KR20010095084A - 유체 가열 장치 - Google Patents

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KR20010095084A
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콘토미오
나가타토모히로
세코수나오
사이토타카노리
미우라카즈토시
하세가와하루나리
호시조지
이시이카츠토시
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추후제출
도시바 세라믹스 가부시키가이샤
히가시 데쓰로
동경 엘렉트론 주식회사
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Abstract

종래의 기술상의 문제들을 해결하기 위해 개발된 본 발명에 따른 유체 가열 장치는 유체 공급원으로부터 공급되는 유체를 가열하는 가열관과, 이 가열관의 외주부 상에 나선형으로 형성된 히터부와, 상기 가열관 및 히터부를 수용하는 하우징을 포함하며, 상기 히터부는 탄소 와이어 발열체와, 이 탄소 와이어 발열체를 봉입하는 석영 유리관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유체 가열 장치{FLUID HEATING APPARATUS}
본 발명은 가스 또는 액체인 가열 유체의 가열 장치에 관한 것으로, 예컨대, 반도체 제조 공정 중에서 사용되는 각종 반도체 가열 처리로에 접속되고, 상기 반도체 가열 처리로에 공급되는 가스의 온도를 승강 제어하는 유체 가열 장치에 관한것이다.
반도체 제조 프로세스에 있어서, 예컨대, 불순물 확산로, 산화로, 어닐링로, 박막 제조 장치, 에칭 장치 등에 있어서 여러 가지 반도체 가열 처리로가 이용되고 있다. 이들 반도체 가열 처리로에는 그 목적, 용도에 따라 웨이퍼형, 종형, 횡형 배치식 등의 타입인 것이 존재하고 있다.
종래의 종형 배치식 산화 반응로를 도 12에 기초하여 설명하면, 이 반응로(60)는 반응관 가열로(61)와, 균열관(62 : 均熱管)과, 반응관(63)을 구비하고, 상기 반응관(63)의 내부에는 웨이퍼를 다단으로 유지하는 웨이퍼 보트(wafer boat : 도시 생략)를 배치할 수 있도록 구성되어 있다.
이러한 반응로(60)에 있어서, 반응 가스는 반응 가스 입구(64)로부터 반응 가스 노즐(65), 반응관 가열로(61) 내부에 마련된 가스 도입부(66)를 경유하여 반응관(63)의 내부로 도입된다.
그런데, 이 종래의 종형 배치식 산화 반응로(60)에 있어서, 반응 가스는 가스 도입부(66)의 안을 통과 중에 균열관(62)을 매개로 반응관 가열로 속에 매설된 히터(도시 생략)열에 의해 예열되어 온도가 상승한다.
그러나, 외부로부터 도입되는 반응 가스는 반응관(63) 내부의 온도에 비하여 낮고 충분히 예열되지 않기 때문에, 반응관(63) 내의 상부와 중앙부에서 온도차가 생겨 반응관(63) 내에 있는 반응 가스의 분해 생성 가스의 분압 분포가 불균일해진다.
그 결과, 반응관(63) 내부에 수납되어 있는 웨이퍼의 반응에 차가 생기고, 웨이퍼에 생성되는 막 두께, 막 질이 불균일하게 되어 양호한 산화막을 얻을 수 없다고 하는 폐해가 있었다.
상기 폐해를 해결하는 수단으로서, 상기 반응 가스를 노 내로 도입하기 전에 가열 장치를 이용하여 가열하고, 반도체 가열 처리로의 처리 온도에 알맞는 소정 온도로 예열 승온시켜 노 내부 온도 분포의 균일화를 도모하는 제안이 행해지고 있다(일본 특개소 제63-316425호, 일본 특개평 제7-176498호).
상기 일본 특개평 제7-176498호에는 종형 반응로 내로 도입하는 반응 가스를 소정의 온도로 가열 제어하는 가스 가열 장치가 개시되어 있다. 이 가스 가열 장치에 대해서 도 13에 기초하여 설명하면, 이 가스 가열 장치(70)는 가늘고 긴 사행(蛇行)형으로 형성된 가열 경로부(73)와 상기 가열 경로부(73) 속에 설치된 균열체(발열체: 72)를 구비하고, 가스 입구(71)로부터 도입된 반응 가스는 가스 가열 장치의 균열체(72)에 의해 가열되면서 가늘고 긴 사행형으로 형성된 가열 경로부(73) 내를 흘러 노 내로 도입되도록 구성되어 있다.
또한, 도 13의 화살표는 반응 가스의 흐름을 나타내고 있다.
또한, 상기 일본 특허공개공보 소화 제63-316425호에는 낱장식 벨져형로를 이용한 에피택셜 박막 기상 성장 장치 내로 도입하는 반응 가스를 소정의 온도로 가열 제어하는 가스 가열 장치가 개시되어 있다.
이 가스 가열 장치에 대해서 도 14 및 도 15에 기초하여 설명하면, 이 가스 가열 장치(80)는 스파이럴관(81)과, 상기 스파이럴관(81)의 외측에 설치된 히터부(82)를 구비하고, 반응 가스는 스파이럴관(81)을 통과하는 동안에 히터부(82)로부터의 열에 의해 소정 온도로까지 가열된 후, 노즐(83)로부터 벨져형로(84) 내로 공급되도록 구성되어 있다. 또한, 도 14 및 도 15의 화살표는 반응 가스의 흐름을 도시하고 있다.
그런데, 일본 특개평 제7-176498호에 개시된 가스 가열 장치를 산화로에 적용한 경우, 가열 경로부를 고순도 석영관으로 형성하고, 균열체(발열체)를 고순도의 탄화규소(SiC)로 제조된 발열체로 형성했다고 하여도 반응 가스로서 수증기(H2O)가 이용되기 때문에 산소가 탄화규소 발열체의 내부에까지 들어가 내부 산화되고, 구조적 열화가 생겨 파티클이 발생한다고 하는 문제가 있었다.
또한, 어닐링로에서 수소를 유통시킨 경우에 있어서도, 탄화규소로 제조된 발열체와 수소의 반응으로 불순물 가스가 발생한다고 하는 문제가 있었다.
더욱이, 탄화규소로 제조된 발열체는 열 용량이 크고, 열 응답성이 좋지 않기 때문에, 급속한 온도의 상승 및 하강이 곤란하였다.
또한, 일본 특개소 제63-316425호에 개시된 가스 가열 장치에서는, 반응 가스가 스파이럴관의 내부를 통과하도록 구성되어 있지만, 가스의 체류성이 나빠서 스파이럴관의 길이를 상당히 길게 하지 않으면, 소정 온도로까지 가열할 수 없었다. 한편, 가스를 소정 온도까지 가열하기 위해 스파이럴관의 길이를 길게 하면 가스 가열 장치의 소형화를 도모할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 내구성이 우수하고, 또한 파티클 등의 발생이나 금속 오염 등을 억제할 수 있으며, 소형화 가능한 유체 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해 이루어진 본 발명에 의한 유체 가열 장치는 유체 공급원으로부터 공급되는 유체를 가열하는 가열관과, 상기 가열관의 외주부에 나선형으로 형성된 히터부와, 상기 가열관 및 히터부를 수용하는 하우징을 적어도 구비하고, 상기 히터부가 탄소 와이어 발열체와, 이 탄소 와이어 발열체를 봉입하는 석영 유리관으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 유체 가열 장치는 상기 히터부가 탄소 와이어 발열체와, 이 탄소 와이어 발열체를 봉입하는 석영 유리관으로 이루어지는 동시에 히터부가 상기 가열관의 외주부에 나선형으로 형성되어 있는 점에 구성상의 특징이 있다.
이와 같이, 탄소 와이어 발열체를 석영 유리관에 봉입하여 이루어지는 히터부는 종래의 고순도 탄화규소로 제조된 히터에 비하여 열 용량이 작아서 반도체 웨이퍼에 유해한 금속 오염이나 파티클의 생성, 불순물 가스의 발생 등이 적게 일어난다.
또한, 히터부가 유체를 가열하는 가열관의 외주부에 나선형으로 형성되어 있기 때문에, 가열 효율이 우수하면서 유체의 가열 승온 조작에 있어서의 열 응답성이 우수하다.
