KR20010099730A - 가열장치 - Google Patents

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KR20010099730A
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기타가와다카오
이시즈카마사유키
엔도가즈노리
하시모토마사유키
나가타츠요시
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추후제출
스미토모 오사카 세멘토 가부시키가이샤
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Abstract

열효율이 높고 제품수명이 긴 가열장치를 얻을 수 있다. 또한 단열재를 구성하는 재질에 제한이 없으며 제품수명이 한층 더 향상되고 나아가 제조가 용이하며 저렴한 가열장치를 제공한다.
피가열물을 적치하는 적치판(3)과, 이 적치판(3)과 일체화되는 지지판(2)과, 상기 적치판(3)과 상기 지지판(2)에 협지된 히터엘리먼트(8)와, 상기 히터엘리먼트 (8)에 일단이 접속된 적어도 1쌍의 전극을 구비하여 상기 적치판(3)과 지지판(2)이 함께 세라믹소결체로 이루어지며 상기 적치판(3)을 구성하는 세라믹소결체의 열전도율이 상기 지지판(2)을 구성하는 세라믹소결체의 열전도율보다 높아진 가열장치 (100)를 채용한다. 또한 상기 히터엘리먼트(8)의 적어도 하부에 단열재를 배치한 구조여도 좋다.

Description

가열장치{Heating apparatus}
본 발명은 반응챔버 내에 배치되어 웨이퍼 등의 피가열물의 가열에 이용되는, 열효율과 제품수명의 향상을 실현한 가열장치에 관한 것이다.
종래 반응챔버 내에 설치되어 웨이퍼 등의 피가열물의 가열에 이용되는 가열장치로서, 예컨대 히터블럭을 상하로 2분할하여 해당 2분할된 히터블럭 중 피가열물을 적치하는 히터블럭(이하 '적치판'이라 함)을 스테인리스나 철 등의 비교적 열전도율이 높은 물질로 구성하고 다른쪽 히터블럭(이하 '지지판'이라 함)을 세라믹, 도기, 석재 등 상기 적치판을 구성하는 물질보다도 열전도율이 낮은 물질로 구성하여 이들 적치판과 지지판으로 히터엘리먼트를 협지(挾持)한 구조의 가열장치가 알려져 있다. 이와 같은 가열장치는, 히터엘리먼트가 발생하는 열을 상기 적치판에집중시켜 적치판을 가열할 수 있기 때문에 열효율이 높은 것이다.
또한 종래 가열장치로서 히터엘리먼트가 열전도성, 내식성, 내플라즈마성이 우수한 세라믹소결체 내에 매설되어 이루어진 면상(面狀)히터부와, 이 면상히터부를 지지하여 반응챔버에 연결하는 지지부재와의 사이에 단층 또는 복층의 단열재를 설치하여 상기 면상히터부에서 상기 지지부재로의 열전도를 제한하도록 구성된 가열장치가 알려져 있다.
도 5에 종래의 가열장치의 일예인 개략 단면구조를 도시하고 이 가열장치 (1000)의 구조에 대해 설명하기로 한다. 도 5에 있어서 부호 103은 면상히터부, 부호 108은 히터엘리먼트, 부호 104는 전극판, 부호 113은 단열재, 부호 102는 지지부재를 나타내고 있다.
도 5에 도시한 바와 같이 가열장치(1000)는 내부에 소정의 형상(예컨대 스파이럴형상)의 히터엘리먼트(108)와, 플라즈마를 발생시키기 위한 원반형 전극판 (104)을 구비하는 면상히터부(103)와 지지부재(102) 사이에 단층의 단열재(113)가 협지되어 이루어진 것이다. 가열장치(1000)에 있어서 단열재(113)와 면상히터부 (103) 및 단열재(113)와 지지부재(102)는 기밀(氣密)하게 접합되어 있다.
면상히터부(103)는 히터엘리먼트(108)를 유지하는 제1세라믹소결체(103a)와, 전극판(104)을 유지하는 제2세라믹소결체(103b)와 피가열물을 적치하기 위한 제3세라믹소결체(103c)를 구비하고 있다. 제1세라믹소결체(103a)와 제2세라믹소결체 (103b) 및 제2세라믹소결체(103b)와 제3세라믹소결체(103c)는 각각 내열성의 접합체로 이루어진 접합층(110),(107)을 통해 기밀하게 접합되어 있다.
또한 도 5에 도시한 바와 같이, 히터엘리먼트(108)는 제1세라믹소결체(103a)의 도시된 윗쪽 표면에 히터엘리먼트(108)의 형상을 따라 설치된 오목부(112) 내에 장전되어 있고, 전극판(104)은 제2세라믹소결체(103b)의 윗쪽 표면에 설치된 오목부(111) 내에 장전되어 있다.
히터엘리먼트(108)에는 1쌍의 히터급전용 전극(109)이 접속되어 있으며, 전극판(104)에는 고주파/직류전압 인가용 전극(105)이 접속되어 있다. 또한 가열장치 (1000)에는 면상히터부(103) 내의 온도를 측정하기 위해 일단이 면상히터부(103) 내에 삽입된 열전대(熱電對)(106)가 설치되어 있다.
그러나 상기 적치판을 스테인리스나 철 등의 비교적 열전도율이 높은 물질로 구성하고 상기 지지판을 세라믹, 도기, 석재 등 상기 적치판을 구성하는 물질보다도 열전도율이 낮은 물질로 구성한 가열장치에 있어서는, 상기 적치판을 구성하는 스테인리스, 철 등의 재료가 내플라즈마성 등이 뒤떨어지기 때문에 가열장치로서의 제품수명이 짧다는 문제가 있었다.
또한 상기 가열장치에 있어서는, 히터엘리먼트의 하부로부터의 열방산량을 저감시킬 수 있는 상기 지지판의 열팽창율과 상기 적치판의 열팽창율을 일치시키기 힘들고, 이들 열팽창율에 차가 발생하기 때문에 상기 지지판과 상기 적치판의 접합계면의 내구성이 불충분해 가열장치의 제품수명이 짧다는 문제도 있었다.
또한 도 5에 도시한 구성의 가열장치(1000)에 있어서는, 단열재(113)의 측면이 내식성의 분위기가스나 플라즈마 등에 노출되기 때문에 단열재(113)를 구성하는 재질에 제한이 있다는 문제점이 있었다. 그 때문에 면상히터부(103)와 단열재(113)의 열팽창율차 또는 단열재(113)와 지지부재(102)의 열팽창율차를 대략 동일하게 하기 어려웠기 때문에 가열장치(1000)의 제품수명이 불충분하다는 문제점이 있었다. 또한 단열재(113)를 구성하는 재질에 제한이 있기 때문에 제조가 번잡해지고 제조비용도 상승되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은 열효율이 높고 또한 제품수명이 긴 가열장치를 얻는 데 있다.
상세하게는, 가열장치의 열효율을 높게 유지하면서 내플라즈마성이 우수하고 적치판과 지지판의 열팽창율의 차에 기인하는 경계면의 내구성을 개선하여 제품수명이 긴 가열장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 열효율이 우수하고 또한 단열재를 구성하는 재질에 제한이 없어 제품수명이 한층 더 향상되며 나아가 제조가 용이하고 저렴한 가열장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은, 본 발명에 관한 제1실시형태의 가열장치 구조를 도시한 개략 단면도이고,
도 2a 및 도 2b는, 본 발명에 관한 제1실시형태의 가열장치에 있어서, 전극판, 히터엘리먼트의 구조를 도시한 개략 평면도이고,
도 3은, 본 발명에 관한 제2실시형태의 가열장치 구조를 도시한 개략 단면도이고,
도 4는, 본 발명에 관한 제3실시형태의 가열장치 구조를 도시한 개략 단면도이고,
도 5는, 종래의 가열장치 구조를 도시한 개략 단면도이다.
<부호의 설명>
100, 200, 300 가열장치
2, 20 지지판
3 적치판
3a 적치하부판
3b 적치상부판
4 전극판
5 고주파/직류전압 인가용 전극
6 열전대
7 적치판 접합층
8 히터엘리먼트
9 히터급전용 전극
10 접합층
12, 12a, 22 오목부
13, 23 단열재
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 이하의 구성을 채용한다.
본 발명은, 피가열물을 적치하는 적치판과, 이 적치판과 일체화되는 지지판과, 상기 적치판과 상기 지지판에 협지된 히터엘리먼트와, 상기 히터엘리먼트에 일단이 접속된 적어도 1쌍의 전극을 구비한 가열장치로서, 상기 적치판과 지지판이 함께 세라믹소결체로 이루어지며 상기 적치판을 구성하는 세라믹소결체의 열전도율이 상기 지지판을 구성하는 세라믹소결체의 열전도율보다 높아진 것을 특징으로 하는 가열장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 지지판과 적치판을 세라믹소결체에서 형성한 것이므로 지지판과 적치판의 열팽창율을 근사치로 할 수 있기 때문에, 이들 경계면의 강도가 향상되고 내구성이 증대되며 내플라즈마성이 향상되어 제품수명을 연장시킬 수 있다.
