JP2014002884A - 集積ガス供給装置用の平面発熱板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カーボン・ナノ・チューブ（ＣＮＴ）ペーパーを使用して、新規な保温発熱体、特に、半導体製造用特殊ガスの集積ガス供給装置に使用するのに適した平面発熱板を提供する。
【解決手段】平面発熱板５０は、カーボン・ナノ・チューブを、パルプ繊維と混合してペーパー状に漉いて得られる導電性ペーパー５１と、導電性ペーパー５１の端部に設けられ、導電性ペーパー５１に電力を供給するための電極５３と、導電性ペーパー５１の両面をラミネートする耐熱性絶縁フィルム５２とからなる。カーボン・ナノ・チューブの使用により、平面発熱板５０の温度特性、発熱効率、耐久性が改善される。
【選択図】図５Ａ

Description

本発明は、保温発熱体およびその製造方法に関し、特に半導体製造用特殊ガスの集積ガス供給装置に使用される平面発熱板およびその製造方法に関する。

図１は、半導体製造装置に特殊ガスを供給する集積ガス供給装置の概略図を示し、本発明により提供される保温発熱体は、かかる集積ガス供給装置において使用される。
一般に、ガス送入口１より導入される半導体製造用特殊ガスは、集積ガス供給装置（ＩＧＳ：Integrated Gas Supply System）のガス流路２を介して流量制御され、半導体製造装置（図示せず）に送り込まれる。集積ガス供給装置は、集積ブロック保温ヒーター７により加熱される集積ブロック（架台）３上に、平面発熱板４を介して載置された、圧力調整機、フィルター、圧力センサー、流量計等を含む各種のガス流量制御機器５から構成される。約１ＭＰａの高圧及び高温で、ガス送入口１より導入されたガスは、各種のガス流量制御機器５およびその対応の集積ブロック３に設けられたガス流路２を流れて、ガス吐出口６から、ガス流として半導体製造装置に送り込まれる。

図２は、集積ガス供給装置の各種のガス流量制御機器５のそれぞれのガス導入/吐出部を示す部分拡大図である。
ガス流量制御機器５は、平面発熱板４を介して集積ブロック３上に、取り付け用フランジ２０により固定されている。ガス流２８は、ガス導入部２１から導入され、ガス流路２を介してガス吐出部２２から流出する。たとえば、ガス流量制御機器５が圧力測定装置であれば、ガス流路２には、圧力センサー２３が設けられている。

高圧高温で導入されたガス流２８は、ガス流路２の屈曲部に沿ってその流速が遅くなり、またガス流路２の管壁への衝突により流動エネルギーが急速に衰え、このために、導入ガスが結晶化して堆積物２４となり、この堆積物が、ガス流２８の妨げになることが知られている。

このような障害を防止するために、集積ガス供給装置全体を集積ブロック保温ヒーター７により加熱すると共に、各種のガス流量制御機器５のそれぞれを平面発熱板４により加熱し、それによってガス流路２内の堆積物の結晶化を防止することが行われている。この場合、各種のガス流量制御機器５のそれぞれのガス導入/吐出部を、平均的且つ効率的に加熱または保温することが重要である。

従来、各種のガス流量制御機器５のそれぞれのガス導入/吐出部を加熱または保温するために、平面発熱板４が、集積ブロック３上に取り付け用フランジ２０により固定されている。

図３Ａは、従来の平面発熱板４の平面図を示し、図３Ｂは、その断面図を示している。
平面発熱板４は、ＳＵＳ等の金属箔を金属抵抗線３１として線状に細くエッチング等で加工し、さらに金属抵抗線の両端を電極３２として加工した導電部（発熱部）と、導電部をポリイミドのような耐熱樹脂フィルムで両面を圧接して成型加工した絶縁保護膜３３とから構成される。平面発熱板４は、ガス導入用およびガス吐出用の２つのガス供給口（ガスケット）３４を有し、さらにその四隅に取り付け用フランジ２０の形状に合わせて、固定用のビスのための開口３５を有している。

従来の平面発熱板４によれば、電極３２間に電力を供給し、それによって発生する金属抵抗線３１の発熱効果を利用している。
しかしながら、従来の平面発熱板４によれば、導電部として金属抵抗線３１を用いているために、単位長さ当たりの抵抗値が低く、必要な発熱を得るためには相当な電力が必要である。さらに、細い金属抵抗線３１を用いているために、曲げ応力に弱く、特に、曲線部は抵抗値が高く、そこに電流が集合し発熱温度が局所的に高くなる傾向があり、断線しやすいという欠点がある。従来の平面発熱板４において、金属抵抗線の断線は、修復が不可能であり、ガス流量制御機器５の構造上、平面発熱板４の交換は極めて困難である。