또한, 본 발명에 의한 유체 가열 장치를, 상기 유체가 가스이며, 반도체 가열 처리로에 도입되는 가스를 가열 제어하기 위한 가스 가열 장치로서 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에 의한 유체 가열 장치를, 가스 공급원과 상기 반도체 가열 처리로에 접속되고, 가스 공급원으로부터 공급되는 가스를 가열하는 가열관과, 상기 가열관의 외주부에 나선형으로 형성된 히터부와, 상기 가열관 및 히터부를 수용하는 하우징을 적어도 구비하고, 상기 히터부가 탄소 와이어 발열체와, 이 탄소 와이어 발열체를 봉입하는 석영 유리관으로 이루어진 가열 장치로 하는 것이 보다 바람직하다. 이것에 의해, 반도체 가열 처리로 내의 처리 온도의 변동을 줄이면서 가스 처리되는 반도체 웨이퍼의 불순물 오염을 줄일 수 있다.
여기서, 상기 가열관의 내부에, 통과하는 유체의 저항이 되는 충전물이 수용되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 가열관의 내부에, 예컨대 통과하는 가스의 저항이 되는 충전물이 수용되어 있기 때문에, 통과하는 유체에 대하여 적절한 체류 시간을 부여할 수 있다.
그 결과, 가열관 내부를 통과하는 유체는 상기 탄소 와이어 발열체로부터의 복사열에 의해 충분한 열을 얻을 수 있고, 소정 온도까지 승온시킬 수 있다. 또한, 가열관 내부를 통과하는 유체를 체류시킬 수 있기 때문에 가열관, 히터부를 소형화할 수 있다.
또한, 상기 충전물은 단주상의 석영 유리 비드를 융착시킴으로써 형성된 성형체, 혹은 연통된 세공이 형성된 다공질 석영 유리 성형체로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히, 단주상의 석영 유리 비드를 융착시킴으로써 형성된 상기 성형체는 직경이 6 내지 12 mm이고 길이가 6 내지 12 mm인 석영 유리 비드와, 직경이 4 내지 10 mm이고 길이가 4 내지 10 mm인 2 종류의 유리 비드를 1:4 내지 4:1의 비율(보다, 바람직하게는 6:4 내지 8:2의 비율)로 혼합하여 융착시킴으로써 형성된 성형체인 것이 바람직하다.
이와 같이, 석영 유리 비드를 융착시킴으로써 형성된 성형체로 이루어진 충전물, 또는 연통된 세공이 형성된 다공질 석영 유리 성형체로 이루어진 충전물이 가열관 내에 수용되어 있기 때문에, 가열관 내로 도입된 가스가 상기 충전물에 의해 형성된 복잡하게 굴곡 교차하는 미세한 유로를 통과함으로써 적절한 체류 시간이 부여된다. 또한, 상기 탄소 와이어 발열체로부터의 복사열은 상기 성형체 내부에서 복잡하게 투과, 굴절, 산란, 반사를 반복한다.
그 결과, 도입된 가스에 충분한 열량을 부여할 수 있기 때문에, 열 교환 효율이 우수하여 가열관, 히터부를 소형으로 할 수 있다.
또한, 석영 유리 등의 석영질의 열전도성은 크지 않기 때문에, 상기 히터부의 탄소 와이어 발열체로부터 상기 가열관 내부로 전달되는 열에너지의 대부분은 복사열이다.
그 때문에, 상기 가열관 내의 충전물은 흑색체인 것보다 오히려 투명체인 것이 바람직하다.
이것은 흑색체의 경우, 흑색체의 표면 부분에서 복사가 흡수되어 버리고, 상기 표면부만이 국부로 가열되어 버리기 때문이다. 이에 비하여, 투명체의 경우, 투명체에 조사된 복사열은 복잡하게 투과, 반사, 굴절하여 중심 부분으로까지 도달하고, 상기 충전물 내부를 균등하게 가열할 수 있으며, 가열관 내부를 통과하는 가스를 균일하게 가열할 수 있다. 따라서, 충전물인 석영 유리 비드는 투명 석영 유리로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 충전물은 복수개의 석영 유리 파이프이어도 좋고, 또한 충전물은 복수개의 개구부를 갖는 석영 유리로 제조된 가스 확산판이어도 좋다. 특히, 상기 가스 확산판이 가열관의 내부에 복수개 수용되고, 적어도 인접하는 가스 확산판의 개구부가 일치하지 않도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이러한 충전물이라도 상기한 충전물과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 히터부와 하우징 사이의 공간에 고순도 단열재가 충전되는 것이 바람직하다.
상기 공간에 단열재가 충전되어 있기 때문에, 단열 및 차광성이 우수하고, 가열 효율이 양호한 유체 가열 장치를 얻을 수 있다.
또한, 상기 가열관과 히터부가 하우징 내에 설치된 열 차폐체 내에 수용되어 있는 것이 바람직하고, 특히 상기 열 차폐체는 통형으로서, 적어도 그 내표면에 실리카 미분말과 알루미나 미분말을 함유한 반사 단열 도포막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 이 열 차폐체의 열 차폐 효과를 얻기 위해서는 이 내외면에 반사 단열 코팅막을 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 가열관과 히터부가 하우징 내에 설치된 석영 유리로 제조된 열 차폐체 내에 수용되어 있기 때문에 단열 및 차광성이 우수하고, 가열 효율이 양호한 유체 가열 장치를 얻을 수 있다.
특히, 상기 열 차폐체에 실리카 미분말과 알루미나 미분말을 함유한 반사 단열 코팅막이 형성되어 있는 것은 단열 및 차광성이 우수할 뿐만 아니라 그 표면에 불순물을 트랩(trap)하는 능력을 갖는다.
더욱이, 상기 반사 단열 코팅막은 실리카 미분말과 알루미나 미분말이 3:1 용량부 내지 3:7 용량부의 배합비로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 반사 단열 코팅막이 산화티탄 미분말을 함유하는 것이 더욱 바람직하다.
실리카 미분말과 알루미나 미분말의 배합비가 3:7 용량부 미만에서 실리카 미분말의 비율로 작아지면 표면에 불순물을 트랩하는 능력이 저하한다.
한편, 실리카 미분말과 알루미나 미분말의 배합비가 3:1 용량부를 초과하여알루미나 미분말의 비율이 작아지면, 실리카 미분말이 너무 많아져서 표면 크랙이나 코팅막 제작시에 박리가 쉽게 발생하게 된다고 하는 폐해가 생긴다.
또한, 상기 반사 단열 코팅막의 막 두께가 30 내지 300 ㎛의 범위에 있는 것이 바람직하다.
반사 단열 코팅막의 막 두께가 30 ㎛ 미만에서는 단열 및 차광성이 뒤떨어지고, 300 ㎛를 초과하면 코팅막에 층 형상의 크랙이 쉽게 발생되며, 쉽게 박리된다고 하는 폐해가 생기기 때문이다.
또한, 상기 열 차폐체와 하우징 사이의 공간에 고순도 단열재가 충전되는 것이 바람직하다.
상기 열 차폐체와 하우징 사이의 공간에 단열재가 충전되어 있기 때문에 단열 및 차광성이 우수하고, 가열 효율이 양호한 유체 가열 장치를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 하우징 자체를 고순도 단열재에 의해 구성함으로써 보다 소형화할 수 있다.
또한, 상기 탄소 와이어 발열체가 직경 5 내지 15 ㎛의 탄소 섬유를 묶은 섬유 다발을 복수개 짜서 이루어진 짠 끈 형상, 혹은 꼰 끈 형상의 탄소 와이어 발열체인 것이 바람직하고, 또한 상기 탄소 와이어 발열체가 탄소 섬유의 함유 불순물량이 회분(灰分) 중량으로서 10 ppm 이하인 것이 바람직하다.
이와 같이, 탄소 와이어 발열체가 짠 끈 형상이나 꼰 끈 형상으로 형성되어 있는 것은 인장 강도가 높고, 고열에서의 내구성이 우수하며, 또한 용이하게 변형시킬 수 있기 때문에, 히터부를 구성하는 나선형의 석영 유리관 내부에 용이하게 수용할 수 있다.
