KR20240004673A

KR20240004673A - 저항 히터가 설치된 금속 히터 조립체

Info

Publication number: KR20240004673A
Application number: KR1020237040897A
Authority: KR
Inventors: 아쉬스 바트나가르; 브렌트 엘리엇
Original assignee: 와틀로 일렉트릭 매뉴팩츄어링 컴파니
Priority date: 2021-05-04
Filing date: 2022-05-04
Publication date: 2024-01-11
Also published as: JP2024516035A; US20220361296A1; WO2022235728A1; TW202245545A; DE112022002440T5

Abstract

금속 히터는, 그루브(groove)를 지니는 금속 기판, 상기 그루브 내에 배치된 저항 히터, 및 상기 저항 히터 상에 배치되어 있고 상기 그루브를 실질적으로 채우는 충전 금속을 포함하며, 상기 충전 금속은 상기 금속 기판보다 용융 온도가 낮다. 상기 충전 금속은 인듐일 수 있으며 커버 플레이트는 상기 금속 기판에 그리고 상기 인듐 상에 본딩(bonding) 될 수 있다. 상기 금속 히터의 제조 방법과 상기 금속 히터의 작동 방법이 또한 제공된다.

Description

저항 히터가 설치된 금속 히터 조립체

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은 2021년 5월 4일자에 출원된 미국 임시특허출원 제63/183,932호를 기초로 한 우선권과 상기 미국 임시특허출원의 혜택을 주장한 것이다. 상기 미국 임시특허출원의 개시내용 전체는 인용에 의해 여기에 보완된다.

기술분야

본 개시내용은 가열 요소가 설치된 금속 히터에 관한 것이다.

본 항목의 설명은 단지 본 개시내용에 관련된 배경 정보를 제공하는 것뿐이며 선행기술을 구성하는 것이 아닐 수 있다.

금속 히터는 저항 가열을 통해 대상물 및/또는 환경에 열을 제공하도록 다양한 애플리케이션에 사용된다. 이러한 저항 히터 중 하나는, 세라믹 코어 주위에 감긴 저항 와이어 가열 요소를 포함하는 것이 일반적인 카트리지 히터이다. 기존의 애플리케이션에서는 전원 및 단자 핀들이 내부에 배치된 2개의 길이방향의 보어가 상기 세라믹 코어에 형성되어 있다. 저항 와이어의 일 단부는 하나의 전원 핀에 전기적으로 접속되고, 저항 와이어의 타 단부는 다른 전원 핀에 전기적으로 접속되어 있다. 세라믹 코어 조립체는 개방 단부와 폐쇄 단부를 지니거나, 또는 일부 조립체들에서는 2개의 개방 단부를 지니는 관 형상의 금속 외장 내에 배치되어 있으며, 그럼으로써 상기 외장과 상기 저항 와이어/코어 조립체 간에 환상(環狀)의 공간을 형성하게 된다. 산화 마그네슘(MgO) 등과 같은 절연재가 상기 외장의 개방 단부 내에 주입되고 그럼으로써 상기 외장의 내부 표면과 상기 저항 와이어 간 환상의 공간을 채우게 된다.

상기 외장의 개방 단부(들)는 예를 들어 포팅 화합물(potting compound) 및/또는 개별 시일링 부재(discrete sealing member)로 밀봉된다. 이어서 외장 조립체는 예컨대 스웨이징(swaging)을 통해서나 또는 다른 적절한 공정에 의해 다져지거나 압축되어 외장의 직경을 줄일 수 있게 되고 MgO를 다지고 압축해서 세라믹 코어를 적어도 부분적으로 압쇄(壓碎)할 수 있게 되는데, 이는 핀 주위의 코어를 붕괴시켜 양호한 전기 접촉과 열 전달을 보장하게 해준다. 다져진 MgO는 저항 와이어 가열 요소와 외장 간에 상대적으로 적절한 열 전달 경로를 제공하며 이는 또한 저항 와이어 가열 요소로부터 외장을 전기적으로 절연시켜 준다. 이러한 방식으로, 저항 와이어 가열 요소를 통해 생성된 열이 금속 히터의 몸체로 전달되어 금속 히터의 몸체 전체가 원하는 온도로 작동될 수 있게 된다.

