KR100832390B1

KR100832390B1 - 가열 장치 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100832390B1
Application number: KR1020070027155A
Authority: KR
Inventors: 요시노부 고토; 히사카즈 오카지마
Original assignee: 니뽄 가이시 가부시키가이샤
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2008-05-26
Also published as: JP2007257846A; TW200746877A; KR20070095239A; CN100518414C; US20070215597A1; CN101043766A; JP4731365B2

Abstract

본 발명은 가열 기체(11)와, 이 가열 기체(11)에 접합된 중공 봉재(13)를 갖는 가열 장치에 있어서, 가열 기체(11)와, 중공 봉재(13)의 접합 계면에 크랙이 발생하는 것을 효과적으로 방지하는 것을 목적으로 한다.

판 형상의 가열 기체(11)와, 이 가열 기체(11)의 한쪽 면에 일단면이 접합된 중공 봉재(13)를 구비하고, 가열 기체(11)는 중공 봉재(13)의 접합부 근방에서 이 중공 봉재(13)의 외주면(13b)과 동일면이 되는 측면부(11e)와, 이 측면부(11e)에 접속하는 오목한 곡면부(11d)를 가지며, 가열 기체(11)와 중공 봉재(13)의 접합 계면의 단부가 이 가열 기체(11)의 측면부(11e)와 중공 봉재(13)의 외주면(13b) 사이에 위치하는 가열 장치가 제공된다.

Description

가열 장치 및 그 제조 방법{HEATING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명에 따른 가열 장치의 일실시예의 모식적인 종단면도.

도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 가열 장치의 일실시예의 모식적인 종단면도.

도 3은 비교예의 가열 장치의 모식적인 종단면도.

도 4는 비교예의 가열 장치의 모식적인 종단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 세라믹스 기체(가열 기체)

11d : 오목한 곡면부

11e : 측면부

12 : 저항 발열체

13 : 샤프트(중공 봉재)

본 발명은 가열 장치, 보다 상세하게는 반도체 디바이스 제조 공정에서 기판으로서 이용되는 웨이퍼 또는 그 밖의 판 형상의 피가열재를 가열하기 위한 가열 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서는 반도체 제조 장치를 이용하여 웨이퍼 상에 산화막 등을 형성하기 위해 가열 처리가 실시된다. 이 반도체 제조 장치에 있어서, 웨이퍼를 가열하기 위한 가열 장치에는 가열면을 갖는 원반 형상의 세라믹스 기체 중에 선 형상의 저항 발열체가 매설된 세라믹스 히터가 있다. 이 세라믹스 히터는 반도체 제조 프로세스에 사용되는 성막 장치뿐만 아니라 판 형상의 피가열재의 표면을 드라이 에칭하는 표면 처리 장치 등에 이용되어도 유리하게 적합한 것이다.

세라믹스 히터는 세라믹스 기체와, 이 세라믹스 기체를 지지하기 위해 접합된 중공 봉재를 구비하고 있다. 이 중공 봉재는 중공의 원통 형상이며, 한쪽 단면이 세라믹스 기체에 있어서의 가열면과는 반대측의 면(접합면)에 고상 접합 또는 액상 접합에 의해 고착되어 있다.

이러한 세라믹스 기체와 중공 봉재의 부착 구조에 관해서, 세라믹스 기체의 접합면과 중공 봉재의 외주면 사이에 라운드부(rounded portion)를 설치한 세라믹스 히터가 있다(예컨대, 특허 문헌 1).

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 제2004-247745호 공보

종래의 세라믹스 히터는 세라믹스 기체의 접합면과 중공 봉재의 외주면이 양쪽 접합부에 형성된 라운드부의 곡면에 의해 매끄럽게 접속되어 있다. 이러한 세라믹스 히터에 있어서, 세라믹스 기체와 중공 봉재의 접합 계면이 이 라운드부 곡면 의 면 내에 접하고 있는 경우에는 이 가열 장치의 장기간의 사용 후에 있어서, 이 접합 계면이 라운드부와 접하고 있는 부분으로부터 크랙이 발생하고, 이 크랙이 접합 계면을 따라 전파되어, 세라믹스 기체와 중공 봉재의 접합 박리를 일으키는 경우가 있었다.

