JP6522481B2

JP6522481B2 - 面状ヒータ

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Publication number: JP6522481B2
Application number: JP2015197942A
Authority: JP
Inventors: 博之岡島; 寛太土井
Original assignee: Coorstek KK
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2015-10-05
Filing date: 2015-10-05
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2035-10-05
Also published as: JP2017073232A

Description

本発明は、面状ヒータに関し、例えば、カーボンワイヤー発熱体が石英ガラス管に収納された面状ヒータに関する。

特許文献１には、図７に示すように面状ヒータ６０が開示されている。図７に示す面状ヒータ６０は、プレート状の石英ガラス支持部材６１を有し、この石英ガラス支持部材６１の一面側が円板平面状の加熱面となる。
前記石英ガラス支持部材６１の内部には、溝状の空間部（図示せず）が形成され、この溝状の空間部にカーボンワイヤー発熱体Ｗがジグザグパターン形状に配線されている。前記カーボンワイヤー発熱体Ｗの両端部には、それぞれ封止端子（図示せず）が接続され、前記空間部には不活性ガスが注入、封止されている。
尚、この石英ガラス支持部材６１は、前記溝状の空間部を除いて融着一体化された構造となっている。

特許文献１に示された前記カーボンワイヤー発熱体は、金属発熱体等に比べて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。しかも、細いカーボン単繊維の繊維束を複数編んで作製されたものであるため、カーボン材のみからなる発熱体に比べ形状柔軟性に富み、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。
従って、この発熱体を高純度な石英ガラス部材等のクリーンな耐熱性支持部材内に非酸化性ガスとともに封入したヒータは、パーティクル等を発生させることがなく、半導体製造用ヒータとして極めて好適である。

特開２００１−３３２３７３号公報

ところで、図７に示す面状ヒータ６０にあっては、前記したように石英ガラス支持部材６１に形成された溝状の空間内にカーボンワイヤー発熱体Ｗが配置され、石英ガラス支持部材６１は、前記空間を除いて融着一体化されている。そのため、この面状ヒータ６０にあっては、石英ガラス支持部材６１自体の熱容量が大きく、それによって昇降温の応答性が低下するという課題があった。

前記課題を解決するものとして、例えば図８（平面図）に示すように円盤状の支持台８０上に保護管に収容された複数の円弧状のカーボンワイヤー発熱体Ｗを同心円状に配置する構成が考えられる。前記複数の円弧状のカーボンワイヤー発熱体Ｗは、それぞれ円弧状に湾曲形成された保護管としての石英ガラス管８１（部分的に図示）の中に非酸化性雰囲気ガスとともに封入される。
このようなヒータの構成であれば、カーボンワイヤー発熱体Ｗを収容した石英ガラス管８１の熱容量が小さいため、昇降温の応答性が低下するといった課題が生じることはない。

ところで、図８に示すヒータ構造のように、円弧状に湾曲した石英ガラス管８１内（中空）にカーボンワイヤー発熱体Ｗを収容する場合、長いカーボンワイヤー発熱体Ｗを中空に張設することは困難であるため、カーボンワイヤー発熱体Ｗの長手方向の殆どが石英ガラス管８１の内周面に接することになる。

しかしながら、カーボンワイヤー発熱体Ｗと石英ガラス管８１とが接触すると、ガラス温度が上昇してカーボンと反応することにより、カーボンワイヤーが破断し、カーボンワイヤーの抵抗値が変化し、局所的な発熱が生じるために、カーボンワイヤー発熱体Ｗの劣化が促進され、破断しやすくなる（短寿命となる）という課題があった。

また、カーボンワイヤー発熱体Ｗと石英ガラス管８１とが接触することによって、カーボンワイヤー発熱体Ｗからの熱が石英ガラス管８１に吸収され、発熱体温度が低下して、輻射加熱の加熱効率が悪化するという課題があった。