금속 히터 애플리케이션에는 반도체 장치 제조의 박막 처리가 포함된다. 그 중에서도 특히, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD), 물리 기상 증착(physical vapor deposition; PVD), 및 원자 층 증착(atomic layer deposition; ALD)과 같은 박막 공정에서는 금속 히터를 사용하여 처리 중인 기판을 가열할 수 있다. 매우 작은 온도 변화, 심지어는 섭씨 1도 미만이라도 박막 처리 결과에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 이러한 금속 히터 애플리케이션에서는 금속 히터 본체 전체의 온도를 정확하고 반복적으로 제어하는 것이 중요하다.

반도체 장치 제조에 사용하기 위한 금속 히터에 관련된 이러한 문제는 본 개시내용에 의해 해결된다.

본 항목에서는 본 개시내용의 일반적인 개요가 제공된 것이어서 본 개시내용의 전체 범위나 본 개시내용의 특징 모두가 포괄적으로 개시되어 있지 않다.

본 개시내용의 일 형태에서는, 금속 히터가 내부에 그루브(groove)가 형성된 금속 기판, 상기 그루브 내에 배치된 저항 히터, 및 상기 저항 히터 상에 배치되어 있고 상기 그루브를 실질적으로 채우는 충전 금속을 포함하며, 상기 충전 금속은 상기 금속 기판보다 용융 온도가 낮다.

개별적으로나 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있는 이러한 금속 히터의 변형 예들에서: 상기 저항 히터는 층형 히터(layered heater), 케이블 히터(cable heater), 관형 히터(tubular heater), 카트리지 히터(cartridge heater) 및 포일 히터(foil heater)로 이루어진 그룹으로부터 선택되며; 상기 저항 히터는 카트리지 히터이고; 상기 저항 히터는 케이블 히터이며, 상기 기판은 금속 또는 금속 합금으로 형성되고; 상기 충전 금속은 인듐이며; 커버 플레이트(cover plate)는 상기 금속 기판에 고정되고 상기 충전 금속상에 배치되며; 복수 개의 그루브들은 상기 기판 내에 있고 상응하는 복수 개의 저항 히터는 상기 복수 개의 그루브들 내에 배치되어 있으며; 그루브는 아치형 내부 프로파일을 형성하고; 복수 개의 저항 히터는 단일의 그루브 내에 배치되어 있으며; 상기 복수 개의 저항 히터들 중 인접한 저항 히터들 사이에 적어도 하나의 스페이서(spacer)가 배치되어 있고; 상기 충전 금속의 온도에 따른 부피 변화, 상기 저항 히터의 크기, 및 그루브의 크기에 기초하여 상기 충전 금속의 양이 계산되며; 적어도 하나의 추가 그루브는 실질적으로 상기 충전 금속으로 채워지고, 상기 적어도 하나의 추가 그루브는 저항 히터를 포함하지 않으며; 그리고 상응하는 복수 개의 그루브들 내에 복수 개의 저항 히터들이 배치되고, 상기 충전 금속은 상기 복수 개의 저항 히터들 상에 배치되어서 상기 복수 개의 그루브들을 실질적으로 채운다.

본 개시내용의 다른 일 형태에 의하면, 가열 요소를 형성하는 방법은 금속 기판 내에 그루브를 형성하는 단계, 상기 그루브 내에 저항 히터를 배치하는 단계, 상기 그루브를 용융된 충전 금속으로 채우는 단계 - 상기 용융된 충전 금속은 상기 금속 기판보다 용융 온도가 낮음 -, 상기 그루브가 응고된 충전 금속으로 채워지고 상기 저항 히터가 응고된 충전 금속 내에 설치되도록 상기 금속 기판과 상기 용융된 충전 금속을 냉각하는 단계, 및 상기 응고된 충전 금속상의 금속 기판에 커버 플레이트를 고정하는 단계를 포함한다.

