JP2004006228A - ヒータ - Google Patents
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Abstract
【課題】ヒータからの汚染物質拡散、特に、発熱体からの不純物金属等の汚染物質の拡散がなく、処理対象物の汚染が抑制されると共に、輻射熱の方向性を有し、垂直面方向の輻射熱をより増大させることができるヒータを提供する。
【解決手段】カーボンワイヤー発熱体５を収容した石英ガラス管２０からなるヒータ部２と、前記ヒータ部の石英ガラス管の両端に設けられた封止端子部３と、前記封止端子部に設けられた接続端子３４とからなるヒータであって、前記石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回し、上下方向に延設される石英ガラス管２１，２３を直線状に形成すると共に、上下部の石英ガラス管２２，２４を円弧状に形成したヒータ部と、ヒータ部の石英ガラス管の両端部が同一面側に延設され、その端部に形成された封止端子部３，３、とを備えている。
【選択図】 図２
【解決手段】カーボンワイヤー発熱体５を収容した石英ガラス管２０からなるヒータ部２と、前記ヒータ部の石英ガラス管の両端に設けられた封止端子部３と、前記封止端子部に設けられた接続端子３４とからなるヒータであって、前記石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回し、上下方向に延設される石英ガラス管２１，２３を直線状に形成すると共に、上下部の石英ガラス管２２，２４を円弧状に形成したヒータ部と、ヒータ部の石英ガラス管の両端部が同一面側に延設され、その端部に形成された封止端子部３，３、とを備えている。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヒータに関し、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輻射熱の方向性を有し、垂直面方向の輻射熱を増大したヒータに関する。
【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棒状、あるいは板状ヒータ等が多く用いられている。
【０００３】
ところで、棒状、板状ヒータは、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発熱体を用いたヒータを提案した（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、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、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】
ところが、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ヒータ、つまり輻射熱の方向性を有するヒータの出現が望まれていた。特に、処理炉の横方向から処理炉を加熱するヒータにおいて、垂直面方向（横方向）の輻射熱を増大したヒータの出現が望まれていた。
【０００６】
例えば、図１１（ａ）に示すように、前記した棒状ヒータ７０を垂直状態に立設すると、垂直面方向の輻射熱は大きくなる。
しかしながら、発熱体７１が一本であるため、輻射熱が伝わる領域は狭い。そのため、輻射熱が伝わる領域を拡げるためには、前記棒状ヒータ７０に隣接して複数の棒状ヒータを設ける必要がある。この場合、棒状ヒータの数に応じた接続端子７２が必要となり、コスト高になるという技術的課題があった。
【０００７】
また、図１１（ｂ）に示すように、板状ヒータ７５の発熱体７６を蛇行して形成することにより、垂直面方向の輻射熱の伝える領域を拡げることができる。しかも、この場合、棒状ヒータ７０の場合のように接続端子７２の数が多くなることもない。しかしながら、上下に蛇行する発熱体７６は一定の間隔ｔをもって形成されているため、垂直面方向の輻射熱をより増大させるには限界があった。
【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、ヒータからの汚染物質拡散、特に、発熱体からの不純物金属等の汚染物質の拡散がなく、処理対象物の汚染が抑制されると共に、輻射熱の方向性を有し、垂直面方向の輻射熱をより増大させることができる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】
上記目的を達成するためになされた本発明にかかるヒータは、カーボンワイヤー発熱体を収容した石英ガラス管からなるヒータ部と、前記ヒータ部の石英ガラス管の両端に設けられた封止端子部と、前記封止端子部に設けられた接続端子とからなるヒータにおいて、前記石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回し、上下方向に延設される石英ガラス管を直線状に形成すると共に、上下部の石英ガラス管を円弧状に形成したヒータ部と、ヒータ部の石英ガラス管の両端部が同一面側に延設され、その端部に形成された封止端子部とを備えることを特徴としている。
【００１０】
このように、石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回し、上下方向に延設される石英ガラス管を直線状に形成すると共に、上下部の石英ガラス管を円弧状に形成し、この石英ガラス管の両端部が同一面側に延設され、その端部に封止端子部が形成されている。
したがって、カーボンワイヤー発熱体からの熱輻射は、円弧状の石英ガラス管からなされる熱輻射は少なく、主に上下方向に延設された直線状の石英ガラス管からなされる。そのため、垂直面方向、即ち、横方向の輻射熱をより増大させることができる。
【００１１】
また、ヒータ部は、石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回して形成されるため、前記直線状の石英ガラス管は輻射方向に対して前後に配設され、しかも、垂直面方向（横向方向）から見た場合、前側の複数の直線状の石英ガラス管の各間に後側の直線状の石英ガラス管が位置する構造となる。即ち、前後に配置された直線状の石英ガラス管からの輻射によって、垂直面方向（横方向）の輻射熱をより増大させることができ、しかも、その間隔を調整することで、垂直面方向での局部的バラツキの小さい熱輻射とすることができる。
【００１２】
更に、ヒータ部の石英ガラス管の両端部が同一面側に延設され、その端部に封止端子部が形成されている。
このように封止端子部がヒータ部の同一面側に形成されているため、電源との接続を容易になすことができる。前記ヒータ部を挟んで封止端子部の形成側と反対側が照射側となる。したがって、封止端子部の形成側に反射板等を配置することにより、輻射をより増大させることができる。
【００１３】
ここで、前記円弧状に形成された石英ガラス管の曲率半径が、石英ガラス管の外径の２倍以上〜５倍以下であることが望ましい。
このように、曲率半径が石英ガラス管外径の２倍未満である場合には、円弧状になす際、石英ガラス管の内部が変形し、カーボンワイヤー発熱体が石英ガラス管の内壁に接触する虞があるため、好ましくない。
また、曲率半径が石英ガラス管外径の５倍を超えるとヒータの幅が大きくなると共に、上下方向の輻射が増大するため、好ましくない。
【００１４】
また、前記石英ガラス管の円弧状に形成されたヒータ部の外周部側の肉厚と内周部側の肉厚の比率が、１：１．１乃至２であることが望ましい。
このように、内周部側の肉厚を大きく形成したため、内周部側の熱容量が大きく、内周部側の輻射を少なくすることができる。
また、前後に配置された直線状の石英ガラス管からの輻射熱が垂直面方向に直交する方向（縦方向）に放射されるのを抑制することができる。
更に、この構造は、螺旋状に巻回した石英ガラス管内にカーボンワイヤー発熱体を所定の引張り力によって収容した本発明のヒータにおいて、応力の大きな部分を補強し、破損等の発生をより防止することができる。
【００１５】
更に、前記円弧状の石英ガラス管は、隣接する円弧状の石英ガラス管と少なくとも、石英ガラス管の外径の１倍乃至３倍の間隔をもって形成されることが望ましい。
石英ガラス管を密に巻回することは、垂直面方向（横方向）輻射熱を増大させることになり、好ましい。
しかし、前記したようにヒータ部は、石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回して形成されるため、前記直線状の石英ガラス管は輻射方向に対して、前後に配設される。したがって、あまり密に巻回すると、後に配置された直線状の石英ガラス管から輻射熱を有効に活用できず、また巻回した石英ガラス管の内周側が異常に高温になる。これを回避するために、石英ガラス管は、石英ガラス管の外径の１倍以上の間隔を設けて、巻回するのが好ましい。
