JP2005150101A - 電気ヒーター及びこれを備えた炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 より均一な加熱を行うことが可能で、発熱体を確実に支持することの可能な電気ヒーター及びこれを用いた炉を提供すること。
【解決手段】 蛇行状の発熱体１０の上側端を支持体２０に固定し、発熱体１０の下側端を上下方向に移動自在な状態とする。そして、これら発熱体１０，１０の上側端と下側端とを近接させ、同発熱体１０の中間部を絶縁体３０から離隔させる。発熱体１０の上側端よりも下側端を絶縁体３０から離隔させることにより、両者の短絡を防ぐ。前記発熱体１０の上部に折曲部を形成して、この折曲部を支持体に掛止する。
【選択図】 図１３

Description

本発明は、電気ヒーター（基板処理装置用を除く）及びこれを備えた炉（基板処理装置用を除く）に関するものである。

従来、上述の如き電気ヒーターとしては、例えば図１９に示すような電気ヒーターが知られている。この電気ヒーター１００は、湾曲した発熱体１０１の両端部を支持体１０２に設けた差込部１０２ａに差し込み支持する構造を有するものである。しかし、支持体の介在で発熱体１０１による均一な加熱が妨げられやすい構造的な問題があった。また、発熱体１０１は自らの発熱により内部に歪みが生じ、歪みの生じた発熱体１０１ａは、差込部１０２ａから脱落する恐れがあった。また、次の特許文献１に記載の如く、脱落防止の構造を設けた電気ヒーターが提唱されている。
特開２０００−１１３９６８号公報

しかし、同公報に係るヒーターでは未だ発熱体を確実に支持するには支持体と絶縁他との間の組み付け精度も必要で、均一な加熱という点でも不十分であった。

かかる従来の実情に鑑みて、本発明の第一の目的は、より均一な加熱を行うことの可能なヒーター及びこれを備えた炉を提供することにある。
本発明の第二の目的は、発熱体を確実に支持することの可能なヒーター及びこれを備えた炉を提供することにある。

上記第一、第二の目的を達成するため、本発明に係る電気ヒーター（基板処理装置用を除く）の特徴は、蛇行状発熱体の上側端を支持体に固定し、前記発熱体の下側端を上下方向に移動自在な状態とし、これら上側端と下側端とを近接させ、同発熱体の中間部を絶縁体から離隔させたことにある。上側端と下側端とを近接させてあるので、発熱体間の距離が開かずにより均一な加熱が可能となる。この場合、前記発熱体の前記上側端よりも前記下側端を前記絶縁体から離隔させることが望ましい。

発熱体を固定するに際しては、前記発熱体の上側端に折曲部を形成してこの折曲部を支持体に掛止するとよい。この場合、前記折曲部が略直角に折り曲げられ、前記支持体の掛止部もこの折曲部を受け入れる略直角に形成されてもよい。例えば、前記掛止部は折曲部が掛止される下壁部と下壁部に略平行で折曲部の上側への抜けを防止する上壁部と折曲部の水平方向への脱落を防止するための上壁部から垂下する横壁部とを備え、下壁部は上壁部及び横壁部とは分割可能である。

前記発熱体の上解放スリットにおける前記折曲部にこの上解放スリット間での発熱体の短絡を防ぐ第一絶縁片を介在させてもよい。
発熱体を他の手段で固定するには、前記発熱体の上側端を固定するための前記支持体を、前記発熱体の下解放スリットを貫通させてもよい。この場合、前記支持体が前記発熱体と前記絶縁体との間に介在する絶縁片を貫通する。

前記発熱体の下端側は下固定体（ピン）をスリットに貫通させ、スリット長手方向に移動自在で且つスリット垂直方向の移動を規制する状態で絶縁体に保持してもよい。

上記各特徴において、下側の発熱体の上端を支持する支持体に上側の発熱体の下端を水平方向視で重ねるとよい。また、発熱体の上端と下端との間に放熱側に対するオフセット距離を設けながら、発熱体の一部を垂下させるように発熱体の上部側に湾曲部を形成してもよい。さらに、発熱体の上下方向中間部を絶縁体とは反対側に突出するよう湾曲させてもよい。
上記いずれかの特徴に記載の電気ヒーターは、これを備えた炉として実施することができる。

