JP7427517B2

JP7427517B2 - ヒータ

Info

Publication number: JP7427517B2
Application number: JP2020078513A
Authority: JP
Inventors: 善裕大川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2020-04-27
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2024-02-05
Anticipated expiration: 2040-04-27
Also published as: JP2021174702A

Description

本開示は、ヒータに関する。

従来、半導体製造装置などに用いられるヒータが知られている。このようなヒータとして、たとえば、セラミックスからなる円板状の基体と、基体に埋設されるコイルとを有するヒータが知られている（特許文献１参照）。コイルは、たとえば、抵抗発熱体からなる線材がコイル軸の周りに螺旋状に巻き回されて構成され、コイル軸が基体の主面に沿って渦巻状またはミアンダ状に延びるように基体内に配置される。

特開２００４－００６２４２号公報

上述した従来技術には、耐久性を向上させるという点で更なる改善の余地がある。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、耐久性を向上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。

本開示の一態様によるヒータは、加熱面を有する絶縁性の基体と、基体の内部に位置し、ミアンダ形状を有する仮想的な軸に沿って延在する線材を含む抵抗発熱体とを有する。また、線材は、加熱面と直交する面で切断した場合に基体の断面に表れる複数の軸の位置が、加熱面と直交する方向において不均一である。

本開示によれば、耐久性を向上させることができる。

図１は、実施形態に係るヒータの構成を示す模式的な斜視図である。図２は、図１に示すＩＩ－ＩＩ線における模式的な断面図である。図３は、基体の上方から第１抵抗発熱体を見た平面透視図である。図４は、実施形態に係る複数の第２抵抗発熱体の加熱領域を模式的に示した図である。図５は、実施形態に係る第２抵抗発熱体における線材と線材軸との関係を説明するための図である。図６は、基体の上方から複数の第２抵抗発熱体を見た平面透視図である。図７は、図６に示すＶＩＩ－ＶＩＩ線矢視断面図である。図８は、図７に示すＶＩＩＩ部の拡大図である。図９は、１つの第２抵抗発熱体における、基体の断面に表れる線材の複数の切断面の位置関係の例を示した図である。図１０は、１つの第２抵抗発熱体における、基体の断面に表れる線材の複数の切断面の位置関係の例を示した図である。図１１は、１つの第２抵抗発熱体における、基体の断面に表れる線材の複数の切断面の位置関係の例を示した図である。図１２は、１つの第２抵抗発熱体における、基体の断面に表れる線材の複数の切断面の位置関係の例を示した図である。図１３は、第２抵抗発熱体における線材軸の一部を示す拡大図である。図１４は、Ｘ１断面の形状およびＸ２断面の形状の組み合わせの例を示す図である。図１５は、２つの第２抵抗発熱体の線材軸の一部を示す拡大図である。図１６は、図１５に示すＸＶＩ－ＸＶＩ線矢視における断面図である。図１７は、変形例に係る第２抵抗発熱体の平面透視図である。図１８は、変形例に係る第２抵抗発熱体の側面透視図である。図１９は、コイル軸に沿った方向に第２抵抗発熱体を投影した投影図である。図２０は、線材の断面形状の他の例を示す模式的な断面図である。図２１は、図２０に示すＸＸＩ部の拡大図である。

以下に、本開示によるヒータを実施するための形態（以下、「実施形態」と記載する）について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示によるヒータが限定されるものではない。また、各実施形態は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。また、以下の各実施形態において同一の部位には同一の符号を付し、重複する説明は省略される。

また、以下に示す実施形態では、「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」といった表現が用いられる場合があるが、これらの表現は、厳密に「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」であることを要しない。すなわち、上記した各表現は、たとえば製造精度、設置精度などのずれを許容するものとする。

また、以下参照する各図面では、説明を分かりやすくするために、互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向を規定し、Ｚ軸正方向を鉛直上向き方向とする直交座標系を示す場合がある。

また、以下で参照する各図は、説明の便宜上の模式的なものである。したがって、細部は省略されることがあり、また、寸法比率は必ずしも現実のものとは一致していない。

（ヒータの構成について）
まず、実施形態に係るヒータの構成について図１および図２を参照して説明する。図１は、実施形態に係るヒータの構成を示す模式的な斜視図である。また、図２は、図１に示すＩＩ－ＩＩ線における模式的な断面図である。図２では、図１に示すパイプ７および複数の配線部材９を省略して示している。また、図２では、第１抵抗発熱体５および複数の第２抵抗発熱体６の端子１３も省略して示している。

図１および図２に示すように、実施形態に係るヒータ１は、たとえば、円板状の基体３と、基体３の内部に位置する第１抵抗発熱体５および複数の第２抵抗発熱体６と、基体３の下面３２から下方へ延びるパイプ７と、パイプ７内に挿通されている複数の配線部材９とを有する。

基体３は、加熱対象物の一例としてのウエハ（不図示）が載置される上面３１（加熱面の一例に相当）を有する。第１抵抗発熱体５および複数の第２抵抗発熱体６は、通電によって発熱する。

基体３の内部において、第１抵抗発熱体５は基体３の下面３２側に配置され、複数の抵抗発熱体６は基体３の上面３１側に配置される。言い換えれば、複数の抵抗発熱体６は、第１抵抗発熱体５と加熱面である基体３の上面３１との間に位置する。

パイプ７は、たとえば、基体３を下方から支持する。また、パイプ７は、内部に挿通される複数の配線部材９を保護する。

複数の配線部材９は、第１抵抗発熱体５および複数の第２抵抗発熱体６に後述する端子１３（図３および図５参照）を介して電気的に接続され、端子１３を介して第１抵抗発熱体５および複数の第２抵抗発熱体６に電力を供給する。後述する端子１３は、各抵抗発熱体５，６の両端に１つずつ設けられており、各抵抗発熱体５，６には、両端に設けられた２つの端子１３を介して２つの配線部材９が接続される。

