JP6957417B2

JP6957417B2 - ヒータ

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Publication number: JP6957417B2
Application number: JP2018123165A
Authority: JP
Inventors: 良彦木佐木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2038-06-28
Also published as: JP2020004608A

Description

本開示は、例えば半導体チップ用のヒータに関するものである。

ヒータとして、先行技術文献１に示すヒータ装置が知られている。ヒータ装置は、発熱体である熱盤と、熱盤の一方の主面に個別に固定される複数枚のセラミックパネルとを有している。複数枚のセラミックパネルは、ヒータ装置の外周面に露出する部分と、外周面に露出しない部分とを有している。このようなヒータ装置は、均熱性が求められている。

特開２０１０−０７３５８４号公報

このようなヒータ装置においては、複数のセラミックパネルのうち外周面に露出しない部分を固定するために、固定ネジが用いられていた。そのため、固定ネジを設けた部分において、固定ネジから熱引きが生じるおそれがあった。その結果、ヒータ装置の均熱性を高めることが困難であった。

本開示の一例のヒータは、一方の主面が加熱面であって、内部に発熱抵抗体を有する板状のセラミック体と、主面と側面とを有する板状の部材であって、一方の主面が前記セラミック体の他方の主面に接する第１絶縁部材と、主面と側面とを有する板状の部材であって、一方の主面が前記セラミック体の他方の主面に接しており、前記第１絶縁部材の側面の全体を囲む第２絶縁部材と、前記第１絶縁部材および前記第２絶縁部材の他方の主面に対して一方の主面が接する板状の支持体と、前記第２絶縁部材を前記セラミック体および前記支持体に固定する固定部材とを備えており、前記第１絶縁部材および前記第２絶縁部材の主面には、前記第１絶縁部材から前記第２絶縁部材にかけて伸びる第１溝部が設けられており、該第１溝部には、前記第１絶縁部材から前記第２絶縁部材にかけて、前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材とを固定する固定金具が設けられていることを特徴とする。

本開示の別の例のヒータは、一方の主面が加熱面であって、内部に発熱抵抗体を有する板状のセラミック体と、主面と側面とを有する板状の部材であって、一方の主面が前記セラミック体の他方の主面に接する第１絶縁部材と、主面と側面とを有する板状の部材であって、一方の主面が前記セラミック体の他方の主面に接しており、前記第１絶縁部材の側面の全体を囲む第２絶縁部材と、前記第１絶縁部材および前記第２絶縁部材の他方の主面に対して一方の主面が接する板状の支持体と、前記第２絶縁部材を前記セラミック体および前記支持体に固定する固定部材とを備えており、前記第１絶縁部材および前記第２絶縁部材には、前記第１絶縁部材から前記第２絶縁部材にかけて孔部が設けられており、該孔部には、前記第１絶縁部材から前記第２絶縁部材にかけて、前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材とを固定する固定金具が設けられていることを特徴とする。

本開示のヒータによれば、加熱面の均熱性を高めることができる。

本開示のヒータの一例を示す斜視図である。本開示のヒータの別の例を示す横断面図である。本開示のヒータの別の例を示す縦断面図である。本開示のヒータの別の例を示す縦断面図である。本開示のヒータの別の例を示す縦断面図である。本開示のヒータの別の例を示す縦断面図である。本開示のヒータの別の例を示す縦断面図である。本開示のヒータの別の例を示す縦断面図である。本開示のヒータの別の例を示す横断面図である。本開示のヒータの別の例を示す横断面図である。本開示のヒータの別の例を示す縦断面図である。

以下、本開示のヒータ１０の一例について図面を参照して説明する。

図１に示す様に、ヒータ１０は、内部に発熱抵抗体２を有する板状のセラミック体１と、第１絶縁部材３と、第１絶縁部材３の側面の全体を囲む第２絶縁部材４と、板状の支持体５と、第２絶縁部材４をセラミック体１および支持体５に固定する固定部材６とを備えている。

セラミック体１は加熱面１１において対象を加熱する部材である。セラミック体１は、板状の部材であって、例えば角板状または円板状である。セラミック体１は、内部に発熱抵抗体２を有している。セラミック体１は、一方の主面および他方の主面を有しており、一方の主面が加熱面１１となっている。