또한, 탄소 와이어 발열체를 구성하는 탄소 섬유의 함유 불순물량이 회분 중량으로서 10 ppm 이하로 고순도이기 때문에 불순물의 확산을 방지할 수 있다.
본 발명에 의한 유체 가열 장치는 유체 공급원으로부터 공급되는 유체를 가열하는 가열관과, 상기 가열관의 외주부에 나선형으로 형성된 히터부와, 상기 가열관 및 히터부를 수용하는 하우징을 적어도 구비하고, 상기 히터부는 탄소 와이어 발열체와, 이 탄소 와이어 발열체를 봉입하는 석영 유리관으로 이루어진 유체 가열 장치로서, 상기 가열관의 내부에 복수개의 석영 유리 비드를 일부 융착시킴으로써 형성된 다공질 성형체가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 다공질 성형체를 가열관의 내부에 설치함으로써 가열관 내에 도입된 가스가 상기 충전물에 의해 형성된 복잡하게 굴곡 교차하는 미세한 유로를 통과함으로써 적절한 체류 시간이 부여된다. 또한, 상기 탄소 와이어 발열체로부터의 복사열은 상기 성형체 내부에서 복잡하게 투과, 굴절, 산란, 반사를 반복한다.
그 결과, 도입된 가스에 충분한 열량을 부여할 수 있기 때문에 열 교환 효율이 우수하고, 가열관, 히터부를 소형으로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서의 석영 유리 비드에는 석영 유리로 이루어진 일단면이 원형 혹은 직사각형인 주상체, 구상체, 파쇄상체, 혹은 석영 유리로 이루어진 상기 어느 한쪽의 주상체에 중공부가 형성된 소위 통형상체 등, 여러 가지 형태의 것이 포함된다. 또한, 상기 석영 유리 비드의 크기는 복수개의 석영 유리 비드를 일부 융착시킨 다공질 성형체를 가열관의 내부에 설치할 수 있으면, 특별히 한정되지 않는다.
여기서, 상기 탄소 와이어 발열체가 직경 5 내지 15 ㎛의 탄소 섬유를 묶은섬유 다발을 복수개 짜서 이루어진 짠 끈 형상, 혹은 꼰 끈 형상의 탄소 와이어 발열체인 것이 바람직하고, 또한 상기 탄소 와이어 발열체가 탄소 섬유의 함유 불순물량이 회분 중량으로서 10 ppm 이하인 것이 바람직하다.
이와 같이, 탄소 와이어 발열체가 짠 끈 형상이나 꼰 끈 형상으로 형성되어 있는 것은 인장 강도가 높고, 고열에서의 내구성이 우수하며, 또한 용이하게 변형시킬 수 있기 때문에 히터부를 구성하는 나선형의 석영 유리관 내부에 용이하게 수용할 수 있고, 본 유체 가열 장치의 히터부를 가열관의 외주부에 고정밀도로 설계 및 배치하는 것이 가능해진다.
또한, 탄소 와이어 발열체를 구성하는 탄소 섬유의 함유 불순물량이 회분 중량으로서 10 ppm 이하로 고순도이기 때문에 불순물의 확산을 방지할 수 있다.
또한, 상기 가열관과 히터부가 하우징 내에 설치된 고순도 단열재 내에 수용되어 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 가열 효율을 높이는 동시에 그 하우징의 소형화를 가능하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유체 가열 장치(가스 가열 장치)의 일 실시 형태를 도시한 도면으로서, (a)는 측면 단면도, (b)는 (a)도에 있어서의 A-A선 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 가스 가열 장치에 이용되고 있는 가열관 및 충전물을 도시한 도면으로서, (a)는 단주상(短柱狀)의 석영 비드(bead)를 융착시킨 충전물, (b)는 발포 석영 유리에 연통 세공(連通 細孔)을 형성한 다공질 석영 유리 충전물.
도 3은 도 1에 도시된 가스 가열 장치에 이용되고 있는 가열관 및 다른 충전물을 도시한 도면으로서, (a)는 석영 파이프로 이루어진 충전물을 도시한 도면, (b)는 (a)의 정면도.
도 4는 도 1에 도시된 가스 가열 장치에 이용되고 있는 가열관 및 다른 충전물을 도시한 도면으로서, (a)는 석영으로 이루어진 가스 확산판을 충전물로 한 도면, (b)는 (a)의 정면도.
도 5는 도 1에 도시된 가스 가열 장치의 히터부에 이용되고 있는 가열관의 구조를 도시한 도면으로서, (a)는 측면 일부 단면도, (b)는 평면도.
도 6은 도 1에 도시된 가스 가열 장치의 밀봉 단자부의 구조를 도시한 사시도.
도 7은 도 1에 도시된 가스 가열 장치의 다른 밀봉 단자부의 구조를 도시한 사시도.
도 8은 도 1에 도시된 가스 가열 장치의 탄소 와이어 발열체를 도시한 개략도.
도 9는 본 발명의 가스 가열 장치의 반도체 가열 처리로에의 접속 구조의 일례를 도시한 도면.
도 10은 도 1에 도시된 가스 가열 장치의 열 차폐체의 구조를 도시한 사시도.
도 11은 확산로의 조업에 있어서 실시되는 승강 온도-시간 다이어그램을 도시한 꺾은선 그래프.
도 12는 가스 예열 장치를 구비하지 않는 종래의 종형 배치(batch)식 산화 반응로의 일례를 도시한 도면.
도 13은 종래 형의 가스 예열 장치를 설치한 종형 배치식 산화 반응로의 일례를 도시한 도면.
도 14는 종래 형의 가스 예열 장치를 설치한 낱장식 벨져(bell-jar)형로 에피택셜(epitaxial) 박막 성장 장치의 일례를 도시한 도면.
도 15는 도 11에 도시된 장치의 가스 예열 장치 구조를 도시한 개략도.
도 16는 본 발명에 따른 가스 가열 장치의 다른 실시 형태(실시예로 이용한 형태)를 도시한 도면.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 가열 장치
2 : 가열관
3 : 히터부
4 : 열 차폐체
5 : 하우징
6 : 단열재
7, 8 : 접속관
10 : 탄소 와이어 발열체
11, 23 : 석영 유리관
11a : 나선형의 석영 유리관
11b, 11c : 직선형관
11d : 대직경 석영 유리관
12 : 충전물
12c : 석영 유리 파이프
12d : 가스 확산판
20 : 밀봉 단자부
21a, 21b : 내접속선
22a, 22b : 외접속선
25a, 25b : 몰리브덴 박
26 : 폐색부재
31a : 석영 유리부
31b : 단계화된 밀봉부
31c : 텅스텐 유리부
31d : 핀치 밀봉부
32 : 접속선
60 : 산화 반응로
61 : 반응관 가열로
62 : 균열관
63 : 반응관
64 : 반응 가스 입구
65 : 반응 가스 노즐
66 : 가스 도입부
70, 80 : 가스 가열 장치
72 : 균열체
73 : 사행형으로 형성된 가열 경로부
81 : 스파이럴관
82 : 히터부
83 : 노즐
84 : 벨져형로
이하에, 본 발명에 의한 유체 가열 장치의 일 실시 형태이며, 특히 이 유체로서 가스를 이용하는 경우를 도 1 내지 도 10에 기초하여 상세히 설명한다. 본 발명에 있어서는, 이하, 유체 가열 장치를 가스 가열 장치로서 설명하는 것으로 한다.
또한, 도 1은 본 발명에 의한 가스 가열 장치의 일 실시 형태를 도시한 도면으로서, (a)는 측면 단면도, (b)는 (a)도에 있어서의 A-A선 절단 단면도를 도시한다. 도 2는 가열관 내에 수용된 충전물을 도시한 도면으로서, (a)는 단주상의 투명 석영 유리 비드를 융착시킨 성형체로 이루어진 충전물, (b)는 발포 석영 유리에 연통 세공을 형성한 다공질 석영 유리 성형체로 이루어진 충전물을 나타낸다. 도 3은 도 2와 동일, 가열관 내에 수용된 충전물을 도시한 도면으로서, (a)는 투명 석영 유리 파이프를 융착한 성형체로 이루어진 충전물, (b)는 그 정면도, 도 4는 석영 유리로 제조된 가스 확산판으로 이루어진 충전물, (b)는 그 정면도이다.
