KR20220027272A

KR20220027272A - 산화 베릴륨 일체형 저항 히터

Info

Publication number: KR20220027272A
Application number: KR1020227005465A
Authority: KR
Inventors: 래리 티. 스미스; 사무엘 제이. 헤이스
Original assignee: 마테리온 코포레이션
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2017-03-07
Publication date: 2022-03-07
Also published as: WO2017176412A1; KR20180130535A; JP7194592B2; CN109156050A; JP2022062057A; US20170295612A1; TWI756214B; JP2019514164A; TW201811105A

Abstract

일체형 저항 히터가 개시된다. 그러한 일체형 저항 히트는 제1표면 및 제2표면을 갖는 산화 베릴륨(BeO) 세라믹 바디를 포함한다. 가열 요소는 금속 포일 또는 금속화 페인트로 형성되고, 산화 베릴륨 세라믹 바디의 상부 또는 제2표면에 프린트된다.

Description

산화 베릴륨 일체형 저항 히터{BERYLLIUM OXIDE INTEGRAL RESISTANCE HEATERS}

본 출원은 2016년 4월 7일 출원된 미국 가특허출원 제62/319,388호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 포함된다.

본 개시는 산화 베릴륨(BeO)을 포함하는 세라믹 바디 상에 또는 그 안에 일체화된 전기 저항 히터에 관한 것이다. 그러한 일체형 저항 히터는 반도체 제조 및 조작 분야에서 특정 애플리케이션에 사용되며, 특히 이를 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 본 개시는 다른 유사한 애플리케이션에도 적용될 수 있음을 이해해야 한다.

일체형 저항 히터는 줄(Joule)의 제1법칙에 따라 전도(대류 또는 방사와 대배되는)에 의해 매질을 통해 열 에너지를 보다 빠르게 전달한다. 그러나, 그러한 매질은 전기적으로 절연되어야 하는데, 그렇지 않을 경우 히터는 단락될 것이다. 대부분의 종래의 열 전도성 물질은 전기적으로 전도성이 있어 직접 접촉의 일체형 히터의 매질로서는 적합하지 않은 금속이다. 대부분의 종래의 전기 절연성 물질(세라믹 및 유리와 같은)은 낮은 열 전도성을 가져 열을 잘 전달하지 못한다.

따라서, 이들 문제를 최소화하는 일체형 저항 히터를 제공해야 할 것이다.

본원의 다양한 실시예에서, 가열 요소가 산화 베릴륨(BeO) 세라믹 바디와 직접 접촉하여 결합되는 일체형 저항 히터가 개시된다. 산화 베릴륨은 전기 절연성 및 높은 열 전도성 모두를 갖는 고유한 특성 있다.

본원에 개시된 일부 실시예에서, 상기 일체헝 저항 히터는 제1표면 및 제2표면을 갖는 산화 베릴륨(BeO) 세라믹 바디를 포함한다. 가열 요소는 내화성 금속화 층으로 형성된다. 상기 가열 요소는 BeO 세라믹 바디의 제1표면 또는 제2표면과 직접 접촉하여 접합된다.

본원의 다른 실시예들에서, BeO 세라믹 바디의 제1표면 또는 제2표면 상에 내화성 금속화 페인트를 도포함으로써 가열 요소를 형성하는 단계를 포함하는 일체형 저항 히터 형성 방법이 개시된다. 이들 실시예에서, 상기 세라믹 바디는 일반적으로 그 세라믹 바디의 두께에 비해 큰 길이 및 폭을 갖는 것이 고려된다.

본원의 또 다른 실시예들에서, 제1말단부와 제2말단부간 확장되는 BeO 세라믹 튜브를 포함하는 일체형 저항 히터가 개시된다. 가열 요소는 내화성 금속화 페인트로 형성되고, BeO 세라믹 튜브의 외면 상에, 즉 상기 튜브의 원주면/측벽 상에 직접 도포된다(그 2개의 단부 표면이 아니라). 상기 가열 요소의 제1단부는 상기 제1말단부에 연결되고, 상기 가열 요소의 제2단부는 상기 제2말단부에 연결된다. 이들 말단부는 납땜, 브레이징(brazing), 또는 택 용접(tack welding)으로 BeO 세라믹 튜브에 결합될 수 있다.

다른 실시예들에서, 히터 팩(heater pack)에 사용하기 위한 일체형 저항 히터가 개시된다. 상기 히터 팩은 BeO 세라믹 상부 플레이트를 포함한다. 중간 BeO 세라믹 바디는 제1표면, 제2표면, 및 상기 제1표면 또는 제2표면 상에 프린트된 내화성 금속화 페인트로 형성된 가열 요소를 갖는다. 또한 BeO 세라믹 베이스 플레이트가 포함된다. 상기 상부 플레이트, 중간 세라믹 바디, 및 베이스 플레이트는 중간에 상기 중간 세라믹 바디가 있는 "샌드위치"를 형성한다. 히터 말단부는 BeO 세라믹 베이스 플레이트에 걸쳐 확장되고 상기 중간 BeO 세라믹 바디의 가열 요소에 연결된다. 이들 말단부는 납땜, 또는 브레이징, 또는 택 용접, 또는 기계적인 나나산에 의해 BeO에 결합된다. 마지막으로, 적어도 하나의 전원은 옴의 법칙, 및 그 교류 전원(VAC) 등가식 P(t)=I(t)V(t)에 따라 가열 요소를 제어하기 위해 히터 말단부에 연결될 수 있다.

본 발명은 산화 베릴륨 일체형 저항 히터를 제공할 수 있다.