このように、上記本発明に係る電気ヒーター及びこれを備えた炉の特徴によれば、上側端と下側端とを近接させてあるので、加熱が均一に行える。また、同発熱体の中間部を絶縁体から離隔させてあるので、放熱効率が良く均一な加熱が可能となる。しかも、上側端を固定し、下側端は自由であるので、熱膨張や変形が発生しても脱落の恐れがなくて確実に支持でき、組み付け精度も要せずに安価に製造が可能である。
本発明の他の目的、構成及び効果については以下に示す発明の実施の形態の項で明らかになるであろう。

次に、図１及び図２を参照しながら、本発明の第一の実施形態について説明する。図１に示すように、本発明に係る電気ヒーター１は、大略、複数の発熱体１０と、この発熱体１０を支持する支持体２０と、支持体２０を支持するセラミックボード３０とからなる。絶縁体であり断熱部材であるそして、電気ヒーター１が炉体内部に設けられ、炉を構成する。炉の性能はヒーターの性能に大幅に左右されるため、本願発明は炉の特徴としても解釈することができる。

発熱体１０は、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌやニッケルクロム合金等で作成した板状体の長手方向に交差する複数のスリット１１が形成してあり、発熱体１０が蛇行状の回路を構成している。また、図２（ａ）に示すように、発熱体１０の一方の先端には、支持体２０に掛止させるための略Ｌ字状、すなわち略直角に折り曲げられた折曲部１３が設けられている。また、発熱体１０は、幅方向に対して平面状に連続している。

支持体２０は、図２（ａ）に示すように、上支持部２１と下支持部２２との間に略Ｌ字状の掛止部２３を形成してなる。この掛止部２３は折曲部１３が掛止される下壁部２２ａと、下壁部２２ａに略平行で折曲部１３の上側への抜けを防止する上壁部１２ｂと、折曲部１３の水平方向への脱落を防止するための上壁部２１ｂから垂下する横壁部２１ａとを備えている。

発熱体１０は、掛止部２３によってのみ垂直方向に支持され、発熱体１０の中間部からの熱の逃げが抑制されるため、熱効率がよい。水平方向視（又は、電気ヒーターＨ全体の発熱面に対する直交方向Ｄｈ）で支持体２０と重なり、発熱体１０の上端よりもセラミックボード３０から隔たっているので、たとえ発熱体１０が熱膨張しても上下端が接触する恐れがない。この場合、発熱体１０の下端は、横壁部２１ａの上に乗り上げ、又は、横壁部２１ａとの間に隙間を有してもよい。発熱体１０の下端と上端との水平方向の隔たりは、両者間での加熱が均一に行われるように調整すればよい。なお、断熱体であるセラミックボード３０は幅方向に対して平面状に連続している。

次に、本発明の第一の実施形態の改変例について説明する。なお、以下の実施形態や改変例においては、上記と同様の部材には同様の符号を附してある。
図２（ｂ）に示す改変例では、図２（ａ）に示す改変例と発熱体１０の形状が異なる。発熱体１０に湾曲部１４を形成し、発熱体１０の上端と下端との間に放熱側に対するオフセット距離を設けながら、発熱体１０の大半を垂直に垂下させるように構成している。

図２（ｃ）に示す改変例は、発熱体１０の下端が横壁部２１ａに乗り上げず、支持体２０から熱膨張分だけ隔たっている。
図２（ｄ）に示す改変例では、下支持部２２の形状が（ａ）と異なると共に、隣接する上支持部２１の先端部に絶縁体である突起２４を設けている。下支持部２２は、平坦に整形されており、また、突起２４により、発熱体１０が熱変形してその下端が前側に突出することを防いでいる。

