JP2013077508A

JP2013077508A - 面状ヒータ

Info

Publication number: JP2013077508A
Application number: JP2011217773A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Goto; 浩之後藤; Shigeko Muramatsu; 滋子村松; Hiroaki Kobayashi; 弘明小林
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-25

Abstract

【課題】透明導電膜の形成面内に、透明導電膜が形成されていない非形成部を設け、この非形成部によって透明導電膜形成面の抵抗を部分的に変化させ、面内の温度分布を制御する面状ヒータを提供する。
【解決手段】面状ヒータ１は、透明基板２の少なくとも１表面に透明導電膜３を形成し、前記透明基板３の両端に電圧印加用の金属電極４を配した面状ヒータにおいて、透明導電膜３が形成された透明導電膜３の形成面内に、前記透明導電膜が形成されていない非形成部３ａが複数形成され、これにより透明導電膜の見かけ抵抗を上昇させ、電流の流れと発生するジュール熱とを制御することで面内温度分布を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は面状ヒータに関し、例えば、各種光学測定機等の試料温度保持用等に用いられる、面内の温度分布を制御した面状ヒータに関する。

この種の面状ヒータは、透明な合成樹脂基板や透明なガラス基板等の透明基板の全面に均一に透明導電膜が形成され、また前記基板の両端に金属電極が形成されている。そして、前記金属電極に電圧を印加し、透明導電膜に通電させることにより、面状ヒータ（透明導電膜）を発熱させている。
この面状ヒータは、透明導電膜の膜厚が均一（すなわち、透明導電膜各部の比抵抗が均一）であり、かつヒータの中心部と周辺部で放熱量が異なるため、面内の中心部の温度が高くなり、面内温度分布の均質化を図ることができなかった。
そのため、面内温度分布の均質化した面状ヒータや、あるいは特殊用途としての局所加熱ができる面状ヒータが社会から求められている。

このような社会からの要請に対して、面内温度分布の均質化を図ることができるヒータが特許文献１において提案されている。
この提案されたヒータについて、図８に基づいて説明する。尚、第８図（ａ）は、ヒータの平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ断面図である。
図８において、符号１１１はガラス基板、符号１１２は二酸化スズ膜（ＳｎＯ_２膜）、符号１１３はＩＴＯ膜、符号１１４はヒータ取出電極を示している。
この提案されたヒータ１１０は、まず、ガラス基板１１１上の全面にＣＶＤ法で透明なＳｎＯ_２膜１１２を所定の厚さ成膜する。次に、前記ＳｎＯ_２膜１１２の表面の一部に、透明なＩＴＯ膜１１３をスパッタ法にて所定の厚さ成膜する。

このようにして作成されたヒータ１１０にあっては、ＳｎＯ_２膜２及びＩＴＯ膜３からなる透明導電膜が、前記ＳｎＯ_２膜の形成の有無によって、透明導電膜の膜厚が厚い領域と薄い領域が形成される。
この透明導電膜の膜厚が厚い領域と薄い領域において、抵抗値は異なり、電流の流れと発生するジュール熱が異なる。即ち、透明導電膜の膜厚を一部変えることにより、透明導電膜の抵抗値を変化させ、電流の流れと発生するジュール熱を制御し、表面の温度分布を均質化させている。

特開平３−１７２８２０号公報

ところで、特許文献１に記載されたヒータにあっては、前記したように透明導電膜の膜厚の厚い領域と薄い領域に分けることにより、表面の温度分布を均質化が図られている。
しかしながら、前記したように透明導電膜の膜厚が厚い領域と薄い領域を形成するために、少なくとも二つの膜を形成する工程が必要となり、製造工程が煩雑となり、コストが嵩むという技術的課題があった。

本発明は、前述のような技術的課題を解決するためになされたものであり、透明導電膜の形成面内に、透明導電膜が形成されていない非形成部を設け、この非形成部によって透明導電膜形成面の抵抗を部分的に変化させ、面内の温度分布を制御する面状ヒータを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するするためになされた本発明にかかる面状ヒータは、透明基板の少なくとも１表面に透明導電膜を形成し、前記透明基板の両端に電圧印加用の金属電極を配した面状ヒータにおいて、透明導電膜が形成された透明導電膜の形成面内に、前記透明導電膜が形成されていない非形成部が複数形成されていることを特徴としている。