또한 적치판의 열전도율이 지지판의 열전도율보다 높은 것이므로 히터엘리먼트에서 발생된 열이 적치판에 집중하여 전달되고 또한 적치하는 쪽의 열전도율을 확보한 채로 피가열물을 적치하지 않은 지지판 쪽의 열방산을 유효하게 방지할 수 있게 되어 가열장치의 열효율이 비약적으로 향상된다.
다음에 본 발명은, 피가열물을 적치하는 적치판과, 이 적치판과 일체화되는 지지판과, 상기 적치판과 상기 지지판에 협지된 히터엘리먼트와, 상기 히터엘리먼트에 일단이 접속되는 적어도 1쌍의 전극을 구비한 가열장치로서, 상기 적치판과 지지판이 함께 세라믹소결체로 이루어지며, 상기 히터엘리먼트가 상기 지지판과 상기 적치판 중 어느 하나 또는 양쪽의 접합면에 설치된 오목부에 장전되어 있으며 해당 히터엘리먼트의 적어도 하부에 배치된 단열재를 구비한 것을 특징으로 하는 가열장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 단열재가 기체와 피복판 중 어느 하나 또는 양쪽 접합면에 설치된 오목부에 장전되어 있어 단열재가 내식성의 분위기가스나 플라즈마 등에 노출되지 않기 때문에, 단열재를 구성하는 재질에 제한이 없으며 제품수명이 한층 향상되며 나아가 제조가 용이하고 저렴한 가열장치를 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 가열장치는, 적어도 히터엘리먼트의 적어도 하부(피가열물을 적치하지 않은 쪽)에 단열재를 구비한 것이기 때문에 피가열물을 적치하는 쪽의 열전도성을 확보한 채로 피가열물을 적치하지 않은 쪽의 열방산을 유효하게 방지할 수 있어 열효율이 우수한 것이 된다.
다음에 본 발명의 가열장치에 있어서는, 상기 단열재가 질화알루미늄, 질화규소, 실리카질재료, 알루미나 등의 세라믹 또는 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 단열재가 이와 같은 재료로 이루어지는 경우에 히터엘리먼트의 발열을 효율적으로 단열할 수 있다.
다음에 본 발명의 가열장치에 있어서는, 상기 세라믹소결체가 Y2O3를 조제(助劑)로 한 질화알루미늄 소결체, 또는 Y2O3를 조제로 한 질화알루미늄기 소결체인 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 함으로써 Y2O3첨가량을 증감시킴으로써 질화알루미늄기 소결체의 열전도성을 용이하게 제어할 수 있다.
다음에 본발명의 가열장치에 있어서는, 상기 적치판의 세라믹소결체의 Y2O3함유량이 상기 지지판의 세라믹소결체의 Y2O3함유량보다 많은 것이 바람직하다.
상기 지지판과 상기 적치판을 이러한 구조로 함으로써, 해당 지지판의 열전도성을 적치판의 열전도성보다 저하시켜 피가열물을 적치하지 않은 지지판 쪽으로부터의 열방산을 저감할 수 있기 때문에 열효율을 향상시킬 수 있다.
다음에 본 발명의 가열장치에 있어서는, 상기 지지판과 적치판이 유리질 접합층에 의해 접합 일체화되어 이루어진 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써 상기 지지판과 적치판의 접합면 강도가 향상됨과 동시에 이들 접합면에서의 기밀성을 보다 높일 수 있기 때문에 이들 접합면의 강도가 향상되어 가열장치의 수명을 보다 연장시킬 수 있다.
다음에 본 발명의 가열장치에 있어서는, 상기 적치판이 상부판과 하부판으로 이루어지며 이들 상부판과 하부판 사이에 협지된 전극판과, 해당 전극판에 접속된 전극을 구비한 구성으로 할 수도 있다. 이러한 구성으로 한다면 전극판을 여러 가지 용도로 이용함으로서 여러 가지 용도에 상기 가열장치를 이용할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 단 이 실시형태는 발명의 취지를 보다 잘 이해시키기 위해 구체적으로 설명한 것으로서, 특별히 지정하지 않는 한 발명 내용을 한정하지는 않는다.
[제1실시형태]
도 1, 도 2a 및 도 2b에 기초하여 본 발명의 제1실시형태인 가열장치(100)의 구조에 대해 설명하기로 한다. 도 1은 가열장치(100)의 대략 단면도이고, 도 2a 및 도 2b는 가열장치(100)의 후술하는 전극판(4), 히터엘리먼트(8)(오목부(12))의 구조를 도시한 개략 평면도이다. 나아가 도 2a는 후술하는 적치하부판(3a)을 전극판 (4) 쪽에서 보았을 때의 평면도이고, 도 2b는 후술하는 지지판(2)을 히터엘리먼트 (8) 쪽에서 보았을 때의 평면도이다. 또한 도 1은 가열장치(100)를 도 2b에 도시한 A-A'선을 따라 절단했을 때의 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 가열장치(100)는 표면에 소정의 형상을 갖는 오목부(12)가 설치된 세라믹소결체제의 지지판(2)과, 오목부(12)에 충전되어 소정의 형상을 갖는 히터엘리먼트(8)와 지지판(2)과 히터엘리먼트(8)의 전 영역을 덮음과 동시에 웨이퍼 등의 피가열물을 적치하는 세라믹소결체제의 적치판(3)과, 히터엘리먼트(8)에 일단이 접속된 적어도 1쌍의 히터급전용 전극(9)과, 피가열물을 적치하는 적치판(3)의 온도를 측정하는 열전대(6)를 구비한 것이다. 상기 지지판(2)과 적치판(3)은 내열성의 접합제로 이루어진 제1접합층(10)을 통해 접합 일체화되어 있다.
나아가 도 1, 도 2a 및 도 2b에는 예로서, 지지판(2) 및 적치판(3)이 원반형으로 형성되어 있고, 오목부(12), 히터엘리먼트(8)가 지지판(2)의 중심부에서 바깥쪽을 향해 스파이럴형상으로 배치되어 있고 한쌍의 히터급전용 전극(9)이 히터엘리먼트(8)의 양단부에 접속되어 있는 것에 대해 도시하고 있다.
또한 도 1에 도시한 바와 같이, 적치판(3)은, 윗면에 오목부(12)가 형성된 세라믹소결체제의 적치하부판(3a)과, 이 오목부(12)에 장전된 금속제 또는 금속과 세라믹의 복합도전재제의 전극판(4)과, 적치하부판(3a)과 전극판(4)의 전영역을 덮는 세라믹스 소결체제의 적치하부판(3b)과, 전극판(4)에 일단이 접속된 고주파/직류전압 인가용 전극(5)과, 적치판(3)의 온도를 측정하기 위해 일단이 적치판(3) 내에 삽입된 열전대(6)를 구비하고 있다. 전극판(4)은 도 2a에 도시한 바와 같이, 예컨대 원반형으로 형성되어 있다.
또한 상기 지지판(2)과 적치하부판(3a)이 내열성의 접합제로 이루어진 제1접합층(10)을 통해 기밀하게 접합되어 있다.
적치판(3)에 있어서, 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)은 적치하부판(3a) 또는 적치상부판(3b)을 구성하는 재료와 동일 조성 또는 주성분이 동일한 재료로 이루어진 제2접합층(7)을 통해 접합되어 있다.
또한 고주파/직류전압 인가용 전극(5)과 히터급전용 전극(9)은, 내열성이 우수한 니켈, 텅스텐, 탄탈 등의 금속으로 이루어져 있다.
또한 도 1에 도시한 바와 같이 고주파/직류전압 인가용 전극(5), 히터급전용 전극(9), 열전대(6)는 어느 것이나 지지판(2)을 관통하여 지지판(2)의 아래쪽까지 연장 형성되어 있다.
다음에 본 실시형태의 가열장치(100)를 구성하는 각 구성부재에 대해 상술하기로 한다.
[적치판]
적치하부판(3a), 적치상부판(3b)의 재질로는, 질화알루미늄 소결체, 질화알루미늄기 소결체, 산화마그네슘 소결체, 질화붕소 소결체 등의 세라믹소결체를 들 수 있다. 이 중에서도 열전도성, 기계적 강도가 우수하며 CF4, C2F6, C2F8 등의 플라즈마 클리닝가스에 대한 내구성이 우수하다는 이유에서 질화알루미늄 소결체 또는 질화알루미늄기 소결체가 특히 적합하다. 이들 질화알루미늄 소결체 또는 질화알루미늄기 소결체는 공지의 방법에 의해 제조할 수 있다.
질화알루미늄기 소결체로는, 소결성이나 내플라즈마성을 향상시키기 위해 질화알루미늄에 Y2O3, CaO, MgO, SiC, TiO2에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 첨가물을 합계로 0.1∼20중량% 정도 첨가한 것을 예시할 수 있다.