개별적으로나 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있는 이러한 방법의 변형 예들에서는: 상기 용융된 충전 금속으로 상기 그루브를 채우기 전에 상기 금속 기판을 가열하고; 상기 금속 기판과 상기 용융된 충전 금속은 상기 커버 플레이트를 금속 기판에 그리고 상기 응고된 충전 금속상에 본딩(bonding) 하기 전에 실온으로 냉각되며; 상기 커버 플레이트를 상기 금속 기판에 고정하는 단계는 상기 커버 플레이트를 상기 금속 기판에 납땜(brazing)하거나 용접(welding)하는 단계를 포함하고; 상기 용융된 충전 금속은 인듐이다.

본 개시내용의 또 다른 일 형태에서 히터를 작동하는 방법은 금속 히터에 전력을 공급하는 단계를 포함하며, 상기 금속 히터는 내부에 그루브가 형성된 금속 기판, 상기 그루브 내에 배치된 저항 히터, 및 상기 그루브 상에 배치되어서 상기 그루브를 채우는 충전 금속을 포함하고, 상기 충전 금속은 상기 금속 기판보다 용융 온도가 낮다. 금속 히터에 대한 전력은 상기 저항 히터가 상기 충전 금속을 용융시키기에 충분한 열을 제공하도록 증가하게 되며, 상기 충전 금속은 히터 작동 중에 고체 상태로부터 액체 상태로 전환되는 반면에, 상기 금속 기판은 고체 상태로 유지된다. 이러한 방법의 한 변형 예에서 상기 충전 금속은 인듐이다.

추가의 적용 가능한 영역은 여기에서 제공한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 설명 및 특정 예들은 단지 예시를 목적으로 의도된 것이며 본 개시내용의 범위를 한정하려고 의도된 것이 아님이 이해되어야 한다.

본 개시내용을 잘 이해할 수 있게 하기 위해 지금부터 첨부도면들을 참조하여 예를 들어 본 개시내용의 다양한 형태가 설명될 것이다.

도 1은 본 개시내용의 교시들에 따라 구성된 히터 조립체의 평면도이다.
도 2는 도 1의 단면 2-2를 절취한 단면도이다.
도 3a는 도 1의 히터 조립체를 형성하는 단계를 보여주는 도면이다.
도 3b는 도 1의 히터 조립체를 형성하는 다른 일 단계를 보여주는 도면이다.
도 3c는 도 1의 히터 조립체를 형성하는 또 다른 일 단계를 보여주는 도면이다.
도 3d는 도 1의 히터 조립체를 형성하는 또 다른 일 단계를 보여주는 도면이다.
도 4a는 본 개시내용의 교시들에 따른 일 형태의 직사각 형상의 그루브 내에 배치된 저항 히터의 단면도이다.
도 4b는 다른 일 형태의 직사각 형상의 그루브 내에 배치된 저항 히터의 단면도이다.
도 5a는 본 개시내용의 교시들에 따른 일 형태의 각이 진 그루브 내에 배치된 저항 히터의 단면도이다.
도 5b는 다른 일 형태의 각이 진 그루브 내에 배치된 저항 히터의 단면도이다.
도 6은 본 개시내용의 교시들에 따른 사다리꼴 형상의 그루브 내에 배치된 저항 히터의 단면도이다.
도 7a는 본 개시내용의 교시들에 따른 일 형태의 장방형(oblong) 형상의 그루브 내에 배치된 저항 히터의 단면도이다.
도 7b는 다른 일 형태의 장방형 형상의 그루브 내에 배치된 한 쌍의 저항 히터들의 단면도이다.
도 7c는 한 쌍의 저항 히터들 사이에 필러 삽입물(filler insert)이 있는 또 다른 일 형태의 장방형 형상의 그루브 내에 배치된 한 쌍의 저항 히터들의 단면도이다.
도 8은 본 개시내용에 따른 히터 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 9는 본 개시내용의 교시들에 따라 구성된 다른 일 형태의 히터 조립체의 단면도이다.
여기에서 설명한 도면들은 단지 예시를 위한 것이며 어떤 방식으로든 본 개시내용의 범위를 제한하려고 의도된 것이 아니다.