次に、本発明のさらに他の実施形態について説明する。なお、先の第一の実施形態と同様の部材には同様の符号を付してある。

図３（ａ），図４に示す第二の実施形態では、図４に示すように、発熱体１０、支持体２０及びセラミックボード３０が湾曲したものを用いており、固定具４０により発熱体１０を支持した支持体２０をセラミックボード３０に固定する点で第一の実施形態と異なる。図３に示すように、固定具４０は、ボルト４１，ナット４２，ワッシャ４３よりなり、適宜間隔に止金４４を取り付けた支持体２０をボルト４１によりステンレス板３１を取り付けたセラミックボード３０に取り付け、ボルト４１にワッシャ４２を挟みナット４２を締め付け固定する。支持体２０は、適宜間隔をおいて固定具４０によりセラミックボード３０に固定することにより強度を高めている。発熱体１０は図５に示すように円周方向の一部に切り欠きを有し、一対の端子１０ｘ，１０ｙを介して電源に接続される。

また、図３（ｂ）に第二の実施形態の改変例を示す。本改変例では、支持体の構造が異なる。支持体５０は、セラミックボード３０に固定される固定部５１と、固定部５１に挿脱可能な調整部５２と、掛止部５３とよりなる。固定部５１には、発熱体１０の折曲部１３を掛止するための先の下壁部に相当する凹部５１ａが設けられ、調整部５２は、固定部５１に挿脱するために把握され横壁部として機能するつまみ５２ａと、先の上壁部として機能する挿入軸５２ｂとよりなる。この調整部５２の挿入位置を調整することにより、挿入軸５２ｂが折曲部１３の脱落を防止する上壁部となる共に、発熱体１０の取り外し等の保守作業が容易となる。

次に、図６に示す第三の実施形態では、図６（ｂ）に示すように、支持体６０は、Ｌ字状のハンガーピン６１と、スペーサー６２と、碍子６３とよりなり、発熱体１０には折曲部１３を設けず、平坦に形成してなる。なお、図６〜１２は、図６の実施形態と同様に、支持体２０及びセラミックボード３０が湾曲したものを用いている。ハンガーピン６１を適宜間隔をおいて同一高さとなるようセラミックボード３０に固定し、スリット１１によりハンガーピン６１に発熱体１０を掛止させる。そして、ハンガーピン６１に取り付けたスペーサー６２と、ハンガーピン６１の突出部に取り付けた碍子６３により発熱体１０を挟持させる。また、発熱体１０の下側端は、隣接する碍子６３に乗り上げないし隙間を空けてオーバーラップする様に近接し、、発熱体１０の上側端と近接している。

ここで、図７〜１１を参照しながら第三の実施形態の改変例について説明する。 図７に示す改変例では、碍子６３の形状が相違し、水平方向に対し幅広に成形することにより、発熱体１０の安定性を高めている。

図８に示す改変例は、碍子６３を用いずセラミックボード３０に設けた凸部３２により、発熱体１０の下側端を上側端よりもセラミックボード３０から離隔させ、下側端と上側端とを近接させている。

図９に示す改変例では、図８に示す凸部３２と異なる高さの凸部３３をセラミックボード３０に設け、発熱体１０の上側端と下側端とを近接させる。さらに、凸部にハンガーピン６１を用い、発熱体１１の上解放スリット１１ａの下端に貫通させることにより、発熱体１０はスリット１１の長手方向に移動自在であるがスリットの垂直方向への移動をハンガーピン６１により規制している。

図１０に示す改変例は、セラミックボード３０に固定した絶縁体である板状の碍子６４により、発熱体１０の上側端と下側端とを近接させている。
図１１に示す改変例は、発熱体１０の厚みとほぼ同一幅の凹部６１ａを設けたハンガーピン６１を用い、凹部６１ａにスリット１１を嵌合させ、発熱体１０を掛止させている。

図１２に示す第四の実施形態は、発熱体１０の形状の改変に関する。発熱体１０は、熱膨張によりセラミックボード３０側に変形してしまう。そのため、発熱体１０の上下方向中間部が、あらかじめセラミックボード３０から離反するよう、この中間部をセラミックボード３０とは反対側に突出するよう湾曲させておき、変形による支持体からの脱落を防止している。

