JP2006339056A

JP2006339056A - 炭化ケイ素焼結体からなるパイプヒータ

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Publication number: JP2006339056A
Application number: JP2005163654A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Motoyama; 剛元山
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】パイプヒータの単純小型化と熱効率の向上を図る。
【解決手段】炭化ケイ素焼結体からなる複数の中空円筒状のヒータと、上記ヒータの端部同士を連結する複数の中空連結部と、を備える炭化ケイ素焼結体からなるパイプヒータ。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化ケイ素焼結体からなる半導体用治具に関する。さらに詳しくは炭化ケイ素焼結体からなるパイプヒータに関する。

半導体チップの製造工程には、所定の温度に加熱された強腐食性の薬液でシリコンウェハを洗浄する工程がある。かかる薬液を加熱する薬液加熱装置（以下「パイプヒータ」という。）は、例えば耐薬品性が高い石英から本体が構成され、その本体の一部に加熱源としてのランプが配置可能に構成されている（特許文献１参照）。ランプにより薬液を加熱すると、パイプヒータ全体の温度が非常に高温になるため、外部への熱の伝播を防止すると共に、熱効率を向上させるためパイプヒータを断熱する必要がある。しかし、断熱材を用いるとパイプヒータの嵩が大きくなるため、パイプヒータの配置スペースが制限されていた。

また、熱効率の向上を図るために装置形状が複雑になるため装置の製造が困難であった。
特開２０００−２２７２５３号公報

以上より、パイプヒータの単純小型化と熱効率の向上が求められていた。

即ち、本発明は、以下の記載事項に関する。
（１）炭化ケイ素焼結体からなる複数の中空円筒状のヒータと、
上記ヒータの端部同士を連結する複数の中空連結部と、を備える炭化ケイ素焼結体からなるパイプヒータ。
（２）上記ヒータ及び中空連結部の内壁表面に絶縁膜が設けられた上記（１）記載のパイプヒータ。

パイプヒータの単純小型化と熱効率の向上が図られる。

以下に実施形態を挙げて本発明を説明するが、本発明が以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

（パイプヒータ）
図１（ａ）に示す実施形態にかかる炭化ケイ素焼結体からなるパイプヒータ１は、
炭化ケイ素焼結体からなる複数の中空円筒状のヒータ３ａ、３ｂ、３ｃと、
ヒータ３ａ、３ｂ、３ｃの端部同士を連結する中空U字状の連結部５ａ、５ｂと、を備える。

図１（ａ）に示すようにヒータ３ａ、３ｂ、３ｃを中空U字状の連結部５ａ、５ｂを介して連結したことで、乱流が発生しやすくなり、流体を効率的に加熱することができる。尚、ヒータ３ａ、３ｂ、３ｃは直線状に配置しても構わないが、加熱効率を考えると図１（ａ）のように配置することが好ましい。電気伝導性流体の加熱を考慮すると、ヒータ３ａ、３ｂ、３ｃの内側表面に、図１（ｂ）に示すように絶縁膜３１ａを設けることが好ましい。絶縁膜としては、ガラス、酸化物、窒化物等や、耐熱ポリマーコートを用いることができる。ガラス材料としては、例えば、ＳｉＯ₂、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、ＰｂＯ等からなる材料が挙げられる。耐熱ポリマーコートとしては、例えば商品名「ショウエクセル」を用いることができる。

ヒータの端部同士を連結する複数の中空Ｕ字状の連結部５ａ、５ｂは、樹脂からなる。樹脂としては、耐熱性と耐薬品性を備えれば特に制限はないが、例えばテフロン（登録商標）等を用いることが好ましい。連結部５ａ、５ｂの内側表面には、ヒータ３ａ、３ｂ、３ｃと同様の理由から絶縁膜を設けることが好ましい。

