KR101333631B1 - 퀄츠 히터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 제조 공정에 사용되는 퀄츠 히터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 내열성이 우수하여 고온사용이 가능하고 급가열 및 급냉각도 가능하며 열효율이 좋은 퀄트(quartz) 히터를 구성하되, 가열면의 온도분포를 균일하게 하여 가열대상의 공정처리 품질을 향상시킨 퀄츠 히터에 관한 것이며, 이를 위해서, 열을 상부로 반사하는 써멀 리플렉터(17), 전기 공급으로 발열하는 히터 엘리먼트(16) 및 히터 엘리먼트(16)의 열을 균일한 분포로 전달하는 써멀 쉬트(15)를 퀄츠 플레이트(12, 13)를 개재하면서 순차적으로 적층한 후에 상하에 각각 퀄츠 플레이트(11, 14)를 추가 적층하여 압착한 히터 플레이트(10); 및 히터 플레이트(10)의 저면에 고정되고, 히터 엘리먼트(16)에 전기적으로 연결하는 히터 로드(26)를 수용한 샤프트(20); 를 포함하여 구성된다.
Description
본 발명은 반도체 제조 공정에 사용되는 퀄츠 히터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 내열성이 우수하여 고온사용이 가능하고 급가열 및 급냉각도 가능하며 열효율이 좋은 퀄트(quartz) 히터를 구성하되, 가열면의 온도분포를 균일하게 하여 가열대상의 공정처리 품질을 향상시킨 퀄츠 히터에 관한 것이다.
반도체 제조공정 중에 웨이퍼 표면에 특정 물질을 증착하는 공정에서, 웨이퍼를 지지하며 열을 가하는 스테이지 히터를 사용하며, 이러한 스테이지 히터는 일반적으로 700℃ 이하 용으로 AIN 히터(세라믹 히터)를 많이 사용한다.
최근에는, 웨이퍼 배선의 미세화 및 웨이퍼의 대형화(예를 들면 300mm 웨이퍼에서 450mm 웨이퍼로의 대형화) 추세에 따라 박막 증착 공정의 필요성이 크게 부각되고 있으며, 이에 따라, 박막 증착을 위한 저압 화학기상증착(LP CVD : Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 공정을 적용한. 저압 화학기상증착 공정은 초고온(800℃) 용의 스테이지 히터를 필요로 함에 따라 내열성이 우수하고, 급가열 및 급냉각이 가능하며 열효율이 좋은 퀄츠(quartz) 재질의 판 내부에 히터 엘리먼트를 설치한 퀄트 히터를 사용한다. 또한, 저압 화학기상증착 공정에 있어서 미립자 불순물의 발생을 억제하고 가열면의 온도 균일화를 위해 배치식(Batch Type)에서 매엽식(Single Type)으로 전환되는 추세에 있다.
이러한 퀄츠 히터에 관련된 종래기술들로서, 등록특허 제10-1029094호 및 등록특허 제10-1194437호가 있었다. 상기한 종래기술들에 따르면, 도 1에 도시한 바와 같이 퀄츠로 형상한 상판과 하단의 사이에 히터 엘리먼트를 개재하여 접합한 히터 플레이트(10)를 보여준다. 그리고, 히터 엘리먼트를 개재한 히터 플레이트(10)의 내부를 진공처리하여 사용 수명을 향상시켰고, CVD SiC 코팅을 적용하여 유해가스 및 불순물들이 히터 내부로 침투하지 못하게 하고 표면을 보호함으로써 내부식성을 개선하고 온도 균일성을 개선하였다.
하지만, 상기 종래기술들은 가열면의 균일한 온도분포를 위해 히터 엘리먼트를 전체면에 고르게 배선하려고 해도 히터 엘리먼트를 구성하는 배선의 굵기 및 배선 간의 간격을 충분히 갖게 하여야만 해서 온도 분포를 균일하게 하는 데에는 한계가 있다.
또한, 히터 엘리먼트에서 발생한 열을 온전히 상부로 전달하여야 하는 데, 상기 종래기술에 따르면 하부로의 열 손실이 발생하여서 효율이 낮아지는 문제도 있다.
한편, 히트 플레이트(10)의 저면에는 샤프트(20)를 고정하게 되는 데, 상기 종래기술에 따르면 히트 플레이트(10)의 저면에 홈을 형성하고 이 홈에 강력 접착제를 도포한 후에 샤프트(20)를 이 홈에 삽입고정하였으나, 히트 플레이트(10)의 급속 가열 및 급속 냉각하는 과정에서 샤프트(20)가 분리될 수 있는 여지가 있다.
