JP2004111286A

JP2004111286A - ヒーター付構造体およびその製造方法

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Publication number: JP2004111286A
Application number: JP2002274190A
Authority: JP
Inventors: Keigo Kobayashi; 小林　啓悟; Yoichiro Habu; 土生　陽一郎; Nobuyuki Kuroki; 黒木　信之
Original assignee: Tocalo Co Ltd
Current assignee: Tocalo Co Ltd
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】現場でのヒーター取り付け作業の必要がなく、ヒーター発熱体と配管との熱伝導率を向上させて低い温度でも配管温度を上昇させることのできる、ヒーター付構造体を提供すること、ならびに、そうしたヒーター構造体を有利に製造するための方法を提案すること。
【解決手段】金属製基材の表面に形成したパターンに沿って発熱抵抗体を配置してなるものであって、この発熱抵抗体は、その上部および下部に設けた上部絶縁層および下部絶縁層を介して挟持したヒーター付構造体を提案する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置の例えばウエハ熱処理装置や酸化−拡散処理装置、ＣＶＤ装置、あるいはシリンダー、ボンベ、ガス配管、リアクター装置の排気系（含ポンプなど）、排ガス処理装置などに用いる、ヒーター機能を具える構造体およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置の１つとしては、酸化−拡散装置やＣＶＤ装置などが知られている。前記酸化−拡散装置は、反応容器内に水素と酸素の混合によって生成する水蒸気または酸素およびＨＣｌなどを導入し、シリコンウエハ上に酸化膜などを形成する酸化膜形成処理あるいは、りんやボロンなどの不純物を拡散させるために用いられる装置である。また、前記ＣＶＤ装置は、処理炉内に数種類の反応性ガスを導入し、３００〜１０００℃の温度範囲での化学反応によって、シリコンウエハ上に所望の膜を生成させるために用いられる装置である。
【０００３】
これらの装置や該装置に取り付けられているガス給排気管等には、装置および配管内を加熱状態に保持するためのヒーターが配設されている。このヒーターは、反応容器や配管内部を流通するハロゲンガスやガス凝縮水、あるいは副生成物の発生を防ぎ、発生した凝縮水や副生成物が真空チャンバー内に逆流して、シリコンウエハ等の被処理基板に付着して汚染するような弊害を防ぐために用いられるものである。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３４３３８８号公報
【特許文献２】特開平７−２８２９６１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
とくに、上記文献に記載の従来のヒーターでは、配管の外周にマントルヒーター、シーズヒーターおよびラバーヒーター等を巻きつけたものが使用されていた。しかしながら、このようなヒーターの場合、配管とヒーター発熱体との接触熱抵抗が高いため、配管への熱伝導率が悪く、その結果、配管温度は実際のヒーター発熱体温度よりも低くなってしまう。そのため、ヒーター発熱体温度を、必要温度以上に上げる等の対策が必要となり、加熱効率が悪く、ヒーターでの消費電力が高くなってしまうという問題点があった。
【０００６】
また、従来の加熱ヒーターの場合、現場においてヒーターを配管に取り付ける必要があり、半導体製造装置のようにクリーンルームでの作業が必要な場合には、使用できる材質が無機材料などに限られたり、作業に伴うパーティクルの発生によるクリーンルームの汚染等の問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来技術の抱える問題点を解決し、現場でのヒーター取り付け作業の必要がなく、ヒーター発熱体と配管との熱伝導率を向上させて低い温度でも配管温度を上昇させることのできる、ヒーター付構造体を提供すること、ならびに、そうしたヒーター構造体を有利に製造するための方法を提案することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上掲の目的に対し、その実現のために鋭意研究した結果、発明者らは、以下の要素構成に係る本発明に想到した。すなわち、本発明の基本的な構造は、金属製基材の表面に形成したパターンに沿って発熱抵抗体を配置してなるものであって、この発熱抵抗体は、その上部および下部に設けた上部絶縁層および下部絶縁層を介して挟持したものであることを特徴とするヒーター付構造体である。