上記のように構成されたヒータ１は、配線部材９および端子１３を介した通電によって第１抵抗発熱体５を発熱させることによって加熱面である基体３の上面３１を加熱する。後述するように、第１抵抗発熱体５は、基体３の上面３１に対して全体的に広がっている。したがって、第１抵抗発熱体５を発熱させることにより、上面３１に載置されたウエハを全体的に加熱することができる。

また、ヒータ１は、配線部材９および端子１３を介した通電によって第２抵抗発熱体６を発熱させることによって加熱面である基体３の上面３１を加熱する。後述するように、個々の第２抵抗発熱体６は、基体３の上面３１における一部の領域をカバーしている。このため、第２抵抗発熱体６を発熱させた場合、当該第２抵抗発熱体６がカバーする上面３１の一部の領域のみが加熱されることとなる。したがって、第１抵抗発熱体５と第２抵抗発熱体６とを併用することにより、第１抵抗発熱体５によって基体３の上面３１を全体的に加熱させつつ、第２抵抗発熱体６を用いて局所的な温度制御を行うことが可能となる。

なお、ヒータ１は、用途によっては、基体３の厚み（Ｚ軸方向の幅）を薄くすることが望まれる場合がある。これは、たとえば、基体３を薄くするほどヒータ１全体の熱容量がさくなり、発熱効率が高まるためである。また、基体３を薄くするほど昇温・降温の応答が早まり、温度制御の容易性が高まるためである。ここで、第２抵抗発熱体６は、加熱温度の微調整に用いられるものであり、第１抵抗発熱体５と比べて発熱量は少なくてよい。そこで、図２に示すように、第２抵抗発熱体６の線材の径は、第１抵抗発熱体５の線材よりも径小さくてもよい。これにより、第１抵抗発熱体５の線材と同径のものを使用する場合と比べて、基体３の厚みを薄くすることができる。

（基体について）
基体３の上面３１は、概ね平面である。基体３の平面形状及び各種の寸法は、加熱対象物の形状および寸法等を考慮して適宜に設定されてよい。たとえば、実施形態では、基体３の平面形状が円形である場合を例に挙げて説明するが、基体３の平面形状は、四角形等の多角形状であってもよい。

基体３は、たとえばセラミックスからなり、絶縁性を有する。基体３を構成するセラミックスは、たとえば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３、アルミナ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等を主成分とする焼結体である。なお、主成分は、たとえば、その材料の５０質量％以上または８０質量％以上を占める材料である（以下、同様。）なお、基体３の主成分が窒化アルミニウムである場合、基体３は、イットリウム（Ｙ）の化合物を含んでいてもよい。Ｙ化合物としては、たとえば、ＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）およびＹ_２Ｏ_３を挙げることができる。

（パイプについて）
パイプ７は、上下が開口した中空状の部材である。パイプ７の形状は適宜に設定されてよい。たとえば、実施形態では、パイプ７が、径が一定の円筒形状を有する場合を例に挙げて説明するが、パイプ７の径は必ずしも一定であることを要しない。また、パイプ７には、冷媒またはパージガスが流れる流路が形成されてもよい。

パイプ７は、セラミックス等の絶縁材料から構成されてもよいし、金属等の導電材料から構成されてもよい。パイプ７を構成するセラミックスは、たとえば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３、アルミナ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等を主成分とする焼結体である。

（配線部材について）
配線部材９は、パイプ７の内部に挿通されている。基体３の下面３２には、端子１３が露出しており、配線部材９は、その一端が後述する端子１３に接続される。

配線部材９は、たとえば、可撓性の電線であってもよいし、可撓性を有さないロッド状のものであってもよい。

（端子について）
複数の端子１３は、たとえば、第１抵抗発熱体５および複数の第２抵抗発熱体６の長さ方向両端に接続されている。端子１３は、基体３の厚み方向（厚み方向）に延在しており、基体３の下面３２から露出している。これにおり、基体３の外部から第１抵抗発熱体５および複数の第２抵抗発熱体６へ電力を供給可能となっている。複数の端子１３は、たとえば、基体３の中央部に位置している。

（第１抵抗発熱体について）
次に、第１抵抗発熱体５の構成について図３を参照して説明する。図３は、基体３の上方から第１抵抗発熱体５を見た平面透視図である。図３では、複数の第２抵抗発熱体６を省略して示している。

図３に示すように、第１抵抗発熱体５は、たとえば１本の細長い線材５０を有しており、かかる線材５０がコイル軸１００の回りに螺旋状に巻き回されることによって構成されるコイルである。コイル軸１００は、仮想的な軸であり、所定のパターンを描きながら基体３の上面３１に沿って（たとえば、上面３１と平行に）延在している。図示の例において、コイル軸１００は、基体３を半円状に２分割した各領域において、円周方向に往復するように所謂ミアンダ状に延びている。

具体的には、コイル軸１００は、円周の一部が途切れた欠円状に湾曲するとともに互いに並列（たとえば平行）に延びている複数の延伸部１１０と、互いに隣り合う２つの延伸部１１０の一方から他方への折り返し部分を構成している複数の折り返し部１２０とを有している。言い換えれば、延伸部１１０は、２つの折り返し部１２０を繋ぐ部分である。

線材５０は、電流が流れることによって熱を生じる金属等の導体である。線材５０を構成する導体は、適宜に選択されてよく、たとえば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、プラチナ（Ｐｔ）、インジウム（Ｉｎ）またはこれらを主成分とする合金である。また、線材５０は、上記金属を含む導電ペーストを焼成して得られるものであってもよい。すなわち、線材５０は、ガラス粉末および／またはセラミックス粉末等の添加剤を含むものであってもよい。

