KR20100090220A - 스트립 가열요소 - Google Patents

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KR20100090220A
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케빈 비. 펙
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엠알엘 인더스트리즈, 인크.
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Abstract

가열요소는 연속적인 평면상의 스트립과 복수의 장착부재들을 포함한다. 연속적인 스트립의 통로는 제1선단으로부터 제2선단까지 우회적이고 또 복수의 반복적인 사이클들을 포함하며, 각 반복적인 사이클은 복수의 제1 직선 세그먼트들과, 복수의 제2직선 세그먼트들 및 복수의 굴곡진 세그먼트들을 포함한다. 제1 직선 세그먼트의 길이는 제2 직선 세그먼트의 길이 보다 길고, 우회적인 통로의 단일 사이클의 각도 총합은 360도보다 크다. 가열요소는 예컨대, 반도체 처리설비를 위한 가열조립체에 통합될 수 있다.

Description

스트립 가열요소{Precision strip heating element}
본 발명은 가열요소들에 관한 것으로, 특히 열 팽창 및 수축을 유리하게 제공하는 직선 및 굴곡진 세그먼트들을 포함하는 우회통로를 갖는 반도체 처리로와 같은 노(furnace)를 위한 스트립 가열요소들에 관한 것이다.
후술하는 배경의 설명에서 특정한 구조들 및/또는 방법들이 참조된다. 그러나 후술하는 참조들은, 이러한 구조들 및/또는 방법들이 종래 기술을 구성한다는 것을 인정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 출원인은 그러한 구조들 및/또는 방법들이 종래 기술을 한정하지 않는 것으로 나타낼 권리를 명시적으로 보유한다.
종래의 가열요소들은, 일반적으로 다양한 디자인들 및 기하구조로 된 와이어(wire) 또는 박판 금속으로 형성된다. 그러나, 와이어 형태로된 요소들은 대체로 단열체와 같은 주변매체에 매립되거나 또는 반 정도 매립됨으로써 작동온도에 제한이 된다. 또한, 와이어 형태로된 요소들은 대체로 정밀하게 형성되지않고, 고도로 노동집약적이며, 급속한 가열 및 냉각이 이루어지는 중간정도의 표면 대 질량비율을 갖는다. 박판금속 형태의 가열요소들의 경우, 주로 정사각형 형태로 형성된 가열요소들은 비균일성을 갖는 한편, 연속적으로 굴곡진 형태를 갖는 가열요소들은 높은 응력을 생성하는바, 이들 양자의 효과들은 가열요소가 작동온도들에서 팽창할 때 더 나타난다.
작동온도들에서, 대체로 균일하게 열을 발산하면서도 응력이 없는 가열요소가 유리할 것이다. 그러한 가열요소는, 물품들의 처리를 개선하기 위한 노(furnace)내에 포함될 수 있다. 예컨대, 그러한 가열요소는 반도체 웨이퍼들을 처리하기 위한 반도체 처리로 내에 포함될 수 있다.
가열요소의 일 예는, 연속적인 평면상의 스트립을 포함하고, 연속적인 스트립의 통로는 제1선단으로부터 제2선단까지의 우회적(curcuitous)이고 또 복수의 반복적인 사이클(cycle)들을 포함하며, 각 반복적인 사이클은 복수의 제1 직선 세그먼트들과, 복수의 제2직선 세그먼트들 및 복수의 굴곡진 세그먼트들을 포함하고, 제1 직선 세그먼트의 길이는 제2 직선 세그먼트의 길이 보다 길며, 또 우회적인 통로의 단일 사이클의 각도 총합은 360도보다 크다.
가열조립체의 일 예는, 복수의 장착부재들에 의하여 단열기판에 이격되게 장착된 가열요소를 포함한다.
가열조립체의 예시적인 제조방법은, 저항합금으로 가열요소 몸체를 형성하되, 가열요소 몸체가 방열표면과 복수의 장착부재들을 갖는 연속적인 평면상 스트립을 포함하는 단계와, 연속적인 스트립에 대한 평면으로부터 복수의 장착부재들을 절곡하는 단계 및, 장착부재들 상의 통합된 스페이서(spacer)가 기판에 접촉할 때까지 복수의 장착부재들을 기판에 삽입하는 단계를 포함하고서, 연속적인 스트립의 통로는 제1선단으로부터 제2선단까지 우회적이고 또 복수의 반복 사이클들을 포함하고, 각 반복 사이클은 복수의 비평행(non-parallel) 제1직선 세그먼트들과, 복수의 제2직선 세그먼트들 및, 복수의 굴곡진 세그먼트들을 포함하며, 제1직선 세그먼트의 길이는 제2직선 세그먼트의 길이보다 크고, 우회적인 통로의 단일 사이클의 각도 총합은 360도보다 크다.
가열조립체의 다른 예시적인 제조방법은, 저항합금으로 가열요소 몸체를 형성하되, 가열요소 몸체가 방열표면을 갖는 연속적인 평면상 스트립을 포함하는 단계 및, 장착부재들과 연관된 스페이서가 기판에 접촉할 때까지 연속적인 스트립에 일체로 형성된 개구부를 통하여 복수의 장착부재들을 기판에 삽입하는 단계를 포함하고서, 연속적인 스트립의 통로는 제1선단으로부터 제2선단까지 우회적이고 또 복수의 반복 사이클 들을 포함하고, 각 반복 사이클은 복수의 비평행 제1직선 세그먼트들과, 복수의 제2직선 세그먼트들 및, 복수의 굴곡진 세그먼트들을 포함하며, 제1직선 세그먼트의 길이는 제2직선 세그먼트의 길이보다 크고, 우회적인 통로의 단일 사이클의 각도 총합은 360도보다 크다.