【０００９】
なお、本発明においては、前記パターンが、円筒状の前記金属製基材の外側胴周面に沿ってスパイラル状に刻設された窪みからなること、前記パターンが、前記下部絶縁層の前記発熱抵抗体に直接接する側の面に刻設されていること、前記下部絶縁層は、窒化物および酸化物のいずれか１種以上からなる高熱伝導材料層であること、前記上部絶縁層は、前記発熱抵抗体に直接接する内側の高熱伝導性絶縁材料の層と、該層上に設けた外側の低熱伝導性絶縁材料の層とからなること、および前記上部絶縁層を構成する高熱伝導性絶縁材料の層が、酸化物または窒化物のいずれかよりなり、一方、低熱伝導性絶縁材料の層が、耐熱性樹脂、ゴムおよび無機耐火物のうちのいずれかよりなることが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、金属製基材上に、発熱抵抗体を取り付けるに当たり、まず前記基材表面にパターンを刻設形成し、次いで、この窪みパターンの上に下部絶縁層を形成し、次にこのパターンに沿って発熱抵抗体を配置し、その後、該発熱抵抗体の上から上部絶縁層を被覆することを特徴とするヒーター付構造体の製造方法である。
【００１１】
なお、本発明に係る製造方法においては、前記上部絶縁層および下部絶縁層が、溶射法、スラリー法、ゾルゲル法、ＰＶＤ法およびＣＶＤ法のうちのいずれか一の方法により形成されること、前記パターンが、円筒状の金属製基材の外部胴周面に沿ってスパイラル状に刻設された窪みからなること、前記パターンが、前記下部絶縁層の前記発熱抵抗体に直接接する側の面に刻設されていること、および前記パターンを、切削加工、レーザー刻印、転造、鍛造、鋳造およびエッチングのうちのいずれか一の方法により刻設形成することが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に本発明にかかる基本的なヒーター付構造体の断面図を示す。金属製基材１上に下から、下部絶縁層２、発熱抵抗体３、上部絶縁層４（高熱伝導性絶縁材料層４ａ、低熱伝導性絶縁材料層４ｂ）および断熱材５が順次に積層されている。なお、断熱材５は、構造体の機械的強度の向上や湿気対策等のため、構造体の最外殻に設けること好ましい。断熱材の材質としては、フッ素系樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミドおよびＰＥＥＫなどが好適に用いられる。
【００１３】
本発明にかかる構造体においては、発熱抵抗体３が、その上下部に設けられた下部絶縁層２と上部絶縁層４によって挟持され、基材上に形成されたパターン６内に密着・埋没した状態になっている。このように発熱抵抗体３を、基材１上に形成されたパターン６に沿って配置することにより、巻き位置のずれを防止することができる他、加熱目的に応じて任意の温度分布が得られるように、ヒーター密度を設定することができるのである。
【００１４】
本発明にかかる他のヒーター付構造体の断面図を図２に示す。図２に示すヒーター付構造体では、下部絶縁層２上にパターン６が刻設されており、発熱抵抗体３は、この下部絶縁層２上のパターン６内に密着・埋没した状態になっている。
【００１５】
次に、本発明にかかるヒーター付構造体の好ましい実施の態様を図３に示す。図３のヒーター付構造体では、パターンが円筒状の金属製基材１の外部胴周面に沿ってスパイラル状に形成され、そのパターンに沿って発熱抵抗体３が設けられている。このように、本発明にかかるヒーター付構造体は、平面だけでなく、配管のような円筒状のものに対しても有効に適用することができる。
【００１６】
