KR102193401B1 - 입체 형상의 세라믹스 히터 - Google Patents
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Abstract
[과제]
본 발명의 목적은 진공 증착 장치의 원료 도가니를 가열하기 위해 사용되는 수명이 긴 입체 형상의 세라믹스 히터를 제공하는 것이다.
[해결 수단]
본 발명은 입체 형상의 전기 절연성 세라믹스의 지지 기재와, 이 지지 기재 상에 형성된 도전성 세라믹스로 이루어지고 리턴부를 포함하는 히터 패턴이 형성된 박막 형상의 발열체와, 이 발열체 상에 형성된 전기 절연성 세라믹스의 절연층과, 발열체를 전원에 접속하기 위한 전력 공급 단자를 갖는 세라믹스 히터로서, 히터 패턴의 리턴부가 전류가 흐르는 방향을 따라 N열의 전류 경로로 분할됨과 아울러 소정 n열째 전류 경로의 전력 밀도 Xn이 전체 전력 밀도의 평균값의 ±30% 범위에 맞추어져 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 목적은 진공 증착 장치의 원료 도가니를 가열하기 위해 사용되는 수명이 긴 입체 형상의 세라믹스 히터를 제공하는 것이다.
[해결 수단]
본 발명은 입체 형상의 전기 절연성 세라믹스의 지지 기재와, 이 지지 기재 상에 형성된 도전성 세라믹스로 이루어지고 리턴부를 포함하는 히터 패턴이 형성된 박막 형상의 발열체와, 이 발열체 상에 형성된 전기 절연성 세라믹스의 절연층과, 발열체를 전원에 접속하기 위한 전력 공급 단자를 갖는 세라믹스 히터로서, 히터 패턴의 리턴부가 전류가 흐르는 방향을 따라 N열의 전류 경로로 분할됨과 아울러 소정 n열째 전류 경로의 전력 밀도 Xn이 전체 전력 밀도의 평균값의 ±30% 범위에 맞추어져 있는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 반도체, 태양 전지, 유기 EL 디스플레이 등의 제조 공정에서 이용되는 진공 증착 장치의 원료 도가니를 가열하기 위해 사용되는 입체 형상의 세라믹스 히터에 관한 것이다.
박막 형성 방법 중 하나로서 진공 증착법이 알려져 있지만, 이 진공 증착법은 증착 재료를 도가니에 넣고 진공 장치 내에서 증착 재료의 기화 온도 이상으로 도가니를 가열해서 증착 재료의 증기를 발생시키고 기판 상에 퇴적해서 박막층을 형성하는 방법이다. 그리고, 도가니의 가열 방법으로서는 저항 가열, 전자빔 가열, 고주파 유도 가열 등이 이용되고 있지만, 그 중에서도 저항 가열 방식으로서 도가니의 외측에 절연체로 유지된 탄탈선이나 텅스텐선으로 이루어진 발열체를 권회한 구조의 것이 알려져 있다(특허문헌 1).
그러나, 특허문헌 1의 저항 가열 방식에서는 발열체가 전혀 피복층을 갖지 않아 도체가 드러난 상태에서 사용되기 때문에 방전이나 단락의 우려가 있다. 또한, 발열체가 고온으로 가열되면 발열체의 취화 또는 비산에 의한 소모 등이 발생해서 단선되는 경우가 있다.
한편, 특허문헌 2에는 화학기상증착법에 의해 생성된 열분해질화붕소(PBN) 지지 기재 상에 화학기상증착법에 의한 열분해탄소(PG)의 도전성 박막을 성막하고, 이것에 가공을 행해서 원하는 히터 발열체를 형성하고, 이 히터 발열체에 화학기상증착법에 의해 열분해질화붕소의 절연층을 피복한 세라믹스 히터(PG/PBN 히터)가 기재되어 있다.
특허문헌 2에 기재된 세라믹스 히터는 발열체가 절연층으로 덮여 있기 때문에 방전이나 단락의 우려가 없고, 또한 지지 기재, 발열체 및 절연층 모두가 화학기상증착법으로 제조되어 있으므로 고순도이며 불순물이 발생하기 어렵다는 이점이 있다.
그러나, 이 세라믹스 히터는 반도체 웨이퍼 또는 박막을 형성할 때의 기판을 균열 가열하기 위해 이용되는 평판 형상의 히터이므로 이 세라믹스 히터를 진공 증착 장치의 원료 도가니를 가열하기 위해 그대로 적용할 수는 없다. 또한, 가열 온도가 1000℃ 이상으로 승온되는 원료 도가니의 가열에 적용했다 해도 이 세라믹스 히터의 히터 패턴에서는 그 리턴부에 흐르는 전류가 내주측으로 치우쳐서 리턴부의 내주측이 국소적으로 발열하고 외주측에서는 저온화되어버리기 때문에, 장기간에 걸쳐 안정적으로 사용함에 있어서 그 내구성이나 수명이라는 점에서 문제가 있다.
특허문헌 3에는 이와 같은 종래의 평판 형상의 세라믹스 히터에 관한 균열 가열의 문제를 해결하기 위해서 히터 패턴의 리턴부에서 전류가 흐르는 방향을 따라 복수의 유로로 분할한 세라믹스 히터가 기재되어 있다. 그러나, 이 개량된 세라믹스 히터도 평판 형상의 피가열체를 균일하게 가열하기 위해서 연구된 것이며, 입체 형상의 원료 도가니의 고온 가열에 적용되는 것은 아니다. 또한, 특허문헌 3에는 이 세라믹스 히터를 가열 온도가 1000℃ 이상으로 승온되는 원료 도가니의 히터로서 장기간에 걸쳐 안정적으로 사용할 수 있을지(장수명화)에 대해서도 전혀 시사되어 있지 않다.
