JP2014086290A - ヒータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータエレメントの移動を防止することができるヒータ装置を提供すること。
【解決手段】断熱材１１０と、前記断熱材１１０の近傍に配置された円筒状の支持体１２０と、前記支持体１２０の外周側に螺旋状に複数回巻付けして形成したヒータエレメント１３０と、前記ヒータエレメント１３０の、前記支持体１２０の軸方向への移動を防止する、移動防止部材１４０と、を有するヒータ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒータ装置に関する。

半導体製造装置においては、被処理体である半導体ウエハに対して、成膜処理、エッチング処理などの表面処理が施される。この際、各種処理を実施する温度に保持するため、被処理体を載置する載置台の近傍には、パネルヒータなどのヒータ装置が設けられることがある。

パネルヒータは、例えば、板状の断熱材と、該断熱材の近傍に配置された円筒状の支持体と、該支持体の外周に所定の間隙（クリアランス）を有して螺旋状に巻付け成形した抵抗発熱体（ヒータエレメント）とを有する（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１などに記載のパネルヒータは、所定空間に効率的にヒータエレメントを配置できるため、高速昇降温が可能であり、半導体製造装置以外にも種々の用途で使用される。

特開平９−９２６５７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたパネルヒータにおいて、ヒータエレメントは、昇降温時の熱膨張及び熱収縮を繰り返すことにより、支持体の軸方向に沿って不規則に移動する。これにより、支持体の軸方向に沿って、ヒータエレメントが疎である領域と密である領域とが生じることがある。

ヒータエレメントが疎である領域は、ヒータエレメントの巻き径が小さくなるため、クリアランスがなくなる。この状態でヒータエレメントが収縮すると、支持体が圧縮されて破損することがある。一方、ヒータエレメントが密である領域は、ヒータエレメントが密集しているため、発熱時に温度が所定値よりも上昇するため、ヒータエレメントの劣化が早くなる。

上述の課題に対して、ヒータエレメントの移動を防止することができるヒータ装置を提供する。

断熱材と、
前記断熱材の近傍に配置された円筒状の支持体と、
前記支持体の外周側に螺旋状に複数回巻付けして形成したヒータエレメントと、
前記ヒータエレメントの、前記支持体の軸方向への移動を防止する、移動防止部材と、
を有するヒータ装置。

ヒータエレメントの移動を防止することができるヒータ装置を提供できる。

図１は、本実施形態のヒータ装置の一例の概略構成図である。 図２は、ヒータエレメントの移動を説明するための概略図である。 図３は、ヒータエレメント１３０の巻き密度が小さい領域Ｂの問題点を説明するための概略図である。 図４は、第１の実施形態のヒータ装置の概略構成図の一例である。 図５は、第２の実施形態のヒータ装置の概略構成図の一例である。 図６は、第３の実施形態のヒータ装置の概略構成図の一例である。 図７は、第４の実施形態のヒータ装置の概略構成図の一例である。 図８は、昇降温試験後のヒータ装置の写真の一例である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

（ヒータ装置の構成）
先ず、本実施形態のヒータ装置の基本構成について説明する。図１に、本実施形態のヒータ装置の一例の概略構成図を示す。具体的には、図１（ａ）に、本実施形態のヒータ装置の正面概略図を示し、図１（ｂ）に、側面概略図を示し、図１（ｃ）に、斜視概略図を示す。

本実施形態のヒータ装置１００は、例えば板状である断熱材１１０と、該断熱材１１０の近傍に配置された円筒状の支持体１２０と、該支持体１２０の外周側に螺旋状に複数回巻付けして形成された抵抗発熱体１３０（ヒータエレメント）とを有する。上記のような構成を有するヒータ装置は、一般的に、パネルヒータなどで使用される。なお、図１のいては、支持体１２０及びヒータエレメント１３０が２つ示されている。

また、本実施形態のヒータ装置１００は、ヒータエレメント１３０の、支持体１２０の軸方向への移動を制限する、移動防止部材１４０を有する。移動防止部材１４０は、支持体１２０の軸方向で隣り合うヒータエレメント１３０の間の所定位置に配置される。

移動防止部材１４０は、支持体１２０の軸方向の長さ、ヒータエレメント１３０の巻き数などに応じて、支持体１２０の軸方向に、１又は複数配置される。なお、図１では、後述する第１の実施形態の移動防止部材１４０を示したが、本発明はこの点において限定されず、移動防止部材１４０の種々の構成例については、後述する。