이에, 퀄츠 히터를 구성함에 있어서, 가열면의 온도 분포를 더욱 균일하게 하고, 열효율을 높이며, 샤프트(20)를 더욱 견고하게 고정하도록 구성할 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 가열면의 온도분포를 종래기술에 비해 더욱 균일하게 하고, 히터 엘리먼트의 열을 가열면에 집중시켜 열효율을 높이며, 샤프트의 고정 구조를 더욱 견고하게 한 퀄츠 히터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 퀄츠 히터에 있어서, 열을 상부로 반사하는 써멀 리플렉터(17), 전기 공급으로 발열하는 히터 엘리먼트(16) 및 히터 엘리먼트(16)의 열을 균일한 분포로 전달하는 써멀 쉬트(15)를 퀄츠 플레이트(12, 13)를 개재하면서 순차적으로 적층한 후에 상하에 각각 퀄츠 플레이트(11, 14)를 추가 적층하여 압착한 히터 플레이트(10); 및 히터 플레이트(10)의 저면에 고정되고, 히터 엘리먼트(16)에 전기적으로 연결하는 히터 로드(26)를 수용한 샤프트(20); 를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 써멀 리플렉터(17), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 쉬트(15)는, 각각 하측에 적층하는 퀄츠 플레이트의 상면에 요홈(19')을 형성하여 상기 요홈(19')에 끼워지게 하고, 상측에 적층한 퀼츠 플레이트의 저면에 상기 요홈(19') 형상에 맞는 돌기(19)를 형성하여서, 상하의 퀄츠 플레이트 사이에 개재될 때에 돌기(19)의 압착에 의해 밀착되게 한 것임을 특징으로 한다.
상기 퀄츠 플레이트들(11,12,13,14)은, 사이사이에 상기 써멀 리플렉터(17), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 쉬트(15)를 개재한 상태에서, 테두리를 서로 밀착되게 하여서, 용융접합에 의해 테두리끼리 접합되게 한 것임을 특징으로 한다.
상기 샤프트(20)는, 퀄츠(quartz) 재질로 형성되고, 최하층에 적층되는 퀄츠 플레이트(14)의 저면에서, 상기 샤프트(20)의 상단(21)에 고정하려는 부위(141)를 하부로 돌출시키며, 하부로 돌출시킨 부위(141)에 상기 샤프트(20)의 상단(21)을 접촉시킨 상태에서 용융접합함을 특징으로 한다.
상기 샤프트(20)는, 퀄츠(quartz) 재질로 형성되고, 외주면의 하단에 외향의 플랜지(22)를 구비하며, 플랜지(22)의 상면과 측면을 감싸는 링(23)을 외삽하여서, 볼트(25)를 링(23) 상면 및 플랜지(22)에 순차적으로 관통시켜 마운트(30)에 고정하게 함을 특징으로 한다.
상기 히터 엘리먼트(16)는, 중심점 근처에 2회로의 단자(157, 158)를 형성하고, 동일 펄스 폭 및 펄스 높이를 갖는 대칭 구형파 형상의 열선을 원의 그리도록 굽혀 원을 따라 대칭 구형파를 갖는 패턴으로 구성하되, 상기 중심점을 기준으로 등간격으로 그어지는 서로 다른 직경을 갖는 동심원 상에 각각 패턴(151, 152, 153, 154, 155)을 배치하며, 패턴들을 중심점 측과 외곽 측으로 분류하여 중심점 측의 패턴들(153, 154, 155)을 직렬 연결하여 제 1회로로 하고 외곽 측의 패턴들(151, 152)을 직렬 연결하여 제 2회로로 하여 상기 2회로의 단자(157, 158)에 분리하여 이어지게 한 것임을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은, 상하의 퀄츠 플레이트 사이에 히터 엘리먼트(16)를 개재한 퀄츠 히터를 구성함에 있어서, 히터 엘리먼트(16)의 하부에 써멀 리플렉터(17)를 배치하고 히터 엘리먼트(16)의 상부에 써멀 쉬트(15)를 배치하여 하부로의 열 손실을 방지하며 상부 가열면의 온도 분포를 써멀 쉬트(15)로 더욱 균일하게 하는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명은 써멀 쉬트(15) 및 써멀 리플렉터(17)를 추가 배치함에 있어서, 히터 엘리먼트(16)와의 사이에 퀄츠 플레이트를 추가 적층하여 히터 엘리먼트(16)와 이격되게 하므로, 써멀 쉬트(15) 및 써멀 리플렉터(17)를 전도성 재질로 구성 가능하는 점의 재질의 선택에 제약이 없고, 단순히 적층하는 방식으로 히터 플레이트(10)를 제작할 수 있어서 공정이 단순하다.
또한, 본 발명은 히터 플레이트(10)의 저면에 고정하는 샤프트(20)를 퀄츠로 제작하고 퀄츠의 용융접합으로 고정하므로 열팽창에 의한 접합부위의 파손에 대한 우려도 없이 사용 수명을 연장할 수 있고, 링(23)을 이용하여 샤프트(20)를 마운트(30)에 고정하므로 설치과정에서 샤프트(20)의 파손도 방지하고, 마운트(30)에 고정한 상태도 양호한 장점을 갖는다.