그런데, PG/PBN제 세라믹스 히터로서는 그 형상이 평판 형상 외에 원통 형상 등의 입체 형상인 것이 사용되고 있다. 예를 들면, 원통 형상을 한 입체 형상의 PG/PBN 세라믹스 히터를 제작할 경우, 그 히터 패턴의 가공은 머시닝센터 등 공작 기계와 선단 형상이 평탄한 엔드밀 또는 구형의 볼엔드밀 등의 절삭 공구를 이용하여 도전성 박막을 원하는 히터 패턴 형상으로 기계 가공하거나, 원하는 히터 패턴 형상의 마스크를 도전성 박막 표면에 부착한 후 샌드블라스트 처리로 불필요한 도전성 박막을 제거하는 등의 방법으로 행해진다.
그러나, 이와 같은 방법으로 제작된 입체 형상의 PG/PBN 세라믹스 히터는 진공 증착 장치의 원료 도가니에 이용됐을 경우에 수천수백℃의 고온 가열 프로세스에 있어서의 수명이 충분히 만족스러운 것은 아니라는 문제가 있으므로 이어서 이 문제에 대해서 도면을 이용해서 구체적으로 설명한다.
우선, 히터 패턴에 따른 문제에 대해서 설명한다. 도 6(a)는 원통 형상의 PG/PBN 세라믹스 히터를 위에서 본 평면도이며, 도 6(b)는 원통 형상의 PG/PBN 히터를 측면에서 본 측면도이다. 또한, 도 7은 원통 형상의 PG/PBN 히터의 전개도이며, 세라믹스 히터의 패턴 형상을 나타내고 있다.
이 세라믹스 히터의 패턴 형상은 전류 경로를 획정하는 홈부(2a)와 발열체(2b)로 구성되어 있다. 이 홈부(2a)는 열분해질화붕소 PBN의 지지 기재 상에 형성된 열분해탄소 PG의 도전성 박막에 대하여 엔드밀 등에 의한 기계 가공이나 샌드블라스트 처리를 실시한 후 불필요한 도전성 박막을 제거함으로써 형성되고, 이 홈부(2a) 이외의 지지 기재 상에 남겨진 PG의 도전성 박막 부분이 발열체(2b)가 된다. 또한, 이와 같은 구성의 세라믹스 히터의 일단에는 전력 공급 단자(1)가 형성되고, 이 전력 공급 단자(1)로부터 흐르는 전류는 발열체(2b)를 따라 흐름과 아울러 히터 패턴 리턴부(3)에서 방향을 바꾸면서 반대측 전력 공급 단자(1)로 흐르게 된다.
도 8은 이와 같은 히터 패턴의 리턴부를 확대한 도면이다. 도 8 내의 반타원 형상의 파선 화살표는 발열체(2b)를 흐르는 전류를 나타낸다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 이 전류는 히터 패턴의 리턴부(3)에서는 내주측(4)쪽으로 치우쳐버리기 때문에 리턴부(3)의 내주측(4)에서는 국소적으로 발열한다는 현상이 일어난다. 이것은 전류가 보다 저항이 낮은 곳을 흐르려고 하는 성질에 의한 것이며, 전류가 흐르는 곳이 리턴부(3)의 내주측(4)이라면 어느 정도 전류 경로 길이가 짧아 저저항으로 되므로 리턴부(3)의 내주측(4)에 전류가 집중되어버리기 때문에 발열체(3a) 상의 리턴부(3)의 수만큼 국소 발열부가 띄엄띄엄 형성되어버리는 문제가 있다.
이어서, 원통 형상의 세라믹스 히터의 제작에 따른 문제에 대해서 설명한다. 원통 형상의 세라믹스 히터를 제작할 경우에 지지 기재의 원통 외면 각 부의 직경의 편차가 크면 지지 기재 표면의 PG의 도전성 박막을 엔드밀로 기계 가공해서 히터 패턴이 형성되지만, 이 경우에 엔드밀의 날끝이 지지 기재에 대하여 깊게 들어가서 홈부가 깊게 형성되는 부분과, 날끝이 지지 기재에 대하여 얕게 들어가서 홈부가 얕게 형성되는 부분이 생기기 때문에 날끝이 깊게 들어가서 홈부가 깊게 형성된 부분에서는 히터 패턴 상에 형성되는 PBN 절연층이 박리되기 쉬워지고 히터의 사용 온도가 높을수록 보다 박리되기 쉬워진다는 문제가 있다.
이와 같은 제작상의 문제는 볼엔드밀로 기계 가공해서 히터 패턴이 형성되는 경우에도 마찬가지로 발생한다. 볼엔드밀의 경우는 그 선단 형상이 구면이기 때문에 날끝이 깊게 들어가서 홈부가 깊게 형성된 부분에서는 동시에 홈부가 넓어져 그 분량만큼 넓어진 홈부에 인접하는 발열체의 폭이 좁아지므로 국소 발열부가 형성되어버린다는 문제가 있다. 이와 같은 문제를 회피하기 위해서 절삭 공구의 날끝이 지지 기재에 들어가는 깊이를 일정하게 하는 방법으로서 지지 기재의 직경의 변화에 맞춰서 절삭 공구의 움직임을 추종시키는 소위 모방 가공이 알려져 있지만, 이 모방 가공에서는 공작 기계가 고가로 된다는 문제도 있다.
또한, 지지 기재의 원통 외면 각 부의 직경의 편차가 클 경우에는 PG의 도전성 박막의 표면에 원하는 히터 패턴 형상의 마스크를 부착하고 샌드블라스트 가공에 의해 히터 패턴을 형성하는 것도 있다. 그러나, 이 경우에는 마스크를 변형 없이 부착하는 것이 곤란하기 때문에 발열체의 폭이 넓은 부분 또는 좁은 부분이나 홈부의 폭이 넓은 부분 또는 좁은 부분이 형성되어 발열체의 폭이 좁은 부분에서는 국소 발열부를 형성해버리는 문제가 있다. 그리고, 홈부의 좁은 부분에서는 통전했을 경우에 단락을 일으킬 가능성이 높아지고, 이웃하는 발열체끼리가 지근 거리에 존재하게 되므로 그 영역의 발열체가 차지하는 비율이 커지는 한편, 홈부가 차지하는 비율이 작아지기 때문에 국소 발열부를 형성해버리는 문제가 있다.
