JP2003297534A - カーボンワイヤー封入ヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 黒点の発生が抑制され、発熱ムラの少ない、
発熱特性が良好なカーボンワイヤー封入ヒータを提供す
る。 【解決手段】 カーボンファイバーを複数本用いて編み
こんだカーボンワイヤー４を、石英ガラス部材２０内に
封入したカーボンワイヤー封入ヒータ１において、前記
カーボンワイヤー４の吸着水分量が２×１０^-3ｇ／ｃｍ
³ 以下であることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はカーボンワイヤー封
入ヒータに関し、より詳細には、半導体プロセスにおい
て好適に用いることのできる、発熱特性が良好なカーボ
ンワイヤー封入ヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造プロセスでは、酸化、拡散あ
るいはＣＶＤ処理等の各種熱処理工程において夫々の熱
処理雰囲気中における厳密な温度管理が求められてい
る。また、前記熱処理工程での加熱手段は、不純物金属
等の半導体性能を劣化させる物質の発生源とならないこ
とも必須の要件とされ、このことより、従来から、例え
ば、タングステン等からなる発熱体の外側を石英ガラス
管で覆ったヒータが多く用いられている。

【０００３】ところで、前記ヒータは、例えば、半導体
製造プロセス分野等において使用した場合、タングステ
ン等からなる発熱体を覆っている石英ガラス管が万一破
損すると、雰囲気あるいは洗浄液、研磨液等を金属汚染
することとなり、ひいてはウエハが汚染するという問題
があった。また、前記石英ガラス管が破損しなくとも、
前記発熱体から前記石英ガラス管を介して、金属汚染す
るという問題があった。

【０００４】本発明者等は、不純物金属汚染防止の観点
から、特に、金属質発熱体に比べて、半導体製造用ヒー
タとして好適に使用することができるカーボンワイヤー
封入ヒータを提案した（特開２０００−２１８９０号公
報）。このカーボンワイヤー（発熱体）は、極細いカー
ボン繊維を束ねたカーボンファイバー束を複数束編み上
げて作製したものであり、従来の金属発熱体に比べて、
熱容量が小さく昇降温特性に優れ、また非酸化性雰囲気
中では高温耐久性にも優れている。また、細いカーボン
繊維の繊維束を複数本編んで作製されたものであるた
め、むくのカーボン材からなる発熱体に比べフレキシビ
リティに富み、半導体製造用ヒータとして種々の構造、
形状に容易に加工できるという利点を有している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近、特に
半導体製造工業分野においては、半導体回路の大容量集
積化のためウエハの大口径化傾向になり、加えてコスト
削減のため歩留まり向上要求が強くなり、これらの要求
に対応するため、従来より、更に一層厳密な温度調節管
理が要求されるようになっている。そのため、処理炉等
を所望の状態に加熱できる、発熱ムラの少ないヒータの
出現が望まれている。

【０００６】このカーボンワイヤー封入ヒータは、前記
したように不純物金属汚染防止の観点からは非常に優れ
たものであるが、ヒータ使用時において、カーボンワイ
ヤーを封入したエレメントパイプ（石英ガラス管）内面
に黒点の発生が認められた。特に、直線状の発熱部を有
し、その両端に屈曲部を介して端子部を有する、側面形
状がコ字状のカーボンワイヤー封入ヒータにおいて、こ
の黒点の発生が顕著に認められた。このような、カーボ
ンワイヤーを封入したエレメントパイプ（石英ガラス
管）内面における黒点の発生は、ヒータからの輻射熱を
遮断、遮蔽するため、発熱ムラの原因になり、好ましい
ものではない。

【０００７】そこで、本願発明者らは、黒点の発生原因
について鋭意研究した結果、エレメントパイプ（石英ガ
ラス管）に封入されるカーボンワイヤーの吸着水分量が
影響していること、またエレメントパイプ（石英ガラス
管）内径が影響していることを知見し、本発明を完成す
るに到った。

【０００８】本発明は、上記技術的課題を解決するため
になされたものであり、黒点の発生が抑制され、発熱ム
ラの少ない、発熱特性が良好なカーボンワイヤー封入ヒ
ータを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
になされた本発明にかかるカーボンワイヤー封入ヒータ
は、カーボンファイバーを複数本用いて編みこんだカー
ボンワイヤーを、石英ガラス部材内に封入したカーボン
ワイヤー封入ヒータにおいて、前記カーボンワイヤーの
吸着水分量が２×１０^-3ｇ／ｃｍ³ 以下であることを特
徴としている。