基体３を構成する材料は、第１抵抗発熱体５の全体を覆っているとともに第１抵抗発熱体５の内側にも充填されており、ひいては、線材５０の外周面の全面に接している。

なお、本明細書では、コイル軸１００の他に、線材軸の用語が用いられる場合がある。これは、たとえば、第１抵抗発熱体５に直交する断面という場合に、第１抵抗発熱体５の経路すなわちコイル軸１００に直交する断面、および、線材５０の経路すなわち線材軸２００に直交する断面のいずれであるかを明確にするためである。コイル軸１００の位置は、第１抵抗発熱体５の形状等から合理的に判断されてよく、線材軸２００の位置は、線材５０の形状等から合理的に判断されてよい。

平面透視において、コイル軸１００の回りに螺旋状に巻き回されている線材５０は、コイル軸１００を基準として振動する波形状をなしている。実施形態において、第１抵抗発熱体５は、基体３に対して１つのみ設けられており、コイル軸１００は、その一端から他端まで自己に対して交差することなく延びている。

（第２抵抗発熱体について）
次に、複数の第２抵抗発熱体６の構成について図４～図６を参照して説明する。図４は、実施形態に係る複数の第２抵抗発熱体６の加熱領域を模式的に示した図である。図５は、実施形態に係る第２抵抗発熱体６における線材と線材軸との関係を説明するための図である。図６は、基体３の上方から複数の第２抵抗発熱体６を見た平面透視図である。図６には、第２抵抗発熱体６が有する線材６０の中心軸２００を示しており、線材６０自体の図示を省略している。

図４に示すように、加熱面である基体３の上面３１は、たとえば６つの個別加熱領域３１ａ～３１ｆを有する。各個別加熱領域３１ａ～３１ｆは、複数の第２抵抗発熱体６の各々に対応している。すなわち、実施形態に係るヒータ１は、６つの第２抵抗発熱体６を有しており、各第２抵抗発熱体６は、基体３の内部において、対応する個別加熱領域３１ａ～３１ｆの直下に位置する。

図５に示すように、実施形態に係る第２抵抗発熱体６は、線材６０を有する。本実施形態において線材６０は、第１抵抗発熱体５の線材５０と異なりコイル形状を有していない。図６に示すように、実施形態に係る第２抵抗発熱体６は、線材６０の線材軸２００自体がミアンダ形状を有している。線材６０の線材軸２００は、線材６０に内包される仮想的な軸である。具体的には、線材軸２００は、線材６０の中心軸に相当する。

各第２抵抗発熱体６の線材軸２００は、円周の一部が途切れた欠円状に湾曲するとともに互いに並列（たとえば平行）に延びている複数の延伸部２１０と、互いに隣り合う２つの延伸部２１０の一方から他方への折り返し部分を構成している複数の折り返し部２２０とを有している。言い換えれば、延伸部２１０は、２つの折り返し部２２０を繋ぐ部分である。

線材６０を構成する導体は、線材５０と同様、たとえば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、プラチナ（Ｐｔ）、インジウム（Ｉｎ）またはこれらを主成分とする合金である。また、線材６０は、上記金属を含む導電ペーストを焼成して得られるものであってもよい。すなわち、線材６０は、ガラス粉末および／またはセラミックス粉末等の添加剤を含むものであってもよい。

各第２抵抗発熱体６の両端には、端子１３が接続される。複数の端子１３は、基体３の中央部に寄せて配置される。複数の端子１３は、下方に延びており、基体３の下面３２からパイプ７の内部に露出し、複数の配線部材９にそれぞれ接続される（図１参照）。

図７は、図６に示すＶＩＩ－ＶＩＩ線矢視断面図である。ＶＩＩ－ＶＩＩ線は、基体３の中心を通る線である。図７では、図６において省略していた線材６０も図示されている。また、図８は、図７に示すＶＩＩＩ部の拡大図である。

図７に示すように、複数の第２抵抗発熱体６の各線材６０は、断面視において複数の断面を有する。これら複数の断面の位置は、基体３の厚み方向（Ｚ軸方向）において不均一である。言い換えれば、基体３の断面に表れる複数の線材軸２００の位置が基体３の厚み方向において不均一である。

このように、実施形態に係るヒータ１において、複数の第２抵抗発熱体６の各線材６０は、加熱面である基体３の上面３１と直交し且つ基体３の中心を通る面で基体３を切断した場合に基体３の断面に表れる複数の線材軸２００の位置が、加熱面である基体３の上面３１と直交する方向において不均一である。

かかる構成とすることで、基体３にクラックが発生することを抑制することができる。すなわち、基体３には、線材６０が熱膨張および熱収縮を繰り返すことによって、クラックが生じるおそれがある。仮に、断面に表れる複数の線材軸２００の位置が基体３の厚み方向において均一である場合、言い換えれば、複数の線材軸２００が同一平面状に並ぶ場合、線材６０の熱膨張・熱収縮が同一平面上で生じることとなる。この場合、隣り合う２つの線材６０に挟まれた領域に大きな熱応力が加わるため、基体３にクラックが生じるおそれがある。これに対し、実施形態に係るヒータ１では、複数の線材軸２００、特に隣り合う線材軸２００同士が基体３の厚み方向にずれているため、隣り合う２つの線材軸２００間の領域に加わる熱応力を緩和させることができる。

したがって、実施形態に係るヒータ１によれば、基体３にクラックが発生することを抑制することができる。すなわち、ヒータ１の耐久性を向上させることができる。

「基体３の断面に表れる複数の線材軸２００の位置が基体３の厚み方向において不均一である」とは、具体的には、図８に示すように、基体３の断面に表れる線材６０の切断面のうち、基体３の上面３１に最も近い切断面における上面３１に最も近い位置と、上面３１から最も遠い切断面における上面３１から最も遠い位置との、基体３の厚み方向における距離を第２距離Ｈ２としたとき、第２距離Ｈ２が、線材６０の径Ｄよりも大きいことを意味する。