다음은 본원에 개시된 예시의 실시예를 기술하기 위한 목적으로 제공되며, 본 발명을 제한하기 위한 목적이 아닌 도면에 대한 간략한 설명이다.
도 1은 본 개시에 따른 일체형 저항 히터의 상면도이다.
도 2는 나선형 패턴을 갖는 가열 요소를 프린팅하기 위한 스크린의 상면도이다.
도 3a는 미로 패턴을 갖는 이중-구역 가열 요소의 제1구역을 프린팅하기 위한 제1스크린의 상면도이다.
도 3b는 미로 패턴을 갖는 이중-구역 가열 요소의 제2구역을 프린팅하기 위한 제2스크린의 상면도이다.
도 4a는 튜브형 바디를 갖는 일체형 저항 히터의 사시도이다.
도 4b는 도 4a에 나타낸 튜브형 히터의 측단면도이다.
도 4c는 가열 요소를 형성하기 위한 금속화 페인트의 애플리케이션을 나타내는 도 4a에 나타낸 튜브형 히터의 사시도이다.
도 5는 본 개시에 따른 일체형 저항 히터를 포함하는 히터 팩의 요소들의 3D 모델이다.
도 6은 본 개시의 제2형태에 따른 일체형 저항 히터를 포함하는 히터 팩의 요소들의 3D 모델이다.
도 7은 본 개시에 따른 일체형 저항 히터에 인가된 약 6VAC 내지 약 44VAC의 전압에 대한 실제 와트(와트수) 대 온도를 나타내는 차트이다.
도 8은 본 개시에 따른 일체형 저항 히터에 인가된 60VAC의 전압에 대한 실제 와트 대 온도를 나타내는 차트이다.
도 9는 본 개시에 따른 일체형 저항 히터에 인가된 약 6VAC 내지 약 44VAC의 전압에 대한 저항 대 온도를 나타내는 차트이다.
도 10은 본 개시에 따른 이중-구역 일체형 저항 히터에 인가된 약 40VAC 내지 약 108VAC의 인가 전압에 대한 실체 와트 대 온도를 나타내는 차트이다.
도 11은 본 개시에 따른 이중-구역 일체형 저항 히터에 인가된 약 21VAC 내지 약 57VAC의 인가 전압에 대한 실제 와트 대 온도를 나타내는 차트이다.
도 12는 본 개시에 따른 이중-구역 일체형 저항 히터에 인가된 약 13VAC 내지 약 121VAC의 인가 전압에 대한 실제 와트 대 온도를 나타내는 차트이다.
도 13은 본 개시에 따른 이중-구역 일체형 저항 히터에 인가된 약 7VAC 내지 약 63VAC의 인가 전압에 대한 실제 와트 대 온도를 나타내는 차트이다.
도 14는 본 개시에 따른 이중-구역 일체형 저항 히터에 인가된 약 17.5VAC 내지 약 118VAC의 인가 전압에 대한 저항 대 온도를 나타내는 차트이다.
도 15는 본 개시에 따른 일체형 저항 히터의 세라믹 바디에 접합된 몰리브덴(Mo) 및 KOVAR에 대한 포일 접착력을 나타내는 차트이다.

본원에 개시된 프로세스 및 장치들에 대한 보다 완전한 이해는 수반된 도면들을 참조함으로써 얻어질 수 있다. 이들 도면은 단지 편의성 및 용이함에 기초한 개략적인 표현이며, 이에 따라 조립체 또는 그 구성 요소의 상대적인 크기 및 치수를 나타내지는 않는다.

본 개시는 바람직한 실시예들의 이하 상세한 설명 및 거기에 포함된 예들을 참조하여 보다 쉽게 이해될 수 있다. 다음의 명세서 및 하기의 청구범위에서, 다음의 의미를 갖는 것으로 정의되는 다수의 용어가 참조될 것이다.

단수 형태 "하나", "한" 및 "그"는 그 문장을 명확히 달리 명시하지 않는 한 복수의 대상을 포함한다.

본 출원서의 명세서 및 특허청구범위의 수치 값들은 동일한 유효 숫자로 감소될 때 동일한 수치 값 및 그러한 수치 값을 결정하기 위해 본 출원서에 기술된 타입의 종래의 측정 기술의 실험 오차 미만으로 명시된 값과 상이한 수치 값을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본원에 개시된 모든 범위는 기재된 끝점을 포함하며 독립적으로 조합될 수 있다(예를 들어, 끝점 2 그램과 10 그램, 및 그 모든 중간 값들을 포함하는 "2 그램 내지 10 그램의 범위").

*본원에 사용된 바와 같이, "약" 및 "실질적으로"와 같은 근사 용어는, 그것이 관련된 기본 기능의 변화를 야기시키지 않고 변경될 수 있는 임의의 양적 표현을 수정하도록 적용될 수 있다. 또한 수식어 "약"은 두 끝점의 절대 값들에 의해 규정된 범위를 개시하는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 표현 "약 2 내지 약 4"는 또한 범위 "2 내지 4"를 개시한다. 그러한 용어 약"은 표시된 숫자의 ±10%를 나타낼 수 있다. 용어 "통상적" 및 "통상적으로"는 표준 및 일반적인 관행을 의미한다.

용어 "실온"은 20℃ 내지 25℃의 범위를 나타낸다.

본원에서는 특정 패턴들을 나타내기 위해 여러 용어가 사용된다. 본원에 사용된 용어 "나선형"은 소정 지점으로부터 연속적으로 증가하는 거리에서 고정된 중심 지점 주위를 감는 평면상의 커브를 가리킨다. 용어 "아르키메데스 나선형"은 중심 지점에서 시작되는 광선이 일정한 이격 거리를 갖는 지점들에서 나선형의 연속적인 선회와 교차한다는 특성을 갖는 나선형을 의미한다. 용어 "미로(maze 또는 labyrinth)"는 벽들 사이에 일련의 상이한 경로를 형성하는 벽 세트와 유사한 회로를 형성하기 위해 함께 연결된 불연속 라인 및/또는 커브들의 패턴을 지칭한다. 용어 "유니큐설(unicursal)"은 패턴의 중심에 단일 경로를 갖는 "미로"를 의미한다. 용어 "멀티큐설(multicursal)"은 패턴의 중심에 다수(즉, 하나 이상)의 경로를 갖는 "미로"를 의미한다. 용어 "지그재그(zigzag)"는 제1측면과 제2측면 사이에서 라인이 앞뒤로 이어지도록 단일의 라인이 갑자기 턴하는 패턴을 지칭하며, 상기 라인은 제1단부에서 시작되고 제2단부에서 종료된다.