また、３倍以下とすることで、垂直方向での局部的バラツキのより小さい熱輻射とすることができる。
【００１６】
また、前記上部に形成された円弧状の石英ガラス管に内接して設けられたヒータ上部保持部材と、前記下部に形成された円弧状の石英ガラス管に外接して設けられたヒータ下部保持部材と、前記ヒータ上部保持部材とヒータ下部保持部材とを連結する連結部材とからなるヒータ保持部を備えることが望ましい。
このように、ヒータ保持部を設けることにより、ヒータ部の機械的強度を増加させることができ、破損を防止できる。また、ヒータ下部保持部材が設けられているため、設置性が向上する。更に、ヒータ保持部が円弧状に形成された石英ガラス管に取り付けられている、円弧状部の熱容量は大きくなり、上下方向の輻射をより少なくすることができる。
【００１７】
また、前記ヒータ上部保持部材を、上部に形成された円弧状の石英ガラス管の内側に溶接すると共に、前記ヒータ下部保持部材を、下部に形成された円弧状の石英ガラス管の外側に溶接するのが好ましい。
また、前記上部に形成された円弧状の石英ガラス管の内側に所定の間隔をおいて設けられたヒータ上部保持部材と、前記下部に形成された円弧状の石英ガラス管に外接して設けられたヒータ下部保持部材と、前記ヒータ上部保持部材とヒータ下部保持部材とを連結する連結部材とからなるヒータ保持部を備えることが望ましい。
このように、上部に形成された円弧状の石英ガラス管の内側とヒータ上部保持部材との間に、所定の間隔が設けられているため、振動等による石英ガラス管とヒータ上部保持部材との衝突を回避でき、破損を防止できる。この間隔は、０．２ｍｍ以上であることが望ましい。
【００１８】
また、前記ヒータ下部保持部材の下面が、封止端子部の下面より上方に位置していることが望ましい。
ヒータ下部保持部材の下面が、封止端子部の下面より上方に位置しているため、水平面にヒータを設置した場合、ヒータ下部保持部材の下面が設置面に接触することはない。したがって、地震等によって上下の振動が加わっても、ヒータ下部保持部材の下面が設置面に接触することはなく、封止端子部と石英ガラス管とを連結する部分の破損を防止できる。
なお、前記ヒータ下部保持部材の下面が、封止端子部の下面より０．５ｍｍ以上、上方に位置していることが望ましい。０．５ｍｍ以上高低差がある場合には、地震等の上下振動によっても、ヒータ下部保持部材の下面がヒータ下部保持部材の下面が設置面に接触することはなく、破損を防止できる。
【００１９】
また、前記ヒータ上部保持部材、ヒータ下部保持部材が、パイプ状の部材あるいは中実の部材のいずれかもしくはこれらの組み合わせからなることが望ましい。前記ヒータ上部保持部材は、パイプ状の部材のみならず中実の部材、もしくは中実の部材とパイプ状の部材を組み合わせたもののいずれであっても良い。同様に、前記ヒータ下部保持部材も、パイプ状の部材のみならず中実の部材、もしくは中実の部材とパイプ状の部材を組み合わせたもののいずれであっても良い。
【００２０】
また、前記カーボンワイヤー発熱体が、直径５乃至１５μｍのカーボンファイバーを束ねたファイバー束を複数束編み上げてなる編紐形状、あるいは組紐形状のカーボンワイヤー発熱体であることが望ましく、また、前記カーボンワイヤー発熱体が、カーボンファイバーの含有不純物量が灰分重量として１０ｐｐｍ以下であることが望ましい。
このように、カーボンワイヤー発熱体が編紐形状や組紐形状に形成されているものは、引張強度が高く、高熱での耐久性に優れ、しかも容易に変形させることができるため、ヒータ部を構成する螺旋状の石英ガラス管の内部に容易に収容することができる。また、前記カーボンワイヤー発熱体を構成するカーボンファイバーの含有不純物量が灰分重量として１０ｐｐｍ以下と高純度であるため、不純物の拡散を防止できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる一実施形態を図１乃至図６に基づいて説明する。なお、図１は、本発明にかかるヒータの一実施形態を示す斜視図であり、図２は図１に示したヒータにおける封止端子部を断面で示した側面図である。また、図３は石英ガラス管の断面を示す図であって、（ａ）は図２におけるＩ−Ｉ断面図、（ｂ）は図２におけるＩＩ−ＩＩ断面図であり、図４は図１のヒータ部で用いられるカーボンワイヤー発熱体の一例を示す平面図、図５は図１の封止端子部の内部構造を示す断面図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。図６は封止端子部を構成する封止管を示す斜視図である。
【００２２】
このヒータ１は、図１に示すようにヒータ部２と、前記ヒータ部２の両端に設けられた封止端子部３と、前記ヒータ部２を保持するヒータ保持部４とを備えている。
このヒータ部２は、その発熱部が、カーボンファイバー束からなるカ−ボンワイヤー発熱体５を収容した石英ガラス管２０からなり、直線部と円弧部とによって螺旋状になるように形成されている。
即ち、石英ガラス管２０を上下方向に螺旋状に巻回し、上下方向に延設される石英ガラス管２０を直線状に形成すると共に、上下部の石英ガラス管２０を円弧状に形成している。
【００２３】
更に詳すると、この石英ガラス管２０は、図１、図２に示すように、封止端子部３に接続され水平方向に延設された導出部２５と、前記導出部２５に続き上方に直線状に延設された第一の直線部２１と、前記第一の直線部２１に続いて延設された上部円弧部２２と、前記上部円弧部２２に続き下方に直線状に延設された第二の直線部２３と、前記第二の直線部２３に続いて延設された下部円弧部２４とを備えている。
そして、石英ガラス管２０は、前記第一の直線部２１、上部円弧部２２、第二の直線部２３、下部円弧部２４から、再び第一の直線部２１に延設され、複数回繰返して巻回され、螺旋状に形成されている。そして最終的に、下部円弧部２４から他方の封止端子部３に接続される導出部２５に延設されている。
【００２４】
この石英ガラス管２０の内部には、後に詳述するカーボンワイヤー発熱体５が収容されており、このカーボンワイヤー発熱体５は、一の封止端子部３から、導出部２５、第一の直線部２１と、上部円弧部２２、第二の直線部２３、下部円弧部２４を介して複数回、巻回した後、他方の封止端子部３に導出される。
なお、前記導出部２５は同一面側に延設され、封止端子部３はヒータ部２の一方の側に形成される。
【００２５】
このように前記ヒータ部２は、石英ガラス管２０を上下方向に螺旋状に巻回して形成されるため、前記直線状の石英ガラス管２０（２１、２３）は輻射方向に対して、前後に配設される。即ち、前後に配置された直線状の石英ガラス管２０（２１、２３）からの輻射によって、図２の矢印で示すように垂直面方向（横方向）の輻射熱をより増大させることができる。
更に、封止端子部３がヒータ部２の同一面側に形成されているため、電源（図示せず）との接続が容易になすことができる。前記ヒータ部２を挟んで封止端子部３の形成側と反対側が放射側となる。したがって、封止端子部３の形成側に反射板３６を配置することにより、輻射をより増大させることができる。この反射板３６は、２枚の石英ガラス板状体内に熱膨張黒鉛シートを外気と絶縁し、封したものを用いるのが、高純度維持性及び反射効率を向上せしめる観点から好ましく、また、前記封止端子部３、前記導出部２５もしくは前記ヒータ保持部４に溶接等で一体に設けることが省スペース設置容易性の観点から好ましい。
【００２６】
また、前記石英ガラス管２０の第一、第二の直線部２１、２３の肉厚は、図３（ｂ）に示すように、略均一に形成されている。
一方、上部円弧部２２および下部円弧部２４の肉厚は、図３（ａ）に示すように内周部側の肉厚Ｂが外周部側の肉厚Ａよりも厚く形成されている。具体的には、内周部側の肉厚Ｂは、外周部側の肉厚Ａの１．１乃至２倍、厚く形成されている。なお、前記した第一、第二の直線部２１、２３、上部円弧部２２、下部円弧部２４の外径、内径は同一の寸法に形成されている。
【００２７】
このように、内周部側の肉厚Ｂが厚く形成されているため、他の部分に比べて熱容量が大きくなる。そのため、上部円弧部２２、下部円弧部２４にあっては、外周方向の熱輻射に比べて、内周方向の熱輻射は弱くなる。
また、前後に配置された直線状の石英ガラス管からの輻射熱が垂直面方向に直交する方向（縦方向）に放射されるのを抑制することができる。
更に、この構造は、螺旋状に巻回した石英ガラス管内にカーボンワイヤー発熱体を所定の引張り力によって収容した本発明のヒータにおいて、応力の大きな部分を補強し、破損等の発生をより防止することができる。
【００２８】
また、上部円弧部２２、下部円弧部２４の曲率半径ｒを石英ガラス管２０の外径の２倍以上〜５倍以下に形成されている。