第２距離Ｈ２が大きすぎると、均熱性が低下するおそれがある。このため、第２距離Ｈ２は、線材６０の径Ｄの１．５倍以上３．０倍以下であることが好ましい。

また、図２に示すように、基体３の上面３１と直交し且つ基体３の中心を通る面で基体３を切断した場合に基体３の断面に表れる線材５０の切断面のうち、基体３の上面３１に最も近い切断面における上面３１に最も近い位置と、上面３１から最も遠い切断面における上面３１から最も遠い位置との、基体３の厚み方向における距離を第１距離Ｈ１とすると、各第２抵抗発熱体６における第２距離Ｈ２は、第１抵抗発熱体５における第１距離Ｈ１よりも小さいことが好ましい。

この理由について説明する。加熱対象物（たとえばウエハ）は、第１抵抗発熱体５の発熱と、複数の第２抵抗発熱体６の発熱とによって加熱される。第２抵抗発熱体６は、加熱温度の微調整に用いられる。このため、第１抵抗発熱体５の発熱量は、各第２抵抗発熱体６を合算した発熱量よりも多いことが好ましい。

第１抵抗発熱体５は、第２抵抗発熱体６よりも、加熱面である基体３の上面３１から離れている分、第２抵抗発熱体６よりも熱応答性が遅い。ここで、熱応答性とは、ヒータ１の発熱量の変化後、加熱面である基体３の上面３１の温度が変化するまでの経過時間が遅く、かつ、経過時間に対する温度変化が緩やかであることをいう。よって、第１抵抗発熱体５の発熱量を変化させても、基体３の上面３１の温度を一定に保持することは困難である。

一方、第２抵抗発熱体６は、第１抵抗発熱体５と比較して基体３の上面３１に近いため、第１抵抗発熱体５よりも熱応答性が速い。なお、「第２抵抗発熱体６は、・・・基体３の上面３１に近い」とは、第２抵抗発熱体６のどの位置を見ても。基体３の下面３２よりも上面３１に近いことをいう。ただし、第２抵抗発熱体６のうち基体３の下面３２に向かって延びる、端子１３およびその付近の部分は除く。第２抵抗発熱体６は、基体３の厚みを３等分した３つの領域のうち、上面３１に最も近い領域に位置していることが好ましい。

第２抵抗発熱体６の発熱量を増やすと、第２抵抗発熱体６のうち基体３の上面３１に近い部分では温度が急激に上昇するのに対し、基体３の上面３１から遠い部分における温度上昇は緩やかである。このため、第２抵抗発熱体６の第２距離Ｈ２が大きすぎると、各個別加熱領域３１ａ～３１ｆにおいて、基体３の上面３１の温度を一定に保持することが困難である。

以上を鑑みると、第２距離Ｈ２≧第１距離Ｈ１とした場合、基体３の上面３１の温度を一定に保持することは困難である。言い換えれば、第２距離Ｈ２＜第１距離Ｈ１とすることで、基体３の上面３１の温度を一定に保持することが容易となる。第２距離Ｈ２は、好ましくは第１距離Ｈ１の１／２以下、より好ましくは第１距離Ｈ１の１／３である。

別の観点によれば、第２抵抗発熱体６における「第２距離Ｈ２－線材６０の径Ｄ」は、第１抵抗発熱体５における「第１距離Ｈ１－線材５０の巻き径」よりも小さいことが好ましい。これにより、基体３の上面３１の温度を一定に保持することが容易となる。

なお、第１抵抗発熱体５の線材５０の径は、たとえば、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、好ましくは、０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下、より好ましくは、０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である。第２抵抗発熱体６の線材６０の径についても同様である。

図９～図１２は、１つの第２抵抗発熱体６における、基体３の断面に表れる線材６０の複数の切断面の位置関係の例を示した図である。なお、図９～図１２では、一例として、個別加熱領域３１ｄに対応する第２抵抗発熱体６を示しているが、他の第２抵抗発熱体６についても同様である。

たとえば、図９に示すように、第２抵抗発熱体６は、基体３の断面に表れる線材６０の複数の切断面のうち、基体３の外周部に近い第１領域に位置する切断面６０ａが、基体３の中央部に近い第２領域に位置する切断面６０ｂよりも基体３の上面３１に近くてもよい。

基体３の外周部は、中央部と比べて基体３の周囲の雰囲気に熱が奪われやすい。このため、基体３の外周部は、中央部と比べて温度が低くなるおそれがある。この場合、線材６０のうち基体３の外周部に近い部分を基体３の上面３１に近づけることで、基体３の外周部に近い第１領域における発熱量を相対的に増やすことができる。これにより、周囲の雰囲気に奪われる分の発熱量が補われるため、均熱性の向上を図ることができる。

また、図１０に示すように、第２抵抗発熱体６は、基体３の断面に表れる線材６０の複数の切断面のうち、基体３の外周部に近い第１領域に位置する切断面６０ａが、基体３の中央部に近い第２領域に位置する切断面６０ｂよりも基体３の上面３１から遠くてもよい。

基体３の中央部には、パイプ７が位置している。このため、基体３の中央部は、パイプ７からの熱引きによって、基体３の外周部よりも温度が低くなるおそれがある。この場合、線材６０のうち基体３の中央部に近い部分を基体３の上面３１に近づけることで、基体３の中央部に近い第２領域における発熱量を相対的に増やすことができる。これにより、パイプ７に奪われる分の発熱量が補われるため、均熱性の向上を図ることができる。

また、図９および図１０の例に限らず、第２抵抗発熱体６は、たとえば、図１１に示すように、基体３の外周部に近い第１領域と基体３の中央部に近い第２領域とに挟まれた第３領域に位置する切断面６０ｃが、第１領域に位置する切断面６０ａおよび第２領域に位置する切断面６０ｂよりも基体３の上面３１の近くに位置していてもよい。また、図１２に示すように、第２抵抗発熱体６は、第３領域に位置する切断面６０ｃが、第１領域に位置する切断面６０ａおよび第２領域に位置する切断面６０ｂよりも基体３の上面３１から離れていてもよい。