도 5는 히터부의 구조를 도시한 도면으로서, (a)는 측면의 일부 단면도, (b)는 정면도이다.
도 6은 히터부에 접속되는 단자부의 구조를 도시한 사시도, 도 7은 히터부에 접속되는 단자부의 다른 구조를 도시한 사시도, 도 8은 탄소 와이어 발열체를 도시한 개략도, 도 9는 가스 가열 장치를 반도체 가열 처리로에 접속하는 접속부의 구조를 도시한 단면도, 도 10은 열 차폐체의 구조를 도시한 개략도이다.
본 발명에 의한 가스 가열 장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 공급원으로부터 공급되는 가스를 가열하는 가열관(2)과, 상기 가열관(2)의 외주부에 나선형으로 형성된 히터부(3)와, 상기 가열관(2)과 히터부(3)가 수납된 석영 유리로 제조된 열 차폐체(4)와, 상기 가열관(2) 및 히터부(3)를 수납하는 열 차폐체(4)를 더 수용하는 하우징(5)과, 열 차폐체(4)와 하우징(5)과의 사이에 설치된 고순도 단열재(6)와, 일단이 가스 공급원에 접속되는 동시에 타단이 가열관(2)에 접속된 접속관(7)과, 일단이 가열관(2)에 접속되는 동시에 타단이 반도체 가열 처리로(도시하지 않음)에 접속된 접속관(8)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 히터부(3)는 도 8에 도시된 탄소 와이어 발열체(10)와, 이 탄소 와이어 발열체(10)를 봉입하는 도 5에 도시된 석영 유리관(11)으로 구성되어 있다.또한, 상기 가열관(2)의 내부에는 도 2에 도시된 바와 같이 통과하는 가스의 저항이 되는 충전물(12)이 수용되어 있다.
다음에, 이 가스 가열 장치를 구성하는 각 부재에 대해서 상세히 설명한다. 상기 가열관(2)은, 통상적으로 그 두께가 1 내지 3 mm 정도인 투명 석영 유리재로서 원통형으로 형성되어 있다. 또한, 가열관(2)은 충전물(12)을 내부에 수용한 후, 접속관(7, 8)이 형성된 측단부판에 의해 폐색 및 밀폐된다.
또한, 상기 가열관(2)의 사이즈(유효 직경, 유효 길이)는 가열하는 가스량, 가열 온도, 가스의 열 용량 등의 각종 요소를 감안하여 적절히 설정되지만, 통상적으로 그 유효 직경은 50 내지 100 mm이고, 길이는 100 내지 200 mm인 정도이다.
또한, 가열관(2)의 내부에 설치되는 충전물(12)로서는, 도 2에 도시된 바와 같은 단주상의 투명 석영 유리 비드를 융착시켜 형성된 성형체(12a), 또는 발포 석영 유리에 연통 세공을 형성한 다공질 석영 유리 성형체(12b)가 이용된다.
또한, 석영 유리 비드의 형상으로는 복사열을 흡수하여 통과 가스에 유효하게 열을 부여할 수 있는 형상이라면, 반드시 단주상에 한정되는 것이 아니라 구상, 회전 타원체 형상, 단주 원통 형상, 안장형 형상 등의 것을 임의로 채용하여도 지장이 없다.
그러나, 융착시에 왜곡을 일으키거나 취급시, 사용시 등에 균열되거나 이지러지기 쉬운 것은 바람직하지 못하며, 또한 가능한 한 저렴하면서 형상 가공이 용이한 점 등으로부터 단주 원주 형상의 것이 바람직하다.
또한, 상기 투명 석영 유리 비드의 형상은 단주 원주 형상으로 이루어지고, 통기성(통기 저항 압력 손실)에 따라 적절하게 선택되지만, 통상적으로 그 직경은4 내지 15 mm이고, 길이는 4 내지 15 mm 정도이며, 보다 바람직하게는 직경은 6 내지 12 mm이고, 길이는 6 내지 12 mm 정도인 것이 이용된다.
특히, 직경이 6 내지 12 mm이고, 길이가 6 내지 12 mm인 석영 유리 비드와 직경이 4 내지 10 mm이고, 길이가 4 내지 10 mm인 크고 작은 2 종류의 단주 원주상 비드를 6:4 내지 8:2의 갯수 비율로 혼합한 것을 융착시켜 성형한 성형체는 파손되거나 쉽게 이지러지지 않으며, 또한 충전율이나 가스 압력 손실 면에서도 적당하기 때문에 바람직하다.
상기한 석영 유리 비드를 이용하여 성형체를 제조하는 방법으로는, 우선 직경이 6 내지 12 mm 정도인 투명 석영 유리의 솔리드 막대를 6 내지 12 mm 정도로 절단하여 형성되는 크기가 2 종류인 석영 비드를 예컨대 7(치수가 큰 비드):3(치수가 작은 비드)으로 혼합하여 (통상 600 내지 1000개)를 제조한다.
이것을 석영통(가열관)에 넣어 탄소로 제조된 통형의 분할 목형(split mold) 내에 투입하고, 위에서부터 탄소로 제조된 추를 이용하여 눌러 1450℃로 가열함으로써 상기 석영 유리 비드끼리를 부분적으로 융착시켜 원주상 성형체가 되게 한다.
이 때, 상기 원주상 성형체(12a)는 석영통(2)과 일체화한다.
또한, 상기 발포 석영 유리에 연통 세공을 형성시킨 다공질 석영 유리로 이루어진 성형체(12b)는 원주 형상의 발포 유리 성형체를, 예컨대, 플루오르화수소산 수용액, 플루오르화수소산·질산 혼합 수용액 등의 실리카질 부식성 산용액으로 처리함으로써 기포 벽면의 일부를 용해 제거하고, 복수개의 연통 구멍을 형성하여 통기성이 좋게 한 것이다.
이 다공질 석영 유리 성형체(12b)의 통기성, 즉, 처리 가스 유량당 압력 손실은, 예컨대 상기 산처리 조건을 적절하게 조정하거나 성형체의 길이를 조정함으로써 조절된다.
상기 다공질 석영 유리 성형체(12b)를 충전물(12)로서 가열관(2)의 내부에 장착하기 위해서는 성형체(12b)를 가열관(2)에 삽입하고, 가열관(2)의 단부면을 측단부판으로 폐색하여 가열관(2) 내부를 감압 상태가 되게 한다.
계속해서, 상기 가열관(2)의 외부로부터 충전물 부분을 가열 연화시킴으로써 가열관(2)의 내주면과 충전물(12)의 외주면을 융착하는 것에 의해 고정 및 장착한다.
또한, 상기 충전물은 석영 유리 비드를 이용한 성형체(12a), 혹은 다공질 석영 유리 성형체(12b)에 한정되는 것이 아니라 가열관(2) 내부에 설치되고, 통과 가스의 열 교환 효율을 향상시키는 작용 효과를 발휘하는 구조물로서, 불순물을 확산시키지 않는 것이라면 좋다.
예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 충전물로서 석영 유리 파이프(12c)를 이용하여도 좋다. 구체적으로 설명하면, 상기 가열관(2)이 내경 φ77.5 mm, 길이 150 mm, 두께 5 mm인 경우, 외경 φ 8.1 mm, 내경 6.5 mm인 61개의 석영 유리 파이프(12c)를 이용함으로써 충전물로서 기능시킬 수 있다.
또한, 석영 유리 파이프(12c)는 석영 유리 파이프 사이의 간극을 가늘고, 균일하게 하는 것이 바람직하다. 또한, 석영 유리 파이프(12c)를 충전물로서 가열관의 내부에 장착하기 위해서는 전술한 성형체(12b)의 장착과 동일한 방법으로 고정 및 장착할 수 있다.
또한, 통기성이 다른 성형체를 복수개 제작하고, 이들을 조합하여충전물(12)로서 가열관(2)의 내부에 수용시켜도 좋다. 이와 같이 몇 개의 성형체를 조합하여 충전물(12)로 함으로써 가스의 압력 손실 조절, 즉 가스 체류 시간을 비교적 광범위하게 또한 용이하게 조절할 수 있다.