なお、本明細書において、軸方向及び径方向とは、他の明確な定義がない限り、円筒状の支持体１２０の軸方向及び径方向を指す。

支持体１２０は、螺旋状のヒータエレメント１３０を支持する芯体であり、円筒状で形成される。支持体１２０は、一般的に、図１（ｂ）に示されるように中空構造で形成されるが、本発明はこの点において限定されない。

支持体１２０の径は、特に限定されないが、例えば、φ９ｍｍ〜φ５０ｍｍである。

図１（ａ）〜（ｃ）の例では、１つのヒータ装置に対して、支持体１２０が２つ配置される構成を示したが、本発明はこの点において限定されず、１つのヒータ装置に対して、支持体１２０が１つ配置される構成であっても良いし、３つ以上配置される構成であっても良い。支持体１２０が２つ以上配置される場合、一般的に、各々の支持体は、所定の間隔で、並列に配置される。このような構成とすることにより、ヒータ装置は広い範囲を均一に加熱することができる。

支持体１２０の材料としては、一般的に、耐熱性を有する絶縁体が使用され、好ましくは、アルミナ、炭化珪素、酸化シリコンなどのセラミック材料が使用される。

ヒータエレメント１３０は、断面の直径が例えば１〜１０ｍｍ程度の管状の抵抗発熱体であり、支持体１２０の外周に螺旋状に複数回巻付けして形成される。ヒータエレメント１３０の巻き径は、支持体１２０の径などに依存するが、例えば、φ５ｍｍ〜φ６０ｍｍである。なお、ヒータエレメント１３０と支持体１２０との間には間隙が設けられても良く、ヒータエレメント１３０と支持体１２０との間の径方向の距離（クリアランスＬと称される）は、通常、製造時の設計において、０ｍｍ〜１ｍｍに設計され、好ましくは０．５ｍｍ〜１ｍｍに設計される。

ヒータエレメント１３０の材料としては、特に限定されず、例えば、鉄−クロム−アルミニウム系（Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系）合金、ニッケル−クロム系（Ｎｉ−Ｃｒ系）合金、モリブデン、タングステン、タンタル、白金などの金属系ヒータエレメントであっても良いし、非金属系ヒータエレメントであっても良い。なお、ヒータエレメント１３０の端部は、図示しない電極に接続されており、抵抗加熱によりヒータエレメントが発熱する。

（従来のヒータ装置の問題点）
図２に、ヒータエレメントの移動を説明するための概略図を示す。より具体的には、図２は、昇降温を繰り返した後のヒータ装置１００のヒータエレメント１３０の配置例を示す。

図２に示されるように、昇降温を繰り返した後のヒータ装置１００は、ヒータエレメント１３０が密である領域Ａと疎である領域Ｂとが存在する。なお、ヒータエレメント１３０が密である領域とは、より具体的には、ヒータエレメント１３０の巻き密度が、例えば初期配置の巻き密度である所定値よりも大きい領域のことを指す。また、ヒータエレメント１３０が疎である領域とは、ヒータエレメント１３０の巻き密度が、例えば初期配置の巻き密度である所定値よりも小さい領域のことを指す。

領域Ａは、ヒータエレメント１３０が初期配置に比して密集しているため、加熱時に設定温度よりも温度が上昇し、ヒータエレメント１３０の劣化が進行しやすい。

一方、領域Ｂは、ヒータエレメント１３０が初期配置に比して疎となっている。図３に、ヒータエレメント１３０の巻き密度が小さい領域Ｂの問題点を説明するための概略図を示す。具体的には、図３（ａ）は、昇降温前のヒータエレメント１３０と支持体１２０の、支持体１２０の軸方向からみた概略図であり、図３（ｂ）は、昇降温を繰り返した後のヒータエレメント１３０と支持体１２０の、支持体１２０の軸方向からみた概略図である。なお、図３では、説明のために、移動防止部材１４０及び断熱材１１０は省略して示している。

図３（ａ）に示すように、昇降温前のヒータエレメント１３０と支持体１２０との間には、前述のクリアランスＬが十分に確保されている。しかしながら、図３（ｂ）に示すように、昇降温を繰り返した後の巻き密度が小さい領域Ｂに存在するヒータエレメント１３０は、巻き径が小さくなるため、クリアランスＬがなくなる。この状態で更にヒータエレメント１３０が熱収縮すると、支持体１２０がヒータエレメント１３０により圧縮されて、支持体１２０が破壊されることがある。