（第２抵抗発熱体における線材の断面形状）
次に、第２抵抗発熱体６における線材６０の断面形状について説明する。図１３は、第２抵抗発熱体６における線材軸２００の一部を示す拡大図である。

以下では、線材軸２００に直交する線材６０の断面のうち、延伸部２１０における断面、すなわち、図１３に示すＸ１－Ｘ１線矢視断面の形状（以下、「Ｘ１断面」と記載する）と、折り返し部２２０における断面、すなわち、図１３に示すＸ２－Ｘ２線矢視断面（以下、「Ｘ２断面」と記載する）の形状とを比較する。図１４は、Ｘ１断面の形状およびＸ２断面の形状の組み合わせの例を示す図である。

図１４（ａ），（ｂ）に示すように、線材６０のＸ１断面の形状は、真円よりも厚み方向に潰れた形状であってもよい。具体的には、Ｘ１断面の厚み方向の幅Ｄ１（最上点から最下点までの距離）は真円の直径（以下、「線材６０の円相当径」と呼ぶ場合がある）よりも短く、水平方向の幅Ｄ２（水平方向の一端から他端までの距離）は円相当径より長くてもよい。

この場合、線材６０のＸ２断面の形状は、図１４（ａ）に示すように、真円であってもよい。すなわち、Ｘ２断面における厚み方向の幅Ｄ３は、Ｘ１断面における厚み方向の幅Ｄ１より長く、Ｘ２断面における水平方向の幅Ｄ４は、Ｘ１断面における水平方向の幅Ｄ２より短くてもよい。また、線材６０のＸ２断面の形状は、図１４（ｂ）に示すように、Ｘ１断面の形状よりもさらに厚み方向に潰れた形状であってもよい。すなわち、Ｘ２断面における厚み方向の幅Ｄ３は、Ｘ１断面における厚み方向の幅Ｄ１より短く、Ｘ２断面における水平方向の幅Ｄ４は、Ｘ１断面における水平方向の幅Ｄ２より長くてもよい。

また、図１４（ｃ），（ｄ）に示すように、線材６０のＸ１断面の形状は、真円であってもよい。具体的には、Ｘ１断面の厚み方向の幅Ｄ１および水平方向の幅Ｄ２は、円相当径と同一であってもよい。

この場合、線材６０のＸ２断面の形状は、図１４（ｃ）に示すように、Ｘ１断面の形状よりも水平方向に潰れた形状であってもよい。すなわち、Ｘ２断面における厚み方向の幅Ｄ３は、Ｘ１断面における厚み方向の幅Ｄ１より長く、Ｘ２断面における水平方向の幅Ｄ４は、Ｘ１断面における水平方向の幅Ｄ２より短くてもよい。また、線材６０のＸ２断面の形状は、図１４（ｄ）に示すように、Ｘ１断面の形状よりも厚み方向に潰れた形状であってもよい。すなわち、Ｘ２断面における厚み方向の幅Ｄ３は、Ｘ１断面における厚み方向の幅Ｄ１より短く、Ｘ２断面における水平方向の幅Ｄ４は、Ｘ１断面における水平方向の幅Ｄ２より長くてもよい。

図１４（ｅ），（ｆ）に示すように、線材６０のＸ１断面の形状は、真円よりも水平方向に潰れた形状であってもよい。具体的には、Ｘ１断面の厚み方向の幅Ｄ１は線材６０の円相当径よりも長く、水平方向の幅Ｄ２は円相当径より短くてもよい。

この場合、線材６０のＸ２断面の形状は、図１４（ｅ）に示すように、Ｘ１断面の形状よりもさらに水平方向に潰れた形状であってもよい。すなわち、Ｘ２断面における厚み方向の幅Ｄ３は、Ｘ１断面における厚み方向の幅Ｄ１より長く、Ｘ２断面における水平方向の幅Ｄ４は、Ｘ１断面における水平方向の幅Ｄ２より短くてもよい。また、線材６０のＸ２断面の形状は、図１４（ｆ）に示すように、Ｘ１断面の形状は真円であってもよい。すなわち、Ｘ２断面における厚み方向の幅Ｄ３は、Ｘ１断面における厚み方向の幅Ｄ１より短く、Ｘ２断面における水平方向の幅Ｄ４は、Ｘ１断面における水平方向の幅Ｄ２より長くてもよい。

このように、第２抵抗発熱体６の線材６０は、線材軸２００に直交する断面の形状のうち、ミアンダ形状の折り返し部２２０における形状をＸ１断面形状（第１断面形状の一例）とし、２つの折り返し部２２０を繋ぐ延伸部２１０における形状をＸ２断面形状（第２断面形状の一例）としたとき、Ｘ１断面形状とＸ２断面形状とが異なっている。

かかる構成とすることで、ヒータ１の耐久性を高めることができる。すなわち、第２抵抗発熱体６は、加熱温度の微調整に用いられるため、第１抵抗発熱体５と比較して、発熱量を増減させる頻度が高い。言い換えれば、第２抵抗発熱体６は、第１抵抗発熱体５と比較して、熱膨張および熱収縮のサイクルをより多く繰り返す。したがって、基体３のうち第２抵抗発熱体６に接する部分が第２抵抗発熱体６の線材６０から剥離して、第２抵抗発熱体６と基体３との間に隙間が生じるおそれがある。