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、石英ガラスからなる長尺収容部にカーボンワイヤー発熱体が収容された面状ヒータにおいて、カーボンワイヤー発熱体と長尺収容部との接触領域を限定的にすることによりカーボンワイヤー発熱体の破断を抑制するとともに、効率よい輻射加熱が可能な面状ヒータを提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するためになされた、本発明に係る面状ヒータは、カーボンワイヤー発熱体が石英ガラスからなる、直線部と屈曲部を有する長尺収容部に収容され、複数の前記長尺収容部が同一平面上に配置されるとともに、前記カーボンワイヤー発熱体に通電されることにより発熱する面状ヒータであって、前記複数の長尺収容部は、それぞれ複数の直線部が屈曲部を介して繋がる多角円形の弧状に形成されるとともに、複数の同心円の円周に沿って配置され、前記カーボンワイヤー発熱体は、前記長尺収容部の前記屈曲部の管内側部分と当接することに特徴を有する。
尚、前記長尺収容部において、前記屈曲部を介して繋がる直線部同士の交差角度は、１３５°以上１７０°以下であることが望ましい。
また、少なくとも１つの前記長尺収容部により多角円形が形成され、前記多角円形が複数の同心円状に配置されることが望ましい。
また、前記長尺収容部は、石英ガラス管であることが望ましく、或いは、前記長尺収容部は、石英ガラス板に形成された溝部であってもよい。

前記の構成によれば、カーボンワイヤー発熱体が発熱すると、長尺収容部の屈曲部と接触しやすいカーボンワイヤー発熱体の所定部位においてはカーボンワイヤーの劣化が進行するが、その他の部位においては劣化し難い状態となる。即ち、接触領域を限定的にすることにより、全体としてカーボンワイヤーの劣化進行を抑制することができる。
また、長尺収容部の直線部がカーボンワイヤー発熱体と接触しにくい構成であるため、カーボンワイヤー発熱体からの熱が長尺収容部に吸収されず、発熱体温度を維持して、効率よい輻射加熱を行うことができる。

本発明によれば、石英ガラスからなる長尺収容部にカーボンワイヤー発熱体が収容された面状ヒータにおいて、カーボンワイヤー発熱体と長尺収容部との接触領域を限定的にすることによりカーボンワイヤー発熱体の破断を抑制するとともに、効率よい輻射加熱が可能な面状ヒータを提供することができる。

図１は、本発明にかかる面状ヒータを模式的に示す平面図である。図２は、図１の面状ヒータの側面図である。図３は、図１の面状ヒータを下方から見た斜視図である。図４は、図１の面状ヒータが備えるヒータ部を一部拡大した平面図である。図５は、本発明に係る面状ヒータの変形例を示す側面図である。図６は、本発明に係る面状ヒータの他の変形例を示す断面図である。図７は、従来の面状ヒータの平面図である。図８は、従来の面状ヒータの他の形態を示す平面図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について図面に基づいて説明する。ここで、図１は、本発明にかかる面状ヒータを模式的に示す平面図であり、図２は、図１の面状ヒータの側面図、図３は図１の面状ヒータを下方から見た斜視図である。また、図４は、図１の面状ヒータが備えるヒータ部を一部拡大した平面図である。

尚、図１乃至図３に示すように、面状ヒータ１は、円盤状の支持台２を備える。図２において支持台２は、図示しない支柱によって支持される。この支持台２は、水冷機構を有している。
支持台２の下面（裏面）側において、その中央付近に複数の線状の端子部４（説明のために図２では４本のみ示し、図３では１０本のみ示すが、実際は後述のカーボンワイヤー発熱体Ｗの２倍の本数となる）が配線されている。また、前記複数の端子部４は束ねるように纏められている。

前記支持台２上にはヒータ部１０が設けられる。ヒータ部１０は、保護管としての石英ガラス管１１（長尺収容部）と、各石英ガラス管１１の中に不活性ガス（非酸化性雰囲気ガス）とともに封入されたカーボンワイヤー発熱体Ｗ（図４参照）とを有する。前記石英ガラス管１１は、図１、図４に示すように複数の直線部１１ａが屈曲部１１ｂにおいて屈曲しながら繋がった多角円形の弧状に形成されている。

また、前記石英ガラス管１１に収容されるカーボンワイヤー発熱体Ｗの基本構造は、直径２乃至１５μｍのカーボン繊維、例えば、直径７μｍのカーボン長繊維を約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、或いは組編形状に編み込んだ等のカーボンワイヤーが用いられる。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。

図１に示すように、前記支持台２上において、石英ガラス管１１は、例えば１〜４本が連なって同一平面上に１つの円（多角円形）を形成し、それらが複数（図では８つ）の同心円状に形成されている。
また、各石英ガラス管１１の内部に収容されたカーボンワイヤー発熱体Ｗの両端は、それぞれ前記端子部４に接続されている。
前記端子部４は、石英ガラス管の中にカーボンワイヤーからなる接続線（図示せず）が収容されてなり、前記接続線の一端は前記カーボンワイヤー発熱体Ｗに接続され、他端は図示しない金属の電源供給端子に接続されている。即ち、前記電源供給端子から前記接続線を介してカーボンワイヤー発熱体Ｗに通電することにより、カーボンワイヤー発熱体Ｗが発熱するようになっている。

