９は、頭部２１と軸部２３とからなり、軸部２３の先端部に外周面に雄ネジを切ったネジ部２５が設けられている。このネジ部２５にナット１１が螺合される。ボルト９は、貫通孔１５ａ、貫通孔７ａ及び貫通孔１３ａを通り、電極５の固定部１５、電極板７の第１壁部７ｂ及びワッシャ１３ｂ〜１３ｄを貫通する。ボルト９にナット１１を螺合することによって、ボルト９とナット１１とが、電極５の固定部１５、電極板７の第１壁部７ｂ及びワッシャ１３ｂ〜１３ｄを挟持する。これによって、電極５と電極板７とを固定して電気的に接続する(電極５と電極板７とは導通可能な状態に接続される)。
【００２４】
ここで、前述したように、電極板７は略Ｌ字型に形成されている。よって、電極板７は、電極５の固定部１５における貫通孔１５ａが形成されている両側面１５ｂ、１５ｄを挟んで挟持されるのではなく、一方の側面１５ｂにのみ対向して挟持される。従って、ボルト９とナット１１とにより挟持される、電極５の固定部１５、電極板７の第１壁部７ｂ及びワッシャ１３ｂ〜１３ｄの各部が、固有の熱膨張率により膨張しても、固定部１５の両側面１５ｂ、１５ｄを挟んで挟持される略Ｕ字型の電極板に比べ、ボルト９の軸部２３にかかる曲げ応力を緩和でき。これにより、本ヒータユニット１は、高温酸素雰囲気下の使用においても、ボルト９の破損を抑制して、より安定した長期間の使用を可能とする。
【００２５】
なお、ボルト９とナット１１により挟持されている各部材(電極５の固定部１５、電極板７の第１壁部７ｂ及びワッシャ１３ｂ〜１３ｄ)の中で、電極５の固定部１５が、挟持方向(ボルト９の貫通方向)の寸法が一番大きい。電極５の熱膨張率(即ち炭化珪素の熱膨張率)に対して、ボルト９及びナット１１の熱膨張率が小さすぎると、高温酸素雰囲気下で各部が熱膨張した際に、挟持されている部材の合計の熱膨張量が、ボルト９及びナット１１の熱膨張量よりも大きくなりすぎる場合が考えられる。この場合には、略Ｌ字型の電極板を用いていても、再びボルト９の軸部２３にかかる曲げ応力が増大して、ボルト９の破損につながる場合もある。本実施形態のヒータユニット１は、ボルト９及びナット１１の熱膨張率が、電極５の材料である炭化珪素の熱膨張率に対して９５％〜１００％の割合としているので、ボルト９及びナット１１の熱膨張率が小さすぎることなく、ボルト９の破損を良好に抑制できる。
【００２６】
また、電極５の熱膨張率(即ち炭化珪素の熱膨張率)に対して、ボルト９及びナット１１の熱膨張率が大きいと、高温酸素雰囲気下で各部が熱膨張した際に、ボルト９及びナット１１の熱膨張量が、挟持されている部材の合計の熱膨張量よりも大きくなりすぎる場合が考えられる。この場合、挟持されている各部材間に隙間が発生し、接触抵抗の増加及び放電現象が生じること場合が考えられ、電極５や電極板７の破損につながることも考えられる。本実施形態では、前述のように、ボルト９及びナット１１の熱膨張率が、電極５の材料である炭化珪素の熱膨張率に対して９５％〜１００％の割合である。よって、ボルト９及びナット１１の熱膨張率は電極５の熱膨張率と同じか、少し小さいので、高温酸素雰囲気下で各部が熱膨張しても、挟持されている各部材間に隙間は発生しない。これによって、本実施形態のヒータユニット１は、高温酸素雰囲気下の使用においても、電極５と電極板７との間における隙間の発生に起因する接触抵抗の増加及び放電現象の発生を抑制し、電極５や電極板７の破損を抑制できる。
【００２７】
（２）各構成部品の寸法
次に、各構成部品の具体的な寸法関係について図５を参酌して説明する。図５は各構成部品における寸法を示す概略図である。図５に示されるように、ボルト９が貫通する貫通方向ｘにおいて、電極５の固定部１５の厚さをＴ１とし、電極板７における第１壁部７ｂの厚みをＴ２とする。本実施形態において、このＴ２は、０．１５ｍｍ〜０．５ｍｍが好ましい。本実施形態において、ワッシャ１３ｂ〜１３ｄの厚みは等しいので、各ワッシャの厚みをＴ３／３とすると、３つのワッシャ１３ｂ〜１３ｄの合計の厚みはＴ３となる。
【００２８】
電極５の固定部１５、電極板７の第１壁部７ｂ及びワッシャ１３ｂ〜１３ｄの合計厚さ（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）を挟持部合計長さＴとする。すなわち、挟持部合計長さＴは、電極５と電極板７とワッシャ１３ｂ〜１３ｄとの貫通方向ｘにおけるボルト９とナット１１とに挟持された厚さである。ヒータ使用時の温度における挟持部合計長さＴとは、ヒータを使用している時の各部材の温度における合計厚さである。ヒータの温度と、各部材の温度とは、必ずしても一致していない。