용어 "상부" 및 "하부"가 본원에 사용된다. 이들 용어는 절대적인 방향이 아니라 상대적인 방향을 나타낸다.

일체형 저항 히터를 형성하는 방법 및 이로부터 형성된 히터가 개시된다. 본원에 개시된 일체형 저항 히터는, 예를 들어 반도체 제조 중에 실리콘 웨이퍼 산업에서 유용한 히터 팩에 사용될 수 있다. 그러한 일체형 저항 히터는 산화 베릴륨(BeO) 세라믹 바디 및 이 산화 베릴륨(BeO) 세라믹 바디와 직접 접촉하여 접합된 전기 가열 요소(이하 간단히 '가열 요소'라고도 칭함)를 포함한다. 상기 가열 요소는, 상기 산화 베릴륨(BeO) 세라믹 바디의 적용에 따라, 일반적으로 미세하게 분할된 내화성 금속의 두꺼운 필름을 형성하는 금속화 페인트에 의해 형성될 수 있다. 상기 BeO 세라믹 바디는 높은 열 전도성 및 전기 절연성이 있는 고유한 조합을 갖는다. 이것은 가열 요소와의 전기적 단락을 일으키지 않고 그 가열 요소와의 긴밀한 접촉을 허용한다. BeO 히터는 또한 높은 열 전도성으로 인해 빠르게 사이클링(램프 업(ramp up), 냉각)될 수 있다. 또한, BeO는 고온 내화성 재료이다. 또한, BeO는 부식성 대기 및 부식성 액체에서 전기 절연성 및 내에칭성이 있다.

이제 도 1을 참조하면, 일체형 저항 히터(100)는 일반적으로 산화 베릴륨(BeO)으로 이루어진 세라믹 바디(102)를 포함한다. 가열 요소(108)는 그 세라믹 바디의 표면 상에 형성된다. 예를 들어, 상기 가열 요소는 세라믹 바디의 제1표면(104) 상에, 또는 상기 제1표면(104)에 대향하여 위치된 세라믹 바디의 제2표면(106; 도 5) 상에 프린트될 수 있다. 여기에서는 또한, 전기 소스에 연결되는 상기 가열 요소(108)의 2개의 단부(123, 125)를 볼 수 있다. 또한, 도 5와 관련하여 더 설명하는 바와 같이 상기 세라믹 바디의 대향 표면 상의 가열 요소에 대한 전기적 연결을 허용하는 2개의 관통부(127)를 볼 수 있다.

상기 BeO 세라믹 바디(102)는 디스크 형태를 갖는 것으로 도 1에 나타나 있다. 이러한 디스크 형태에서, 상기 세라믹 바디의 제1표면 및 제2표면은 일반적으로 그 세라믹 바디의 두께보다 큰 반경을 갖는다. 그러나, 상기 BeO 세라믹 바디는 일체형 저항 히터로 사용하는데 적절한 어떠한 형태도 가질 수 있다는 것을 알아야 할 것이다. 예를 들어, 상기 세라믹 바디는 직사각형의 제1표면을 가질 수 있거나, 또는 상기 세라믹 바디는 이 세라믹 바디의 두께가 그 반경보다 큰 튜브일 수 있다.

상기 BeO 세라믹 바디의 가열 요소는 전기 전도성이 있는 내화성 금속을 함유하는 페인트(즉, 금속화 페인트)로 형성된다. 그러한 금속화 페인트는 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)을 함유하거나, 또는 다른 성분을 함유할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 금속화 페인트는 몰리브덴, 망간, 및 유리 분말의 혼합물인 "몰리-망간(moly-manganese)"을 함유한다. 일부의 특정 실시예에서, 상기 금속화 페인트는 이규화 몰리브덴(MoSi₂)을 함유한다. 이규화 몰리브덴은 또한 높은 내화성이 있으며(m.p. 2030℃), 약 1800℃까지 작동할 수 있다.

상기 금속화 페인트는 BeO 세라믹 바디의 형태 및 크기에 따라 다수의 기술 중 하나를 이용하여 도포될 수 있다. 이들 기술은 스크린 프린팅, 핀스트라이핑 휠(pinstriping wheel)에 의한 롤 코팅, 핸드 페인팅, 에어 브러시 스프레잉, 이멀전 딥(immersion dip), 원심 코팅, 및 주사기에 의한 니들 페인팅을 포함한다. 일부 특정 실시예에서, 하나 이상의 금속화 페인트의 층이 스크린-프린팅, 롤 코팅 또는 에어 브러싱에 의해 도포된다. 상기 금속화 페인트는 상기 BeO 세라믹 바디의 표면 상에 가열 요소로 작용하는 두꺼운 필름을 형성할 수 있다. 원하는 두께는 전원에 의해 제공된 전류로부터 열을 발생시키는데 필요한 저항 뿐만 아니라 다른 요소들에 좌우된다. 그러나, 두께만이 전기 저항을 유발시키는 유일한 요소가 아니며, 상기 금속화 페인트 제조법(즉, 금속 대 유리 비) 및 소결 양(즉, 수축, 유리의 모세관 작용 및 옥시-산화 환원 반응) 또한 전기 저항성을 변화시킨다. 일부 실시예에서, 그러한 두꺼운 필름의 두께는 통상 약 300과 900 마이크로인치(microinch) 사이(7.62 ㎛ 내지 22.86 ㎛)가 될 수 있으나, 줄의 제1가열 법칙에 순응하도록 요구된 원하는 전기 저항을 달성하기 위해 상기 금속화 페인트의 다수의 도포에 따라 감소되거나 증가될 수 있다. 상기 금속화 페인트는 또한 도 1에 나타낸 미로 패턴(112)과 같은 가열 요소의 보다 복잡한 디자인을 위한 패턴으로 도포될 수 있다.