【００１０】石英ガラス部材内に封入したカーボンワイ
ヤーは、比較的多量の水分を吸着している。そのため、
下記の反応式に示すように、昇温時にこの吸着水分とカ
ーボンワイヤーとが反応し、一方冷却されるとその反応
分子が黒点としてエレメントパイプ（石英ガラス管）内
面に付着する。 反応式 Ｃ ＋ Ｈ₂ Ｏ ⇔ ＣＯ ＋Ｈ₂ したがって、前記反応を抑制するため、石英ガラス部材
内に封入するカーボンワイヤーの吸着水分量を２×１０
^-3ｇ／ｃｍ³ 以下とした。

【００１１】このように、本発明にかかるカーボンワイ
ヤー封入ヒータにあっては、吸着水分量が２×１０^-3ｇ
／ｃｍ³ 以下のカーボンワイヤーが用いられるため、黒
点の発生は抑制され、発熱ムラの少ない、良好な発熱特
性を得ることができる。

【００１２】ここで、前記石英ガラス部材が管状であ
り、前記カーボンワイヤーの直径と石英ガラス管の内径
との比率が１：２〜５であることが望ましい。

【００１３】カーボンワイヤーの直径を１としたとき
の、石英ガラス管の内径の比率が２未満の場合、カーボ
ンワイヤーと石英ガラス管の内面とが接触する可能性が
高く、また接触していない部分においてもカーボンワイ
ヤーから石英ガラス管の内面までの距離が非常に近い。
そのため、前記黒点分子が発生した場合、石英ガラス管
の内部に分散せず、最短距離にある石英ガラス管の内面
に黒点が集中的に形成される。その結果、カーボンワイ
ヤー封入ヒータの外観から黒点が確認でき、また、かか
る部分において発熱ムラが生じるため、好ましくない。

【００１４】一方、カーボンワイヤーの直径を１とした
ときの、石英ガラス管の内径の比率が５を超える場合に
は、石英ガラス管の熱容量が大きくなり、昇降温時の熱
応答性が低下するため、好ましくない。

【００１５】また、前記カーボンワイヤー封入ヒータ
が、直線状の発熱部を有し、その両端に屈曲部を介して
端子部を有するコの字状カーボンワイヤー封入ヒータで
あって、前記カーボンワイヤーが、前記石英ガラス管の
中心部から偏心して配置されていることが望ましい。前
記したように、吸着水分量が２×１０^-3ｇ／ｃｍ³ 以下
のカーボンワイヤーを用いる場合には、カーボンワイヤ
ーが石英ガラス管の中心部から偏心配置されていても黒
点の発生は抑制され、発熱ムラの少ない発熱特性の良好
なカーボンワイヤー封入ヒータを得ることができる。ま
た、カーボンワイヤーの直径を１とした場合の石英ガラ
ス管の内径の比率が２〜５ある場合には、カーボンワイ
ヤーが石英ガラス管の中心部から偏心配置されていても
黒点の発生は抑制され、発熱ムラの少ない発熱特性の良
好なカーボンワイヤー封入ヒータを得ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明にかかる一実施形態につい
て、図１乃至図３に基づいて説明する。なお、図１は、
直線状の発熱部を有しその両端に屈曲部を介して端子部
を有する側面形状がコの字状カーボンワイヤー封入ヒー
タの概略断面図であり、図２はカーボンワイヤーの概略
図であり、図３はカーボンワイヤー封入ヒータの直線状
の発熱部の概略断面図である。

【００１７】このカーボンワイヤー封入ヒータ１は、図
１に示すように直線状の発熱部２と、前記発熱部２の両
端に設けられた端子部３とからなり、側面コの字状の形
状をなしている。前記発熱部２は、カーボンファイバー
束からなる発熱体としてのカ−ボンワイヤー４を収容し
た石英ガラス管２０からなり、直線状部２１を備えてい
る。この石英ガラス管２０は、前記直線状部２１と、そ
の両端において屈曲し端子部３に連結する屈曲部２２
と、端子部３の一部を構成する大径部２３とを有してい
る。なお、前記石英ガラス管２０の内径Ｃは、図３
（ａ）に示すように、後述するカーボンワイヤーの直径
Ｄを１とした場合、その比率が２〜５になるように形成
されている。なお、カーボンワイヤー４が多少変化し、
楕円形状になる場合があるが、この場合には、前記楕円
の短径を１とし、上記比率になるように石英ガラス管２
０の内径Ｃを決定する。