도 1은 종래기술에 의한 히터의 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 퀄츠 히터의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 퀄츠 히터에 있어서, 히터 엘리먼트(16)의 상면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 퀄츠 히터에 있어서, 샤프트(20)의 하단에 고정하는 마운트(30)의 저면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 퀄츠 히터의 제조 방법 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 퀄츠 히터의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 퀄츠 히터에 있어서, 히터 엘리먼트(16)의 상면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 퀄츠 히터에 있어서, 샤프트(20)의 하단에 고정하는 마운트(30)의 저면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 퀄츠 히터의 제조 방법 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 첨부된 도면들에서 구성 또는 작용에 표기된 참조번호는, 다른 도면에서도 동일한 구성 또는 작용을 표기할 때에 가능한 한 동일한 참조번호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 퀄츠 히터의 단면도이다.
상기 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 퀄츠 히터는, 반도체 제조공정용 히터로서, 4장의 퀄츠 플레이트(11, 12, 13, 14), 써멀 쉬트(15), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 리플렉터(17)를 포함하여 구성되는 히터 플레이트(10)와; 히터 플레이트(10)의 저면에 고정되는 샤프트(20);를 구비하다.
그리고, 본 발명에 따른 퀄츠 히터는, 상기 도 2에 도시한 바와 같이 반도체 제조장치에 설치할 때에 샤프트(20)의 하단을 마운트(30)에 고정하게 된다. 여기서, 상기 마운트(30)는 퀄츠 히터를 지지하면서 퀄츠 히터를 전기적으로 연결하는 접속구 역할을 하는 것이다.
이하, 본 발명에 따른 퀄츠 히터를 구성하는 상기 히터 플레이트(10) 및 샤프프(20)에 대해서 상세하게 설명한다.
상기 히터 플레이트(10)는, 종래 히터 플레이트와 유사하게 상면에 웨이퍼를 올려놓을 수 있는 평평한 판상의 형태로 구성되고, 상하로 관통 형성한 리프트핀 홀(18)을 구비하여 리프트핀 홀(18)을 통해 승강하는 리프트핀에 의해서 웨이퍼를 상면 위로 올리거나 아니면 상면에 안착시킬 수 있게 되어 있다.
나아가, 본 발명에 따르면 상기 히터 플레이트(10)는, 하부로부터 써멀 리플렉터(17), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 쉬트(15)의 순서로 적층하되 사이사이에 퀄츠 플레이트(12, 13)를 개재하면서 적층한 후에 상하에 각각 퀄츠 플레이트(11, 14)를 추가 적층하여 압착한 형태를 갖춘다.
보다 상세하게 설명하면, 4장의 퀄츠 플레이트들(11, 12, 13, 14)을 적층하되, 퀄츠 플레이트 간에 공간을 형성하여 3개의 공간을 마련함으로써, 위로부터 첫번째 공간에 상기 써멀 쉬트(15)를 넣고, 두번째 공간에 상기 히터 엘리먼트(16)를 넣고, 세번째 공간에 상기 써멀 리플렉터(17)를 넣은 후에, 4장의 제1,2,3,4 퀄츠 플레이트(11, 12, 13, 14)를 압착하여서, 상기 히터 플레이트(10)를 형성한다. 여기서, 공간이라 함은 상하 퀄츠 플레이트를 적층할 시에 테두리는 접촉된 상태로 두고 테두리를 에워싸는 가운데 부분에 형성한 공간이다.
상기한 4장의 퀄츠 플레이트들(11, 12, 13, 14)은, 퀄츠(quartz) 재질로 형성한 판의 형태로 형성되어서, 내열성이 우수하여 고온사용이 가능하고 급가열 및 급냉각도 가능하며 열효율이 좋은 히터를 제공한다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위해서, 위로부터 제1 퀄츠 플레이트(11), 제2 퀄츠 플레이트(12), 제3 퀄츠 플레이트(13) 및 제4 퀄츠 플레이트(14)의 순수로 배치한 것으로 한다.