또한, 이 국소 발열과 재료 등에 따른 문제에 대해서 설명한다. 진공 증착법에 의해 무기 재료나 금속 재료를 성막하는 경우에는 수천수백℃의 고온 가열 프로세스가 요구된다. 예를 들면 Cu를 증착원으로 할 경우는 이것에 해당하지만, 이 용도로 PG/PBN 세라믹스 히터를 사용할 경우 세라믹스 히터는 약 1300℃로 승온되게 된다. 그리고, 히터 패턴의 리턴부의 내주측의 국소 발열부나 지지 기재의 원통 외면 각 부의 국소 발열부에서는 그 온도가 더욱 고온으로 된다. 세라믹스 히터의 재료인 PBN은 비교적 안정적인 물자이지만, 1300℃ 부근의 고온 영역에서는 미량의 자기 분해가 시작되고, 또한 고온이면 어느 정도 이 자기 분해 현상이 촉진되기 때문에 세라믹스 히터에 상술한 바와 같은 국소 발열부가 띄엄띄엄 존재하면 그 국소 발열부에서는 절연층의 소모가 보다 빨리 진행되는 사태로 된다.
또한, 진공 챔버 내에 산소나 수분이 존재할 경우에는 이들 산소나 수분이 고온하에서 PBN을 산화 소모시키는 요인으로 되고, 또한 온도가 높으면 높을수록 PBN의 산화가 촉진되기 때문에 국소 발열부에서는 절연층의 산화 소모도 보다 빨리 진행되는 사태로 된다.
그리고, 이와 같은 PBN의 자기 분해나 산화 소모가 장기에 걸쳐 계속적으로 발생하면 이윽고 히터 패턴의 리턴부의 내주측의 절연층이 완전히 소실되어 발열체가 노출되고 이어서 발열체의 비산 소모가 발생해서 발열체가 단선되는 사태를 일으키게 된다.
이와 같이, 히터 패턴의 리턴부에서 전류가 내주측으로 치우쳐서 일어나는 국소 발열부나 지지 기재의 직경의 편차에 기인하는 국소 발열부가 세라믹스 히터 내에 띄엄띄엄 존재하면, 이와 같은 국소 발열부에서는 수천수백℃의 고온 가열 프로세스에 있어서 PBN 절연층의 박리나 PBN 자체의 소모가 조장·촉진되기 때문에 세라믹스 히터의 수명이 충분히 만족스러운 것은 아니라는 문제가 발생하게 된다.
여기서, 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 입체 형상의 세라믹스 히터에 따른 여러 문제를 해결하여 진공 증착 장치의 원료 도가니를 가열하기 위한 수명이 긴 입체 형상의 세라믹스 히터를 제공하는 것이다.
본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해서 예의 검토를 행한 바, 먼저 제안한 특허문헌 3에 기재된 히터 패턴을 원료 도가니 가열용의 입체 형상의 세라믹스 히터에 적용했을 경우 수명에 데미지를 주는 히터 패턴의 리턴부의 국소 발열부를 대폭 경감시킬 수 있는 것, 또한 복수열로 분할된 각 전류 경로의 전력 밀도를 전체 경로의 전류 밀도의 평균값의 ±30% 범위 내에 맞추면 특정 전류 경로에 발열이 치우치는 경우는 없어 분할된 전류 경로마다의 온도 불균일도 발생하기 어려워지기 때문에 세라믹스 히터의 수명을 한층 길게 할 수 있는 것을 지견하고 본 발명에 이른 것이다.
즉, 본 발명은 입체 형상의 전기 절연성 세라믹스로 이루어지는 지지 기재와, 상기 지지 기재 상에 형성된 도전성 세라믹스로 이루어지고 리턴부를 포함하는 히터 패턴이 형성된 박막 형상의 발열체와, 상기 발열체 상에 형성된 전기 절연성 세라믹스로 이루어지는 절연층과, 상기 발열체를 전원에 접속하기 위한 전력 공급 단자를 갖는 입체 형상의 세라믹스 히터로서, 상기 히터 패턴의 리턴부가 전류가 흐르는 방향을 따라 복수의 전류 경로로 분할되어 있음과 아울러 상기 전류 경로 중 하나의 분할 구간이 N열(N은 2 이상의 정수)의 전류 경로로 분할될 때 n열째(n은 1~N) 전류 경로의 전력 밀도 Xn이 다음 식 1을 만족하는 것을 특징으로 한다.
[식 1]
또한, 본 발명의 히터 패턴은 이웃하는 리턴부 사이에서 전류가 흐르는 방향을 따라 복수의 전류 경로로 연속적으로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 것이며, 분할된 상기 전류 경로의 범위 내에 짝수개의 리턴부를 포함하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명의 히터 패턴은 한쪽 전력 공급 단자에 인접하는 리턴부로부터 다른 한쪽 전력 공급 단자에 인접하는 리턴부까지 전류가 흐르는 방향을 따라 복수의 전류 경로로 연속적으로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 것이며, 전력 공급 단자와 상기 전력 공급 단자에 인접하는 리턴부 사이에서도 전류가 흐르는 방향을 따라 복수의 전류 경로로 분할되어 있는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 입체 형상은 원통 형상, 바닥이 있는 용기 형상, 보트 형상 또는 홈통 형상 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 그 형상이 원통 형상일 경우는 원통 형상의 원통 외면 각 부의 직경의 편차가 ±0.025㎜ 범위 내인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 지지 기재는 열분해질화붕소로 이루어지고, 발열체는 열분해 그래파이트, 붕소 및/또는 탄화붕소를 함유하는 열분해 그래파이트 중 어느 1종으로 이루어지고, 절연층은 열분해질화붕소 또는 탄소를 함유하는 열분해질화붕소 중 어느 1종으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 Ag, Al, Au, Cr, Cu, Ga, Ge, In, Si 중 어느 1종의 증착 원료가 용융 또는 승화되도록 상기 증착 원료가 수용되는 진공 증착 장치 원료 도가니를 1000℃ 이상의 온도로 가열하기 위해서 사용되는 것이 바람직하다.