일부의 특정 실시예에서, 상기 금속화 페인트는 가열 요소를 형성하기 위해 스크린 프린팅 공정을 이용하여 도포된다. 도 2는 스크린 프린팅에 사용된 스크린(110)을 나타낸다. 금속화 페인트는 나선형 패턴(114)을 갖는 가열 요소를 형성하기 위해 사용된다. 일부 실시예에서, 그러한 나선형은 아르키메데스 나선형이다. 스크린은 일반적으로 프레임(118) 상에 스트레칭된 단편의 메쉬(120; mesh)를 포함한다. 원하는 패턴은 그 패턴의 네거티브 이미지(negative image)에서 스크린의 일부를 마스킹함으로써 형성된다. 다시 말해, 나선형 패턴(114)은 BeO 세라믹 바디에 금속화 페인트가 나타날 곳을 나타낸다.

스크린 프린팅은 일반적으로 프린팅을 수행하기 전의 전-처리 공정을 포함하며, 여기서 원하는 패턴의 원래의 불투명한 이미지가 투명한 오버레이(transparent overlay)에 생성된다. 다음에, 적절한 메쉬 수를 갖는 스크린이 선택된다. 그 스크린은 음영 영역(130)으로 나타낸 UV 경화성 에멀젼(curable emulsion)으로 코팅된다. 상기 오버레이를 스크린 상에 놓고 상기 에멀전을 경화시키기 위해 UV 광원에 노출시킨다. 그런 다음 상기 스크린이 세척되어 메쉬에 원하는 패턴의 네거티브 스텐실(negative stencil)이 남는다. 상기 BeO 세라믹 바디의 제1표면은 상기 BeO 세라믹 바디를 얼룩지게 할 수 있는 스크린에 걸친 원하지 않는 누출을 방지하도록 넓은 팔레트 테이프(pallet tape)로 코팅될 수 있다. 마지막으로, 상기 에멀전의 원하지 않는 핀-홀은 테이프, 특수 에멀전 또는 블록-아웃 펜(block-out pen)으로 막을 수 있다. 이는 금속화 페인트가 핀-홀을 통해 계속해서 들어가고 BeO 세라믹 바디에 원하지 않는 자국이 남는 것을 방지한다.

프린팅은 스크린(110)을 BeO 세라믹 바디의 제1표면 또는 제2표면 위에 배치함으로써 진행된다. 상기 금속화 페인트는 스크린의 상부에 배치하고, 플러드 바(flood bar)는 메쉬(120)의 홀들을 통해 금속화 페인트를 푸쉬하는데 사용된다. 상기 플러드 바는 초기에 스크린의 배면 및 금속화 페인트의 저장소 뒤쪽에 배치한다. 상기 스크린은 BeO 세라믹 바디와의 접촉을 방지하기 위해 들어올려진다. 그런 다음 플러드 바를 약간의 하향력으로 스크린 전면으로 푸쉬하여 금속화 페인트로 메쉬 개구들을 효과적으로 채우고 저장소를 스크린 전면으로 이동시킨다. 고무 블레이드(blade) 또는 스퀴지(squeegee)는 메쉬를 BeO 세라믹 바디 아래로 이동시키기 위해 사용되고 상기 스퀴지는 스크린의 배면으로 푸쉬한다. 상기 메쉬 개구에 있는 금속화 페인트는 제어 및 규정된 양으로 상기 BeO 세라믹 바디에 유압 작용에 의해 펌핑 또는 압착된다. 즉, 습식 금속화 페인트는 메쉬 및/또는 스텐실의 두께에 비례하여 증착된다. "스냅 오프(snap-off)" 공정 동안, 스퀴지는 스크린의 배면을 향해 이동하고, 장력은 메쉬가 BeO 세라믹 바디의 표면으로부터 위로 끌어 당겨지게 한다. 스냅-오프 이후, 상기 금속화 페인트는 가열 요소에 대한 원하는 패턴으로 상기 BeO 세라믹 바디의 표면 상에 남는다.

다음에, 상기 스크린은 원할 경우 금속화 페인트의 또 다른 층에 재-코팅될 수 있다. 대안으로, 에멀전을 제거한 후에 스크린 뒤에 남겨진 헤이즈(haze) 또는 "고스트 이미지(ghost image)"를 제거하기 위해 스크린에 추가로 디헤이징(dehazing) 단계를 수행할 수 있다.

상기 금속화 페인트가 증착된 후, BeO 세라믹 바디에 대한 금속화 페인트의 강한 밀봉 본드를 촉진하기 위해 소결이 수행될 수 있다. 금속화 매트릭스의 비금속 성분은 BeO 세라믹 바디의 결정 입계로 확산되어 강도를 보강한다. 그러한 소결의 양(즉, 시간 및 온도)은 전자에 대한 전도성 경로의 체적 조성에 영향을 미친다. 그러한 소결 동안의 대기는 금속 및 반-금속 서브-산화물의 산화 및 환원 반응에 영향을 미친다. 그러한 소결된 층이 전기 전도성을 갖게 되어 원할 경우 이후의 금속화 층의 도금을 허용하나 가열에는 필요치 않다. 도금은 전해(랙(rack ) 또는 배럴(barrel)) 또는 무전해 처리에 의해 수행될 수 있다. 비록 동작 온도 및 대기가 고려될 지라도, 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag) 및 동(Cu)을 포함한 다양한 금속이 사용될 수 있다.

도 2에 나타낸 실시예는 일반적으로 정사각형의 형태인 것으로 스크린의 프레임(118)을 나타낸다. 일부 실시예에서, 그러한 정사각형 프레임은 약 5인치×5인치의 길이 및 폭을 가질 수 있다. 메쉬(120)는 스테인레스강으로 이루어진 325 메쉬일 수 있다. 그러한 메쉬의 와이어들은 프레임과 관련하여 30도의 바이어스를 갖는다. 에멀젼(130)은 약 0.5 mil(0.0127 mm)의 두께를 갖는다. 본 개시로부터 그와 같은 치수는 단지 예시적인 것이며, 임의의 적절한 스크린 형태 및 크기가 원하는대로 선택될 수 있음을 이해해야 한다.