단 본 실시형태에 있어서, 적치하부판(3a), 적치상부판(3b)의 열전도성을 제어하기 위해 적치하부판(3a), 적치상부판(3b)의 재질로는 Y2O3를 조제로 한 질화알루미늄기 소결체가 특히 적합하다. 이 이유에 대해서는 후술하기로 한다.
[지지판]
지지판(2)의 재질로는 질화알루미늄 소결체, 질화알루미늄기 소결체, 산화마그네슘 소결체, 질화붕소 소결체 등의 세라믹소결체를 들 수 있다. 이 중에서도 열전도성, 기계적 강도가 우수하고 CF4, C2F6, C2F8등의 플라즈마 클리닝가스에 대한 내구성이 우수하다는 이유에서 질화알루미늄 소결체 또는 질화알루미늄기 소결체가 특히 적합하다. 더욱이 적치하부판(3a), 적치상부판(3b)을 구성하는 질화알루미늄 소결체 또는 질화알루미늄기 소결체보다 열전도율이 작은 질화알루미늄 소결체 또는 질화알루미늄기 소결체가 특히 적합하다.
그리고 지지체(2)를 구성하는 세라믹소결체는 적치판(3)을 구성하는 세라믹소결체보다 열전도율이 낮은 것이 바람직하다. 이와 같이 하면 적치판(3)의 열전도율이 지지판(2)의 열전도율보다 높아져 히터엘리먼트(8)가 발생하는 열을 상기 적치판(3)에 집중시킬 수 있다. 이로써 적치판(3)의 온도를 효율적으로 상승시킬 수 있기 때문에 가열장치(1)의 열효율을 향상시킬 수 있음과 동시에 히터엘리먼트(8)의 하부로부터의 열방산량을 지지판(2)에 의해 쉽게 저감할 수 있다.
또한 적치하부판(3a). 적치상부판(3b) 및 지지판(2)은 어느것이든 Y2O3를 조제로 한 질화알루미늄기 소결체로 이루어진 것이 바람직하며 또한 적치하부판(3a) 및 적치상부판(3b)을 구성하는 소결체 중의 Y2O3의 함유량이 지지판(2)을 구성하는소결체 중의 Y2O3함유량보다도 많게 설정되어 있는 것이 다음의 이유에 의해 바람직하다.
Y2O3첨가량을 0∼20%, 바람직하게는 0∼15중량%의 범위내에서 증감시킴으로써 질화알루미늄기 소결체의 열전도성을 용이하게 제어할 수 있다. 그래서 적치하부판(3a) 및 적치상부판(3b)을 구성하는 소결체 중의 Y2O3함유량을 지지판(2)을 구성하는 소결체 중의 Y2O3함유량보다 많게 설정함으로써 지지판(2)의 열전도성을 적치하부판(3a) 및 적치상부판(3b)의 열전도성보다 저하시킬 수 있다. 이로써 히터엘리먼트(8)의 아래쪽 즉 피가열물을 적치하지 않은 지지판(2) 쪽으로부터의 열방산량을 저감할 수 있기 때문에 가열장치(100)의 열효율을 향상시킬 수 있다.
더욱이 Y2O3첨가량을 증감시켜도 질화알루미늄기 소결체의 열팽창계수는 거의 불변하기 때문에 승온, 강온의 히트사이클이 부하되어도 지지판(2)과 적치하부판(3a)의 접합계면(제1접합층(10))의 내구성을 확보할 수 있고 가열장치(100)의 제품수명을 연장시킬 수 있다.
[히터엘리먼트]
히터엘리먼트(8)의 재질로는, 첨가제가 첨가되지 않고 소결되어, 소결밀도가 2.8×103kg/m3이상, 실온에서의 전기비 저항값이 0.1×10-2Ωm 이하의 탄화규소 소결체가 적합하다.
또한 이 히터엘리먼트(8)는 지지판(2)(오목부(12)) 및 제1접합층(10)(적치하부판(3a))과는 접합되어 있지 않으며 히터엘리먼트(8)와 오목부(12) 사이 및 히터엘리먼트(8)와 제1접합층(10)(적치하부판(3a)) 사이에는 공간(미도시)이 존재하고 있다.
또한 히터엘리먼트(8)의 재질을 탄화규소 소결체(열팽창계수 3.7×10-6/℃)로 함으로써 히터엘리먼트(8)의 열팽창계수를, 지지판(2)을 구성하는 질화알루미늄 소결체 또는 질화알루미늄기 소결체의 열팽창계수(3.8×10-6∼4.7×10-6/℃)로 대략 동일하게 할 수 있다.
이와 같이 히터엘리먼트(8)를 설치함으로써 히터엘리먼트(8)와 지지판(2) 및 히터엘리먼트(8)와 제1접합층(10), 적치하부판(3a) 사이에 열팽창계수의 차에 기인한 열스트레스가 발생하지 않기 때문에 적치하부판(3a)과 지지판(2)을 접합하고 있는 제1접합층(10)의 내구성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
그리고 이 히터엘리먼트(8)에 통전함으로써 적치판(3)을 소정의 온도로 유지할 수 있다.
이러한 탄화규소 소결체로 이루어진 히터엘리먼트(8)는 예컨대 일본 특개평4-65361호 공보에 기재되어 있는 대략 하기의 방법에 의해 제조할 수 있다.
제조방법(1): 평균 입자직경이 0.1∼10×10-6m(0.1∼10μm)의 제1탄화규소분말과, 비산화성 분위기의 플라즈마 중에 실란화합물 또는 할로겐화규소와 탄화수소로 이루어진 원료가스를 도입하여, 반응계의 압력을 101kPa 미만에서 13Pa (0.1Torr)의 범위에서 제어하면서 기상반응시킴으로써 합성된 평균 입자직경이 0.1∼10×10-6m(0.1μm) 이하인 제2탄화규소분말을 혼합하고, 이것을 가열하고 소결함으로써 탄화규소 소결체를 얻어 이 소결체를 소정의 패턴에 따라 방전가공함으로써 히터엘리먼트(8)를 제조할 수 있다.
또한 히터엘리먼트(8)는, 예컨대 일본 특개평4-65361호 공보에 기재되어 있는 대략 하기의 방법에 의해서도 제조할 수 있다.
제조방법(2): 비산화성 분위기의 플라즈마 중에 실란화합물 또는 할로겐화규소와 탄화수소로 이루어진 원료가스를 도입하여 반응계의 압력을 101kPa 미만에서 13Pa(0.1Torr) 범위에서 제어하면서 기상 반응시킴으로써 합성된 평균 입자직경이 0.1∼10×10-6m(0.1μm) 이하인 탄화규소분말을 가열하고 소결함으로써 탄화규소 소결체를 얻어 이 소결체를 원하는 패턴에 따라 방전가공함으로써 히터엘리먼트(8)를 제조할 수 있다.
이상의 어느 한 방법에 의해 제조된 히터엘리먼트(8)는, 첨가제를 첨가하지 않는다. 즉 이종(異種)물질을 첨가하지 않고 소결된 탄화규소 소결체로 이루어지기 때문에 균질한 것이며 국소적으로 이상발열이 발생하지 않는다. 그 때문에 제1접합층(10)의 일부가 용융하여 제1접합층(10)에 리크가 발생하는 것을 방지할 수 있기 때문에 제1접합층(10)의 기밀성을 더욱 강고하게 확보할 수 있다.
또한 히터엘리먼트(8)는 첨가제가 첨가되어 있지 않기 때문에 극히 고순도의 것이며 또한 소결밀도가 2.8×103kg/m3이상인 고밀도의 소결체로 되어 있기 때문에 만약 제1접합층(10)에 리크가 발생하여 기밀성이 손상되었다고 해도 히터엘리먼트(8)로부터의 첨가제에 기인하는 불순물이 증발되지 않기 때문에 반응챔버 내부가 오염될 염려는 없다.
나아가 히터엘리먼트(8)는 내열성도 우수하기 때문에 열충격에 의해 히터엘리먼트(8)가 변형이나 단선을 일으키지 않는다. 또한 히터엘리먼트(8)는 정온(定溫)에서의 전기비 저항치가 0.1×10-2Ωm 이하라는 낮은 전기비 저항치를 갖는 것이기 때문에 히터엘리먼트(8)를 세선화, 박막화할 필요가 없어 히터엘리먼트(8)가 단선될 염려도 없다.
[전극판]
전극판(4)은 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)의 열팽창계수와 대략 같은 열팽창율을 갖는 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 니오브 또는 이들 합금 등의 고융점금속 또는 고융점금속과 세라믹의 도전성 복합재로 이루어진 것이 바람직하다. 이러한 전극판(4)에 따르면, 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)을 접합할 때의 열처리온도 및 분위기에서 안정적이며 고유저항치가 낮아 실온∼1000℃까지의 실용온도영역에서의 장기사용이 가능하다.
전극판(4)은 정전척(chuck)용 전극, 히터전극, 플라즈마 발생전극 등으로 이용할 수 있다.