여기서, 본 발명은 세라믹스 기체와 중공 봉재의 접합 계면에 크랙이 발생하는 것을 효과적으로 방지하고, 이에 따라 신뢰성을 향상시킬 수 있는 가열 장치를, 그 유리한 제조 방법과 함께 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 가열 장치는 판 형상의 가열 기체와, 이 가열 기체의 한쪽 면에 일단면이 접합된 중공 봉재를 구비하고, 상기 가열 기체는 상기 중공 봉재의 접합부 근방에서, 이 중공 봉재의 외주면과 동일면이 되는 측면부와, 이 측면부에 접속하는 오목한 곡면부를 갖고, 상기 가열 기체와 상기 중공 봉재의 접합 계면의 단부가 이 가열 기체의 측면부와, 중공 봉재의 외주면 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.

이 오목한 곡면부의 곡률 반경(R)은 1∼10 mm인 것이 바람직하다. 또한, 상기 오목한 곡면부는 중공 봉재의 중심 축선을 포함하는 단면에서 타원의 호의 형상으로 함으로써, 신뢰성을 한층 높일 수 있다. 오목한 곡면부는 바람직하게는 Ra로 0.8 ㎛ 이하로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 가열 장치의 제조 방법은 가열 기체의 한쪽 면에 중공 봉재의 일단면을 접합하는 공정과, 이 가열 기체와 중공 봉재의 접합부 근방에 있어서 의 가열 기체측에 형성된 오목한 곡면부를 연삭 가공하는 공정을 갖고, 상기 연삭 가공을 연삭 지석의 입도를 325번 이상, 이송 속도를 0.2 mm/min 이하의 조건으로 행하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 가열 장치의 실시예에 대해서 도면을 이용하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 가열 장치의 일실시예의 모식적인 종단면도이다. 도 1에 도시되는 가열 장치는 가열 기체로서 원반 형상의 세라믹스 기체(11)를 구비하고 있다. 이 세라믹스 기체(11)의 내부에는 저항 발열체(12)가 매설되어 있다. 이 저항 발열체(12)에 전력이 공급됨으로써, 저항 발열체(12)가 발열하여 세라믹스 기체(11)가 가열된다. 이 세라믹스 기체(11)의 가열에 의해, 이 세라믹스 기체(11)에 세트된 피가열재(예컨대, 반도체 웨이퍼)가 가열되게 된다. 이 원반 형상의 세라믹스 기체(11)의 한쪽 면이 피가열재를 부착하여 가열하기 위한 가열면(11a)이 되고, 가열면(11a)과는 반대측의 면은 세라믹스 기체(11)를 지지하는 중공 봉재로서의 샤프트(13)가 접합되는 접합면(11b)이 된다. 이 접합면(11b)에 있어서의 중앙부 근방은 주연부 근방보다도 판 두께가 두꺼워지며, 이 중앙부 표면(11c)에 샤프트(13)가 접합된다.

샤프트(13)는 중공의 개략 원통 형상이며, 이 샤프트(13)의 내부 공간에, 세라믹스 기체(11)의 저항 발열체(12)에 전력을 공급하기 위한 리드선이나 급전봉이 배치된다. 또한, 세라믹스 기체(11)가 정전척이나 고주파 전극을 갖고 있을 때에는 세라믹스 기체(11) 내에 매설된 전극과 접속하는 리드선이 이 샤프트(13)의 내부 공간에 배치된다.

샤프트(13)는 세라믹스 기체(11)와 접합하는 측의 단부에 플랜지부(13a)가 형성되어 있고, 이 플랜지부(13a)의 외주면(13b)은 도시한 종단면에서 직선 형상으로 되어 있다. 플랜지부(13a)의 단면(13c)을 세라믹스 기체(11)의 중앙부 표면(11c)에 맞댄 상태에서 고상 접합 또는 액상 접합에 의해, 샤프트(13)가 세라믹스 기체(11)에 접합되어 있다.

그리고, 샤프트(13)의 접합부 근방에서, 세라믹스 기체(11)는 접합면(11b)의 평면과 매끄럽게 접속되는 오목한 곡면부(11d)를 갖고 있다. 또한, 세라믹스 기체(11)는 접합된 샤프트(13)의 플랜지부(13a) 외주면(13b)과 동일면이 되고, 이 외주면(13b) 및 상기 오목한 곡면부(11d)와 단차 없이, 직선적으로 접속하는 측면부(11e)를 갖고 있다. 이 때문에, 세라믹스 기체(11)와, 샤프트(13)의 접합 계면의 외주측 단부는 이 세라믹스 기체(11)의 측면부(11e)와, 샤프트(13)의 플랜지부(13a)의 외주면(13b) 사이에 위치하게 된다. 즉, 종래의 세라믹스 기체와 같이, 접합 계면의 단부가 오목한 곡면부(라운드부)의 면 내에 접하는 경우는 없다.