パイプヒータ中を流れる流体としては、流動性を有していれば特に制限はないが、フッ素系溶剤等が挙げられる。

ポンプ（図示せず）を介して図１（ａ）のパイプヒータ１の入り口１１から流体を流すと、流体はパイプヒータ１中を流れる間に暖められて出口１２より流れ出る。流れ出た流体を循環させるうちに流体が設定温度まで達し一定に保たれる。

実施形態にかかるパイプヒータ１は、従来のパイプヒータのような嵩張る断熱材を必要としないため、装置の単純小型化が図られる。その結果、パイプヒータの配置スペースの最小化が図られる。また発熱源としてのヒータ３ａ、３ｂ、３ｃで直接流体を加熱するため熱効率が向上する。また連結部５ａ、５ｂの形状をUの字状に変えて他の形状とすることでレイアウトの自由度が向上する。以上の特性を有することから本実施形態にかかるパイプヒータ１は、半導体製造装置の保温用インラインヒータとして用いることが好ましい。

（パイプヒータの製造方法）
図１（ａ）に示すパイプヒータ１は以下の工程により製造される。
（イ）まず円柱状のインゴットを下記ホットプレス法に従って製造する。
（ロ）次に、インゴットの長手方向に直交する断面に中空部を放電加工法により設けて、中空円筒状のヒータ３ａ、３ｂ、３ｃを形成する。そしてヒータ３ａ、３ｂ、３ｃの長手方向端部９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆにメタリコン処理を施す。所望により、ヒータ３ａ、３ｂ、３ｃの中空部の内壁表面に図１（ｂ）に示すように絶縁膜３１ａを形成する。
（ハ）U字状の連結部５ａ、５ｂを介して複数のヒータ３ａ、３ｂ、３ｃを連結し流道を形成する。
（ニ）電極配線７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを用意する。そして、メタリコン処理したヒータ３ａ、３ｂ、３ｃの長手方向端部９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆに電極配線７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを巻きつけ、電極配線７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと、ヒータ３ａ、３ｂ、３ｃを連結する。以上によりパイプヒータ１が得られる。

以下にパイプヒータ１の製造に用いられる炭化ケイ素の製造方法（ホットプレス法）について説明する。本実施形態のパイプヒータ１の製造方法には、遊離炭素含有率が２〜１０重量％の炭化ケイ素焼結体を使用する。このような炭化ケイ素焼結体は、炭化ケイ素粉末と、非金属系焼結助剤ことにより得られる。

まず、炭化ケイ素粉末について説明する。炭化ケイ素粉末としては、α型、β型、非晶質、あるいはこれらの混合物等を広く用いることができ、市販品を用いてもよい。中でもβ型炭化ケイ素粉末が好適に用いられる。炭化ケイ素焼結体を高密度化するためには、用いる炭化ケイ素粉末の粒径は小さいほうがよい。好ましくは０．０１〜１０μｍ程度、より好ましくは０．０５〜２μｍである。粒径が０．０１μｍ未満であると、計量、混合等の処理工程における取り扱いが困難となり、一方１０μｍを超えると、粉体の比表面積、即ち、隣接する粉体との接触面積が小さくなり、高密度化が困難となるので好ましくない。