この曲率半径ｒが、石英ガラス管２０の２倍未満である場合には、円弧部形成の際、石英ガラス管２０の内部が変形することがある。そのため、収容したカーボンワイヤー発熱体５が石英ガラス管２０の内壁に接触する虞があるため、好ましくない。一方、曲率半径ｒが石英ガラス管外径の５倍を超えるとヒータの幅が大きくなると共に、上下方向の輻射が増大するため、好ましくない。
【００２９】
また、第一、第二の直線部２１、２３の長さは、石英ガラス管２０の外径の４倍以上、言い換えると、上部円弧部２２、下部円弧部２４の長さの２倍以上の長さを備えている。
このように、第一、第二の直線部２１、２３が、上部円弧部２２、下部円弧部２４の長さの２倍以上の長さを備えているため、垂直面方向（横方向）の輻射熱を上下方向の輻射熱よりも増大させることができる。
【００３０】
また、上部円弧部２２、下部円弧部２４における石英ガラス管２０の間隔Ｔ（図１参照）は、適宜選択することができるが、間隔が狭いほど垂直面方向（横方向）の輻射熱を増大させることができる。
しかし、前記ヒータ部２は、石英ガラス管２０を上下方向に螺旋状に巻回して形成されるため、前記直線状の石英ガラス管２０（２１、２３）は輻射方向に対して、前後に配設される。したがって、あまり密に巻回すると、後に配置された直線状の石英ガラス管２０（２１）から輻射熱を有効に活用できず、また巻回した石英ガラス管２０の内側が異常に高温になる。
そのため、前記円弧状の石英ガラス管２０（２２、２４）は、隣接する円弧状の石英ガラス管と少なくとも、石英ガラス管２０の外径の１倍乃至３倍の間隔をもって巻回されることが望ましい。
【００３１】
また、前記ヒータ保持部４は、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２０（２２）に内接して設けられたヒータ上部保持パイプ４１と、前記下部に形成された円弧状の石英ガラス管２０（２４）に外接して設けられたヒータ下部保持パイプ４２と、前記ヒータ上部保持パイプ４１とヒータ下部保持パイプ４２とを連結する連結部材４３とを備えている。
そして、上部円弧状の石英ガラス管２０（２２）とヒータ上部保持パイプ４１は溶接され、また、下部円弧状の石英ガラス管２０（２４）とヒータ下部保持パイプ４２は溶接され、更に、連結部材４３が前記ヒータ上部保持パイプ４１とヒータ下部保持パイプ４２に溶接されている。
【００３２】
したがって、ヒータ保持部４はヒータ部２と一体になされる。このようにヒータ保持部４を設けることにより、ヒータ部２の機械的強度を増加させることができ、破損を防止できる。また、ヒータ下部保持パイプ４２が設けられているため、設置性が向上する。更に、ヒータ保持部４が円弧状に形成された石英ガラス管２０（２２，２４）に取り付けられている、円弧状部の熱容量は大きくなり、内周部側の輻射をより少なくすることができる。
【００３３】
次に、封止端子部３の構造について、図２、図５、図６に基づいて説明する。この封止端子部３は接続線３４を１本有するものであり、１つのヒータ部２に対して、図１に示すように封止端子部３が２個必要となる。これら封止端子部３は構造が同じため、一の封止端子部３について説明する。
この封止端子部３は、封止端子部を構成するガラス管３１と、前記ガラス管３１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、前記ガラス管３１の端部を封止する封止ガラス管３５と、封止ガラス管３５に設けられたタングステン（Ｗ）からなる接続線３４とを備えている。
【００３４】
前記石英ガラス管２０の導出部から導出したカーボンワイヤー発熱体５は、ガラス管３１内の直管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、前記ワイヤーカーボン材３３に封止端子部３の接続導線３４が接続する構造を有している。
【００３５】
封止ガラス管３５は、ガラス管３１との融着側から、石英ガラス部３５ａ、グレイデッド（Ｇｒａｄｅｄ）シール部３５ｂ、タングステン（Ｗ）ガラス部３５ｃによって構成されている。
そして、直管３２内に圧縮収納されているカーボンワイヤーに接続されるタングステン（Ｗ）からなる接続線３４は、図６に示すように、タングステン（Ｗ）ガラス部３５ｃのピンチシール部３５ｄでピンチシールされる。
【００３６】
すなわち、ピンチシール部３５ｄを、接続線を構成するタングステン（Ｗ）の熱膨張係数に近いタングステン（Ｗ）ガラスで形成すると共に、ガラス管３１の融着側を石英ガラスで形成している。
このように、ピンチシール部３５ｄを、接続線３４を構成するタングステン（Ｗ）の熱膨張係数に近いタングステン（Ｗ）ガラスで形成したため、接続線３４の高温時熱膨張に伴うガラス部（ピンチシール部３５ｄ）の破損を防止することができる。
また、ガラス管３１と融着される封止ガラス管３５（石英ガラス部３５ａ）を、ガラス管３１と同等あるいは同一の石英ガラスとすることで、熱膨張に伴う破損を防止することができる。また高純度の石英ガラスを用いることにより、金属汚染を防止することができる。
【００３７】
更に、石英ガラス部３５ａとタングステン（Ｗ）ガラス部３５ｃとを間にグレイデッド（Ｇｒａｄｅｄ）シール部３５ｂを形成している。
すなわち、ＳｉＯ２ 成分とＷガラス成分が徐々に変化する前記石英ガラス部３５ａと接する側を石英ガラス組成もしくは、これと熱膨張係数が近似する材料とし、前記Ｗガラス部３５ｂと接する側に向け、上記熱膨張係数をＷガラスのそれにより近似するように傾斜分布させた材料からなるグレイデッド（Ｇｒａｄｅｄ）シール部３５ｂを石英ガラス部３５ａとタングステン（Ｗ）ガラス部３５ｃとを間に設けることにより、高温時熱膨張に伴うガラス管３５の破損を防止することができる。
【００３８】
次に、図４に基づいてカーボンワイヤー発熱体５について説明する。
このカーボンワイヤー発熱体５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。
【００３９】
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発熱体５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発熱体が用いられる。
前記の場合において、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発熱体５は、表面にカーボンファイバーの毛羽立ち５ａを有することが好ましく、前記毛羽立ちとは、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。
【００４０】
そして、このようなカーボンワイヤー発熱体５を、石英ガラス管２０の内部において、前記毛羽立ち５ａのみが石英ガラス管の内壁と接触し、カーボンワイヤー発熱体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（ＳｉＯ２）とカーボンワイヤー発熱体の炭素（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。
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。
このような構成とするためには、前記カーボンワイヤー発熱体の直径及び本数に対し、上記封入石英ガラス管の内径を適宜選定すれば良い。
【００４１】
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１０ｐｐｍ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。
【００４２】
また、前記カーボンワイヤー発熱体５は、図５に示すように、封止端子部３において、複数のワイヤーカーボン材３３に圧縮状態で挟み込まれ、前記複数のワイヤーカーボン材３３を介して接続線３４に電気的に接続される。
このように、前記カーボンワイヤー発熱体５が直接接続線と接続されるのではなく、圧縮収容された前記複数のワイヤカーボン材３３を介して接続されているため前記発熱体が高温になっても複数のワイヤーカーボン材３３とカーボンワイヤー発熱体５との接続が緩んでしまうことが無く、また、ワイヤカーボン材３３の内で温度が充分に低下するため接続線との接続が緩まず、良好な電気的接続状態が維持される。
しかも、複数のワイヤーカーボン材３３の炭素成分が還元作用を奏し導線の酸化の増大を抑制することができ、その結果これに伴うスパークの発生が防止できる。
【００４３】
次に図１及び２に基づいて本発明にかかる製造方法について説明する。
（１）まず、導出部２５と、第一の直線部２１と、上部円弧部２２と、第二の直線部２３と、下部円弧部２４を形成しつつ、石英ガラス管２０を螺旋状に巻回する。その後、導出部２５に石英ガラス管２０より大径の石英ガラス管３１を溶着する。