종래의 가열 장치로서, 세라믹스 기체와 샤프트의 접합 계면의 단부가 오목한 곡면부(라운드부)의 면 내에 접하고 있는 가열 장치에 있어서, 이 접합 계면의 단부로부터 크랙이 발생하는 원인은 가열 장치의 사용시에 있어서의 열응력에 의한 것으로 생각할 수 있다. 상세하게 설명하면, 저항 발열체의 발열에 의해 세라믹스 기체는 가열면측에서는 균일하게 가열되지만, 샤프트와 접속하고 있는 부분은 샤프트로의 전열에 의해 다른 부분보다도 온도가 낮아진다. 따라서, 세라믹스 기체에는 이 온도 구배에 의해 반경 방향에 열응력이 발생하고, 이 열응력은 접합 계면의 외 주측 단부에서 집중되기 때문에, 크랙이 발생하는 것이다. 접합 계면은 일반적으로, 다른 벌크 부분보다도 강도가 낮기 때문에, 일단 크랙이 발생하면, 이 접합 계면을 따라 크랙이 전파되고, 최종적으로 세라믹스 기체와 샤프트의 접합 박리를 발생시킨다. 또한, 접합 계면은 사용시의 분위기 가스에 의한 부식이나 산화의 영향을 받기 쉽고, 점차로 강도가 저하되기 때문에, 이 점에서도 접합 박리를 초래하고 있었다. 샤프트의 내측 공간은 통전봉이나 리드선이 배치되기 때문에, 이들 통전봉이나 리드선을 부식성 가스로부터 보호하기 위해서도 접합의 박리를 억제하여, 신뢰성을 높이는 것이 요구된다.

종래의 세라믹스 기체에 오목한 곡면부(라운드부)가 형성되어 있는 것은 이 열응력의 집중을 완화시키기 위함이지만, 이 라운드부의 면 내에 접합 계면이 접하고 있었던 경우에는, 역시 크랙이 발생하는 경우가 있었다.

이것에 대하여, 도 1에 도시한 실시예의 가열 장치에서는 오목한 곡면부(11d)가 세라믹스 기체측에만 형성되어 있다. 그리고 세라믹스 기체(11)는 이 오목한 곡면부(11d)뿐만 아니라 샤프트(13)의 플랜지부(13a)의 외주면(13b)과 동일 평면이 되는 측면부(11e)도 갖고 있다. 그 때문에, 접합 계면의 단부는 상호 매끄럽게 접속되어 있는 세라믹스 기체(11)의 측면부(11e)와 샤프트(13)의 외주면(13b) 사이에 위치하고 있다. 그리고, 접합 계면은 세라믹스 기체(11)의 측면부(11e) 및 샤프트(13)의 외주면(13b)과 수직으로 교차한다. 따라서, 접합 계면의 단부는 접합 열응력에 대한 내력이 크고, 응력 집중이 효과적으로 억제되며, 크랙의 발생이 억제된다. 그 때문에, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

오목한 곡면부(11d)의 곡률 반경은 1∼10 mm의 범위가 바람직하다. 곡률 반경이 0.5 mm 정도로 극단적으로 작은 경우는 오목한 곡면부(11d)를 마련한 효과가 작아지고, 이 단부에 집중되는 응력값이 높아져, 크랙이 발생할 우려가 있다. 또한, 오목한 곡면부(11d)의 곡률 반경이 클수록 접합 계면의 외주측 단부에 가해지는 응력값을 저감할 수 있지만, 큰 곡률 반경을 확보하기 위해서는 세라믹스 기체(11)의 가공 전의 초기 두께를 크게 해야 한다. 세라믹스 기체(11)의 두께를 크게 하는 것은 세라믹스 기체(11) 자체 강도의 저하를 초래할 우려가 있다. 왜냐하면, 세라믹스 구조체는 그 체적이 클수록 내부 결함을 포함한 확률이 높아지기 때문이다. 그 때문에, 내부 결함의 관점으로부터는 두께를 크게 하는 것에는 한도가 있다. 게다가, 중심 부근만의 열용량이 커지는 것으로부터 승온시에 중심 온도의 상승이 지연되고, 중심 부근에 인장 응력이 발생하여 파손되기 쉬워진다. 또한, 오목한 곡면부(11d)의 형성은 연삭 가공에 의해 세라믹스 기체(11)의 중앙부 근방 이외의 부분을 제거함으로써 행해지기 때문에, 곡률 반경이 크고, 그 때문에 세라믹스 기체(11)의 연삭 가공 전의 초기 두께가 두꺼울수록 가공값이 비싸져 비용 상승을 초래한다. 따라서, 오목한 곡면부(11d)의 곡률 반경은 10 mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는 1∼4 mm이다.

