JP3883003B2

JP3883003B2 - heater

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Publication number: JP3883003B2
Application number: JP2002353842A
Authority: JP
Inventors: 朗大津; 紀彦斎藤; 浩幸本間; 孝規斎藤; 賢中尾
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: JP2004006228A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヒータに関し、より詳細には、半導体プロセスにおいて好適に用いることのできる輻射熱の方向性を有し、垂直面方向の輻射熱を増大したヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセスでは、酸化、拡散あるいはＣＶＤ処理等の各種熱処理工程において夫々の熱処理雰囲気中における厳密な温度管理が求められている。また、前記熱処理工程での加熱手段は、不純物金属等の半導体性能を劣化させる物質の発生源とならないことも必須の要件とされ、このことより、従来から、例えば、タングステン等からなる発熱体の外側を石英ガラス管で覆った棒状、あるいは板状ヒータ等が多く用いられている。
【０００３】
ところで、棒状、板状ヒータは、例えば、半導体製造プロセス分野等において使用した場合、タングステン等からなる発熱体を覆っている石英ガラス管が万一破損すると、雰囲気あるいは洗浄液、研磨液等を金属汚染することとなり、ひいてはウエハが汚染するという問題があった。また、前記石英ガラス管が破損しなくとも、前記発熱体から前記石英ガラス管を介して、金属汚染するという問題があった。
【０００４】
本発明者等は、不純物金属汚染防止の観点から、特に、金属質発熱体に比べて、半導体製造用ヒータとして好適に使用することができるカーボンワイヤー発熱体を用いたヒータを提案した（特開２０００−２１８９０号公報）。
このカーボンワイヤー発熱体は、極細いカーボン繊維を束ねたカーボンファイバー束を複数束編み上げて作製したものであり、従来の金属発熱体に比べて、熱容量が小さく昇降温特性に優れ、また非酸化性雰囲気中では高温耐久性にも優れている。また、細いカーボン繊維の繊維束を複数本編んで作製されたものであるため、ムクのカーボン材からなる発熱体に比べフレキシビリティに富み、半導体製造用ヒータとして種々の構造、形状に容易に加工できるという利点を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、最近、特に半導体製造工業分野においては、半導体回路の大容量集積化のためウエハの大口径化傾向になり、加えてコスト削減のため歩留まり向上要求が強くなり、これらの要求に対応するため、従来より、更に一層厳密な温度調節管理が要求されるようになっている。そのため、処理炉等を所望の状態に加熱できるヒータ、つまり輻射熱の方向性を有するヒータの出現が望まれていた。特に、処理炉の横方向から処理炉を加熱するヒータにおいて、垂直面方向（横方向）の輻射熱を増大したヒータの出現が望まれていた。
【０００６】
例えば、図１１（ａ）に示すように、前記した棒状ヒータ７０を垂直状態に立設すると、垂直面方向の輻射熱は大きくなる。
しかしながら、発熱体７１が一本であるため、輻射熱が伝わる領域は狭い。そのため、輻射熱が伝わる領域を拡げるためには、前記棒状ヒータ７０に隣接して複数の棒状ヒータを設ける必要がある。この場合、棒状ヒータの数に応じた接続端子７２が必要となり、コスト高になるという技術的課題があった。
【０００７】
また、図１１（ｂ）に示すように、板状ヒータ７５の発熱体７６を蛇行して形成することにより、垂直面方向の輻射熱の伝える領域を拡げることができる。しかも、この場合、棒状ヒータ７０の場合のように接続端子７２の数が多くなることもない。しかしながら、上下に蛇行する発熱体７６は一定の間隔ｔをもって形成されているため、垂直面方向の輻射熱をより増大させるには限界があった。
【０００８】
本発明は上記技術的課題を解決するためになされたものであり、ヒータからの汚染物質拡散、特に、発熱体からの不純物金属等の汚染物質の拡散がなく、処理対象物の汚染が抑制されると共に、輻射熱の方向性を有し、垂直面方向の輻射熱をより増大させることができるヒータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明にかかるヒータは、カーボンワイヤー発熱体を収容した石英ガラス管からなるヒータ部と、前記ヒータ部の石英ガラス管の両端に設けられた封止端子部と、前記封止端子部に設けられた接続端子とからなるヒータにおいて、前記石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回し、上下方向に延設される石英ガラス管を直線状に形成すると共に、上下部の石英ガラス管を円弧状に形成したヒータ部と、ヒータ部の石英ガラス管の両端部が同一面側に延設され、その端部に形成された封止端子部とを備え、前記石英ガラス管の円弧状に形成されたヒータ部の外周部側の肉厚と内周部側の肉厚の比率が、１：１．１乃至２であることを特徴としている。
【００１０】
このように、石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回し、上下方向に延設される石英ガラス管を直線状に形成すると共に、上下部の石英ガラス管を円弧状に形成し、この石英ガラス管の両端部が同一面側に延設され、その端部に封止端子部が形成されている。
したがって、カーボンワイヤー発熱体からの熱輻射は、円弧状の石英ガラス管からなされる熱輻射は少なく、主に上下方向に延設された直線状の石英ガラス管からなされる。そのため、垂直面方向、即ち、横方向の輻射熱をより増大させることができる。
【００１１】
また、ヒータ部は、石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回して形成されるため、前記直線状の石英ガラス管は輻射方向に対して前後に配設され、しかも、垂直面方向（横向方向）から見た場合、前側の複数の直線状の石英ガラス管の各間に後側の直線状の石英ガラス管が位置する構造となる。即ち、前後に配置された直線状の石英ガラス管からの輻射によって、垂直面方向（横方向）の輻射熱をより増大させることができ、しかも、その間隔を調整することで、垂直面方向での局部的バラツキの小さい熱輻射とすることができる。
【００１２】
更に、ヒータ部の石英ガラス管の両端部が同一面側に延設され、その端部に封止端子部が形成されている。
このように封止端子部がヒータ部の同一面側に形成されているため、電源との接続を容易になすことができる。前記ヒータ部を挟んで封止端子部の形成側と反対側が照射側となる。したがって、封止端子部の形成側に反射板等を配置することにより、輻射をより増大させることができる。
特に、前記石英ガラス管の円弧状に形成されたヒータ部の外周部側の肉厚と内周部側の肉厚の比率が、１：１．１乃至２に形成されている。
このように、内周部側の肉厚を大きく形成したため、内周部側の熱容量が大きく、内周部側の輻射を少なくすることができる。
また、前後に配置された直線状の石英ガラス管からの輻射熱が垂直面方向に直交する方向（縦方向）に放射されるのを抑制することができる。
更に、この構造は、螺旋状に巻回した石英ガラス管内にカーボンワイヤー発熱体を所定の引張り力によって収容した本発明のヒータにおいて、応力の大きな部分を補強し、破損等の発生をより防止することができる。
【００１３】
ここで、前記円弧状に形成された石英ガラス管の曲率半径が、石英ガラス管の外径の２倍以上〜５倍以下であることが望ましい。
このように、曲率半径が石英ガラス管外径の２倍未満である場合には、円弧状になす際、石英ガラス管の内部が変形し、カーボンワイヤー発熱体が石英ガラス管の内壁に接触する虞があるため、好ましくない。
また、曲率半径が石英ガラス管外径の５倍を超えるとヒータの幅が大きくなると共に、上下方向の輻射が増大するため、好ましくない。
【００１５】
更に、前記円弧状の石英ガラス管は、隣接する円弧状の石英ガラス管と少なくとも、石英ガラス管の外径の１倍乃至３倍の間隔をもって形成されることが望ましい。
石英ガラス管を密に巻回することは、垂直面方向（横方向）輻射熱を増大させることになり、好ましい。
しかし、前記したようにヒータ部は、石英ガラス管を上下方向に螺旋状に巻回して形成されるため、前記直線状の石英ガラス管は輻射方向に対して、前後に配設される。したがって、あまり密に巻回すると、後に配置された直線状の石英ガラス管から輻射熱を有効に活用できず、また巻回した石英ガラス管の内周側が異常に高温になる。これを回避するために、石英ガラス管は、石英ガラス管の外径の１倍以上の間隔を設けて、巻回するのが好ましい。
また、３倍以下とすることで、垂直方向での局部的バラツキのより小さい熱輻射とすることができる。
【００１６】
また、前記上部に形成された円弧状の石英ガラス管に内接して設けられたヒータ上部保持部材と、前記下部に形成された円弧状の石英ガラス管に外接して設けられたヒータ下部保持部材と、前記ヒータ上部保持部材とヒータ下部保持部材とを連結する連結部材とからなるヒータ保持部を備えることが望ましい。
このように、ヒータ保持部を設けることにより、ヒータ部の機械的強度を増加させることができ、破損を防止できる。また、ヒータ下部保持部材が設けられているため、設置性が向上する。更に、ヒータ保持部が円弧状に形成された石英ガラス管に取り付けられている、円弧状部の熱容量は大きくなり、上下方向の輻射をより少なくすることができる。