高純度の炭化ケイ素粉末を用いると、得られる炭化ケイ素焼結体も高純度になるので好ましい。高純度の炭化ケイ素粉末は、例えば、ケイ素化合物（以下「ケイ素源」という場合がある。）と、加熱により炭素を発生する有機材料と、重合触媒または架橋触媒とを混合し、得られた固形物を非酸化性雰囲気中で焼成することにより製造することができる。ケイ素源としては、液状、および固体状の化合物を広く用いることができるが、少なくとも液状の化合物を１種以上用いる。液状のケイ素源としては、アルコキシシラン（モノ−、ジ−、トリ−、テトラ−）の重合体等が挙げられる。アルコキシシランの重合体の中では、テトラアルコキシシランの重合体が好適に用いられる。具体的には、メトキシシラン、エトキシシラン、プロピロキシシラン、ブトキシシラン等が挙げられるが、ハンドリングの点からはエトキシシランが好ましい。テトラアルコキシシラン重合体の重合度は２〜１５程度であると液状の低分子量重合体（オリゴマー）となる。その他、重合度が高いケイ酸ポリマーで液状のものもある。液状のケイ素源と併用可能な固体状のケイ素源としては、炭化ケイ素が挙げられる。ここにいう炭化ケイ素には、一酸化ケイ素（ＳｉＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）の他、シリカゾル（コロイド状超微細シリカ含有液であって、コロイド分子内にＯＨ基やアルコキシ基を含有するもの）、微細シリカ、石英粉体等も含まれる。これらのケイ素源の中でも、均質性やハンドリング性が良好であるテトラアルコキシシランのオリゴマー、またはテトラアルコキシシランのオリゴマーと微粉体シリカとの混合物等が好ましい。また、これらのケイ素源は高純度であることが好ましく、具体的には初期の不純物含有量が２０ｐｐｍ以下が好ましく、５ｐｐｍ以下がさらに好ましい。

加熱により炭素を生成する有機材料としては、液状のものの他、液状のものと固体状のものを併用することもできる。残炭率が高く、かつ触媒あるいは加熱により重合または架橋する有機材料が好ましい。具体的には、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド、ポリウレタン、ポリビニルアルコール等のモノマー、およびプレポリマーが好ましい。その他、セルロース、しょ糖、ピッチ、タール等の液状物も用いられる。中でもレゾール型フェノール樹脂が、熱分解性および純度の点で好ましい。有機材料の純度は、目的に応じて適宜、制御すればよい。特に高純度の炭化ケイ素粉末が必要な場合は、不純物元素の含有量が各々５ｐｐｍ未満である有機材料を用いるのが好ましい。

ケイ素源と有機材料の配合比率は、炭素とケイ素のモル比（以下「Ｃ／Ｓｉ」と略記する。）を目安に好ましい範囲をあらかじめ決定することができる。ここにいうＣ／Ｓｉとは、ケイ素源と有機材料との混合物を１０００℃にて炭化した炭化ケイ素中間体を元素分析し、その分析値より得られるＣ／Ｓｉである。炭素は、以下の反応式で表わされるように、酸化ケイ素と反応し、炭化ケイ素に変化する。

式（Ｉ）ＳｉＯ₂＋３Ｃ→ＳｉＣ＋２ＣＯ
したがって、化学量論的には、Ｃ／Ｓｉが３．０であると、炭化ケイ素中間体中の遊離炭素は０％になるが、実際にはＳｉＯガス等が揮散するため、Ｃ／Ｓｉがより低い値であっても遊離炭素が発生する。遊離炭素は粒成長を抑制する効果を有するので、目的とする粉末粒子の粒径に応じて、Ｃ／Ｓｉを決定し、その比となるようにケイ素源と有機材料とを配合すればよい。例えば、約１気圧、１６００℃以上で、ケイ素源と有機材料との混合物を焼成する場合、Ｃ／Ｓｉが２．０〜２．５の範囲になるように配合すると、遊離炭素の発生を抑制することができる。同条件で、Ｃ／Ｓｉが２．５を超えるように配合すると、遊離炭素の発生が顕著となり、粒子の小さな炭化ケイ素粉末が得られる。このように、目的に応じて、配合比率を適宜決定することができる。尚、炭化ケイ素粉末に起因する遊離炭素の作用および効果は、焼結助剤から生じる遊離炭素の作用および効果と比較して非常に弱いので、炭化ケイ素粉末に起因する遊離炭素は、本実施形態の効果には本質的に影響しないものである。