세라믹스 기체(11)의 중앙부 근방의 두께는 2∼50 mm의 범위가 바람직하고, 5∼30 mm의 범위가 보다 바람직하다. 앞에 설명한 오목한 곡면부(11d)의 곡률 반경은 이 세라믹스 기체(11)의 두께보다도 작은 값이며, 이 세라믹스 기체(11)의 두께에 따라 적절한 값으로서 정할 수 있다.

오목한 곡면부(11d)의 표면 거칠기는 중심선 평균 거칠기(Ra)로 0.8 ㎛ 이하 인 것이 바람직하다. 발명자들의 연구에 의해, 동일한 곡률 반경의 경우라도 오목한 곡면부(11d)의 표면 거칠기가 크면, 크랙이 발생하기 쉽다는 것이 판명되었다. 이것은 표면 거칠기가 크면, 표면의 요철이 파괴 기점이 되기 쉽기 때문이라고 생각할 수 있다. 오목한 곡면부(11d)의 표면 거칠기가 중심선 평균 거칠기(Ra)로 0.8 ㎛ 이하인 것에 의해, 크랙의 발생을 효과적으로 억제하여, 한층 높은 신뢰성을 높이는 것이 가능해진다. 이러한 중심선 평균 거칠기(Ra)의 조정은 세라믹스 기체(11)의 제작시에 있어서, 오목한 곡면부를 연삭 가공할 때에, 연삭 지석의 입도를 325번 이상, 이송 속도를 0.2 mm/min의 조건으로 행함으로써 유리하게 실현할 수 있다.

세라믹스 기체(11)의 오목한 곡면부(11d)를 접합 계면으로부터 격리하고 있는 측면부(11e)의 직선적인 길이는 0.5∼2.0 mm의 범위가 바람직하다. 측면부(11e)를 길게 하기 위해서는 세라믹스 기체의 가공 전의 두께를 크게 해야 하여, 가공값이 비싸진다. 또한, 측면부(11e)가 너무 짧으면, 접합 계면이 오목한 곡면부(11d)와 근접하게 되어, 본 발명의 효과를 충분하게 얻지 못할 우려가 있다.

다음에, 도 2a 및 2b를 이용하여 본 발명의 가열 장치의 다른 실시예를 설명한다.

도 2a는 본 발명의 가열 장치의 다른 실시예의 모식적인 종단면도이며, 도 2b는 도 2a의 A 영역의 확대도이다. 또한, 도 2a 및 2b에서는 도 1과 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 이하에서는 중복되는 기재를 생략한다.

도 2a 및 2b에 도시한 실시예의 가열 장치는 세라믹스 기체(21)와 샤프트(13)를 구비하고 있다. 이 세라믹스 기체(21)는 가열면(21a)과, 접합면(21b)을 갖고, 이 접합면(21b)의 중앙부 근방은 주연부 근방보다도 판 두께가 두꺼워지며, 이 중앙부 표면(21c)에 샤프트(13)가 접합된다.

그리고, 샤프트(13)와의 접합부 근방에서 세라믹스 기체(21)는 접합면(21b)의 평면과 매끄럽게 접속되는 오목한 곡면부(21d)를 갖고 있는 동시에, 이 오목한 곡면부(21d) 및 샤프트(23)의 플랜지부(13a)의 외주면(13b)에 단차 없이 직선적으로 접속하는 측면부(21e)를 갖고 있다.

이 오목한 곡면부(21d)는 샤프트(13)의 중심 축선을 포함하는 단면에 있어서, 타원의 호의 형상을 갖고 있고, 또한, 이 타원의 장축이 세라믹스 기체(21)의 접합면(21b)과 평행해지며, 단축이 세라믹스 기체(21)의 접합면(21b)과 수직이 된다. 이러한 타원의 호 형상의 단면 형상을 갖는 점에서 도 2a 및 2b에 도시한 실시예는 도 L에 도시한 실시예와는 다르다.