전극판(4)에 고주파/직류전압 인가용 전극(5)을 통해 미도시된 플라즈마 발생용 전원에서 고주파 전압을 인가함으로써 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 그 때 전극판(4)은 0.1×10-3m(0.01mm) 이상의 충분한 두께를 갖고 있는 것이 바람직하며이와 같이 전극판(4)을 설치함으로써 고주파 전압을 인가해도 발열하여 타서 끊어질 염려가 없다. 또한 격자형 또는 그물형 전극을 이용한 경우와 달리 전역에 치밀, 안정 그리고 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있으며 또한 전극판(4)과 고주파/직류전압 인가용 전극(5)의 연결을 면/로드 사이에서 확실히 수행할 수 있는 등의 잇점을 가진다.
또한 전극판(4)에 고주파/직류전압 인가용 전극(5)을 통해 미도시된 정전흡착용 전원에서 500V 정도의 직류고전압을 인가하면 적치판(3)이 절연체로서 기능하고 실리콘웨이퍼 등의 피가열물을 적치판(3) 위에 정전흡착시킬 수 있게 된다.
더욱이 전극판(4)에 플라즈마 발생용 전원의 고주파 전압과 정전흡착용 전원의 직류고전압 양쪽을 인가하는 경우에는 고주파를 컷트할 수 있는 필터를 정전흡착용 전원과 히터급전용 전극(9) 사이에 설치하면 된다.
[제1접합층]
제1접합층(10)은 내열성의 접합제, 예컨대 주기율표 제Ⅲa속 원소에서 선택된 적어도 2종의 원소와 알루미늄과 규소를 포함하는 접합제, 주기율표 제Ⅲa속 원소에서 선택된 적어도 1종의 원소와 알루미늄을 포함하는 접합제, 주기율표 제Ⅲa속 원소에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 접합제, 주기율표 제Ⅲa속 원소에서 선택된 적어도 1종의 원소와 알루미늄과 규소와 주기율표 제Ⅱa속 원소에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 접합제 등으로 이루어지며, 더 바람직하게는 주기율표 제Ⅲa속 원소에서 선택된 적어도 2종의 원소와 알루미늄과 규소를 포함하는 접합제를 포함하는 옥시나이트라이드 유리층으로 이루어지는 것이 바람직하다.
주기율표 제Ⅲa속 원소에서 선택된 적어도 2종의 원소와 알루미늄과 규소를 포함하는 접합제를 포함하는 옥시나이트라이드 유리층으로 이루어진 제1접합층(10)은 기밀성이 대폭 향상된 것이 되며, 또한 이 기밀성을 장기적으로 확보할 수 있게 된다. 이 이유에 대해서는 이하에 상술하기로 한다.
상기 성분을 갖는 옥시나이트라이드 유리층은, 세라믹소결체와의 젖음성이 양호하며 접합강도가 우수하기 때문에 제1접합층(10)은 기밀성이 양호하고 접합강도의 불균일도 적어 내열성도 우수하게 된다.
또한 상기 성분을 함유하는 옥시나이트라이드 유리층의 열팽창계수는 3×10-6∼8×10-6/℃이며 질화알루미늄 소결체 및 질화알루미늄기 소결체의 열팽창계수 (3.8×10-4∼4.7×10-6/℃)와 대략 비슷하며 따라서 반복의 승온, 강온의 열부하시의 열응력에 의한 제1접합층(10)의 파손, 즉 크랙의 발생을 회피할 수 있어 제1접합층 (10)의 기밀성을 장기적으로 확보할 수 있다.
또한 상기 성분을 함유하는 옥시나이트라이드 유리층의 유리연화점(Tg)은 850∼950℃로 높기 때문에 가열장치(100)가 고온분위기에 장시간 노출되도 제1접합층(10)이 열화되지 않는다.
또한 본 실시형태에 있어서, 제1접합층(10)의 두께를 5∼180×10-6m(5∼180 μm)로 하는 것이 바람직하다. 제1접합층(10)의 두께를 5∼180×10-6m(5∼180μm)로 하는 것이 적합한 이유는, 이하에 상술하겠지만 제1접합층(10)의 기밀성을 더욱 강고하게 확보할 수 있기 때문이다.
제1접합층(10)의 두께가 5×10-6m(5μm) 미만에서는 제1접합층(10)의 단부에서의 필렛의 형성이 불충분하므로 제1접합층(10)의 기밀성을 확보할 수 없으며 또한 접합강도도 부족하다. 한편 제1접합층(10)의 두께가 180×10-6m(180μm)를 초과하면 제1접합층(10)의 기밀성은 확보할 수 있지만 접합강도의 저하가 발생하기 쉽다. 또한 제1접합층(10)을 형성할 때에 가열처리에 의해 용융한 접합제가 유출하여 지지판(2)과 적치하부판(3a)을 평행하게 접합할 수 없어 제품비율이 저하되고 또한 접합작업에도 지장을 초래할 염려가 있다.
[제2접합층]
상술한 바와 같이 적치판(3)을 구성하는 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)은 내열성의 접합제, 예컨대 적치하부판(3a) 또는 적치상부판(3b)을 구성하는 재료와 동일 조성 또는 주성분이 동일한 재료로 이루어진 제2접합층(7)을 통해 접합되어 있다.
예컨대 적치하부판(3a) 또는 적치상부판(3b)이 질화알루미늄으로 이루어질 때에는 질화알루미늄 분말을 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)의 접합면에 개재시켜 다른 접합제를 개재시키지 않고 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)을 고온가압함으로써 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)을 질화알루미늄으로 이루어진 제2접합층(7)을 통해 접합할 수 있다.
질화알루미늄 분말을 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)의 접합면에 개재시켜적치하부판(3a)와 적치상부판(3b)을 고온가압할 때의 열처리 분위기는 진공, Ar가스, He가스, N2가스 등의 불활성 분위기인 것이 바람직하다. 또한 가압력은 2.45∼19.6MPa(25∼200kg/cm2) 정도가 바람직하며 또한 열처리 온도가 1400∼2000℃ 정도가 바람직하다.
더욱이 본 실시형태에 있어서 '주성분이 동일한 재료'란 적치하부판(3a) 또는 적치상부판(3b)을 구성하는 재료 이외의 다른 성분의 함유량이 50몰% 이하인 재료를 말하며, 예컨대 적치하부판(3a) 또는 적치상부판(3b)을 구성하는 재료가 질화알루미늄일 때에는 질화알루미늄 이외의 다른 성분의 함유량이 50몰% 이하인 재료를 말한다.
또한 본 실시형태에 있어서, 제2접합층(7)의 두께를 5∼180×10-6m(5∼180 μm)로 하는 것이 바람직하다. 제2접합층(7)의 두께를 5∼180×10m-6(5∼180μm)로 하는 것이 적합한 이유는, 이하에 상술하겠는데 제2접합층(7)의 기밀성을 강고히 확보할 수 있기 때문이다.
제2접합층(7)의 두께가 5×10-6m(5μm) 미만에서는 제2접합층(7)의 단부에서의 필렛의 형성이 불충분하므로 제2접합층(7)의 기밀성을 확보할 수 없으며 또한 접합강도도 부족하다. 한편 제2접합층(7)의 두께가 180×10-6m(180μm)를 초과하면 제2접합층(7)의 기밀성은 확보할 수 있으나 접합강도의 저하가 발생하기 쉽다. 또한 제2접합층(7)을 형성할 때에 가열처리에 의해 용융한 접합제가 유출하여 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)을 평행하게 접합할 수 없어 제품비율이 저하되고 또한 접합작업에도 장애를 일으킬 염려가 있다.
상기 구성의 본 실시형태의 가열장치(100)에 따르면, 적치판(3)과 지지판(2)이 함께 세라믹소결체로 이루어진 것이므로 내플라즈마성이 우수함과 동시에 이들 열팽창률을 근사하게 할 수 있기 때문에 이들 경계면에서의 접합계면의 내구성이 향상되어 제품 수명이 길어진다. 또한 적치판(3)의 열전도율이 지지판(2)의 열전도율보다 높아지기 때문에 히터엘리먼트(8)에서 적치판(3)으로의 열전도성이 향상되고 가열장치(100)의 가열효율이 향상된다.
또한 이들 열전도율의 조정은 각 세라믹 소결체의 Y2O3의 첨가량을 변화시킴으로써 적치판(3) 및 지지판(2)의 열팽창율에 변화를 주지 않고 쉽게 조정할 수 있다.
또한 상기 적치판(3)과 지지판(2)은 접합층(10)을 통해 접합되는 것이므로 기밀성이 더욱 향상되어 이들 접합면에서의 강도, 내플라즈마성 등이 우수하며 가열장치(1)의 제품수명을 향상시킬 수 있다.