セラミック体１は、例えば酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミック材料からなる。セラミック体１は、例えば窒化珪素質セラミックスであってもよい。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が強度、靱性、絶縁性および耐熱性が高いため、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。セラミック体１の寸法は、例えばセラミック体１が角板状のときは、厚みを０．５〜１０ｍｍに、幅を１０〜３００ｍｍに、長さを１０〜３００ｍｍにすることができる。

なお、セラミック体１として窒化珪素質セラミックスを用い、さらに後述する発熱抵抗体２としてＭｏまたはＷ等の化合物を用いる場合には、セラミック体１が、さらにＭｏＳｉ_２またはＷＳｉ_２等を含んでいてもよい。導電層および発熱抵抗体２に用いる金属の珪化物をセラミック体１に分散していることによって、セラミック体１の熱膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近づけることができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を向上させることができる。

発熱抵抗体２は、電流が流れることによって発熱する部材である。発熱抵抗体２は、セラミック体１の内部に設けられている。これにより、発熱抵抗体２が酸化するおそれを低減できる。発熱抵抗体２に電圧が加えられることによって電流が流れ、発熱抵抗体２が発熱する。この発熱によって生じた熱がセラミック体１の内部を伝わって、セラミック体１の加熱面１１が高温になる。そして、セラミック体１の加熱面１１から被加熱物に対して熱が伝わることによって、ヒータ１０が機能する。

発熱抵抗体２は、例えば、Ｗ、ＭｏまたはＴｉ等の炭化物、窒化物または珪化物等を含んでいてもよい。セラミック体１が窒化珪素質セラミックスから成る場合には、発熱抵抗体２の主成分が炭化タングステンにすることができる。これにより、セラミック体１の熱
膨張率と発熱抵抗体２の熱膨張率とを近づけることができる。そのため、ヒートサイクル下において、セラミック体１に生じる熱応力を低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。

さらに、セラミック体１が窒化珪素質セラミックスからなる場合には、発熱抵抗体２は、炭化タングステンを主成分とするとともに、窒化珪素が２０質量％以上添加されていてもよい。発熱抵抗体２に窒化珪素を添加することによって、発熱抵抗体２の熱膨張率とセラミック体１の熱膨張率とを近づけることができる。これにより、ヒータ１０の昇温時または降温時に発熱抵抗体２とセラミック体１との熱膨張差によって生じる熱応力を低減することができる。

発熱抵抗体２の寸法は、例えば幅を０．０５〜５ｍｍに、厚みを０．０３〜０．２ｍｍにすることができる。発熱抵抗体２は、複数の折り返し部を有していてもよい。発熱抵抗体２は、例えばセラミック体１の側面に引き出されており、外部装置等に電気的に接続されていてもよい。

第１絶縁部材３および第２絶縁部材４は、発熱抵抗体２で生じた熱を断熱するための部材である。第１絶縁部材３および第２絶縁部材４は、主面と側面とを有する板状の部材である。第１絶縁部材３および第２絶縁部材４は、一方の主面がセラミック体１の他方の主面に接して位置している。

図２に示すように、第２絶縁部材４は、横断面を見たときに第１絶縁部材３の側面の全体を囲っている。これにより、ヒータ１０の中央近傍に位置する第１絶縁部材３と、ヒータ１０の外縁に位置する第２絶縁部材４とを分離することができる。これにより、第１絶縁部材３と第２絶縁部材４とが一体となっている場合と比較して、第１絶縁部材３または第２絶縁部材４が熱応力により破損するおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。

第１絶縁部材３および第２絶縁部材４は、例えばアルミナまたはガラス等の絶縁材料からなる。また、第１絶縁部材３および第２絶縁部材４は断熱性の材料にすることができる。第１絶縁部材３および第２絶縁部材４は、主成分が同じ材料であってもよいし、主成分が異なる材料であってもよい。第１絶縁部材３の寸法は、例えば厚みを０．５〜１０ｍｍに、面積を５０〜１００００ｍｍ^２にすることができる。第２絶縁部材４の寸法は、例えば厚みを０．５〜１０ｍｍに、面積を２００〜８００００ｍｍ^２にすることができる。第２絶縁部材４は、例えば図９および図１０に示すように、複数の部位に分かれていてもよい。第２絶縁部材４は、例えば２〜８個に分かれていてもよい。このときに、第２絶縁部材４は、第１絶縁部材３の側面の全体を完全に囲っていなくてもよく、隙間があってもよい。