【００１７】
また、前記ヒータ上部保持部材を、上部に形成された円弧状の石英ガラス管の内側に溶接すると共に、前記ヒータ下部保持部材を、下部に形成された円弧状の石英ガラス管の外側に溶接するのが好ましい。
また、前記上部に形成された円弧状の石英ガラス管の内側に所定の間隔をおいて設けられたヒータ上部保持部材と、前記下部に形成された円弧状の石英ガラス管に外接して設けられたヒータ下部保持部材と、前記ヒータ上部保持部材とヒータ下部保持部材とを連結する連結部材とからなるヒータ保持部を備えることが望ましい。
このように、上部に形成された円弧状の石英ガラス管の内側とヒータ上部保持部材との間に、所定の間隔が設けられているため、振動等による石英ガラス管とヒータ上部保持部材との衝突を回避でき、破損を防止できる。この間隔は、０．２ｍｍ以上であることが望ましい。
【００１８】
また、前記ヒータ下部保持部材の下面が、封止端子部の下面より上方に位置していることが望ましい。
ヒータ下部保持部材の下面が、封止端子部の下面より上方に位置しているため、水平面にヒータを設置した場合、ヒータ下部保持部材の下面が設置面に接触することはない。したがって、地震等によって上下の振動が加わっても、ヒータ下部保持部材の下面が設置面に接触することはなく、封止端子部と石英ガラス管とを連結する部分の破損を防止できる。
なお、前記ヒータ下部保持部材の下面が、封止端子部の下面より０．５ｍｍ以上、上方に位置していることが望ましい。０．５ｍｍ以上高低差がある場合には、地震等の上下振動によっても、ヒータ下部保持部材の下面がヒータ下部保持部材の下面が設置面に接触することはなく、破損を防止できる。
【００１９】
また、前記ヒータ上部保持部材、ヒータ下部保持部材が、パイプ状の部材あるいは中実の部材のいずれかもしくはこれらの組み合わせからなることが望ましい。前記ヒータ上部保持部材は、パイプ状の部材のみならず中実の部材、もしくは中実の部材とパイプ状の部材を組み合わせたもののいずれであっても良い。同様に、前記ヒータ下部保持部材も、パイプ状の部材のみならず中実の部材、もしくは中実の部材とパイプ状の部材を組み合わせたもののいずれであっても良い。
【００２０】
また、前記カーボンワイヤー発熱体が、直径５乃至１５μｍのカーボンファイバーを束ねたファイバー束を複数束編み上げてなる編紐形状、あるいは組紐形状のカーボンワイヤー発熱体であることが望ましく、また、前記カーボンワイヤー発熱体が、カーボンファイバーの含有不純物量が灰分重量として１０ｐｐｍ以下であることが望ましい。
このように、カーボンワイヤー発熱体が編紐形状や組紐形状に形成されているものは、引張強度が高く、高熱での耐久性に優れ、しかも容易に変形させることができるため、ヒータ部を構成する螺旋状の石英ガラス管の内部に容易に収容することができる。また、前記カーボンワイヤー発熱体を構成するカーボンファイバーの含有不純物量が灰分重量として１０ｐｐｍ以下と高純度であるため、不純物の拡散を防止できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる一実施形態を図１乃至図６に基づいて説明する。なお、図１は、本発明にかかるヒータの一実施形態を示す斜視図であり、図２は図１に示したヒータにおける封止端子部を断面で示した側面図である。また、図３は石英ガラス管の断面を示す図であって、（ａ）は図２におけるＩ−Ｉ断面図、（ｂ）は図２におけるＩＩ−ＩＩ断面図であり、図４は図１のヒータ部で用いられるカーボンワイヤー発熱体の一例を示す平面図、図５は図１の封止端子部の内部構造を示す断面図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。図６は封止端子部を構成する封止管を示す斜視図である。
【００２２】
このヒータ１は、図１に示すようにヒータ部２と、前記ヒータ部２の両端に設けられた封止端子部３と、前記ヒータ部２を保持するヒータ保持部４とを備えている。
このヒータ部２は、その発熱部が、カーボンファイバー束からなるカ−ボンワイヤー発熱体５を収容した石英ガラス管２０からなり、直線部と円弧部とによって螺旋状になるように形成されている。
即ち、石英ガラス管２０を上下方向に螺旋状に巻回し、上下方向に延設される石英ガラス管２０を直線状に形成すると共に、上下部の石英ガラス管２０を円弧状に形成している。
【００２３】
更に詳すると、この石英ガラス管２０は、図１、図２に示すように、封止端子部３に接続され水平方向に延設された導出部２５と、前記導出部２５に続き上方に直線状に延設された第一の直線部２１と、前記第一の直線部２１に続いて延設された上部円弧部２２と、前記上部円弧部２２に続き下方に直線状に延設された第二の直線部２３と、前記第二の直線部２３に続いて延設された下部円弧部２４とを備えている。
そして、石英ガラス管２０は、前記第一の直線部２１、上部円弧部２２、第二の直線部２３、下部円弧部２４から、再び第一の直線部２１に延設され、複数回繰返して巻回され、螺旋状に形成されている。そして最終的に、下部円弧部２４から他方の封止端子部３に接続される導出部２５に延設されている。
【００２４】
この石英ガラス管２０の内部には、後に詳述するカーボンワイヤー発熱体５が収容されており、このカーボンワイヤー発熱体５は、一の封止端子部３から、導出部２５、第一の直線部２１と、上部円弧部２２、第二の直線部２３、下部円弧部２４を介して複数回、巻回した後、他方の封止端子部３に導出される。
なお、前記導出部２５は同一面側に延設され、封止端子部３はヒータ部２の一方の側に形成される。
【００２５】
このように前記ヒータ部２は、石英ガラス管２０を上下方向に螺旋状に巻回して形成されるため、前記直線状の石英ガラス管２０（２１、２３）は輻射方向に対して、前後に配設される。即ち、前後に配置された直線状の石英ガラス管２０（２１、２３）からの輻射によって、図２の矢印で示すように垂直面方向（横方向）の輻射熱をより増大させることができる。
更に、封止端子部３がヒータ部２の同一面側に形成されているため、電源（図示せず）との接続が容易になすことができる。前記ヒータ部２を挟んで封止端子部３の形成側と反対側が放射側となる。したがって、封止端子部３の形成側に反射板３６を配置することにより、輻射をより増大させることができる。この反射板３６は、２枚の石英ガラス板状体内に熱膨張黒鉛シートを外気と絶縁し、封したものを用いるのが、高純度維持性及び反射効率を向上せしめる観点から好ましく、また、前記封止端子部３、前記導出部２５もしくは前記ヒータ保持部４に溶接等で一体に設けることが省スペース設置容易性の観点から好ましい。
【００２６】
また、前記石英ガラス管２０の第一、第二の直線部２１、２３の肉厚は、図３（ｂ）に示すように、略均一に形成されている。
一方、上部円弧部２２および下部円弧部２４の肉厚は、図３（ａ）に示すように内周部側の肉厚Ｂが外周部側の肉厚Ａよりも厚く形成されている。具体的には、内周部側の肉厚Ｂは、外周部側の肉厚Ａの１．１乃至２倍、厚く形成されている。なお、前記した第一、第二の直線部２１、２３、上部円弧部２２、下部円弧部２４の外径、内径は同一の寸法に形成されている。
【００２７】
このように、内周部側の肉厚Ｂが厚く形成されているため、他の部分に比べて熱容量が大きくなる。そのため、上部円弧部２２、下部円弧部２４にあっては、外周方向の熱輻射に比べて、内周方向の熱輻射は弱くなる。
また、前後に配置された直線状の石英ガラス管からの輻射熱が垂直面方向に直交する方向（縦方向）に放射されるのを抑制することができる。
更に、この構造は、螺旋状に巻回した石英ガラス管内にカーボンワイヤー発熱体を所定の引張り力によって収容した本発明のヒータにおいて、応力の大きな部分を補強し、破損等の発生をより防止することができる。
【００２８】
また、上部円弧部２２、下部円弧部２４の曲率半径ｒを石英ガラス管２０の外径の２倍以上〜５倍以下に形成されている。
この曲率半径ｒが、石英ガラス管２０の２倍未満である場合には、円弧部形成の際、石英ガラス管２０の内部が変形することがある。そのため、収容したカーボンワイヤー発熱体５が石英ガラス管２０の内壁に接触する虞があるため、好ましくない。一方、曲率半径ｒが石英ガラス管外径の５倍を超えるとヒータの幅が大きくなると共に、上下方向の輻射が増大するため、好ましくない。
【００２９】
また、第一、第二の直線部２１、２３の長さは、石英ガラス管２０の外径の４倍以上、言い換えると、上部円弧部２２、下部円弧部２４の長さの２倍以上の長さを備えている。
このように、第一、第二の直線部２１、２３が、上部円弧部２２、下部円弧部２４の長さの２倍以上の長さを備えているため、垂直面方向（横方向）の輻射熱を上下方向の輻射熱よりも増大させることができる。
【００３０】
また、上部円弧部２２、下部円弧部２４における石英ガラス管２０の間隔Ｔ（図１参照）は、適宜選択することができるが、間隔が狭いほど垂直面方向（横方向）の輻射熱を増大させることができる。
しかし、前記ヒータ部２は、石英ガラス管２０を上下方向に螺旋状に巻回して形成されるため、前記直線状の石英ガラス管２０（２１、２３）は輻射方向に対して、前後に配設される。したがって、あまり密に巻回すると、後に配置された直線状の石英ガラス管２０（２１）から輻射熱を有効に活用できず、また巻回した石英ガラス管２０の内側が異常に高温になる。
そのため、前記円弧状の石英ガラス管２０（２２、２４）は、隣接する円弧状の石英ガラス管と少なくとも、石英ガラス管２０の外径の１倍乃至３倍の間隔をもって巻回されることが望ましい。
【００３１】