【００１８】また、前記端子部３は接続線３１を１本有
するものであり、１つのヒータ１に対して、図１に示す
ように端子部３が２個必要となる。これら端子部３は構
造が同じため、一の端子部３について説明する。この端
子部３は、端子部３を構成する前記石英ガラス管２０の
大径部２３と、前記大径部２３の内部に収容された直管
３２と、前記直管３２に圧縮収納された複数のワイヤー
カーボン材３３と、前記石英ガラス管２０の端部を封止
する封止ガラス管３４と、封止ガラス管３４に設けられ
たタングステン（Ｗ）からなる接続線３１とを備えてい
る。

【００１９】前記カーボンワイヤー４は、直管３２に圧
縮収納された複数のワイヤーカーボン材３３に圧縮状態
で挟み込ませた構造によって接続され、このワイヤーカ
ーボン材３３に接続線３１が接続している。

【００２０】次に、図２に基づいてカーボンワイヤー４
について説明する。このカーボンワイヤー４は、極細い
カーボン単繊維を束ねたカーボンファイバー束を、編紐
形状、あるいは組紐形状に複数束編み上げて作製したも
のであり、従来の金属製やＳｉＣ製の発熱体に比べて、
熱容量が小さく昇降温特性に優れ、また非酸化性雰囲気
中では高温耐久性にも優れている。

【００２１】また、細いカーボン単繊維の繊維束を複数
本編んで作製されたものであるため、ムクのカーボン材
からなる発熱体に比べフレキシビリティに富み、形状変
形順応性や加工性に優れている。具体的には、前記カー
ボンワイヤー４として、直径５乃至１５μｍのカーボン
ファイバー、例えば、直径７μｍのカーボンファイバー
を約３０００乃至３５００本程度束ねたファイバー束を
１０束程度用いて直径約２ｍｍの編紐、あるいは組紐形
状に編み込んだ等のカーボンワイヤーが用いられる。

【００２２】また、カーボンワイヤー４として、吸着水
分量が２×１０^-3ｇ／ｃｍ³ 以下のカーボンワイヤーが
用いられる。このように、カーボンワイヤー４は吸着水
分量が少ないため、昇温時に、吸着水分とカーボンワイ
ヤーとの反応が抑制される。その結果、石英ガラス管２
０の内面に対する反応分子（黒点）の付着が抑制され
る。なお、昇温時に、２×１０^-3ｇ／ｃｍ³ 以下の吸着
水分とカーボンワイヤーとの反応がたとえ生じても、こ
の場合は、黒点とはならず、ヒータの発熱特性に影響を
及ぼさない程度の薄黒膜が石英ガラス管２０の内面に付
着するに過ぎない。

【００２３】前記カーボンワイヤーの編み込みスパンは
２乃至５ｍｍ程度である。なお、前記編紐あるいは組紐
形状のカーボンワイヤー４は、表面にカーボンファイバ
ーの毛羽立ち４ａを有することが好ましく、この毛羽立
ちとは、カーボンファイバー（単繊維）が切断されたも
のの一部が、カーボンワイヤーの外周面から突出したも
のである。なお、このカーボンファイバーによる表面の
毛羽立ちは０．５乃至２．５ｍｍ程度であることが好ま
しい。

【００２４】また、発熱性状の均質性、耐久安定性等の
観点及びダスト発生回避上の観点から、前記カーボンフ
ァイバーは、高純度であることが好ましく、カーボンフ
ァイバー中に含まれる不純物量が灰分重量として１０ｐ
ｐｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、カー
ボンファイバー中に含まれる不純物量が灰分重量として
３ｐｐｍ以下である。

【００２５】そして、前記カーボンワイヤー４を、石英
ガラス管２０の内部において、前記毛羽立ち４ａのみが
石英ガラス管の内壁と接触し、カーボンワイヤー４の本
体は実質的に接触しないように挿入することが好まし
い。そのようにすることによって、石英ガラス（ＳｉＯ
₂ ）とカーボンワイヤーの炭素（Ｃ）との高温下におけ
る反応が極力抑えられ、石英ガラスの劣化、カーボンワ
イヤーの耐久性の低下が抑制される。

【００２６】しかしながら、図１に示すように、前記カ
ーボンワイヤー封入ヒータ１が直線状の発熱部２を有
し、その両端に屈曲部を介して端子部３を有する、側面
形状がコの字状のヒータであるため、前記カーボンワイ
ヤー４は石英ガラス２０の中心部から偏心配置される。
即ち、図３（ａ）に示すように、カーボンワイヤー４が
前記石英ガラス管２０内で偏心配置され、カーボンワイ
ヤー４と石英ガラス管２０の内面とが接触する。