上記問題点を解決するために、ヒータエレメント１３０の支持体１２０の軸方向の移動を防止するヒータ装置１００の移動防止部材１４０の種々実施形態について、説明する。

（第１の実施形態）
図４に、第１の実施形態のヒータ装置１００の概略図の一例を示す。

図４に示すように、第１の実施形態では、移動防止部材１４０は、例えば、略Ｕ字形に形成されたピン状部材であり、２つの端部１４０ａ、１４０ｂが、断熱材１１０に固定されている。

第１の実施形態では、移動防止部材１４０と断熱材１１０で囲まれる領域内に支持体１２０が配置される。

支持体１２０と移動防止部材１４０とは、接触固定されていても良いし、離間していても良い。支持体１２０が移動防止部材１４０から離間して配置される場合、支持体１２０と移動防止部材１４０の距離は、ヒータエレメント１３０の径及び前述のクリアランスＬなどに応じて、ヒータエレメント１３０が支持対１２０の軸方向への移動を防止することができる程度で設計される。

第１の実施形態の移動防止部材１４０は、支持体１２０の軸方向に沿って、１又は複数配置される。移動防止部材１４０が複数配置される場合、複数の移動防止部材１４０は、所定のピッチで配置されることが好ましい。例えば、支持体１２０の軸方向の所定の長さ毎に移動防止部材１４０を配置しても良いし、ヒータエレメント１３０の所定の巻き数、例えば５〜７ターン毎に移動防止部材１４０を配置しても良い。

第１の実施形態の移動防止部材１４０の断面形状は特に限定されず、例えば、円形、楕円形、矩形などとすることができる。また、移動防止部材１４０は中空であっても良い。

第１の実施形態の移動防止部材１４０の断熱材１１０への固定は、特に限定されない。例えば、図１（ｂ）に示したように、移動防止部材１４０は、断熱材１１０に貫通させて、断熱材１１０の移動防止部材１４０が存在しない側の表面に、図示しないストッパなどを介して固定することができる。

第１の実施形態の移動防止部材１４０は、前述した支持体１２０と同様に、アルミナなどの耐熱性を有する絶縁体を使用することが好ましいが、他にも、前述したヒータエレメント１３０と同様の材料を使用しても良い。

（第２の実施形態）
図５（ａ）〜図５（ｄ）に、第２の実施形態のヒータ装置１００の概略構成図の一例を示す。

図５（ａ）〜図５（ｄ）に示される第２の実施形態において、移動防止部材１４０は、
支持体１２０の外周の少なくとも一部に接触固定された構成を有する。また、第２の実施形態の移動防止部材１４０の一部は、支持体１２０の軸方向に隣り合うヒータエレメント１３０の間に形成されており、この移動防止部材１４０を介して、ヒータエレメント１３０の軸方向の移動を防止することができる。

図５（ａ）の例において、移動防止部材１４０は、支持体１２０の外周全域に亘って形成され、支持体１２０の軸方向から見た外周形状が円形の部材である。より具体的には、移動防止部材１４０は、中心部が円形に切り抜かれた切抜き部１４１を有する円筒状の部材であり、切抜き部１４１の外周が支持体１２０の外周に対応して固定されている。

また、図５（ｂ）の移動防止部材１４０は、図５（ａ）の移動防止部材が支持体１２０の周方向の一部だけに形成されたものである。図５（ｂ）の例のように、移動防止部材１４０は、支持体１２０の外周の一部に形成されていても良く、例えば、支持体１２０の軸方向から見て、移動防止部材１４０が存在する領域を支持体１２０の外周の半分とすることができる。

図５（ｃ）の例において、移動防止部材１４０は、図５（ａ）の例と同様に支持体１２０の外周全域に亘って形成され、支持体１２０の軸方向から見た外周形状が矩形の部材である。具体的には、図５（ｃ）のの移動防止部材は、中心部が円形に切り抜かれた切り抜き部１４１を有する板状の部材であり、切抜き部１４１の外周がヒータエレメント１３０の外周と係合して固定されている。

また、図５（ｄ）の移動防止部材１４０は、図５（ｃ）の移動防止部材が支持体１２０の周方向の一部だけに形成されたものである。図５（ｄ）の例のように、移動防止部材１４０は、支持体１２０の周方向の一部に形成されていても良く、例えば、図５（ｄ）の例のように支持体１２０の周方向の半分で形成することができる。

第２の実施形態の移動防止部材１４０の大きさは、ヒータエレメント１３０の径及び前述のクリアランスＬなどに応じて、ヒータエレメント１３０が支持体１２０の軸方向への移動を防止することができる程度に設計される。