支持体５は、後述する固定部材６とともに、セラミック体１と第２絶縁部材４とを固定するための部材である。支持体５は、板状の部材であって、例えば角板状または円板状である。支持体５は、一方の主面および他方の主面を有しており、一方の主面が第１絶縁部材３および第２絶縁部材４の他方の主面に接して位置している。

支持体５は、例えばアルミナ、窒化ケイ素またはステンレス等の部材からなる。支持体５の寸法は、例えば支持体５が角板状のときは、厚みを０．３〜１０ｍｍに、幅を１０〜３００ｍｍに、長さを１０〜３００ｍｍにすることができる。

固定部材６は、第２絶縁部材４をセラミック体１および支持体５に固定するための部材である。固定部材６は、例えば棒状の部材である。固定部材６は、例えばねじ等のピン状
の部材であって、セラミック体１と第２絶縁部材４と支持体５とを貫通して固定していてもよい。また、固定部材６は、例えばコの字状の金具であって、セラミック体１と第２絶縁部材４と支持体５とを貫通せずに固定していてもよい。これにより、セラミック体１の内部において発熱抵抗体２を広範囲に設けることができる。その結果、加熱面１１の均熱性を高めることができる。

固定部材６は、例えばステンレスまたはニッケル等の部材からなる。固定部材６は、例えば２〜２０個設けられていてもよい。固定部材６は、セラミック体１の外縁部分に位置していてもよい。これにより、セラミック体１の内部において発熱抵抗体２を広範囲に設けることができる。その結果、加熱面１１の均熱性を高めることができる。

本開示の一例のヒータ１０によれば、図２および図３に示すように、第１絶縁部材３および第２絶縁部材４の主面には、第１絶縁部材３から第２絶縁部材４にかけて伸びる第１溝部７が設けられており、第１溝部７には、第１絶縁部材３から第２絶縁部材４にかけて、第１絶縁部材３と第２絶縁部材４とを固定する固定金具８が設けられている。これにより、第１絶縁部材３が、第１溝部７が伸びる方向に対して交わる方向に移動しようとしたときに、固定金具８が第１溝部７に引っかかることにより、第１絶縁部材３を固定することができる。そのため、固定部材６を用いずに、第１絶縁部材３を固定することができる。その結果、加熱面１１の均熱性を高めることができる。

第１溝部７は、例えば深さを０．５〜４ｍｍに、長さを１〜２０ｍｍにすることができる。第１溝部７は、例えば図１０および図１１に示すように第１絶縁部材３の中心から第２絶縁部材４の側面にかけて設けられていてもよい。

ここで、固定金具８は、例えば長手方向を有する棒状または線状の部材である。固定金具８は、例えば白金、またはＮｉ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金等の部材からなる。固定金具８の寸法は、例えば長さを５〜１００ｍｍにすることができる。

また、第１絶縁部材３と第２絶縁部材４とが密着することによって第１溝部７が連続していてもよいし、図２〜７および図９〜１１に示すように、第１絶縁部材３と第２絶縁部材４との間に少し隙間があってもよい。また、第１溝部７は、第１絶縁部材３と第２絶縁部材４とで、縁が連続していなくてもよい。第１溝部７の縁は、第１絶縁部材３から第２絶縁部材４にかけて固定金具８を設けることができる程度にずれていてもよいものとする。

なお、ここでいう「第１絶縁部材３から第２絶縁部材４にかけて」とは、製法（第１溝部７を設ける方向）を限定するものではない。第２絶縁部材４から第１絶縁部材３にかけて溝部が形成されていてもよい。