상술한 일반적인 기재와 후술하는 상세한 기재는 예시적인 것이고 설명적인 것이며, 또 특허청구된 발명의 추가적인 설명을 제공하도록 된 것임을 이해하여야 한다.
후술하는 상세한 기재는 첨부된 도면을 참조하여 이해될 수 있고, 도면에서 동일한 부품에는 동일한 참조번호가 붙여진다.
도 1은 가열요소의 예시적인 실시예에 대한 개략 평면도이다.
도 2는 가열요소의 다른 예시적인 실시예에 대한 개략 평면도이다.
도 3A와 3B는 가열요소의 예시적인 실시예에 대한 2개의 다른 분해사시도이다.
도 4A와 4B는 가열요소의 다른 예시적인 실시예에 대한 2개의 다른 분해사시도이다.
도 5A 내지 5C는 장착부재의 제1실시예를 포함하는 가열요소의 예시적인 실시예의 부분들을 나타내는 사시도이다.
도 6은 장착부재의 제2실시예를 포함하는 가열요소의 다른 예시적인 실시예의 부분들을 나타내는 사시도이다.
도 7A 내지 7D는 통합된 장착부재들과 별개 요소들인 장착부재들의 타입들의 조합을 갖는 가열요소의 여러 실시예들을 나타내는 평면도이다.
도 8은 통합된 장착부재들과 별개 요소들인 장착부재들의 타입들의 조합을 갖는 가열조립체의 예시적인 실시예들을 나타내는 분해사시도이다.
도 9A와 9B는 장착부재의 제1실시예(도 9A)와 장착부재의 제2실시예(9B)를 갖춘 도 1에 대체로 도시된 가열요소의 예시적인 실시예에 대하여 만들어진 온도분포를 나타낸다.
도 10은 도 2에 대체로 도시된 가열요소의 예시적인 실시예에 대하여 만들어진 온도분포를 나타낸다.
도 11은 종래기술의 가열요소에 대하여 만들어진 온도분포를 나타낸다.
도 12A와 12B는 복수의 가열요소들을 갖는 가열조립체의 예시적인 실시예의 2개의 다른 사시도들이다.
도 13A 내지 13E는 가열요소 설치 예들을 나타낸다.
가열요소(10)의 예시적인 실시예는, 연속적인 평면상 스트립(12)과 복수의 장착부재(14)들을 포함한다. 연속적인 스트립(12)의 통로는 제1선단(16)으로부터 제1선단(18)까지 우회적이고 복수의 반복적인 사이클(20)들을 포함한다. 각 반복적인 사이클(20)은 복수의 비평행 제1 직선 세그먼트(22)들과, 복수의 제2직선 세그먼트(24)들 및 복수의 굴곡진 세그먼트(26)들을 포함한다. 우회적인 통로의 단일 사이클의 각도 총합은 360도보다 크다.
가열요소(10)는, 제1평면에서 대체로 연장하고 포함되는 방열표면(30)을 갖는다. 이러한 제1평면 내에서 복수의 제1 직선 세그먼트(22)들은, 가열요소(10)의 제1선단(34)으로부터 제2선단(36)으로 지향된 축(32)에 대체로 측방향으로, 예컨대 축(32)에 수직하여 ± 15도 이내에서 위치된다. 복수의 제2 직선 세그먼트(24)들은, 축(32)에 길이 방향으로, 예컨대 축(32)에 평행하여 ± 15도 이내에서 위치된다. 예시적인 실시예에서, 어느 2개의 연속하는 제1 직선 세그먼트들은 대체로(± 15도 이내, 변형예로 ± 5도 이내에서)비평행이고, 어느 2개의 연속하는 제2 직선 세그먼트들은 대체로(± 15도 이내, 변형예로 ± 5도 이내에서)평행하다. 변형예로서, 어느 2개의 연속하는 제1 직선 세그먼트들은 엄밀히 비평행이고 및/또는 어느 2개의 연속하는 제2 직선 세그먼트들은 엄밀히 평행하다. 축(32)은 통상적으로 X-축 방향에 위치된다.
예시적인 실시예에서, 우회적인 통로의 단일 사이클(20)은 2개의 제1 직선 세그먼트(22)들과, 2개의 제2직선 세그먼트(24)들 및, 4개의 굴곡진 세그먼트(26)들을 포함한다. 단일 사이클(20)은 2개의 둥근 돌출부(lobe: 38)들을 포함한다. 각 돌출부(38)는 2개의 굴곡진 세그먼트(26)들과 1개의 제2직선 세그먼트(24)를 포함한다. 1개의 제2직선 세그먼트(24)는 2개의 굴곡진 세그먼트(26)들을 분리한다.
굴곡진 세그먼트(26)들들은 임의의 적합한 형태를 취할 수 있다. 도 1은 가열요소(10)의 예시적인 실시예에 대한 개략 평면도이다. 도 1에 도시된 예시적인 실시예에서 사이클(20)들은, 제1 직선 세그먼트(22)를 갖는 굴곡진 세그먼트(26)의 경계면(42)으로부터 제2 직선 세그먼트(24)를 갖는 굴곡진 세그먼트(26)의 경계면(42)까지 연속하여 굽혀진 굴곡진 세그먼트(26)를 갖는다. 이러한 형태에서, 사이클(20)은, 포지티브 부분(중심선에서 축(32)에 대하여 양의 y-방향)과 네거티브 부분(중심선에서 축(32)에 대하여 음의 y-방향)을 갖는 의사 사인곡선(pseudo- sinusoidal) 형태이다.