상기 히터 엘리먼트(16)는, 전기를 공급받아 전기에너지를 열에너지로 변환하여 발열하는 구성요소로서, 제2 퀄츠 플레이트(12)와 제3 퀄츠 플레이트(13)의 사이에 개재되며, 가능하면 상부에 적층한 제2 퀄츠 플레이트(12)의 전면을 균일한 온도로 가열할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하며, 본 발명의 실시예에 따르면, 하기의 도 3에 도시된 형태에 의해서 균일한 온도 분포를 달성한다. 상기 히터 엘리먼트(16)은 예를 들면 몰리브덴으로 형성할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 써멀 리플렉터(17)는, 열을 반사하는 재질로 형성된 것으로서, 제3 퀄츠 플레이트(13)와 제4 퀄츠 플레이트(14)의 사이에 개재된다. 이에 따라, 상기 써멀 리플렉터(17)는, 제3 퀄츠 플레이트(13)를 사이에 두고 상기 히터 엘리먼트(16)의 하부에 배치되므로, 상기 히터 엘리먼트(16)의 발열에 의한 열을 상부로 반사시켜 하부로의 열손실을 방지한다. 상기 써멀 리플렉터(17)는 하부로의 열손실을 최소화하기 위해서 반사율이 높은 재질로 제작하는 것이 좋으며, 예를 들면, Inconel로 제작하거나 아니면 Inconel에 백금코팅을 하여 반사율을 더욱 높게 할 수도 있다.
상기 써멀 쉬트(15)는, 열 분포를 균일하게 하기 위한 구성요소로서, 제1 퀄츠 플레이트(11)와 제2 퀄츠 플레이트(12)의 사이에 개재된다. 따라서, 상기 써멀 쉬트(15)는, 제2 퀄츠 플레이트(12)를 사이에 두고 상기 히터 엘리먼트(16)의 상부에 배치되므로, 상기 히터 엘리먼트(16)의 발열에 의한 열을 제1 퀄츠 플레이트(11)의 전체면에 걸쳐 열 분포를 균일하게 전달한다. 이러한 상기 써멀 쉬트(15)는, 예를 들면, 열전도율이 높은 재질로 격자망으로 구성하되 격자 간격을 충분히 작게 하여 제1 퀄츠 플레이트(11)의 열 분포를 고르게 할 수 있다. 상기 써멀 쉬트(15)는 예를 들면 몰리브덴으로 형성할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기한 바와 같이, 퀄츠 플레이트(12, 13)를 개재한 상태로 히터 엘리먼트(16)의 하부에 써멀 리플렉터(17)를 배치하고 상부에 써멀 쉬트(15)를 배치하여서, 히터 엘리먼트(16)의 열을 상부로 전달하여 하부로의 열 손실을 막아 열효율을 높이고, 열을 상부로 전달할 시에 열 분포를 고르게 하므로 웨이퍼 전체면을 균일한 온도로 가열하여 웨이퍼의 공정처리 품질을 높일 수 있다. 여기서, 상기 써멀 쉬트(15) 및 써멀 리플렉터(17)는 상기 히터 엘리먼트(16)을 여유있게 덮을 수 있는 크기 및 면적을 갖게 함이 바람직하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 써멀 리플렉터(17), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 쉬트(15)는 퀄츠 플레이트의 사이에 개재할 시에, 각각 하측에 적층하는 퀄츠 플레이트의 상면에 요홈(19')을 형성하여 이 요홈(19')에 끼워지게 하고, 상측에 적층한 퀄츠 플레이트의 저면에 상기 요홈(19') 형상에 맞는 돌기(19)를 형성하여, 상하의 퀄츠 플레이트를 적층함에 따라 돌기(19)에 압착되게 한다. 여기서, 상하 적층되는 퀄츠 플레이트의 테두리는 서로 밀착되게 하여서 용융접합에 의해 테두리끼리 접합되게 한다. 물론, 퀄츠 플레이트를 적층한 상태에서 테두리끼리 서로 밀착되게 하려면, 개재되는 구성요소, 즉, 써멀 리플렉터(17), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 쉬트(15)의 두께만큼의 내부공간이 돌기(19)와 저면과 요홈(19')의 바닥면 사이에 형성되어야 한다.
그리고, 상기 도 2에 도시한 바와 같이 리프트핀 홀(18)을 형성할 경우에는, 상기 요홈(19') 및 돌기(19)를 조성할 시에 상기 리프트핀 홀(18)의 자리를 피해서 조성하고, 상기 써멀 리플렉터(17), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 쉬트(15)를 제작할 시에도 상기 리프트핀 홀(18)의 자리에 구멍을 갖게 한다. 이에 따라, 퀄츠 플레이트들을 용융접합함에 따라 상기 리프트핀 홀(18)의 자리에서도 용융접합이 이루어지게 하여서, 상기 써멀 리플렉터(17), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 쉬트(15)를 내재한 공간을 밀봉되게 한다.
아울러, 상기 도 2를 다시 참조하면, 후술하는 써모 커플(27)을 상기 써멀 쉬트(15)에 연결하여 온도를 측정하기 위해서는 써모 커플(27)의 상부를 관통시키기 위한 관통구를 제2,3,4 퀄츠 플레이트(12, 13, 14)에 각각 형성하여야 하고, 후술하는 히터 로드(26)를 상기 히터 엘리먼트(16)에 연결하여 전기를 공급하기 위해서는 히터 로드(26)의 상부를 관통시키기 위한 관통구를 제3,4 퀄츠 플레이트(13, 14)에 각각 형성하여야 한다. 따라서, 요홈(19') 및 돌기(19)를 형성할 시에 상기 리프트핀 홀(18)과 동일하게 상기한 관통구들이 형성된 자리를 피해서 형성한다.
