JP2003178864A - 電子加熱ホットプレート装置 - Google Patents
電子加熱ホットプレート装置Info
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Abstract
ト１とカソード基板４で構成される電子加熱ホットプレ
ート装置において、前記カソード基板の表面にカーボン
ナノチューブを塗布してあることを特徴とする電子加熱
ホットプレート装置。
Description
に関する。
ーター線２０に通電してそのヒーター線からの熱伝導で
サンプルホルダー２１を加熱する。被加熱サンプル２２
はサンプルホルダーからの熱伝導で加熱される。このヒ
ーター線を用いた加熱方式ではヒーター線の温度がもっ
とも高く、次がサンプルホルダー、もっとも温度が低い
のが被加熱サンプルである。例えば被加熱サンプルを６
００℃に加熱したい場合にはヒーター線の温度を１００
０℃にしなければならない場合がある。ヒーター線は耐
熱性の高い丈夫な素材で作らなければならない。ヒータ
ー線を丈夫に作ることからホットプレート２３全体の熱
容量が大きくなる。熱容量の大きなホットプレートを昇
温するためにヒーター線には大きな電力を供給する必要
がある。電力消費が大きい上に熱容量が大きいことで急
熱急冷も困難である。ヒーター線はまばらにしか配置で
きないのでサンプルホルダーの均熱性を向上させるため
にリフレクター２４を配置するなどの工夫がなされてい
るがヒーター線が近接する部分とヒーター線から遠い部
分でのサンプルホルダーの温度差の解消は困難である。
この温度差を減少させようとするとホットプレートの熱
容量がさらに増大する傾向になるので消費電力および急
熱急冷が困難という問題が顕在化する。ヒーター線方式
のホットプレートが抱える上記課題を軽減する加熱方式
としてランプ加熱方式が開発されている。ランプ加熱方
式のホットプレートの構成図を図７に示す。サンプルホ
ルダー２１の上に載せた被加熱サンプルの上方にハロゲ
ンランプ２５を配置して点灯し、このランプからの輻射
光によって前記被加熱サンプルを昇温させる。サンプル
ホルダーの構造が単純であるので熱容量が軽く急熱急冷
が行える長所を備える。特にサンプルホルダーを水冷等
で強制的に低温に保ちながらランプ照射による加熱を行
う際にはランプ消灯後は冷却されたサンプルホルダーか
らの熱伝導で被加熱サンプルを急冷することができる。
加熱方式においてもランプ自身が被加熱サンプルと比較
して高温である課題を抱えている。ランプは熱線に加え
て光も放射するのでランプで消費される電力の一部しか
被加熱サンプルの加熱に寄与されない。このため、被加
熱サンプルの昇温には大きな電力消費がなされてしま
う。サンプルホルダーが冷却されている場合にはランプ
からの熱線の熱量の一部がこのサンプルホルダーによっ
て消費されてしまうので加熱のための電力消費は相対的
に大きくなる。このように従来の加熱方式はヒーター加
熱方式のように昇温降温速度が遅い問題やランプ加熱方
式のように加熱に要する電力消費が大きいといった課題
を抱えていた。昇温降温速度と加熱電力消費の両方の特
性を満足することはできなかった。
プレート装置は、被加熱サンプルと接する導電性のホッ
トプレート１とカソード基板４で構成される特徴に加え
て、前記カソード基板の表面にカーボンナノチューブを
塗布してあることを第１の特徴とし、第２に、第１の特
徴に加えて前記カソード基板が固定されていて、ホット
プレートが回転運動することを特徴とし、第３に、被加
熱サンプルと接する絶縁性のホットプレート１とカソー
ド基板４で構成される電子加熱ホットプレート装置にお
いて、前記絶縁性のホットプレートが一部開口していて
被加熱サンプルの導電性面が前記カソード基板方向に露
出していることと、前記カソード基板の表面にカーボン
ナノチューブを塗布してあることを特徴とし、第４に、
第１から第３のいずれかの特徴に加えて、前記カソード
基板の中心部分には前記カーボンナノチューブが塗布さ
れていないことを、第５に、第１または第２のいずれか
の特徴に加えて、前記ホットプレートが絶縁性の基材と
その基材の裏面に導電性コーティング層を形成した構造
であることを特徴とする。
装置において、被加熱サンプルと接する導電性のホット
プレート１とカソード基板４で構成される特徴に加え
て、前記カソード基板の表面にカーボンナノチューブを