図１３〜１５に示す第五の実施形態では、絶縁体３０が複数の分割体３０ａを積層することで構成されている。支持体２０には貫通孔２０ａが形成され、Ｌ字型の固定釘２０ｂにより絶縁体に固定されている。発熱体１０の折曲部１３のうち上解放スリット１１ｂには小さな碍管（絶縁体）である第一絶縁片１６が挿入され、上解放スリット１１ｂを挟む発熱体１０同士の短絡を防いでいる。この第一絶縁片１６は、上支持部２１と下支持部２２との間で囲まれる掛止部２３に収納されて脱落が防がれる。発熱体１０の下部は絶縁体である下固定ピン６５をスリット１１に貫通させ、スリット１１長手方向に移動自在で且つスリット１１垂直方向の移動を規制された状態で絶縁体である第二絶縁片１７を介して絶縁体３０に固定される。また、下固定ピン６５による固定は上解放スリット１１ｂの他、符号６５ｘに示すような下解放スリット１１ａの位置で行っても構わない。

図１６に示す第六の実施形態では、発熱体１０が絶縁体である上固定ピン６６により吊り下げ支持される。絶縁体３０は第二〜第四分割体３０ｂ〜ｄを積層して構成してある。各下解放スリット１１ａに上固定ピン６６を貫通させ、絶縁体である第三絶縁片１８を介して１０を絶縁体３０に固定している。

図１７以下に示す実施形態は、主として本発明の第二の目的を解決するためのものである。ここで、図１７（ａ）の参考実施形態は、主として天井部に用いられ、支持体の構造が異なる。セラミックボード３０に固定具４０を介して固定された支持体７０は、セラミックボード３０に固定される固定部７０ａと、固定部７０ａに挿脱可能な調整部７０ｂよりなる。固定部７０ａには、発熱体１０の両端部に設けられた折曲部１３が掛止するための差込部７１が設けられている。折曲部１３を支持体７０の差込部７１に差し込み、調整部７０ｂを固定部７０ａに挿嵌し、発熱体１０を固定する。

また、図１７（ｂ）には、（ａ）の実施形態の改変例を示す。本改変例は、止金を取り付けることなく支持体７２を固定具４０によりセラミックボード３０に固定している。また、支持体７２の両側には、発熱体を取り付けやすくするよう形成した差込部７４を備えている。その差込部７４は、図１７（ａ）に示す差込部７１とは反対方向に凹みを形成しており、差込部７４に折曲部１３を掛止させ、発熱体１０を固定している。

さらに、図１７（ｃ）に示す改変例では、湾曲したセラミックボード３０において、支持体７３に設けた差込部７５に発熱体１０の折曲部１３をそれぞれ差し込み、発熱体１０の反発力により、支持体７３をセラミックボード３０に固定している。本改変例は、湾曲していれば、天井部に限らず、壁面部であっても用いることができる。

図１８（ａ）に示す参考実施形態では、発熱体１０の歪みによる脱落を防止する突出部９０を有している。突出部９０は、突出部９０の先端部がほぼ発熱体１０の中央部に位置するようセラミックボード３０，３０間に設け、突出部９０の先端部と発熱体１０の中央部とは接近している。そのため、発熱体１０にセラミックボード３０側への歪みが生じても突出部９０により歪みが抑制され、発熱体１０の上先端部が挿入している差込部８１からの発熱体１０の脱落を防止することができる。

また、図１８（ｂ）、（ｃ）には（ａ）の改変例を示す。図１８（ｂ）に示す改変例は、セラミックボード３０のほぼ中央部に凸部３４を設けることで突出部突出部９０と同一の役割を果たしている。また、図１８（ｃ）に示す改変例は、発熱体１０，セラミックボード３０間にわずかな隙間Ｃを設けている。この隙間Ｃにより、熱による歪みが生じた発熱体１０がセラミックボード３０と当接し、歪みによる発熱体１０の脱落を防止することができる。