第２抵抗発熱体６と基体３との間に隙間が生じると、基体３の内部において第２抵抗発熱体６が回動し、これによって隙間がさらに大きくなったり、場合によっては基体３にクラックが生じたりするおそれがある。特に、線材６０の延伸部２１０と折り返し部２２０との境界部分は、熱応力が集中しやすいため、上記剥離および回動が生じ易い。これに対し、実施形態に係るヒータ１のように、延伸部２１０における断面形状（Ｘ１断面形状）と折り返し部における断面形状（Ｘ２断面形状）とを異ならせることで、仮に基体３と線材６０との間に隙間が生じたとしても、第２抵抗発熱体６の回動を抑制することができる。したがって、実施形態に係るヒータ１によれば、線材６０の回動に伴うクラックの発生を好適に抑制することができる、すなわち、ヒータ１の耐久性を向上させることができる。

また、Ｘ１断面形状とＸ２断面形状とを比較した場合、Ｘ２断面形状における厚み方向の幅Ｄ３は、Ｘ１断面形状における厚み方向の幅Ｄ１よりも長いことが好ましい。この点について図１５および図１６を参照して説明する。図１５は、２つの第２抵抗発熱体６の線材軸２００の一部を示す拡大図である。また、図１６は、図１５に示すＸＶＩ－ＸＶＩ線矢視における断面図である。

図１５には、基体３のうち、基体３の周方向において隣り合う２つの折り返し部２２０に挟まれる領域は、他の領域と比較して温度が低いクールスポットになるおそれがある。

そこで、図１６に示すように、クールスポットに近い折り返し部２２０における断面を厚み方向に長い形状とすることで、クールスポットを厚み方向においてより広い領域で加熱することができるため、クールスポットにおける温度低下を抑制することができる。すなわち、ヒータ１の均熱性を向上させることができる。

また、図１６に示す例では、折り返し部２２０における線材６０が延伸部２１０における線材６０よりも基体３の上面３１側に延びている。言い換えれば、折り返し部２２０における線材６０は、延伸部２１０における線材６０よりも基体３の上面３１に近い。この場合、クールスポット近傍における発熱量を相対的に増やすことができることから、ヒータ１の均熱性をさらに向上させることができる。

なお、ここでは、第２抵抗発熱体６の断面形状について言及してきたが、第１抵抗発熱体５の線材５０も同様の断面形状を有していてもよい。すなわち、第１抵抗発熱体５の線材５０は、コイル軸１００に直交する断面の形状のうち、ミアンダ形状の折り返し部１２０における形状を第１断面形状とし、２つの折り返し部を繋ぐ延伸部１１０における形状を第２断面形状としたとき、第１断面形状と第２断面形状とが異なっていてもよい。

（第２抵抗発熱体の他の例）
第２抵抗発熱体６の線材６０は、第１抵抗発熱体５の線材５０と同様、コイル形状を有していてもよい。図１７は、変形例に係る第２抵抗発熱体６の平面透視図である。また、図１８は、変形例に係る第２抵抗発熱体６の側面透視図である。なお、平面透視図とは、基体３の上面３１を上方から見た場合の透視図であり、側面透視図とは、基体３の側面を側方から見た場合における透視図である。

図１７および図１８に示すように、第２抵抗発熱体６は、平面透視および側面透視において、コイル軸３００を基準として波状に振動している。ここで、図１７および図１８には、第２抵抗発熱体６における同一の部分が図示されている。この点についての理解を容易にするために、図１７および図１８には、第２抵抗発熱体６における同一の部分をｃ１～ｃ１０で示している。図１７に示す平面透視において、部分ｃ１，ｃ３，ｃ５，ｃ７，ｃ９は、波の腹（部分ｃ１，ｃ５，ｃ９は山、部分ｃ３，ｃ７は谷）に相当するが、図１８に示す側面透視においては、コイル軸３００と交わる波の中点（節）に相当する。また、図１７に示す平面透視において、部分ｃ２，ｃ４，ｃ６，ｃ８，ｃ１０は、波の中点（節）に相当するが、図１８に示す側面透視においては、波の腹（部分ｃ４，ｃ８は山、部分ｃ２，ｃ６，ｃ１０は谷）に相当する。

図１７および図１８に示すように、図１７に示す平面透視において、山（たとえば、部分ｃ１）と谷（たとえば、部分ｃ３）とのコイル軸３００に直交する方向に沿った距離を第２抵抗発熱体６の幅Ｗと規定する。また、図１８に示す側面透視において、山（たとえば、部分ｃ４）と谷（たとえば、部分ｃ２）とのコイル軸３００に直交する方向に沿った距離を第２抵抗発熱体６の高さＨと規定する。

この場合、第２抵抗発熱体６の幅Ｗは、第２抵抗発熱体６の高さＨよりも大きい。すなわち、第２抵抗発熱体６は、基体３の厚み方向と比較して、加熱面である上面３１に沿った方向である基体３の水平方向に相対的に広がっている。したがって、実施形態に係るヒータ１によれば、均熱性を向上させることができる。

コイル形状を有する第２抵抗発熱体６も、加熱面である基体３の上面３１と直交する面で切断した場合に基体３の断面に表れる複数のコイル軸３００の位置が、基体３の上面３１と直交する方向において不均一である。すなわち、基体３の断面に表れる線材６０の複数の切断面のうち、基体３の上面３１に最も近い切断面の上面３１に最も近い位置と、上面３１から最も遠い切断面の上面３１から最も遠い位置との上面３１に直交する方向における距離が、線材６０のコイル径よりも大きい。かかる構成を有することにより、上述したようにヒータ１の耐久性を向上させることができる。

（コイル軸に沿って第２抵抗発熱体を投影した形状について）
図１９は、コイル軸３００に沿った方向に第２抵抗発熱体６を投影した投影図である。なお、図１９には、コイル軸３００が直線であると仮定した場合における第２抵抗発熱体６の投影図を示している。