また、前記ヒータ保持部４は、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２０（２２）に内接して設けられたヒータ上部保持パイプ４１と、前記下部に形成された円弧状の石英ガラス管２０（２４）に外接して設けられたヒータ下部保持パイプ４２と、前記ヒータ上部保持パイプ４１とヒータ下部保持パイプ４２とを連結する連結部材４３とを備えている。
そして、上部円弧状の石英ガラス管２０（２２）とヒータ上部保持パイプ４１は溶接され、また、下部円弧状の石英ガラス管２０（２４）とヒータ下部保持パイプ４２は溶接され、更に、連結部材４３が前記ヒータ上部保持パイプ４１とヒータ下部保持パイプ４２に溶接されている。
【００３２】
したがって、ヒータ保持部４はヒータ部２と一体になされる。このようにヒータ保持部４を設けることにより、ヒータ部２の機械的強度を増加させることができ、破損を防止できる。また、ヒータ下部保持パイプ４２が設けられているため、設置性が向上する。更に、ヒータ保持部４が円弧状に形成された石英ガラス管２０（２２，２４）に取り付けられている、円弧状部の熱容量は大きくなり、内周部側の輻射をより少なくすることができる。
【００３３】
次に、封止端子部３の構造について、図２、図５、図６に基づいて説明する。この封止端子部３は接続線３４を１本有するものであり、１つのヒータ部２に対して、図１に示すように封止端子部３が２個必要となる。これら封止端子部３は構造が同じため、一の封止端子部３について説明する。
この封止端子部３は、封止端子部を構成するガラス管３１と、前記ガラス管３１の内部に収容された直管３２と、前記直管３２に圧縮収納された複数のワイヤーカーボン材３３と、前記ガラス管３１の端部を封止する封止ガラス管３５と、封止ガラス管３５に設けられたタングステン（Ｗ）からなる接続線３４とを備えている。
【００３４】
前記石英ガラス管２０の導出部から導出したカーボンワイヤー発熱体５は、ガラス管３１内の直管３２に圧縮収納された複数のワイヤーカーボン材３３に圧縮状態で挟み込ませた構造によって接続され、前記ワイヤーカーボン材３３に封止端子部３の接続導線３４が接続する構造を有している。
【００３５】
封止ガラス管３５は、ガラス管３１との融着側から、石英ガラス部３５ａ、グレイデッド（Graded）シール部３５ｂ、タングステン（Ｗ）ガラス部３５ｃによって構成されている。
そして、直管３２内に圧縮収納されているカーボンワイヤーに接続されるタングステン（Ｗ）からなる接続線３４は、図６に示すように、タングステン（Ｗ）ガラス部３５ｃのピンチシール部３５ｄでピンチシールされる。
【００３６】
すなわち、ピンチシール部３５ｄを、接続線を構成するタングステン（Ｗ）の熱膨張係数に近いタングステン（Ｗ）ガラスで形成すると共に、ガラス管３１の融着側を石英ガラスで形成している。
このように、ピンチシール部３５ｄを、接続線３４を構成するタングステン（Ｗ）の熱膨張係数に近いタングステン（Ｗ）ガラスで形成したため、接続線３４の高温時熱膨張に伴うガラス部（ピンチシール部３５ｄ）の破損を防止することができる。
また、ガラス管３１と融着される封止ガラス管３５（石英ガラス部３５ａ）を、ガラス管３１と同等あるいは同一の石英ガラスとすることで、熱膨張に伴う破損を防止することができる。また高純度の石英ガラスを用いることにより、金属汚染を防止することができる。
【００３７】
更に、石英ガラス部３５ａとタングステン（Ｗ）ガラス部３５ｃとを間にグレイデッド（Graded）シール部３５ｂを形成している。
すなわち、ＳｉＯ₂成分とＷガラス成分が徐々に変化する前記石英ガラス部３５ａと接する側を石英ガラス組成もしくは、これと熱膨張係数が近似する材料とし、前記Ｗガラス部３５ｂと接する側に向け、上記熱膨張係数をＷガラスのそれにより近似するように傾斜分布させた材料からなるグレイデッド（Graded）シール部３５ｂを石英ガラス部３５ａとタングステン（Ｗ）ガラス部３５ｃとを間に設けることにより、高温時熱膨張に伴うガラス管３５の破損を防止することができる。
【００３８】
次に、図４に基づいてカーボンワイヤー発熱体５について説明する。
このカーボンワイヤー発熱体５は、極細いカーボン単繊維を束ねたカーボンファイバー束を、編紐形状、あるいは組紐形状に複数束編み上げて作製したものであり、従来の金属製やＳｉＣ製の発熱体に比べて、熱容量が小さく昇降温特性に優れ、また非酸化性雰囲気中では高温耐久性にも優れている。
【００３９】
また、細いカーボン単繊維の繊維束を複数本編んで作製されたものであるため、ムクのカーボン材からなる発熱体に比べフレキシビリティに富み、形状変形順応性や加工性に優れている。
具体的には、前記カーボンワイヤー発熱体５として、直径５乃至１５μｍのカーボンファイバー、例えば、直径７μｍのカーボンファイバーを約３０００乃至３５００本程度束ねたファイバー束を１０束程度用いて直径約２ｍｍの編紐、あるいは組紐形状に編み込んだ等のカーボンワイヤー発熱体が用いられる。
前記の場合において、ワイヤーの編み込みスパンは２乃至５ｍｍ程度である。なお、前記編紐あるいは組紐形状のカーボンワイヤー発熱体５は、表面にカーボンファイバーの毛羽立ち５ａを有することが好ましく、前記毛羽立ちとは、カーボンファイバー（単繊維）が切断されたものの一部が、カーボンワイヤーの外周面から突出したものである。
【００４０】
そして、このようなカーボンワイヤー発熱体５を、石英ガラス管２０の内部において、前記毛羽立ち５ａのみが石英ガラス管の内壁と接触し、カーボンワイヤー発熱体の本体は実質的に接触しないように挿入することが好ましい。
そのようにすることによって、石英ガラス（ＳｉＯ₂ ）とカーボンワイヤー発熱体の炭素（Ｃ）との高温下における反応が極力抑えられ、石英ガラスの劣化、カーボンワイヤーの耐久性の低下が抑制される。
このカーボンファイバーによる表面の毛羽立ちは０．５乃至２．５ｍｍ程度であることが好ましい。
このような構成とするためには、前記カーボンワイヤー発熱体の直径及び本数に対し、上記封入石英ガラス管の内径を適宜選定すれば良い。
【００４１】
また、発熱性状の均質性、耐久安定性等の観点及びダスト発生回避上の観点から、前記カーボンファイバーは、高純度であることが好ましく、カーボンファイバー中に含まれる不純物量が灰分重量として１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。
より好ましくは、カーボンファイバー中に含まれる不純物量が灰分重量として３ｐｐｍ以下である。
【００４２】
また、前記カーボンワイヤー発熱体５は、図５に示すように、封止端子部３において、複数のワイヤーカーボン材３３に圧縮状態で挟み込まれ、前記複数のワイヤーカーボン材３３を介して接続線３４に電気的に接続される。
このように、前記カーボンワイヤー発熱体５が直接接続線と接続されるのではなく、圧縮収容された前記複数のワイヤカーボン材３３を介して接続されているため前記発熱体が高温になっても複数のワイヤーカーボン材３３とカーボンワイヤー発熱体５との接続が緩んでしまうことが無く、また、ワイヤカーボン材３３の内で温度が充分に低下するため接続線との接続が緩まず、良好な電気的接続状態が維持される。
しかも、複数のワイヤーカーボン材３３の炭素成分が還元作用を奏し導線の酸化の増大を抑制することができ、その結果これに伴うスパークの発生が防止できる。
【００４３】
次に図１及び２に基づいて本発明にかかる製造方法について説明する。
（１）まず、導出部２５と、第一の直線部２１と、上部円弧部２２と、第二の直線部２３と、下部円弧部２４を形成しつつ、石英ガラス管２０を螺旋状に巻回する。その後、導出部２５に石英ガラス管２０より大径の石英ガラス管３１を溶着する。
（２）前記石英ガラス管２０の両端部に設けられた前記石英ガラス管３１間に、カーボンワイヤー発熱体５を渡す。
（３）次に、直管３２に前記カーボンワイヤー発熱体５を挿通させると共に、ワイヤーカーボン部材３３の挿入側がＵ字状の状態で該直管３２内部に収容する。このとき、導入糸をワイヤーカーボン部材挿入側のＵ字状部に通し、該導入糸を引くことにより、直管３２にワイヤーカーボン部材３３を圧縮収容することができる。これにより、カーボンワイヤー発熱体５は強固に固定される。そして末端部からはみ出したワイヤーカーボン部材及びカーボンワイヤー発熱体を切断する。
【００４４】
（４）そして、ワイヤーカーボン部材３３及びカーボンワイヤー発熱体５が圧縮封入された直管３２を石英ガラス管３１内部に挿入する。
（５）次に、封止ガラス管３５の接続端子３４を内部に挿入し、前記カーボンワイヤー発熱体５と接続端子３４とを電気的に接続する。
（６）次に、図示しないガス導入口から不活性ガス、例えば窒素ガスを導入しながら、石英ガラス管３１と封止ガラス管３５とを溶着し、封止端子部３を形成する。なお、上記窒素ガスは、加熱によるカーボンワイヤー発熱体５及びワイヤーカーボン部材３３の劣化を防止する。
（７）そして、他方の封止端子部３を同様にして形成した後、前記ガス導入口から石英ガラス管２０内部を、１００ｔｏｒｒ以下に減圧した後、ガス導入口を酸水素バーナーで加熱し封じることによってヒータとして完成する（図１）。
このような上記製造方法により、本発明にかかるヒータを容易に製造することができる。
【００４５】
次に、本発明にかかる他の実施形態を図７乃至図１０に基づいて説明する。なお、図１乃至図６に示した部材と同一、あるいは相当する部材は同一符号を付することにより、詳細な説明を省略する。
この実施形態は、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２の破損防止、及び封止端子部３と石英ガラス管２１とを連結する部分Ｂの破損を防止した点に特徴がある。
【００４６】