上記各実施形態では、図１，２の実施形態では発熱体１０の長手方向に対し発熱体１０及び断熱体３０が直線的に連続し、図３〜１６の実施形態・改変例では発熱体１０の長手方向に対し発熱体１０及び断熱体３０が曲面的に連続した。しかし、図１，２の実施形態では発熱体１０の長手方向に対し発熱体１０及び断熱体３０が曲面的に連続し、図３〜１６の実施形態では発熱体１０の長手方向に対し発熱体１０及び断熱体３０が直線的に連続しても構わない。

上記各実施形態・改変例において、蛇行ヒーターは平板状に限られず、線材を蛇行状に展開させたものでも構わない。
上記各実施形態・改変例において、発熱体は、上下方向に垂直に配置するのみならず、発熱体の平面を鉛直方向に傾斜状に配置したり水平に配置しても構わない。

上記支持体、突起、固定ピン、絶縁片、碍子等を構成する絶縁材料としては、アルミナ質、アルミナシリカ質、ムライト質、ジルコン質又はコージライトを主体とするセラミックスや炭化けい素、窒化けい素等の他、断熱体の断熱耐火物よりも硬質かつ良熱伝導性のものであれば、様々なものを用いることができる。また、上記断熱部材（絶縁体）３０を構成する断熱耐火物としては、セラミックスファイバーやセラミックス粉末に有機・無機のバインダーを混入したものなど、様々なものを用いることが可能である。これら断熱体及び支持体を構成する材料の種類や配合は、電気ヒーターの使用温度等に応じて適宜変更することができる。

本発明に係るヒーターは、ガラス、セラミック、金属の熱処理用ヒーターとし使用することができる。また、反応炉、拡散炉にも適用することができ、例えば７００℃〜９００℃程度の低温環境や、例えば１２００℃を超える高温環境下においても使用することができ、本発明のヒーターは室温から１４００℃まで適用可能である。但し、本発明の保護対象からはシリコンウェーハ、ガラス基板等の基板に半導体装置を製造する基板処理装置用のヒーター及び炉を除くものとする。

本発明に係る電気ヒーターの正面図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は（ａ）の改変例を示す断面図である。 （ａ）は本発明の第二の実施形態を示す図２（ａ）相当図、（ｂ）は（ａ）の改変例を示す断面図である。 図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 発熱体の結線状態を示す概略断面図である。 （ａ）は本発明の第三の実施形態を示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 （ａ）は本発明の第三の実施形態の改変例を示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。 （ａ）は本発明の第三の実施形態の改変例を示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。 （ａ）は本発明の第三の実施形態の改変例を示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。 （ａ）は本発明の第三の実施形態の改変例を示す正面図、（ｂ）は、（ａ）のＧ−Ｇ断面図である。 （ａ）は本発明の第三の実施形態の改変例を示す正面図、（ｂ）は、（ａ）のＨ−Ｈ断面図である。 （ａ）は本発明の第四の実施形態を示す図２相当図である。 （ａ）は本発明の第五の実施形態を示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。 図１３（ｂ）の支持体部の拡大図である。 発熱体上部と絶縁片との関係を示す図である。 （ａ）は本発明の第六の実施形態を示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＪ−Ｊ断面図である。 （ａ）は参考の実施形態を示す図２（ａ）相当図、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）の改変例を示す断面図である。 （ａ）は参考の実施形態を示す図２（ａ）相当図、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）の改変例を示す断面図である。 従来の電気ヒーターの実施形態を示す図２（ａ）相当図である。