[발명의 효과]
본 발명에 의하면, 히터 패턴의 리턴부에서의 국소 발열을 경감시킬 수 있음과 아울러 특정 전류 경로에 발열이 치우치는 경우가 없어 분할된 전류 경로마다의 온도 불균일도 경감할 수 있으므로, 진공 증착 장치의 원료 도가니를 가열하기 위한 수명이 긴 입체 형상의 PG/PBN제 세라믹스 히터를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 세라믹스 히터의 히터 패턴의 전개도이다.
도 2는 본 발명의 세라믹스 히터의 히터 패턴 리턴부를 확대해서 전류 경로를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 세라믹스 히터의 다른 실시형태의 히터 패턴의 전개도이다.
도 4는 본 발명의 세라믹스 히터의 또 다른 실시형태의 히터 패턴의 전개도이며, 실시예 2에서 제작한 세라믹스 히터의 히터 패턴의 전개도이다.
도 5는 분할된 전류 경로의 전력 밀도에 대해서 설명하는 모식도이다.
도 6은 비교예의 입체 형상의 세라믹스 히터의 평면도와 측면도이다.
도 7은 비교예의 세라믹스 히터의 히터 패턴의 전개도이다.
도 8은 비교예의 세라믹스 히터의 히터 패턴의 리턴부를 확대해서 전류 경로를 나타낸 도면이다.
도 9는 실시예 1과 비교예 1 및 비교예 2의 세라믹스 히터의 히터 패턴의 리턴부에 있어서의 가열 상태를 나타내는 외관 사진도이다.
도 2는 본 발명의 세라믹스 히터의 히터 패턴 리턴부를 확대해서 전류 경로를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 세라믹스 히터의 다른 실시형태의 히터 패턴의 전개도이다.
도 4는 본 발명의 세라믹스 히터의 또 다른 실시형태의 히터 패턴의 전개도이며, 실시예 2에서 제작한 세라믹스 히터의 히터 패턴의 전개도이다.
도 5는 분할된 전류 경로의 전력 밀도에 대해서 설명하는 모식도이다.
도 6은 비교예의 입체 형상의 세라믹스 히터의 평면도와 측면도이다.
도 7은 비교예의 세라믹스 히터의 히터 패턴의 전개도이다.
도 8은 비교예의 세라믹스 히터의 히터 패턴의 리턴부를 확대해서 전류 경로를 나타낸 도면이다.
도 9는 실시예 1과 비교예 1 및 비교예 2의 세라믹스 히터의 히터 패턴의 리턴부에 있어서의 가열 상태를 나타내는 외관 사진도이다.
이하, 본 발명의 일실시형태를 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 세라믹스 히터는 원통 형상, 바닥이 있는 용기 형상, 보트 형상, 홈통 형상 중 어느 하나의 형상을 이루는 입체 형상의 PG/PBN제 세라믹스 히터이며, 그 형상은 가열하는 원료 도가니의 형상에 맞춰서 최적의 형상을 선택하면 좋다.
본 발명의 세라믹스 히터는 전기 절연성 세라믹스로 이루어지는 지지 기재와 이 지지 기재 상에 형성된 도전성 세라믹스로 구성되어 있고, 이 도전성 세라믹스 부분은 리턴부가 있는 히터 패턴이 형성되어 있는 박막 형상의 발열체로 이루어진다. 또한, 이 발열체 상에는 전기 절연성 세라믹스로 이루어지는 절연층이 형성됨과 아울러 발열체를 전원과 접속하기 위한 전력 공급 단자가 형성된다.
도 1은 본 발명의 세라믹스 히터의 히터 패턴의 전개도를 나타내는 것이며, 전력 공급 단자(1)와 다음 전력 공급 단자(1) 사이에 있어서 리턴부(5)의 히터 패턴을 전류 경로를 따라 내주측 전류 경로(6)와 외주측 전류 경로(7) 2개로 분할한 예이다. 여기서, 이 히터 패턴의 전류의 흐름을 도 2에 의거해서 설명한다. 도 2는 전류 경로를 따라 분할된 리턴부를 확대한 도면이며, 도 2 내의 반타원 형상의 파선 화살표는 발열체를 흐르는 전류를 나타내는 것이다. 발열체를 흐르는 전류는 내주측 전류 경로(6)를 흐르는 전류(8)와 외주측 전류 경로(7)를 흐르는 전류(9)로 각각 분할되기 때문에 리턴부의 가장 내측으로의 전류 집중이 경감되어 국소 발열을 경감시킬 수 있다.
그러나, 이 히터 패턴에서는 내주측 전류 경로(6)의 길이는 외주측 전류 경로(7)의 길이보다 짧기 때문에 내주측 전류 경로(6)의 저항값쪽이 외주측 전류 경로(7)의 저항값보다 작아진다. 따라서, 도 1의 히터 패턴에서는 리턴부의 가장 내측으로의 전류 집중은 경감되지만 내주측 전류 경로(6)에 흐르는 전류값쪽이 크므로 전류 집중을 경감시키기 위해서는 아직 개선의 여지가 있다.
그래서, 히터 패턴이 복수의 리턴부 사이에서 연속적으로 분할되고, 또한 이 분할 부분에 짝수개의 리턴부가 포함되도록 형성될 경우는 보다 국소 발열을 경감시키는 것이 가능해진다. 도 3은 이웃하는 2개소의 리턴부 사이에 히터 패턴을 전류 경로를 따라 전류 경로(10)와 전류 경로(11)로 연속적으로 2분할한 개선예이다.
또한, 분할된 전류 경로 부분에 짝수개의 리턴부가 포함될 경우는 각각의 전류 경로의 길이가 동일해지기 때문에 각 전류 경로의 저항값의 차가 거의 없고 각 전류 경로를 흐르는 전류값의 차도 거의 없어지므로 히터 패턴의 리턴부의 내주측의 국소 발열을 방지하는데 보다 효과적이다.