【００２７】このとき、前記石英ガラス管２０の内径Ｃ
は、図３（ａ）に示すように、カーボンワイヤー４の直
径Ｄを１とした場合、その比率が２〜５になるように形
成されている。このようにカーボンワイヤー４の直径Ｄ
を１とした場合、石英ガラス管２０の内径Ｃの比率が２
〜５になるように形成されているため、カーボンワイヤ
ー４と石英ガラス管４の内面との接触部分Ａの面積を少
なくすることができる。一方、図３（ｂ）に示すよう
に、カーボンワイヤー４の直径Ｄを１とした場合、その
比率が２未満の場合、カーボンワイヤー４と石英ガラス
管２０の内面との接触部分Ｂの面積が大きくなり好まし
くない。

【００２８】また、石英ガラス管２０の内径Ｃの比率を
２〜５になるように形成されているため、接触していな
い部分においてもカーボンワイヤー４から対向する石英
ガラス管２０の内面までの距離ｄが長い。そのため、前
記黒点（反応分子）が発生したとしても、石英ガラス管
２０内部に分散し、薄黒膜として石英ガラス管２０の内
部に形成される。このように、石英ガラス管２０の特定
な部分に黒点として集中的に形成されることがないた
め、発熱ムラは生じない。

【００２９】一方、カーボンワイヤー４の直径Ｄを１と
したときの、石英ガラス管の内径Ｃの比率が５を超える
場合には、石英ガラス管２０の熱容量が大きくなり、昇
降温時の熱応答性が低下するため、好ましくない。ま
た、石英ガラス管２０内への黒点は、冷却され易い部分
に発生し易い。したがって、カーボンワイヤー４の直径
Ｄに対し、石英ガラス管２０の内径Ｃが大きくなりすぎ
る（カーボンワイヤー４の直径Ｄを１としたときの、石
英ガラス管の内径Ｃの比率が５を超える）と、図３
（ａ）中の距離ｄが大きくなり、特に、冷却されやすい
部分ａに黒点が発生しやすくなる。

【００３０】以上のことを勘案すると、カーボンワイヤ
ー４の直径Ｄを１とした場合、石英ガラス管２０の内径
Ｃの比率が２〜５になるように形成されているのが好ま
しい。

【００３１】このように構成されたカーボンワイヤー封
入ヒータ１にあっては、吸着水分量が２×１０^-3ｇ／ｃ
ｍ³ 以下のカーボンワイヤー４が用いられているため、
カーボンワイヤー４に電力を供給し、昇降温を繰り返し
ても、黒点の発生は抑制され、発熱ムラが少ない良好な
発熱特性を保つことができる。また、同様に、石英ガラ
ス管２０の内径Ｃが、カーボンワイヤー４の直径Ｄの２
〜５倍である場合にも、黒点の発生は抑制され、発熱ム
ラが少ない良好な発熱特性を保つことができる。

【００３２】

【実施例】吸着水分量の異なったカーボンワイヤーを使
用して、図１に示すコ字状のカーボンワイヤー封入ヒー
タ（直線状部の長さ：７００ｍｍ）を製作し、下記条件
の下で昇温試験をおこなって黒点の発生状況を確認し
た。なお、ヒータ製作時の石英ガラス管２０内部の圧力
は、ヒータ温度１２００℃で１ｔｏｒｒにて行なった。 昇温条件 昇温雰囲気：大気解放系 エレメント温度：１３５０℃ 動作時間：２４０ｈ その結果を、表１に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】このように、吸着水分量の小さいカーボン
ワイヤーを使用したカーボンワイヤー封入ヒータについ
ては、黒点の発生は認められなかった。

【００３５】また、内径の異なった石英ガラス管を４種
類使用して、図１に示すコ字状のカーボンワイヤー封入
ヒータ（直線状部：８００ｍｍ）を製作し、下記条件の
下で昇温試験をおこなって黒点の発生状況を確認した。
なお、ヒータ製作時の石英ガラス管２０内部の圧力は、
ヒータ温度１２００℃で１ｔｏｒｒにて行なった。水分
吸着量が１×１０^-4ｇ／ｃｍ³ 以下のカーボンワイヤー
を用いた。 昇温条件 昇温雰囲気：大気解放系 エレメント温度：１４００℃ 動作時間：１ｈ その結果を、表２に示す。