도 2는 가열요소의 다른 예시적인 실시예에 대한 개략 평면도이다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서 사이클(20)들은, 제1 직선 세그먼트(22)를 갖는 굴곡진 세그먼트(26)의 경계면(40)으로부터 제2 직선 세그먼트(24)를 갖는 굴곡진 세그먼트(26)의 경계면(42)까지 연속하여 굽혀진 굴곡진 부분들과 직선 부분들 양쪽을 포함하는 굴곡진 세그먼트(26)를 갖는다. 이러한 형태에서, 사이클(20)은, 포지티브 부분과 네거티브 부분을 갖고서, 정사각형 기하구조에 근접하는 둥근 돌출부(38)들에서 통로방향에 변화를 가지며, 축(32)에 대하여 의사 정사각형 (pseudo-square)형태이다.
가열요소(10)의 의사 사인곡선과 의사 정사각형 형태에서 굴곡진 세그먼트(26)들은, 내경(r1) 과 외경(R2)를 갖는다. 각 굴곡진 세그먼트(26)는, 굴곡진 세그먼트(26)의 길이(Lr)에 걸쳐 우회적인 통로 방향에서 각도변화를 나타내는 관련된 각도(α)를 갖는다. 개별적인 굴곡진 세그먼트(26)에 대하여, 굴곡진 세그먼트들의 예시적인 실시예들은 90도와 135도, 즉 90°< α < 135°인 각도(α)를 가지며, 변형예로서 90°< α < 100°인 각도를 갖는다.
예시적인 실시예들에서, 하나의 둥근 돌출부(38)의 각도(α)들의 각도 총합(β)은 180도보다 크고, 바람직하기에는 180도 내지 200도 보다 크며, 더욱 바람직하기에는 185도 내지 190도 이다. 예컨대, 둥근 돌출부(38)의 각도 총합(β)은,
β = ∑ αn
으로 나타낼 수 있고, 여기서, n은 둥근 돌출부에서 굴곡진 세그먼트들의 갯 수이다.
각 사이클이 2개의 둥근 돌출부를 포함하고, 우회적인 통로의 단일 사이클과 관련된 각도(α)들의 각도 총합이 360도보다 크고, 바람직하기에는 360도 내지 400도 보다 크며, 더욱 바람직하기에는 370도 내지 380도 이다.
180도보다 큰 각도 총합(β)은, 비평행인 둥근 돌출부에 인접하여 2개의 제1 직선 세그먼트(22)를 형성한다. 이러한 비평행 관계가 도 1 및 2에 도시된다. 둥근 돌출부(38)의 내부표면을 향하여, 둥근 돌출부(38)에 인접한 2개의 제1 직선 세그먼트(22)들은 거리(D1)에 의하여 분리되는바, 이 거리(D1)는 연속적인 포지티브 및 네거티브 부분들에서 둥근 돌출부(38)사이의 개구부(46)의 입구(44)근처의 동일한 2개의 제1 직선 세그먼트(22)들을 분리하는 거리(D2)보다 더 크다. D1은 제1 직선 세그먼트(22)들의 제1 선단에서 측정되고, D2는 제1 직선 세그먼트(22)들의 제2 선단에서 측정된다.
가열요소(10)의 우회적인 통로는, 평면상 가열요소(10)의 중심선에 위치된 선(50)으로 이상화될 수 있다. 도 1과 2는 도시된 실시예에서 선(50)의 위치를 나타낸다. 이 선(50)은 우회적인 통로의 거리를 측정하는데 사용될 뿐만 아니라, 굴곡진 세그먼트(26)들의 각도(α)와, 제1 직선 세그먼트(22)들의 길이(L1), 제2 직선 세그먼트(24)들의 길이(L2) 및 굴곡진 세그먼트(26)들의 길이(Lr)을 측정하는데 사용된다. 제1 직선 세그먼트(22)의 길이(L1)는 제2 직선 세그먼트(24)의 길이(L2)보다 크다.
방열기의 전력분산의 균일성이, 균일한 단면 및 표면적을 갖는 동질의 도체에 대하여 더 높다는 것을 당업자에게는 이해될 수 있다. 따라서, 굴곡진 세그먼트들의 길이에 대한 직선 세그먼트들의 길이의 비율을 최대화하는 것이 바람직하다. 후술하는 관계가 높은 균일성과 높은 충전요소(방열기표면 전력에 대한 기판표면 전력의 비율)를 갖는 결과를 가져오고, 또 방열기에서 응력도 최소화한다는 것이 실험적으로 결정되어 있다. 게다가, 이러한 관계는 가열요소의 천이조건 및 사용수명에 걸쳐 팽창을 수용하고 제어한다.
예시적인 실시예에서, 단일 사이클에서 제1 직선 세그먼트(22)들의 길이와, 제2 직선 세그먼트(24)들의 길이 및 굴곡진 세그먼트(26)들의 길이는 다음과 같은 관계를 만족한다.
Figure pat00001
여기서, L1,A는 첫번째 제1 직선 세그먼트(22)의 길이(L1)이고, L1,B는 두번째 제1 직선 세그먼트(22)의 길이(L1)이며, L2,A는 첫번째 제2 직선 세그먼트(24)의 길이(L2)이고, L2,B는두번째 제2 직선 세그먼트(24)의 길이(L2)이며, Lr,a은 제1 굴곡진 세그먼트(26)의 길이(Lr)이고, Lr,b는 제2 굴곡진 세그먼트(26)의 길이(Lr)이다. 변형예로서, 상기의 관계는 2.2보다 크고, 또한 2.2보다 크고 10.0보다 작거나 또는 5.0보다 작다. 이러한 관계는 굴곡진 세그먼트들의 길이에 대한 직선 세그먼트들의 길이의 비율을 나타낸다. 균일한 폭의 방열표면에 대하여, 이는 또한 굴곡진 세그먼트들에 대한 직선 세그먼트들의 표면적의 비율이다. 적합한 폭의 일예는 8mm이다. 길이는 방열기 통로의 중심, 즉 선(50)을 따라 측정된다.