図７に示すように石英ガラス管２０，２１に矢印Ｐ₁，Ｐ₂で示すような地震等の振動あるいは作業者による不用意な外力が作用すると、石英ガラス管２０，２１のＡ₁，Ａ₂において応力が集中し、破損する場合がある。また、図７に示すように、ヒータ下部保持パイプ４２の下面が、封止端子部３の封止ガラス管３５の下面より下方に位置（長さｌ突出している）している場合には、ヒータ１を設置した場合、ヒータ下部保持パイプ４２の下面が設置面に接触する。
その結果、振動等により外力Ｐ₃が封止端子部３と石英ガラス管２１とを連結する部分Ｂに作用すると、振動等により部分Ｂにおいて破損する場合がある。
【００４７】
この実施形態は、振動等の外力に対して破損しやすい部分を改良したもので、図８に示すように、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２の内側に所定の間隔ｔ₁をおいて中実のヒータ上部保持棒状体５１が設けられている。
また、図９に示すように、中実の前記ヒータ下部保持棒状体５４の下面が、封止端子部３の下面より所定距離ｔ₂、上方に位置して形成されている。
【００４８】
更に、前記した第一の実施形態と異なり、図１０に示すように、前記ヒータ上部保持棒状体５１は、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２と小径の中実の円弧状石英ガラス棒４５によって固定されている。また同様に、ヒータ下部保持棒状体５４は、下部に形成された円弧状の石英ガラス管２４と小径の中実の円弧状石英ガラス棒４６によって固定されている。
【００４９】
このように、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２の内側とヒータ上部保持棒状体５１との間に、所定の間隔ｔ₁が設けられているため、振動等による石英ガラス管２２とヒータ上部保持棒状体５１との衝突を回避でき、破損を防止できる。特に、石英ガラス管２２と第二の直線部２３との接続部分に対する、ヒータ上部保持棒状体５１の衝突を回避できる。この間隔ｔ₁は、衝突を回避する点から、０．２ｍｍ以上であることが望ましい。
【００５０】
また、ヒータ下部保持棒状体５４の下面が、封止端子部３の下面より、所定距離ｔ₂、上方に位置しているため、水平面にヒータを設置した場合であっても、ヒータ下部保持棒状体５４の下面が設置面に接触することはない。
したがって、地震等によって上下の振動が加わっても、ヒータ下部保持棒状体５４の下面が設置面に接触することはなく、封止端子部３と石英ガラス管２４とを連結する部分Ｂ（導出部２５）の破損を防止できる。
なお、所定距離ｔ₂は、０．５ｍｍ以上であることが望ましい。０．５ｍｍ以上高低差がある場合には、地震等の上下振動によっても、ヒータ下部保持棒状体５４の下面が設置面に接触することがないためである。
【００５１】
更に、上記したように前記ヒータ上部保持棒状体５１は、上部に形成された円弧状の石英ガラス管２２と小径の中実の円弧状石英ガラス棒４５によって固定され、ヒータ下部保持棒状体５４は、下部に形成された円弧状の石英ガラス管２４と小径の中実の円弧状石英ガラス棒４６によって固定されている。
そのため、ヒータ部２を保持できると共に、大きな外力が万一作用したとしても、中実の円弧状石英ガラス棒４５、４６が破損することによって、ヒータ部２の破損を回避することができる。
【００５２】
【発明の効果】
上述した通り、本発明にかかるヒータによれば、ヒータからの汚染物質拡散、特に、発熱体からの不純物金属等の汚染物質の拡散がなく、処理対象物の汚染が抑制されると共に、輻射熱の方向性を有し、垂直面方向の輻射熱を増大したヒータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明にかかるヒータの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示したヒータにおける封止端子部を断面で示した側面図である。
【図３】図３は、石英ガラス管の断面を示す図であって、（ａ）は図２におけるＩ−Ｉ断面図、（ｂ）は図２におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図４】図４は、図１のヒータで用いられるカーボンワイヤー発熱体の一例を示す平面図である。
【図５】図５は、図１の封止端子部の内部構造を示す断面図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。
【図６】図６は、封止端子部を構成する封止管を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明にかかる一実施形態の課題を説明するための側面図である。
【図８】図８は、本発明にかかる第二の実施形態を説明するための要部拡大図である。
【図９】図９は、本発明にかかる第二の実施形態を説明するための要部拡大図である。
【図１０】図１０は、本発明にかかる第二の実施形態を説明するための正面図である。
【図１１】図１１は、従来のヒータを示す概略図であって、（ａ）は棒状ヒータ、（ｂ）は板状ヒータを示す図である。
【符号の説明】
１ヒータ
２ヒータ部
３封止端子部
４ヒータ保持部
５カーボンワイヤー発熱体
２０石英ガラス管
２１第一の直線部
２２上部円弧部
２３第二の直線部
２４下部円弧部
２５導出部
３１ガラス管
３２直管
３３ワイヤーカーボン材
３４接続線
３５封止ガラス管
４１ヒータ上部保持パイプ
４２ヒータ下部保持パイプ
４３連結部材
４４ヒータ下部保持パイプ
４５円弧状石英ガラス棒
４６円弧状石英ガラス棒
５１ヒータ上部保持棒状体
５４ヒータ下部保持棒状体
Ａ外周部側肉厚
Ｂ内周部側肉厚
Ｔ間隔
ｒ曲率半径
ｔ₁ 間隔
ｔ₂ 間隔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heater, and more particularly to a heater having radiant heat directionality that can be suitably used in a semiconductor process and increasing radiant heat in a vertical plane direction.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor manufacturing process, strict temperature control in each heat treatment atmosphere is required in various heat treatment steps such as oxidation, diffusion, or CVD treatment. In addition, it is an essential requirement that the heating means in the heat treatment step does not become a source of a substance that degrades semiconductor performance such as impurity metals. From this, conventionally, for example, a heating element made of tungsten or the like is used. A rod-like or plate-like heater whose outside is covered with a quartz glass tube is often used.
[0003]
By the way, if the rod-like or plate-like heater is used in, for example, the field of semiconductor manufacturing process, the quartz glass tube covering the heating element made of tungsten or the like should be damaged, the atmosphere or cleaning liquid, polishing liquid, etc. are contaminated with metal. As a result, there is a problem that the wafer is contaminated. Further, even if the quartz glass tube is not damaged, there is a problem that metal is contaminated from the heating element through the quartz glass tube.
[0004]
From the viewpoint of preventing impurity metal contamination, the present inventors have proposed a heater using a carbon wire heating element that can be suitably used as a semiconductor manufacturing heater, in particular, as compared to a metallic heating element (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-260707). 2000-21890).
