JPH06151044A - セラミックスヒーター及びその製造方法 - Google Patents
セラミックスヒーター及びその製造方法Info
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- JPH06151044A JPH06151044A JP4302357A JP30235792A JPH06151044A JP H06151044 A JPH06151044 A JP H06151044A JP 4302357 A JP4302357 A JP 4302357A JP 30235792 A JP30235792 A JP 30235792A JP H06151044 A JPH06151044 A JP H06151044A
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Abstract
品質の安定性とを確保できるセラミックスヒーター及び
その製造方法を提供する。 【構成】 焼結したセラミックスからなる上下基板1、
2の間に、接合用のガラス3を介してシート状抵抗発熱
体4をはさみ、必要に応じて上記構造を多層化し、前記
セラミックスの焼結温度より低温でガラス封着し、緻密
質セラミックスからなる上下基板1、2と、これら上下
基板の間に設けたガラス層3と、このガラス層中に埋設
したシート状抵抗発熱体4とからなる構造、さらには必
要に応じ上記構造を多層化した構造のセラミックスヒー
ターを得る。
Description
抵抗発熱体を埋設してなるセラミックスヒーター及びそ
の製造方法に関し、例えば半導体加熱用として好適に使
用できるセラミックスヒーター及びその製造方法に関す
るものである。
ては、いわゆるステンレスヒーターや間接加熱方式のも
のが一般的であった。しかし、これらの熱源を用いる
と、ハロゲン系腐蝕性ガスの作用によってパーティクル
が発生したり、熱効率が悪いといった問題があった。こ
うした問題を解決するため、本発明者らは、緻密質セラ
ミックスからなる円盤状基体の内部に、高融点金属から
なるワイヤーを埋設したセラミックスヒーターを提案し
た。
ためには、まず高融点金属からなるワイヤーを螺旋状に
巻回させ、ワイヤーの両端に端子(電極)を接着し、ア
ニールする。一方、プレス成形機内にセラミックス粉体
をセットし、ある程度の硬さになるまで予備成形し、こ
の際、予備成形体の表面に凹部を設ける。そして、ワイ
ヤーをこの凹部に収容し、その上にさらにセラミックス
粉体を充填する。そして、セラミックス粉体を加圧成形
して円盤状成形体を作製し、円盤状成形体をホットプレ
ス焼結させる。
た従来のセラミックスヒーターの製造方法では、抵抗発
熱体をアニール装置から予備成形装置へと運ぶ際、抵抗
発熱体の形状を崩さずに運ぶことは極めて難しく、どう
しても型崩れしてしまうことが多い。また、予備成形体
の凹部へ抵抗発熱体をセットした後、その上にセラミッ
クス粉体を充填し、加圧成形するのだが、この際にも粉
体の流動から、抵抗発熱体が型崩れし易い。さらに、ホ
ットプレス時に大きな圧力が円盤状基体の厚さ方向にか
かるので、たとえ成形時点で型崩れがなくとも、ホット
プレス時に抵抗発熱体が位置ずれすることがある。これ
らの現象が生ずると、いずれの場合も、ヒーター発熱面
の温度むらが生じるし、ヒーター特性が一定しない問題
があった。
成形時やホットプレス時にかかるせん断力によって、端
子近傍で破線し易い。これを防止するためには、円盤状
成形体の厚さをある程度厚くして、端子がせん断力に対
して多少動ける自由度を与える必要がある。また、抵抗
発熱体であるワイヤー自体から旋状に巻回させてあり、
3次元構造をとっているため、ある程度の厚みが必要で
ある。こうした制限から、ヒーターの肉厚を小さくして
その熱容量を下げ、また発熱量を大きくすることができ
ず、表面温度変化に対する応答が遅く、また昇温速度が
遅いため、この点で半導体の生産性を上げることができ
ない問題もあった。
ターの製造方法では、ホットプレスを実施する必要があ
り、焼結温度がSi3N4 、AlN 等では1800〜1900
℃と非常に高温のため、セラミックス成形体中に埋設さ
れた抵抗発熱体が、焼成時に雰囲気(C等)やセラミッ
クス粉体と反応し、断線や抵抗上昇などの劣化が認めら
れ、やはりヒーター特性が安定しない問題もあった。
製時の抵抗発熱体の劣化がなく、均熱性と品質の安定性
とを確保できるセラミックスヒーター及びその製造方法