[제2실시형태]
다음에 본 발명의 제2실시형태를 도 3을 참조하여 설명하기로 한다. 본 실시형태의 가열장치의 기본구성은, 상기 제1실시형태의 가열장치(100)와 동일하며, 다른 점은 지지판에 설치된 오목부(12a)가 도 1에 도시한 오목부(12)보다 깊게 형성되어 있고, 이 오목부(12a)에 끼워진 히터엘리먼트의 하부에 단열재가 설치되어 있는 점 뿐이다. 따라서 도 3에 있어서 상기 가열장치(100)와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이고 그 설명은 생략한다. 또한 가열장치(200)의 전극판(4), 히터엘리먼트(8)의 평면구조는 제1실시형태에 있어서 도 2a 및 도 2b에 도시한 것과 동일하기 때문에 도시는 생략한다.
도 3에 도시한 가열장치(200)의 히터엘리먼트(8)의 하부(비가열물을 적치하지 않은 쪽)에는 상기 히터엘리먼트(8)와 함께 오목부(12a)에 끼워진 단열재(13)가 구비되어 있다. 오목부(12a)에는 지지판(2)의 적치판(3)과의 접합면에 히터엘리먼트(8)의 형상을 따라 히터엘리먼트(8)의 두께보다 깊게 형성되어 있으며 단열재 (13)는 오목부(12) 내에 있어서 히터엘리먼트(8)의 바로 아래에 오목부(12), 히터엘리먼트(8)의 형상에 따르도록 배치되어 있다.
[단열재]
본 실시형태에 있어서, 단열재(13)는 오목부(12) 내에 장전되어 내장되어 있기 때문에 플라즈마, 내식성가스 등에 노출되지 않는다. 그 때문에 단열재(13)를 구성하는 재료는 내식성, 내플라즈마성이 우수할 필요는 없으며 단열성이 우수한 재료면 된다.
따라서 단열재(13)로서는 히터엘리먼트(8)의 발열을 효율적으로 단열할 수 있는 재료, 예컨대 열전도율이 100W/mK 이하인 재료를 사용하면 된다. 이와 같은 단열성 재료로서, 예컨대 질화알루미늄(열전도율: 80W/mK), 질화규소(열전도율: 30W/mK), 석영 등의 실리카질 재료(열전도율: 3W/mK), 알루미나(열전도율: 29W/mK) 등의 세라믹, 철(열전도율: 80W/mK), 망간(열전도율: 8W/mK) 등의 금속, 또는 이들 다공질 재료 등을 예시할 수 있다.
더욱이 본 실시형태에 있어서는, 히터엘리먼트(8)의 하부에만 단열재(13)가 설치된 경우에 대해서만 설명했는데, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 오목부(12) 내에 있어서 히터엘리먼트(8)의 하부 및 측부에 단열재(13)가 설치되어 있어도 좋다.
[가열장치의 제조방법]
다음에 상기의 가열장치(200)의 제조방법에 대해 설명하기로 한다. 더욱이 이하의 제조방법은 도 1에 도시한 가열장치(100)를 제조하는 경우에도 문제없이 적용할 수 있다.
표면에 오목부(12a, 11)를 갖는 지지판(2), 적치하부판(3a)을 공지의 기술에 따라 형성한 원반형 등의 질화알루미늄 소결체 또는 질화알루미늄기 소결체에 적당한 방법으로 오목부 가공을 실시함으로써 형성한다. 이어서 적치하부판(3a)에 설치된 오목부(11) 내에 전극판(4)을 형성한다. 또한 적치상부판(3b)도 공지의 기술에 따라 형성한다.
다음에 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)의 접합면에 적치하부판(3a) 또는 적치상부판(3b)을 구성하는 재료와 동일 조성 또는 주성분이 동일한 재료를 개재시켜서 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)을 고온가압함으로써 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)을 제2접합층(7)을 통해 접합하여 적치판(3)을 형성한다.
예컨대 적치하부판(3a) 또는 적치상부판(3b)을 구성하는 재료가 질화알루미늄일 때에는 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)의 접합면에 질화알루미늄 분말을 개재시켜 다른 접합제를 개재시키지 않고 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)을 고온가압 접합한다.
이어서 상술한 히터엘리먼트(8)의 제조방법(1)을 따라 형성된 히터엘리먼트 (8)와 단열재(13)를, 단열재(13)가 히터엘리먼트(8)의 하부에 위치하도록 지지판 (2)의 오목부(12a)에 장전한다.
이어서 지지판(2)과 적치판(3)을 제1접합층(10)을 통해 접합한다.
제1접합층(10)이 주기율표 제Ⅲa속원소에서 선택된 적어도 2종의 원소와 알루미늄과 규소를 포함하는 접합제를 포함하는 옥시나이트라이드 유리층으로 이루어진 경우를 예로 들어 이하에 지지판(2)과 적치판(3)의 접합방법의 일예에 대해 설명하기로 한다.
미세 분쇄된 유리질 접합제를 스크린오일과 혼합하여 페이스트화하고 이 페이스트형 내열성 접합제를 오목부(12)에 히터엘리먼트(8)가 장전된 지지판(2)과 적치하부판(3a)의 각각의 접합면에 도포하고 100∼200℃에서 건조한다. 제1접합층 (10)을 형성할 때에 이용하는 유리질 접합제의 제조방법의 상세에 대해서는 후술하기로 한다.
그 후 내열성 접합제가 도포된 면을 통해 지지판(2)과 적치판(3)을 히터엘리먼트(8)를 협지한 상태에서 적층하고, 전기로 중에서 1300∼1500℃에서 5∼40분 가열하여 내열성 접합제 중에 함유되는 유리질 접합제를 용융시킨 후 냉각함으로써 지지판(2)과 적치판(3)을 제1접합층(10)을 통해 접합한다.
이 공정에 있어서, 상기 내열성 접합제(유리질 접합제)의 가열은 상압하 또는 1010kPa 이하의 가압하에서 수행된다.
나아가 내열성 접합제(유리질 접합제)를 가열할 때의 분위기는 이용하는 유리질 접합제에 따라 다르다. 유리질 접합제로서 옥시나이트라이드 유리를 함유하는 유리질 접합제를 이용하는 경우에는 유리질 접합제가 미리 옥시나이트라이드화 되어 있기 때문에 내열성 접합제(유리질 접합제)의 가열을 비질소 함유 분위기하에서 수행해도 좋다. 단 옥시나이트라이드화를 더 진행시키기 위해, 또는 옥시나이트라이드 유리의 산화를 방지하기 위해 옥시나이트라이드 유리를 함유하는 유리질 접합제를 이용하는 경우에 있어서도 내열성 접합제(유리질 접합제)의 가열을 질소함유 분위기하에서 수행하는 것이 더욱 바람직하다.
이에 대해 유리질 접합제로서, 옥사이드 유리를 함유하는 유리질 접합제를 이용하는 경우에는 옥사이드 유리를 옥시나이트라이드화하기 위한 질소원이 필요하기 때문에 내열성 접합제(유리질 접합제)의 가열은 반드시 질소함유 분위기하에서 수행할 필요가 있다. 나아가 상기 질소함유 분위기는 N2가스, H2-N2혼합가스 또는 NH3가스 등을 이용함으로써 얻을 수 있다.
가열용융한 유리질 접합제는 냉각고화(固化)함으로써 접합강도를 가질 수 있게 되는데, 급속냉각하지 않고 서서히 냉각시킴으로써 질소의 수확량을 높은 상태로 유지시키면서 옥시나이트라이드 유리층의 안정화를 꾀하는 것이 바람직하다. 따라서 유리질 접합제의 냉각속도는 50℃/min 이하인 것이 바람직하며 30℃/min 이하인 것이 더욱 바람직하다.
더욱이 미세 분쇄된 유리질 접합제와 스크린오일의 혼합비, 페이스트형 내열성 접합제의 도포량, 접합시의 가열온도, 가열시간 등의 처리조건을 적절히 조정함으로써 제1접합층(10)의 두께를 상기 범위로 설정할 수 있다.
여기에서 주기율표 제Ⅲa속 원소에서 선택된 적어도 2종의 원소와 알루미늄과 규소를 포함하는 접합제를 포함하는 옥시나이트라이드 유리층으로 이루어진 제1접합층(10)을 형성할 때, 이용하기에 적합한 유리질 접합제의 제조방법의 일예에 대해 상술한다.
우선 유리질 접합제의 원료분말로서, 예컨대 주기율표 제Ⅲa속 원소에서 선택된 적어도 2종 원소의 산화물과, 이산화규소와, 산화알루미늄을 혼합하거나 또는 열처리에 의해 이들로 변화하는 화합물을 혼합한다.
그리고 이 원료혼합분말을, 예컨대 입자직경 5×10m-6(5μm) 이하로 분쇄하여 1500∼1700℃로 용융한 후, 급냉하여 유리질의 냉각물을 얻고 이것을 입자직경 5×10-6m(5μm) 정도로 분쇄하여 균일조성의 용융체 미분말의 접합체를 조정함으로써 유리질 접합제를 제조할 수 있다.