그러나, 도 3의 전류 경로(12)와 전류 경로(13)로 분할된 전류 경로 부분은 짝수개의 리턴부가 포함되어 있지 않기 때문에 전류 경로(12)와 전류 경로(13)의 저항값에 차가 발생하게 된다. 이와 같은 경우는 도 3에 나타낸 바와 같이 분할된 경로 부분을 전력 공급 단자 근방까지 연장해서 그 전체 길이를 가능한 한 길게 함으로써 리턴부의 내주측과 외주측에서 발생하는 저항값의 차의 영향을 상대적으로 작게 하는 것이 바람직하다.
또한, 도 3과 마찬가지의 관점에서 히터 패턴이 한쪽 전력 공급 단자에 인접하는 리턴부로부터 다른 한쪽 전력 공급 단자에 인접하는 리턴부까지, 히터 패턴의 거의 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 전류가 흐르는 방향을 따라 전류 경로가 복수로 분할되어 있으면 국소 가열을 한층 경감시킬 수 있다.
도 4는 한쪽 전력 공급 단자에 인접하는 리턴부(14)로부터 다른 한쪽 전력 공급 단자에 인접하는 리턴부(15)까지의 구간을 그 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 전류 경로가 내주측 전류 경로(16)와 외주측 전류 경로(17)로 2분할되어 있는 개선예이다.
그리고, 이 개선예와 같이 전류 경로가 분할되어 있으면 전류 경로가 분할되어 있는 범위 내에 포함되는 리턴부의 수가 홀수인 경우에도 분할 부분의 전체 길이가 길기 때문에 각각의 전류 경로의 저항값의 차는 근소해지므로 국소 발열을 방지하기 위해서는 한층 더 효과적이다.
또한, 도 4에 나타낸 바와 같이 리턴부(14)와 이것에 인접하는 전력 공급 단자 사이 및 리턴부(15)와 이것에 인접하는 전력 공급 단자 사이에도 전류 경로가 2분할되어 있기 때문에 내주측 전류 경로(16)와 외주측 전류 경로(17)의 저항값의 차가 보다 작아져 있다.
또한, 복수로 분할된 전류 경로 부분의 폭은 각각이 동일한 폭으로 되도록 분할되면 바람직하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 세라믹스 히터의 온도 분포를 정밀히 만들어 넣고 싶을 경우는 필요에 따라서 어느 전류 경로의 폭을 넓게 다른 전류 경로의 폭을 좁게 설정해도 좋고, 어느 하나의 전류 경로 내에 폭이 넓은 부분과 폭이 좁은 부분을 형성하도록 해도 좋다.
이어서, 분할된 전류 경로의 전류 밀도에 대해서 도 5에 의거해서 설명한다.
도 5는 전류 경로가 N열로 분할되어 있는 경우의 모식도이다. 세라믹스 히터의 온도는 전력 밀도(단위 면적당 소비 전력)에 의해 결정되므로 전력 밀도가 크면 그 부분의 온도는 높아지고, 전력 밀도가 작으면 그 부분의 온도는 낮아진다. 예를 들면, 도 5에 나타낸 바와 같은 히터 패턴의 경우 n열째 전류 경로의 전력 Pn, 저항값 Rn, 면적 Sn, 전력 밀도 Xn은 각각 다음 식으로 나타낼 수 있다.
n열째 전류 경로의 전력 Pn=V×In=V2/Rn
n열째 전류 경로의 저항값 Rn=ρ×Ln/Wn×T
n열째 전류 경로의 면적 Sn=Wn×Ln
n열째 전류 경로의 전력 밀도 Xn=Pn/Sn
여기서,
In : n열째 전류 경로를 흐르는 전류
Ln : n열째 전류 경로의 전체 길이(파선의 전체 길이)
Wn : n열째 전류 경로의 폭
V : 분할된 전류 경로의 양단 A-A' 사이의 전압
T：발열체의 두께
ρ : 발열체의 저항률
따라서, 이상의 관계식으로부터 n열째의 분할된 전류 경로의 전력 밀도 Xn은,
Xn=Pn/Sn=(V2×T/ρ)×1/Ln2
의 식으로부터 구할 수 있다.
따라서, 세라믹스 히터는 진공 증착 장치의 원료 도가니의 가열에 이용될 경우 약 1300℃의 고온까지 승온되므로 전류 경로마다 온도 불균일이 발생하면 세라믹스 히터의 수명에 데미지를 주게 된다. 여기서, 본 발명에서는 분할된 전류 경로마다의 온도 불균일이 발생하기 어려워지도록 각 전류 경로의 전류 밀도를 어떤 일정한 범위에 맞추기 위해 연구를 행하고 있다.
즉, 어느 구간의 발열체가 N열(N은 2 이상의 정수)의 전류 경로로 분할되어 있을 경우, 각 전류 경로의 전력 밀도를 1열째부터 N열째의 전체 전류 경로의 전력 밀도의 평균값의 ±30% 범위에 맞춤으로써 전류 경로마다의 온도 불균일을 경감시킴과 아울러 특정 전류 경로에 발열이 치우치는 일도 없어 리턴부의 국소 발열도 경감시킬 수 있으므로 세라믹스 히터의 장수명화에 크게 기여할 수 있다.
따라서, 본 발명은 전류 경로의 하나의 분할 구간이 N열(N은 2 이상의 정수)의 전류 경로로 분할될 때, n열째(n은 1~N) 전류 경로의 전력 밀도 Xn이 다음 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 것이다. 그리고, 이 효과에 대해서는 후술하는 실시예 1과 비교예 1의 결과에 있어서도 확인할 수 있다.
[식 1]
상기 식 1에 의해 계산되는 전류 경로의 전력 밀도의 비가 상한인 1.3을 초과하면 각 전류 경로의 온도에 불균일이 발생하기 쉬워져 수명에 데미지를 주게 된다. 또한, 도 5에 나타낸 바와 같이 그 전류 경로가 1열째나 N열째에 파선원으로 나타낸 히터 패턴 리턴부의 최내주 부분을 포함할 경우에는 최내주 부분에 전류 집중에 의한 이상 발열이 발생하여 내주 부분의 절연층이 소실되어 발열체가 단선되는 사태를 일으키게 된다. 또한, 전류 경로의 전력 밀도가 하한값인 0.7 미만이면 마찬가지로 각 분할 경로의 온도에 불균일이 발생하기 쉬워져 수명에 데미지를 주게 된다.