塗布してある第１の特徴を備えている場合には、電子の
電界放出材料として放出閾値電界を下げる効果がある先
鋭な構造を備えるカーボンナノチューブをカソード基板
に塗布する。この塗布されたカーボンナノチューブの一
部の結晶はホットプレートの方向に起立配向している。
カソード基板とホットプレートとを略平行対向配置させ
てホットプレートに対してカソード基板を負電位にする
ことでカーボンナノチューブの先鋭な構造の端部から電
子を放出させて放出した電子を前記負電位による電界で
加速させてホットプレートに照射する。照射されたホッ
トプレートは電子が持つエネルギーによって加熱する。
ホットプレートは加速した電子が照射されることで加熱
されるが、電子を放出するカソード基板は電子を出すだ
けであるので加熱されない。ホット電子が抜き取られる
という現象に注目するともしろ冷却される。カソード基
板は抜き取られる電子がカソード基板中やカーボンナノ
チューブを伝導する際に発生するジュール熱や隣接する
ホットプレートからの熱輻射によって昇温する。これら
の冷却や昇温の作用の大小関係によって若干降温したり
昇温したりする。第２に、第１の特徴に加えて前記カソ
ード基板が固定されていて、ホットプレートが回転運動
する特徴を備える場合には、電子放出源であるカソード
基板とホットプレート（アノード電極）とが接触してい
る必要がないので互いに独立に移動させられる。ホット
プレートを回転させることもできる。この場合、ホット
プレートの電位を定めるためにホットプレートには電極
を接しておく必要はある。第３に、被加熱サンプルと接
する絶縁性のホットプレート１とカソード基板４で構成
される電子加熱ホットプレート装置において、前記絶縁
性のホットプレートが一部開口していて被加熱サンプル
の導電性面が前記カソード基板方向に露出していること
と、前記カソード基板の表面にカーボンナノチューブを
塗布してある特徴を備える場合には、電子が導電性の電
極（アノード電極）に集まる性質を利用して被加熱サン
プルの一部を導電性として前記サンプルの他の部分およ
びホットプレートを絶縁性にすることで前記導電性の部
分だけに電子を集中させてその部分だけを集中的に加熱
する。第４に、第１から第３のいずれかの特徴に加え
て、前記カソード基板の中心部分には前記カーボンナノ
チューブが塗布されていない特徴を備える場合には最も
温度が上昇しやすい中心部分に対応するカソード基板中
心部分に電子源を配置しないことで中心部分には電子加
熱を作用させない。第５に、第１または第２のいずれか
の特徴に加えて、前記ホットプレートが絶縁性の基材と
その基材の裏面に導電性コーティング層を形成した構造
である特徴を備える場合には、被加熱サンプルを搭載す
るホットプレート表面は絶縁性であり、裏面は導電性の
コーティング層が形成されている。この構造は、コーテ
ィング層ではカソード基板から放出された電子を加速し
て受け止める機能を分担して、絶縁基材では電子を被加
熱サンプルに漏らさずに加熱だけを行う機能を分担す
る。
する。図１は真空装置内で半導体基板を加熱処理するた
めのホットプレート１を描いたものである。３００ミリ
メートル直径のシリコンウェハ１００が加熱ステージ２
の上に固定されている。この加熱ステージは外径が３４
０ｍｍで高さが２ｍｍの略円筒形である。曲面状の側面
と円盤状の天板で構成されている。モリブデンの厚み
０．３ｍｍの材料で形成した。この側面の下端はアルミ
ナ絶縁物製の絶縁スペーサー２に気密接続されている。
絶縁スペーサの高さは５ｍｍである。この絶縁スペーサ
の下端は外径３４０ｍｍ、厚み２ｍｍのステンレス製で
円盤状の底板３に接続されている。この底板３の上には
カソード基板４が固定されている。カソード基板はステ
ンレス製の円盤で厚みが４ｍｍである。上面にはカーボ
ンナノチューブがスクリーン印刷で全面塗布されてい
る。このカーボンナノチューブは直径は数ナノメートル
から数十ナノメートルの範囲のチューブが約５０ミクロ
ン間隔でほぼ垂直方向に起立配向している。図の容器は
真空容器になっている。ゲッター７を内蔵していて１０
＾−５Ｐａ台の真空度を維持している。カソード電極に
マイナス高圧を印加して、接地（ゼロ）電位のホットプ
レート１との間に電界を発生させる。カソード基板から
放出された電子１０は等電位面に沿って加速されてホッ
トプレートに照射される。照射されたホットプレートは