第１溝部７は、図３（ａ）に示すように、第１絶縁部材３の他方の主面と第２絶縁部材４の他方の主面とに設けられていてもよいし、図３（ｂ）に示すように、第１絶縁部材３の一方の主面と第２絶縁部材４の一の主面とに設けられていてもよい。第１溝部７が、第１絶縁部材３の一方の主面と第２絶縁部材４の一方の主面とに設けられていている場合は、固定金具８と発熱抵抗体２との距離を近づけることができる。そのため、固定金具８が第１溝部７において熱膨張することにより、固定金具８が第１溝部７を埋め、第１絶縁部材３と第２絶縁部材４とを強固に固定することができる。

また、図４に示すように、セラミック体１の他方の主面には、第１溝部７に繋がる凹部１２が設けられており、固定金具８は、凹部１２に入り込んでいてもよい。これにより、第１絶縁部材３が、第１溝部７が伸びる方向に向かって移動しようとしたときに、固定金
具８が凹部１２に引っかかることにより、第１絶縁部材３を固定することができる。その結果、加熱面１１の均熱性を高めることができる。

凹部１２は、例えば深さを０．５〜４ｍｍに、幅を０．５〜８ｍｍにすることができる。凹部１２は、例えばセラミック体１の他方の主面のうち、中心近傍に設けられていてもよい。

また、図５に示すように、セラミック体１の他方の主面には、第１溝部７に沿って重なる第２溝部１３が設けられており、固定金具８は、第１溝部７と第２溝部１３とに位置していてもよい。これにより、第１絶縁部材３が、第１溝部７が伸びる方向に対して交わる方向に移動し、固定金具８が第１溝部７および第２溝部１３に引っかかったときに生じる応力を、第１溝部７および第２溝部１３に分散させることができる。そのため、固定金具８が破損するおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。

第２溝部１３は、例えば深さを０．５〜４ｍｍに、長さを１〜２０ｍｍにすることができる。第２溝部１３は、例えばセラミック体１の他方の主面のうち、中心から側面にかけて設けられていてもよい。

なお、図１１に示すように、セラミック体１の他方の主面には、凹部１２と第２溝部１３が設けられており、これらが繋がっていてもよい。

また、図６に示すように、固定金具８は、長さ方向を有する複数の部材であって、それぞれが隣り合って並んでいることを特徴とする。これにより、第１絶縁部材３が、第１溝部７が伸びる方向に対して交わる方向に移動し、固定金具８が第１溝部７に引っかかったときに生じる応力を、複数の部材のそれぞれに分散させることができる。そのため、固定金具８が破損するおそれを低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。

また、図７に示すように、固定金具８は、第１絶縁部材３、第２絶縁部材４および固定金具８よりも弾性率が小さい被覆膜９によって覆われていてもよい。これにより、第１絶縁部材３が、第１溝部７が伸びる方向に対して交わる方向に移動したときに、固定金具８が第１溝部７に引っかかったときに被覆膜９が変形することができる。そのため、固定金具８に生じる応力を低減することができる。その結果、ヒータ１０の耐久性を高めることができる。

被覆膜９は、例えばガラス、ガラス繊維、またはフッ素系樹脂等の部材からなる。例えば被覆膜９がフッ素系樹脂からなり、第１絶縁部材３がアルミナからなり、第２絶縁部材４がアルミナからなり、固定金具８がＮｉ合金からなる場合においては、被覆膜９のヤング率を０．５ＧＰａに、第１絶縁部材３のヤング率を３００ＧＰａに、第２絶縁部材４のヤング率を３００ＧＰａに、固定金具８のヤング率を１５０ＧＰａにすることができる。

また、固定金具８は、熱電対であってもよい。これにより、ヒータ１０の耐久性を高めつつ、ヒータ１０中心近傍の温度を測定することができる。具体的には、固定金具８は、２つの種類が異なる金属線が回路を形成するものであり、電位差により温度を測定する機能を有していてもよい。