이어서, 본 발명의 절연성 세라믹스의 지지 기재가 원통 형상일 경우 지지 기재의 원통 외면 각 부의 직경의 편차가 ±0.025㎜ 범위 내라면, 지지 기재의 표면에 형성된 박막 형상의 도전성 세라믹스를 엔드밀로 기계 가공해서 히터 패턴을 형성할 때, 엔드밀의 날끝이 지지 기재에 거의 일정한 깊이로 들어가므로 날끝이 지나치게 깊게 들어가서 홈부가 깊게 형성되는 부분이 없어져 히터 패턴 상에 형성되는 전기 절연성 세라믹스의 절연층이 박리되기 어려워진다는 효과가 있다.
또한, 지지 기재의 원통 외면 각 부의 직경의 편차가 ±0.025㎜ 범위 내라면, 볼엔드밀로 기계 가공해서 히터 패턴을 형성할 때에도 볼엔드밀의 날끝이 지지 기재에 일정한 깊이로 들어가므로 홈부의 굵기가 일정해서 발열체의 폭도 일정해지므로 이상 발열 부분을 형성하는 것이 없어진다.
또한, 지지 기재의 원통 외면 각 부의 직경의 불균일이 ±0.025㎜ 범위 내라면, 원하는 히터 패턴 형상의 마스크를 부착하고 히터 패턴을 샌드블라스트 가공으로 형성할 때에도 마스크를 변형 없이 부착하는 것이 용이해지므로 홈부의 굵기가 일정해서 발열체의 폭도 일정해지기 때문에 이상 발열 부분을 형성하는 것이 없어짐과 아울러 이웃하는 발열체끼리가 지근 거리에 형성되는 것도 없어지기 때문에 단락도 방지할 수 있다.
본 발명의 전기 절연성 세라믹스의 지지 기재는 화학기상증착법에 의해 형성된 열분해질화붕소가 바람직하다. 이 재료의 지지 기재는 1500℃ 부근의 고온 가열 프로세스에 있어서, 또한 100℃/min 이상의 급속한 승강온의 가열 프로세스에 있어서도 안정적으로 사용할 수 있다. 지지 기재의 두께는 0.5~2㎜로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.8~1.3㎜이다. 지지 기재의 두께가 0.5㎜보다 얇을 경우는 작업자가 취급시에 파손시킬 위험성이 크고, 또한 2㎜보다 두꺼울 경우는 화학기상증착법에 의한 지지 기재의 생성 시간이 길어져 비용이 높아지기 때문이다.
한편, 도전성 세라믹스로 이루어지는 박막 형상의 발열체는 화학기상증착법에 의해 형성된 열분해 그래파이트, 붕소 및/또는 탄화붕소를 함유하는 열분해 그래파이트 중 어느 1종인 것이 바람직하다. 이 재료의 발열체는 고온까지 안정적으로 사용할 수 있고, 화학기상증착법을 이용해서 생성되므로 세라믹스 히터 표면에의 발열체 형성 방법으로서 일반적으로 행해지고 있는 도전성 페이스트를 스크린 인쇄로 도포하는 방법보다 고순도이고, 또한 두께를 균일하게 할 수 있으므로 바람직하다. 발열체의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 히터 온도를 목적의 온도에 도달시킴과 아울러 필요한 영역을 필요한 온도로 승온시키기 위해서는 전원 용량이나 히터 패턴의 형상의 균형을 잘 고려해서 적절한 두께를 선택하면 좋다. 바람직하게는 10~300㎛이며, 특히 30~150㎛이면 보다 바람직하다.
또한, 전기 절연성 세라믹스로 이루어지는 절연층은 화학기상증착법에 의해 형성된 열분해질화붕소, 탄소를 함유하는 열분해질화붕소 중 어느 1종인 것이 바람직하다. 이 재료의 절연층이면 1500℃ 부근의 고온 가열 프로세스에 있어서, 또한 100℃/min 이상의 급속한 승강온의 가열 프로세스에 있어서도 안정적으로 사용할 수 있다. 이 절연층의 두께는 특별히 한정되지 않지만 20~300㎛이 바람직하고, 특히 50~200㎛이면 보다 바람직하다. 절연층의 두께가 20㎛보다 얇을 경우는 절연 파괴를 일으킬 위험이 있기 때문이며, 300㎛보다 두꺼울 경우는 박리되기 쉬워지기 때문이다.
본 발명의 세라믹스 히터는 이상과 같이 구성되어 있으므로 가열 온도가 1000℃ 이상의 고온 가열 프로세스에서도 장기간에 걸쳐 안정적으로 사용할 수 있다. 또한, 진공 증착 장치에 있어서 예를 들면 Ag, Al, Au, Cr, Cu, Ga, Ge, In, Si의 증착 원료가 용융 또는 승화되도록 증착 원료가 수용된 원료 도가니를 가열하기 위해 사용했을 경우에도 장기간에 걸쳐 안정적으로 사용할 수 있다.