本発明の課題は、従来の平面発熱板の欠点を解消するために、カーボン・ナノ・チューブ（ＣＮＴ）ペーパーを使用して、新規な保温発熱体、特に、半導体製造用特殊ガスの集積ガス供給装置に使用するのに適した平面発熱板を提供すると共に、その製造方法を提供することにある。

本発明は、カーボン・ナノ・チューブを使用する平面発熱板、特に半導体製造用特殊ガスの集積ガス供給装置に使用するのに適した平面発熱板であり、かかる平面発熱板は、カーボン・ナノ・チューブを、パルプ繊維と混合してペーパー状に漉いて得られる導電性ペーパーと、導電性ペーパーの端部に設けられ、導電性ペーパーに電力を供給するための電極と、導電性ペーパーの両面をラミネートする耐熱性絶縁フィルムとからなる。

さらに、本発明の平面発熱板の製造方法は、カーボン・ナノ・チューブを、パルプ繊維と混合してペーパー状に漉いて得られる導電性ペーパーを平面発熱板の形状に合わせて成型加工するステップと、成型加工された導電性ペーパーの周囲およびその端部に、電極形状に加工された銅箔電極、および銅箔電極への給電のための銅箔給電電極を貼着するステップと、成型加工された導電性ペーパーの両面を、高温溶解性のポリアミド樹脂をポリイミドフィルムに塗布して形成される絶縁性の耐熱樹脂フィルムでラミネートするステップと、ラミネートされた導電性ペーパーを、所望の形状に打ち抜くステップと、からなる。

図１は、半導体製造装置に特殊ガスを供給する集積ガス供給装置の概略図を示す。 図２は、集積ガス供給装置の各種のガス流量制御機器のそれぞれのガス導入/吐出部を示す部分拡大図を示す。 図３Ａは、従来の平面発熱板の平面図を示す。 図３Ｂは、従来の平面発熱板の断面図を示す。 図４は、カーボン・ナノ・チューブを使用した導電性ペーパーで構成された平面発熱板の発熱作用の原理図である。 図５Ａは、カーボン・ナノ・チューブを使用した導電性ペーパーで構成された、本発明の平面発熱板の平面図を示す。 図５Ｂは、カーボン・ナノ・チューブを使用した導電性ペーパーで構成された、本発明の平面発熱板の一部断面図を示す。 図６は、本発明の平面発熱板を製造する第１のステップにおける、平面発熱板の平面図を示す。 図７Ａは、本発明の平面発熱板を製造する第２のステップにおける、平面発熱板の平面図を示す。 図７Ｂは、本発明の平面発熱板を製造する第２のステップにおける、平面発熱板の一部断面図を示す。 図８は、本発明の平面発熱板を製造する第３のステップにおける、平面発熱板の平面図を示す。 図９Ａは、本発明の平面発熱板を製造する第４のステップにおける、平面発熱板の平面図を示す。 図９Ｂは、本発明の平面発熱板を製造する第４のステップにおける、平面発熱板の一部断面図を示す。 図１０は、本発明の平面発熱板を量産するための製造工程の一実施例を示す。 図１１は、本発明の３個の平面発熱板を多連化した実装例を示す。

本発明の本質は、カーボン・ナノ・チューブ（ＣＮＴ）ペーパーを使用することによって、従来の平面発熱板の欠点を解消しうる、新規な保温発熱体にある。
カーボン・ナノ・チューブは、通常、グラファイトの一枚面を巻いた筒状の形状をしており、直径数ナノメートル、長さ数ミクロンの炭素材料として知られている。この材料は、長さと直径の比が１０００以上あるため、理想的な一次元物質として考えられ、また、導電性金属材料よりも一桁以上多い電流密度を与えることができる。

このようなカーボン・ナノ・チューブを、パルプ繊維と混合してペーパー状に漉くと、パルプ繊維との結束性が良好な導電性ペーパーを製造することができる。この導電性ペーパーに電流を流せば、保温発熱体として理想的な平面温度分布が得られる。

このような導電性ペーパーは、ある一定の電気抵抗を持ちながら電気伝導性があるために、その端部に電極を形成し、この電極に電圧を加えることにより、導電性ペーパーの電気抵抗に応じて発熱し、ペーパー状発熱体となる。このペーパー状発熱体は、カーボン・ナノ・チューブの優れた電気伝導性と熱伝導性により、平面に均一な発熱伝導が得られ、パルプ繊維と複雑に絡み合ったカーボン・ナノ・チューブとの強度補完により機械的引張り強度、破断強度にも優れた材料となる。この導電性ペーパーを、平面発熱板に利用すると下記の利点がある。