예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 충전물로서 석영 유리로 이루어진 가스 확산판(12d)을 이용하여도 좋다. 상기 가스 확산판(12d)에는 복수개의 가스가 통과하는 개구부(12dl)가 설치되어 있다. 또한, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 인접하는 가스 확산판(l2d)에서의 개구부(12d1)가 서로 일치하지 않도록 형성, 배치되어 있다. 그 때문에, 하나의 가스 확산판(12d)의 개구부(12d1)를 통과한 가스는 다음 가스 확산판(12d)에 부딪혀 가스의 체류 시간을 길게 할 수 있다.
가스 확산판(12d)에 대해서 구체적으로 설명하면, 상기 가열관(2)이 내경 φ 77.5 mm, 길이 150 mm, 두께 5 mm인 경우, 외경 φ77.3 mm, 두께 5 mm, 개구부 직경 φ4.5 mm, 개구부의 수 38개(격자형으로 배치)인 가스 확산판(12d)을 이용함으로써 충전물로서 기능시킬 수 있다.
또한, 가스 확산판(12d)을 충전물로서 가열관의 내부에 장착하기 위해서는 전술한 성형체(12b)의 장착과 동일한 방법으로 고정 및 장착할 수 있다.
더욱이, 석영 유리 등의 석영질의 열전도성은 크지 않기 때문에, 상기 히터부(3)의 탄소 와이어 발열체(10)로부터, 그것을 봉입하는 석영 유리관(11)을 통해 상기 가열관(2) 내부로 전달되는 열에너지의 대부분은 복사열이다. 그 때문에, 상기 가열관(2) 내의 충전물(12)은 흑색체인 것보다 오히려 투명체인 것이 바람직하다.
상기 충전물(12)이 흑색체인 경우, 흑색체의 표면 부분에서 복사선이 흡수되어 버리고, 상기 표면부만이 국부로 가열되기 때문이다. 이에 비하여, 충전물(12)이 투명체인 경우, 조사된 복사열은 복잡하게 투과, 반사, 굴절하여 중심부분에까지 도달하고, 상기 충전물(12) 내부를 균등하게 가열할 수 있다. 그 결과, 가열관(2) 내부를 통과하는 가스를 균일하게 가열할 수 있다. 이것으로부터 석영 유리를 대신하는 것으로는 다결정 Al2O3로 이루어진 투광성 알루미나를 들 수 있다.
이와 같이, 가열관(2) 내부에 충전물(12)이 설치된 가스 가열 장치는 도입된 가스를 소정 온도로 상승시키는 데 충분한 체류 시간을 상기 가스에 부여할 수 있고, 또한 히터부(3)로부터의 복사열을 효율적으로 가스에 흡수시킬 수 있다.
다음에, 상기 가열관(2)을 가열하는 히터부(3)에 대해서 설명한다.
전술한 바와 같이, 상기 히터부(3)는 그 발열부가 탄소 섬유 다발로 이루어진 탄소 와이어 발열체(10)를 봉입하는 석영 유리관(11)으로 구성되고, 상기 가열관(2)의 표면은 나선형이 되도록 설치되어 있다.
이 석영 유리관(11)은 도 5에 도시된 바와 같이, 나선형의 석영 유리관(11a)과, 상기 나선형의 석영 유리관(11a)의 일단에 접속하여 상기 석영 유리관(11a)의 나선 구조를 지지하는 석영 유리로 제조된 직선형관(11b)과, 상기 나선형의 석영 유리관(11a) 타단에 접속하여 상기 석영 유리관(11a)의 나선 구조를 지지하는 석영 유리로 제조된 직선형관(11c)으로 구성되어 있다.
나선형의 석영 유리관(11a)은 직선형관(11b, 11c)과 연통하고 있고, 탄소 와이어 발열체(10)는 나선형의 석영 유리관(11a)에 수용되며, 직선형관(11b, 11c)으로부터 도출된다.
또한, 직선형관(11b, 11c)의 단부에는 도 6에 도시된 바와 같은 밀봉 단자부(20)가 설치되어 있다. 즉, 나선형의 석영 유리관(11a)으로부터 도출한 탄소 와이어 발열체(10)는 직선형관(11b, 11c)에 압축 수납된 복수개의 와이어 탄소재(11e)에 압축 상태로 끼워지게 한 구조에 의해 접속되며, 상기 와이어 탄소재(11e)에 밀봉 단자부(20)의 접속 도선(내접속선: 21a, 21b)이 접속하는 구조를 갖고 있다. 이 구조에 의해 탄소 와이어 발열체(10) 및 복수개의 와이어 탄소재(11e)가 외기에 접촉하는 일이 없도록 직선형관(11b, 11c)의 단부와 밀봉 단자부(20)가 결합된다. 결합 후에는 나선형의 석영 유리관, 직선형관 및 밀봉 단부로 이루어진 히터 구조체 내부가 거의 진공에 가까운 상태로 되어 있는 것이 바람직하다.
상기 밀봉 단자부(20)는 도 6에 도시된 바와 같이, 직선형관(11b, 11c) 내에 수납되어 있는 와이어 탄소재(11e)와 접속되는 내접속선(21a, 21b)과, 전원(도시 생략)에 접속되는 외접속선(22a, 22b)과, 상기 대직경 석영 유리관(11d)에 삽입할 수 있거나 상기 대직경 석영 유리관(11d)을 삽입할 수 있는 직경을 갖는 석영 유리관(23)과, 상기 석영 유리관(23)의 내벽과 밀착하여 수납되는 석영 유리체(24)와, 상기 석영 유리체(24)의 외주면에 형성된 내외 접속선을 유지하는 홈(24a)과, 석영 유리체(24)의 외주면에 유지된 내외 접속선을 전기적으로 접속하는 도전박인 몰리브덴(Mo)박(25a, 25b)과, 상기 석영 유리관(23)의 단부를 폐색하는 폐색 부재(26)로 구성되어 있다.
또한, 상기 대직경 석영 유리관(11d)과 석영 유리관(23)은 직경을 동일하게하여 각각의 단부면에서 용착할 수도 있다.
여기서, 상기 내접속선(21a, 21b) 및 외접속선(22a, 22b)은 몰리브덴, 혹은 W(텅스텐) 막대로 이루어지고, 그 직경은 1 내지 3 mm로 형성되어 있다. 상기 내접속선(21a, 21b) 및 외접속선(22a, 22b)의 직경은 필요에 따라 적절하게 선택할 수 있지만, 직경이 작은 경우에는 전기 저항이 높아지기 때문에 바람직하지 못하다. 또한 직경이 큰 경우에는 단자 자체가 커지기 때문에 바람직하지 못하다. 또한, 내접속선(21a, 21b)은 직선형관(11b, 11c) 내에 압축 수납되어 있는 와이어 탄소재(11e)에 삽입함으로써 용이하게 접속할 수 있도록 그 선단부가 뾰족하다. 이 경우, 삽입하는 깊이는 단자(3a, 3b)와의 물리적 또한 전기적 결합성을 양호한 것으로 하기 위해서는 10 mm 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 15 mm 이상이다.
또한, 내접속선(21a, 21b) 및 외접속선(22a, 22b)의 단부는 상기 석영 유리체(24)의 외주면에 형성된 내외 접속선을 유지하는 홈(24a)에 수납되고, 수납했을 때 내접속선(21a, 21b) 및 외접속선(22a, 22b)의 외주면이 석영 유리체(24)의 외주면으로부터 그다지 돌출하지 않도록 형성되어 있다.
또한, 내접속선(21a, 21b)과 외접속선(22a, 22b)은 홈(24a)에 수납한 상태에서는 석영 유리체(24)에 의해 전기적으로 절연되고, 후술하는 도전박인 몰리브덴박(25a, 25b)에 의해 전기적으로 도통된다.
상기 몰리브덴박(25a, 25b)은 상기 내접속선(21a)과 외접속선(22a)을, 또한 상기 내접속선(21b)과 외접속선(22b)을 전기적으로 접속하기 위해 석영 유리체(24)의 외주면을 따라 부착되어 있다. 또한, 몰리브덴박(25a)과 몰리브덴박(25b)은 전기적인 쇼트를 피하기 위해서 일정한 간격(S)으로 떨어져 있다.