[실시예]
<실시예 1>
실시예 1에서는 암모니아 4SLM과 삼염화붕소 2SLM을 압력 10Torr, 온도 1900℃에서 반응시켜서 직경 145㎜, 두께 1㎜의 열분해질화붕소제 원판을 제작했다. 이어서, 이 원판 상에 메탄을 압력 5Torr, 온도 1750℃에서 열분해시켜서 두께 50㎛의 열분해 그래파이트층을 형성하고 이것에 기계 가공을 실시해서 폭 8㎜의 발열체가 원판의 지름 방향으로 배열되는 히터 패턴을 형성했다. 히터 패턴 상에 형성되는 리턴부 중 1쌍은 도 9(a)에 나타낸 바와 같이 1쌍의 리턴부가 마주보는 위치(E)로부터 30㎜ 떨어진 지점까지 폭 4㎜의 내주측 전류 경로(18)와 폭 4㎜의 외주측 전류 경로(19) 두개의 전류 경로로 분할되어 있다. 그리고, 이 세라믹스 히터 상에 암모니아 5SLM과 삼염화붕소 2SLM을 압력 10Torr, 온도 1890℃의 조건에서 반응시키고 열분해질화붕소의 절연층을 피복하여 세라믹스 히터를 완성시켰다. 이 실시예 1의 세라믹스 히터에 대해서 상기 식 1의 전력 밀도비를 구한 바, 내측 경로의 전력 밀도비는 1.30이며, 외측 경로의 전력 밀도비는 0.70이므로 본 발명의 상기 식 1을 만족하는 것이었다.
이어서, 이 세라믹스 히터를 진공 챔버에 세팅하고 히터에 온도 측정용 열전대를 부착한 후에 진공 펌프로 챔버 내부를 1Pa로 감압했다. 그 후 이 세라믹스 히터에 통전해서 1000℃로 승온했다. 도 9(a)는 1000℃로 승온 중인 세라믹스 히터의 리턴 부분의 외관 사진이지만, 발열체를 흐르는 전류는 내주측 전류 경로(18)와 외주측 전류 경로(19)로 분할되므로 리턴부의 최내주측에서는 국소 발열은 관찰되지 않았다.
<비교예 1>
비교예 1에서는 실시예 1과 마찬가지로 해서 세라믹스 히터를 제작했지만, 도 9(b)에 나타낸 바와 같이 1쌍의 리턴부가 마주보는 위치(F)로부터 15㎜ 떨어진 지점까지 내측 전류 경로(18)와 외측 전류 경로(19) 두개의 전류 경로로 분할되어 있다. 이 비교예 1의 세라믹스 히터에 대해서 상기 식 1의 전력 밀도비를 구한 바, 내측 경로의 전력 밀도비는 1.56이며, 외측 경로의 전력 밀도비는 0.44이므로 본 발명의 범위 밖이였다.
이어서, 이 세라믹스 히터를 진공 챔버에 세팅하고 히터에 온도 측정용 열전대를 부착한 후에 진공 펌프로 챔버 내부를 1Pa로 감압했다. 그 후 이 세라믹스 히터에 통전해서 1000℃로 승온했다. 도 9(b)는 1000℃로 승온 중인 세라믹스 히터의 리턴 부분의 외관 사진이지만, 발열체를 흐르는 전류는 내주측 전류 경로(18)와 외주측 전류 경로(19)로 분할되지만 내주측 전류 경로(18)에 흐르는 전류가 외주측 전류 경로(19)보다 커져서 리턴부의 최내주측에서는 국소 발열(화살표 부분)이 관찰되었다.
<비교예 2>
비교예 2에서는 실시예 1과 마찬가지로 해서 세라믹스 히터를 제작했지만, 도 9(c)에 나타낸 바와 같이 리턴부에서의 흐름 경로의 분할을 행하지 않았다. 이 세라믹스 히터를 진공 챔버에 세팅하고 히터에 온도 측정용 열전대를 부착한 후에 진공 펌프로 챔버 내부를 1Pa로 감압했다. 그 후 이 히터에 통전해서 1000℃로 승온했다. 도 9(c)는 1000℃로 승온 중인 세라믹스 히터의 리턴부의 외관 사진이지만, 발열체를 흐르는 전류는 리턴부의 최내주측에 집중되어 국소 발열(화살표 부분)이 관찰되었다.
<실시예 2>
실시예 2에서는 암모니아 4SLM과 삼염화붕소 2SLM을 압력 10Torr, 온도 1900℃에서 반응시켜서 외경 85㎜, 높이 200㎜, 두께 1.3㎜의 열분해질화붕소제 원통을 제작했다. 이어서, 이 원통 상에 메탄을 압력 5Torr, 온도 1750℃에서 열분해시켜서 두께 40㎛의 열분해 그래파이트층을 형성하고 이것에 기계 가공을 실시해서 도 4에 나타낸 히터 패턴을 형성했다. 이것은 전력 공급 단자 사이에 분할된 두개의 전류 경로를 갖는 히터 패턴에 있어서, 한쪽 전력 공급 단자에 인접하는 리턴부로부터 다른 한쪽 전력 공급 단자에 인접하는 리턴부까지 전류가 흐르는 방향을 따라 연속적으로 2개의 전류 경로(16, 17)로 분할된 히터 패턴이며, 또한 리턴부(14)와 이것에 인접하는 전력 공급 단자 사이 및 리턴부(15)와 이것에 인접하는 전력 공급 단자 사이도 2개의 전류 경로(16, 17)로 분할된 히터 패턴이다. 전류 경로(16, 17)는 모두 폭이 7.3㎜이며, 전류 경로(16)의 전체 길이는 141.9㎝, 또한 전류 경로(17)의 전체 길이는 145.2㎝이다.
그리고, 이 세라믹스 히터 상에 암모니아 5SLM과 삼염화붕소 2SLM을 압력 10Torr, 온도 1900℃의 조건에서 반응시켜서 열분해질화붕소의 절연층을 피복하여 세라믹스 히터를 완성시켰다. 이 실시예 2의 세라믹스 히터에 대해서 상기 식 1의 전력 밀도비를 구한 바, 전류 경로(16)의 전력 밀도비는 1.02이며, 전류 경로(17)의 전력 밀도비는 0.98이므로 본 발명의 식 1을 만족하는 것이었다.
이어서, 이 세라믹스 히터를 진공 챔버에 세팅하고 히터에 온도 측정용 열전대를 부착한 후에 진공 펌프로 챔버 내부를 1Pa로 감압했다. 그 후 이 히터에 통전해서 1400℃ 부근으로 승온했다. 진공 챔버의 투시창에 의해 사모 그래프[니혼아비오닉스제 : 기종명 네오사모 TVS-700]를 이용해서 히터 표면의 온도 분포를 측정한 바, 도 4에 나타낸 히터 패턴 상의 리턴부가 아닌 위치의 점(A)의 온도는 1406℃이었지만, 한편 히터 패턴 상의 리턴부에 위치하고 2개로 분할된 전류 경로의 내주측에 있는 점(B)의 온도는 1396℃이었다.