（２）前記石英ガラス管２０の両端部に設けられた前記石英ガラス管３１間に、カーボンワイヤー発熱体５を渡す。
（３）次に、直管３２に前記カーボンワイヤー発熱体５を挿通させると共に、ワイヤーカーボン部材３３の挿入側がＵ字状の状態で該直管３２内部に収容する。このとき、導入糸をワイヤーカーボン部材挿入側のＵ字状部に通し、該導入糸を引くことにより、直管３２にワイヤーカーボン部材３３を圧縮収容することができる。これにより、カーボンワイヤー発熱体５は強固に固定される。そして末端部からはみ出したワイヤーカーボン部材及びカーボンワイヤー発熱体を切断する。
【００４４】
（４）そして、ワイヤーカーボン部材３３及びカーボンワイヤー発熱体５が圧縮封入された直管３２を石英ガラス管３１内部に挿入する。
（５）次に、封止ガラス管３５の接続端子３４を内部に挿入し、前記カーボンワイヤー発熱体５と接続端子３４とを電気的に接続する。
（６）次に、図示しないガス導入口から不活性ガス、例えば窒素ガスを導入しながら、石英ガラス管３１と封止ガラス管３５とを溶着し、封止端子部３を形成する。なお、上記窒素ガスは、加熱によるカーボンワイヤー発熱体５及びワイヤーカーボン部材３３の劣化を防止する。
（７）そして、他方の封止端子部３を同様にして形成した後、前記ガス導入口から石英ガラス管２０内部を、１００ｔｏｒｒ以下に減圧した後、ガス導入口を酸水素バーナーで加熱し封じることによってヒータとして完成する（図１）。
このような上記製造方法により、本発明にかかるヒータを容易に製造することができる。
【００４５】
次に、本発明にかかる他の実施形態を図７乃至図１０に基づいて説明する。なお、図１乃至図６に示した部材と同一、あるいは相当する部材は同一符号を付することにより、詳細な説明を省略する。
この実施形態は、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２の破損防止、及び封止端子部３と石英ガラス管２１とを連結する部分Ｂの破損を防止した点に特徴がある。
【００４６】
図７に示すように石英ガラス管２０，２１に矢印Ｐ１，Ｐ２で示すような地震等の振動あるいは作業者による不用意な外力が作用すると、石英ガラス管２０，２１のＡ１，Ａ２において応力が集中し、破損する場合がある。また、図７に示すように、ヒータ下部保持パイプ４２の下面が、封止端子部３の封止ガラス管３５の下面より下方に位置（長さｌ突出している）している場合には、ヒータ１を設置した場合、ヒータ下部保持パイプ４２の下面が設置面に接触する。
その結果、振動等により外力Ｐ３が封止端子部３と石英ガラス管２１とを連結する部分Ｂに作用すると、振動等により部分Ｂにおいて破損する場合がある。
【００４７】
この実施形態は、振動等の外力に対して破損しやすい部分を改良したもので、図８に示すように、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２の内側に所定の間隔ｔ１をおいて中実のヒータ上部保持棒状体５１が設けられている。
また、図９に示すように、中実の前記ヒータ下部保持棒状体５４の下面が、封止端子部３の下面より所定距離ｔ２、上方に位置して形成されている。
【００４８】
更に、前記した第一の実施形態と異なり、図１０に示すように、前記ヒータ上部保持棒状体５１は、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２と小径の中実の円弧状石英ガラス棒４５によって固定されている。また同様に、ヒータ下部保持棒状体５４は、下部に形成された円弧状の石英ガラス管２４と小径の中実の円弧状石英ガラス棒４６によって固定されている。
【００４９】
このように、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２の内側とヒータ上部保持棒状体５１との間に、所定の間隔ｔ１が設けられているため、振動等による石英ガラス管２２とヒータ上部保持棒状体５１との衝突を回避でき、破損を防止できる。特に、石英ガラス管２２と第二の直線部２３との接続部分に対する、ヒータ上部保持棒状体５１の衝突を回避できる。この間隔ｔ１は、衝突を回避する点から、０．２ｍｍ以上であることが望ましい。
【００５０】
また、ヒータ下部保持棒状体５４の下面が、封止端子部３の下面より、所定距離ｔ２、上方に位置しているため、水平面にヒータを設置した場合であっても、ヒータ下部保持棒状体５４の下面が設置面に接触することはない。
したがって、地震等によって上下の振動が加わっても、ヒータ下部保持棒状体５４の下面が設置面に接触することはなく、封止端子部３と石英ガラス管２４とを連結する部分Ｂ（導出部２５）の破損を防止できる。
なお、所定距離ｔ２は、０．５ｍｍ以上であることが望ましい。０．５ｍｍ以上高低差がある場合には、地震等の上下振動によっても、ヒータ下部保持棒状体５４の下面が設置面に接触することがないためである。
【００５１】
更に、上記したように前記ヒータ上部保持棒状体５１は、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２と小径の中実の円弧状石英ガラス棒４５によって固定され、ヒータ下部保持棒状体５４は、下部に形成された円弧状の石英ガラス管２４と小径の中実の円弧状石英ガラス棒４６によって固定されている。
そのため、ヒータ部２を保持できると共に、大きな外力が万一作用したとしても、中実の円弧状石英ガラス棒４５、４６が破損することによって、ヒータ部２の破損を回避することができる。
【００５２】
【発明の効果】
上述した通り、本発明にかかるヒータによれば、ヒータからの汚染物質拡散、特に、発熱体からの不純物金属等の汚染物質の拡散がなく、処理対象物の汚染が抑制されると共に、輻射熱の方向性を有し、垂直面方向の輻射熱を増大した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、本発明にかかるヒータの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示したヒータにおける封止端子部を断面で示した側面図である。
【図３】図３は、石英ガラス管の断面を示す図であって、（ａ）は図２におけるＩ−Ｉ断面図、（ｂ）は図２におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図４】図４は、図１のヒータで用いられるカーボンワイヤー発熱体の一例を示す平面図である。
【図５】図５は、図１の封止端子部の内部構造を示す断面図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。
【図６】図６は、封止端子部を構成する封止管を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明にかかる一実施形態の課題を説明するための側面図である。
【図８】図８は、本発明にかかる第二の実施形態を説明するための要部拡大図である。
【図９】図９は、本発明にかかる第二の実施形態を説明するための要部拡大図である。
【図１０】図１０は、本発明にかかる第二の実施形態を説明するための正面図である。
【図１１】図１１は、従来のヒータを示す概略図であって、（ａ）は棒状ヒータ、（ｂ）は板状ヒータを示す図である。
【符号の説明】
１ ヒータ
２ ヒータ部
３ 封止端子部
４ ヒータ保持部
５ カーボンワイヤー発熱体
２０ 石英ガラス管
２１ 第一の直線部
２２ 上部円弧部
２３ 第二の直線部
２４ 下部円弧部
２５ 導出部
３１ ガラス管
３２ 直管
３３ ワイヤーカーボン材
３４ 接続線
３５ 封止ガラス管
４１ ヒータ上部保持パイプ
４２ ヒータ下部保持パイプ
４３ 連結部材
４４ ヒータ下部保持パイプ
４５ 円弧状石英ガラス棒
４６ 円弧状石英ガラス棒
５１ ヒータ上部保持棒状体
５４ ヒータ下部保持棒状体
Ａ 外周部側肉厚
Ｂ 内周部側肉厚
Ｔ 間隔
ｒ 曲率半径
ｔ１ 間隔
ｔ２ 間隔
【発明の属する技術分野】
本発明はヒータに関し、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輻射熱の方向性を有し、垂直面方向の輻射熱を増大したヒータに関する。
【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棒状、あるいは板状ヒータ等が多く用いられている。
【０００３】
ところで、棒状、板状ヒータは、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発熱体を用いたヒータを提案した（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、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、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】