도 3A-B 와 도 4A-B 는 가열조립체의 2개의 예시적인 실시예들의 2개의 다른 분해 사시도를 개략적으로 나타낸다. 가열조립체(100)는 가열요소(10)와 단열체(102)를 포함한다. 단열체(102)는 임의의 적합한 단열체일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 단열체(102)는 알루미나 표면층(106)을 갖는 단열기판(104)을 포함한다. 다른 적합한 단열체(102)는 단열재료, 바람직하기에는 세라믹섬유 복합재로부터 형성되면서 알루미나 대향층(facing layer)과 혼련된 세라믹섬유 지지층(backing layer)을 갖는 기판을 포함한다. 가열요소(10)는, 예컨대 도 1과 2의 어느 하나에서와 같이, 여기에 개시되고 기술된 가열요소(10)와 대체로 일치하는 임의의 적합한 가열요소일 수 있다. 도 3A-B 와 도 4A-B 및 도 8에 도시된 바와 같이, 가열요소는 도 1에 도시된 바와 같이 의사 사인곡선 형태이다.
가열요소(10)는, 복수의 장착부재(14)들을 포함한다. 장착부재(14)들은, 우회적인 통로를 따라 복수의 지점에서 연속적인 스트립(12)의 원주(60)로부터 연장한다. 장착부재들은 임의의 적합한 지점에 위치될 수 있다. 일 실시예 및 도1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 장착부재(14)들은 통로의 최대 측방향 위치에 인접한 통로의 내부엣지 상에, 즉 둥근 돌출부(38)들의 포지티브 및/또는 네거티브 부분들의 최대위치에 또는 인접하여 위치한다. 변형예로서, 장착부재(14)들은 통로의 최대 측방향 위치에 인접한 통로의 외부엣지 상에, 즉 둥근 돌출부(38)들의 포지티브 및/또는 네거티브 부분들의 최대위치에 또는 인접하여 위치한다. 또 다른 변형예에서, 장착부재(14)들은 연속적인 스트립의 교번하는 원주 엣지 상에, 바람직하기에는 통로의 최대 측방향 위치에 인접하여, 즉 둥근 돌출부(38)들의 포지티브 및/또는 네거티브 부분들의 최대위치에 또는 인접하여 위치한다.
도 3A 와 도 3B, 도 5A 내지 5에 도시된 바와 같이, 복수의 장착부재(14)들은 연속적인 스트립(12)과 일체로 형성될 수 있고, 연속적인 스트립(12)의 원주(60)로부터 대체로 제2평면으로 연장한다.
제1실시예에서, 장착부재(14)들은 기초 선단(62)과 말단(64)을 포함하고, 기초 선단(62)에 통합된 스페이서(66)를 갖는다. 통합된 스페이서(66)가 기초 선단(62)으로부터 연장하는 길이는, 가열요소(10)가 기판(104)에 장착될 때 연속적인 스트립(12)에 대한 이격거리(stand-off distance)를 한정한다. 통합된 스페이서(66)가 단열체(102)내부로 매립되지 않도록 하기 위하여 와셔(68) 또는 다른 평면이 선택적으로 포함될 수 있다. 도 5A는 연속적인 스트립(12)의 평면으로부터 대체로 90도 각도로 연장하는 일체형성된 장착부재(14)를 도시한다. 도 5B에서, 장착부재(14)상에는 와셔(68)가 위치되어, 스페이서(66)가 단열체(102)내부로 매립되는 것을 방지하는 기능을 한다. 도 5C는 스페이서(66)와 와셔(68)가 단열체(102)의 표면과 접촉하여 이격거리(Do)를 형성할 때까지, 단열체(102)를 관통하는 말단(64)을 갖춘 완전히 조립된 가열조립체(100)의 일부분을 도시한다. 통합된 장착수단은, 형태의 측방향 치수에 대하여 대체로 평평한 형태로 유리하게 설치된다.
도 4A와 도 4B 및 도 6에 도시된 바와같이, 복수의 장착부재(14)들은, 연속적인 스트립(12)에 일체로 형성된 개구부(70)와, 핀(72)과 스페이서(74)를 포함하는 연장조립체를 포함하는 별개의 요소들일 수 있다. 연속적인 스트립(12)을 단열체(102)에 장착하려면, 핀(72)이 대체로 제2평면으로 연장하도록 개구부(70) 내에 작동적으로 위치된다. 핀(72)은 또한 스페이서(74)를 제 위치에 고정하고, 이는 가열요소(10)와 단열체(102)사이에 이격거리를 제공하게 된다. 지지 및/또는 고정을 위하여 단열체(102)의 반대 쪽에 또 다른 와셔(76)가 선택적으로 위치될 수 있다. 장착부재(14)들이 별개의 요소들인 경우, 장착부재(14)들은 통합적인 세라믹, 금속 및/또는 복합재 구조들일 수 있다. 적합한 스페이서의 다른 예는, 가열요소와 기판 사이의 원하는 이격거리와 동일한 일정길이의 튜브이다. 별개의 요소들을 갖는 장착부재들은, 형태의 측방향 치수에 대하여 대체로 굴곡진 형태로 유리하게 설치된다.