This carbon wire heating element is made by knitting a plurality of carbon fiber bundles made by bundling ultra-thin carbon fibers. Compared to conventional metal heating elements, this carbon wire heating element has a smaller heat capacity and superior temperature rise / fall characteristics, and is non-oxidizing. Excellent durability at high temperatures in the atmosphere. In addition, because it is made by knitting multiple fiber bundles of thin carbon fibers, it is more flexible than a heating element made of Muku's carbon material and can be easily processed into various structures and shapes as a heater for semiconductor manufacturing. Has the advantage.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, recently, particularly in the field of semiconductor manufacturing industry, due to the large capacity integration of semiconductor circuits, the diameter of wafers has been increasing, and in addition, the demand for yield improvement has become stronger for cost reduction, in order to meet these demands. Conventionally, more strict temperature control management is required. Therefore, the appearance of a heater capable of heating the processing furnace or the like to a desired state, that is, a heater having a directivity of radiant heat has been desired. In particular, in a heater that heats a processing furnace from the lateral direction of the processing furnace, the appearance of a heater that has increased radiant heat in the vertical plane direction (lateral direction) has been desired.
[0006]
For example, as shown in FIG. 11A, when the rod heater 70 described above is erected in a vertical state, the radiant heat in the vertical plane direction increases.
However, since there is only one heating element 71, the region where radiant heat is transmitted is narrow. Therefore, in order to expand the region where radiant heat is transmitted, it is necessary to provide a plurality of bar heaters adjacent to the bar heater 70. In this case, there is a technical problem that the connection terminals 72 corresponding to the number of rod-shaped heaters are required and the cost is increased.
[0007]
Further, as shown in FIG. 11B, by forming the heating element 76 of the plate heater 75 in a meandering manner, it is possible to expand a region where radiant heat is transmitted in the vertical plane direction. In addition, in this case, the number of connection terminals 72 does not increase as in the case of the rod heater 70. However, since the heating elements 76 meandering up and down are formed at a constant interval t, there is a limit to further increasing the radiant heat in the vertical plane direction.
[0008]
The present invention has been made in order to solve the above technical problem, and there is no diffusion of contaminants from the heater, in particular, there is no diffusion of contaminants such as impurity metals from the heating element, and contamination of the processing object is suppressed. In addition, an object of the present invention is to provide a heater that has a directivity of radiant heat and can further increase the radiant heat in the vertical plane direction.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  The heater according to the present invention made to achieve the above object includes a heater portion made of a quartz glass tube containing a carbon wire heating element, and sealing terminal portions provided at both ends of the quartz glass tube of the heater portion. In the heater comprising the connection terminal provided in the sealing terminal portion, the quartz glass tube is spirally wound in the vertical direction, and the quartz glass tube extending in the vertical direction is formed linearly, A heater part in which the upper and lower quartz glass tubes are formed in an arc shape, and both ends of the quartz glass tube of the heater part are extended on the same surface side, and a sealing terminal part formed at the end part thereof,The ratio of the thickness on the outer peripheral side of the heater portion formed in the arc shape of the quartz glass tube to the thickness on the inner peripheral side is 1: 1.1 to 2.is doing.
[0010]
Thus, the quartz glass tube is spirally wound in the vertical direction, the quartz glass tube extending in the vertical direction is formed in a straight line, and the quartz glass tubes in the upper and lower parts are formed in an arc shape. Both end portions of the glass tube are extended on the same surface side, and a sealing terminal portion is formed at the end portion.
Therefore, the heat radiation from the carbon wire heating element is little from the arc radiation of the quartz glass tube, and is mainly from the straight quartz glass tube extending in the vertical direction. Therefore, the radiant heat in the vertical plane direction, that is, in the lateral direction can be further increased.
[0011]
Further, since the heater portion is formed by spirally winding a quartz glass tube in the vertical direction, the linear quartz glass tube is disposed in front of and behind the radiation direction, and in addition, the vertical plane direction (lateral direction) When viewed from the direction), the rear linear quartz glass tube is positioned between each of the plurality of linear quartz glass tubes on the front side. That is, the radiation heat in the vertical plane direction (lateral direction) can be further increased by radiation from the linear quartz glass tubes arranged at the front and back, and the vertical distance can be adjusted by adjusting the interval. The heat radiation with small local variation can be obtained.
[0012]
  Furthermore, both end portions of the quartz glass tube of the heater portion are extended on the same surface side, and a sealing terminal portion is formed at the end portion.
  Thus, since the sealing terminal part is formed in the same surface side of a heater part, a connection with a power supply can be made easily. The side opposite to the formation side of the sealing terminal portion across the heater portion is the irradiation side. Therefore, radiation can be further increased by arranging a reflector or the like on the side where the sealing terminal portion is formed.
  In particular, the ratio of the thickness on the outer peripheral side of the heater portion formed in the arc shape of the quartz glass tube to the thickness on the inner peripheral side is set to 1: 1.1 to 2.
  As described above, since the thickness on the inner peripheral portion side is increased, the heat capacity on the inner peripheral portion side is large, and radiation on the inner peripheral portion side can be reduced.
  Moreover, it can suppress that the radiant heat from the linear quartz glass tube arrange | positioned forward and backward is radiated | emitted in the direction (vertical direction) orthogonal to a perpendicular surface direction.
  Furthermore, this structure reinforces a portion with a large stress in the heater of the present invention in which a carbon wire heating element is accommodated in a spirally wound quartz glass tube with a predetermined tensile force, thereby further preventing the occurrence of breakage or the like. be able to.
[0013]
Here, it is preferable that the radius of curvature of the quartz glass tube formed in the arc shape is not less than 2 times and not more than 5 times the outer diameter of the quartz glass tube.
As described above, when the radius of curvature is less than twice the outer diameter of the quartz glass tube, the inside of the quartz glass tube is deformed when the arc shape is formed, and the carbon wire heating element contacts the inner wall of the quartz glass tube. Since there is a possibility, it is not preferable.
In addition, if the radius of curvature exceeds 5 times the outer diameter of the quartz glass tube, the width of the heater increases and radiation in the vertical direction increases, which is not preferable.
[0015]
Further, it is desirable that the arc-shaped quartz glass tube is formed with an interval between the adjacent arc-shaped quartz glass tube and at least one to three times the outer diameter of the quartz glass tube.
It is preferable to wind the quartz glass tube densely because it increases radiant heat in the vertical plane direction (lateral direction).
However, as described above, since the heater portion is formed by spirally winding the quartz glass tube in the vertical direction, the linear quartz glass tube is disposed forward and backward with respect to the radiation direction. Therefore, if it is wound too densely, the radiant heat cannot be effectively utilized from the linear quartz glass tube disposed later, and the inner peripheral side of the wound quartz glass tube becomes abnormally hot. In order to avoid this, it is preferable that the quartz glass tube is wound with an interval of one or more times the outer diameter of the quartz glass tube.
Moreover, by setting it as 3 times or less, it can be set as the heat radiation with a smaller local variation in a perpendicular direction.
[0016]
Further, a heater upper holding member provided in contact with the arc-shaped quartz glass tube formed in the upper portion, and a heater lower holding member provided in contact with the arc-shaped quartz glass tube formed in the lower portion And a heater holding portion comprising a connecting member for connecting the heater upper holding member and the heater lower holding member.
Thus, by providing a heater holding | maintenance part, the mechanical strength of a heater part can be increased and damage can be prevented. Moreover, since the heater lower part holding member is provided, installation property improves. Furthermore, the heat capacity of the arcuate part, in which the heater holding part is attached to the quartz glass tube formed in an arcuate shape, is increased, and radiation in the vertical direction can be reduced.
[0017]
The heater upper holding member is welded to the inner side of the arc-shaped quartz glass tube formed on the upper side, and the heater lower holding member is welded to the outer side of the arc-shaped quartz glass tube formed on the lower side. Is preferred.
Further, the heater upper holding member provided at a predetermined interval inside the arc-shaped quartz glass tube formed in the upper portion and the arc-shaped quartz glass tube formed in the lower portion are provided circumscribed. It is preferable that a heater holding portion including a heater lower holding member and a connecting member for connecting the heater upper holding member and the heater lower holding member is provided.
As described above, since a predetermined gap is provided between the inside of the arc-shaped quartz glass tube formed on the upper portion and the heater upper holding member, the quartz glass tube and the heater upper holding member due to vibration or the like are Collisions can be avoided and damage can be prevented. This interval is preferably 0.2 mm or more.
[0018]
The lower surface of the heater lower holding member is preferably positioned above the lower surface of the sealing terminal portion.
Since the lower surface of the heater lower holding member is located above the lower surface of the sealing terminal portion, when the heater is installed on a horizontal surface, the lower surface of the heater lower holding member does not contact the installation surface. Therefore, even if vertical vibration is applied due to an earthquake or the like, the lower surface of the heater lower holding member does not contact the installation surface, and damage to the portion connecting the sealing terminal portion and the quartz glass tube can be prevented.