電子の持つエネルギーで加熱される。本実施例では対向
したカソード基板とホットプレートとの距離は約３ｍｍ
である。カソード基板に−３ｋＶの電位を与えると電子
が放出し始めて−１０ｋＶの電位を与えると１００ｍＡ
／ｃｍ＾２の電子が放出される。この電子によって単位
平方センチメートル当たり１ｋＷの電力がホットプレー
トに供給されてこの電力によってホットプレートが加熱
される。
構成図を示した。真空容器に内蔵したホットプレートの
例である。真空容器内部に固定された底板３の上に銅製
のカソード基板４が載せてある。このカソード基板表面
には予めＣＶＤ法でＣＮＴが配向成長されている。この
カソード基板上方には回転式のホットプレート１が配置
されている。ホットプレートの上には１２インチサイズ
のシリコン基板が被加熱サンプル１００として搭載され
ている。略円筒形ホットプレート１の側面にはスプリン
グ電極５が接している。カソード基板は接地（ゼロ）電
位であり、ホットプレート１にはスプリング電極５を介
して正電位が与えられる。スプリング電極には５ｋＶを
与える。ホットプレートとカソード電極の対向ギャップ
は２ｍｍに調整してある。この実施例ではカソード電極
近傍は真空容器が大気状態では大気状態で、真空状態で
は真空状態である。特別に真空にするための機能を備え
ていないホットプレートの例である。
ートが絶縁性サンプルホルダー９を備えていることが特
徴である。図３に構成図を示す。マザーボードとして機
能する回路を備えたシリコン基板（被加熱サンプル１０
０）に小さな導電性突起８を接合させる装置の例であ
る。図２において、絶縁性のホットプレートのところど
ころに貫通向が設けてある。カソードを飛び出した電子
１０は導電性突起に集められる。結果として導電性突起
部分が集中的に加熱される。シリコン基板の特定の数箇
所に導電性突起を融着する場合に適用される。この例に
類似した例として絶縁性サンプルホルダーの中央付近を
大きく開口しておいて被加熱サンプル自身に導電性パタ
ーンをレイアウトしておく例がある。本ホットプレート
では外部電極に接続して正の高電圧を印加した導電性パ
ターン部分だけに集中的に加速された電子を集めて局部
加熱することができる。導電性パターンを微細加工して
おけばその微細加工に応じた局所過熱が可能である。
ド基板４の上のＣＮＴ塗布パターンについて描いたもの
である。導電性のカソード基板の上に同心円状に三重に
ＣＮＴをスクリーン印刷で塗布した。加熱するホットプ
レート（図は省略）を均一に加熱するためにカソード基
板の中心の部分の電子密度を下げて（中心にはＣＮＴを
塗布しない）ＣＮを塗布していることと、ＣＮＴを塗布
した３つの円状パターンが互いに接していないことに特
徴がある。
縁性サンプルホルダー２６の表面に被加熱サンプル１０
０を搭載して、前記ホルダーの裏面には金属コーティン
グ層２７が形成されていることを特徴とした例である。
前記金属コーティング層に対向する位置には５ｍｍの距
離を隔ててカソード基板４が配置されていてこのカソー
ド基板表面にはエミッター材料としてカーボンナノチュ
ーブが塗布されている。前記完全絶縁性ホルダーはその
上に搭載した被加熱サンプルと前記コーティング層とが
完全に絶縁されているという意味である。その基材とし
えはＳｉＯ２（石英）やＡｌ２Ｏ３（アルミナ）などの
耐熱性を備えた絶縁物が使用される。前記金属コーティ
ング層にはニッケルなどのメッキ層を用いる場合もある
し、グラファイト粉をガラスペーストに混入させて導電
性を持たせたものを塗布する場合もある。カソード基板
は導電性の素材を用いる。銅やステンレスを用いる場合
がある。カソード基板から放出された電子はカソード基
板と前記コーティング層の間に印加された電圧で加速さ
れて前記コーティング層に突入してそのエネルギーで前
記完全絶縁性ホルダーが昇温する。
用いると均一な加熱、急速な昇温降温、低消費電力での
加熱の条件を全て満たした加熱を行える。被加熱サンプ
ルを回転させながら加熱する場合にも単純で低コストな
構造で実現できる。
成図
成図
ソード基板、５はスプリング電極、６はＣＮＴ塗布パタ
ーン、７はゲッター、８は導電性突起、９は絶縁性サン
プルホルダー、１０は電子、１１は等電位面、２０はヒ
ーター線、２１はサンプルホルダー、２２は被加熱サン
プル、２３はホットプレート、２４はレフレクター、２
５はハロゲンランプ、２６は完全絶縁性サンプルホルダ