ところが、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ヒータ、つまり輻射熱の方向性を有するヒータの出現が望まれていた。特に、処理炉の横方向から処理炉を加熱するヒータにおいて、垂直面方向（横方向）の輻射熱を増大したヒータの出現が望まれていた。
【０００６】
例えば、図１１（ａ）に示すように、前記した棒状ヒータ７０を垂直状態に立設すると、垂直面方向の輻射熱は大きくなる。
しかしながら、発熱体７１が一本であるため、輻射熱が伝わる領域は狭い。そのため、輻射熱が伝わる領域を拡げるためには、前記棒状ヒータ７０に隣接して複数の棒状ヒータを設ける必要がある。この場合、棒状ヒータの数に応じた接続端子７２が必要となり、コスト高になるという技術的課題があった。
【０００７】
また、図１１（ｂ）に示すように、板状ヒータ７５の発熱体７６を蛇行して形成することにより、垂直面方向の輻射熱の伝える領域を拡げることができる。しかも、この場合、棒状ヒータ７０の場合のように接続端子７２の数が多くなることもない。しかしながら、上下に蛇行する発熱体７６は一定の間隔ｔをもって形成されているため、垂直面方向の輻射熱をより増大させるには限界があった。
【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、ヒータからの汚染物質拡散、特に、発熱体からの不純物金属等の汚染物質の拡散がなく、処理対象物の汚染が抑制されると共に、輻射熱の方向性を有し、垂直面方向の輻射熱をより増大させることができる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】
上記目的を達成するためになされた本発明にかかるヒータは、カーボンワイヤー発熱体を収容した石英ガラス管からなるヒータ部と、前記ヒータ部の石英ガラス管の両端に設けられた封止端子部と、前記封止端子部に設けられた接続端子とからなるヒータにおいて、前記石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回し、上下方向に延設される石英ガラス管を直線状に形成すると共に、上下部の石英ガラス管を円弧状に形成したヒータ部と、ヒータ部の石英ガラス管の両端部が同一面側に延設され、その端部に形成された封止端子部とを備えることを特徴としている。
【００１０】
このように、石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回し、上下方向に延設される石英ガラス管を直線状に形成すると共に、上下部の石英ガラス管を円弧状に形成し、この石英ガラス管の両端部が同一面側に延設され、その端部に封止端子部が形成されている。
したがって、カーボンワイヤー発熱体からの熱輻射は、円弧状の石英ガラス管からなされる熱輻射は少なく、主に上下方向に延設された直線状の石英ガラス管からなされる。そのため、垂直面方向、即ち、横方向の輻射熱をより増大させることができる。
【００１１】
また、ヒータ部は、石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回して形成されるため、前記直線状の石英ガラス管は輻射方向に対して前後に配設され、しかも、垂直面方向（横向方向）から見た場合、前側の複数の直線状の石英ガラス管の各間に後側の直線状の石英ガラス管が位置する構造となる。即ち、前後に配置された直線状の石英ガラス管からの輻射によって、垂直面方向（横方向）の輻射熱をより増大させることができ、しかも、その間隔を調整することで、垂直面方向での局部的バラツキの小さい熱輻射とすることができる。
【００１２】
更に、ヒータ部の石英ガラス管の両端部が同一面側に延設され、その端部に封止端子部が形成されている。
このように封止端子部がヒータ部の同一面側に形成されているため、電源との接続を容易になすことができる。前記ヒータ部を挟んで封止端子部の形成側と反対側が照射側となる。したがって、封止端子部の形成側に反射板等を配置することにより、輻射をより増大させることができる。
【００１３】
ここで、前記円弧状に形成された石英ガラス管の曲率半径が、石英ガラス管の外径の２倍以上〜５倍以下であることが望ましい。
このように、曲率半径が石英ガラス管外径の２倍未満である場合には、円弧状になす際、石英ガラス管の内部が変形し、カーボンワイヤー発熱体が石英ガラス管の内壁に接触する虞があるため、好ましくない。
また、曲率半径が石英ガラス管外径の５倍を超えるとヒータの幅が大きくなると共に、上下方向の輻射が増大するため、好ましくない。
【００１４】
また、前記石英ガラス管の円弧状に形成されたヒータ部の外周部側の肉厚と内周部側の肉厚の比率が、１：１．１乃至２であることが望ましい。
このように、内周部側の肉厚を大きく形成したため、内周部側の熱容量が大きく、内周部側の輻射を少なくすることができる。
また、前後に配置された直線状の石英ガラス管からの輻射熱が垂直面方向に直交する方向（縦方向）に放射されるのを抑制することができる。
更に、この構造は、螺旋状に巻回した石英ガラス管内にカーボンワイヤー発熱体を所定の引張り力によって収容した本発明のヒータにおいて、応力の大きな部分を補強し、破損等の発生をより防止することができる。
【００１５】
更に、前記円弧状の石英ガラス管は、隣接する円弧状の石英ガラス管と少なくとも、石英ガラス管の外径の１倍乃至３倍の間隔をもって形成されることが望ましい。
石英ガラス管を密に巻回することは、垂直面方向（横方向）輻射熱を増大させることになり、好ましい。
しかし、前記したようにヒータ部は、石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回して形成されるため、前記直線状の石英ガラス管は輻射方向に対して、前後に配設される。したがって、あまり密に巻回すると、後に配置された直線状の石英ガラス管から輻射熱を有効に活用できず、また巻回した石英ガラス管の内周側が異常に高温になる。これを回避するために、石英ガラス管は、石英ガラス管の外径の１倍以上の間隔を設けて、巻回するのが好ましい。
また、３倍以下とすることで、垂直方向での局部的バラツキのより小さい熱輻射とすることができる。
【００１６】
また、前記上部に形成された円弧状の石英ガラス管に内接して設けられたヒータ上部保持部材と、前記下部に形成された円弧状の石英ガラス管に外接して設けられたヒータ下部保持部材と、前記ヒータ上部保持部材とヒータ下部保持部材とを連結する連結部材とからなるヒータ保持部を備えることが望ましい。
このように、ヒータ保持部を設けることにより、ヒータ部の機械的強度を増加させることができ、破損を防止できる。また、ヒータ下部保持部材が設けられているため、設置性が向上する。更に、ヒータ保持部が円弧状に形成された石英ガラス管に取り付けられている、円弧状部の熱容量は大きくなり、上下方向の輻射をより少なくすることができる。
【００１７】
また、前記ヒータ上部保持部材を、上部に形成された円弧状の石英ガラス管の内側に溶接すると共に、前記ヒータ下部保持部材を、下部に形成された円弧状の石英ガラス管の外側に溶接するのが好ましい。
また、前記上部に形成された円弧状の石英ガラス管の内側に所定の間隔をおいて設けられたヒータ上部保持部材と、前記下部に形成された円弧状の石英ガラス管に外接して設けられたヒータ下部保持部材と、前記ヒータ上部保持部材とヒータ下部保持部材とを連結する連結部材とからなるヒータ保持部を備えることが望ましい。
このように、上部に形成された円弧状の石英ガラス管の内側とヒータ上部保持部材との間に、所定の間隔が設けられているため、振動等による石英ガラス管とヒータ上部保持部材との衝突を回避でき、破損を防止できる。この間隔は、０．２ｍｍ以上であることが望ましい。
【００１８】
また、前記ヒータ下部保持部材の下面が、封止端子部の下面より上方に位置していることが望ましい。
ヒータ下部保持部材の下面が、封止端子部の下面より上方に位置しているため、水平面にヒータを設置した場合、ヒータ下部保持部材の下面が設置面に接触することはない。したがって、地震等によって上下の振動が加わっても、ヒータ下部保持部材の下面が設置面に接触することはなく、封止端子部と石英ガラス管とを連結する部分の破損を防止できる。
なお、前記ヒータ下部保持部材の下面が、封止端子部の下面より０．５ｍｍ以上、上方に位置していることが望ましい。０．５ｍｍ以上高低差がある場合には、地震等の上下振動によっても、ヒータ下部保持部材の下面がヒータ下部保持部材の下面が設置面に接触することはなく、破損を防止できる。
【００１９】