도 3a(일정 척도로 나타낸 것은 아님) 및 도 3b(일정 척도로 나타낸 것은 아님)는 제1가열 요소(126)를 프린트하기 위해 제1스크린(122)을 이용하는 스크린 프린팅의 방법을 나타낸다. 이 경우, 제2스크린(124)은 제2가열 요소(128)를 프린트하는데 사용된다. 일부 실시예에서, 상기 제1가열 요소는 도 1에 나타낸 BeO 세라믹 바디(102)의 제1표면(104) 상에 프린트될 수 있고, 상기 제2가열 요소는 BeO 세라믹 바디의 제2표면(106; 도 5) 상에 프린트될 수 있다. 양 가열 요소는 동일한 말단부들 또는 상이한 말단부들에 연결될 수 있으며, 함께 또는 독립적으로 바이어싱될 수 있다.

그러한 제1 및 제2가열 요소는 원형의 미로 또는 미로 패턴을 형성하는 일반적으로 일련의 동심원을 갖는 것으로 도 3a 및 3b에 나타나 있다. 여기에 나타낸 바와 같이, 상기 제1가열 요소(126)는 유니큐설 미로(unicursal labyrinth)의 패턴이고, 상기 제2가열 요소 또한 유니큐설 미로의 패턴이다. 그러나, 멀티큐설 미로(multicursal labyrinth)의 패턴 또한 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 도 3a에서, 또한 말단부(123, 125)들 및 관통부(127)들을 볼 수 있다.

도 3a 및 3b에 나타낸 실시예들에서, 프레임(132)은 약 10인치×10인치의 길이 및 폭을 갖는 정사각형일 수 있다. 메쉬(120)는 스테인레스강으로 이루어진 325 메쉬일 수 있다. 그러한 메쉬의 와이어들은 상기 프레임과 관련하여 30도 바이어스를 갖는다. 에멀전(134)은 약 1 mil(0.0254 mm)의 두께를 갖는다.

도 4a 및 4b는 튜브형 형태인 산화 베릴륨(BeO) 세라믹 바디(202)를 갖는 예시의 일체형 저항 히터(200)를 나타내며, 상기 산화 베릴륨(BeO) 세라믹 바디는 고체 로드 또는 바 형태일 수 있다. 튜브형이란, 속이 비지 않은 고체인 로드와는 달리 그 세라믹 바디를 관통하는 중공 통로가 있다는 것을 의미하거나, 또는 다른 방식으로 그러한 튜브형 바디가 제1 또는 외면 및 제2 또는 내면을 갖는 원통형 측벽으로 기술될 수 있다. 상기 튜브형 바디는 이 튜브형 바디의 대향하는 단부들에 위치된 제1말단부(204)와 제2말단부(206)간 확장된다. 일부 실시예에서, 상기 제1 및 제2말단부는 KOVAR 금속 또는 몰리브덴(Mo) 금속으로 이루어진다. 이들 말단부는 납땜, 브레이징, 또는 택 용접 중 하나에 의해 BeO 세라믹 바디에 결합될 수 있다. 가열 요소(208)는 상기 BeO 세라믹 바디의 외면(214)에 제공된다. 그러한 가열 요소는 튜브형 BeO 세라믹 바디의 길이를 따라 확장하는 나선형의 형태를 가질 수 있다. 상기 가열 요소는 제1말단부(204)의 제1단부(210)에 그리고 제2말단부(206)의 제2단부(212)에 연결된다.

도 4a의 일체형 저항 히터의 일부 형태는 도 4b에 나타낸 단면도로 좀더 명확히 볼 수 있다. 특히, BeO 세라믹 바디(202)는 측벽을 형성하나, 말단부(204, 206)들은 저항 히터의 단부들을 형성한다. 다른 방식으로, KOVAR 금속 또는 몰리브덴 금속의 캡들은 BeO 세라믹 바디의 단부들에 배치되고, 납땜, 브레이징 또는 택 용접 중 하나에 의해 결합된다. 또한, BeO 세라믹 바디의 외면(214)은 가열 요소(208)가 형성되는 채널을 포함한다. 도 4c에 나타낸 바와 같이, 그러한 가열 요소(208)를 형성하는 금속화 페인트는 핀스트라이핑 도포기(216)를 통해 롤 코팅에 의해 도포된다. 상기 핀스트라이핑 도포기(216)는 BeO 표면(214)과 직접 접촉하는 저장소를 구비한 휠(218)을 갖는다. 상기 BeO 세라믹 바디는 표면 장력을 통해 핀스트라이핑 도포기 휠로부터 페인트를 끌어내기 위해 스핀들(나타내지 않음) 상에서 회전될 수 있다.

도 5는 앞서 기술한 일체형 저항 히터를 통합하는 히터 팩을 나타낸다. 그러한 히터 팩은 일반적으로 상부 플레이트(150), 중간 BeO 세라믹 바디(102), 제1가열 요소(108), 및 베이스 플레이트(152)를 포함한다. 상기 BeO 세라믹 바디(102)는 상기 상부 플레이트와 베이스 플레이트 사이에 배치되고, 제1표면(104) 및 제2표면(106)을 갖는다. 상기 제1가열 요소(108)는 본원에서 상기 BeO 세라믹 바디의 제1표면 상에 프린트되는 것으로 나타나 있다. 상기 제1표면(104)은 상기 베이스 플레이트(152)에 인접하고, 상기 제2표면(106)은 상기 상부 플레이트(150)에 인접한다. 상기 BeO 세라믹 바디의 제2표면은 또한 그 위에 가열 요소를 갖는다(볼 수 없음). 히터 말단부(156)들은 상기 베이스 플레이트(152)를 통해 뻗어 있고 상기 중간 BeO 세라믹 바디의 제1표면 상의 제1가열 요소(108)에 연결된다. 상기 동일한 히터 말단부들 또한 만약 제공될 경우 상기 제2표면 상의 상기 제2가열 요소에 연결되도록 상기 중간 세라믹 바디를 통해 뻗어 있다는 것을 알아야 한다. 그러나, 여기서 히터 말단부(154)들은 납땜, 브레이징, 택 용접, 또는 기계적인 나사산에 의해 상기 제2가열 요소에 연결된다. 일단 조립되면, 상기 가열 요소들은 상기 히터 팩의 상부 플레이트와 베이스 플레이트간 매립된다. 적어도 하나의 전원(158)은 상기 가열 요소를 제어하기 위해 말단부(154, 156)에 연결되거나, 또는 직렬로 또는 병렬로 모두 선 연결될 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 가열 요소는 상기 BeO 세라믹 바디의 제1표면 상에 프린트되고, 제2가열 요소(볼 수 없음)는 이중-구역 일체형 저항 히터를 형성하기 위해 제2표면 상에 프린트된다. 이와 관련하여, 상기 제1가열 요소는 도 3a에 나타낸 제1스크린(122)을 이용하여 프린트될 수 있다. 옵션의 상기 제2가열 요소는 도 3b에 나타낸 제2스크린(124)을 이용하여 프린트될 수 있다.