상술한 바와 같이 형성한 히터 플레이트(10)는 코팅을 한다. 여기서, 코팅은 히터 플레이트(10)의 표면막질을 개선함으로써 반도체 제조공정 중에 각종 유해가스나 미세물질로부터 보호하여 내부식성을 개선하기 위함이다. 출원인은 Y2O3 코팅을 채용하였으나, 이러한 코팅 방식에 한정하는 것은 아니다.
다음으로, 상기 샤프트(20)는 상기 히터 플레이트(10)의 저면, 즉, 상기 제4 퀄츠 플레이트(14)의 저면에 고정되며, 상기 히터 엘리먼트(16)에 전기적으로 연결하는 히터 로드(26)를 상하로 관통하도록 내부에 수용한다. 그리고, 상기 써멀 쉬트(15)의 온도를 측정하기 위한 써모 커플(27)을 설치하는 경우에, 써모 커플(27)도 상하로 관통하도록 상기 샤프트(20)의 내부에 수용한다. 이와 같은 샤프트(20)는 하단에 마운트(30)를 고정하여서 반도체 제조장치에 설치할 때에, 상기 히터 로드(26)의 하단 및 써모커플(27)의 하단을 마운트(30)에서 외부 기기와 전기적으로 연결하게 된다. 또한, 상기 히터 로드(26)의 하단을 마운트(30)에서 외부 기기와 전기적으로 연결할 시에 마운트(30)와의 절연을 위해 절연부재(32)를 장착하기도 한다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 샤프트(20)는 퀄츠(quartz) 재질로 형성된다. 그리고, 용융접합으로 상기 샤프트(20)를 히터 엘리먼트(16)에 고정할 수 있게 하고, 상기 샤프트(20)의 하단을 마운트(30)에 고정할 시에 퀄츠(quartz) 재질에 의한 파손을 방지하게 구성된다.
먼저, 상기 히터 플레이트(10)의 저면, 즉, 상기 제1,2,3,4 퀄츠 플레이트(11, 12, 13, 14) 중에 최하층에 적층되는 제4 퀄츠 플레이트(14)의 저면에서, 상기 샤프트(20)의 상단(21)에 접촉시켜 고정하려는 부위(141)를 하부로 돌출시키고, 돌출시킨 부위(141)에 상기 샤프트(20)의 상단(21)을 접촉시킨 상태에서 용융접합한다. 여기서, 상기 샤프트(20)는 상하를 개구한 중공의 몸체로 형성되므로, 상단(21)을 플랜지 형태로 형성하여서 상기 제4 퀄츠 플레이트(14)의 저면에 돌출시킨 부위(141)와의 접촉 면적을 약간 넓게 하는 것이 좋다. 물론, 상기한 히터 로드(26) 및 써모 커플(27)은 상기 샤프트(20)의 내부를 관통한다.
이와 같이, 상기 샤프트(20)를 퀄츠(quartz) 재질로 하여 상기 히터 플레이트(10)의 제4 퀄츠 플레이트(14)에 용융접합하므로, 급속 가열 및 급속 냉각을 하더라도 접합부위가 분리되는 것을 방지한다.
다음으로, 상기 샤프트(20)의 외주면의 하단에 외향으로 돌출시킨 플랜지(22)를 형성하고, 플랜지(22)의 상면과 측면을 감싸는 링(23)을 외삽한다. 여기서, 상기 링(23)은 가능하면 플랜지(22)의 측면 전체를 감싸게 하는 것이 좋지만, 도 2에 도시한 바와 같이 샤프트(20)의 하단에 고정할 마운트(30)의 위치를 고려하여 마운트(30)의 상면에 약간 이격시킬 정도여도 괜찮다. 그리고, 상기 플랜지(22)의 상면을 감싸는 상기 링(23)의 상면에 구멍을 형성하고, 상기 링(23)에 형성한 구멍에 연통되는 구멍을 플랜지(22)에도 형성하여서, 볼트(25)를 상기 링(23)의 상면에 형성한 구멍 및 상기 플랜지(22)에 형성한 구멍에 순차적으로 관통시킨 후에 마운트(30)의 나사홈에 나사체결하게 한다.
즉, 상기 샤프트(20)는 하단을 마운트(30)에 고정하기 위해 볼트(25)로 나사체결함에 있어서, 볼트(25)의 머리를 퀄츠로 형성한 샤프트(20)에 직접 닿지 아니하게 하고 대신에 상기 링(23)에 닿게 하므로, 볼트(25)를 나사체결할 시에 샤프트(20)를 파손하지 않게 한다. 그리고, 샤프트(20)를 볼트 체결로 마운트(30)에 고정하는 과정에서 샤프트(20)의 하단이 파손되지 않도록 상기 링(23)으로 보호하기도 한다. 여기서, 볼트(25)를 체결할 시에 와샤(24)를 체결하는 것도 좋다.