ケイ素源と有機材料との混合物を硬化させ、固形物にすることもできる。硬化の方法としては、加熱による架橋反応を利用する方法、硬化触媒により硬化する方法、電子線や放射線を利用する方法等がある。用いる硬化触媒は、用いる有機材料に応じて適宜選択できるが、フェノール樹脂、フラン樹脂を有機材料に用いた場合は、トルエンスルホン酸、トルエンカルボン酸、酢酸、蓚酸、塩酸、硫酸等の酸類、ヘキサミン等のアミン類等が挙げられる。ケイ素源と有機材料を含有する固形物は、必要に応じ加熱炭化される。炭化は、窒素またはアルゴン等の非酸化性雰囲気中８００℃〜１０００℃にて３０〜１２０分間加熱することにより行われる。さらに、非酸化性雰囲気中１３５０℃〜２０００℃で加熱すると炭化ケイ素が生成する。焼成温度と焼成時間は、得られる炭化ケイ素粉末の粒径等に影響するので、適宜決定すればよいが、１６００〜１９００℃で焼成すると効率的で好ましい。以上に説明した高純度の炭化ケイ素粉末を得る方法は、特開平９−４８６０５号明細書により詳細に記載されている。

次に非金属系焼結助剤について説明する。本実施形態に用いられる炭化ケイ素焼結体は、遊離炭素２〜１０重量％のものである。この遊離炭素は、非金属系焼結助剤に用いられる有機材料に起因するものであり、非金属系焼結助剤の添加量等の添加条件を調整することにより遊離炭素量を前述の範囲にすることができる。

非金属系焼結助剤としては、前述したように遊離炭素源となり得る、即ち加熱により炭素を生じる有機材料（以下「炭素源」という場合がある。）を含有するものを用いる。前述の有機材料を単独で、または前述の有機材料を炭化ケイ素粉末（粒径：約０．０１〜１ミクロン）表面に被覆させたものを焼結助剤として用いてもよいが、効果の点からは、有機材料を単独で用いるのが好ましい。加熱により炭素を生成する有機材料としては、具体的には、残炭化率の高いコールタールピッチ、ピッチタール、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂の他、各種糖類、例えば、グルコース等の単糖類、しょ糖等の小糖類、セルロース、でんぷん等の多糖類等が挙げられる。有機材料を炭化ケイ素粉末と均質に混合するには、有機材料は常温で液状のもの、溶媒に溶解するもの、または熱可塑性、熱融解性を有する等加熱により軟化するものが好ましい。中でも、フェノール樹脂を用いると炭化ケイ素焼結体の強度が向上するので好ましく、さらにレゾール型フェノール樹脂が好ましい。これらの有機材料の作用機構は明確にはなっていないが、有機材料は加熱されると系中にカーボンブラック、グラファイトの如き無機炭素系化合物を生成する。この無機炭素系化合物が焼結助剤として有効に作用しているものと考えられる。但し、カーボンブラック等を焼結助剤として用いても、同様な効果は得られない。

非金属系焼結助剤は、所望により有機溶媒に溶解し、その溶液と炭化ケイ素粉末を混合してもよい。使用する有機溶媒は、非金属系焼結助剤により異なり、例えば、焼結助剤としてフェノール樹脂を用いる場合は、エチルアルコール等の低級アルコール類、エチルエーテル、アセトン等を選択することができる。高純度の炭化ケイ素焼結体を作製する場合は、高純度の炭化ケイ素粉末を使用するのみならず、焼結助剤および有機溶媒も不純物含有量の少ないものを用いることが好ましい。

非金属系焼結助剤の炭化ケイ素粉末に対する添加量は、炭化ケイ素焼結体の遊離炭素が２〜１０重量％になるように決定する。遊離炭素がこの範囲外であると、接合処理中に進行するＳｉＣへの化学変化、および炭化ケイ素焼結体間の接合が不十分となる。ここで、遊離炭素の含有率（重量％）は、炭化ケイ素焼結体を酸素雰囲気下において、８００℃で８分間加熱し、発生したＣＯ₂、ＣＯの量を炭素分析装置で測定し、その測定値から算出することができる。焼結助剤の添加量は、用いる焼結助剤の種類および炭化ケイ素粉末の表面シリカ（酸化ケイ素）量によって異なる。添加量を決定する目安としては、あらかじめ炭化ケイ素粉末の表面シリカ（酸化ケイ素）量を弗化水素水を用いて定量し、この酸化ケイ素を還元するのに十分な化学量論（式（Ｉ）で算出される化学量論）を算出する。これと、非金属系焼結助剤が加熱により炭素を生成する割合を考慮し、遊離炭素が前述の適する範囲となるように添加量を決定することができる。以上説明した炭化ケイ素焼結体の非金属系焼結助剤についての説明は、特願平９−０４１０４８号明細書中により詳細に記載されている。