発熱体材料の熱膨張歪みを軽減し、温度特性を向上させる。
発熱効率が優れ、低消費電力である。
温度制御が簡単でかつ安全である。

耐久性に優れている。
従来の金属抵抗線による平面発熱板のような断線現象がない。
図４は、カーボン・ナノ・チューブを、パルプ繊維と混合してペーパー状に漉いて得られる導電性ペーパーを、絶縁フィルムで挟んで平面発熱板４１をラミネートし、発熱体の両端に電極４２を設けた平面発熱板の原理図である。平面発熱板４１に、電源Ｅによって電圧を印加すると、導電性ペーパーの全面にわたって発熱効果が得られる。この場合、電極４２間に、無数の電気力線４３が存在していると考えられることから、従来の平面発熱板で生じるような、導線の断線という概念が存在しない。

図５Ａは、カーボン・ナノ・チューブを使用した導電性ペーパーで構成された、本発明の平面発熱板の平面図を示し、図５Ｂは、その一部断面図を示す。
本発明の平面発熱板５０は、前述のように、カーボン・ナノ・チューブを、パルプ繊維と混合してペーパー状に漉いて製造した導電性ペーパー５１を絶縁フィルム５２で挟んで加工され、導電性ペーパー５１の端部に電極５３が設けられている。平面発熱板５０は、ガス導入用およびガス吐出用の２つのガス供給口（ガスケット）５４を有し、さらにその四隅に取り付け用フランジの形状に合わせて、固定用のビスのための開口５５を有している。

図６ないし図９を参照して、本発明の平面発熱板の製造方法を説明する。
先ず、平面発熱板の製造の第１のステップとして、図６に示されるように、未加工の導電性ペーパーを、取り付け用フランジ（図示せず）の形状、ガス供給口５４、および固定用のビスのための切欠６０に合わせて、平面発熱板のための導電性ペーパー５１を成型加工する。

次に、第２のステップとして、図７Ａの平面図に示されるように、導電性ペーパー５１の周囲およびその端部に、電極形状に加工された銅箔電極７１、および銅箔電極７１への給電のための銅箔給電電極７２を貼着する。図７Ｂの断面図に示されるように、導電性ペーパー５１の端部に対して、銅箔電極７１を嵌合させて、導電性接着剤７３によって貼着する。さらに、銅箔電極７１の片面に対して、銅箔７４を挟み込むようにして、銅箔７４の上から、銅箔給電電極７２を、導電接着剤７３および高温プレスによる電極固定用のパンチング７５によって、固定する。導電性ペーパー５１の表面は充分に粗く、高温プレスにより、銅箔７４が充分に導電性ペーパー５１の粗面に喰い込むことでアンカー効果を生み出し、強固且つ接触抵抗が極めて低い電極構造が得られる。

次に、第３のステップとして、図８の平面図に示されるように、導電性ペーパー５１の両面を、絶縁フィルムでラミネートする。一般的には、柔軟性を得るためポリエチレンフィルムでラミネート絶縁を行なうが、１００℃以上の高温では、ポリエチレンフィルム等融点の低い樹脂を使用することはできない。本発明では、絶縁フィルムとして、耐熱性および絶縁性の高いポリイミド樹脂フィルムを使用するのが好ましい。

実際には、高温溶解性のポリアミド樹脂をポリイミドフィルムに塗布して絶縁性の耐熱樹脂フィルム８０を形成し、この耐熱樹脂フィルム８０によって、銅箔電極７１および銅箔給電電極７２が加工された導電性ペーパー５１の両面を挟み込み、耐熱樹脂フィルム８０と導電性ペーパー５１とを、真空中で高温高圧プレスによって接合する。このように、耐熱樹脂フィルム８０と導電性ペーパー５１との組立体を、真空中で高温高圧プレスによって接合することによって、組立体内に残留する空気が排除され、難燃性の維持を可能にしている。

最後に、第４のステップとして、図９Ａの平面図に示されるように、耐熱樹脂フィルム８０によってラミネートされた組立体を、型抜きプレス等で所望の形状に打ち抜き、組立体は、平面発熱板として完成される。

図９Ｂは、完成された平面発熱板として、耐熱樹脂フィルム８０によってラミネートされた組立体の一部断面図を示す。
ガス導入用およびガス吐出用の２つのガス供給口５４は、ガス漏れを防ぐために金属ガスケットを装着可能な機構になっていることが好ましい。

図６ないし図９によって、本発明の平面発熱板の製造方法が、単体の製造方法として説明されているが、実際には、量産の製造方法として実現されることが好ましい。
図１０は、本発明の平面発熱板を量産するための製造工程の一実施例を示している。

