KR20090064441A - 전도성 패턴으로서 성형된 열 저항 요소를 포함하는 가열 유닛 - Google Patents

전도성 패턴으로서 성형된 열 저항 요소를 포함하는 가열 유닛 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전도성 패턴으로서 형성된 저항 요소 (2) 를 갖는 가열 유닛 (1) 으로서, 저항 요소는 베이스 판과 같은 기판 (3) 에 구속되어 있고, 기판 상에 저항 요소가 연장되어 있으며, 저항 요소는 전압의 영향 하에 위치되도록 배치되어 있는, 가열 유닛 (1) 에 관한 것이다. 본 발명은, 저항 요소 (2) 및 베이스 (3) 가 동일한 또는 본질적으로 동일한 열팽창 계수를 가지며, 저항 요소는 소결에 의해 기판에 구속되는 것을 특징으로 한다.
Figure P1020097007271
저항 요소, 가열 유닛.

Description

전도성 패턴으로서 성형된 열 저항 요소를 포함하는 가열 유닛{HEATING UNIT COMPRISING A HEAT RESISTANCE ELEMENT SHAPED AS A CONDUCTIVE PATTERN}
본 발명은 전도성 패턴으로서 형성된 저항 요소 형태의 가열 요소를 갖는 가열 유닛에 관한 것이다.
표면에서 가능한 한 고르게 열을 방출하기 위해, 예컨대 전도성 패턴을 갖는 루프 형태의 가열 요소를 이용할 수 있다. 또한, 그러한 가열 요소는 종종 매우 얇고 그로 인해 불량한 기계적 강도를 갖기 때문에 적층 (lamination) 에 의해 베이스 (base) 에 구속 (bind) 되어 이용될 수 있다. 일반적으로, 상기 요소는 예컨대 가열될 대상물을 지지하도록 배치되는 베이스 판의 형태인 기판에 부착 또는 구속된다. 가열 요소는 전류를 그 요소에 흐르게 하여 가열된다.
특정 경우에는, 그러한 가열 요소가 개별적으로 제어될 수 있는 독립된 여러 가열 구역으로 분리되는 것이 유리하다. 이는 예컨대 규소 디스크, 이른바 Si 웨이퍼의 열처리 동안 (가열된 기판에 걸쳐 매우 균일한 온도가 요구됨) 중요하다. 이는 빠른 응답 시간을 달성하기 위해 기판과 도체 사이의 양호한 열 접촉을 또한 요구한다.
베이스 판에 놓인 저항 요소를 포함하는 그러한 가열 유닛의 일 문제는, 가 열 유닛이 가열 및 냉각되는 때에 그리고 가열 유닛이 저항 요소와 베이스 판 사이의 접속부가 형성된 곳의 온도와 상이한 온도를 가질 때에 가열 유닛에 응력이 형성된다는 것이다.
그러한 응력으로 인해, 가열 유닛에 크랙이 형성되고, 그 결과 가열 유닛이 특정 사용 기간 후 부서진다.
더욱이, 특정 용도에서는 저항 요소가 산화성 분위기에 노출될 것이 요구된다.
예컨대 W, Mo, Ta, Pt 및 Pd 등의 다양한 내화 금속이 통상적으로 사용되어 왔다. W, Mo 및 Ta 의 단점은 산화에 대한 저항이 제한되어 있다는 것이며, 이로 인해 산화성 및 부식성 환경에서 이들이 사용될 수 있는 온도가 제한되어 있다. 예컨대 공기 분위기에서 Al2O3 의 베이스 판에서의 W 의 회로 패턴은 수백 ℃ 보다 더 높은 온도에서 사용될 수 없다. Pt, Pd 및 다른 불활성 귀금속은 많은 경우 과도하게 비싸다.
본 발명은 전도성 패턴으로서 형성된 저항 요소를 갖는 가열 유닛으로서, 베이스 판에의 양호한 접합 및 가열 유닛의 긴 수명을 제공하는 가열 유닛을 제공한다.