도 2a 및 2b에 도시한 실시예에서는 오목한 곡면부(21d)가 샤프트(13)의 중심 축선을 포함하는 단면에 있어서, 타원의 호의 형상을 갖고 있음으로써, 도 1에 도시한 실시예에 비해서, 세라믹스 기체의 두께[도 2b에 도시한 t0]를 크게 하는 일 없이, 효과적으로 곡률 반경을 크게 한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 오목한 곡면부(21d)는 측면부(21e)와 접속하는 영역의 곡률이 특히 완만한 곡률의 호가 되기 때문에, 도 1에 도시한 실시예보다도 한층 높은 열응력을 완화하는 것이 가능해진다.

오목한 곡면부(21d)의 호의 단축 반경(A)은 1∼10 mm, 장축 반경(B)은 단축 반경(A)에 대한 비(B/A)로 1.2∼10이 되는 범위가 되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 단축 반경(A)이 1∼4 mm, 장축 반경(B)이 단축 반경(A)에 대한 비(B/A)로 1.5∼5의 범위이다.

단축 반경(A)이 1 mm가 되지 않으면, 오목한 곡면부(21d)를 형성한 효과에 부족하다. 또한, 단축 반경(A)이 10 mm를 초과할 때는 세라믹스 기체(21)의 두께(t0)를 크게 해야 하여, 세라믹스 기체(11)의 체적이 증가하고 강도가 낮아질 우려가 있다. 또한, 오목한 곡면부(21d)의 형성은 연삭 가공에 의해 세라믹스 기체(21)의 중앙부 근방 이외의 부분을 제거함으로써 행해지기 때문에, 단축 반경이 크고, 그 때문에 세라믹스 기체(21)의 연삭 가공 전의 초기 두께가 두꺼울수록 가공값이 비싸져 비용 상승을 초래한다. 따라서, 단축 반경은 10 mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는 1∼4 mm이다.

장축 반경(B)의 단축 반경(A)에 대한 비(B/A)가 1.5보다 작으면, 오목한 곡면부(21d)의 단면 형상이 원에 가까워지며, 이 실시예의 특징적인 효과에 부족해진다. 또한, 장축 반경(B)의 단축 반경(A)에 대한 비(B/A)가 10을 초과하면, 세라믹스 기체(21)의 중심부 근방의 열용량이 너무 커져, 균열성이 악화될 우려나 승온에 시간이 걸릴 우려가 있다.

도 2a 및 2b에 도시한 실시예에 있어서도 세라믹스 기체(21)의 중심부 근방의 두께[도 2b에 나타낸 t0]는 2∼50 mm의 범위가 바람직하고, 5∼30 mm의 범위가 보다 바람직하다. 그리고 오목한 곡면부(21d)의 곡률 반경은 이 세라믹스 기체(21) 의 두께보다도 작은 값으로, 이 세라믹스 기체(21)의 두께에 따라 적절한 값으로서 정할 수 있다.

오목한 곡면부(21d)의 표면 거칠기는 중심선 평균 거칠기(Ra)로 0.8 ㎛ 이하 인 것이 바람직하다. 오목한 곡면부(21d)의 표면 거칠기가 중심선 평균 거칠기(Ra)로 0.8㎛ 이하인 것에 의해 크랙의 발생을 효과적으로 억제하고, 한층 높은 신뢰성을 높이는 것이 가능해진다. 이러한 중심선 평균 거칠기(Ra)의 조정은 세라믹스 기체(21)의 제작시에 있어서, 오목한 곡면부를 연삭 가공할 때에, 연삭 지석의 입도를 325번 이상, 이송 속도를 0.2 mm/min 이하의 조건으로 행함으로써 유리하게 실현할 수 있다.

오목한 곡면부(21d)를 접합 계면으로부터 격리하고 있는 측면부(21e)의 직선적인 길이는 도 1에 도시한 실시예와 동일하게 0.5∼2.0 mm의 범위가 바람직하다. 측면부(21e)를 길게 하기 위해서는 세라믹스 기체의 가공 전의 두께를 크게 해야하며, 가공값이 비싸진다. 또한, 측면부(21e)가 너무나 짧으면, 접합 계면이 오목한 곡면부(21d)와 근접하게 되고, 본 발명의 효과를 충분하게 얻지 못할 우려가 있다.

다음에, 도 3 및 도 4를 이용하여, 비교예의 가열 장치를 설명한다.