제2히터 말단부(154)들은 여기서 상기 히터 팩이 이중-구역 일체형 저항 히터를 통합할 때 포함된다. 상기 제2히터 말단부들은 상기 베이스 플레이트를 통해 뻗어 있고, 또한 그 중간 바디 자체를 통해 뻗어 있으며, 납땜, 브레이징, 택 용접, 또는 기계적인 나사산과 같은 소정의 적절한 수단들에 의해 상기 중간 BeO 세라믹 바디의 제2표면(106) 상에 제2가열 요소에 연결된다. 또한, 파워 소스(158)는 상기 제2히터 말단부들을 통해 상기 제2가열 요소를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 옵션으로, 제2가열 말단부들을 통해 제2가열 요소를 제어하기 위해 제2전원(나타내지 않음)이 사용될 수 있다. 상기 전원들은 상기 가열 소스(들)에 전압을 독립적으로 또는 협력하여 제공할 수 있다.

또한, 제어기(나타내지 않음)는 상기 전원들에 의해 제공된 전압 신호를 변조하기 위해 포함될 수 있고, 또한 디스플레이 수단(나타내지 않음)에서 판독을 위해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 디스플레이 수단은 LCD, 컴퓨터 모니터, 태블릿 또는 모바일 판독 장치, 및 통상의 기술자에 의해 잘 알려진 다른 디스플레이 수단들을 포함할 수 있다. 단일, 다중 또는 중복 열전대(들)가 장치의 원하는 위치에서 직접 표면 접촉하여 제어기에 폐 루프 피드백 신호를 제공한다.

일부 실시예에서, 상기 상부 플레이트(150)는 세라믹 반도체 재료의 층, 전극 층, 및 세라믹 BeO 층으로 구성된다. 상기 세라믹 반도체 재료는 티타니아(TiO₂), 또는 이산화 티타늄으로 도핑된 산화 베릴륨(BeO)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 세라믹 반도체 재료의 층은 접착 본드로서 작용하는 소량의 유리 공융체, 및/또는 소결 동안의 기밀 밀봉 캡슐을 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 베이스 플레이트(152)는 중간 BeO 세라믹 바디(102)와 유사한 산화 베릴륨(BeO) 세라믹 층으로 구성될 수 있다. 상기 베이스 플레이트는 제1가열 말단부들을 통해 제1가열 요소에 대한 연결을 위한 구멍(162)들 및 제2가열 말단부들을 통해 제2가열 요소에 대한 연결을 위한 구멍(160)들을 포함할 수 있다.

도 6을 참조하면, 히터 팩(300)은 본 개시의 제2형태에 따른 일체형 저항 히터를 통합하고 있는 것으로 나타나 있다. 그러한 히터 팩은 일반적으로 상부 플레이트(350), 가열 요소(308), 및 베이스 플레이트(352)를 포함한다. 상기 가열 요소는 또한 히터 말단부들이 연결되는 2개의 단부(354)들을 포함한다. 상기 상부 플레이트는 도 5의 상부 플레이트(150)와 유사한 세라믹 반도체 재료의 층, 전극 층, 및 세라믹 BeO 층을 포함할 수 있다. 상기 베이스 플레이트는 도 5의 베이스 플레이트(152)와 유사한 산화 베릴륨 BeO 세라믹 층일 수 있다. 히터 말단부들(나타내지 않음)은 가열 요소 단부(354)들에 연결하기 위해 베이스 플레이트를 통해 확장될 수 있다. 상기 히터 팩은 또한 옴의 법칙, 및 그 교류 전원(VAC) 등가식 P(t)=I(t)V(t)을 적용하여, 히터 말단부들을 통해 가열 요소를 제어하기 위한 전원(나타내지 않음)을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 가열 요소(308)는 에칭, 다이 컷팅, 워터 제트, 또는 레이저 커팅과 같은 소정의 적절한 방법에 의해 형성된 일반적인 지그재그 패턴을 갖는 포일 또는 얇은 필름 층이다. 일부 실시예에서, 상기 가열 요소(308)는 니켈-코발트 철 합금(예컨대, KOVAR), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 백금(Pt), 또는 백금-로듐(PtRh) 합금 중 하나로 이루어진 포일일 수 있다. 상기 가열 요소(308)는 일시적인 액상을 생성하기 위해 정밀하게 제어된 온도를 이용하여 가스/금속 공융 본드(eutectic bond)를 통해 BeO의 표면에 직접 접합된다. 다른 실시예에서, 상기 가열 요소는 몰리브덴을 함유하는 얇은 필름이고 물리적 기상증착(PVD) 공정을 이용하여 증착(예컨대, 스퍼터 증착, 진공 증착 등)된다

예들

예 1

약 4.5Ω의 저항을 갖고 금속화 페인트로 형성된 가열 요소가 2인치×2인치 BeO 세라믹 정사각형 플레이트의 표면 0.040" 아래에 매립된다. 약 6.5vdc의 전압이 상기 가열 요소에 인가된다. 상기 가열 요소는 약 1.44A(ampere)의 전류를 소비하고 약 9W의 전력을 출력한다. 상기 BeO 세라믹 플레이트는 접촉시에 따뜻하게 느껴졌다.