図１９に示すように、コイル軸３００に沿った方向に第２抵抗発熱体６を投影した場合の外輪郭６５および内輪郭６６は、いずれも、厚み方向に潰れた楕円形状である。具体的には、外輪郭６５の厚み方向における幅Ｄ１１は、外輪郭６５の水平方向における幅Ｄ１２よりも短い。同様に、内輪郭６６の厚み方向における幅Ｄ１３は、内輪郭６６の水平方向における幅Ｄ１４よりも短い。

このように、コイル軸３００に沿った方向に第２抵抗発熱体６を投影した場合の外輪郭６５および内輪郭６６の形状は、真円よりも潰れた形状であってもよい。これにより、投影した形状が真円である場合と比較して、第２抵抗発熱体６の位置が変動しにくくなることから、第２抵抗発熱体６が変動することによって基体３の内部にクラックが生じることを抑制することができる。したがって、実施形態に係るヒータ１によれば、耐久性を向上させることができる。

また、厚み方向における外輪郭６５と内輪郭６６との間隔Ｄ１５は、水平方向における外輪郭６５と内輪郭６６との間隔Ｄ１６よりも小さい。すなわち、第２抵抗発熱体６は、厚み方向における厚みが水平方向における厚みと比較して薄い。線材５０の径が小さくなるほど線材５０の電気抵抗は高くなる。したがって、第２抵抗発熱体６の水平方向における厚みを相対的に薄くすることで、基体３の上面３１に沿った方向における発熱量を相対的に増やすことができる。これにより、均熱性の向上を図ることができる。

なお、ここでは、外輪郭６５および内輪郭６６の両方が楕円形状である場合の例を示したが、外輪郭６５および内輪郭６６のうち少なくとも外輪郭６５が楕円形状であればよい。すなわち、たとえば外輪郭６５が楕円形状であるのに対し、内輪郭６６は真円であってもよい。

（第２抵抗発熱体における線材の断面形状の変形例について）
次に、線材６０の断面形状の変形例について図２０および図２１を参照して説明する。図２０は、線材６０の断面形状の他の例を示す模式的な断面図である。また、図２１は、図２０に示すＸＸＩ部の拡大図である。なお、図２０に示す断面は、図１７に示すＸＸ－ＸＸ線矢視における断面に相当する。

図２０に示すように、線材６０の断面形状は、曲線状の輪郭の一部に平坦部６７を有する形状であってもよい。平坦部６７は、線材６０の線材軸２００に沿って延在するものとする。平坦部６７に対応する線材６０の表面は、線材軸２００が直線的に延びていれば平面を有し、曲線的に延びていれば曲面形状を有する。

このように、線材６０の断面形状の一部に平坦部６７が存在することで、たとえば線材６０の断面形状が真円である場合と比べて、線材６０の線材軸２００まわりの回動が抑制される。これにより、基体３の内部において線材６０が回動することによって基体３の内部にクラックが生じることが抑制される。したがって、実施形態に係るヒータ１によれば、耐久性を向上させることができる。

ここでは、平坦部６７が線材６０の下部すなわち基体３の下面３２側に位置する場合の例を示したが、平坦部６７は、線材６０の上部すなわち基体３の上面３１側に位置していてもよい。また、平坦部６７は、線材６０の下部と上部の間、すなわち基体３の上面３２と下面３１の間に位置しても良い。

また、図２１に示すように、線材６０の断面形状は、曲線状の輪郭の少なくとも一部に微小な凹凸形状を有していてもよい。かかる凹凸形状のうち、突出量６８ａおよび根元径６８ｂのそれぞれが３０μｍ以上のものを凸部６８と定義する。

突出量６８ａは、たとえば、凸部６８の両側の谷のうち最も低い位置から凸部６８の頂部までの線材６０の径方向の長さとされてよい。また、根元径６８ｂは、たとえば、凸部６８の両側の谷のうち最も低い位置同士の距離とされてよい。両側の谷のうち最も低い位置の線材６０の径方向における位置のずれが大きい場合には、谷の最も低い位置が高い方の谷における最も低い位置における凸部６８の幅が根元径６８ｂとされてよい。

凸部６８の突出量６８ａおよび根元径６８ｂの上限値は特に限定されない。ただし、たとえば、線材６０の横断面が矩形である場合における当該矩形の角部のように、線材６０の横断面の概略形状の一部として捉えられるような大きな凸部は、当然に、凸部６８から排除されてよい。その判断は、線材６０の横断面の形状および凸部の大きさから合理的に判断されてよい。また、たとえば、複数の凸部６８の全部または大部分（たとえば８割以上）において、突出量６８ａおよび根元径６８ｂのそれぞれは、線材６０の円相当径の１／１０以下、好ましくは、１／２０以下とされてよい。

このように、線材６０の断面形状の少なくとも一部に微小な凹凸が存在することにより、凹凸の内部に基体３の材料が入り込んで線材６０を拘束することで、線材６０の線材軸２００まわりの回動を抑制することができる。したがって、実施形態に係るヒータ１によれば、耐久性を向上させることができる。

（ヒータの製造方法）
次に、ヒータ１の製造方法の一例について説明する。ヒータ１の製造方法においては、たとえば、基体３、パイプ７および配線部材９が個別に作成される。その後、これらの部材が互いに固定される。なお、基体３とパイプ７は一部または全部が一体的に作成されてもよい。パイプ７および配線部材９の製造方法は、たとえば、公知の種々の方法と同様とされてよい。

基体３は、たとえばホットプレスを用いた方法により製造される。まず、第１抵抗発熱体５および第２抵抗発熱体６の作成が行われる。第１抵抗発熱体５および第２抵抗発熱体６の作成方法は、公知の種々の方法と同様とされてよい。たとえば、第１抵抗発熱体５は、線材５０を熱間加工することによって作成される。具体的には、直線状に延びる軸状部材に線材５０を巻き回し、その後、軸状部材を引き抜くことによって第１抵抗発熱体５が作成される。第２抵抗発熱体６をコイル形状とする場合も同様である。