次に、炭化ケイ素粉末と非金属系焼結助剤の混合物を焼結する方法について説明する。炭化ケイ素粉末と非金属系焼結助剤は均質に混合する。均質の混合物を得るために、前述したように焼結助剤を有機溶媒に溶解した溶液を用いてもよい。混合方法としては、公知の方法、例えば、ミキサー、遊星ボールミル等を用いる方法が挙げられる。混合に使用する器具は、金属元素不純物の混入を防止するため、合成樹脂素材のものを用いるのが好ましい。混合は１０〜３０時間程度、特に１６〜２４時間程度行い、十分に混合するのが好ましい。十分に混合した後、溶媒を除去し、混合物を蒸発乾固させる。その後、篩にかけて混合物の原料粉体を得る。乾燥には、スプレードライヤー等の造粒装置を使用してもよい。

このようにして得られた原料粉体は、成形金型中に配置される。使用する成形金型が黒鉛製のものであると、金属不純物が炭化ケイ素焼結体中に混入しないので好ましい。金属製の成形金型であっても、原料粉体と金型の金属部とが直接接触しないように、接触部を黒鉛製とするか、または接触部にトリテトラフルオロエチレンシート（テフロン（登録商標）シート）を介在させれば、好適に使用できる。特に、高純度の炭化ケイ素焼結体を製造したい場合は、金型、および炉内の断熱材等には高純度の黒鉛材料を用いるのが好ましい。具体的には、２５００℃以上の温度で、あらかじめ十分にベーキング処理され、高温使用しても不純物の発生がない黒鉛材料等が挙げられる。