を提供しようとするものである。
ーターは、緻密質セラミックスからなる上下基板と、こ
れら上下基板の間に設けたガラス層と、このガラス層中
に埋設したシート状抵抗発熱体とからなることを特徴と
し、必要に応じて上記構造を多層化したことをも特徴と
するものである。
造方法は、焼結したセラミックスからなる上下基板の間
に、接合用のガラスを介してシート状抵抗発熱体をはさ
み、必要に応じて上記構造を多層化し、前記セラミック
スの焼結温度より低温でガラス封着したことを特徴とす
るものである。
一体化をガラス接合により実施しているため、一体化の
ために従来のホットプレス時のような高温を必要とせ
ず、焼成温度により低温で行うことができるため、シー
ト状抵抗発熱体がほとんど劣化せず、その結果高寿命で
安定性に優れるセラミックスヒーターを得ることができ
る。また、ガラスの組成を選定することにより、セラミ
ックス基板とシート状抵抗発熱体との間に多少の熱膨張
差があっても、加熱時に生じる応力を緩和可能である。
さらに、抵抗発熱体がシート状であり、すでに焼成収縮
の完了した緻密質セラミックスを用いるため、一体化す
る際抵抗発熱体の変形や位置ずれをほとんどなくすこと
ができ、セラミックスヒーターの均熱性が向上し、製品
の品質が安定する。しかも、抵抗発熱体がシート状であ
るため、抵抗発熱体を薄くすることができ、温度の上
昇、下降についての応答を速くすることができる。
の構成を示す図であり、図1(a)は平面図を、図1
(b)は図1(a)におけるA−A線に沿った断面図を
示している。図1に示す実施例において、1は焼結した
緻密質セラミックスからなる上基板、2は上基板1と同
一の材質からなる下基板、3は接合用のガラス層、4は
シート状の抵抗発熱体、5−1、5−2はシート状の抵
抗発熱体4の両端部に設けた電極部、6−1、6−2は
シート状抵抗発熱体4に電力を供給するための取り出し
電極である。
び下基板2としては、Si3N4 、AlN、SiAlON等の材料を
使用すると好ましい。シート状の抵抗発熱体4として
は、Mo、W 、Pt等の高融点金属やSiC 、WC等のセラミッ
クスを使用する。高融点金属を使用する場合、例えば厚
さ25μm 程度の箔をブラスト抜きによりパターニング
したものを使用すると好ましい。また、別の方法とし
て、Mo、W 、Pt、SiC 、WC等の粉末を有機バインダーと
混練してペースト状にしたものを、スクリーン印刷によ
り、基板1に印刷する方法もある。これらは、脱脂後の
ガラス接合時に粒子同士が焼結して、シート状になる。
接合用のガラス層3としては、例えばY2O3:30wt% 、Al
2O3 :30wt% 、SiO2:30wt% 、Si3N4 :10wt% からなる
オキシナイトライトガラス(YSiAlON )を使用すること
が好ましい。
スヒーターの製造方法の一例を工程順に示す図である。
図2に示す実施例において、図1に示す部材と同一の部
材には同一の符号を付し、その説明を省略する。まず、
図2(a)に示すように、従来から公知の方法に従っ
て、例えば窒化珪素焼結体からなる上基板1と、電極6
−1、6−2を設置するための電極穴7−1、7−2を
有する上基板1と同一材質の焼結体からなる下基板2と
を準備する。同時に、例えば厚さ25μm のタングステ
ン箔をパターニングして得たシート状の抵抗発熱体4を
準備する。
と下基板2との間に、例えばオキシナイトライドガラス
からなるガラス層3を介して、準備したシート状の抵抗
発熱体4をその電極部5−1、5−2と電極穴7−1、
7−2とを位置決めした状態で重ね合わせする。この状
態で例えば50kg/cm2 の圧力でプレスして接合体
を作製し、これを例えば1550℃の温度で加熱してガ
ラス層3を溶融して、ガラス接合を行う。その後、図2
(c)に示すように、例えばNiからなる電極6−1、6
−2を電極穴7−1、7−2にロウ付けする。ロウ付け
は、10-5torrの真空中で、Ti、Zr等を含有する活性Ag
ロウの場合は790℃で10分間、活性Auロウの場合は
1050℃で10分間の条件で実施すると好ましい。以
上で、最終製品としてのセラミックスヒーターを得るこ
とができる。
スヒーターの製造方法の他の例を工程順に示す図であ
る。図3に示す実施例において図2に示す実施例と異な
る点は、電極の付与方法が異なる点である。すなわち、
図3に示す実施例では、まず図3(a)に示すように、
下基板2を焼成して準備する際、電極穴7−1、7ー2
内に予め例えばタングステンからなる電極6−1、6ー