또한, 도전박으로서 몰리브덴박을 이용하고 있지만, 이밖에 텅스텐박 등을 이용할 수 있고, 그러나 몰리브덴박을 이용하는 것이 그 높은 유연성 면에서 바람직하다.
또한, 상기 석영 유리관(23)과의 단부를 폐색하는 폐색 부재(26)로서, Al2O3가루를 주성분으로 한 시멘트 부재가 장전되어 있다. 이 시멘트 부재는 알루미나 가루에 물을 첨가하여 200℃에서 건조 고화한 것이다.
상기한 몰리브덴박(25a, 25b)은 350℃ 이상에서 산소 또는 습기와 반응하여 산화물이 되고, 이 산화물로 변화될 때 체적 팽창한다. 폐색 부재(26)는 외기를 차단함으로써 몰리브덴박(25a, 25b)의 체적 팽창을 방지하고, 석영 유리관(23)의 파손을 방지하기 위해 설치되어 있다.
폐색 부재로서, 상기한 시멘트(Al2O3질) 부재 이외에 수지나 SiO2미분을 이용한 시멘트를 사용할 수 있지만, 내열성이나 건조적 크랙 발생을 억제한다고 하는 관점에서 Al2O3가루를 주성분으로 한 시멘트 부재를 이용하는 것이 바람직하다.
다음에, 도 7에 기초하여 다른 밀봉 단자부를 설명한다.
이 밀봉 단자부(30)는 접속선(32)을 1개 갖는 것으로, 직선형관(11b, 11c)의 각각에 따로따로 부착된다. 즉, 1개의 히터부(3)에 대하여 도 7에 도시된 밀봉 단자부(30)가 2개 필요하게 된다.
이하에, 직선형관(11b)에 부착되는 밀봉 단자부와, 직선형관(11c)에 부착되는 밀봉 단자부는 구성이 같기 때문에, 직선형관(11b)에 부착되는 밀봉 단자부를예로 들어 설명한다.
밀봉 단자부(30)를 구성하는 유리관(31)은, 즉 직선형관(11b)과 융착하거나 용접하여 일체화하는 유리관(31)은 직선형관(11b)과의 융착측으로부터, 석영 유리부(31a), 단계화된(Graded) 밀봉부(31b), 텅스텐 유리부(31c)로 구성되어 있다.
그리고, 직선형관(11b) 내에 압축 수납되어 있는 탄소 와이어에 접속되는 텅스텐으로 이루어진 접속선(32)은 텅스텐 유리부(31c)의 핀치 밀봉부(31d)로 핀치 밀봉된다.
즉, 핀치 밀봉부(31d)를, 접속선을 구성하는 텅스텐의 열팽창 계수에 가까운 텅스텐 유리로 형성하는 동시에 직선형관(11b)과의 융착측을 석영 유리로 형성한다는 특징이 있다.
이와 같이, 핀치 밀봉부(31d)를, 접속선을 구성하는 텅스텐의 열팽창 계수에 가까운 텅스텐 유리로 형성하였기 때문에, 접속선(32)의 고온시 열팽창에 따른 유리부(핀치 밀봉부(31d))의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 직선형관(11b)과 융착되는 석영 유리관(31)(석영 유리부(31a))를, 직선형관(11b)과 동등 혹은 동일한 석영 유리로 함으로써 열팽창에 따른 파손을 방지할 수 있다. 또한 고순도의 석영 유리를 이용함으로써 금속 오염을 방지할 수 있다.
더욱이, 석영 유리부(31a)와 텅스텐 유리부(31c) 사이에 단계화된 밀봉부(31b)를 형성한 점에도 특징이 있다.
즉, SiO2성분과 텅스텐 유리 성분이 서서히 변화하는 상기 석영유리부(31a)와 접하는 쪽을 석영 유리 조성 혹은 이것과 열팽창 계수가 근사한 재료로 하고, 상기 텅스텐 유리부(31b)와 접하는 쪽으로 향하여 상기 열팽창 계수를 W 유리의 열팽창 계수에 더 근사하도록 경사 분포시킨 재료로 이루어진 단계화된 밀봉부(31b)를 석영 유리부(31a)와 텅스텐 유리부(31c) 사이에 설치함으로써 고온시 열팽창에 따른 유리관(31)의 파손을 방지할 수 있다.
이와 같이, 이 밀봉 단자부(30)는 상기한 밀봉 단자부(20) 경우에 비하여 밀봉 단자부의 구성을 보다 간략화할 수 있고, 그것에 따른 부품 수의 삭감, 작업 공정수를 삭감할 수 있다.
다음에, 도 8에 기초하여 탄소 와이어 발열체(10)에 대해서 설명한다. 이 탄소 와이어 발열체(10)는 극세한 탄소 단섬유를 묶은 탄소 섬유 다발을 복수개 짜서 짠 끈 형상, 혹은 꼰 끈 형상으로 제작한 것으로, 종래의 금속제나 탄화규소로 제조된 발열체에 비하여 열 용량이 작고 온도의 상승 및 하강 특성이 우수하며, 또한 비산화성 분위기 속에서는 고온 내구성도 우수하다.
또한, 가는 탄소 단섬유의 섬유 다발을 복수개 짜서 제작된 것이기 때문에 솔리드 탄소재로 이루어진 발열체에 비하여 가요성이 풍부하고, 형상 변형 순응성이나 가공성이 우수하다.
구체적으로는, 상기 탄소 와이어 발열체(10)로서, 직경이 5 내지 15 ㎛인 탄소 섬유, 예컨대 직경 7 ㎛인 탄소 섬유를 약 3000 내지 3500개 정도 묶은 섬유 다발을 10 다발 정도 이용하여 직경 약 2 mm의 짠 끈, 혹은 꼰 끈 형상으로 짠 탄소 와이어 발열체 등이 이용된다.
상기한 경우에 있어서, 와이어를 짠 스펀은 2 내지 5 mm 정도이다. 또한,상기 짠 끈 혹은 꼰 끈 형상의 탄소 와이어 발열체(10)는 표면에 탄소 섬유의 보풀(10a)을 갖는 것이 바람직하고, 상기 보풀은 탄소 섬유(단섬유)가 절단된 것의 일부가 탄소 와이어의 외주면으로부터 돌출한 것이다.
그리고, 이러한 탄소 와이어 발열체(10)를, 석영 유리관(11a, 11b, 11c)의 내부에 있어서, 상기 보풀(10a)만이 석영 유리관의 내벽과 접촉하고, 탄소 와이어 발열체의 본체는 실질적으로 접촉하지 않도록 삽입하는 것이 바람직하다.
그와 같이 함으로써, 석영 유리(SiO2)와 탄소 와이어 발열체의 탄소(C)와의 고온하에서의 반응이 가능한 한 억제되고, 석영 유리의 열화, 탄소 와이어의 내구성의 저하가 억제된다.
이 탄소 섬유에 의한 표면의 보풀은 0.5 내지 2.5 mm 정도인 것이 바람직하다.
이러한 구성으로 하기 위해서는 상기 탄소 와이어 발열체의 직경 및 갯수에 대하여, 상기 봉입 석영 유리관의 내경을 적절하게 선정하면 좋다.
또한, 발열 성형의 균질성, 내구 안정성 등의 관점 및 먼지 발생 회피상의 관점에서 상기 탄소 섬유는 고순도인 것이 바람직하고, 탄소 섬유 속에 함유되는 불순물의 양이 회분 중량으로서 10 ppm 이하인 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는, 탄소 섬유 속에 함유되는 불순물의 양이 회분 중량으로서 3 ppm 이하이다.
또한, 본 발명의 히터부(3)의 상기 탄소 와이어 발열체(10)는 상기한 바와 같이, 그 양 단부에서 각각 복수개의 와이어 탄소재(11e)에 압축 상태로 끼워지게한 구조에 의해 접속하고, 상기 복수개의 와이어 탄소재(11e)를 매개로 접속선에 의해 밀봉 단자부(20)에 전기적으로 접속되는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 복수개의 와이어 탄소재(11e)는 상기 탄소 와이어 발열체(10)와 상기 도선과의 사이에서 온도 완충재로서 작용하고, 바람직하게는, 전기 저항(단위 길이당)을 상기 탄소 와이어 발열체(10)의 1/5 이하가 되도록, 예컨대, 와이어 갯수를 상기 발열체의 5배 이상으로 한다.