따라서, 본 발명은, 전도성 패턴으로서 형성된 저항 요소를 갖는 가열 유닛으로서, 이 저항 요소는 베이스 판과 같은 기판에 구속되어 있고, 기판 상에 저항 요소가 연장되어 있으며, 저항 요소는 전기 전압의 영향 하에 위치되도록 배치되어 있는, 가열 유닛에 관한 것이며, 본 발명은 저항 요소 및 베이스가 동일한 또는 본질적으로 동일한 열팽창 계수를 가지며, 저항 요소는 소결에 의해 기판에 구속되는 것을 특징으로 한다.
첨부 도면에 나타낸 본 발명의 실시형태와 관련하여 이하에서 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1 은, 전도성 패턴을 갖는 저항 요소를 구비한 가열 유닛의 일 예를 위에서 바라본 도면이다.
도 2 는 본 발명에 따른 가열 유닛의 제 1 실시형태의 개략적인 단면도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 가열 유닛의 제 2 실시형태의 개략적인 단면도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 가열 유닛의 제 3 실시형태의 개략적인 단면도이다.
본 발명은 전도성 패턴으로서 형성된 저항 요소 (2) 를 갖는 가열 유닛 (1) 에 관한 것이며, 이 저항 요소는 베이스 판과 같은 기판 (3) (표면에 저항 요소 (2) 가 연장되어 있음) 에 구속되어 있으며, 전기 도체 (도시 안 됨) 에 의해 전기 전압의 영향 하에 위치되도록 배치되어 있다 (도 1 참조).
그러한 가열 유닛 (1) 은 전자공학 제조 산업의 이른바 웨이퍼와 같은 대상물을 가열하기 위해 또는 베이스 판에 위치되는 코팅 공정에서의 기판 히터로서 사용된다. 또한, 가열 유닛은 적외선을 방출하는 패널로서 사용된다.
본 발명에 따른 저항 요소 (2) 및 상기 베이스 판 (또는 기판) (3) 은 동일한 또는 본질적으로 동일한 열팽창 계수를 갖는다. 더욱이, 저항 요소 (2) 는 소결을 통해 기판 (3) 에 구속된다.
제조 및 사용 동안 층들 사이의 물리적 응력은 두 재료의 열팽창 계수가 동일 또는 본질적으로 동일한 경우 최소화되며, 이는 가열 요소의 적용에서 발생하는 온도의 반복적인 변화의 경우 특히 중요하다.
두 재료의 열팽창 계수가 상이한 때에 다양한 정도로 발생하는 문제로는, 불량한 접합, 다양한 기판에서의 얇고 두꺼운 금속층의 좌굴 (buckling) 과 뒤틀림 (wraping) 이 있다.
바람직한 실시형태에 따르면, 저항 요소 및 베이스 판의 열팽창 계수는 10 % 미만으로 상이하다.
다른 바람직한 실시형태에 따르면, 저항 요소 및 베이스 판의 열팽창 계수는 5 % 미만으로 상이하다.
바람직한 실시형태에 따르면, 저항 재료 (2) 는 Ti-Al-C 재료 또는 이 재료와 Nb 의 합금으로 이루어지고, 베이스 판 (3) 은 Al2O3 로 이루어진다.
다른 바람직한 실시형태에 따르면, 저항 재료 (2) 는 저항 재료 Ti2AlC 또는 이 재료와 Nb 의 합금, 즉 TixNb2-xAlC 로 이루어지고, 베이스 판 (3) 은 Al2O3 로 이루어진다.
Al2O3 및 Ti2AlC 는 모두 8 × 10-6 /°K 의 열팽창 계수를 갖는다.
식 TixNb2-xAlC 중 x 는 1.8 ∼ 2.0 이다.
Ti2AlC 또는 TixNb2-xAlC 의 사용의 이점은 이들 재료가 사용될 수 있는 최고 허용 온도이다. 이 온도는 산화성 분위기에서는 약 1,400 ℃ 에 달하고, 산소가 부족한 또는 환원성 분위기에서는 1,400 ℃ 보다 더 높다.
전도성 패턴을 갖는 루프 형태의 저항 요소 (2) 가 Al2O3 의 베이스 판에 적층에 의해 구속되고 다음 단계에서 베이스 판과 함께 소결되어, 공동소결된 (cosintered) 세라믹이 된다.
실온에서부터 1,400 ℃ 까지 열적 사이클링을 잘 견디기 위해, 베이스 판 (3) 은 밀봉성 또는 투과성이거나, 또는 투과성 층과 밀봉성 층을 교대로 포함할 수 있다.