예 2

금속화 페인트로 형성된 이중-구역 가열 요소는 약 200 mm (7.5")의 직경을 갖는 BeO 디스크 내부에 매립된다. 제1구역은 표면 아래 약 0.068" 아래에 위치되고, 제2구역은 표면 아래 약 0.136" 아래에 위치된다. 그러한 제1구역 가열 요소에 전원이 공급되어 약 282℃에서 약 501W의 출력에 도달했다. 이후, 제2구역 가열 요소에 전원이 공급되고, 상기 제1구역 가열 요소는 출력이 약 418W로 떨어졌다. 상기 제2구역 가열 요소는 약 458℃에서 약 354W의 출력에 도달했다. 그러한 가열 요소들은 고온 저항 계수를 나타냈다.

예 3

약 6VAC 내지 약 60VAC 범위의 전압이 상기 예 1에서 가열 요소에 인가되었다. 그러한 가열 요소는 4.2Ω의 시작 저항을 갖고 실온이 76℉였다. 약 60VAC에서, 상기 가열 요소는 각각 약 592℃의 최대 온도 및 약 228W의 출력에 도달했다. 그 결과들이 이하의 표 1에 나타나 있다.

표 1: 2"×2" BeO 히터 가열 테스트

도 7-9에 있어서, 표 1에서 약 6VAC 내지 약 60VAC의 인가된 전압에 대해 실제 와트(W), 저항(ohms, Ω), 및 온도(℃)를 나타냈다. 도 7에서 보는 바와 같이, 약 6VAC, 12VAC, 18VAC, 24VAC, 32VAC, 38VAC, 및 44VAC의 입력 전압이 나타나 있다. 이들 입력 전압에서의 최대 온도는 각각 약 60℃, 105℃, 160℃, 205℃, 250℃, 375℃, 및 415℃였다. 이들 입력 전압에서의 최대 출력은 각각 약 8W, 24W, 47W, 67W, 106W, 125W, 및 158W였다. 도 8에 있어서, 열전대는 다른 영역으로 이동되었고, 실제 와트(W) 및 온도(℃)는 60VAC의 인가된 전압을 나타냈다. 최대 온도는 약 592℃이고, 최대 출력은 약 276W였다. 도 9에 있어서, 표 1, 도 7 및 도 8에서 인가된 전압에 대한 저항(ohms, Ω)의 계수 및 온도(℃)를 나타냈다. 6VAC, 12VAC, 18VAC, 24VAC, 32VAC, 38VAC, 44VAC, 및 60VAC의 입력 전압에서 최고 저항은 각각 약 4Ω, 7Ω, 8Ω, 10Ω, 11Ω, 13Ω, 및 16Ω이었다.

예 4

상기 예 2에 따라 기술된 이중-구역 가열 요소에 전력이 공급되었다. 약 7VAC 내지 121VAC 범위의 전압이 제1 및 제2구역에서 2개의 테스트에서 인가되었다. 구역 1, 테스트 1에 대한 시작 저항은 약 17.8Ω이다. 구역 2, 테스트 1에 대한 시작 저항은 약 5.9 Ω이다. 구역 1, 테스트 2에서, 시작 저항은 약 20.9Ω이다. 마지막으로, 구역 2, 테스트 2에 대한 시작 저항은 약 7.4Ω이다. 그러한 제1 및 제2구역에서 2개의 테스트의 결과는 이하의 표 2-5에 나타나 있다.

표 2: 이중-구역 BeO 디스크 히터 가열 테스트, 구역 1, 테스트 1

표 3: 이중-구역 BeO 디스크 히터 가열 테스트, 구역 2, 테스트 1

표 4: 이중-구역 BeO 디스크 히터 가열 테스트, 구역 1, 테스트 2

표 5: 이중-구역 BeO 디스크 히터 가열 테스트, 구역 2, 테스트 2

도 10-14에 있어서, 상기 표 2-5에서 약 7V 내지 121V의 인가된 전압에 대한 실제 와트(W), 저항(ohms, Ω), 및 온도(℃)를 나타냈다. 도 10에서 보는 바와 같이, 약 40VAC-108VAC의 구역 1, 테스트 1에 대한 입력 전압은 약 60℃-310℃의 최대 온도 및 약 87W-382W의 최대 출력을 제공했다. 도 11에 있어서, 약 21VAC-57VAC의 구역 2, 테스트 1에 대한 입력 전압은 약 60℃-310℃의 최대 온도 및 약 74W-320W의 최대 출력을 제공했다. 도 12에 있어서, 약 13V-121V의 구역 1, 테스트 2에 대한 입력 전압은 약 70℃-3416℃의 최대 온도 및 약 7W-394W의 최대 출력을 제공했다. 도 13에 있어서, 약 7V-63V의 구역 2, 테스트 2에 대한 입력 전압은 약 70℃-416℃의 최대 온도 및 약 7W-330W의 최대 출력을 제공했다. 도 14에 있어서, 구역 1(도 10, 12)에서 인가된 전압에 대한 저항(ohms, Ω)의 계수 및 온도(℃)를 나타냈다. 그 저항은 약 18Ω-37Ω였다.