また、前記したように石英ガラス管１１は、直線部１１ａと屈曲部１１ｂとを有する。図４に示すように石英ガラス管１１を、複数の直線部１１ａが屈曲部１１ｂを介して繋がる構成（多角円形状）とすることにより、屈曲部１１ｂの管内側部分にカーボンワイヤー発熱体Ｗの所定部位が当接し、直線部１１ａにはカーボンワイヤー発熱体Ｗが接触し難くなる。

前記石英ガラス管１１において、前記屈曲部１１ｂにおける両側の直線部１１ａの交差角度θは１３５°以上１７０°以下とされ、各直線部１１ａの長さＬは６０ｍｍ以上となされる。これは、前記交差角度θが１３５°未満の場合には、石英ガラス管１１における屈曲部１１ｂの管内側部分にカーボンワイヤー発熱体Ｗが強く接触し、石英ガラス管１１が温度上昇しやすくなり、カーボンワイヤー発熱体Ｗの反応が加速してしまうためである。さらに、前記交差角θが１３５°未満の場合には、面内にカーボンワイヤー発熱体を均一かつ密に配置することが難しく、被加熱対象に対し均一な加熱を行うことができない。
一方、前記交差角度θが１７０°を超える場合や各直線部１１ａの長さＬが６０ｃｍ未満の場合には、石英ガラス管１１とカーボンワイヤー発熱体Ｗとの接触領域が多くなるためである（図８に示した従来の構成と同じになる）。

以上のように構成された面状ヒータ１によれば、カーボンワイヤー発熱体Ｗが発熱すると、石英ガラス管１１の屈曲部１１ｂに接触するカーボンワイヤー発熱体Ｗの所定部位においてはカーボンワイヤーの劣化が進行するが、直線部１１ａに接触し難いその他の部位においては、カーボンワイヤーは劣化し難い状態となる。即ち、接触領域を限定的にすることにより、全体としてカーボンワイヤーの劣化進行を抑制することができる。
また、石英ガラス管１１の直線部１１ａはカーボンワイヤー発熱体Ｗと接触しにくい構成であるため、カーボンワイヤー発熱体Ｗからの熱が石英ガラス管１１に吸収されず、発熱体温度を維持して、効率よい輻射加熱を行うことができる。

尚、前記実施の形態においては、図２，図３のように支持台２の直下で複数の端子線４ｂを１つに束ねた構成としたが、金属からなる電源供給端子からの輻射加熱への影響を排除するために、図５に示すように支持台２から離した位置で１つに束ねるようにしてもよい（図５においては、説明のために端子線４ｂを６本のみ示すが、実際はカーボンワイヤー発熱体Ｗの２倍の本数となる）。

また、前記実施の形態においては、少なくとも１つの石英ガラス管１１により１つの円（多角円形）を形成し、それを複数の同心円状に配置した構成とした。
しかしながら、本発明にあっては、その構成に限定されるものではなく、石英ガラス管１１により略完全な円（多角円形）を形成しなくてもよく、複数の同心円の円周に沿って石英ガラス管１１を部分的に配置した構成でもよい。この場合、例えば、円周に沿って石英ガラス管１１が配置されない部分は、より径の大きい同心円側、或いは、より径の小さい同心円側に石英ガラス管１１を配置し、ヒータ全体として均一な輻射加熱ができるようにすればよい。

また、前記実施の形態においては、石英ガラスからなる長尺収容部として石英ガラス管１１を例に説明したが、本発明に係る面状ヒータにあっては、その形態に限定されるものではない。
例えば、図６（断面図）を示すように、支柱２４に支持された石英ガラス板状体２０内部にカーボンワイヤー発熱体Ｗを封入した構成としてもよい。この場合、例えば石英ガラス板状体２０を、順に積層された第１の石英ガラス体２０ａと、第２の石英ガラス体２０ｂと、第３の石英ガラス体２０ｃとにより形成し、第２の石英ガラス体２０ｂの上面に形成した溝部２１を長尺収容部として設ければよい。また、前記溝部２１は、複数の直線部が屈曲部を介して繋がる形状とし、溝部２１内にカーボンワイヤー発熱体Ｗを収容することによって、カーボンワイヤー発熱体Ｗと長尺収容部（石英ガラス）との接触を前記屈曲部に限定することができる。即ち、カーボンワイヤー発熱体Ｗと石英ガラスとの接触を起因とするカーボンワイヤーの破断を抑制し、ひいてはカーボンワイヤー発熱体Ｗの劣化、破断を抑制することができる。
尚、図６において、各カーボンワイヤー発熱体Ｗには、支柱２４内の接続線２３を介して通電される構成となっている。