예컨대 "테이프 캐스팅"으로 알려진 공정이 전도성 패턴을 붙이기 위해 사용될 수 있다. 이 공정은 소결되지 않고 압축된 상태로 저항 재료를 지지하는 특정 폭을 갖는 테이프를 통해 진행된다. 미처리 상태 (green condition) 의 테이프가 미처리 상태의 베이스 판에 붙이고, 그리고 나서 저항 재료 및 소결되지 않은 베이스 판이 함께 압착된다. 다음으로, 상기 재료들은 1,400 ∼ 1,500 ℃의 온도에서 함께 소결된다. 테이프는 소결 공정 동안 증발되고, 저항 재료는 베이스 판과 함께 소결된다.
전도성 패턴은 예컨대 0.1 ∼ 1 ㎜ 의 두께를 가질 수 있고, 각 도체는 붙임에 대해 적절한 폭 (예컨대 1 ∼ 3 ㎜ 의 폭) 을 가질 수 있다. 전기 저항은 붙임에 대해 적절하게 되도록 선택될 수 있다.
대안적으로는, 스크린 프린팅 페이스트의 형태인 저항 재료가 Al2O3 의 절연층에 붙여질 수 있다. 이런 식으로, 두께 0.1 ㎛ 의 테이프가 적층되어, 두께 1 ㎜ 의 층이 제공될 수 있다.
또한, 원하는 두께를 얻기 위해, 탄화물의 밀봉성 테이프-캐스트 층의 적층에 의해 Ti2AlC 의 층이 제조될 수 있고, 그리고 나서 전도성 패턴의 형태가 다른 방식으로 적층물로부터 스탬핑 또는 발췌될 수 있고, 알루미늄 산화물 층과 함께 적층될 수 있다. 이 방법에 의하면, 소결 후에 완전 밀봉성 재료가 얻어진다.
전도성 층이 알루미늄 산화물의 베이스 판과 함께 소결된다.
열 주입, CVD 또는 PVD 와 같은 다른 코팅 방법을 이용하는 것도 또한 가능하다.
바람직한 실시형태에 따르면, 저항 재료 (2) 는 미리 결정된 소량의 Al2O3 와 소결 전에 혼합될 수 있다. 이런 식으로, 저항 재료의 전기 저항이 증가된다. 사용되는 소량의 Al2O3 는 원하는 저항의 증가에 의해 결정된다.
도 1 에서는, 저항 요소 (2) 가 주위에 직접 노출되어 있는 실시형태가 도시되어 있다. Ti2AlC 는 산화에 대한 저항이 우수하고, 가열시 표면에서 Al2O3 층 을 형성한다. 이는 예컨대 전도성 패턴에서 1,400 ℃ 까지 자유 복사 가열 요소로서 이용될 수 있다.
바람직한 실시형태에 따르면, 저항 요소 (2) 는 상기 베이스 판 (3) 의 반대측에서 다른 베이스 판 (4) 에 구속된다 (도 3 참조). 따라서, 저항 와이어는 두 도체 (3, 4) 사이에 둘러싸이게 된다. 웨이퍼 등의 얇은 디스크 형태의 대상물과 같은 대상물이 이런 식으로 Al2O3 층에 직접 놓일 수 있고 이런 식으로 가열될 수 있다.
다른 바람직한 실시형태에 따르면, 교대로 놓인 저항 요소 (2) 와 베이스 판 (4, 5) 으로 적층물이 형성될 수 있고, 각 저항 요소 (2) 는 양측에 존재하는 주위의 베이스 판에 구속된다 (도 4 참조). 도 4 에서 도면부호 6 은 저항 요소를 전압원에 연결하기 위한 연결 유닛을 가리킨다.
도 4 에 나타낸 종류의 다층 구조에는 많은 층이 존재할 수 있으며, 그 개수는 특정 용도에 따라 다르다. 예컨대, 적층된 세라믹 회로의 부품은 예컨대 스크린 프린팅을 위한 Ti2AlC 의 페이스트의 준비 및 Al2O3 기판에 대한 압력에 의한 그 페이스트의 붙임을 통해 제조될 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 저항 요소 (2) 가 두 베이스 판 (3) 사이에 위치되어 2 이상의 구획으로 분리되고, 이 구획은 가해지는 전압에 대해 개별적으로 제어되도록 배치된다.