예 5

2개의 가열 요소 타입이 도 6에 나타낸 실시예에 따라 구성되었다. 제1가열 요소는 가열 요소 재료로서 몰리브덴(Mo) 포일을 사용했고, 제2가열 요소는 가열 요소 재료로서 KOVAR를 사용했다. 몰리브덴(Mo) 가열 요소의 3개의 샘플이 준비되었고, BeO 세라믹 바디에 대한 포일 접착력을 lbs-전단력의 단위로 측정했다. KOVAR 가열 요소의 6개의 샘플이 준비되었고, BeO 세라믹 바디에 대한 포일 접착력을 lbs-전단력의 단위로 측정했다. BeO 기판과 접촉하는 포일의 표면적은 몰리브덴(Mo) 및 KOVAR 타입의 가열 요소 샘플 모두에 대해 각각의 측면에서 약 0.17 in²였다. 실온에서 200 kpsi/min의 로드(load) 비율에서 압축력을 측정하기 위해 조정된 로드 셀을 사용했다. 샘플들은 전단력을 시뮬레이션하기 위해 제1플레이트의 하부 에지, 및 제2플레이트의 상부 에지에 로딩되었다. 상이한 몰리브덴(Mo) 및 KOVAR 가열 요소의 포일 접착력의 결과를 이하의 표 6에 나타냈다.

표 6: BeO 세라믹 바디 상의 포일 접착력

도 15에서, 각각의 샘플에 대해 달성된 최대 접착력을 나타냈다. 몰리브덴(Mo) 가열 요소의 샘플 2는 약 300 lbs-전단력의 최대 접착력을 달성했다. KOVAR 가열 요소의 샘플 3-5 모두는 로드 셀이 측정을 멈추는 상한선인 약 1088 lbs-전단력보다 높은 최대 접착력을 달성했다.

본 개시는 예시의 실시예들을 참조하여 설명되었다. 명백하게, 앞선 상세한 설명을 읽고 이해함에 따라 다른 것으로의 변형 및 변경이 이루어질 것이다. 본 개시는 수반된 청구범위 또는 그 균등물의 범위 내에 있는 모든 그러한 변형 및 변경을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

제1표면 및 제2표면을 갖는 산화 베릴륨(BeO) 세라믹 바디, 및
내화성 금속화 층으로 형성되고, 상기 산화 베릴륨 세라믹 바디의 상기 제1표면 또는 제2표면에 접합되는 제1가열 요소를 포함하는, 일체형 저항 히터.
청구항 1에 있어서,
상기 내화성 금속화 층은 몰리브덴 또는 텅스텐을 함유하는, 일체형 저항 히터.
청구항 2에 있어서,
상기 내화성 금속화 층은 MoSi₂ 또는 몰리-망간을 함유하는, 일체형 저항 히터.
청구항 1에 있어서,
산화 베릴륨 세라믹 상부 플레이트 및 산화 베릴륨 세라믹 베이스 플레이트를 더 포함하며, 상기 산화 베릴륨 세라믹 바디는 상기 상부 플레이트와 베이스 플레이트 사이에 배치되는, 일체형 저항 히터.
청구항 1에 있어서,
BeO 세라믹 바디의 제1가열 요소에 연결된 히터 말단부를 더 포함하는, 일체형 저항 히터.
청구항 5에 있어서,
제1가열 요소를 제어하기 위해 히터 말단부에 연결된 전원을 더 포함하는, 일체형 저항 히터.
청구항 1에 있어서,
제1가열 요소는 스크린-프린팅, 롤 코팅, 또는 에어 브러싱을 이용하여 프린트되는, 일체형 저항 히터.
청구항 1에 있어서,
제1가열 요소는 BeO 세라믹 바디의 제1표면에 접합되고, 제2가열 요소는 BeO 세라믹 바디의 제2표면에 접합되는, 일체형 저항 히터.
청구항 1에 있어서,
상기 BeO 세라믹 바디는 정사각형 플레이트, 직사각형 플레이트, 플래튼(platen) 또는 디스크, 또는 튜브, 또는 고체 로드 또는 바 형태인, 일체형 저항 히터.
청구항 1에 있어서,
제1가열 요소는 나선형, 일련의 실질적 동심원 또는 지그재그의 형태로 패턴되는, 일체형 저항 히터.
청구항 1에 있어서,
BeO 세라믹 바디는 튜브의 형태이고, 제1말단부는 튜브의 제1단부에 제공되고, 제2말단부는 튜브의 제2단부에 제공되고, 상기 제1가열 요소는 상기 제1말단부에 연결된 제1단부 및 상기 제2말단부에 연결된 제2단부를 가지며, 제1표면은 튜브의 외면인, 일체형 저항 히터.
제1가열 요소를 형성하기 위해 산화 베릴륨 세라믹 바디의 제1표면 또는 제2표면 상에 내화성 금속화 페인트를 도포하는 단계를 포함하는, 일체형 저항 히터 형성 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 제1가열 요소를 스크린-프린팅, 롤 코팅, 또는 에어 브러싱함으로써 프린팅이 행해지는, 일체형 저항 히터 형성 방법.
청구항 12에 있어서,
제1가열 요소는 나선형, 일련의 실질적 동심원, 또는 지그재그의 형태를 갖는 패턴으로 형성되는, 일체형 저항 히터 형성 방법.
청구항 12에 있어서,
금속화 페인트는 몰리브덴 또는 텅스텐을 함유하는, 일체형 저항 히터 형성 방법.
청구항 15에 있어서,
금속화 페인트는 MoSi₂ 또는 몰리-망간을 함유하는, 일체형 저항 히터 형성 방법.
금속 포일 또는 금속화 페인트로 형성된 가열 요소를 통해 전류를 통과시키고, 상기 가열 요소는 산화 베릴륨 세라믹 바디에 위치되는, 가열 방법.
청구항 17에 있어서,
상기 산화 베릴륨 세라믹 바디는 디스크, 직사각형, 플래튼, 또는 튜브, 또는 고체 로드 또는 바의 형태인, 가열 방법.
청구항 17에 있어서,
가열 요소는 니켈 합금, 텅스텐, 몰리브덴, 또는 백금 및 백금의 합금을 포함하는 금속 포일, 또는 몰리브덴 또는 텅스텐을 함유하는 금속화 페인트로 형성되는, 가열 방법.
산화 베릴륨을 포함하는 상부 플레이트;
산화 베릴륨을 포함하는 베이스 플레이트; 및
상기 상부 플레이트와 베이스 플레이트 사이에 위치된 가열 요소를 포함하는, 일체형 저항 히터.