【００３６】

【表２】

【００３７】このように、カーボンワイヤーの直径を１
とし、石英ガラス管の内径の比率が２〜５である場合に
は、黒点の発生が抑制されることが認められた。なお、
比較例３にあっては熱容量が大きく、熱応答性に劣るも
のであった。

【００３８】また、内径３ｍｍと１０ｍｍの石英ガラス
管を使用して、図１に示すコ字状のカーボンワイヤー封
入ヒータを製作し、下記条件の下で昇温試験をおこなっ
て黒点の発生状況を確認した。なお、ヒータ製作時の石
英ガラス管２０内部の圧力は、ヒータ温度１２００℃で
１ｔｏｒｒにて行なった。水分吸着量が１×１０^-4ｇ／
ｃｍ³ 以下のカーボンワイヤーを用いた。 昇温条件 昇温雰囲気：ヒーターパイプの外側に断熱用パイプをセ
ットして昇温 エレメント温度：１６００℃ 動作時間：１ｈ その結果を、表３に示す。

【００３９】

【表３】 注）＊１は直線状部（発熱部）の石英ガラス管にのみ発
生したことを意味する。 ＊２は直線状部（発熱部）の石英ガラス管に薄黒膜が発
生したことを意味する。 ＊３は端子部の大径管部の石英ガラス管に黒点が発生し
たことを意味する。

【００４０】比較例４にあっては、黒点だけでなく白点
（Ｓｉ）まで発生した。石英ガラス管の内径を大きくす
ることによって、黒点および白点（Ｓｉ）の抑制効果が
あることが認められた。

【００４１】

【発明の効果】上述したように、本発明にかかるカーボ
ンワイヤー封入ヒータによれば、黒点の発生が抑制さ
れ、発熱特性が良好なカーボンワイヤー封入ヒータを得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、直線状の発熱部を有しその両端に屈曲
部を介して端子部を有する側面コの字状カーボンワイヤ
ー封入ヒータの概略断面図である。

【図２】図２は、カーボンワイヤーの概略図である。

【図３】図３は、カーボンワイヤー封入ヒータの直線状
の発熱部の概略断面図である。

【符号の説明】

１ カーボンワイヤー封入ヒータ ２ 発熱部 ３ 端子部 ４ カーボンワイヤー ２０ 石英ガラス管 ２１ 直線状部 ２２ 屈曲部 ２３ 大径部 ３１ 接続線 ３２ 直管 ３３ ワイヤーカーボン材 ３４ 封止ガラス管 Ａ 接触部分 Ｂ 接触部分 Ｃ 石英ガラス内径 Ｄ カーボンワイヤー直径 ｄ 石英ガラス管内面までの距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本間 浩幸 山形県西置賜郡小国町大字小国町378番地 東芝セラミックス株式会社小国事業所内 (72)発明者 森 宏 山形県西置賜郡小国町大字小国町378番地 東芝セラミックス株式会社小国事業所内 (72)発明者 斎藤 孝規 東京都港区赤坂五丁目３番６号 ＴＢＳ放 送センター 東京エレクトロン株式会社内 (72)発明者 中尾 賢 東京都港区赤坂五丁目３番６号 ＴＢＳ放 送センター 東京エレクトロン株式会社内 Ｆターム(参考） 3K092 PP09 PP20 QA02 QB16 QB33 QC11 QC16 QC42 QC59 RA06 SS03 SS14 SS21 TT07 TT08 TT36 UB02 VV22

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カーボンファイバーを複数本用いて編み
   こんだカーボンワイヤーを、石英ガラス部材内に封入し
   たカーボンワイヤー封入ヒータにおいて、 前記カーボンワイヤーの吸着水分量が２×１０^-3ｇ／ｃ
   ｍ³ 以下であることを特徴とするカーボンワイヤー封入
   ヒータ。
2. 【請求項２】 前記石英ガラス部材が管状であり、前記
   カーボンワイヤーの直径と石英ガラス管の内径との比率
   が１：２〜５であることを特徴とする請求項１に記載さ
   れたカーボンワイヤー封入ヒータ。
3. 【請求項３】 前記カーボンワイヤー封入ヒータが、直
   線状の発熱部を有し、その両端に屈曲部を介して端子部
   を有するコの字状カーボンワイヤー封入ヒータであっ
   て、 前記カーボンワイヤーが、前記石英ガラス管の中心部か
   ら偏心して配置されていることを特徴とする請求項２に
   記載されたカーボンワイヤー封入ヒータ。