成形金型中に配置された原料粉体は、ホットプレス加工を施される。ホットプレスの圧力については特に制約はなく、３００〜７００ｋｇｆ／ｃｍ²の広い範囲の圧力により行うことができる。但し、４００ｋｇｆ／ｃｍ²以上で加圧する場合は、ホットプレス用の部品、例えば、ダイス、パンチ等は耐圧性に優れたものを用いる必要がある。
ホットプレスは、２０００℃〜２４００℃にて行うが、このホットプレス加工温度までの昇温は穏やかに、かつ段階的に行うのが好ましい。このように昇温すると、各々の温度で生じる化学変化、状態変化等を十分に進行させることができる。その結果、不純物混入や亀裂および空孔の発生を防止することができる。好ましい昇温工程の一例を以下に示す。まず、原料粉体をいれた成形金型を炉内に配置し、炉内を１０^−４ｔｏｒｒの真空状態にする。室温から２００℃まで穏やかに昇温し、約３０分間２００℃に保つ。その後、７００℃まで６〜１０時間で昇温し、２〜５時間７００℃に保つ。室温から７００℃までの昇温工程で、吸着水分や有機溶媒の脱離が起こり、また、非金属系焼結助剤の炭化も進行する。一定温度の保持時間は、炭化ケイ素焼結体のサイズによって異なり、適宜好適な時間に設定すればよい。また、保持時間が十分であるか否かの判断は、真空度の低下がある程度少なくなる時点を目安にすることができる。次に、７００℃〜１５００℃まで６〜９時間で昇温し、１〜５時間程１５００℃に保持する。１５００℃に保持している間、酸化ケイ素が還元され炭化ケイ素に変化する反応が進行する（式（Ｉ））。保持時間が不十分であると、二酸化ケイ素が残留し、炭化ケイ素粉末表面に付着するので、粒子の緻密化を妨げ、大粒の成長原因となるので好ましくない。保持時間が十分であるか否かの判断は、副生成物である一酸化炭素の発生が停止しているかを目安に、即ち、真空度の低下がおさまり、還元反応開始温度である１３００℃の真空度まで回復しているかを目安にすることができる。
ホットプレスは、焼結が開始する１５００℃程度まで炉内を昇温し、次に炉内を非酸化性雰囲気とするために、不活性ガスを充填した後行うのが好ましい。不活性ガスとしては、窒素ガス、あるいはアルゴンガス等が用いられるが、高温においても非反応性であるアルゴンガスを用いるのが好ましい。高純度炭化ケイ素焼結体を製造したい場合は、不活性ガスも高純度のものを用いる。炉内を非酸化性雰囲気とした後、温度が２０００℃〜２４００℃、圧力が３００〜７００ｋｇｆ／ｃｍ²となるように炉内を加熱および加圧する。最高温度が２０００℃未満であると、高密度化が不十分となる。一方、最高温度が２４００℃を超えると、粉体もしく成形体原料が昇華（分解）する虞があるため好ましくない。１５００℃近傍〜最高温度までの昇温は２〜４時間かけて行い、最高温度で１〜８時間保持するのが好ましい。１８５０〜１９００℃で焼結は急速に進行し、最高温度保持時間中に焼結が完了する。また加圧条件が、３００ｋｇｆ／ｃｍ²未満であると高密度化が不十分となり、７００ｋｇｆ／ｃｍ²を超えると黒鉛製の成形金型が破損することもあり、製造効率上好ましくない。表面粗度（Ｒａ）は０．５μｍ以下が好ましく、０．２μｍ以下がさらに好ましい。圧力は異常粒が成長するのを抑えるために、３００ｋｇｆ／ｃｍ²〜７００ｋｇｆ／ｃｍ²程度で加圧するのが好ましい。

用いる炭化ケイ素焼結体は、高密度化されていて、密度が２．９ｇ／ｃｍ³以上、気孔率が１％以下であると好ましく、密度が３．０ｇ／ｃｍ³以上、気孔率が０．８％以下であると特に好ましい。高密度化された炭化ケイ素焼結体を用いると、得られる炭化ケイ素接合体の曲げ強度、破壊強度等の力学的特性、および電気的物性が向上する。また、高密度化された炭化ケイ素焼結体を用いると、構成粒子が小粒化されているので汚染性の点でも好ましい。一方、低密度の、例えば多孔性の炭化ケイ素焼結体を用いると、炭化ケイ素接合体の耐熱性、耐酸化性、耐薬品性、および機械的強度が劣り、また接合強度が不十分となる場合もある。

炭化ケイ素焼結体を高密度化する方法として、焼結工程に先立って予め成形工程を実施する方法がある。この成形工程は、焼結工程と比較して低温低圧で行われるものである。この焼結工程を実施すると、嵩のある粉体を予めコンパクト（小容量化）にできるので、この工程を何度も繰り返すことによって、大型の成形体が製造しやすくなる。焼結工程に先立って予め実施される成形工程の諸条件の一例を以下に示す。炭化ケイ素粉末と非金属系焼結助剤とを、均質に混合して得られた原料粉体を成形金型内に配置し、温度８０℃〜３００℃、好ましくは１２０℃〜１４０℃、圧力５０ｋｇｆ／ｃｍ²〜１００ｋｇｆ／ｃｍ²で５〜６０分間、好ましくは２０〜４０分間プレスして成形体を得る。加熱温度は非金属系焼結助剤の特性に応じて、適宜決定すればよい。得られる成形体の密度は、平均粒径１μｍ程度の粉体を用いた場合は１．８ｇ／ｃｍ²以上となるように、また平均粒径０．５μｍの粉体を用いた場合は１．５ｇ／ｃｍ²となるようにプレスするのが好ましい。用いる成形体の密度がこの範囲であると、炭化ケイ素焼結体の高密度化が容易となるので好ましい。得られた成形体が焼結工程に用いる成形金型に適合するように、成形体に切削加工を施してもよい。