本発明に係る面状ヒータについて、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に示した面状ヒータを用いてカーボンワイヤー発熱体の断線実験を行い、本発明の効果について検証した。

（実施例１）
実施例１では、図１乃至図４に示した本発明の構成の面状ヒータを用い、３３Ａの電流を印加してカーボンワイヤー発熱体が断線するまでの時間を測定した。尚、石英ガラス管における屈曲部を介した直線部同士の交差角度を１５０°、直線部の長さを７０ｍｍとした。

（実施例２）
実施例２では、ヒータ部の石英ガラス管において屈曲部を介した直線部同士の交差角度を１１０°とした。その他の条件は実施例１と同じである。

（実施例３）
実施例３では、ヒータ部の石英ガラス管において屈曲部を介した直線部同士の交差角度を１３５°とした。その他の条件は実施例１と同じである。

（実施例４）
実施例４では、ヒータ部の石英ガラス管において屈曲部を介した直線部同士の交差角度を１７０°とした。その他の条件は実施例１と同じである。

（実施例５）
実施例５では、ヒータ部の石英ガラス管において屈曲部を介した直線部同士の交差角度を１７５°とした。その他の条件は実施例１と同じである。

（比較例１）
比較例１では、図９に示したようにカーボンワイヤー発熱体を円弧状の石英ガラス管に沿って湾曲させた面状ヒータを用い、３３Ａの電流を印加してカーボンワイヤー発熱体が断線するまでの時間を測定した。

この実験の結果を表１に示す。表１に示すように、カーボンワイヤー発熱体が断線するまでの時間は、石英ガラス管の直線部同士の交差角が１３５°以上１７０°以下の範囲（実施例１、３、４）において長くなり、それ以外の範囲（実施例２、５）、及び比較例１では短い結果となった。
交差角が１１０°であると、屈曲部においてカーボンワイヤー発熱体と石英ガラス管とが強く接触しているため、石英ガラス管が温度上昇し、カーボンワイヤー発熱体との反応が加速してカーボンワイヤー発熱体の断線が早まるものと考えられた。
また、交差角が１７５°であると、ほぼ円形であるため石英ガラス管とカーボンワイヤー発熱体との接触領域が多くなり、石英ガラス管が温度上昇し、カーボンワイヤー発熱体との反応が加速してカーボンワイヤー発熱体の断線が早まるものと考えられた。

以上の実施例の結果から、本発明にかかる面状ヒータによれば、カーボンワイヤー発熱体と石英ガラスからなる長尺収容部との接触領域を限定的にすることによりカーボンワイヤー発熱体の破断を抑制することができることを確認した。

１面状ヒータ
２支持台
３支柱
４端子部
５ガラス
１０ヒータ部
１１石英ガラス管（長尺収容部）
１１ａ直線部
１１ｂ屈曲部
２１溝部（長尺収容部）
Ｗカーボンワイヤー発熱体

Claims

カーボンワイヤー発熱体が石英ガラスからなる、直線部と屈曲部を有する長尺収容部に収容され、複数の前記長尺収容部が同一平面上に配置されるとともに、前記カーボンワイヤー発熱体に通電されることにより発熱する面状ヒータであって、
前記複数の長尺収容部は、それぞれ複数の直線部が屈曲部を介して繋がる多角円形の弧状に形成されるとともに、複数の同心円の円周に沿って配置され、
前記カーボンワイヤー発熱体は、前記長尺収容部の前記屈曲部の管内側部分と当接することを特徴とする面状ヒータ。
前記長尺収容部において、前記屈曲部を介して繋がる直線部同士の交差角度は、１３５°以上１７０°以下であることを特徴とする請求項１に記載された面状ヒータ。
少なくとも１つの前記長尺収容部により多角円形が形成され、前記多角円形が複数の同心円状に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された面状ヒータ。
前記長尺収容部は、石英ガラス管であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された面状ヒータ。
前記長尺収容部は、石英ガラス板に形成された溝部であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された面状ヒータ。