도 3은 비교예의 가열 장치의 모식적인 종단면도이다. 도 3의 가열 장치는 세라믹스 기체(31)와, 이 세라믹스 기체(31)의 가열면(31a)과는 반대측 접합면(31b)에 접합된 샤프트(23)를 구비하고 있다. 또한, 이 비교예에서는 세라믹스 기체(31)와 샤프트(23)의 접합부 근방에 있어서, 샤프트(23)의 플랜지부(23a)에 외주면(23b)과, 이 외주면(23b)과 매끄럽게 하는 오목한 곡면부(23d)를 갖고 있다. 이것에 의해, 세라믹스 기체(31)와 샤프트(23)의 접합 계면이 오목한 곡면부(23d)의 면 내에 접하는 경우가 없기 때문에, 상기 접합 계면의 외주측 단부로부터 크랙이 발생하는 것을 억제하는 것은 가능하다. 무엇보다도 도 3에 도시한 형상이 되는 세라믹스의 샤프트(23)를 제작하는 것은 기지한 제조 방법으로는 곤란하기 때문에, 도 1이나 도 2a 및 2b에 도시한 실시예가 실제 제조인 것을 생각하면 유리하다.

도 4는 다른 비교예의 가열 장치의 모식적인 종단면도이다. 도 4의 가열 장치는 세라믹스 기체(101)와, 이 세라믹스 기체(101)에 매설된 저항 발열체(102)와, 이 세라믹스 기체(101)의 가열면(101a)과는 반대측인 접합면(101b)에 접합된 샤프트(103)를 구비하고 있다. 세라믹스 기체(101)의 접합면(101b)은 중앙부 근방의 두께가 두꺼워지며, 이 중앙부 표면(101c)에 샤프트(103)가 접합된다. 샤프트(103)의 한쪽 단부에는 플랜지부(103a)가 형성되고, 이 플랜지부(103a)는 외주면(103b)과, 단면(103c)을 갖고 있다.

그리고, 이 세라믹스 기체(101)와 샤프트(103)와의 접합부 근방에는 오목한 곡면부(101d)가 형성되어 있지만, 이 오목한 곡면부(101d)의 면 내에, 세라믹스 기체(101)와 샤프트(103)의 접합 계면이 접하고 있다. 이 점이 도 1 및 도 2a 및 2b에 도시한 실시예와는 다르다. 도 4에 도시한 비교예에서는 이 오목한 곡면부(101d)의 면 내에 접하고 있는 접합 계면의 단부로부터 크랙이 발생할 우려가 있다.

이상, 도면을 이용하여 본 발명에 따른 가열 장치의 실시예를 설명하였지만, 본 발명에 따른 가열 장치에 있어서, 세라믹스 기체(11), 세라믹스 기체(21)의 구 성은 도시한 예에 한정되지 않는다. 또한, 세라믹스 기체(2)의 재료로서는 바람직하게는 질화알루미늄, 탄화규소, 질화규소, 질화붕소, 멀라이트, 사이알론 등의 질화물 세라믹스, 알루미나-탄화규소 복합 재료 등이 있으며, 또한 이것들에 한정되지 않고, 공지한 세라믹스 재료라도 좋다. 가열 장치 사용시의 분위기 중에 포함되는 할로겐계 가스 등의 부식성 가스에 대하여 높은 내부식성을 부여하기 위해서는 질화알루미늄이나 알루미나가 특히 바람직하다. 또한, 세라믹스 기체에 한정되지 않고, 내열 금속(내열 스테인리스강이나 인코넬 등의 Ni기 합금)을 기체에 이용한 가열 장치에 있어서도 본 발명의 구성을 적용할 수 있다.

샤프트는 열응력을 가능한 한 완화하는 관점으로부터 세라믹스 기체와 동일한 재료인 것이 바람직하다.

본 발명의 가열 장치는 세라믹스 기체의 제작 공정, 샤프트의 제작 공정, 세라믹스 기체와 샤프트의 접합 공정의 각 공정을 거쳐 제조된다. 이들의 각 공정에 대해서는 통상의 방법에 따라 행할 수 있다.

본 발명의 가열 장치에 특징적인 세라믹스 기체의 오목한 곡면부의 형성은 세라믹스 기체의 제작 공정시 및/또는 세라믹스 기체와 샤프트의 접합 공정 후에, 연삭 가공을 실시함으로써 행할 수 있다. 이 연삭 가공의 마무리 가공시에는 연삭 지석의 입도를 325번 이상, 이송 속도를 0.2 mm/min 이하의 조건으로 행하는 것이 보다 바람직하다. 이 조건으로 연삭 가공을 실시함으로써, 크랙의 발생을 보다 효과적으로 억제할 수 있기 때문이다.