여기에 사용된 바와 같이, 제2평면은, 방열표면(30)이 대체로 연장하고 수용되는 제1평면과는 다르다. 예로서, 제1평면은 XY평면과 대체로 일치하여 위치되고, 제2평면은 3차원 직교죄표계의 오른쪽인 YZ평면 또는 XZ평면과 대체로 일치한다.
추가적인 예시적인 실시예에서, 도 1에 도시된 장착부재(14)들과 같은 통합된 장착부재들과, 도 4A와 4B에 도시된 장착부재(14)들과 같은 별개 요소인 장착부재들의 조합은, 동일한 가열요소(10)상에 사용될 수 있다. 그러한 경우, 통합된 장착부재들은 가열요소를 제 위치에 지지하는 데 사용될 수 있고, 반면에 별개 요소인 장착부재들은 일단 가열요소가 단열체에 설치되면 추가 될 수 있다. 통합된 장착부재들과 별개 요소인 장착부재들의 조합은 평평하지 않은 설비에 유리할 수 있다.
도 7A 내지 도 7D는 통합된 장착부재들과 별개 요소인 장착부재들의 조합 타입을 갖는 가열요소의 몇몇 실시예들을 평면도로 도시한다. 도 7A 내지 도 7D는, 설치하기 위하여 그러한 부재들을 굽히기 전의 장착부재들을 나타낸다. 그리하여, 도 7A에서, 통합된 장착부재(14)는 둥근 돌출부의 외부 원주엣지로부터 연장하고; 도 7B에서, 통합된 장착부재(14)는 제1 직선 세그먼트의 외부 원주엣지로부터 연장하며; 도 7C에서, 통합된 장착부재(14)는 제2 직선 세그먼트의 외부 원주엣지로부터 연장하고; 도 7D에서, 통합된 장착부재(14)는 제2 직선 세그먼트의 내부 원주엣지로부터 연장한다. 도 7A 내지 도 7D는 또한 통합된 장착부재들의 위치 변화들을 나타낸다. 그래서, 도 7A 와 도 7B에서, 통합된 장착부재(14)는 가열요소의 축(32)에 대체로 평행하게 위치되고, 도 7C 와 도 7D에서, 통합된 장착부재(14)는 가열요소의 축(32)에 대체로 수직하게 위치된다.
도 8은, 예컨대 도 7A 내지 도 7D의 가열요소(10)들 중의 하나에 도시되고 기술된 바와 같은 통합된 장착부재들과 별개 요소인 장착부재들의 조합 타입을 갖는 가열조립체(100)의 다른 예시적인 실시예에 대한 분해 사시도이다.
가열요소(10)는, 가열요소(10)의 제1선단(34) 또는 제2선단(36)에 전력단자(110)를 포함한다. 변형 실시예에서, 전력단자들은 제1선단 또는 제2선단과는 다른 위치들에 위치된다. 전력단자는, 전기회로, 예컨대 반도체 처리로에 연결된다. 도 3, 도4 및 도 6은, 예컨대 적합한 전력단자(110)의 예들을 도시한다. 가열요소는 그를 통하여 전류를 유도함으로써 가열된다. 개시된 실시예에서, 전류는 직접 결합된 교류 전력원으로부터 도입되지만 직접 결합된 직류 및 유도적으로 결합된 전력원과 같은 다른 방법 및 전력원이 채용될 수 있다.
가열요소(10)는 임의의 적합한 재료로부터 만들어질 수 있다. 예컨대, 예시적인 실시예에서, 가열요소(10)는 저항합금, 바람직하기에는 철-크롬-알루미늄 합금으로 형성된다. 다른 적합한 저항합금들은, 니켈-크롬 또는 예컨대, 몰리브덴 디실리사이드(molybdenum disilicide) 실리콘 카바이드(silicon carbide)와 같은 세라믹 합금을 포함한다. 저항합금은, 예컨대 시이트상 재료로부터 가열요소 몸체를 절단하거나, 가열요소 몸체를 주조하거나, 가열요소 몸체를 절삭가공하거나, 가열요소 몸체를 압착, 천공 또는 제관하거나, 또는 이러한 방법들의 조합에 의하여 가열요소 몸체로 형성될 수 있다.
개시된 가열요소와 가열조립체의 실시예들은, 단독 또는 조합하여 몇가지 이점을 제공한다. 예컨대, 의사 사인곡선 및 의사 정사각형 형태들은, 높은 균일한 표면온도들을 제공하는 대체로 균일한 폭을 갖는 직선 세그먼트들의 상당부분을 포함한다. 도 9A와 도 9B 및 도 10은 의사 사인곡선 형태들(도 9A와 9B)과 의사 정사각형 형태들(도 10)에 대한 온도 프로파일(profile)을 나타낸다. 도 9A의 실시예와 도 9B의 실시예 사이의 다른 장착부재들을 주목할 필요가 있다. 비교하기 위하여, 주로 굴곡진 세그먼트들로 구성된 종래 디자인에 대한 온도 프로파일이 11에 도시된다. 모든 온도 프로파일들은 다음과 같은 변수, 즉 전류 100 A와 노 온도 1000°C를 사용하여 온도프로파일 모델로부터 얻어진 것이다.
의사 사인곡선 형태에서, 방열표면을 따른 최고온도 및 최저온도의 차이 (ΔT)는 약 8°C (도 9A)와 약 7°C(도 9B)이다. 온도편차는 ΔT/Tmax로 표시될 수 있고, 도 9A에 대하여는 0.79%이고 도 9B에 대하여는 0.69%이다. 도 10에 도시된 정사각형 형태에 대한 동일한 변수값들은 ΔT가 33°C 이고 ΔT/Tmax가 3.09%이다. 이에 반하여, 굴곡진 세그먼트들로 구성된 종래 디자인(도 11)에 대한 이러한 변수값들은 ΔT가 21°C 이고 ΔT/Tmax가 2%이다. 이러한 숫자들로부터 볼 수 있듯이, 온도는 의사 사인곡선형태(도 9A와 도 9B)에 대하여 가장 균일하다. 의사 정사각형 형태(도 10)의 온도 균일성이 주로 굴곡진 세그먼트들로 구성된 종래 디자인(도 11)의 것보다 적지만, 보다 열팽창을 잘 수용하기 때문에 종래 디자인보다 여전히 유리하다.