このように、透明導電膜が形成された透明導電膜の形成面内に、前記透明導電膜が形成されていない非形成部を複数形成することにより、透明導電膜の見かけ抵抗を上昇させ、電流の流れと発生するジュール熱とを制御する。これにより、面状ヒータの面内温度分布を制御することができる。尚、前記非形成部は、微小形状であって多数形成することにより、透明導電膜が形成された形成面内全体の温度分布（面内温度分布）の均質化を図ることができる。

ここで、前記透明基板が石英ガラスであることが望ましい。このように透明基板が石英ガラスであることが、耐薬品性や耐候性、耐熱性の観点からより好ましい。

また、透明導電膜に形成された非形成部の形状が円形で、かつ直径が０．１ｍｍから１ｍｍであることが望ましい。
このように非形成部の形状が円形である場合には、配置の仕方の自由度が大きいため好ましい。また、非形成部の直径が０．１ｍｍ未満の場合には、パターニングすることが困難であり、直径が１ｍｍを超える場合には大きな温度むらが発生するため、非形成部の直径は０．１ｍｍから１ｍｍであることが望ましい。

また、透明導電膜に形成された、互いに隣接する非形成部の中心の間隔が、等間隔に配列されていることが望ましい。
このように非形成部が等間隔に形成されているため、透明導電膜が形成された形成面内全体の温度分布をより均質化することができる。

更に、透明導電膜が半導体であることが望ましく、また透明導電膜が酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛の何れか一つを主成分とする半導体であることが望ましい。

本発明によれば、透明導電膜を一つの膜とし、この透明導電膜の形成面内に、透明導電膜が形成されていない非形成部を設け、この非形成部によって透明導電膜形成面の抵抗を部分的に変化させ、面内の温度分布を制御する面状ヒータを得ることができる。

本発明にかかる面状ヒータの一実施形態を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。面状ヒータの見かけ抵抗を変化させる場合を示した模式図であって、（ａ）は非形成部３ａの大きさ（サイズ）を変化させた場合を示し、（ｂ）は隣接する非形成部３ａの間隔（中心間距離）Ｌを変化させた場合を示す図である。実施例１の面状ヒータの形態を示す概略構成図である。図３に示した面状ヒータの温度分布の測定結果を示す図である。実施例２の面状ヒータの形態を示す概略構成図である。図５に示した面状ヒータの温度分布の測定結果を示す図である。比較例のヒータで得られた温度分布の測定結果を示す図である。特許文献１に示されたヒータを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

本発明にかかる面状ヒータの一実施形態について図１、図２に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明にかかる面状ヒータ１にあっては、従来のヒータと同様に、透明基板２の表面に透明電導膜３を形成し、両端に電圧印加用の金属電極４が配置されている。また、透明導電膜２の抵抗を部分的に制御するために、透明導電膜が形成されない非形成部３ａが配置されている。

本発明の面状ヒータ１は、前記非形成部３ａを複数配置した点に特徴があり、詳しくは、透明電導膜３に周期的な微小形状の非形成部３ａを多数成形することで透明電導膜の見かけ抵抗を上昇させ、電流の流れと発生するジュール熱とを制御することで面内温度分布を制御した点に特徴がある。

ここで、透明基板２としては、ガラスや合成樹脂が用いられるが、石英ガラスが耐薬品性、耐候性、耐熱性の観点からより好適である。
また、金属電極４は、Ａｌの蒸着膜や、Ａｇペーストの焼付け、金属体の物理的圧着等で形成することができる。前記金属電極４は、前記したいずれの方法に限定されるものではないが、透明導電膜３との接触抵抗が十分に小さく、異常発熱の原因とならないように注意して形成する必要がある。

また、透明導電膜３は、透過すべき光のエネルギーよりも大きなバンドギャップを持つ半導体であることが必要であり、特に可視光を透過するために３ｅＶ以上のバンドギャップを持った半導体であることが必要である。
好適には、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛の何れか一つを主成分とする半導体であることが望ましく、より好適にはＩＴＯ膜が望ましい。
これらの半導体膜には導電性を向上するために様々な添加物が添加される場合があるが、特にそれらが問題とはならず、使用することができる。

また、前記微小形状の非形成部３ａは、前記透明導電膜３の見かけ抵抗を変化させるための方法として用いられ、単位面積当たりの膜の形成面積を低下させることで見かけの抵抗率を上げるものである。即ち、電流の流れる方向に対して垂直方向の膜の断面を見た場合、非形成部３ａには前記透明導電膜３が存在しないため、結果として前記透明導電膜３の断面積は小さくなり、抵抗は増加する。