In addition, it is desirable that the lower surface of the heater lower holding member is located at least 0.5 mm above the lower surface of the sealing terminal portion. When there is a height difference of 0.5 mm or more, the lower surface of the heater lower holding member does not come into contact with the installation surface even when vertical vibrations such as an earthquake occur, and damage can be prevented.
[0019]
Further, it is desirable that the heater upper holding member and the heater lower holding member are made of either a pipe-like member, a solid member, or a combination thereof. The heater upper holding member may be not only a pipe-shaped member but also a solid member or a combination of a solid member and a pipe-shaped member. Similarly, the heater lower holding member may be not only a pipe-shaped member but also a solid member, or a combination of a solid member and a pipe-shaped member.
[0020]
Preferably, the carbon wire heating element is a braided string-like or braided carbon wire heating element formed by knitting a plurality of fiber bundles in which carbon fibers having a diameter of 5 to 15 μm are bundled, and the carbon wire The heating element preferably has an impurity content of the carbon fiber of 10 ppm or less as ash weight.
Thus, a carbon wire heating element formed in a braided or braided shape has a high tensile strength, excellent durability at high heat, and can be easily deformed, so that the heater part is configured. Can be easily accommodated inside the spiral quartz glass tube. Further, since the carbon fiber constituting the carbon wire heating element has a high purity of 10 ppm or less as the ash content, the impurity diffusion can be prevented.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6. FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the heater according to the present invention, and FIG. 2 is a side view showing a cross section of the sealing terminal portion in the heater shown in FIG. 3 is a cross-sectional view of the quartz glass tube, wherein (a) is a cross-sectional view taken along line II in FIG. 2, (b) is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 2, and FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing an internal structure of the sealing terminal portion of FIG. 1, wherein (a) is a vertical cross-sectional view, and (b) is a plan view showing an example of a carbon wire heating element used in the heater portion of FIG. It is a cross-sectional view. FIG. 6 is a perspective view showing a sealing tube constituting the sealing terminal portion.
[0022]
As shown in FIG. 1, the heater 1 includes a heater portion 2, sealing terminal portions 3 provided at both ends of the heater portion 2, and a heater holding portion 4 that holds the heater portion 2.
The heater section 2 is composed of a quartz glass tube 20 containing a carbon wire heating element 5 made of a carbon fiber bundle, and the heater section 2 is formed in a spiral shape by a linear portion and an arc portion. .
That is, the quartz glass tube 20 is spirally wound in the vertical direction, the quartz glass tube 20 extending in the vertical direction is formed in a straight line, and the quartz glass tubes 20 in the upper and lower parts are formed in an arc shape. .
[0023]
More specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, the quartz glass tube 20 includes a lead-out portion 25 connected to the sealing terminal portion 3 and extending in the horizontal direction, and a straight line upward from the lead-out portion 25. A first straight portion 21 extending in a shape, an upper arc portion 22 extending following the first straight portion 21, and a straight line extending downward following the upper arc portion 22. A second straight line portion 23 and a lower circular arc portion 24 extending following the second straight line portion 23 are provided.
The quartz glass tube 20 extends from the first straight portion 21, the upper arc portion 22, the second straight portion 23, and the lower arc portion 24 to the first straight portion 21 again, and is repeated a plurality of times. It is wound and formed in a spiral shape. Finally, it extends from the lower arc portion 24 to the lead-out portion 25 connected to the other sealing terminal portion 3.
[0024]
Inside the quartz glass tube 20 is housed a carbon wire heating element 5 which will be described in detail later. This carbon wire heating element 5 is connected from one sealing terminal portion 3 to a lead-out portion 25, a first straight line. After being wound a plurality of times through the part 21, the upper arc part 22, the second linear part 23, and the lower arc part 24, the lead is led to the other sealing terminal part 3.
The lead-out portion 25 extends on the same surface side, and the sealing terminal portion 3 is formed on one side of the heater portion 2.
[0025]
Thus, since the heater part 2 is formed by spirally winding the quartz glass tube 20 in the vertical direction, the linear quartz glass tube 20 (21, 23) is moved back and forth with respect to the radiation direction. Arranged. That is, the radiation heat in the vertical plane direction (lateral direction) can be further increased by the radiation from the linear quartz glass tubes 20 (21, 23) arranged at the front and rear as shown by the arrows in FIG.
Further, since the sealing terminal portion 3 is formed on the same surface side of the heater portion 2, connection with a power source (not shown) can be easily made. The side opposite to the formation side of the sealing terminal portion 3 across the heater portion 2 is a radiation side. Therefore, the radiation can be further increased by arranging the reflector 36 on the side where the sealing terminal portion 3 is formed. It is preferable from the viewpoint of improving the high purity maintenance and the reflection efficiency that the reflective plate 36 is used by insulating and sealing the thermally expanded graphite sheet with the outside air in two quartz glass plates, It is preferable from the viewpoint of space-saving installation ease that the sealing terminal portion 3, the lead-out portion 25, or the heater holding portion 4 are integrally provided by welding or the like.
[0026]
The thickness of the first and second straight portions 21 and 23 of the quartz glass tube 20 is substantially uniform as shown in FIG.
On the other hand, as shown in FIG. 3A, the upper arc portion 22 and the lower arc portion 24 are formed such that the inner peripheral portion thickness B is thicker than the outer peripheral portion thickness A. Specifically, the thickness B on the inner peripheral side is formed to be 1.1 to 2 times thicker than the thickness A on the outer peripheral side. The outer diameter and inner diameter of the first and second straight portions 21, 23, the upper arc portion 22, and the lower arc portion 24 are formed to have the same dimensions.
[0027]
Thus, since the wall thickness B on the inner peripheral side is formed thick, the heat capacity becomes larger than other parts. Therefore, in the upper arc portion 22 and the lower arc portion 24, the heat radiation in the inner circumferential direction is weaker than the heat radiation in the outer circumferential direction.
Moreover, it can suppress that the radiant heat from the linear quartz glass tube arrange | positioned forward and backward is radiated | emitted in the direction (vertical direction) orthogonal to a perpendicular surface direction.
Furthermore, this structure reinforces a portion with a large stress in the heater of the present invention in which a carbon wire heating element is accommodated in a spirally wound quartz glass tube with a predetermined tensile force, thereby further preventing the occurrence of breakage or the like. be able to.
[0028]
Further, the radius of curvature r of the upper arc portion 22 and the lower arc portion 24 is formed to be 2 to 5 times the outer diameter of the quartz glass tube 20.
When the radius of curvature r is less than twice that of the quartz glass tube 20, the inside of the quartz glass tube 20 may be deformed when the arc portion is formed. Therefore, there is a possibility that the accommodated carbon wire heating element 5 may come into contact with the inner wall of the quartz glass tube 20, which is not preferable. On the other hand, if the radius of curvature r exceeds 5 times the outer diameter of the quartz glass tube, the width of the heater increases and radiation in the vertical direction increases, which is not preferable.
[0029]
The lengths of the first and second straight portions 21 and 23 are at least four times the outer diameter of the quartz glass tube 20, in other words, at least twice the lengths of the upper arc portion 22 and the lower arc portion 24. It has a length.
Thus, since the 1st, 2nd linear parts 21 and 23 are provided with the length of 2 times or more of the length of the upper circular arc part 22 and the lower circular arc part 24, it is the direction of a vertical surface (lateral direction). Radiant heat can be increased more than vertical radiant heat.
[0030]
Further, the interval T (see FIG. 1) between the quartz glass tubes 20 in the upper arc portion 22 and the lower arc portion 24 can be selected as appropriate, but the radiant heat in the vertical plane direction (lateral direction) increases as the interval decreases. be able to.
However, since the heater section 2 is formed by spirally winding the quartz glass tube 20 in the vertical direction, the linear quartz glass tube 20 (21, 23) is arranged in the front-rear direction with respect to the radiation direction. Established. Therefore, if wound too densely, the radiant heat cannot be effectively utilized from the linear quartz glass tube 20 (21) arranged later, and the inside of the wound quartz glass tube 20 becomes abnormally hot.
For this reason, the arc-shaped quartz glass tube 20 (22, 24) is wound with an adjacent arc-shaped quartz glass tube at least at an interval of 1 to 3 times the outer diameter of the quartz glass tube 20. desirable.
[0031]
The heater holding portion 4 includes a heater upper holding pipe 41 provided inscribed in an arc-shaped quartz glass tube 20 (22) formed in an upper portion, and an arc-shaped quartz glass tube formed in the lower portion. 20 (24) and a heater lower holding pipe 42, and a connecting member 43 for connecting the heater upper holding pipe 41 and the heater lower holding pipe 42 to each other.