더욱이 주기율표 제Ⅲa속 원소의 산화물로는, 특별히 한정되지 않으며 Y2O3, Dy2O3, Er2O3, Gd2O3, La2O3, Yb2O3, Sm2O3등을 예시할 수 있다.
이들 중 가격과 입수의 용이함에서, 이용하는 주기율표 제Ⅲa속 원소의 산화물 중 하나는 Y2O3가 적합하며, 다른 주기율표 제Ⅲa속 원소의 산화물은 이 Y2O3와 전율고용체(全率固溶體)를 형성하기 쉬운 Dy2O3, Er2O3, Gd2O3가 적합하며 특히 Dy2O3는 가격면에서도 적합하다.
또한 상기 각 성분의 조성비율도 특별히 한정되어 있지 않으나 주기율표 제Ⅲa속 원소에서 선택된 적어도 2종의 원소의 산화물을 합량(合量)으로 20∼50 중량%, 이산화규소를 30∼70중량%, 산화알루미늄을 10∼30중량% 포함하는 용융체가 형성되도록 배합하는 것이, 얻어지는 용융체의 융점이 낮고 또한 세라믹 등과의 젖음성에도 우수하기 때문에 바람직하다.
나아가 주기율표 제Ⅲa속 원소가 2종일 경우에는 주기율표 제Ⅲa속 원소의 산화물이 몰비로 약 1:1이 되도록 배합하는 것이 접합제의 융점이 가장 낮아지기 때문에 적합하다.
이 유리질 접합제의 제조시의 분위기는 특별히 한정되지 않지만 질소분위기하에서 수행하면 옥시나이트라이드 유리가 형성되어 비질소분위기하에서 수행하면 옥사이드유리가 형성된다. 단 이 실시형태에 있어서는 최종적으로 옥시나이트라이드 유리층이 형성되도록 하고 있기 때문에 유리질 접합제의 조정은 질소함유 분위기하에서 수행하며 유리질 접합제를 미리 옥시나이트라이드화시켜두는 것이 바람직하다.
더욱이 질소함유 분위기는 N2가스, H2-N2혼합가스 또는 NH3가스 등을 이용함으로써 얻을 수 있다.
또한 상기 유리질 접합제에는 Si3N4분말 및/또는 AlN분말을 외할(外割)로 1∼50중량% 배합하는 것이 바람직하다. 이와 같이 Si3N4분말이나 AlN분말을 첨가함으로써 옥시나이트라이드 유리의 열팽창률을 낮춤과 동시에 내열성을 향상시킬 수 있다.
더욱이 Si3N4분말 및/또는 AlN분말을 1중량% 미만 배합하는 경우에는 Si3N4분말 및/또는 AlN분말을 첨가해도 이와 같은 효과를 얻을 수 없으며 또한 50중량% 초과 배합하는 경우에는 지지판(2)과 적치판(3)의 접합강도의 저하를 초래하기 때문에 바람직하지 않다.
또한 첨가하는 Si3N4분말 및/또는 AlN분말의 입자직경은 특별히 한정되지 않는데 균일한 농도의 옥시나이트라이드 유리를 형성시킬 수 있는 점에서 평균 직경 0.8×10-6m(0.8μm) 이하인 것이 바람직하다.
본 실시형태에 따르면 단열재(13)가 지지판(기체)(2)의 적치판(3)과의 접합면에 설치된 오목부(12)에 장전되어 있기 때문에 단열재(13)가 내식성의 분위기가스나 플라즈마 등에 노출되지 않기 때문에 단열재(13)를 구성하는 재질에 제한이 없으며 제품수명이 한층 더 향상되고 나아가 제조가 용이하고 저렴한 가열장치를 제공할 수 있다.
또한 본 실시형태의 가열장치(200)는 히터엘리먼트(8)의 하부(피가열물을 적치하지 않은 쪽)에 단열재(12)가 설치된 것이므로 피가열물을 적치하는 쪽의 열전도성을 확보한 채로 피가열물을 적치하지 않은 쪽의 열방산을 유효하게 방지할 수 있어 열효율이 우수해진다.
더욱이 본 실시형태에 있어서는, 지지판(2)의 적치판(3)과의 접합면에 오목부(12a)가 설치되어 오목부(12a)에 단열재(13)와 히터엘리먼트(8)가 매설된 것에 대해서만 설명했으나, 본 발명은 이에 한정되지는 않으며 지지판(2)과 적치판(2)의 어느 하나 또는 양쪽 접합면에 오목부가 설치되어 해당 오목부에 장전된 히터엘리먼트와, 오목부에 장전되어 히터엘리먼트의 하부(피가열물을 적치하지 않은 쪽), 또는 히터엘리먼트의 하부 및 측부에 배치된 단열재를 구비한 것이면 된다.
[제3실시형태]
다음에 도 4에, 본 발명에 관한 제3실시형태의 가열장치(300)의 개략적인 단면구조를 도시하고 이 가열장치의 구조에 대해 설명하기로 한다.
본 실시형태의 가열장치(300)의 기본구성은, 제2실시형태의 가열장치(200)와 동일하며 다른 점은 지지판에 설치하는 오목부의 형상 및 단열재의 형상 뿐이므로 도 4에 있어서 가열장치(200)와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이고 그 설명은 생략한다. 또한 가열장치(300)의 전극판(4), 히터엘리먼트(8)의 평면구조는 제1실시형태에 있어서 도 2a 및 도 2b에 도시한 것과 동일하기 때문에 도시는 생략한다.
도 4에 있어서 부호 20, 22, 23은 각각 지지판, 오목부, 단열재를 도시하고 있다.
본 실시형태에 있어서, 도 4에 도시한 바와 같이 지지판(20)의 윗면(적치판 (3)과의 접합면)에는 히터엘리먼트(8)보다 큰 면적을 갖는 오목부(22)가 설치되어 있고 오목부(22)에 소정의 형상(예컨대 스파이럴 형상)을 갖는 히터엘리먼트(8)가 장전되어 있다.
또한 단열재(23)는 오목부(22) 내에 있어서, 히터엘리먼트(8)의 하부에 장전되어 있는데 단열재(23)는 도 4에 도시한 바와 같이 오목부(22)의 바닥면 전면에 형성되어 오목부(22) 내에 있어서 히터엘리먼트(8)가 형성되어 있는 영역과 형성되어 있지 않은 영역 양쪽에 설치되어 있다.
더욱이 본 실시형태에 있어서는 오목부(22)의 바닥면에만 단열재(23)가 설치되어 있는 경우에 대해서만 도시하고 있는데, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 오목부(22)의 바닥면 및 측면에 단열재(23)가 설치되어 있어도 된다.
또한 본 실시형태에 있어서, 지지판(20), 단열재(23)의 재질은 제1실시형태의 지지판(2), 단열재(13)의 재질과 동일하며 가열장치(300)는 제2실시형태의 가열장치(200)와 동일하게 제조할 수 있는 것이다.
본 실시형태에 따르면, 상술한 제2실시형태와 마찬가지로, 단열재(23)가 지지판(기체)(20)의 적치판(3)과의 접합면에 설치된 오목부(22)에 장전되어 있기 때문에 단열재(23)가 내식성의 분위기가스나 플라즈마 등에 노출되지 않기 때문에 단열재(23)를 구성하는 재질에 제한이 없어 제품수명이 한층 더 향상되고 나아가 제조가 용이하며 저렴한 가열장치를 제공할 수 있다.
또한 본 실시형태의 가열장치(300)는 히터엘리먼트(8)의 하부에 단열재(23)가 설치된 것이므로 피가열물을 적치하는 쪽의 열전도성을 확보한 채로 피가열물을 적치하지 않은 쪽의 열방산을 유효하게 방지할 수 있어 열효율이 우수해진다.
더욱이 본 실시형태에 있어서는, 지지판(20)의 적치판(3)과의 접합면에 오목부(22)가 설치되고 오목부(22)에 단열재(23)와 히터엘리먼트(8)가 매설된 것에 대해서만 설명하였는데, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 지지판(20)과 적치판(3) 중 어느 하나 또는 양쪽 접합면에 오목부가 설치되어 해당 오목부에 장전된 히터엘리먼트와, 오목부에 장전되어 히터엘리먼트의 적어도 하부(피가열물을 적치하지 않은 쪽)에 배치된 단열재를 구비한 것이면 된다.
이하 실시예를 도시하여 본 발명에 대해 상술한다.
[실시예 1∼3]
본 예에서는 도 1에 도시한 구조의 가열장치를 제작했다.
표면에 폭 5mm, 깊이 8mm의 히터엘리먼트(8) 장전용 스파이럴형 오목부(12)가 설치된 직경 220mm, 두께 15mm의 질화알루미늄기 소결체제의 저열전도율의 지지판(2)을 다음과 같이 하여 형성했다.