여기에 개시된 가열요소들은 반도체들을 처리하기 위한 노(furnace)와 같은 노에 통합될 수 있다. 그러한 적용에서, 다중 가열요소들은 열(array) 또는 띠(zone)로 위치되고 온도제어회로에 의하여 가열동작이 제어된다. 도 12A와 도 12B는, 열 또는 띠로 정렬된 복수의 가열요소들을 갖는 가열조립체의 예시적인 실시예에 대한 2개의 다른 사시도를 도시한다.
도 13A 내지 도 13E는 가열요소 설치의 예를 도시한다. 도 13A는 원주방향으로 엇갈리게 배열된 가열요소(10)들 - 즉, 가열요소의 축이 원통의 축에 평행하지 않음 - 을 갖는 예시적인 원통형상 설비(200)를 도시한다. 엇갈린 가열요소(10)들은, 위치(202)에서와 같이 가열요소들의 선단들이 보이는 곳에서 보다 명확하게 보여진다. 엇갈린 구성은, 가열표면을 가로질러 가열조립체 내에서 단자선단의 위치를 배분함으로써, 가열요소의 단자 선단에서 방열표면의 공극에 의해 야기된 비균일성을 최소화하는데 기여한다. 엇갈린 구성의 크기는 적용예 및 원하는 결과에 따라 더 작거나 더 클 수 있다. 또한, 2개 이상의 반원형상 세그먼트들을 사용하는 것에 대항하여, 단일 가열요소가 원주 주위를 한번 이상 감겨지도록 사용될 수 있다. 도 13B는 원주방향으로 엇갈리지않게 배열된 가열요소(10)들 - 즉, 가열요소의 축이 원통의 축에 평행하지 않음 - 을 갖는 다른 예시적인 원통형상 설비(204)를 도시한다. 도 13C는 축방향으로 배열된 가열요소(10)들 - 즉, 가열요소의 축이 원통의 축에 평행함 - 을 갖는 예시적인 반원통형상 설비(206)를 도시한다. 도 13D는 원주방향으로 배열된 가열요소(10)들 - 즉, 가열요소의 축이 원통의 축에 평행하지 않음 - 을 갖는 예시적인 반원통형상 설비(208)를 도시한다. 도 13E는 다른 방향들로 지향된 인접하는 평면상 섹션(212a, 212b, 212c)들 상에 가열요소(10)를 갖는 예시적인 평면상-각도를 가진 설비(210)를 도시한다. 제1평면상 섹션(212a)에서 가열요소(10)들의 축들은, 제2평면상 섹션(212b)에서 가열요소(10)들의 축들에 대하여 비평행이고, 변형예에서는 수직이다. 평면상-각도를 가진 설비(210)는 예컨대, 거의 원통 및 반원통형상 설비에 사용될 수 있다. 이러한 설비들은 단지 설명적이고, 원하는 가열 및 온도 프로파일을 얻는 임의의 설비배열이 사용될 수 있다.
굴곡진 세그먼트들의 반경들은 온도 균일성을 최대화하고 응력을 최소화하도록 크기가 정해진다. 내경들은 주로 굴곡진 섹션들로 구성된 종래 디자인들에 비하여 특히 낮은 응력을 갖는다. 또한, 표면온도의 균일성은, 코너부들에 반경이 약간있거나 또는 없는 정사각형 형태들로 구성된 종래 디자인들에 대하여 보다 향상된다.
여기에 개시된 가열요소들은, 충전요소(fill factor)로서 또한 알려진 높은 표면 부하요소(surface loading factor)를 갖는다. 여기서, 의사 정사각형 및 의사 사인곡선 가열요소들은, 주로 굴곡진 섹션들로 구성된 종래 디자인들 보다 더 많은 방열표면을 갖는다. 이것은, 적어도 부분적으로, 단일 사이크의 각도 총합이 360도보다 크기 때문이다. 이는 비평행 관계인 제1직선 세그먼트들을 평행한 세그먼트들보다 더 긴 길이로 만들게 하고, 따라서 더 많은 방열표면을 갖는다. 또한 거리 D2는 최소화되고, 반면에 거리 D1은 제1 직선세그먼트(22)의 길이(L2)를 수용하도록 변화된다. 이는 둥근 돌출부(38)에서 온도 균일성을 증가시키고 응력을 저하시키는 한편 높은 충전요소에 기여한다. 전체 활성영역의 전형적인 표면부하의 예는 방열기 부하의 약 145%이다.
여기에 개시된 가열요소들은 열팽창 효과들을 제어하는데 기여한다. 가열요소를 형성하는 재료들은, 재료의 열팽창계수에 비례하여 가열함에따라 팽창한다. 이러한 팽창은 가열요소를 휘거나 굽혀지게 만들고, 피가열체에 대하여 가변적인 위치를 갖는 방열기 표면을 만든다. (따라서, 온도 프로파일을 더욱 비균일하게 만든다) 극한 상황들에서, 가열요소의 휘어짐 및 굽혀짐은 회로가 단락되게 할 수있다. 여기서 개시된 가열요소들은, 열팽창 효과를 제어하고 최소화한다. 예컨대, 제1 직선세그먼트들의 비평행 위치는 측방향에서 열팽창 부분을 길이 방향으로 안내하고, 이에따라 피가열체에 대한 위치와 보다 균일한 온도 프로파일을 유지한다. 다른 예에서, 형태의 엣지들은,열팽창을 단열 기판으로 향하도록 안내하여 가열요소를, 추가적인 회로들과 같은 인접한 물체들에 회로단락의 발생가능성이 적으면서도 더 가깝게 위치되도록 측방향 축을 따라 휘어지거나 굽혀질 수 있다.