本実施形態に用いる炭化ケイ素焼結体中の不純物元素（１９８９年ＩＵＰＡＣ無機化学命名法改訂版の元素周期表において、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉを除く、原子番号３以上の元素）の総含有量は５ｐｐｍ以下であると、高い清浄度が要求されるプロセス、例えば、半導体製造プロセス等にも使用し得るので好ましい。より好ましくは３ｐｐｍ以下、特に好ましくは１ｐｐｍ以下である。但し、化学的分析による不純物含有量は、実際に使用する場合の参考値としての意味を有するに過ぎない。例えば、不純物含有量は同一であっても、不純物が均一に分布しているか、局所的に偏在しているかによってその炭化ケイ素接合体に対する汚染性の評価は異なる場合もある。尚、以上に具体的に例示した材料、および例示した焼結方法を用いれば、不純物含有量１ｐｐｍ以下の炭化ケイ素焼結体が得られる。また、炭化ケイ素焼結体の不純物元素含有量を減少させるには、用いる原料（例えば、炭化ケイ素粉末と非金属系焼結助剤）、および不活性ガスに含まれる不純物元素含有量を１ｐｐｍ以下にしたり、焼結時間、温度等、焼結の諸条件を調整して不純物を除去する方法等が挙げられる。尚、ここでいう不純物元素とは、前述と同様であり、１９８９年ＩＵＰＡＣ無機化学命名法改訂版の周期律表における、原子番号３以上（但し、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、を除く。）の元素をいう。

本実施形態に用いる炭化ケイ素焼結体の、その他の物性値は、室温における曲げ強度２００〜８００ｋｇｆ／ｍｍ²、ヤング率２５０ＧＰａ〜５００ＧＰａ、ビッカース硬度２０００〜３５００ｋｇｆ／ｍｍ²、ポアソン比０．１４〜０．２１、熱膨張係数３．８×１０^-6〜４．５×１０^-6ｌ／℃、体積固有抵抗０．１Ω・ｃｍ以下であると、得られる炭化ケイ素接合体の諸特性が良好となるので好ましい。尚、本実施形態の炭化ケイ素焼結体として、特願平９−０４１０４８号明細書に記載の炭化ケイ素焼結体を好適に使用することができる。

本実施形態で得られるパイプヒータ１の不純物の総含有量は、１０ｐｐｍ未満、好ましくは５ｐｐｍ未満、より好ましくは３ｐｐｍ未満、さらに好ましくは１ｐｐｍ未満である。なお、液状のケイ素化合物と、非金属系焼結助剤と、重合又は架橋触媒と、を均質に混合して得られた固形物を非酸化性雰囲気下で加熱炭化した後、さらに、非酸化性雰囲気下で焼成する焼成工程とを含む製造方法によれば、パイプヒータ１に含まれるケイ素、炭素、酸素以外の不純物の総含有量を１ｐｐｍ未満にすることができる。本実施形態で得られるパイプヒータ１の窒素含有量は、１５０ｐｐｍ以上である。

その他、本実施形態で得られるパイプヒータ１の好ましい物性について検討するに、例えば、室温における曲げ強度は４００ＭＰａ〜７００ＭＰａ、ビッカース硬度は１５００ｋｇｆ／ｍｍ²以上、ポアソン比は０．１４〜０．２１、熱膨張率は３．８×１０^-6〜４．５×１０^-6（℃^-1）、熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・ｋ以上、比熱は０．６０〜０．７０Ｊ／ｇ・Ｋ、比抵抗は１×１０^−１Ωｃｍ以下である。