Y2O3를 함유하지 않은 평균 입자직경 6×10-6m(0.6μm)의 질화알루미늄 분말((주)도쿠야마제, F그레이드분말)과 평균 입자직경 0.03×10-6m(0.03μm)의 탄화규소 미세분말(스미토모 오사카 시멘트(주)제)을 중량비로 99.5:0.5의 비율로 혼합하여 얻어진 혼합분에 이소프로필알콜을 분산매로서 혼합한 후 스프레이 드라이어를 이용하여 입자화하였다.
이어서 얻어진 과립을 1850℃, 19.6MPa(200Kg/cm2)의 조건하에서 가압소결하여 원판형 소결체를 얻었다. 그리고 얻어진 원판형 소결체를 종래 공지의 연삭법에 의해 연삭가공하여 상기 스파이럴형 오목부(12)를 구비한 지지판(2)을 얻었다.
이 지지판(2)의 열전도율을 레이저플래시법, 열팽창율을 열팽창계(TMA)를 이용하여 각각 측정했을 때 열전도율은 57.7W/mK이며 열팽창율은 4.7×10-6/℃였다.
한편 상기 질화알루미늄 분말과 상기 탄화규소 미세분말과 산화이트륨 분말(일본이트륨(주)제)을 중량비로 99.5:0.5:3.0으로 한 혼합분말을 이용한 것 외에는 상기 지지판(2)의 형성방법을 따라 직경 220mm, 두께 8mm의 원판형의 질화알루미늄기 소결체제의 하부판(3a)과, 직경 220mm, 두께 1mm의 질화알루미늄기 소결체제의 상부판(3b)을 제작했다.
이 하부판(3a)과 상부판(3b)의 열전도율을 상기의 방법으로 측정했을 때 어느 것이든 110W/mK이며 상기 지지판(2)의 열전도율보다 열전도율이 양호했다. 또한 이 하부판(3a)과 상부판(3b)의 열팽창율을 상기 방법으로 측정했을 때 4.4×10-6/℃이며 상기 지지판의 열팽창률과 근사했다.
또한 소결조제나 도전성을 부여하기 위한 첨가제가 첨가되지 않고 소결되어 소결밀도가 3.1×10-3kg/cm3, 실온에서의 전기비 저항이 0.05×10-2Ω·m인 탄화규소 소결체로 이루어지며 상기 스파이럴형 오목부(12)에 장전할 수 있는 형상의 히터엘리먼트(8)를 상술한 히터엘리먼트(8)의 제조방법(1)에 의해 형성했다.
제1탄화규소 분말의 평균 입자직경은 0.7×10-6m(0.7μm), 첨가량은 95중량% , 제2탄화규소의 평균 입자직경은 0.01×10-6m(0.06μm), 첨가량은 5중량%이며, 핫프레스 소결조건은 프레스압 39.2MPa(400kg/cm2), 소결온도 2200℃, 소결시간 90분이다.
한편 평균 입자직경 0.5×10-6m(0.5μm)인 텅스텐 분말과 시판되는 스크린오일을 포함하는 도포제를 하부판 위에 전극형상이 되도록 스크린인쇄했다. 또한 상기 질화알루미늄 분말과 시판되는 스크린오일을 포함하는 도포제를 하부판(3a) 위의 전극형성부 이외의 영역에 스크린인쇄했다.
그리고 상기 스크린 인쇄면을 통해 하부판(3a)과 상부판(3b)을 중첩하여 1800℃, 7.35MPa(75kg/cm2)의 조건하에서 열처리하여 일체화하고 텅스텐제의 전극판이 하부판(3a)과 상부판(3b)으로 협지된 적치판(3)을 얻었다.
이어서 표 1에 도시한 조성을 갖는 유리질의 내열성 접합제(입자직경 약 2×10-6m(약 2μm))를 시판되는 스크린오일과 혼합하여 페이스트화하고 이 페이스트형 유리질 내열성 접합제(10)를 상기 스파이럴형 오목홈(12)에 상기 히터엘리먼트 (8)가 장전된 상기 세라믹소결체제 지지판(2)과 상기 세라믹소결체제 적치판(3)의 각각의 접합면에 도포하여 100∼200℃에서 건조했다.
그 후 유리질의 내열성 접합제가 도포된 면을 통해 상기 지지판(2)과 상기 적치판(3)을 상기 히터엘리먼트(8)를 협지한 상태에서 적층하고, N2가스 분위기의 전기로 중에서 가열하여 유리질의 내열성 접합제를 용융하고 1450℃에서 20분 가열하여 기밀하게 접합했다. 냉각속도는 25℃/min, 접합후의 접합층(10)의 두께는 50μm였다. 또한 접합계면에는 옥시나이트라이드 유리가 형성되어 있는 것을 오거전자분광법에 의해 확인했다.
이와 같이 하여 얻어진 실시예 1∼3의 가열장치(100)의 실화알루미늄기 소결체제 지지판(2)과 질화알루미늄기 소결체제 하부판(3a)과의 접합부의 기밀성을 확인하기 위해 내구성 시험에 제공했다.
또한 하부판(3a)과 상부판(3b)의 접합계면을 SEM관찰했을 때 하부판(3a)과 상부판(3b)은 양호하게 접합일체화되어 있다.
(내구성 시험)
가열장치(100)에 통전하여 실온에서 최고온도 700℃까지 1시간에 승온하여 최고온도에서 30분간 유지한 후 실온까지 서서히 냉각시킨다. 이 히트사이클을 100회 부하한 후의 상기 접합부의 기밀성을 He가스를 이용한 리크테스트에 의해 시험했다.
더욱이 기밀성의 평가 기준은 다음과 같다.
: He리크양이 1.33×10-7Pa/sec 이하
△ : He리크양이 1.33×10-7∼1.33×10-6Pa/sec
×: He리크양이 1.33×10-6Pa/sec 이상
내구성 시험의 결과를 표 1에 도시한다.
[실시예 4]
본 예에서는 도 3에 도시한 단열재를 갖는 구조의 가열장치를 제작했다.
표면에 폭 5×10-3m(5mm), 깊이 8×10-3m(8mm)의 히터엘리먼트 장전용 스파이렬형 오목부(12a)가 설치된 직경 220×10-3m(220mm), 두께 15×10-3m(15mm)의 원반형 질화알루미늄기 소결체로 이루어진 지지판(2)을 다음과 같이 하여 형성하였다.
산화이트륨을 함유하지 않은 평균 입자직경 0.6×10-6m(0.6μm)의 질화알루미늄 분말((주)도쿠야마제, F-그레이드분말)과 평균 입자직경 0.03×10-6m(0.03μm)의 탄화규소 미분말(스미토모 오사카 시멘트(주)제)을 중량비로 99.5:0.5의 비율로 혼합하여 얻어진 혼합분에 이소프로필알콜을 분산매로 하여 혼합한 후 스프레이 드라이어를 이용하여 입자화했다.
이어서 얻어진 과립을 1850℃, 19.6MPa(200kg/cm2)의 조건하에서 가압소결하여 원반형 소결체를 얻었다.
얻어진 원반형의 소결체를 공지의 연삭법에 의해 연삭가공하여 상기 스파이럴형 오목부(12a)(깊이 8×10-3m(8mm))를 구비한 지지판을 얻었다.
한편 상기 질화알루미늄 분말과 상기 탄화규소 미분말과 산화이트륨 분말(일본 이트륨(주)제)을 중량비로 99:5:0.5:3.0으로 한 혼합분말을 이용한 것 외에는 상기 지지판(2)의 형성방법을 따라 표면에 직경 200×10-3m(200mm), 깊이 0.03×10-3m(0.03mm)의 오목부가 설치된 직경 220×10-3m(220mm), 두께 8×10-3m(8mm)의 원반형 질화알루미늄기 소결체제의 적치하부판(3a)과, 직경 220×10-3m(220mm), 두께 1×10-3m(1mm)의 원반형 질화알루미늄기 소결체제의 적치상부판(3b)을 제작했다.
또한 소결조제나 도전성을 부여하기 위한 첨가제가 첨가되지 않고 소결되어 소결밀도가 3.1×10-3kg/m3, 실온에서의 전기비 저항치가 0.05×10-2Ωm의 탄화규소 소결체로 이루어지며 상기 스파이럴형 오목부에 장전할 수 있는(클리어런스 1×10-3m(1mm)) 형상으로 두께 4×10-3m(4mm)의 히터엘리먼트(8)를 상술한 히터엘리먼트 (8)의 제조방법(1)에 의해 형성하였다.
제1탄화규소분말의 평균 입자직경은 0.7×1-60m(0.7μm), 첨가량은 95중량%, 제2탄화규소의 평균 입자직경은 0.01×10-6m(0.01μm), 첨가량은 5중량%로 하고, 핫프레스 소결조건은 프레스압을 39.2MPa(400kg/cm2), 소결온도를 2200℃, 소결시간을 90분으로 했다.
한편 평균 입자직경 0.5×10-6m(0.5μm)의 텅스텐 분말과 시판되는 스크린오일을 포함하는 도포제를 적치하부판(3a)의 표면에 설치된 오목부(11) 내에 전극형상이 되도록 스크린 인쇄하여 텅스텐제의 전극판(4)을 형성하였다.