前記非形成部３ａの形状は、配置の仕方の自由度の大きい円形が好ましい。非形成部３ａの形状が円形の場合には中心間距離を等間隔にすることにより、外形の距離も等間隔にすることができる。これに対して、四角形状や三角形状の場合には、中心（重心）から外形までの距離が一定ではないため、配置に特別な配慮が必要となり、制限が生じる。そのため、配置の仕方の自由度の大きい円形が好ましい。
また、前記非形成部３ａの大きさは、前記透明導電膜３と非形成部３ａの間に、大きな温度むらが生じない程度に小さい方が好ましく、一方、パターンが細かくなればなるほど不良の発生確率が高くなるため、パターニング（形成のしやすさ）を考慮すると大きい方が好ましい。実際には、前記非形成部３ａとしては、直径１ｍｍ〜０．１ｍｍの円形が好適に用いることができる。

前記透明導電膜３の抵抗の制御は、前記非形成部３ａの単位面積当たりに占める割合で行う。
具体的には、図２（ａ）に示すように、非形成部３ａの大きさ（直径）を変化させる方法と、図２（ｂ）に示すように、隣接する非形成部３ａの中心の間隔（中心間距離）Ｌを変化させる（中心間距離ＬからＬ１に変更する）方法とがあるが、非形成部３ａの大きさ（直径）の好適範囲を考慮しつつ、両者を使い分けて制御することが望ましい。
また、非形成部３ａの単位面積当たりに占める割合を容易に計算するために、図２（ｂ）に示すように、隣接する円形の非形成部３ａ中心の間隔が等間隔（中心間距離Ｌ１）に配列されていることが好ましい。

前記非形成部３ａの形成方法は、スパッタリング蒸着、ウェットエッチング、ドライエッチング、光リソグラフィなどの一般的な半導体製造技術を用いて作製する方法や、スクリーン印刷やインクジェットプリントなどの印刷技術を用いて作製する方法が使用できる。
半導体製造技術を利用した非形成部３ａの形成方法の場合は、例えば導電性透明膜を形成後に感光性レジストを塗布し、写真現像技術によってパターニングしたのち、ウエットエッチング或いはドライエッチングによってレジストの無い部分の膜を除去し、非形成部３ａの形成する。
また、印刷技術を利用した非形成部３ａの形成方法の場合、例えばスクリーン印刷法では、導電性透明膜を形成後にレジスト用のスクリーン印刷インクを印刷し、硬化後にエッチング液中に浸漬して露出している膜を除去し、非形成部３ａの形成する場合と、塗布後の熱処理で導電性透明膜となるスクリーン印刷インクによって直接パターン通りに印刷して、非形成部３ａの形成する場合がある。インクジェットプリントでも、レジストを印刷してエッチングによって除去加工し、非形成部３ａの形成する場合と、直接、膜部分を印刷し、非形成部３ａの形成する場合がある。
ただし、前記非形成部３ａ（透明導電膜３）の所望の特性や形状が確保できるのであれば、その製造方法は、特に限定されるものでない。

以上説明したように、本発明の面状ヒータによれば、より透明性を維持しながら、ヒータ面内（透明導電膜の形成面内）の温度分布を任意に制御することができる。また、数値計算をすることで面内温度分布を任意に設計することも可能となる。更に非形成部のパターンニングを一度の工程で行うことができるため、安価に製造することができる。

尚、上記実施形態の非形成部３ａは、透明導電膜３が完全に除去されていることを前提としている。しかしながら、非形成部３ａにおいて透明導電膜３が完全に除去されず、透明導電膜３が一部残存した、不完全な除去状態の非形成部３ａであっても良い。
このように、透明導電膜３が一部残存した、不完全な除去状態の非形成部３ａであっても、工程的には同じであり、コスト的にも安価であり、見かけ抵抗の制御効果も同様に得られるため、本発明の非形成部３ａに含まれるものである。