바람직한 실시형태에 따르면, 저항 요소 (2) 중 2 개 이상이 도 4 에서 점선으로 나타낸 도체 (7) 에 의해 서로 연결되는데, 이 도체는 베이스 판 (3 ∼ 5) 의 면에 수직하게 그 베이스 판을 관통하며, 또한 이 도체는 저항 재료에 의해 구성된다.
여러 실시형태를 이상에서 설명하였다. 그렇지만, 본 발명에 따른 가열 요소는 위에서 특정된 것과는 다른 구성으로 설계될 수 있으며, 위에서 설명한 방법과는 다른 방법에 의해 제조될 수도 있다. 예컨대, 저항 요소 및 전기절연 알루미늄 산화물은 "로드 (rod) 형" 및 "튜브형"으로 알려진 회로 디자인과 같이 평면 디자인과는 다른 구성으로 설계될 수 있다.
따라서, 본 발명은 첨부된 청구항의 범위 내에서 변형될 수 있으므로, 본 발명이 위에서 설명한 실시형태로 제한되는 것으로 생각해서는 안 된다.

Claims (11)

  1. 전도성 패턴으로서 형성된 저항 요소 (2) 를 갖는 가열 유닛 (1) 으로서, 저항 요소는 베이스 판과 같은 기판 (3) 에 구속되어 있고, 기판 상에 저항 요소가 연장되어 있으며, 저항 요소는 전기 전압의 영향 하에 위치되도록 배치되어 있는, 가열 유닛 (1) 에 있어서, 동일한 또는 본질적으로 동일한 열팽창 계수를 가지며, 저항 요소는 소결에 의해 기판에 구속되는 것을 특징으로 하는 가열 유닛 (1).
  2. 제 1 항에 있어서, 저항 요소 (2) 및 베이스 판 (3) 의 열팽창 계수가 서로 10 % 미만으로 상이한 것을 특징으로 하는 가열 유닛 (1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 저항 요소 (2) 및 베이스 판 (3) 의 열팽창 계수가 서로 5 % 미만으로 상이한 것을 특징으로 하는 가열 유닛 (1).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 저항 재료 (2) 는 Ti-Al-C 재료 또는 이 재료와 Nb 의 합금으로 이루어지고, 베이스 판 (3) 은 Al2O3 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가열 유닛 (1).
  5. 제 4 항에 있어서, 저항 재료 (2) 는 저항 재료 Ti2AlC 또는 이 재료와 Nb 의 합금, 즉 TixNb2-xAlC 로 이루어지고, 베이스 판 (3) 은 Al2O3 로 이루어지며, 여기서의 x 는 1.8 ∼ 2.0 인 것을 특징으로 하는 가열 유닛 (1).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 저항 요소 (2) 는 상기 베이스 판 (3) 의 반대측에서 다른 베이스 판 (4) 에 구속되는 것을 특징으로 하는 가열 유닛 (1).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 교대로 놓인 저항 요소 (2) 와 베이스 판 (3 ∼ 5) 으로 적층물이 형성되고, 각 저항 요소 (2) 는 저항 요소의 양측에 존재하는 베이스 판 (3 ∼ 5) 에 구속되는 것을 특징으로 하는 가열 유닛 (1).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 두 베이스 판 (3) 사이에 위치된 저항 요소 (2) 가 2 이상의 구획으로 분리되고, 이 구획은 가해지는 전압에 대해 개별적으로 제어되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가열 유닛 (1).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 저항 재료는 약 1,400 ∼ 1,500 ℃ 의 온도에서 베이스 판에 대한 저항 재료의 소결에 의해 베이스 판에 구속되는 것을 특징으로 하는 가열 유닛 (1).
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 저항 요소 (2) 중 2 개 이상이 베이스 판 (3 ∼ 5) 의 면에 수직하게 그 베이스 판을 관통하는 도체에 의해 서로 연결되고, 이 도체는 저항 재료에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 가열 유닛 (1).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 저항 재료 (2) 는 미리 결정된 소량의 Al2O3 와 소결 전에 혼합되는 것을 특징으로 하는 가열 유닛 (1).
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