이격거리를 갖는 장착수단의 사용은 또한 성능향상에 기여한다. 우회적인 통로의 길이를 따른 교번하는 지지위치들은, 가열요소의 열팽창이 지지부들 사이에서 가열요소의 단순한 평면이동이 아니라 비틀림 또는 회전 모멘트로 이루어지는 것을 허용한다.
여기에서 개시된 가열요소들은 자유로이 방열한다. 즉, 장착부재들은 단열기판에 대하여 가열요소에 대한 이격거리를 제공한다. 이러한 구성은, 예컨대 가열요소에 표면접촉하는 기판을 가열하기 위하여 보충할 추가적인 전기에너지를 사용하지 않고 모든 면으로부터 균일하게 열이 방출되는 것을 허용한다. 그리하여 자유로이 방열하는 가열요소는 방열기의 작동온도를 낮춘다. 게다가, 그러한 가열요소는, 종래 가열요소들과 같은 동일한 기판 전력밀도에서 보다 긴 수명을 갖거나, 또는 변형예로서 비교적 수명기간동안 보다 높은 전력밀도에서 동작할 수 있다.
개시된 실시예들은 작은 질량 및 넓은 표면적을 조합한 고성능 가열요소를 만든다. 개시된 형태들은 제조 및 조립공정에서 고도의 자동화를 가능하게 하고 또한 균일한 가열 및 안정된 성능을 낳는 정밀한 기하구조를 가능하게 한다.
가열요소에 몇몇 변경이 가해질 수 있다. 예컨대, 가열요소는 약 0.5mm 내지 10mm로 변하는 다른 두께를 가질 수 있다. 또한, 가열요소는 직선 세그먼트들의 폭에 기초하여, 약 5mm 또는 그 이상으로 변하는 다른 폭을 가질 수 있다. 이러한 폭 및 두께의 변경은, 기하구조의 기본적인 특성들, 예컨대 비평행 제1 직선세그먼트들과 대체로 곧은 전체 형태가 유지되는한 적합하게 통합될 수 있다.
도면들이 구조상 대체로 평면인 실시예들을 개시하지만, 개시된 기하구조들이 원통 또는 반원통과 같은 굴곡진 표면들을 갖는 조립체들에 적용될 수 있음을 당업자라면 이해될 수 있다. 별개의 장착수단을 통합하는 변경은, 특히 방열기가 굴곡진 표면에 일치하도록 적절히 형성된 다음, 별개의 장착수단에 의하여 제위치에 고정되도록 허용함으로써 그러한 구성이 가능하게 한다. 굴곡진 표면 구성은, 또한 방열기 세그먼트들이 굴곡진 표면의 축방향 길이를 따라 연장하도록 배열함으로써, 또는 원하는 굴곡진 기하구조를 일련의 평면상 패널들에 근접시킴으로써 구성될 수 있다.
바람직한 실시예들과 연관하여 기술하였지만, 첨부된 청구범위에 한정된 바와 같은 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 특별히 기재되지않은 추가, 삭제, 수정 및 대체가 이루어질 수 있음이 당업자에게는 이해될 것이다.

Claims (25)

  1. 연속적인 평면상의 스트립을 포함하고,
    연속적인 스트립의 통로는 제1선단으로부터 제2선단까지 우회적이고 또 복수의 반복적인 사이클들을 포함하며, 각 반복적인 사이클은 복수의 제1 직선 세그먼트들과, 복수의 제2직선 세그먼트들 및 복수의 굴곡진 세그먼트들을 포함하고,
    제1 직선 세그먼트의 길이는 제2 직선 세그먼트의 길이 보다 길며, 그리고
    우회적인 통로의 단일 사이클의 각도 총합은 360도보다 큰 가열요소.
  2. 제1항에 있어서, 복수의 제1 직선 세그먼트들은, 제2그룹에 비평행인 제1그룹을 포함하는 것을 특징으로 하는 가열요소.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 제1 직선 세그먼트들은 가열요소의 제1선단으로부터 가열요소의 제2선단으로 지향된 축에 측방향으로 위치되고, 복수의 제2 직선 세그먼트들은 축에 길이방향으로 위치된 것을 특징으로 하는 가열요소.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 제2 직선 세그먼트들은 가열요소의 제1선단으로부터 가열요소의 제2선단으로 지향된 축에 길이방향으로 위치되고, 2개의 연속하는 제2 직선 세그먼트들은 평행인 것을 특징으로 하는 가열요소.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2개의 굴곡진 세그먼트들과 1개의 제2직선 세그먼트는 둥근 돌출부를 형성하고, 단일 사이클은 2개의 둥근 돌출부를 가지며, 1개의 제2직선 세그먼트는 2개의 굴곡진 세그먼트들을 분리하는 것을 특징으로 하는 가열요소.