第２の実施形態の移動防止部材１４０は、前述した支持体１２０と同様に、アルミナなどの耐熱性を有する絶縁体を使用することが好ましい。なお、第２の実施形態の移動防止部材１４０は、支持体１２０と一体的に形成されていても良いし、予め別々に形成された支持体１２０と移動防止部材１４０を接合することにより、移動防止部材１４０を支持体１２０に固定しても良い。

第２の実施形態の移動防止部材１４０は、支持体１２０の軸方向に沿って、１又は複数配置される。移動防止部材１４０が複数配置される場合、複数の移動防止部材１４０は、所定のピッチで配置されることが好ましい。例えば、支持体１２０の軸方向の所定の長さ毎に移動防止部材１４０を配置しても良いし、ヒータエレメント１３０の所定の巻き数毎に移動防止部材１４０を配置しても良い。

（第３の実施形態）
図６（ａ）及び図６（ｂ）に、第３の実施形態のヒータ装置１００の概略構成図の一例を示す。

図６（ａ）に示すように、第３の実施形態の移動防止部材１４０は、支持体１２０から支持体１２０の径方向外側に延びるピン状の部材である。

また、図６（ｂ）に示すように、第３の実施形態の移動防止部材１４０は、支持体１２０の周方向に沿って２つ又はそれ以上形成されていても良い。移動防止部材１４０が支持体１２０の周方向に沿って２つ形成される場合、２つの移動防止部材１４０は、支持体１２０の軸方向から見て反対側に形成されることが好ましい。この場合、２つの移動防止部材１４０は一体的に形成されていても良い。この場合、支持体１２０に、一の表面から他の表面へと延びる貫通穴が形成され、移動防止部材１４０はこの貫通穴を通って、支持体１２０の径方向外側に延びている。

第３の実施形態の移動防止部材１４０の断面形状は特に限定されず、例えば、円形、楕円形、矩形などとすることができる。また、移動防止部材１４０は中空であっても良い。

第３の実施形態の移動防止部材１４０の長さは、ヒータエレメント１３０の径及び前述のクリアランスＬなどに応じて、ヒータエレメント１３０が支持対１２０の軸方向への移動を防止することができる程度に設計される。

第３の実施形態の移動防止部材１４０は、前述した支持体１２０と同様に、アルミナなどの耐熱性を有する絶縁体を使用することが好ましいが、他にも、前述したヒータエレメント１３０と同様の材料を使用しても良い。

第３の実施形態の移動防止部材１４０は、支持体１２０の軸方向に沿って、１又は複数配置される。移動防止部材１４０が複数配置される場合、複数の移動防止部材１４０は、所定のピッチで配置されることが好ましい。例えば、支持体１２０の軸方向の所定の長さ毎に移動防止部材１４０を配置しても良いし、ヒータエレメント１３０の所定の巻き数毎に移動防止部材１４０を配置しても良い。

（第４の実施形態）
図７（ａ）の左図に、第４の実施形態のヒータ装置１００の概略構成図の一例を、図７（ａ）の右図に、図７（ａ）の左図を支持体１２０の軸方向から見た概略図を示す。また、図７（ｃ）に、第４の実施形態のヒータ装置１００の他の例の、支持体の軸方向から見た概略図を示す。

図７（ａ）に示すように、第４の実施形態の移動防止部材１４０は、第１の端部１４０ｃが支持体１２０に、第２の端部１４０ｄが断熱材１１０に固定された板状の部材であっても良い。

第４の実施形態の移動防止部材１４０は、第１の端部１４０ｃで支持体１２０に固定することができれば、第１の端部１４０ｃの形状は限定されない。例えば図７（ｂ）に示すように、移動防止部材１４０が支持体１２０の外周に接した状態で固定されても良いし、図７（ｃ）に示すように、支持体１２０の外周の少なくとも一部に固定するように第１の端部１４０ｃが形成されていても良い。

また、第４の実施形態の移動防止部材１４０は、第２の端部１４０ｄが断熱材１１０に固定されている。例えば、移動防止部材１４０の一部が断熱材１１０に埋め込まれて固定されていても良いし、他の形態で固定されていても良い。

第４の実施形態の移動防止部材１４０は、前述した支持体１２０と同様に、アルミナなどの耐熱性を有する絶縁体を使用することが好ましい。

第４の実施形態の移動防止部材１４０は、支持体１２０の軸方向に沿って、１又は複数配置される。移動防止部材１４０が複数配置される場合、複数の移動防止部材１４０は、所定のピッチで配置されることが好ましい。例えば、支持体１２０の軸方向の所定の長さ毎に移動防止部材１４０を配置しても良いし、ヒータエレメント１３０の所定の巻き数毎に移動防止部材１４０を配置しても良い。