また、従来のヒーター構造をフランジ接続される配管に適用した場合、どうしてもフランジ部の加温が不充分となり、フランジ部分から凝縮が発生することがあった。しかしながら、図３に示す本発明にかかるヒーター付構造体を用いれば、パターンの形成数および密度を変えることにより、発熱抵抗体の設置密度を自由に変えることができるため、凝縮の発生しやすいフランジ部の発熱抵抗体の設置密度を高くすることにより、凝縮を有効に抑えることができるようになる。
【００１７】
なお、金属製基材および／または下部絶縁層へのパターン形成は、切削加工、レーザー刻印、転造、鍛造、鋳造およびエッチングのうちのいずれかの方法により形成することが好ましい。これは、基材形状に応じたパターニングを可能とするためである。
【００１８】
なお、本発明にかかるヒーター付構造体は、工場にて製作した後、そのまま現地に搬入することができるので、現場での取付け作業の必要がない。したがって、半導体製造装置などクリーンルームに設置される場合にも、汚染の心配がなく、安心して使用することができると共に、工期の短縮が期待できる。
【００１９】
発熱抵抗体に直接接触する下部絶縁層と上部絶縁層には、高熱伝導性絶縁材料を用いることが望ましい。上・下部絶縁層は、発熱抵抗体のほぼすべての表面にわたり接着させるため、下部絶縁層、発熱抵抗体および上部絶縁層の相互の密着性が向上して、接触抵抗が小さくなり、基材方向への熱伝導率を向上させることができるのである。
【００２０】
さらに、上部絶縁層は、発熱抵抗体の接触面に高熱伝導性絶縁材料からなる層を設け、さらにその上に、低熱伝導性絶縁材料からなる層を設けた２層構造もしくは、多層構造からなることが好ましい。これは、高熱伝導性絶縁材料からなる層の上に低熱伝導性絶縁材料からなる層を設けることにより、非加熱面方向（基材と逆方向）への熱伝導率が小さくなり、熱流束に方向性が生じて（熱流束：加熱面＞非加熱面）、基材方向への熱伝導率が更に向上させることができるためである。
【００２１】
下部絶縁層としては、窒化物および酸化物のいずれか一種以上を、溶射法、スラリー法、ゾルゲル法、ＰＶＤ法およびＣＶＤ法のうちのいずれか一の方法により基材上に被覆することが好ましい。これは、基材との強固な接合を図るためである。
【００２２】
また、上部絶縁層のうち、発熱抵抗体と直接接触する高熱伝導性絶縁材料の層としては、酸化物または窒化物のうちのいずれかよりなることが好ましく、一方、高熱伝導性絶縁材料の層の上部に位置する低熱伝導性絶縁材料の層としては、耐熱性樹脂、ゴムおよび無機耐火物のうちのいずれかよりなることが好ましい。これは、熱伝導率が低いうえ、電気的絶縁性を付加することができるためである。
【００２３】
なお、上部絶縁層は、溶射法、スラリー法、ゾルゲル法、ＰＶＤ法およびＣＶＤ法のうちのいずれか一の方法により形成することが好ましい。これは、発熱抵抗体および下部絶縁層との密着性をより強固に保つためである。
【００２４】
【実施例】
＜実施例１＞
本発明にかかるヒーター付構造体を、下記のとおり作製した。まず、４０ｍｍφのＳＵＳ３１６製配管基材上に、切削加工によりパターンを形成し、このパターン上にＡｌ_２Ｏ_３を溶射して０．３ｍｍ厚の下部絶縁層を形成した。次いで、前記パターンに沿ってＮｉ−Ｃｒからなる発熱抵抗体を配置し、該発熱抵抗体上にＡｌ_２Ｏ_３を溶射して０．２ｍｍ厚の上部高熱伝導絶縁層を形成した後、ＺｒＯ_２を溶射して１ｍｍ厚からなる上部低熱伝導絶縁層を形成した。なお、上部低熱伝導絶縁層上には、耐熱ゴムからなる断熱層（６ｍｍ厚）を形成した。
【００２５】
前記ヒーター付構造体を、発熱体温度１５０℃で加熱し、その際の熱貫流量を測定した。その結果を図４に示す。なお、この時の外気温度および配管内部温度は、いずれも２０℃であった。図４より、発熱抵抗体を境にして、基材方向への熱貫流量が大きく、熱流束が基材側へ方向性を持っていることが確認できた。
【００２６】
＜実施例２＞
実施例１と同様の方法により作製した本発明にかかるヒーター付構造体および従来のラバーヒーターを用いて、基材を加熱し、基材および基材上のヒーター各部における温度分布を測定した。なお、従来のラバーヒーターについては、本発明の上・下部絶縁層に相当する部分を測定した結果を用いた。
【００２７】
（実験１）
配管内面温度が同一温度（１１５℃）になるように、発熱体温度を調整した場合の各部での温度分布を測定した。その結果を図５に示す。