前述の第２のステップで構成されたような、銅箔電極７１および銅箔給電電極７２が加工された導電性ペーパー５１を対向配置した一対の導電性ペーパー５１Ａ、５１Ｂを複数対（図１０においては、４対）並べて、単一の組立体１００として準備し、耐熱樹脂フィルム８０によって、複数対の導電性ペーパーの両面を、一括して挟み込み、耐熱樹脂フィルム８０と複数の導電性ペーパー対とを、真空中で高温高圧プレスによって接合する。その後、組立体１００を、点線１０１に従って切離すことによって、数個〜数十個の平面発熱板を量産することができる。

本発明の平面発熱板は、単体として使用可能であるあることは勿論、加熱或いは保温されるガス流量制御機器の寸法或いは熱容量にしたがって、複数の平面発熱板を多連化して使用することも可能である。

図１１は、本発明の３個の平面発熱板を多連化した実装例を示す。供給電源１１０から、電力供給線１１１を介して、それぞれの導電性ペーパー５１に対して、電力が供給される。

本発明の平面発熱板は、実験により、従来の金属（金属箔）抵抗線を使用した平面発熱板に比べて、格段の省エネルギー効果が認められる。
具体的に、本発明のカーボン・ナノ・チューブを使用した平面発熱板と、従来の金属抵抗線を使用した平面発熱板とを、共に厚さ０．１mm、１辺２５．５mmの矩形の平面発熱板として構成し、単位面積当たりの消費電力と、発熱温度を比較した。その結果を、以下に示す。

本発明のカーボン・ナノ・チューブを使用した平面発熱板
抵抗値： ６５Ω
発熱温度８０℃になる電圧および電流： ７．６Ｖ， ０．１Ａ
消費電力：０．７６Ｗ
従来の金属抵抗線を使用した平面発熱板
抵抗値： ２１Ω
発熱温度８０℃になる電圧および電流： ５．１Ｖ， ０．２Ａ
消費電力：１．２０Ｗ
この結果、単位面積当たりの平面発熱量は、本発明の平面発熱板によれば、約３０％の省エネルギー効果が認められる。

１：ガス送入口
２：ガス流路
３：集積ブロック（架台）
４：平面発熱板
５：ガス流量制御機器
６：ガス吐出口
７：集積ブロック保温ヒーター
２０：取り付け用フランジ
２１：ガス導入部
２２：ガス吐出部
２３：圧力センサー
２４：堆積物
２８：ガス流
５０：平面発熱板
５１：導電性ペーパー
５２：絶縁フィルム
５３：電極
５４：ガス供給口（ガスケット）
５５：開口

Claims (5)

1. カーボン・ナノ・チューブを、パルプ繊維と混合してペーパー状に漉いて得られる導電性ペーパー（５１）と、
   前記導電性ペーパーの端部に設けられ、該導電性ペーパーに電力を供給するための電極（５３）と
   前記導電性ペーパーの両面をラミネートする耐熱性絶縁フィルムと、
   からなることを特徴とする平面発熱板。
2. 前記電極は、前記導電性ペーパーの周囲およびその端部に嵌合された銅箔電極（７１）と、前記銅箔電極への給電のための銅箔給電電極（７２）からなることを特徴とする請求項１に記載の平面発熱板。
3. 前記銅箔電極と銅箔給電電極とは、前記銅箔電極の片面に対して、銅箔（７４）を挟み込み、前記銅箔の上から、前記銅箔給電電極を、導電接着剤および高温プレスによる電極固定用のパンチング（７５）によって固定されることを特徴とする請求項２に記載の平面発熱板。
4. 前記耐熱性絶縁フィルムは、高温溶解性のポリアミド樹脂をポリイミドフィルムに塗布して形成される絶縁性の耐熱樹脂フィルム（８０）であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の平面発熱板。
5. カーボン・ナノ・チューブを、パルプ繊維と混合してペーパー状に漉いて得られる導電性ペーパー（５１）を平面発熱板の形状に合わせて成型加工するステップと、
   成型加工された前記導電性ペーパーの周囲およびその端部に、電極形状に加工された銅箔電極（７１）、および前記銅箔電極への給電のための銅箔給電電極（７２）を貼着するステップと、
   成型加工された前記導電性ペーパーの両面を、高温溶解性のポリアミド樹脂をポリイミドフィルムに塗布して形成される絶縁性の耐熱樹脂フィルム（８０）でラミネートするステップと、
   ラミネートされた前記導電性ペーパーを、所望の形状に打ち抜くステップと、
   からなる平面発熱板の製造方法。

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