The upper arc-shaped quartz glass tube 20 (22) and the heater upper holding pipe 41 are welded, the lower arc-shaped quartz glass tube 20 (24) and the heater lower holding pipe 42 are welded, and a connecting member. 43 is welded to the heater upper holding pipe 41 and the heater lower holding pipe 42.
[0032]
Therefore, the heater holding unit 4 is integrated with the heater unit 2. By providing the heater holding part 4 in this way, the mechanical strength of the heater part 2 can be increased and damage can be prevented. In addition, since the heater lower holding pipe 42 is provided, the installation property is improved. Furthermore, the heat capacity of the arcuate part, in which the heater holding part 4 is attached to the quartz glass tube 20 (22, 24) formed in an arcuate shape, is increased, and radiation on the inner peripheral side can be reduced. .
[0033]
Next, the structure of the sealing terminal part 3 is demonstrated based on FIG.2, FIG.5, FIG.6. The sealing terminal portion 3 has one connection line 34, and two sealing terminal portions 3 are required for one heater portion 2 as shown in FIG. Since these sealing terminal portions 3 have the same structure, only one sealing terminal portion 3 will be described.
The sealing terminal portion 3 includes a glass tube 31 constituting the sealing terminal portion, a straight tube 32 accommodated in the glass tube 31, and a plurality of wire carbon materials 33 compressed and accommodated in the straight tube 32. A sealing glass tube 35 that seals the end of the glass tube 31, and a connection line 34 made of tungsten (W) provided on the sealing glass tube 35.
[0034]
The carbon wire heating element 5 led out from the lead-out part of the quartz glass tube 20 is connected by a structure sandwiched in a compressed state by a plurality of wire carbon materials 33 compressed and housed in a straight tube 32 in the glass tube 31, The connecting wire 34 of the sealing terminal portion 3 is connected to the wire carbon material 33.
[0035]
The sealing glass tube 35 includes a quartz glass portion 35a, a graded seal portion 35b, and a tungsten (W) glass portion 35c from the side fused to the glass tube 31.
Then, as shown in FIG. 6, the connecting wire 34 made of tungsten (W) connected to the carbon wire compressed and stored in the straight pipe 32 is pinched by the pinch seal portion 35d of the tungsten (W) glass portion 35c. Sealed.
[0036]
That is, the pinch seal portion 35d is formed of tungsten (W) glass having a thermal expansion coefficient close to that of tungsten (W) constituting the connection line, and the fused side of the glass tube 31 is formed of quartz glass.
Thus, since the pinch seal portion 35d is formed of tungsten (W) glass having a thermal expansion coefficient close to that of tungsten (W) constituting the connection line 34, the glass portion (pinch seal) accompanying the thermal expansion of the connection line 34 at a high temperature. It is possible to prevent damage to the portion 35d).
Moreover, the sealing glass tube 35 (quartz glass portion 35a) to be fused with the glass tube 31 is made of the same or the same quartz glass as that of the glass tube 31, so that breakage due to thermal expansion can be prevented. Moreover, metal contamination can be prevented by using high purity quartz glass.
[0037]
Further, a graded seal portion 35b is formed between the quartz glass portion 35a and the tungsten (W) glass portion 35c.
That is, SiO₂The side in contact with the quartz glass portion 35a where the component and the W glass component are gradually changed is made of a quartz glass composition or a material having a thermal expansion coefficient close to that, and the thermal expansion coefficient is directed toward the side in contact with the W glass portion 35b. Is provided with a graded seal portion 35b made of a material which is inclined and distributed so as to approximate that of W glass, by providing a quartz glass portion 35a and a tungsten (W) glass portion 35c between them, so that the thermal expansion at high temperature is achieved. It is possible to prevent the glass tube 35 from being damaged.
[0038]
Next, the carbon wire heating element 5 will be described with reference to FIG.
This carbon wire heating element 5 is produced by knitting a plurality of carbon fiber bundles made by bundling ultra-thin carbon single fibers into a braided string shape or a braided string shape. In comparison, it has a small heat capacity and excellent temperature rise and fall characteristics, and also has excellent high-temperature durability in a non-oxidizing atmosphere.
[0039]
In addition, since it is made by knitting a plurality of thin carbon single fiber bundles, it is more flexible than a heating element made of Muku's carbon material, and has excellent shape deformation adaptability and workability.
Specifically, as the carbon wire heating element 5, about 10 bundles of carbon fibers having a diameter of 5 to 15 μm, for example, about 3000 to 3500 carbon fibers having a diameter of 7 μm are used, and a braid having a diameter of about 2 mm. A carbon wire heating element such as a braid or braided braid is used.
In the above case, the wire braiding span is about 2 to 5 mm. The braided or braided carbon wire heating element 5 preferably has a carbon fiber fluff 5a on the surface, and the fluff is a part of the carbon fiber (single fiber) that has been cut. It protrudes from the outer peripheral surface of the wire.
[0040]
Then, such a carbon wire heating element 5 is inserted inside the quartz glass tube 20 so that only the fluff 5a is in contact with the inner wall of the quartz glass tube, and the main body of the carbon wire heating element is not substantially in contact. It is preferable.
By doing so, quartz glass (SiO 2₂ ) And carbon (C) of the carbon wire heating element is suppressed as much as possible, and the deterioration of the quartz glass and the durability of the carbon wire are suppressed.
The surface fluff due to the carbon fiber is preferably about 0.5 to 2.5 mm.
In order to obtain such a configuration, the inner diameter of the enclosed quartz glass tube may be appropriately selected with respect to the diameter and number of the carbon wire heating elements.
[0041]
In addition, from the viewpoint of exothermic homogeneity, durability stability and the like, and from the viewpoint of avoiding dust generation, the carbon fiber is preferably highly pure, and the amount of impurities contained in the carbon fiber is 10 ppm or less as ash weight. It is preferable that
More preferably, the amount of impurities contained in the carbon fiber is 3 ppm or less as ash weight.
[0042]
Further, as shown in FIG. 5, the carbon wire heating element 5 is sandwiched between the plurality of wire carbon materials 33 in the sealed terminal portion 3 in a compressed state, and the connection wires 34 are interposed via the plurality of wire carbon materials 33. Is electrically connected.
In this way, the carbon wire heating element 5 is not directly connected to the connection line, but is connected via the plurality of wire carbon materials 33 compressed and accommodated, so that even if the heating element becomes high temperature. The connection between the plurality of wire carbon materials 33 and the carbon wire heating element 5 is not loosened, and the temperature of the wire carbon material 33 is sufficiently lowered, so that the connection with the connection wires is not loosened and is good. Electrical connection is maintained.
In addition, the carbon components of the plurality of wire carbon materials 33 exert a reducing action and can suppress an increase in the oxidation of the conductor, and as a result, the occurrence of sparks associated therewith can be prevented.
[0043]
Next, the manufacturing method according to the present invention will be described with reference to FIGS.
(1) First, the quartz glass tube 20 is spirally wound while forming the lead-out portion 25, the first straight portion 21, the upper arc portion 22, the second straight portion 23, and the lower arc portion 24. Turn. Thereafter, a quartz glass tube 31 having a diameter larger than that of the quartz glass tube 20 is welded to the lead-out portion 25.
(2) The carbon wire heating element 5 is passed between the quartz glass tubes 31 provided at both ends of the quartz glass tube 20.
(3) Next, the carbon wire heating element 5 is inserted into the straight pipe 32, and the insertion side of the wire carbon member 33 is accommodated in the straight pipe 32 in a U-shaped state. At this time, the wire carbon member 33 can be compressed and accommodated in the straight pipe 32 by passing the introduction yarn through the U-shaped portion on the wire carbon member insertion side and pulling the introduction yarn. Thereby, the carbon wire heating element 5 is firmly fixed. And the wire carbon member and carbon wire heat generating body which protruded from the terminal part are cut | disconnected.
[0044]
(4) Then, the straight tube 32 in which the wire carbon member 33 and the carbon wire heating element 5 are compressed and sealed is inserted into the quartz glass tube 31.
(5) Next, the connection terminal 34 of the sealing glass tube 35 is inserted inside, and the carbon wire heating element 5 and the connection terminal 34 are electrically connected.
(6) Next, the quartz glass tube 31 and the sealing glass tube 35 are welded while introducing an inert gas such as nitrogen gas from a gas inlet (not shown) to form the sealing terminal portion 3. The nitrogen gas prevents deterioration of the carbon wire heating element 5 and the wire carbon member 33 due to heating.
(7) Then, after the other sealing terminal portion 3 is formed in the same manner, the inside of the quartz glass tube 20 is depressurized to 100 torr or less from the gas inlet, and then the gas inlet is heated and sealed with an oxyhydrogen burner. This completes the heater (FIG. 1).
With the above manufacturing method, the heater according to the present invention can be easily manufactured.
[0045]
Next, another embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. The same or corresponding members as those shown in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
This embodiment is characterized in that the arc-shaped quartz glass tube 22 formed in the upper portion is prevented from being damaged, and the portion B connecting the sealing terminal portion 3 and the quartz glass tube 21 is prevented from being damaged.