이와 같이 상기 탄소 와이어 발열체(10)가 직접 도선과 접속되어 있는 것이 아니라, 압축 수용된 상기 복수개의 와이어 탄소재를 통해 접속되어 있기 때문에 상기 발열체가 고온으로 되어도 복수개의 와이어 탄소재(11e)와 탄소 와이어 발열체(10)와의 접속이 느슨해지게 되는 일이 없고, 또한, 와이어 탄소재 내에서 온도가 충분히 저하하기 때문에 도선과의 접속이 느슨해지지 않고, 양호한 전기적 접속 상태가 유지된다.
또한, 복수개의 와이어 탄소재(11e)의 탄소 성분이 환원 작용을 발휘하여 도선의 산화의 증대를 억제할 수 있고, 그 결과 이것에 따른 스파크의 발생을 방지할 수 있다.
상기 와이어 탄소재의 구체예에 대해서 설명하면, 상기한 탄소 와이어 발열체와 동일한 직경 5 내지 15 ㎛의 탄소 섬유, 예컨대, 직경 7 ㎛의 탄소 섬유를 약 3000 내지 3500개정도 묶은 섬유 다발을 10 다발 정도 이상 이용하여 직경 약 2 mm 이상의 짠 끈, 혹은 꼰 끈 형상으로 짠 탄소 와이어 등이 이용된다.
상기한 경우에 있어서, 와이어를 짠 스펀은 2 내지 5 mm 정도로서, 탄소 섬유에 의한 표면의 보풀은 0.5 내지 2.5 mm 정도이다.
또한, 상기 보풀은 상기 탄소 와이어 발열체와 동일, 섬유가 절단된 것의 일부가 탄소 와이어의 외주면으로부터 돌출한 것이다.
상기 와이어 탄소재는 탄소 와이어 발열체와 동일 하거나 적어도 탄소 섬유를 묶은 섬유 다발을 복수개 짜서 이루어진 짠 끈 혹은 꼰 끈 형상인 점에서 동등한 구성 재료로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 동일한 구성 재료란 탄소 섬유 직경, 탄소 섬유가 묶인 갯수, 섬유 다발을 묶은 다발 수, 짜는 방법, 짜는 스펀 길이, 보풀 길이, 재질이 동일한 것이 바람직하다.
또한, 탄소 와이어 발열체의 경우와 마찬가지로 와이어 탄소재의 탄소 섬유 속에 함유되는 불순물의 양이 회분 중량으로서 10 ppm 이하인 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는, 탄소 섬유 속에 함유되는 불순물의 양이 회분 중량으로서 3 ppm 이하이다.
다음에, 가열관(2) 및 히터부(3)를 수납하는 열 차폐체(4)에 대해서 설명한다.
상기 열 차폐체(4)는 히터부(3)로부터 외부측으로 향하여 복사하는 열선을 반사하여 히터부(3)의 열 효율을 더한층 향상시키기 위해 상기 가열관(2)과 히터부(3)를 덮고 있다. 그리고 상기 열 차폐체(4)는 하우징(5) 내에 설치된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 이 열 차폐체(4)는 원통 형상으로 형성되고, 원통의 하부 벽면에는 길이 방향으로 노치부(4a)가 형성되어 있다. 이 노치부(4a)에는 상기한 히터부(3)의 직선형관(11b, 11c)이 위치한다. 그 결과, 히터부(3)의 나선관(11a)은 열 차폐체(4)의 내측 측면에 근접하여 배치될 수 있다.
또한, 상기 열 차폐체(4)의 구성 재료로는, 투명 석영 유리재, 불투명 석영 유리재, 탄화규소재 및 탄화규소·규소 복합재 등이 이용된다.
더욱이, 상기 열 차폐체(4)는 적어도 그 내표면을 반사 단열 코팅막으로 피복하는 것이 바람직하고, 이러한 반사 단열 코팅막에 특히 적합한 조성물로서, 실리카 미분말과 알루미나 미분말, 그리고 실리카 미분말과 알루미나 미분말에 산화티탄 미분말을 함유한 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 원통 형상 열 차폐체(4)의 표면 전체를 상기 반사 단열 코팅막으로 피복하면 좋다.
상기 실리카 미분말, 알루미나 미분말, 산화티탄 미분말의 평균 입경은 0.1 내지 200 ㎛ 정도, 배합비(용량비)는 실리카 미분말과 알루미나 미분말이 3부:1부 내지 3부:7부 정도이고, 산화티탄 미분말이 배합되는 경우는 상기 알루미나 100부에 대하여 50 내지 150부의 용량비로 배합된다.
이 반사 단열 코팅막의 조성물을 상기 열 차폐체(4)의 한 쪽(원통면의 내측면) 또는 양측면(원통면의 내측면 및 외측면)에 30 내지 200 ㎛ 정도의 두께로 도포하고, 1000℃ 정도의 온도로 열처리한 반사 단열 코팅막은 1200℃ 이상의 고온하에 장시간 노출시켜도 열화하여 박리를 일으키거나 극단적으로 변색되는 일이 없다.
또한, 막 두께가 100 ㎛인 경우, 파장 2.5 ㎛의 열선을 45% 이상이 높은 반사율로 반사시킬 수 있다.
또한, 반사 단열 코팅막 표면은 실리카 미분말, 알루미나 미분말 등이 존재하기 때문에 표면적이 넓고, Cu 등의 금속 불순물을 상기 표면의 미립자 계면에 트랩할 수 있어 상기 차광 단열 효과뿐만 아니라 불순물 포착, 확산 방지 효과도 발휘한다.
또한, 상기 열 차폐체(4)와 하우징(5)의 공간, 또한 열 차폐체(4)와 히터부(3)와의 사이의 공간에, 예컨대 유리 솜 등의 고순도 단열재(6)를 충전하는 것이 바람직하다.
또한, 열 차폐체(4)를 내부에 수납하고, 가스 가열 장치(1)의 외형을 형성하는 하우징(5)은 석영 유리재로 제작되는것이 바람직하지만, 석영 유리재에 한정되는 것이 아니라, 예컨대 금속성 케이스이어도 좋다. 이 하우징(5)은 통형상을 이며, 가열관(2), 히터부(3), 열 차폐판(4)을 수납한 후, 밀폐된다. 또한, 하우징(5)의 측단부면에는 접속관(7, 8), 히터부(3)의 밀봉 단자부(20)를 도출하는 개공부가 설치되어 있다.
또한, 이 반도체 가열 처리로에 접속되는 접속부(8a)는 상기 접속 부분으로부터의 방열에 의한 가스 온 저하, 노의 열 효율 저하나 온도 분포 흐트러짐 등을 가능한 한 저감시키기 위해 도 9에 도시된 바와 같은 접속 구조를 갖는다.
즉, 접속부(8a)는 불투명 석영 유리로 이루어진 플랜지 부분(8b)과 삽입관(8d)으로 이루어지고, 상기 플랜지 부분(8b)의 반도체 가열 처리로 접속부 플랜지(62)에 접촉하는 밀봉면(8c)은 플랜지 부분(8b)에 투명 석영 유리를 패딩함으로써 형성된다.
이와 같이 밀봉면(8c)이 투명 석영 유리의 패딩에 의해 형성되어 있기 때문에, 밀봉성이 향상되는 동시에 플랜지 부분(8b)이 불투명 석영 유리로 이루어지기 때문에, 단열성 및 차광성이 우수하다.
또한, 상기 플랜지 부분(8b)은 반드시 불투명 석영 유리재에 의해 구성될 필요는 없고, 플랜지 부분(8b)을 투명 유리재에 의해 구성한 경우에는, 그 플랜지 부분(8b)에 투명 석영 유리를 패딩하여 밀봉면(8c)을 형성할 필요가 없다.