2を埋め込んだものを準備する。次に、ガラス層3を介
してシート状の抵抗発熱体4を重ね合わせる際に、図2
(b)に示す実施例と同様にガラス溶融のための加熱を
する際に、タングステン粉末層8−1、8−2をタング
ステンからなる電極6−1、6−2とシート状の抵抗発
熱体4とに拡散接合させて、電極6−1、6−2と電極
部5−1、5−2とを電気的に接合している。なお、拡
散接合時の電極の材質は、基板が窒化珪素の場合はタン
グステンが好ましく、基板が窒化アルミニウムの場合は
モリブデンが好ましい。
ーを多層化した場合の一例の構成を示す図である。図4
においても、図1と同一の部材には同一の符号を付し、
その説明を省略する。図4に示した例では、抵抗発熱体
4が3層となっているが、層数に特に制限はない。ま
た、多層化した場合、中間層の基板は、下側のガラス層
3に対しては上基板1として、上側のガラス層3に対し
ては下基板2として作用する。また、図4に示す例で
は、縦方向にセラミックスヒーターが並んだ並列接続と
なっているが、狭時する抵抗発熱体4の形状を変えて直
列接続すること、さらには直並列混在構造とすることも
可能である。多層化のメリットは、単位面積あたりの発
熱量を増すことができることにある。
べるため、従来法に従って窒化珪素からなる成形体中に
コイル状のタングステン抵抗体を埋め込んで、これをカ
ーボン炉中で窒素雰囲気下1800℃で焼成した一体焼
成品と、本発明に従って1550℃でシート状のタング
ステン抵抗体を窒化珪素からなる焼結体間にガラス接合
した本発明のガラス接合品とを準備し、それぞれの抵抗
体を取り出して断面を観察した。図5(a)に従来例の
抵抗体の断面を、図5(b)に本発明例の抵抗体の断面
をそれぞれ示す。
(a)に示すように、線状のタングステンの周囲に50
〜100μm 程度のWCyからなる炭化物層が形成さ
れ、その上にWSixからなるシリサイド層が20〜3
0μm 生成されているのがわかり、このシリサイド層が
クラックが多く脆い層であるため、ヒーター劣化の原因
となることがわかる。これに対し、本発明例では、図5
(b)に示すように、シート状のタングステンの周囲に
10μm 以下のWCyからなる炭化物層は認められるも
のの、WSixからなるシリサイド層は存在せず、抵抗
劣化の原因となるクラックはほとんど認められないこと
がわかる。
によれば、シート状抵抗発熱体の一体化をガラス接合に
より実施しているため、シート状抵抗発熱体を高温にさ
らすことがないため、シート状抵抗発熱体がほとんど劣
化せず、その結果高寿命で安定性に優れるセラミックス
ヒーターを得ることができる。また、抵抗発熱体がシー
ト状であり、すでに焼成収縮を完了した緻密質セラミッ
クスを用いるため、一体化する際抵抗発熱体の変形や位
置ずれをほとんどなくすことができ、セラミックスヒー
ターの均熱性が向上し、製品の品質が安定する。
示す図である。
例を工程順に示す図である。
の例を工程順に示す図である。
の構成を示す図である。
る。
Claims (5)
- 【請求項1】 緻密質セラミックスからなる上下基板
と、これら上下基板の間に設けたガラス層と、このガラ
ス層中に埋設したシート状抵抗発熱体とからなることを
特徴とするセラミックスヒーター。 - 【請求項2】 請求項1記載の構造のセラミックスヒー
ターを多層化して、シート状抵抗発熱体を多層に設けた
ことを特徴とするセラミックスヒーター。 - 【請求項3】 前記セラミックスが非酸化物セラミック
スである請求項1または2記載のセラミックスヒータ
ー。 - 【請求項4】 焼結したセラミックスからなる上下基板
の間に、接合用のガラスを介してシート状抵抗発熱体を
はさみ、必要に応じて上記構造を多層化し、前記セラミ
ックスの焼結温度より低温でガラス封着したことを特徴
とするセラミックスヒーターの製造方法。 - 【請求項5】 前記セラミックスが非酸化物セラミック
スである請求項4記載のセラミックスヒーターの製造方
法。
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-
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- 1992-11-12 JP JP30235792A patent/JP3177026B2/ja not_active Expired - Fee Related
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