상세하게 설명하면, 통상의 연삭 방법에서는 연삭 지석의 입도나 이송 속도 를 바꾸어도 오목한 곡면부의 표면 거칠기는 중심선 평균 거칠기(Ra)로 0.8 ㎛ 정도가 한계이며, 중심선 평균 거칠기(R)에 관해서 0.8 ㎛ 정도보다도 작은 값으로 하는 것은 곤란하다. 그런데, 발명자들의 연구에 의하면, 연삭 지석의 입도를 정밀하게 하고, 이송 속도를 작게 함으로써, 오목한 곡면부의 표면 거칠기의 변화는 나타나지 않는다고 하여도 접합 강도가 한층 향상되는 것이 판명되었다. 이것은 가공시의 연삭 지석의 입도를 정밀하게 하고, 이송 속도를 작게 함으로써, 오목한 곡면부의 가공 손상, 즉 마이크로 크랙이 저감되기 때문이라고 생각할 수 있다. 따라서, 이 연삭 가공의 마무리 가공시에는 연삭 지석의 입도를 325번 이상, 이송 속도를 0.2 mm/min 이하의 조건으로 행하는 것이 보다 바람직하다.

[실시예]

[실시예 1]

세라믹스 기체와 샤프트의 접합부 근방의 오목한 곡면부의 위치 및 형상을 다양하게 바꾼 복수의 가열 장치를 제조하였다. 이 가열 장치는 세라믹스 기체 및 샤프트를 AlN 분말을 원료로 하여 프레스 성형-소결에 의해 각각 제작한 후, 양쪽을 고상 접합에 의해 접합함으로써 제조한 것이다.

세라믹스 기체의 외부 지름은 348 mm, 외주부에서의 두께[도 2(b)의 t1]는 25 mm로 일정하게 하고, 오목한 곡면부의 곡률 반경 및 세라믹스 기체의 중앙부에서의 두께[도 2b의 t0]를 다양하게 바꾼 가열 장치를 준비하였다. 이들의 가열 장치의 샤프트는 플랜지부의 외부 지름이 75 mm, 내부 지름이 52 mm, 플랜지부의 두께(외주부의 축선 방향 길이)가 5 mm였다. 또한, 오목한 곡면부의 가공에 있어서는 지석의 순번을 #200, 지석의 회전수를 6000(rpm), 지석의 이송 속도를 0.2 mm/min으로 하고, 오목한 곡면부의 표면 거칠기는 Ra 0.9 ㎛였다. 이들 가열 장치의 각각을 NF₃ 가스, 400 Torr의 분위기가 되는 챔버 내에 놓고, 700℃에서 가열한다. 24시간의 연속 운전을 행한 후, 일단, 200℃까지 온도를 강온하고, 다시 700℃까지 승온한다. 이러한 열시험을 소정의 기간 행한 후, 크랙 발생의 유무를 조사하였다.

그 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 비교예 1∼5는 접합부 근방의 오목한 곡면부가 세라믹스 기체와 샤프트의 접합 계면에 접하여 위치하고 있기 때문에, 하루 경과한 후에 크랙이 발생하였다. 또한, 비교예 1∼5 중에서도 곡률 반경이 큰 비교예 5는 반년 후가 될 때까지 이상이 보이지 않고, 곡률 반경을 3 mm 정도로 크게 하는 것이 크랙의 억제에 유효하다는 것을 알 수 있다.

또한, 실시예 1∼5는 본 발명에 따라 오목한 곡면부가 세라믹스 기체측에 위치하고, 또한, 이 오목한 곡면부에 접속하는 측면부가 0.5∼2 mm의 길이로 형성되어 있는 예이다. 실시예 1∼5로부터, 오목한 곡면부의 곡률 반경이 1∼10 mm의 범위에 있는 경우는 반년 후가 될 때까지 이상이 보이지 않고, 우수한 신뢰성을 나타내었다. 그 중에서도 오목한 곡면부의 곡률 반경이 1∼4 mm의 범위에 있는 경우는 1년 경과 후에도 이상이 보이지 않으며, 특히 우수한 신뢰성을 나타내었다. 또한, 비교예 6에서는 오목한 곡면부의 곡률 반경이 0.5 mm로 너무 작아 본 발명의 효과가 유효하지 않았다. 또한, 비교예 7에서는 오목한 곡면부가 12 mm로 너무 크기 때문에, 중심부의 열용량이 너무 커져 승온 중에 파손되었다.