본 발명의 가스 가열 장치에 있어서, 상기 이외의 구성 부재나 기구, 예컨대, 가스 공급원과의 접속 부재, 열교환기의 가열 온도 제어 기구 등은 해당 분야에서 공지된 부재 및 기구를 이용하여도 지장이 없다.
전술한 설명에 있어서는, 본 발명의 유체 가열 장치에 대해서, 특히 유체로서 가스를 이용하는 경우를 설명하였지만, 가스 대신에 예컨대 순수(純水) 등의 액체를 이용하는 경우에 있어서도 동등한 작용, 효과를 나타내는 것이다.
「실시예 1」
하기 사양의 본 발명에 의한 가스 가열 장치(도 16 참조)를 제작하였다. 또한, 도 16에 있어서, 도 1에 도시된 부재와 동일 또는 해당하는 부재는 동일 부호를 붙인다.
가스 가열 장치 사양
하우징(5) : 석영 유리로 제조된 원통형 하우징(길이 220 mm ×직경 φ160 mm).
히터부(3) : 7 ㎛ 탄소 섬유를 30000개 묶어 φ2 mm로 하고, 그것을 3개 짠 끈 형으로 하여 탄소 와이어 발열체로 하였다.
석영 유리관(φ5 mm), 나선형관의 곡률 반경이 40 mm(도 5 참조)인 직선형관, 밀봉 단자부를 포함하는 히터 전체 구조(도 1 참조).
가열관(2) : 투명 석영 유리로 제조됨(통형 φ80×170 mm)
충전물(12) : φ8 ×8 mm의 투명 단일 주상 석영 유리 비드 약 800개와 φ6×6 mm의 투명 단일 주상 석영 유리 비드 약 200개를 분할 목형 내에 혼합 충전하고, 가열 압축하에 부분적으로 융착한 성형체(기공 형성률 = 34%)
하우징내 단열재(6): 고순도 단열재 SiO2:Al2O3= 3:7의 섬유(Fe ≤10 ppm, Cu ≤0.5 ppm, Ni ≤0.5 ppm, Na ≤50 ppm 이고, 전금속 불순물 함유량 ≤150ppm)
도 16에 도시된 가스 가열 장치에 있어서, 히터 온도가 1000 ℃가 되도록 히터에 전력을 부하함으로써 히터를 발열시킨 상태로 한 후에, 소정 유량(0, 5, 10, 20 slm)의 질소 가스를 가스 도입관(접속관 : 7)으로부터 충전물(12)이 수용된 가열관(2) 내로 도입했을 때의 가스 아웃 온도의 측정을 행하였다.
또한, 상기 히터 온도는 히터 부근에 선단부를 비접촉으로 배치한 열전대(thermocouple : 13a)에 의해 측정한 온도이며, 또한, 상기 아웃 가스 온도는 가스 배출관(접속관 : 8) 내에서 가열관(2)에 가까운 위치에 선단부를 배치한 열전대(13b)에 의해 측정한 온도이다.
이 결과를, 필요한 전력 및 전류치가 ±0.2 A 이내로 안정될 때까지의 안정 시간과 함께 표 1에 나타낸다.
유량(slm) 0 5 10 20
히터 온도(℃) 1000 1000 1000 1000
아웃 가스 온도(℃) 320.0 888.0 927.0 977.5
전력(w) 813 900 978 1150
안정 시간(sec) - 480 678 1032
표 1에 의해, 본 발명에 따르면 1000 W 정도의 비교적 낮은 전력에 의해 상당히 높은 열 효율로 가스 가열이 가능한 것을 알 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 전술한 바와 같이 그 가스 가열 장치를 길이 220 mm ×직경 φ160 mm 정도의 하우징 외형의 크기로 멈추게 할 수 있고, 보다 소형화가 용이하며, 나아가서는, 그 가스 가열 장치로부터 내놓은 가스는 1000 시간의 연속 가열 후에도 고순도가 손상되지 않는 것이 확인되었다. 또한, 1000 시간의 연속 가열 후에도 부재의 파손 및 열화 등이 확인되지 않았다.
「실시예 2」
실시예 1에서 이용한 가열관 내에 배치되는 충전물을, 겉보기 비중 0.5 g/cm3, 기공률 80%의 발포 석영으로 하는 것 이외에는 실시예 1의 경우와 동일하게 한 가스 가열 장치를 작성하여 실시예 1과 동일한 평가를 행하였다. 이 결과를 표 2에 나타낸다.
유량(slm) 0 5 10 20
히터 온도(℃) 1000 1000 1000 1000
아웃 가스 온도(℃) 315.5 942.7 977.8 1015.5
전력(w) 822 933 1037 1283
안정 시간(sec) - 294 538 518
표 2로부터, 본 발명에 따르면 1000 W 정도의 비교적 낮은 전력에 의해 상당히 높은 열 효율로 가스 가열이 가능한 것을 알 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 상기 실시예 1과 마찬가지로, 1000 시간의 연속 가열을 행한 후에도 가스 가열 장치로부터 내놓은 가스가 불순물 오염되지 않고 고순도로 유지되고, 부재의 파손 및 열화가 확인되지 않았다.
또한, 본 발명에 의한 가스 가열 장치는 일반적으로, 산화성 가스, 환원성 가스, 불활성 가스 등의 반응용, 처리용 또는 분위기용 가스의 가열 장치로서 이용할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의한 가열 유체 장치는 내구성이 우수하고, 또한, 파티클 등의 발생이나 금속 오염 등을 억제할 수 있으며, 소형화 가능한 유체 가열 장치 및 이 장치를 구비한 반도체 가열 처리로를 제공할 수 있다.

Claims (18)

  1. 유체 공급원으로부터 공급되는 유체를 가열하는 가열관과, 상기 가열관의 외주부에 나선형으로 형성된 히터부와, 상기 가열관 및 히터부를 수용하는 하우징을 적어도 구비하고,
    상기 히터부는 탄소 와이어 발열체와, 이 탄소 와이어 발열체를 봉입하는 석영 유리관으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가열관의 내부에 통과하는 유체의 저항이 되는 충전물이 수용되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 충전물은 단주상의 석영 유리 비드를 융착시킴으로써 형성된 성형체 또는 연통한 세공이 형성된 다공질 석영 유리 성형체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  4. 제3항에 있어서, 단주상의 석영 유리 비드를 융착시킴으로써 형성된 상기 성형체는 직경이 6 내지 12 mm이고 길이가 6 내지 12 mm인 비드와, 직경이 4 내지 10 mm이고 길이가 4 내지 10 mm인 2 종류의 크고 작은 비드를 1:4 내지 4:1의 갯수 비율로 혼합하여 융착시킴으로써 형성된 성형체인 것을 특징으로 하는 유체가열 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 충전물은 복수개의 석영 유리 파이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 충전물은 복수개의 개구부를 갖는 석영 유리로 제조된 가스 확산판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 가스 확산판은 가열관의 내부에 복수개 수용되고, 적어도 인접하는 가스 확산판의 개구부가 일치하지 않도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 히터부와 하우징 사이의 공간에 고순도의 단열재가 충전되는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 가열관과 히터부가 하우징 내에 설치된 열 차폐체 내에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 열 차폐체가 통형상이고, 적어도 그 내표면에 실리카 미분말과 알루미나 미분말을 함유하는 반사 단열 코팅막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 반사 단열 코팅막은 실리카 미분말과 알루미나 미분말을 3:1 용량부 내지 3:7 용량부의 배합비의 조성물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 반사 단열 코팅막이 산화티탄 미분말을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 반사 단열 코팅막의 막 두께는 30 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  14. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 차폐체와 하우징 사이의 공간에 고순도 단열재가 충전되는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 탄소 와이어 발열체는 직경 5 내지 15 ㎛의 탄소 섬유를 묶은 섬유 다발을 복수개 짜서 이루어지는 짠 끈 형상, 혹은 꼰 끈 형상의 탄소 와이어 발열체인 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 탄소 와이어 발열체가 탄소 섬유의 함유 불순물량이 회분 중량으로서 10 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  17. 제1항, 제15항 또는 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열관의 내부에 복수개의 석영 유리 비드를 일부 융착시킴으로써 형성된 다공질 성형체가 설치되어있는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 가열관과 히터부가 하우징 내에 설치된 단열재 내에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 가열 장치.
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