つづいて、ホットプレスが行われる。まず、第１抵抗発熱体５とセラミックス原料粉末とを型の内部に配置し、型を介して第１抵抗発熱体５およびセラミックス原料粉末を加圧する。その後、第２抵抗発熱体６とセラミックス原料粉末とを型の内部に配置して再度加圧する。加圧は、たとえば、上型と下型とが基体３の厚み方向に接近することによってなされる。その後、第１抵抗発熱体５、第２抵抗発熱体６およびセラミックス原料粉末は加圧された状態で焼成される。これにより、第１抵抗発熱体５および第２抵抗発熱体６を内蔵した基体３が作成される。

上述してきたように、実施形態に係るヒータ（一例として、ヒータ１）は、加熱面（一例として、上面３１）を有する絶縁性の基体（一例として、基体３）と、基体の内部に位置し、ミアンダ形状を有する仮想的な軸（一例として、コイル軸１００、線材軸２００およびコイル軸３００）に沿って延在する線材（一例として、線材５０，６０）を含む抵抗発熱体（一例として、第１抵抗発熱体５および第２抵抗発熱体６）とを有する。また、線材は、加熱面と直交する面で切断した場合に基体の断面に表れる複数の軸の位置が、加熱面と直交する方向において不均一である。

また、実施形態に係るヒータ（一例として、ヒータ１）は、加熱面（一例として、上面３１）を有する絶縁性の基体（一例として、基体３）と、基体の内部に位置し、ミアンダ形状を有する仮想的な軸（一例として、コイル軸１００、線材軸２００およびコイル軸３００）に沿って延在する線材（一例として、線材５０，６０）を含む抵抗発熱体（一例として、第１抵抗発熱体５および第２抵抗発熱体６）とを有する。また、線材は、軸に直交する断面の形状のうち、ミアンダ形状の折り返し部（一例として、折り返し部１２０，２２０）における形状を第１断面形状とし、２つの折り返し部を繋ぐ延伸部（一例として、延伸部１１０，１２０）における形状を第２断面形状としたとき、第１断面形状と第２断面形状とが異なる。

したがって、実施形態に係るヒータによれば、耐久性を高めることができる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１：ヒータ
３：基体
５：第１抵抗発熱体
６：第２抵抗発熱体
７：パイプ
９：配線部材
１３：端子
３１：上面
３２：下面
５０：線材
６０：線材
６５：外輪郭
６６：内輪郭
６７：平坦部
１００：コイル軸
１１０：延伸部
１２０：折り返し部
２００：線材軸
２１０：延伸部
２２０：折り返し部
３００：コイル軸

Claims

加熱面を有する絶縁性の基体と、
前記加熱面を全体的に加熱する第１抵抗発熱体と、
前記基体の内部に位置し、ミアンダ形状を有する仮想的な軸に沿って延在する線材を含む複数の第２抵抗発熱体と、
を有し、
各前記第２抵抗発熱体は、前記第１抵抗発熱体と前記加熱面との間に位置し、前記加熱面の一部分を加熱し、
前記線材は、
前記加熱面と直交する面で切断した場合に前記基体の断面に表れる複数の前記軸の位置が、前記加熱面と直交する方向において不均一である、ヒータ。
前記複数の第２抵抗発熱体の各々において、前記線材は、前記基体の断面に表れる複数の前記軸の位置が、前記加熱面と直交する方向において不均一である、請求項１に記載のヒータ。
前記第２抵抗発熱体における前記軸は、前記線材の中心軸であり、
前記第２抵抗発熱体は、
前記基体の断面に表れる前記線材の複数の切断面のうち、前記加熱面に最も近い前記切断面における前記加熱面に最も近い位置と、前記加熱面から最も遠い前記切断面における前記加熱面から最も遠い位置との、前記加熱面に直交する方向における距離を第２距離としたとき、該第２距離が、前記線材の径よりも大きい、請求項１または２に記載のヒータ。
前記基体の断面に表れる前記第１抵抗発熱体の複数の切断面のうち、前記加熱面に最も近い前記切断面における前記加熱面に最も近い位置と、前記加熱面から最も遠い前記切断面における前記加熱面から最も遠い位置との、前記加熱面に直交する方向における距離を第１距離としたとき、
前記第２抵抗発熱体における前記第２距離は、前記第１抵抗発熱体における前記第１距離よりも小さい、請求項３に記載のヒータ。
前記第２抵抗発熱体は、
前記基体の断面に表れる前記線材の複数の切断面のうち、前記基体の外周部に近い第１領域に位置する前記切断面が、前記基体の中央部に近い第２領域に位置する前記切断面よりも前記加熱面に近い、請求項１～４の何れか一つに記載のヒータ。
前記第２抵抗発熱体は、
前記基体の断面に表れる前記線材の複数の切断面のうち、前記基体の外周部に近い第１領域に位置する前記切断面が、前記基体の中央部に近い第２領域に位置する前記切断面よりも前記加熱面から遠い、請求項１～４の何れか一つに記載のヒータ。
前記第２抵抗発熱体は、
前記基体の断面に表れる前記線材の複数の切断面のうち、前記基体の外周部に近い第１領域と前記基体の中央部に近い第２領域とに挟まれた第３領域に位置する前記切断面が、前記第１領域に位置する前記切断面および前記第２領域に位置する前記切断面よりも前記加熱面に近い、請求項１～４の何れか一つに記載のヒータ。
前記第２抵抗発熱体は、
前記基体の断面に表れる前記線材の複数の切断面のうち、前記基体の外周部に近い第１領域と前記基体の中央部に近い第２領域とに挟まれた第３領域に位置する前記切断面が、前記第１領域に位置する前記切断面および前記第２領域に位置する前記切断面よりも前記加熱面から離れている、請求項１～４の何れか一つに記載のヒータ。