이어서 상기 질화알루미늄 분말과 시판되는 스크린오일을 포함하는 접합제를 적치하부판(3a)의 표면의 전극판(4)이 형성되어 있지 않은 영역에 스크린인쇄했다.
그리고 상기 스크린인쇄면을 통해 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)을 중첩하여 1800℃, 7.35MPa(75kg/cm2)의 조건하에서 열처리함으로써 질화알루미늄으로 이루어진 제2접합층(7)을 통해 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)을 접합일체화하여 전극판(4)이 적치하부판(3a)과 적치상부판(3b)으로 협지된 적치판(3)을 얻었다.
한편 적치판(2)에 설치된 상기 스파이럴형 오목부(12a)에 장전할 수 있는 형상의, 질화규소 소결체제의 단열재(13)(두께 2×10-3m(2mm), 클리어런스 1×10-3m(1mm))을 연삭법에 의해 제작했다.
다음에 히터엘리먼트(8)와 단열재(13)를, 단열재(13)가 히터엘리먼트(3)의 하부에 위치하도록 지지판(2)의 스파이럴형 오목부(12a)에 장전했다.
다음에 유리질 접합제(입자직경 약 2×10-6m(2μm), SiO2-Dy2O3-Al2O3-Y2O3계)를 시판되는 스크린오일과 혼합하여 페이스트화하고 이 페이스트형 내열성 접합제를 지지판(2)과 적치판(3)(적치하부판(3a))의 각각의 접합면에 도포하여 100∼200℃로 건조했다.
그 후 내열성 접합제가 도포된 면을 사이에 두고 지지판(2)과 적치판(3)을, 히터엘리먼트(8)와 단열재(13)를 협지한 상태에서 적층하고 N2가스분위기의 전기로 중에서 1450℃에서 20분간 가열하여 내열성 접합제에 함유되는 유리질 접합제를 용융시킨 후 냉각함으로써 지지판(2)과 적치판(3)을 제1접합층(10)을 통해 기밀하게 접합했다. 냉각속도는 25℃/min으로 했다.
형성된 제1접합층의 두께는 50×10-6m(50μm)였다. 제1접합층에는 옥시드나이트라이드 유리가 형성되어 있는 것을 오거전자분광법에 의해 확인했다.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 지지판과 적치판을 세라믹 소결체에서 형성한 것이므로 지지판과 적치판의 열팽창율을 근사치로 할 수 있기 때문에 이들 경계면의 강도가 향상되고 내구성이 증대되며 내플라즈마성이 향상되어 제품수명을 연장시킬 수 있다.
또한 적치판의 열전도율이 지지판의 열전도율보다 높기 때문에 히터엘리먼트에서 발생한 열이 적치판에 집중하여 전달되고 또한 적치하는 쪽의 열전도율을 확보한 채 피가열물을 적치하지 않은 지지판 쪽의 열방산을 유효하게 방지할 수 있게 되어 가열장치의 열효율이 비약적으로 향상된다.
다음에 본 발명에 따르면, 세라믹 소결체제의 지지판과, 해당 기체와 접합층을 통해 기밀하게 접합된 세라믹 소결체제의 적치판을 구비함과 동시에, 상기 기체와 상기 피복판 중 어느 하나 또는 양쪽 접합면에 설치된 오목부에 장전된 히터엘리먼트와, 상기 오목부에 장전되어 히터엘리먼트의 적어도 하부에 배치된 단열재와, 상기 히터엘리먼트에 접속된 적어도 1쌍의 전극(히터급전용 전극)을 구비하는 구성으로 하였기 때문에 피가열물을 적치하는 쪽의 열전도성을 확보한 채 피가열물을 적치하지 않은 쪽의 열방산을 유효하게 방지할 수 있으며 따라서 가열장치의 열효율을 비약적으로 향상시킬 수 있고, 또한 단열재를 내식성, 내플라즈마성이 우수한 재료로 형성할 필요가 없기 때문에 제품수명이 한층 향상되고 나아가 제조가 용이하고 저렴한 가열장치를 제공할 수 있다.
다음에 본 발명의 가열장치에 있어서, 상기 단열재가 질화알루미늄, 질화규소, 실리카질재료, 알루미나 등의 세라믹 또는 금속으로 이루어진 구성이면, 히터엘리먼트의 발열을 효율적으로 단열할 수 있기 때문에 가열장치의 열효율을 향상시킬 수 있다.
다음에 본 발명의 가열장치에 있어서, 상기 세라믹소결체가 Y2O3를 조제로 한 질화알루미늄 소결체, 또는 Y2O3를 조제로 한 질화알루미늄기 소결체인 구성이면 Y2O3첨가량을 증감시킴으로써 질화알루미늄기 소결체의 열전도성을 용이하게 제어할 수 있다.
다음에 본 발명의 가열장치에 있어서, 상기 적치판의 세라믹소결체의 Y2O3함유량이 상기 지지판의 세라믹소결체의 Y2O3함유량보다 많은 구성으로 한다면 지지판의 열전도성을 적치판의 열전도성보다 저하시켜 피가열물을 적치하지 않은 지지판 쪽으로부터의 열방산을 저감할 수 있기 때문에 열효율을 향상시킬 수 있다.
다음에 본 발명의 가열장치에 있어서, 상기 지지판과 적치판이 유리질 접합층에 의해 접합일체화되어 이루어진 구성이라면 상기 지지판과 적치판의 접속면의 강도가 향상됨과 동시에 이들 접속면에서의 기밀성을 보다 높일 수 있기 때문에 이들 접속면의 강도가 향상되어 가열장치의 수명을 보다 연장시킬 수 있다.
다음에 본 발명의 가열장치에 있어서, 상기 적치판이 상부판과 하부판으로 이루어지며, 이들 상부판과 하부판 사이에 협지된 전극판과, 해당 전극판에 접속된 전극을 구비한 구성으로 한다면 전극판을 여러 가지 용도로 이용함으로써 다양한 용도로 상기 가열장치를 이용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 피가열물을 적치하는 적치판과, 이 적치판과 일체화되는 지지판과, 상기 적치판과 상기 지지판에 협지된 히터엘리먼트와, 상기 히터엘리먼트에 일단이 접속된 적어도 1쌍의 전극을 구비한 가열장치로서,
    상기 적치판과 지지판이 함께 세라믹소결체로 이루어지며, 상기 적치판을 구성하는 세라믹소결체의 열전도율이 상기 지지판을 구성하는 세라믹소결체의 열전도율보다 높아진 것을 특징으로 하는 가열장치.
  2. 피가열물을 적치하는 적치판과, 이 적치판과 일체화되는 지지판과, 상기 적치판과 상기 지지판에 협지된 히터엘리먼트와, 상기 히터엘리먼트에 일단이 접속되는 적어도 1쌍의 전극을 구비한 가열장치로서,
    상기 적치판과 지지판이 함께 세라믹소결체로 이루어지며, 상기 히터엘리먼트가 상기 지지판과 상기 적치판 중 어느 하나 또는 양쪽의 접합면에 설치된 홈부에 장전되어 있으며 해당 히터엘리먼트의 적어도 하부에 배치된 단열재를 구비한 것을 특징으로 하는 가열장치.
  3. 피가열물을 적치하는 적치판과, 이 적치판과 일체화되는 지지판과, 상기 적치판과 상기 지지판에 협지된 히터엘리먼트와, 상기 히터엘리먼트에 일단이 접속된 적어도 1쌍의 전극을 구비한 가열장치로서,
    상기 적치판과 지지판이 함께 세라믹소결체로 이루어지며, 상기 적치판을 구성하는 세라믹소결체의 열전도율이 상기 지지판을 구성하는 세라믹소결체의 열전도율보다 높아져 상기 히터엘리먼트가 상기 지지판과 상기 적치판 중 어느 하나 또는 앙쪽의 접합면에 설치된 홈부에 장전되어 있으며 해당 히터엘리먼트의 적어도 하부에 배치된 단열재를 구비한 것을 특징으로 하는 가열장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 단열재가 질화알루미늄, 질화규소, 실리카질재료, 알루미나 등의 세라믹 또는 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가열장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹소결체가 Y2O3를 조제로 한 질화알루미늄 소결체, 또는 Y2O3를 조제로 한 질화알루미늄기 소결체인 것을 특징으로 하는 가열장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적치판의 세라믹소결체의 Y2O3함유량이 상기 지지판의 세라믹소결체의 Y2O3함유량보다 많은 것을 특징으로 하는 가열장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지판과 적치판이 유리질 접합층에 의해 접합 일체화되어 이루어진 것임을 특징으로 하는 가열장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적치판이 상부판과 하부판으로 이루어지며, 이들 상부판과 하부판 사이에 협지된 전극판과, 해당 전극판에 접속된 전극을 구비한 것을 특징으로 하는 가열장치.
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