또한, 실시예 6 및 실시예 7은 본 발명에 따라, 오목한 곡면부가 세라믹스 기체측에 위치하고, 이 오목한 곡면부가 타원 단면 형상을 가지며, 또한, 오목한 곡면부에 접속하는 측면부가 1∼2 mm의 길이로 형성되어 있는 예이다. 실시예 6 및 실시예 7로부터, 타원 단면 형상을 갖고 있는 경우에는 1년 경과 후에도 이상이 보이지 않으며, 특히 우수한 신뢰성을 나타내었다. 실시예 6을 이 실시예 6의 단축 반경과 동일한 곡률 반경을 갖고 있는 비교예 6과 대비하고, 또한, 실시예 7을 이 실시예 7의 단축 반경과 동일한 곡률 반경을 갖고 있는 실시예 1과 대비함으로써, 오목한 곡면부를 타원 단면 형상으로 함으로써, 세라믹스 기체 중앙부의 두께가 동일하여도 보다 신뢰성을 높게 할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

[실시예 2]

세라믹스 기체의 오목한 곡면부의 표면 거칠기와 접합 강도의 관계를 조사하였다. 이용한 가열 장치는 실시예 1에 이용한 가열 장치와 동일한 재료, 사이즈를 갖는 것이다.

오목한 곡면부는 단면이 진원인 호 형상이며, 곡률 반경은 2 mm, 세라믹스 기체의 중앙부 근방의 두께는 28 mm, 외주부 근방의 두께는 25 mm인 것을 이용하였다.

오목한 곡면부의 마무리 연삭 가공시에 연삭 지석의 지립 크기와, 지석의 회전 속도와, 지석의 이송 속도를 다양하게 변경하여, 가공을 행한 결과를 접합 계면의 강도와 접합 계면의 표면 거칠기와 함께 표 2에 나타낸다. 또한, 접합 계면의 강도는 테스트 피스를 잘라내고, 외팔보 벤딩 시험에 의해 구하였다.

표 2로부터, 지립의 크기(지석의 순번)를 325 이상으로 하고, 이송 속도를 0.2 mm/min 이하로 함으로써, 극적으로 강도가 향상되는 것을 알 수 있다.

오목한 곡면부를 가공하는데 있어서, 지석의 순번을 #325로 하고, 지석의 회전수를 6000(rpm), 이송 속도를 0.2 mm/min으로 하여, 표 1의 실시예 4와 동일한 형상의 가열 장치를 제작하고, [실시예 1]에 나타내는 것과 동일한 조건으로 가열 부식 시험을 행하였다. 결과, 2년 후에도 크랙은 발생하지 않았다. 이것으로부터 지립의 크기(지석의 순번)를 325 이상으로 하고, 이송 속도를 0.2 ㎜/min 이하로 함으로써, 가열 장치의 신뢰성을 더욱 높일 수 있다는 것을 알았다.

본 발명의 가열 장치에 따르면, 가열 기체와 중공 봉재의 접합 계면을 기점으로 하여 크랙이 발생하는 것이 억제되고, 가열 장치의 신뢰성을 높이는 것이 가능해진다.

Claims

판 형상의 가열 기체(基體)와, 이 가열 기체의 한쪽 면에 일단면이 접합된 중공 봉재(棒材)를 구비하고,

상기 가열 기체는 상기 중공 봉재와의 접합부 근방에서, 이 중공 봉재의 외주면과 동일면으로 되는 측면부와, 이 측면부에 접속하는 오목한 곡면부를 포함하고, 상기 가열 기체와 상기 중공 봉재의 접합 계면의 단부가 이 가열 기체의 측면부와 중공 봉재의 외주면 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 오목한 곡면부의 곡률 반경(R)은 1∼10 mm인 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 오목한 곡면부는 중공 봉재의 중심 축선을 포함하는 단면에서 타원의 호 형상인 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 오목한 곡면부의 표면 거칠기는 중심선 평균 거칠기(Ra)로 0.8 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 가열 장치.
가열 기체의 한쪽 면에 중공 봉재의 일단면을 접합하는 공정과, 이 가열 기체와 중공 봉재의 접합부 근방에 있어서의 가열 기체측에 형성된 오목한 곡면부를 연삭 가공하는 공정을 포함하는 청구항 제1항의 가열 장치의 제조 방법에 있어서,

상기 연삭 가공을 연삭 지석의 입도를 325번 이상, 이송 속도를 0.2 mm/min 이하의 조건으로 행하는 것을 특징으로 하는 가열 장치의 제조 방법.