（実施例１）
縦１００ｍｍ、幅７５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの石英ガラス基板、ＩＴＯ膜を５００ｎｍの厚さにスパッタリング装置で堆積させ、両端に縦０．５ｍｍ、幅７５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＡｇペーストを焼き付けて面状ヒータを作成した。
この際、図３に示すように、そのヒータの中心部の縦８０ｍｍ、幅３５ｍｍの範囲に、φ０．４ｍｍの円径の非形成部を、中心間距離Ｌ１（図２参照）が０．７１ｍｍの間隔で配置した領域３Ａ（左側１／３の領域）と、φ０．５ｍｍの円径の非形成部を中心間距離Ｌ１（図２参照）が０．７１ｍｍの間隔で配置した領域３Ｂ（中央１／３の領域）と、φ０．６ｍｍの円径の非形成部を、中心間距離Ｌ１（図２参照）が０．７１ｍｍの間隔で配置した領域３Ｃ（右側１／３の領域）の３つの部分に分けて形成した。
それぞれの非形成部の単位面積当たりに占める割合は、領域３Ａが２５％、領域３Ｂが３９％、領域３Ｃが５７％である。
このヒータに、電圧６．３（Ｖ）、電流０．２４８（Ａ）で、通電した際の温度分布をサーモビューアで測定した結果を図４に示す。尚、図４の左側の目盛りは温度（℃）を示している。
図４からわかるように、各領域Ａ、Ｂ，Ｃの上下の部分（透明導電膜の見かけ抵抗が低く、電流の流れやすい部分）の温度が高くなった。特に領域Ｃの上下が最も温度が高くなった。

（実施例２）
縦１００ｍｍ、幅７５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの石英ガラス基板、ＩＴＯ膜を５００ｎｍの厚さにスパッタリング装置で堆積させ、両端に縦０．５ｍｍ、幅７５ｍｍ、厚さ０．０１ｍｍのＡｇペーストを焼き付けて面状ヒータを作成した。
この際、図５に示すように、そして両端の電圧印加用のＡｇ電極より１０ｍｍの部分に、φ０．３ｍｍの円形の非形成部を、中心間距離Ｌ１（図２参照）が０．７１ｍｍの間隔で配置し、非形成部の単位面積当たりに占める割合を１４％とした領域３Ｄを形成した。
このヒータに、電圧３．０（Ｖ）、電流０．２５６（Ａ）で、通電した際の温度分布をサーモビューアで測定した結果を図６に示す。尚、図６の左側の目盛りは温度（℃）を示している。
その結果、非形成部が配置された領域３Ｄの部分で抵抗が高くなり、その部分のジュール熱が上昇し、発熱して温度が高くなった。

（比較例）
縦１００ｍｍ、幅７５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの石英ガラス基板に、ＩＴＯ膜を５００ｎｍの厚さにスパッタリング装置で堆積させ、両端に縦０．５ｍｍ、幅７５ｍｍ、厚さ０．０１ｍｍのＡｇペーストを焼き付けて面状ヒータを作成した。
このヒータに、電圧３．０（Ｖ）、電流０．２３３（Ａ）で、通電した際の温度分布をサーモビューアで測定した結果を図７に示す。尚、図７の左側の目盛りは温度（℃）を示している。
その結果、このヒータの外周部から熱が逃げ、中心部の温度が高い分布となった。

１面状ヒータ
２透明基板
３透明導電膜
３ａ非形成部
３Ａ φ０．４ｍｍの円径の非形成部を０．７１ｍｍの間隔で配置した領域
３Ｂ φ０．５ｍｍの円径の非形成部を０．７１ｍｍの間隔で配置した領域
３Ｃ φ０．６ｍｍの円径の非形成部を０．７１ｍｍの間隔で配置した領域
３Ｄ φ０．３ｍｍの円形の非形成部を０．７１ｍｍの間隔で配置した領域
４金属電極

Claims

透明基板の少なくとも１表面に透明導電膜を形成し、前記透明基板の両端に電圧印加用の金属電極を配した面状ヒータにおいて、
透明導電膜が形成された透明導電膜の形成面内に、前記透明導電膜が形成されていない非形成部が複数形成されていることを特徴とする面状ヒータ。
透明基板が石英ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の面状ヒータ。
透明導電膜に形成された非形成部の形状が円形で、かつ直径が０．１ｍｍから１ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面状ヒータ。
透明導電膜に形成された、互いに隣接する非形成部の中心の間隔が、等間隔に配列されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の面状ヒータ。
透明導電膜が半導体であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の面状ヒータ。
透明導電膜が酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛の少なくとも何れか一つを主成分とする半導体であることを特徴とする請求項５に記載の面状ヒータ。