また、前記ヒータ上部保持部材、ヒータ下部保持部材が、パイプ状の部材あるいは中実の部材のいずれかもしくはこれらの組み合わせからなることが望ましい。前記ヒータ上部保持部材は、パイプ状の部材のみならず中実の部材、もしくは中実の部材とパイプ状の部材を組み合わせたもののいずれであっても良い。同様に、前記ヒータ下部保持部材も、パイプ状の部材のみならず中実の部材、もしくは中実の部材とパイプ状の部材を組み合わせたもののいずれであっても良い。
【００２０】
また、前記カーボンワイヤー発熱体が、直径５乃至１５μｍのカーボンファイバーを束ねたファイバー束を複数束編み上げてなる編紐形状、あるいは組紐形状のカーボンワイヤー発熱体であることが望ましく、また、前記カーボンワイヤー発熱体が、カーボンファイバーの含有不純物量が灰分重量として１０ｐｐｍ以下であることが望ましい。
このように、カーボンワイヤー発熱体が編紐形状や組紐形状に形成されているものは、引張強度が高く、高熱での耐久性に優れ、しかも容易に変形させることができるため、ヒータ部を構成する螺旋状の石英ガラス管の内部に容易に収容することができる。また、前記カーボンワイヤー発熱体を構成するカーボンファイバーの含有不純物量が灰分重量として１０ｐｐｍ以下と高純度であるため、不純物の拡散を防止できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる一実施形態を図１乃至図６に基づいて説明する。なお、図１は、本発明にかかるヒータの一実施形態を示す斜視図であり、図２は図１に示したヒータにおける封止端子部を断面で示した側面図である。また、図３は石英ガラス管の断面を示す図であって、（ａ）は図２におけるＩ−Ｉ断面図、（ｂ）は図２におけるＩＩ−ＩＩ断面図であり、図４は図１のヒータ部で用いられるカーボンワイヤー発熱体の一例を示す平面図、図５は図１の封止端子部の内部構造を示す断面図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。図６は封止端子部を構成する封止管を示す斜視図である。
【００２２】
このヒータ１は、図１に示すようにヒータ部２と、前記ヒータ部２の両端に設けられた封止端子部３と、前記ヒータ部２を保持するヒータ保持部４とを備えている。
このヒータ部２は、その発熱部が、カーボンファイバー束からなるカ−ボンワイヤー発熱体５を収容した石英ガラス管２０からなり、直線部と円弧部とによって螺旋状になるように形成されている。
即ち、石英ガラス管２０を上下方向に螺旋状に巻回し、上下方向に延設される石英ガラス管２０を直線状に形成すると共に、上下部の石英ガラス管２０を円弧状に形成している。
【００２３】
更に詳すると、この石英ガラス管２０は、図１、図２に示すように、封止端子部３に接続され水平方向に延設された導出部２５と、前記導出部２５に続き上方に直線状に延設された第一の直線部２１と、前記第一の直線部２１に続いて延設された上部円弧部２２と、前記上部円弧部２２に続き下方に直線状に延設された第二の直線部２３と、前記第二の直線部２３に続いて延設された下部円弧部２４とを備えている。
そして、石英ガラス管２０は、前記第一の直線部２１、上部円弧部２２、第二の直線部２３、下部円弧部２４から、再び第一の直線部２１に延設され、複数回繰返して巻回され、螺旋状に形成されている。そして最終的に、下部円弧部２４から他方の封止端子部３に接続される導出部２５に延設されている。
【００２４】
この石英ガラス管２０の内部には、後に詳述するカーボンワイヤー発熱体５が収容されており、このカーボンワイヤー発熱体５は、一の封止端子部３から、導出部２５、第一の直線部２１と、上部円弧部２２、第二の直線部２３、下部円弧部２４を介して複数回、巻回した後、他方の封止端子部３に導出される。
なお、前記導出部２５は同一面側に延設され、封止端子部３はヒータ部２の一方の側に形成される。
【００２５】
このように前記ヒータ部２は、石英ガラス管２０を上下方向に螺旋状に巻回して形成されるため、前記直線状の石英ガラス管２０（２１、２３）は輻射方向に対して、前後に配設される。即ち、前後に配置された直線状の石英ガラス管２０（２１、２３）からの輻射によって、図２の矢印で示すように垂直面方向（横方向）の輻射熱をより増大させることができる。
更に、封止端子部３がヒータ部２の同一面側に形成されているため、電源（図示せず）との接続が容易になすことができる。前記ヒータ部２を挟んで封止端子部３の形成側と反対側が放射側となる。したがって、封止端子部３の形成側に反射板３６を配置することにより、輻射をより増大させることができる。この反射板３６は、２枚の石英ガラス板状体内に熱膨張黒鉛シートを外気と絶縁し、封したものを用いるのが、高純度維持性及び反射効率を向上せしめる観点から好ましく、また、前記封止端子部３、前記導出部２５もしくは前記ヒータ保持部４に溶接等で一体に設けることが省スペース設置容易性の観点から好ましい。
【００２６】
また、前記石英ガラス管２０の第一、第二の直線部２１、２３の肉厚は、図３（ｂ）に示すように、略均一に形成されている。
一方、上部円弧部２２および下部円弧部２４の肉厚は、図３（ａ）に示すように内周部側の肉厚Ｂが外周部側の肉厚Ａよりも厚く形成されている。具体的には、内周部側の肉厚Ｂは、外周部側の肉厚Ａの１．１乃至２倍、厚く形成されている。なお、前記した第一、第二の直線部２１、２３、上部円弧部２２、下部円弧部２４の外径、内径は同一の寸法に形成されている。
【００２７】
このように、内周部側の肉厚Ｂが厚く形成されているため、他の部分に比べて熱容量が大きくなる。そのため、上部円弧部２２、下部円弧部２４にあっては、外周方向の熱輻射に比べて、内周方向の熱輻射は弱くなる。
また、前後に配置された直線状の石英ガラス管からの輻射熱が垂直面方向に直交する方向（縦方向）に放射されるのを抑制することができる。
更に、この構造は、螺旋状に巻回した石英ガラス管内にカーボンワイヤー発熱体を所定の引張り力によって収容した本発明のヒータにおいて、応力の大きな部分を補強し、破損等の発生をより防止することができる。
【００２８】
また、上部円弧部２２、下部円弧部２４の曲率半径ｒを石英ガラス管２０の外径の２倍以上〜５倍以下に形成されている。
この曲率半径ｒが、石英ガラス管２０の２倍未満である場合には、円弧部形成の際、石英ガラス管２０の内部が変形することがある。そのため、収容したカーボンワイヤー発熱体５が石英ガラス管２０の内壁に接触する虞があるため、好ましくない。一方、曲率半径ｒが石英ガラス管外径の５倍を超えるとヒータの幅が大きくなると共に、上下方向の輻射が増大するため、好ましくない。
【００２９】
また、第一、第二の直線部２１、２３の長さは、石英ガラス管２０の外径の４倍以上、言い換えると、上部円弧部２２、下部円弧部２４の長さの２倍以上の長さを備えている。
このように、第一、第二の直線部２１、２３が、上部円弧部２２、下部円弧部２４の長さの２倍以上の長さを備えているため、垂直面方向（横方向）の輻射熱を上下方向の輻射熱よりも増大させることができる。
【００３０】
また、上部円弧部２２、下部円弧部２４における石英ガラス管２０の間隔Ｔ（図１参照）は、適宜選択することができるが、間隔が狭いほど垂直面方向（横方向）の輻射熱を増大させることができる。
しかし、前記ヒータ部２は、石英ガラス管２０を上下方向に螺旋状に巻回して形成されるため、前記直線状の石英ガラス管２０（２１、２３）は輻射方向に対して、前後に配設される。したがって、あまり密に巻回すると、後に配置された直線状の石英ガラス管２０（２１）から輻射熱を有効に活用できず、また巻回した石英ガラス管２０の内側が異常に高温になる。
そのため、前記円弧状の石英ガラス管２０（２２、２４）は、隣接する円弧状の石英ガラス管と少なくとも、石英ガラス管２０の外径の１倍乃至３倍の間隔をもって巻回されることが望ましい。
【００３１】
また、前記ヒータ保持部４は、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２０（２２）に内接して設けられたヒータ上部保持パイプ４１と、前記下部に形成された円弧状の石英ガラス管２０（２４）に外接して設けられたヒータ下部保持パイプ４２と、前記ヒータ上部保持パイプ４１とヒータ下部保持パイプ４２とを連結する連結部材４３とを備えている。
そして、上部円弧状の石英ガラス管２０（２２）とヒータ上部保持パイプ４１は溶接され、また、下部円弧状の石英ガラス管２０（２４）とヒータ下部保持パイプ４２は溶接され、更に、連結部材４３が前記ヒータ上部保持パイプ４１とヒータ下部保持パイプ４２に溶接されている。
【００３２】
したがって、ヒータ保持部４はヒータ部２と一体になされる。このようにヒータ保持部４を設けることにより、ヒータ部２の機械的強度を増加させることができ、破損を防止できる。また、ヒータ下部保持パイプ４２が設けられているため、設置性が向上する。更に、ヒータ保持部４が円弧状に形成された石英ガラス管２０（２２，２４）に取り付けられている、円弧状部の熱容量は大きくなり、内周部側の輻射をより少なくすることができる。