【００２９】
ボルト９とナット１１とを螺合させ、ボルト９の頭部２１とワッシャ１３ｂとが接する位置から、ナット１１とワッシャ１３ｄとが接する位置までの貫通方向ｘにおける長さをボルトナット長さＬとする。すなわち、ボルトナット長さＬは、ボルト９とナット１１とを螺合させたときの、頭部２１の裏面２７から、ナット１１の頭部２１側の面２９までの貫通方向ｘにおける長さである。
【００３０】
ヒータ使用前の所定温度(ここでは２５℃)での挟持部合計長さをＴ１１とし、ヒータ使用前の所定温度でのボルトナット長さをＬ１１とする。ボルト９とナット１１とによって、電極５と電極板７とワッシャ１３ｂ〜１３ｄとを挟持させない状態において、ボルトナット長さＬ１１を２５℃における挟持部合計長さＴ１１と等しくしておく。その状態から、ヒータの使用温度まで上昇させたときの、ボルトナット長さＬ１１の熱膨張によって延びた後の長さをボルトナット熱膨張長Ｌ２１とする。即ち、ヒータ使用前の所定温度(ここでは２５℃)での挟持部合計長さをＴ１１とし、ヒータ使用前の所定温度でのボルトナット長さをＬ１１とする。Ｌ１１＝Ｔ１１との条件において、電極５と電極板７とワッシャ１３ｂ〜１３ｄとを挟持しない状態で、ナット１１の位置を、ボルトナット長さがＬ１１の状態と同じ位置なるように、ボルト９とナット１１とを螺合させる。この状態からヒータ使用時の温度下にした時の、ボルトナット長さＬ１１の熱膨張によって延びた後の長さをボルトナット熱膨張長Ｌ２１とする。また、ヒータ使用時の温度下にした時の、熱膨張によって延びた後の挟持部合計長さをＴ２１とする。本実施形態では、Ｔ２１からＬ２１を引いた値を、０ｍｍ〜０．０５ｍｍとしている。
【００３１】
前述のように、ボルト９及びナット１１の熱膨張率が、電極５の材料である炭化珪素の熱膨張率に対して９５％〜１００％の割合であるので、ボルト９及びナット１１の熱膨張率は電極５の熱膨張率と同じか、少し小さい。さらに、挟持部合計長さＴ２１からボルトナット熱膨張長Ｌ２１を引いた値が、０ｍｍ以上であるので、確実にＬ２１≦Ｔ２１となる。これによって、ヒータ使用時の高温度下においても、電極５と電極板７との間に隙間が生じないため、接触抵抗の増加及び放電現象が生じることを確実に抑制できる。従って、電極５や電極板７の破損の発生を抑制できる。なお、挟持部合計長さＴ２１からボルトナット熱膨張長Ｌ２１を引いた値が、０ｍｍより小さくなる(Ｔ２１≦Ｌ２１)と、電極５と電極板７との間に隙間が生じてしまう。
【００３２】
本実施形態では、挟持部合計長さＴ２１からボルトナット熱膨張長Ｌ２１を引いた値を０．０５ｍｍ以下としている。これは、０．０５ｍｍより大きくなると、略Ｌ字型の電極板７を用いていても、再びボルト９の軸部２３にかかる曲げ応力が増大して、ボルト９の破損につながる可能性が出てくる場合もあるからである。０．０５ｍｍ以下であれば、ボルト９の軸部２３にかかる曲げ応力を確実に緩和でき、これにより、本ヒータユニット１は、高温酸素雰囲気下の使用においても、ボルト９の破損をより確実に抑制して、より安定した長期間の使用を可能とする。
【００３３】
このように、熱膨張によって延びた状態での挟持部合計長さＴ２１とボルトナット熱膨張長Ｌ２１との関係を直接に規定することにより、本実施形態のヒータユニット１は、電極５や電極板７の破損抑制効果と、ボルト９の破損抑制効果との両立性をより一層高め、より安定した通電状態を維持した長期間の使用を可能とする。
【符号の説明】
【００３４】
１  ヒータユニット
３  ヒータ
５  電極
７  電極板
７ｂ  第１壁部
７ｃ  脚部
７ｄ  第２壁部
９  ボルト
１１  ナット
１３ｂ〜１３ｄ  ワッシャ
７ａ，１３ａ，１５ａ  貫通孔
１５  固定部
１５ｂ  側面(第１の面)
１５ｃ  下面(第２の面)
１５ｄ  側面
２１  頭部
２３  軸部
２５  ネジ部
２７  （頭部の）裏面
２９  （頭部側の）面
【図１】
2016225062.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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