また、本開示の別の例のヒータ１０によれば、図８に示すように、第１絶縁部材３および第２絶縁部材４には、第１絶縁部材３から第２絶縁部材４にかけて孔部７１が設けられており、孔部７１には、第１絶縁部材３から第２絶縁部材４にかけて、第１絶縁部材３と
第２絶縁部材４とを固定する固定金具８が設けられていてもよい。これにより、第１絶縁部材３が移動しようとしたときに、固定金具８が孔部７１に引っかかることにより、第１絶縁部材３を固定することができる。そのため、固定部材６を用いずに、第１絶縁部材３を固定することができる。その結果、加熱面１１の均熱性を高めることができる。

孔部７１は、第１絶縁部材３と第２絶縁部材４とが密着することによって連続していてもよいし、図８に示すように、第１絶縁部材３と第２絶縁部材４との間に少し隙間があってもよい。また、孔部７１は、第１絶縁部材３と第２絶縁部材４とで、縁が連続するように位置していなくてもよい。孔部７１の縁は、第１絶縁部材３から第２絶縁部材４にかけて固定金具８を設けることができる程度にずれていてもよいものとする。

なお、ここでいう「第１絶縁部材３から第２絶縁部材４にかけて」とは、製法（孔部７１を設ける方向）を限定するものではない。第２絶縁部材４から第１絶縁部材３にかけて孔部７１が形成されていてもよい。

１：セラミック体
１１：加熱面
１２：凹部
１３：第２溝部
２：発熱抵抗体
３：第１絶縁部材
４：第２絶縁部材
５：支持体
６：固定部材
７：第１溝部
７１：孔部
８：固定金具
９：被覆膜
１０：ヒータ

Claims

一方の主面が加熱面であって、内部に発熱抵抗体を有する板状のセラミック体と、
主面と側面とを有する板状の部材であって、一方の主面が前記セラミック体の他方の主面に接する第１絶縁部材と、
主面と側面とを有する板状の部材であって、一方の主面が前記セラミック体の他方の主面に接しており、前記第１絶縁部材の側面の全体を囲む第２絶縁部材と、
前記第１絶縁部材および前記第２絶縁部材の他方の主面に対して一方の主面が接する板状の支持体と、
前記第２絶縁部材を前記セラミック体および前記支持体に固定する固定部材とを備えており、
前記第１絶縁部材および前記第２絶縁部材の主面には、前記第１絶縁部材から前記第２絶縁部材にかけて伸びる第１溝部が設けられており、
該第１溝部には、前記第１絶縁部材から前記第２絶縁部材にかけて、前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材とを固定する固定金具が設けられていることを特徴とするヒータ。
前記第１溝部は、前記第１絶縁部材の一方の主面と前記第２絶縁部材の一方の主面とに設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
前記セラミック体の他方の主面には、前記第１溝部に繋がる凹部が設けられており、
前記固定金具は、前記凹部に入り込んでいることを特徴とする請求項２に記載のヒータ。
前記セラミック体の他方の主面には、前記第１溝部に沿って重なる第２溝部が設けられており、
前記固定金具は、前記第１溝部と前記第２溝部とに位置していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のヒータ。
前記固定金具は、長さ方向を有する複数の部材であって、それぞれが隣り合って並んでいることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。
前記固定金具は、前記第１絶縁部材、前記第２絶縁部材および前記固定金具よりも弾性率が小さい被覆膜によって覆われていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のヒータ。
前記固定金具は、熱電対であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒータ。
一方の主面が加熱面であって、内部に発熱抵抗体を有する板状のセラミック体と、
主面と側面とを有する板状の部材であって、一方の主面が前記セラミック体の他方の主面に接する第１絶縁部材と、
主面と側面とを有する板状の部材であって、一方の主面が前記セラミック体の他方の主面に接しており、前記第１絶縁部材の側面の全体を囲む第２絶縁部材と、
前記第１絶縁部材および前記第２絶縁部材の他方の主面に対して一方の主面が接する板状の支持体と、
前記第２絶縁部材を前記セラミック体および前記支持体に固定する固定部材とを備えており、
前記第１絶縁部材および前記第２絶縁部材には、前記第１絶縁部材から前記第２絶縁部材にかけて孔部が設けられており、
該孔部には、前記第１絶縁部材から前記第２絶縁部材にかけて、前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材とを固定する固定金具が設けられていることを特徴とするヒータ。