  6. 제5항에 있어서, 하나의 둥근 돌출부의 각도 총합은 180도보다 크고, 바람직하기에는 180도 내지 200도 보다 크며, 더욱 바람직하기에는 185도 내지 190도 인 것을 특징으로 하는 가열요소.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 굴곡진 세그먼트들의 각도는 90도와 135도 사이, 바람직 하기에는 90도와 100도 사이인 것을 특징으로 하는 가열요소.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단일 사이클에서 2개의 굴곡진 세그먼트들의 길이의 합에 대한 2개의 제1 직선 세그먼트와 1개의 제2 직선 세그먼트의 길이의 합의 비율은, 2.0 보다 크고, 바람직하기에는 2.2보다 큰 것을 특징으로 하는 가열요소.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 장착부재들을 포함하고, 복수의 장착부재들이 우회적인 통로를 따라 복수의 지점들에서 연속적인 스트립의 원주로부터 연장하는 것을 특징으로 하는 가열요소.
  10. 제9항에 있어서, 우회적인 통로는 사인곡선 형태이고, 상기 복수의 지점들은 사인곡선 형태 통로의 최대 측방향 위치에 근접하여 사인곡선 형태 통로의 내부 엣지상에 위치하는 것을 특징으로 하는 가열요소.
  11. 제9항에 있어서, 우회적인 통로는 사인곡선 형태이고, 상기 복수의 지점들은 사인곡선 형태 통로의 최대 측방향 위치에 근접하여 사인곡선 형태 통로의 외부 엣지상에 위치하는 것을 특징으로 하는 가열요소.
  12. 제9항에 있어서, 복수의 장착부재들의 연속적인 지점들은 연속적인 스트립의 교번하는 원주 엣지상에 위치하는 것을 특징으로 하는 가열요소.
  13. 제9항에 있어서, 연속적인 평면상 스트립의 방열표면은 제1평면에서 연장하고, 복수의 장착부재들은 연속적인 스트립과 일체로 형성되고 또 연속적인 스트립의 원주로부터 제1평면과는 다른 제2평면에서 연장하는 것을 특징으로 하는 가열요소.
  14. 제13항에 있어서, 장착부재들은 기초 선단과 말단을 포함하고, 기초 선단에 통합된 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 가열요소.
  15. 제14항에 있어서, 통합된 스페이서가 기초 선단으로부터 연장하는 길이는, 가열요소가 기판에 장착될 때 가열요소에 대한 이격거리를 한정하는 것을 특징으로 하는 가열요소.
  16. 제9항에 있어서, 연속적인 평면상 스트립의 방열표면은 제1평면에서 연장하고 포함되며, 복수의 장착부재들은 연속적인 스트립에 일체로 형성된 개구부와, 핀과 스페이서를 포함하는 연장조립체를 포함하며, 핀은 제2평면에서 연장하도록 개구부 내에 작동적으로 위치되는 것을 특징으로 하는 가열요소.
  17. 제3항에 있어서, 우회적인 통로는 축에 대하여 의사 정사각형 형태인 것을 특징으로 하는 가열요소.
  18. 제3항에 있어서, 우회적인 통로는 축에 대하여 의사 사인곡선 형태인 것을 특징으로 하는 가열요소.
  19. 제1항에 있어서, 가열요소는 저항합금, 바람직하기에는 철-크롬-알루미늄 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 가열요소.
  20. 제1항에 있어서, 가열요소의 제1선단 또는 제2선단에 전력단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가열요소.
  21. 단열 기판과;
    청구항 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 가열요소를 포함하고서, 가열요소가 복수의 장착부재들에 의하여 단열 기판에 대하여 이격되게 장착된 가열조립체.
  22. 제21항에 있어서, 단열 기판은 단열재료, 바람직하기에는 알루미나 대향층과 혼련된 세라믹섬유 지지층을 갖는 세라믹섬유 복합재로부터 형성된 것을 특징으로 하는 가열조립체
  23. 저항합금으로 가열요소 몸체를 형성하되, 가열요소 몸체가 방열표면과 복수의 장착부재들을 갖는 연속적인 평면상 스트립을 포함하는 단계와;
    연속적인 스트립에 대한 평면으로부터 복수의 장착부재들을 절곡하는 단계 및;
    장착부재들 상의 통합된 스페이서가 기판에 접촉할 때까지 복수의 장착부재들을 기판에 삽입하는 단계를 포함하고서,
    연속적인 스트립의 통로는 제1선단으로부터 제2선단까지 우회적이고 또 복수의 반복 사이클 들을 포함하고, 각 반복 사이클은 복수의 비평행(non-parallel) 제1직선 세그먼트들과, 복수의 제2직선 세그먼트들 및 복수의 굴곡진 세그먼트들을 포함하며,
    제1직선 세그먼트의 길이는 제2직선 세그먼트의 길이보다 크고,
    우회적인 통로의 단일 사이클의 각도 총합은 360도보다 큰 가열조립체의 제조방법.
  24. 저항합금으로 가열요소 몸체를 형성하되, 가열요소 몸체가 방열표면을 갖는 연속적인 평면상 스트립을 포함하는 단계; 및
    장착부재들과 연관된 스페이서가 기판에 접촉할 때까지 연속적인 스트립에 일체로 형성된 개구부를 통하여 복수의 장착부재들을 기판에 삽입하는 단계를 포함하고서,
    연속적인 스트립의 통로는 제1선단으로부터 제2선단까지 우회적이고 또 복수의 반복 사이클 들을 포함하고, 각 반복 사이클은 복수의 비평행 제1직선 세그먼트들과, 복수의 제2직선 세그먼트들 및 복수의 굴곡진 세그먼트들을 포함하며,
    제1직선 세그먼트의 길이는 제2직선 세그먼트의 길이보다 크고,
    우회적인 통로의 단일 사이클의 각도 총합은 360도보다 큰 가열조립체의 제조방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 가열요소에 전력원을 부착하는 단계를 더 포함하는 가열조립체의 제조방법.
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