従来のラバーヒーターを用いた場合には、配管内温度を１１５℃にするために、発熱体温度を２３８℃程度まで昇温する必要があり、熱伝導性が悪く、余計なヒーター発熱が必要であることがわかった。一方、本発明にかかるヒーター付構造体の場合、管内面温度と発熱体温度がほぼ同温（１１５℃）であり、さらに管内面から断熱材下部までを、ほぼ一定の温度を保つことができることが確認できた。
【００２８】
（実験２）
次に、発熱体温度を一定（１２０℃）にした場合の各部での温度を測定した。その結果を図６に示す。
従来のラバーヒーターを用いた場合には、各部での温度のバラツキが大きく、管内面温度と発熱体温度とは、６０℃程度の温度差が生じていた。一方、本発明にかかるヒーター付構造体の場合、管内面温度から絶縁材下部までを、ほぼ一定の温度（１２０℃程度）を保つことができることが確認できた。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、パターンを刻印した基材および／または下部絶縁層上に、発熱抵抗体を絶縁層に密着させて配置することにより、接触抵抗を小さくして熱伝導率を向上させることができ、加熱効率が良く、消費電力を低減することができる。また、配管内での凝縮水や副生成物の発生を有効に抑えることができると共に、クリーンルームの汚染の恐れもないため、半導体製造装置へ好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるヒーター付構造体の断面図である。
【図２】本発明にかかる他のヒーター付構造体の断面図である。
【図３】本発明にかかるヒーター付構造体の好ましい実施の態様を示す図である。
【図４】本発明のヒーター付構造体の熱貫流量を表わす図である。
【図５】本発明にかかるヒーター付構造体と従来のラバーヒーターの加熱時の温度分布である。
【図６】本発明にかかるヒーター付構造体と従来のラバーヒーターの加熱時の温度分布である。
【符号の説明】
１　　金属製基材
２　　下部絶縁層
３　　発熱抵抗体
４　　上部絶縁層
４ａ　高熱伝導性絶縁材料層
４ｂ　低熱伝導性絶縁材料層
５　　断熱材
６　　パターン

Claims

金属製基材の表面に形成したパターンに沿って発熱抵抗体を配置してなるものであって、この発熱抵抗体は、その上部および下部に設けた上部絶縁層および下部絶縁層を介して挟持したものであることを特徴とするヒーター付構造体。
前記パターンが、円筒状の前記金属製基材の外側胴周面に沿ってスパイラル状に刻設された窪みからなることを特徴とする請求項１に記載のヒーター付構造体。
前記パターンが、前記下部絶縁層の前記発熱抵抗体に直接接する側の面に刻設されていることを特徴とする請求項１に記載のヒーター付構造体。
前記下部絶縁層は、窒化物および酸化物のいずれか１種以上からなる高熱伝導材料層であることを特徴とする請求項１または３に記載のヒーター付構造体。
前記上部絶縁層は、前記発熱抵抗体に直接接する内側の高熱伝導性絶縁材料の層と、該層上に設けた外側の低熱伝導性絶縁材料の層とからなることを特徴とする請求項１に記載のヒーター付構造体。
前記上部絶縁層を構成する高熱伝導性絶縁材料の層が、酸化物または窒化物のいずれかよりなり、一方、低熱伝導性絶縁材料の層が、耐熱性樹脂、ゴムおよび無機耐火物のうちのいずれかよりなることを特徴とする請求項５に記載のヒーター付構造体。
金属製基材上に、発熱抵抗体を取り付けるに当たり、まず前記基材表面にパターンを刻設形成し、次いで、この窪みパターンの上に下部絶縁層を形成し、次にこのパターンに沿って発熱抵抗体を配置し、その後、該発熱抵抗体の上から上部絶縁層を被覆することを特徴とするヒーター付構造体の製造方法。
前記上部絶縁層および下部絶縁層が、溶射法、スラリー法、ゾルゲル法、ＰＶＤ法およびＣＶＤ法のうちのいずれか一の方法により形成されることを特徴とする請求項７に記載のヒーター付構造体の製造方法。
前記パターンが、円筒状の金属製基材の外部胴周面に沿ってスパイラル状に刻設された窪みからなることを特徴とする請求項７に記載のヒーター付構造体の製造方法。
前記パターンが、前記下部絶縁層の前記発熱抵抗体に直接接する側の面に刻設されていることを特徴とする請求項７または８に記載のヒーター付構造体の製造方法。
前記パターンを、切削加工、レーザー刻印、転造、鍛造、鋳造およびエッチングのうちのいずれか一の方法により刻設形成することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載のヒーター付構造体の製造方法。