한편, 상기 샤프트(20)의 플랜지(22)에 상기 볼트(25)를 관통시킬 구멍을 형성함에 있어서, 플랜지(22)의 외주면에서 중심을 향해 형성한 홈, 즉, 외주면에 상하로 길게 이어진 홈을 형성하여 볼트(25)를 상부에서 하부로 끼울 수 있게 형성할 수도 있다. 이러한 홈의 형상은 퀄츠 재질로 상기 샤프트(20)를 제작함에 있어 관통구 형태의 구멍보다는 용이하다.
상기 마운트(30)는 상기 히터 로드(20)의 하단을 관통시킬 삽입구(33, 34)와 써모 커플(27)의 하단을 관통시킬 삽입구(35)를 구비하여, 상면에 상기 샤프트(20)를 올려놓고 상기한 바와 같이 고정할 수 있게 되어 있다. 그리고, 마운트(30)의 상면에서, 상기 샤프트(20)에 접촉되는 면에는 오링(31)을 설치하여 밀폐시킨다. 여기서, 오링(31)에 접촉되는 상기 샤프트(20)의 플랜지(22) 저면은 미세한 틈새도 발생하지 않도록 표면을 매끈하게 처리하는 것이 좋다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 퀄츠 히터에 있어서, 히터 엘리먼트(16)의 상면도이고, 도 4는 샤프트(20)의 하단에 고정하는 마운트(30)의 저면도이다.
상기 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 히터 엘리먼트(16)는, 히터 플레이트(10)의 상면 전체를 가능하면 고르게 가열하기 위한 구조로 형성되며, 이를 위해서, 전원이 연결되는 단자(157, 158)를 중심점 근처에 배치하고, 중심점을 기준으로 서로 다른 직경의 동심원을 그은 후에 동심원을 따라 원을 그리며 진행하되 동심원을 기준선으로 지그재그 형태로 진행하여 대칭 구형파(square wave, 矩形波) 형상의 패턴(151, 152, 153, 154, 155)을 형성하며, 각각의 동심원 상에 형성한 패턴을 상기 단자(157, 158)에 이어지게 하였다. 즉, 각각의 동심원 상에 형성한 패턴(151, 152, 153, 154, 155)은 일직선을 기준으로 구형파를 이루게 절곡한 열선을 원을 그리도록 굴곡한 형태를 갖추며, 이때, 굴곡한 형태이므로 정확하게 구형파를 형성하는 것이 아니라 동심원과 직각을 이루는 부분은 동심원의 중심점을 향하게 된다.
여기서, 상기 패턴((151, 152, 153, 154, 155, 156)은 전기가 흐를 시에 열을 발산하는 열선이다.
아울러, 서로 다른 직경의 동심원 상에 형성한 패턴이라 하더라도, 각각 구형파의 펄스폭 및 펄스높이는 동일하게 하고, 또한, 상기한 서로 다른 직경의 동심원들은 등간격, 즉, 중심점으로 기준으로 등간격의 거리로 선정하여서, 히터 엘리먼트(16)의 전체면에 균일한 온도 분포를 갖게 한다. 물론 패턴 간에는 소정의 간격이 있어야 한다.
한편, 상기 단자(157, 158)가 있는 중심점 부근은 상기한 대칭 구형파의 패턴을 형성하기 어려우므로, 대칭 구형파 형상은 아니지만 중심점 부근의 면을 균일하게 가열할 수 있게 패턴(156)을 형성하고, 상기한 바와 같이 리프트핀 홀(18)이 형성되는 위치(18)에서는 상기한 대칭 구형파를 약간 구부려 피해가도록 한다. 그리고, 써모 커플(27)이 관통하는 위치(18')는 중심점 부근이므로, 중심점 부근의 패턴(156)을 형성할 시에 이를 피하도록 한다.
상기 도 3을 다시 살펴보면, 중심점 부근의 단자(157, 158)는 전기적으로 2회로의 단자,즉, 2쌍의 단자로 구성된다. 그리고, 중심점 부근의 패턴을 포함한 상기 패턴들(151, 152, 153, 154, 155, 156)은 중심점 측과 외곽 측으로 분류하여서, 중심점 측의 패턴들(153, 154, 155, 156)을 서로 직렬 연결하여 제 1회로로 하고, 외곽 측의 패턴들(151, 152)을 서로 직렬 연결하여 제 2회로로 한다. 그리고, 제 1회로와 제 2회로를 2회로의 단자(157, 158)에 일대일로 분리하여 이어지게 한다.