[0046]
As shown in FIG. 7, the quartz glass tubes 20, 21 have arrows P₁, P₂When the vibration such as the earthquake shown in FIG. 4 or an inadvertent external force by the operator is applied, the quartz glass tubes 20 and 21 A₁, A₂In this case, stress may concentrate and break. Further, as shown in FIG. 7, when the lower surface of the heater lower holding pipe 42 is positioned below the lower surface of the sealing glass tube 35 of the sealing terminal portion 3 (projecting length l), When the heater 1 is installed, the lower surface of the heater lower holding pipe 42 is in contact with the installation surface.
As a result, external force P due to vibration or the like_ThreeIf it acts on the portion B connecting the sealing terminal portion 3 and the quartz glass tube 21, the portion B may be damaged by vibration or the like.
[0047]
In this embodiment, a portion that is easily damaged by an external force such as vibration is improved. As shown in FIG. 8, a predetermined interval t is provided inside an arc-shaped quartz glass tube 22 formed at the top.₁A solid heater upper holding bar 51 is provided.
Further, as shown in FIG. 9, the lower surface of the solid heater lower holding rod-like body 54 has a predetermined distance t from the lower surface of the sealing terminal portion 3.₂, Located above.
[0048]
Further, unlike the first embodiment described above, as shown in FIG. 10, the heater upper holding rod-like body 51 includes an arc-shaped quartz glass tube 22 formed on the upper part and a small-diameter solid arc-shaped quartz glass. It is fixed by a bar 45. Similarly, the heater lower holding rod-like body 54 is fixed by an arc-shaped quartz glass tube 24 formed in the lower portion and a small-diameter solid arc-shaped quartz glass rod 46.
[0049]
Thus, a predetermined distance t is provided between the inside of the arc-shaped quartz glass tube 22 formed on the upper portion and the heater upper holding rod-like body 51.₁Therefore, the collision between the quartz glass tube 22 and the heater upper holding rod 51 due to vibration or the like can be avoided, and damage can be prevented. In particular, it is possible to avoid collision of the heater upper holding bar 51 with respect to the connection portion between the quartz glass tube 22 and the second linear portion 23. This interval t₁Is preferably 0.2 mm or more from the viewpoint of avoiding a collision.
[0050]
Further, the lower surface of the heater lower holding rod-shaped body 54 is separated from the lower surface of the sealing terminal portion 3 by a predetermined distance t₂Therefore, even when the heater is installed on a horizontal plane, the lower surface of the heater lower holding rod-shaped body 54 does not contact the installation surface.
Therefore, even when vertical vibration is applied due to an earthquake or the like, the lower surface of the heater lower holding rod 54 does not contact the installation surface, and the portion B (leading portion) that connects the sealing terminal portion 3 and the quartz glass tube 24 is connected. 25) can be prevented.
The predetermined distance t₂Is preferably 0.5 mm or more. This is because when there is a height difference of 0.5 mm or more, the lower surface of the heater lower holding rod 54 does not come into contact with the installation surface even by vertical vibration such as an earthquake.
[0051]
Further, as described above, the heater upper holding rod-like body 51 is fixed by the arc-shaped quartz glass tube 22 formed in the upper part and the small-diameter solid arc-like quartz glass rod 45, and the heater lower holding rod-like body 54 is These are fixed by an arc-shaped quartz glass tube 24 formed in the lower part and a solid arc-shaped quartz glass rod 46 having a small diameter.
Therefore, while being able to hold | maintain the heater part 2, even if a big external force acts, the failure | damage of the heater part 2 can be avoided by the solid arc-shaped quartz glass rods 45 and 46 being damaged.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the heater according to the present invention, there is no diffusion of contaminants from the heater, in particular, no diffusion of contaminants such as impurity metals from the heating element, and contamination of the object to be treated is suppressed and radiation heat A heater having directivity and increased radiant heat in the vertical plane direction can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a heater according to the present invention.
FIG. 2 is a side view showing a cross section of a sealing terminal portion in the heater shown in FIG. 1;
3A and 3B are views showing a cross section of a quartz glass tube, in which FIG. 3A is a cross-sectional view taken along the line II in FIG. 2, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
4 is a plan view showing an example of a carbon wire heating element used in the heater of FIG. 1. FIG.
5 is a cross-sectional view showing the internal structure of the sealed terminal portion of FIG. 1, wherein (a) is a vertical cross-sectional view and (b) is a cross-sectional view.
FIG. 6 is a perspective view showing a sealing tube constituting a sealing terminal portion.
FIG. 7 is a side view for explaining the problem of the embodiment according to the present invention.
FIG. 8 is an enlarged view of a main part for explaining a second embodiment according to the present invention.
FIG. 9 is an enlarged view of a main part for explaining a second embodiment according to the present invention.
FIG. 10 is a front view for explaining a second embodiment according to the present invention.
FIGS. 11A and 11B are schematic views showing a conventional heater, in which FIG. 11A is a bar heater, and FIG. 11B is a plate heater.
[Explanation of symbols]
1 Heater
2 Heater part
3 Sealing terminal
4 Heater holding part
5 Carbon wire heating element
20 Quartz glass tube
21 First straight section
22 Upper arc part
23 Second straight section
24 Lower arc part
25 Deriving part
31 glass tube
32 Straight pipe
33 Wire carbon material
34 connection lines
35 Sealed glass tube
41 Heater upper holding pipe
42 Heater lower holding pipe
43 Connecting member
44 Heater lower holding pipe
45 Arc-shaped quartz glass rod
46 Arc-shaped quartz glass rod
51 Heater upper holding rod
54 Heater lower holding rod
A Outer wall thickness
B Inner circumference side wall thickness
T interval
r Curvature radius
t₁                   interval
t₂                   interval

Claims

A heater comprising a heater part made of a quartz glass tube containing a carbon wire heating element, a sealing terminal part provided at both ends of the quartz glass tube of the heater part, and a connection terminal provided in the sealing terminal part In
The quartz glass tube is spirally wound in the vertical direction, the quartz glass tube extending in the vertical direction is formed in a straight line, and the heater unit in which the upper and lower quartz glass tubes are formed in an arc shape,
Both ends of the quartz glass tube of the heater part are extended on the same surface side, and a sealing terminal part formed at the end part is provided,
A heater characterized in that the ratio of the thickness of the heater portion formed in the arc shape of the quartz glass tube on the outer peripheral side to the thickness on the inner peripheral side is 1: 1.1 to 2.

2. The heater according to claim 1, wherein a radius of curvature of the arc-shaped quartz glass tube is 2 to 5 times an outer diameter of the quartz glass tube.

The arcuate quartz glass tube, an arc-shaped quartz glass tube adjacent to at least claim 1 or claim 2, characterized in that it is formed with a 1-fold to 3-fold distance of the outer diameter of the quartz glass tube The heater described in 1.

A heater upper holding member provided inscribed in the arc-shaped quartz glass tube formed in the upper part, a heater lower holding member provided in circumscribing the arc-shaped quartz glass tube formed in the lower part, The heater according to any one of claims 1 to 3 , further comprising a heater holding portion including a connecting member that connects the heater upper holding member and the heater lower holding member.

The heater upper holding member is welded to the inside of the arc-shaped quartz glass tube formed on the upper side, and the heater lower holding member is welded to the outside of the arc-shaped quartz glass tube formed on the lower side. The heater according to claim 4, wherein

A heater upper holding member provided at a predetermined interval inside an arc-shaped quartz glass tube formed in the upper portion, and a heater provided circumscribing the arc-shaped quartz glass tube formed in the lower portion The heater according to any one of claims 1 to 3 , further comprising a heater holding portion including a lower holding member and a connecting member that connects the heater upper holding member and the heater lower holding member.

A heater comprising a heater portion made of a quartz glass tube containing a carbon wire heating element, a sealing terminal portion provided at both ends of the quartz glass tube of the heater portion, and a connection terminal provided in the sealing terminal portion. In
The quartz glass tube is spirally wound in the vertical direction, the quartz glass tube extending in the vertical direction is formed in a straight line, and the heater unit in which the upper and lower quartz glass tubes are formed in an arc shape,
Both ends of the quartz glass tube of the heater part are extended on the same surface side, and a sealing terminal part formed at the end part is provided,
A heater upper holding member provided at a predetermined interval inside an arc-shaped quartz glass tube formed in the upper part;
A heater lower holding member provided to circumscribe the arc-shaped quartz glass tube formed in the lower part;
A heater comprising a heater holding portion comprising a connecting member that connects the heater upper holding member and the heater lower holding member.

The heater according to any one of claims 4 to 7, wherein a lower surface of the heater lower holding member is located above a lower surface of the sealing terminal portion.

The heater according to any one of claims 4 to 7, wherein the heater upper holding member and the heater lower holding member are either a pipe-shaped member, a solid member, or a combination thereof. .