【００３３】
次に、封止端子部３の構造について、図２、図５、図６に基づいて説明する。この封止端子部３は接続線３４を１本有するものであり、１つのヒータ部２に対して、図１に示すように封止端子部３が２個必要となる。これら封止端子部３は構造が同じため、一の封止端子部３について説明する。
この封止端子部３は、封止端子部を構成するガラス管３１と、前記ガラス管３１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、前記ガラス管３１の端部を封止する封止ガラス管３５と、封止ガラス管３５に設けられたタングステン（Ｗ）からなる接続線３４とを備えている。
【００３４】
前記石英ガラス管２０の導出部から導出したカーボンワイヤー発熱体５は、ガラス管３１内の直管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、前記ワイヤーカーボン材３３に封止端子部３の接続導線３４が接続する構造を有している。
【００３５】
封止ガラス管３５は、ガラス管３１との融着側から、石英ガラス部３５ａ、グレイデッド（Ｇｒａｄｅｄ）シール部３５ｂ、タングステン（Ｗ）ガラス部３５ｃによって構成されている。
そして、直管３２内に圧縮収納されているカーボンワイヤーに接続されるタングステン（Ｗ）からなる接続線３４は、図６に示すように、タングステン（Ｗ）ガラス部３５ｃのピンチシール部３５ｄでピンチシールされる。
【００３６】
すなわち、ピンチシール部３５ｄを、接続線を構成するタングステン（Ｗ）の熱膨張係数に近いタングステン（Ｗ）ガラスで形成すると共に、ガラス管３１の融着側を石英ガラスで形成している。
このように、ピンチシール部３５ｄを、接続線３４を構成するタングステン（Ｗ）の熱膨張係数に近いタングステン（Ｗ）ガラスで形成したため、接続線３４の高温時熱膨張に伴うガラス部（ピンチシール部３５ｄ）の破損を防止することができる。
また、ガラス管３１と融着される封止ガラス管３５（石英ガラス部３５ａ）を、ガラス管３１と同等あるいは同一の石英ガラスとすることで、熱膨張に伴う破損を防止することができる。また高純度の石英ガラスを用いることにより、金属汚染を防止することができる。
【００３７】
更に、石英ガラス部３５ａとタングステン（Ｗ）ガラス部３５ｃとを間にグレイデッド（Ｇｒａｄｅｄ）シール部３５ｂを形成している。
すなわち、ＳｉＯ２ 成分とＷガラス成分が徐々に変化する前記石英ガラス部３５ａと接する側を石英ガラス組成もしくは、これと熱膨張係数が近似する材料とし、前記Ｗガラス部３５ｂと接する側に向け、上記熱膨張係数をＷガラスのそれにより近似するように傾斜分布させた材料からなるグレイデッド（Ｇｒａｄｅｄ）シール部３５ｂを石英ガラス部３５ａとタングステン（Ｗ）ガラス部３５ｃとを間に設けることにより、高温時熱膨張に伴うガラス管３５の破損を防止することができる。
【００３８】
次に、図４に基づいてカーボンワイヤー発熱体５について説明する。
このカーボンワイヤー発熱体５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。
【００３９】
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発熱体５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発熱体が用いられる。
前記の場合において、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発熱体５は、表面にカーボンファイバーの毛羽立ち５ａを有することが好ましく、前記毛羽立ちとは、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。
【００４０】
そして、このようなカーボンワイヤー発熱体５を、石英ガラス管２０の内部において、前記毛羽立ち５ａのみが石英ガラス管の内壁と接触し、カーボンワイヤー発熱体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（ＳｉＯ２）とカーボンワイヤー発熱体の炭素（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。
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。
このような構成とするためには、前記カーボンワイヤー発熱体の直径及び本数に対し、上記封入石英ガラス管の内径を適宜選定すれば良い。
【００４１】
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１０ｐｐｍ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。
【００４２】
また、前記カーボンワイヤー発熱体５は、図５に示すように、封止端子部３において、複数のワイヤーカーボン材３３に圧縮状態で挟み込まれ、前記複数のワイヤーカーボン材３３を介して接続線３４に電気的に接続される。
このように、前記カーボンワイヤー発熱体５が直接接続線と接続されるのではなく、圧縮収容された前記複数のワイヤカーボン材３３を介して接続されているため前記発熱体が高温になっても複数のワイヤーカーボン材３３とカーボンワイヤー発熱体５との接続が緩んでしまうことが無く、また、ワイヤカーボン材３３の内で温度が充分に低下するため接続線との接続が緩まず、良好な電気的接続状態が維持される。
しかも、複数のワイヤーカーボン材３３の炭素成分が還元作用を奏し導線の酸化の増大を抑制することができ、その結果これに伴うスパークの発生が防止できる。
【００４３】
次に図１及び２に基づいて本発明にかかる製造方法について説明する。
（１）まず、導出部２５と、第一の直線部２１と、上部円弧部２２と、第二の直線部２３と、下部円弧部２４を形成しつつ、石英ガラス管２０を螺旋状に巻回する。その後、導出部２５に石英ガラス管２０より大径の石英ガラス管３１を溶着する。
（２）前記石英ガラス管２０の両端部に設けられた前記石英ガラス管３１間に、カーボンワイヤー発熱体５を渡す。
（３）次に、直管３２に前記カーボンワイヤー発熱体５を挿通させると共に、ワイヤーカーボン部材３３の挿入側がＵ字状の状態で該直管３２内部に収容する。このとき、導入糸をワイヤーカーボン部材挿入側のＵ字状部に通し、該導入糸を引くことにより、直管３２にワイヤーカーボン部材３３を圧縮収容することができる。これにより、カーボンワイヤー発熱体５は強固に固定される。そして末端部からはみ出したワイヤーカーボン部材及びカーボンワイヤー発熱体を切断する。
【００４４】
（４）そして、ワイヤーカーボン部材３３及びカーボンワイヤー発熱体５が圧縮封入された直管３２を石英ガラス管３１内部に挿入する。
（５）次に、封止ガラス管３５の接続端子３４を内部に挿入し、前記カーボンワイヤー発熱体５と接続端子３４とを電気的に接続する。
（６）次に、図示しないガス導入口から不活性ガス、例えば窒素ガスを導入しながら、石英ガラス管３１と封止ガラス管３５とを溶着し、封止端子部３を形成する。なお、上記窒素ガスは、加熱によるカーボンワイヤー発熱体５及びワイヤーカーボン部材３３の劣化を防止する。
（７）そして、他方の封止端子部３を同様にして形成した後、前記ガス導入口から石英ガラス管２０内部を、１００ｔｏｒｒ以下に減圧した後、ガス導入口を酸水素バーナーで加熱し封じることによってヒータとして完成する（図１）。
このような上記製造方法により、本発明にかかるヒータを容易に製造することができる。
【００４５】
次に、本発明にかかる他の実施形態を図７乃至図１０に基づいて説明する。なお、図１乃至図６に示した部材と同一、あるいは相当する部材は同一符号を付することにより、詳細な説明を省略する。
この実施形態は、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２の破損防止、及び封止端子部３と石英ガラス管２１とを連結する部分Ｂの破損を防止した点に特徴がある。
【００４６】
図７に示すように石英ガラス管２０，２１に矢印Ｐ１，Ｐ２で示すような地震等の振動あるいは作業者による不用意な外力が作用すると、石英ガラス管２０，２１のＡ１，Ａ２において応力が集中し、破損する場合がある。また、図７に示すように、ヒータ下部保持パイプ４２の下面が、封止端子部３の封止ガラス管３５の下面より下方に位置（長さｌ突出している）している場合には、ヒータ１を設置した場合、ヒータ下部保持パイプ４２の下面が設置面に接触する。
その結果、振動等により外力Ｐ３が封止端子部３と石英ガラス管２１とを連結する部分Ｂに作用すると、振動等により部分Ｂにおいて破損する場合がある。
【００４７】