이 결과로부터, 본 발명과 같이 리턴부에서 전류 경로의 분할이 이루어져 있는 히터 패턴의 경우에는 리턴부의 내주측의 온도와 리턴부가 아닌 위치의 온도에 거의 차가 없었기 때문에 국소 가열부의 발생을 방지할 수 있는 것이 확인되었다.
<비교예 3>
비교예 3에서는 실시예 2와 마찬가지로 해서 열분해질화붕소제 원통을 제작하고 원통 상에 열분해 그래파이트층을 형성했다. 이것에 기계 가공을 실시해서 도 7에 나타낸 히터 패턴을 형성했다. 이것은 전력 공급 단자 사이에 두개의 전류 경로는 있지만, 각각의 전류 경로에 있어서 리턴부에서 분할을 행하지 않은 히터 패턴이다. 그리고, 실시예 2와 마찬가지로 해서 열분해질화붕소의 절연층을 피복하여 세라믹스 히터를 완성시켰다.
이어서, 이 세라믹스 히터를 진공 챔버에 세팅하고 히터에 온도 측정용 열전대를 부착한 후에 진공 펌프로 챔버 내부를 1Pa로 감압했다. 그 후 이 히터에 통전해서 1400℃로 승온했다. 진공 챔버의 투시창에 의해 사모 그래프[니혼아비오닉스제 : 기종명 네오사모 TVS-700]를 이용해서 히터 표면의 온도 분포를 측정한 바, 히터 패턴 상의 리턴부가 아닌 위치의 점(C)의 온도는 1402℃이었지만, 한편 히터 패턴 상의 리턴부의 최내주측에 위치하는 점(D)의 온도는 1561℃이었다.
이 결과로부터, 비교예 3과 같이 리턴부에서 전류 경로의 분할이 이루어지지 않은 히터 패턴의 경우에는 리턴부의 최내주측에 이상 고온으로 되는 국소 가열부가 확인되었다.
1 : 전력 공급 단자
2a : 홈부
2b : 발열체
3, 5, 14, 15 : 리턴부
4 : 리턴부의 내주측
6, 11, 12, 16, 18 : 내주측 전류 경로
7, 10, 13, 17, 19 : 외주측 전류 경로
8, 9 : 전류
2a : 홈부
2b : 발열체
3, 5, 14, 15 : 리턴부
4 : 리턴부의 내주측
6, 11, 12, 16, 18 : 내주측 전류 경로
7, 10, 13, 17, 19 : 외주측 전류 경로
8, 9 : 전류
Claims (9)
- 원통 형상 또는 바닥이 있는 용기 형상의 전기 절연성 세라믹스로 이루어지는 지지 기재와, 상기 지지 기재 상에 형성된 도전성 세라믹스로 이루어지고 리턴부가 복수 병렬하는 히터 패턴이 상기 원통 형상 또는 바닥이 있는 용기 형상의 지지 기재의 직동부(直胴部)에 형성된 박막 형상의 발열체와, 상기 발열체 상에 형성된 전기 절연성 세라믹스로 이루어지는 절연층과, 상기 발열체를 전원에 접속하기 위한 복수의 전력 공급 단자를 상기 지지 기재의 하단부에 갖는 세라믹스 히터로서,
상기 히터 패턴은 상기 전력 공급 단자와 상기 복수의 리턴부의 사이에서 전류가 상기 직동부로 흐르는 전류 경로를 형성하고, 상기 히터 패턴의 리턴부가 전류가 흐르는 방향을 따라 복수의 전류 경로로 분할되어 있음과 아울러 상기 전류 경로 중 하나의 분할 구간이 N열(N은 2 이상의 정수)의 전류 경로로 분할될 때 n열째(n은 1~N) 전류 경로의 전력 밀도 Xn이 다음 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 입체 형상의 세라믹스 히터.
[식 1]
- 제 1 항에 있어서,
상기 히터 패턴은 이웃하는 리턴부 사이에서 전류가 흐르는 방향을 따라 복수의 전류 경로로 연속적으로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 입체 형상의 세라믹스 히터. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 히터 패턴은 한쪽 전력 공급 단자에 인접하는 리턴부로부터 다른 한쪽 전력 공급 단자에 인접하는 리턴부까지 전류가 흐르는 방향을 따라 복수의 전류 경로로 연속적으로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 입체 형상의 세라믹스 히터. - 제 2 항에 있어서,
상기 히터 패턴은 분할된 상기 전류 경로의 범위 내에 짝수개의 리턴부를 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 형상의 세라믹스 히터. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 히터 패턴은 전력 공급 단자와 상기 전력 공급 단자에 인접하는 리턴부 사이에서 전류가 흐르는 방향을 따라 복수의 전류 경로로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 입체 형상의 세라믹스 히터. - 제 1 항에 있어서,
상기 지지 기재는 그 형상이 원통 형상일 경우에 상기 원통 형상의 원통 외면 각 부의 직경의 편차가 ±0.025㎜ 범위 내인 것을 특징으로 하는 입체 형상의 세라믹스 히터. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 지지 기재는 열분해질화붕소로 이루어지고, 상기 발열체는 열분해 그래파이트, 붕소 및/또는 탄화붕소를 함유하는 열분해 그래파이트 중 어느 1종으로 이루어지고, 상기 절연층은 열분해질화붕소 또는 탄소를 함유하는 열분해질화붕소 중 어느 1종으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 입체 형상의 세라믹스 히터. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
Ag, Al, Au, Cr, Cu, Ga, Ge, In, Si 중 어느 1종의 증착 원료가 용융 또는 승화되도록 상기 증착 원료가 수용되는 진공 증착 장치의 원료 도가니를 1000℃ 이상의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 입체 형상의 세라믹스 히터. - 삭제
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