（実施例）
移動防止部材１４０を有するヒータ装置１００の効果を確認した実施例について、説明する。

先ず、断熱材１１０の近傍にφ１０ｍｍの支持体１２０を配置し、支持体１２０の外周側に、ヒータエレメント１３０を螺旋状に複数回巻付けした。ヒータエレメントとしては、φ３ｍｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系ヒータエレメントを使用した。また、ヒータエレメント１３０の巻き付け条件は、ヒータエレメントの巻き内径をφ１４ｍｍ（即ち、クリアランスＬを２ｍｍ）とした。また、図４で示した第１の実施形態の移動防止部材１４０を、ヒータエレメントの巻き数５〜７ターン毎に設置して、実施例１のヒータ装置１００を作成した。

また、比較例のヒータ装置として、φ１３ｍｍの支持体を配置し、クリアランスＬを０．５ｍｍとし、移動防止部材を設置しなかった以外は、実施例１のヒータ装置１００と同様のヒータ装置を作成した。

実施例１及び比較例１のヒータ装置を使用して、３００℃から１０５０℃までの昇降温を１５００サイクル繰り返す、昇降温試験を実施した。

図８に、昇降温試験後のヒータ装置の写真の一例を示す。実施例のヒータ装置は、昇降温試験後においても、ヒータエレメントが支持体の軸方向に沿ってほぼ同じピッチ毎に存在していることがわかる。一方、比較例のヒータ装置は、ヒータエレメントが支持体の軸方向に沿って移動しており、ヒータエレメントが密である領域Ａと、疎である領域Ｂとが形成されている。また、ヒータエレメントが疎である領域Ｂでは、支持体の割れが発生した箇所があった。

本実施例及び比較例により、移動防止部材を有する本実施形態のヒータ装置は、ヒータの昇降温を繰り返した場合においても、ヒータエレメントの移動を防止することができることを確認できた。

以上、本実施形態のヒータ装置は、板状の断熱材と、前記断熱材の近傍に配置された円筒状の支持体と、前記支持体の外周側に螺旋状に複数回巻付けして形成したヒータエレメントと、前記ヒータエレメントの、前記支持体の軸方向への移動を防止する、移動防止部材と、を有するため、昇降温を繰り返した場合においても、ヒータエレメントの支持体の軸方向への移動を防止することができる。

１００ ヒータ装置
１１０ 断熱材
１２０ 支持体
１３０ 抵抗発熱体
１４０ 移動防止部材
１４１ 切り抜き部
Ｌ クリアランス

Claims (10)

1. 断熱材と、
   前記断熱材の近傍に配置された円筒状の支持体と、
   前記支持体の外周側に螺旋状に複数回巻付けして形成したヒータエレメントと、
   前記ヒータエレメントの、前記支持体の軸方向への移動を防止する、移動防止部材と、
   を有するヒータ装置。
2. 前記移動防止部材は、Ｕ字形のピン状部材を有し、
   前記Ｕ字形のピン状部材の２つの端部は前記断熱材に固定され、前記ピン状部材と前記断熱材で囲まれる領域内に前記支持体が配置される、
   請求項１に記載のヒータ装置。
3. 前記移動防止部材は、前記支持体の外周の少なくとも一部に接触固定され、
   前記移動防止部材が、前記支持体の軸方向に隣り合う前記ヒータエレメントの間に形成されている、
   請求項１に記載のヒータ装置。
4. 前記移動防止部材は、前記支持体の外周全域に亘って形成され、前記軸方向から見た外周形状が円形である、
   請求項３に記載のヒータ装置。
5. 前記移動防止部材は、前記支持体の外周全域に亘って形成され、前記軸方向から見た外周形状が矩形である、
   請求項３に記載のヒータ装置。
6. 前記移動防止部材は、前記支持体から前記支持体の径方向外側に伸びる、ピン状部材を有する、
   請求項１に記載のヒータ装置。
7. 前記移動防止部材は、一方の端部が前記支持体に固定され、他方の端部が前記断熱材に固定された、板状の部材を有する、
   請求項１に記載のヒータ装置。
8. 前記移動防止部材は複数設けられ、
   複数の前記移動防止部材は、前記ヒータエレメントの所定の巻き数毎に配置される、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載のヒータ装置。
9. 前記移動防止部材は複数設けられ、
   複数の前記移動防止部材は、前記支持体の所定の長さ毎に配置される、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載のヒータ装置。
10. 前記支持体と前記前記ヒータエレメントの、前記支持体の径方向の距離が０．５ｍｍ以上に設計されている、
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載のヒータ装置。