이와 같이 중심점 측의 제1 회로와 외곽 측의 제2 회로를 분리하여 전기를 공급하는 것은 가열면의 온도 분포를 균일하게 하기 위함이다. 상기와 같이 단자를 2회로로 구성함으로써 2개쌍의 단자, 즉, 4개의 단자가 형성되고, 단자에 연결하는 히터 로드(26)도 4개가 마련되어 샤프트(20)의 내부에 수용되며, 샤프트(20)의 하단에 고정하는 마운트(30)에도 도 4에 도시한 바와 같이 히터 로드(26)를 관통시킬 구멍(33, 34)이 4개 형성되어야 한다.
상기한 바와 같이 형성되는 히터 엘리먼트(16)는 제2 퀄츠 플레이트(12)의 상면에 조성한 요홈에 끼워지는 데, 이때, 제2 퀄츠 플레이트(12)의 상면의 요홈을 상기 히터 엘리먼트(16)의 형상에 맞게 조성하여서 끼워지게 하는 것이 좋다. 아니면, 상기 히터 엘리먼트(16)의 형상에 맞게 요홈을 조성하고 열선 재료를 용융하여 요홈에 채우고 식히는 방식이나 아니면 요홈 형상에 맞게 인쇄 또는 에칭하는 방식을 채택할 수도 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 퀄츠 히터는 다음의 공정 순서로 제조된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 퀄츠 히터를 제조하는 방법의 순서도이다.
상기 도 5를 살펴보면, 퀄츠 히터의 제조 방법은,
제1,2,3,4 퀄츠 플레이트(11, 12, 13, 14), 써멀 쉬트(15), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 리플렉터(17)를 상기에서 설명한 바의 형상으로 제작하는 플레이트 제작단계(S10);
상기 도 1에 도시한 바와 같이 제1,2,3,4 퀄츠 플레이트(11, 12, 13, 14)를 적층하되 사이사이에 써멀 쉬트(15), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 리플렉터(17)를 개재하는 플레이트 적층단계(S20);
제1,2,3,4 퀄츠 플레이트(11, 12, 13, 14)를 적층한 상태에서 압착 및 용융접합하여 히터 플레이트(10)의 기본 형상을 완성하는 플레이트 압착단계(S30);
히터 플레이트(10)의 하부에 샤프트(20)를 용융접합하여 퀄츠 히터의 기본 형상을 완성하는 샤프트 접합단계(S40);
접합 부위를 마무리하는 파이널 가공단계(S50);
히터 로드(26)를 히터 엘리먼트(16)에 연결하고, 써머 커플러(27)를 써멀 쉬트(15)에 연결하는 로드 브레이징단계(S60);
히터 플레이트(10)를 Y2O3 코팅하여 표면막질을 개선하는 코팅단계(S70); 및
완성한 퀄츠 히터의 표면 상태, 전기 접속 상태, 접합 부위 상태 등을 점검하는 테스트단계(S80);를 포함하여 이루어진다.
여기서, 본 발명에 따른 퀄츠 히터는, 적층하는 제1,2,3,4 퀄츠 플레이트의 사이사이에 공간을 마련하여 써멀 쉬트(15), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 리플렉터(17)를 개재하므로, 이 공간에 공기가 들어가면 가열 및 냉각하는 과정에서 팽착 및 수축에 의해 크렉(crack)이 발생할 수 있으므로, 써멀 쉬트(15), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 리플렉터(17)가 개재된 공간을 진공상태로 만드는 것이 좋다. 이를 위해서, 진공 챔버 내에서 상기 플레이트 적층단계(S20) 또는 플레이트 압착단계(S30)를 수행하는 방식이나 아니면, 플레이트 제작단계(S10)를 수행할 시에 써멀 쉬트(15), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 리플렉터(17)가 개재되는 공간을 외부와 연통되도록 퀄츠 플레이트들을 제작하고 플레이트 압착단계(S30)를 수행한 이후에 외부와 연통되는 구멍을 통해 내부 공간의 공기를 배출하고 밀봉하는 방식,을 채용할 수 있다.
상기 파이널 가공단계(S50)는 플레이트 압착단계(S30) 및 샤프트 접합단계(S40)에서 용융접합한 부위를 그라인딩 처리하여 표면을 매끈하게 한다.