符号の説明

１：電気ヒーター，１０：発熱体，１０ｘ、１０ｙ：端子，１１：スリット，１１ａ：下開放スリット，１１ｂ：上開放スリット，１２：縁部，１３：折曲部，１４：湾曲部，１６：第一絶縁片，１７：第二絶縁片，１８：第三絶縁片，２０：支持体，２０ａ：貫通孔，２０ｂ：固定釘，２１：上支持部，２１ａ：横壁部，２１ｂ：上壁部，２２：下支持部，２２ａ：先端部，２３：掛止部，２４：突起，３０：セラミックボード（絶縁体），３０ａ〜ｄ：第一〜第四分割体，３１：ステンレス板，３２、３３、３４：凸部，４０：固定具，４１：ボルト，４２：ナット，４３：ワッシャ，４４、４５：止金，５０：支持体，５１：固定部，５１ａ：凹部（先端部），５２：調整部，５２ａ：つまみ（横壁部），５２ｂ：挿入軸（上壁部），５３：掛止部，６０：支持体，６１：ハンガーピン，６１ａ：凹部，６２：スペーサー，６３、６４：碍子，６５：下固定ピン，６６：上固定ピン，７０：支持体，７０ａ：固定部，７０ｂ：調整部，７１：差込部，７２、７３：支持体，７４、７５：差込部，８０：支持体，８１：差込部，９０：突出部，１００：ヒーター，１０１、１０１ａ：発熱体，１０２：支持体，１０２ａ：差込部，１０３：成形体

Claims (13)

1. 蛇行状の発熱体（１０）の上側端を支持体（２０）に固定し、前記発熱体（１０）の下側端を上下方向に移動自在な状態とし、これら上側端と下側端とを近接させ、同発熱体（１０）の中間部を絶縁体（３０）から離隔させてある電気ヒーター（基板処理装置用を除く）。
2. 前記発熱体（１０）の前記上側端よりも前記下側端を前記絶縁体（３０）から離隔させたことを特徴とする請求項１記載の電気ヒーター。
3. 前記発熱体（１０）の上側端に折曲部（１３）を形成してこの折曲部（１３）を支持体（２０）に掛止したことを特徴とする請求項１又は２記載の電気ヒーター。
4. 前記折曲部（１３）が略直角に折り曲げられ、前記支持体（２０）の掛止部（２３）もこの折曲部（１３）を受け入れる略直角に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電気ヒーター。
5. 前記掛止部（２３）は折曲部（１３）が掛止される下壁部（２２ａ）と下壁部（２２ａ）に略平行で折曲部（１３）の上側への抜けを防止する上壁部（１２ｂ）と折曲部（１３）の水平方向への脱落を防止するための上壁部（２１ｂ）から垂下する横壁部（２１ａ）とを備え、下壁部（２２ａ）は上壁部（２１ｂ）及び横壁部（２１ａ）とは分割可能であることを特徴とする請求項４に記載の電気ヒーター。
6. 前記発熱体（１０）の上解放スリット（１１ｂ）における前記折曲部（１３）にこの上解放スリット（１１ｂ）間での発熱体（１０）の短絡を防ぐ第一絶縁片（１６）を介在させてあることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の電気ヒーター。
7. 前記発熱体（１０）の上側端を固定するための前記支持体（２０）が、前記発熱体（１０）の下解放スリット（１１ａ）を貫通することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電気ヒーター。
8. 前記支持体（２０）が前記発熱体（１０）と前記絶縁体（３０）との間に介在する絶縁片（１８）を貫通することを特徴とする請求項７に記載の電気ヒーター。
9. 前記発熱体（１０）の下端側は下固定体（６５）をスリット（１１）に貫通させ、スリット（１１）長手方向に移動自在で且つスリット（１１）垂直方向の移動を規制する状態で絶縁体（３０）に保持したことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電気ヒーター。
10. 下側の発熱体（１０）の上端を支持する支持体（２０）に上側の発熱体（１０）の下端を水平方向視で重ねてあることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の電気ヒーター。
11. 発熱体（１０）の上端と下端との間に放熱側に対するオフセット距離を設けながら、発熱体（１０）の一部を垂下させるように発熱体（１０）の上部側に湾曲部（１４）を形成したことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の電気ヒーター。
12. 発熱体（１０）の上下方向中間部を絶縁体（３０）とは反対側に突出するよう湾曲させたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の電気ヒーター。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の電気ヒーターを備えた炉（基板処理装置用を除く）。
    

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