ー、２７は金属コーティング層、１００は被加熱サンプ
ルである。
Claims (5)
- 【請求項１】被加熱サンプルと接する導電性のホットプ
レート１とカソード基板４で構成される電子加熱ホット
プレート装置において、前記カソード基板の表面にカー
ボンナノチューブを塗布してあることを特徴とする電子
加熱ホットプレート装置。 - 【請求項２】請求項１の電子加熱ホットプレート装置に
おいて、前記カソード基板が固定されていて、ホットプ
レートが回転運動することを特徴とする電子加熱ホット
プレート装置 - 【請求項３】被加熱サンプルと接する絶縁性のホットプ
レート１とカソード基板４で構成される電子加熱ホット
プレート装置において、前記絶縁性のホットプレートが
一部開口していて被加熱サンプルの導電性面が前記カソ
ード基板方向に露出していることと、前記カソード基板
の表面にカーボンナノチューブを塗布してあることを特
徴とする電子加熱ホットプレート装置。 - 【請求項４】請求項１から３のいずれかの電子加熱ホッ
トプレート装置において、前記カソード基板の中心部分
には前記カーボンナノチューブが塗布されていないこと
を特徴とする電子加熱ホットプレート装置。 - 【請求項５】請求項１または２のいずれかの電子加熱ホ
ットプレート装置において、前記ホットプレートが絶縁
性の基材とその基材の裏面に導電性コーティング層を形
成した構造であることを特徴とする電子加熱ホットプレ
ート装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001402604A JP3864088B2 (ja) | 2001-12-11 | 2001-12-11 | 電子加熱ホットプレート装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001402604A JP3864088B2 (ja) | 2001-12-11 | 2001-12-11 | 電子加熱ホットプレート装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003178864A true JP2003178864A (ja) | 2003-06-27 |
| JP3864088B2 JP3864088B2 (ja) | 2006-12-27 |
Family
ID=19190355
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001402604A Expired - Lifetime JP3864088B2 (ja) | 2001-12-11 | 2001-12-11 | 電子加熱ホットプレート装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3864088B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007112661A (ja) * | 2005-10-20 | 2007-05-10 | Bridgestone Corp | 炭化ケイ素単結晶の製造方法及び製造装置 |
| WO2008017632A1 (de) * | 2006-08-10 | 2008-02-14 | Siemens Aktiengesellschaft | Hochstromelektrode |
-
2001
- 2001-12-11 JP JP2001402604A patent/JP3864088B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2007112661A (ja) * | 2005-10-20 | 2007-05-10 | Bridgestone Corp | 炭化ケイ素単結晶の製造方法及び製造装置 |
| WO2008017632A1 (de) * | 2006-08-10 | 2008-02-14 | Siemens Aktiengesellschaft | Hochstromelektrode |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3864088B2 (ja) | 2006-12-27 |
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