この実施形態は、振動等の外力に対して破損しやすい部分を改良したもので、図８に示すように、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２の内側に所定の間隔ｔ１をおいて中実のヒータ上部保持棒状体５１が設けられている。
また、図９に示すように、中実の前記ヒータ下部保持棒状体５４の下面が、封止端子部３の下面より所定距離ｔ２、上方に位置して形成されている。
【００４８】
更に、前記した第一の実施形態と異なり、図１０に示すように、前記ヒータ上部保持棒状体５１は、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２と小径の中実の円弧状石英ガラス棒４５によって固定されている。また同様に、ヒータ下部保持棒状体５４は、下部に形成された円弧状の石英ガラス管２４と小径の中実の円弧状石英ガラス棒４６によって固定されている。
【００４９】
このように、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２の内側とヒータ上部保持棒状体５１との間に、所定の間隔ｔ１が設けられているため、振動等による石英ガラス管２２とヒータ上部保持棒状体５１との衝突を回避でき、破損を防止できる。特に、石英ガラス管２２と第二の直線部２３との接続部分に対する、ヒータ上部保持棒状体５１の衝突を回避できる。この間隔ｔ１は、衝突を回避する点から、０．２ｍｍ以上であることが望ましい。
【００５０】
また、ヒータ下部保持棒状体５４の下面が、封止端子部３の下面より、所定距離ｔ２、上方に位置しているため、水平面にヒータを設置した場合であっても、ヒータ下部保持棒状体５４の下面が設置面に接触することはない。
したがって、地震等によって上下の振動が加わっても、ヒータ下部保持棒状体５４の下面が設置面に接触することはなく、封止端子部３と石英ガラス管２４とを連結する部分Ｂ（導出部２５）の破損を防止できる。
なお、所定距離ｔ２は、０．５ｍｍ以上であることが望ましい。０．５ｍｍ以上高低差がある場合には、地震等の上下振動によっても、ヒータ下部保持棒状体５４の下面が設置面に接触することがないためである。
【００５１】
更に、上記したように前記ヒータ上部保持棒状体５１は、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２と小径の中実の円弧状石英ガラス棒４５によって固定され、ヒータ下部保持棒状体５４は、下部に形成された円弧状の石英ガラス管２４と小径の中実の円弧状石英ガラス棒４６によって固定されている。
そのため、ヒータ部２を保持できると共に、大きな外力が万一作用したとしても、中実の円弧状石英ガラス棒４５、４６が破損することによって、ヒータ部２の破損を回避することができる。
【００５２】
【発明の効果】
上述した通り、本発明にかかるヒータによれば、ヒータからの汚染物質拡散、特に、発熱体からの不純物金属等の汚染物質の拡散がなく、処理対象物の汚染が抑制されると共に、輻射熱の方向性を有し、垂直面方向の輻射熱を増大した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、本発明にかかるヒータの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示したヒータにおける封止端子部を断面で示した側面図である。
【図３】図３は、石英ガラス管の断面を示す図であって、（ａ）は図２におけるＩ−Ｉ断面図、（ｂ）は図２におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図４】図４は、図１のヒータで用いられるカーボンワイヤー発熱体の一例を示す平面図である。
【図５】図５は、図１の封止端子部の内部構造を示す断面図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。
【図６】図６は、封止端子部を構成する封止管を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明にかかる一実施形態の課題を説明するための側面図である。
【図８】図８は、本発明にかかる第二の実施形態を説明するための要部拡大図である。
【図９】図９は、本発明にかかる第二の実施形態を説明するための要部拡大図である。
【図１０】図１０は、本発明にかかる第二の実施形態を説明するための正面図である。
【図１１】図１１は、従来のヒータを示す概略図であって、（ａ）は棒状ヒータ、（ｂ）は板状ヒータを示す図である。
【符号の説明】
１ ヒータ
２ ヒータ部
３ 封止端子部
４ ヒータ保持部
５ カーボンワイヤー発熱体
２０ 石英ガラス管
２１ 第一の直線部
２２ 上部円弧部
２３ 第二の直線部
２４ 下部円弧部
２５ 導出部
３１ ガラス管
３２ 直管
３３ ワイヤーカーボン材
３４ 接続線
３５ 封止ガラス管
４１ ヒータ上部保持パイプ
４２ ヒータ下部保持パイプ
４３ 連結部材
４４ ヒータ下部保持パイプ
４５ 円弧状石英ガラス棒
４６ 円弧状石英ガラス棒
５１ ヒータ上部保持棒状体
５４ ヒータ下部保持棒状体
Ａ 外周部側肉厚
Ｂ 内周部側肉厚
Ｔ 間隔
ｒ 曲率半径
ｔ１ 間隔
ｔ２ 間隔
Claims (11)
- カーボンワイヤー発熱体を収容した石英ガラス管からなるヒータ部と、前記ヒータ部の石英ガラス管の両端に設けられた封止端子部と、前記封止端子部に設けられた接続端子とからなるヒータにおいて、
前記石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回し、上下方向に延設される石英ガラス管を直線状に形成すると共に、上下部の石英ガラス管を円弧状に形成したヒータ部と、
ヒータ部の石英ガラス管の両端部が同一面側に延設され、その端部に形成された封止端子部と
を備えることを特徴とするヒータ。 - 前記円弧状に形成された石英ガラス管の曲率半径が、石英ガラス管の外径の２倍以上〜５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載されたヒータ。
- 前記石英ガラス管の円弧状に形成されたヒータ部の外周部側の肉厚と内周部側の肉厚の比率が、１：１．１乃至２であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたヒータ。
- 前記円弧状の石英ガラス管は、隣接する円弧状の石英ガラス管と少なくとも、石英ガラス管の外径の１倍乃至３倍の間隔をもって形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載されたヒータ。
- 前記上部に形成された円弧状の石英ガラス管に内接して設けられたヒータ上部保持部材と、前記下部に形成された円弧状の石英ガラス管に外接して設けられたヒータ下部保持部材と、前記ヒータ上部保持部材とヒータ下部保持部材とを連結する連結部材とからなるヒータ保持部を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載されたヒータ。
- 前記ヒータ上部保持部材が上部に形成された円弧状の石英ガラス管の内側に溶接されると共に、前記ヒータ下部保持部材が下部に形成された円弧状の石英ガラス管の外側に溶接されることを特徴とする請求項５に記載されたヒータ。
- 前記上部に形成された円弧状の石英ガラス管の内側に所定の間隔をおいて設けられたヒータ上部保持部材と、前記下部に形成された円弧状の石英ガラス管に外接して設けられたヒータ下部保持部材と、前記ヒータ上部保持部材とヒータ下部保持部材とを連結する連結部材とからなるヒータ保持部を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載されたヒータ。
- 前記ヒータ下部保持部材の下面が、封止端子部の下面より上方に位置していることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載されたヒータ。
- 前記ヒータ上部保持部材、ヒータ下部保持部材が、パイプ状の部材あるいは中実の部材のいずれかもしくはこれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載されたヒータ。
- 前記カーボンワイヤー発熱体が、直径５乃至１５μｍのカーボンファイバーを束ねたファイバー束を複数束編み上げてなる編紐形状、あるいは組紐形状のカーボンワイヤー発熱体であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載されたヒータ。
- 前記カーボンワイヤー発熱体が、カーボンファイバーの含有不純物量が灰分重量として１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載されたヒータ。
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