以上のようにして得られる本実施形態のパイプヒータ１は、好適には以下のような物性を有する：
パイプヒータ１は、比抵抗が０．１Ωｃｍ以下、さらに好ましい態様において０．０５Ωｃｍ〜０．００５Ωｃｍである。パイプヒータ１は、パイプヒータ１のケイ素及び炭素以外の不可避的元素、即ち不純物元素の総含有量は５ｐｐｍ未満である。パイプヒータ１は、密度が２．９ｇ／ｃｍ^３以上、さらに好ましい態様において３．００〜３．１５ｇ／ｃｍ^３である。パイプヒータ１は、曲げ強度が４００ＭＰａ以上、さらに好ましい態様において５００ＭＰａから７００ＭＰａである。

本実施形態の原料粉体である炭化ケイ素粉体及び原料粉体を製造するためのケイ素源と非金属系焼結助剤、さらに、非酸化性雰囲気とするために用いられる不活性ガス、それぞれの純度は、各不純物元素含有量１ｐｐｍ以下であることが好ましいが、加熱、焼結工程における純化の許容範囲内であれば必ずしもこれに限定するものではない。

以下に、本発明の実施例を示すが、本発明は、これら実施例に何ら制限されない。

粒径２μｍのβ型炭化ケイ素紛をホットプレス圧力４００ｋｇｆ／ｃｍ^２、温度２２５０℃で２時間焼結してインゴットを作製した。作製したインゴットは密度が３．１ｇ／ｃｍ^３で室温での比抵抗が０．０１Ω・ｃｍであった。比抵抗は４端針法で測定した。作製したインゴットから放電加工法で内径８ｍｍ、厚み１ｍｍ、長さ２４０ｍｍのパイプを切り出した。パイプは合計４本作製した。パイプの両端部から１０ｍｍの位置に幅１０ｍｍ範囲にアルミニウムを溶射しメタリコン処理部を形成した。フッ素樹脂（テフロン（登録商標））で作製した中空U字状の連結部で炭化ケイ素のパイプを連結し、メタリコン処理部に電線を直列配線で接合しパイプヒータとした。作製したパイプヒータに２．６ｋWの電力をかけて３０℃のフリナートを毎分２L流したところ７９℃まで昇温した。

実施例２
実施例１と同様にして作製したパイプの内面に、ＳｉＯ_２-Ａｌ_２Ｏ_３-ＣａＯ-Ｎａ_２Ｏ-Ｋ_２Ｏ系のガラスをコートし絶縁膜とした。両端部から１０ｍｍの位置に幅１０ｍｍ範囲にアルミニウムを溶射しメタリコン処理部を形成した。テフロン（登録商標）で作製した中空U字状の連結部で炭化ケイ素のパイプを連結し、メタリコン処理部に電線を直列配線で接合しパイプヒータとした。作製したパイプヒータに１．２ｋWの電力をかけて３０℃の純水を毎分０．５L流したところ７２℃まで昇温した。

比較例１
市販のパイプ状液体加熱ヒータ（直径２０ｍｍ×長さ７００ｍｍ）に０．９ｋWの電力をかけて３０℃の純水を毎分０．５L流したところ４６℃までしか昇温しなかった。

実施例１，２のパイプヒータは、比較例１よりも小型であり、しかも効率よく流体を加熱できたることが言えた。

図１（ａ）はパイプヒータの概念図を示し、図１（ｂ）はヒータの断面図を示す。

符号の説明

１…パイプヒータ
３ａ、３ｂ、３ｃ…ヒータ
５ａ、５ｂ…連結部
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ…電極配線
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ…ヒータの長手方向端部（メタリコン処理部）
１１…入口
１２…出口
３１ａ…絶縁材

Claims

炭化ケイ素焼結体からなる複数の中空円筒状のヒータと、
前記ヒータの端部同士を連結する複数の中空連結部と、
を備える炭化ケイ素焼結体からなるパイプヒータ。
前記ヒータ及び中空連結部の内壁表面に絶縁膜が設けられたことを特徴とする請求項１記載のパイプヒータ。