한편, 히터 플레이트(10)의 가열면, 즉, 제1 퀄츠 플레이트(11)의 상면은 테두리에서 중심부를 향해 갈수록 하향 경사진 오목한 면으로 형성하는 것이 좋다. 여기서, 중심부와 테두리 사이의 높이 차이는 30㎛이하로 하는 것이 좋다. 이를 위해, 플레이트 제작단계(S10)에서 제1 퀄츠 플레이트(11)를 제작할 시에 상면을 오목하게 제작하는 단계, 아니면, 파이널 가공단계(S50)에서 제1 퀄츠 플레이트(11)의 상면을 오목하게 형성하는 단계를 수행하고, 테스트단계(S80)에서 제1 퀄츠 플레이트(11)의 표면 평탄도를 검사하는 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
10 : 히터 플레이트
11 : 제1 퀄츠 플레이트 12 : 제2 퀄츠 플레이트
13 : 제3 퀄츠 플레이트 14 : 제4 퀄츠 플레이트
15 : 써멀 쉬트 16 : 히터 엘리먼트
17 : 써멀 리플렉터 18 : 리프트핀 홀
20 : 샤프트
21 : 상단 22 : 플랜지 23 : 링
26 : 히터 로드 27 : 써모 커플
30 : 마운트 31 : 오링
11 : 제1 퀄츠 플레이트 12 : 제2 퀄츠 플레이트
13 : 제3 퀄츠 플레이트 14 : 제4 퀄츠 플레이트
15 : 써멀 쉬트 16 : 히터 엘리먼트
17 : 써멀 리플렉터 18 : 리프트핀 홀
20 : 샤프트
21 : 상단 22 : 플랜지 23 : 링
26 : 히터 로드 27 : 써모 커플
30 : 마운트 31 : 오링
Claims (6)
- 열을 상부로 반사하는 써멀 리플렉터(17), 전기 공급으로 발열하는 히터 엘리먼트(16) 및 히터 엘리먼트(16)의 열을 균일한 분포로 전달하는 써멀 쉬트(15)를 퀄츠 플레이트(12, 13)를 개재하면서 순차적으로 적층한 후에 상하에 각각 퀄츠 플레이트(11, 14)를 추가 적층하여 압착한 히터 플레이트(10); 및
히터 플레이트(10)의 저면에 고정되고, 히터 엘리먼트(16)에 전기적으로 연결하는 히터 로드(26)를 수용한 샤프트(20);
를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 퀄츠 히터. - 제 1항에 있어서,
상기 써멀 리플렉터(17), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 쉬트(15)는,
각각 하측에 적층하는 퀄츠 플레이트의 상면에 요홈(19')을 형성하여 상기 요홈(19')에 끼워지게 하고, 상측에 적층한 퀼츠 플레이트의 저면에 상기 요홈(19') 형상에 맞는 돌기(19)를 형성하여서, 상하의 퀄츠 플레이트 사이에 개재될 때에 돌기(19)의 압착에 의해 밀착되게 한 것임을 특징으로 하는 퀄츠 히터. - 제 2항에 있어서,
상기 퀄츠 플레이트들(11,12,13,14)은,
사이사이에 상기 써멀 리플렉터(17), 히터 엘리먼트(16) 및 써멀 쉬트(15)를 개재한 상태에서, 테두리를 서로 밀착되게 하여서, 용융접합에 의해 테두리끼리 접합되게 한 것임을 특징으로 하는 퀄츠 히터. - 제 1항에 있어서,
상기 샤프트(20)는, 퀄츠(quartz) 재질로 형성되고,
최하층에 적층되는 퀄츠 플레이트(14)의 저면에서, 상기 샤프트(20)의 상단(21)에 고정하려는 부위(141)를 하부로 돌출시키며, 하부로 돌출시킨 부위(141)에 상기 샤프트(20)의 상단(21)을 접촉시킨 상태에서 용융접합함을 특징으로 하는 퀄츠 히터. - 제 1항에 있어서,
상기 샤프트(20)는, 퀄츠(quartz) 재질로 형성되고, 외주면의 하단에 외향의 플랜지(22)를 구비하며, 플랜지(22)의 상면과 측면을 감싸는 링(23)을 외삽하여서, 볼트(25)를 링(23) 상면 및 플랜지(22)에 순차적으로 관통시켜 마운트(30)에 고정하게 함을 특징으로 하는 퀄츠 히터. - 제 1항에 있어서,
상기 히터 엘리먼트(16)는, 중심점 근처에 2회로의 단자(157, 158)를 형성하고, 동일 펄스 폭 및 펄스 높이를 갖는 대칭 구형파 형상의 열선을 원의 그리도록 굽혀 원을 따라 대칭 구형파를 갖는 패턴으로 구성하되, 상기 중심점을 기준으로 등간격으로 그어지는 서로 다른 직경을 갖는 동심원 상에 각각 패턴(151, 152, 153, 154, 155)을 배치하며, 패턴들을 중심점 측과 외곽 측으로 분류하여 중심점 측의 패턴들(153, 154, 155)을 직렬 연결하여 제 1회로로 하고 외곽 측의 패턴들(151, 152)을 직렬 연결하여 제 2회로로 하여 상기 2회로의 단자(157, 158)에 분리하여 이어지게 한 것임을 특징으로 하는 퀄츠 히터.
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