이하의 설명은 본질적으로 단지 예시일 뿐이며 본 개시내용, 적용 또는 용도를 제한하려고 의도된 것이 아니다. 여기서 이해하여야 할 점은 도면들 전반에 걸쳐 상응하는 참조 번호가 동일하거나 상응하는 부품 및 특징을 나타낸다는 것이다.

도 1 및 도 2를 지금부터 참조하면, 본 개시내용의 교시들에 따른 히터 조립체(10)(예컨대, 페데스탈 히터 조립체(pedestal heater assembly))가 도시되어 있다. 상기 히터 조립체(10)는 적어도 하나의 그루부(110)를 지니는 기판(100) 및 상기 기판(100)에 고정되고 상기 그루브(110) 상에 배치되는 커버 플레이트(160)(명료성을 위해 도 1에서는 제거됨)를 포함한다. 일 형태에서, 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 그루브(110)는 도시된 바와 같이 나선 형상(spiral-shape)을 형성한다. 다른 형태에서, 상기 그루브(110)는 다른 형상을 지니며, 그 중에서도 예를 들어 선형, 지그재그형, 및 동심원(concentric circle)의 다중 그루브를 지닌다.

도 2를 특히 참조하면, 상기 그루브(110)는 상기 기판(100)의 상부(+z 방향) 표면(102)으로부터 하부(-z 방향) 표면(104)을 향해 연장되어 있고, 상기 그루브(110) 내에는 저항 히터(150)가 배치되어 있다. 예를 들어, 일 형태에서, 상기 저항 히터(150)는 상기 그루브(110)의 하부(-z 방향)에나 또는 상기 그루브(110)의 하부(-z 방향) 부근에 위치하게 된다. 그러나 상기 저항 히터(150)는 본 개시내용의 범위 내에 있으면서 상기 그루브(110) 내 임의의 위치에 위치하게 될 수 있고 심지어는 상기 그루브(110) 상으로 돌출해 있을 수도 있다. 낮은 용융 온도의 금속 또는 합금(112)(여기에서는 간단히 "충전 금속(112)"으로 언급됨)은 또한 상기 ㄱ그루브(110) 내에 배치되어 있고, 상기 저항 히터(150)는 상기 충전 금속(112) 내에 배치되어 있거나 설치되어 있다. 상기 커버 플레이트(160)는 도시된 바와 같이 상기 상부 표면(102) 및 상기 그루브(110)를 가로질러 연장되어 있다. 일부 변형 예들에서, 상기 커버 플레이트(160)는 상기 기판(100)에 고정(예컨대, 용접 또는 납땜)된다. 그러나 여기서 이해하여야 할 점은 상기 커버 플레이트(160)가 선택사항이라는 것이다.

상기 충전 금속(112)과 관련하여, 금속 및 금속 합금은 온도 범위에 걸쳐 용융되는 것이 전형적이다. 따라서, 여기에서 사용된 문구 "용융 온도"는 상기 충전 금속(112)이 고체 상태로부터 액체 상태로 변환되기 시작하는 온도 범위, 그리고 금속이 완전히 액체/용융 상태인 온도를 언급한다. 그러므로 상기 용융 온도는 상기 충전 금속(112)에 대한 온도 범위일 수 있으며 반드시 특정한 단일 온도로 제한되는 것이 아니다.

상기 기판(100) 및/또는 상기 커버 플레이트(160)를 구성하는 소재의 비-제한적인 예들로는 그 중에서도 특히 강철, 스테인리스강 및 알루미늄 합금이 포함된다. 또한, 저항 히터(150)의 비-제한적인 예들로는 그 중에서도 특히 케이블 히터, 카트리지 히터, 나전선(bare wire) 가열 요소, 코일 히터, 관형 히터, 층형 히터 및 포일 히터가 포함된다. 더 나아가, 여기서 또한 이해하여야 할 점은 본 개시내용의 교시들이 단일의 저항 히터(150)뿐만 아니라 구역들에 부가적으로 배열되고 독립적으로 제어될 수 있는 다중 저항 히터(150)를 포함한다는 것이다. 또한, 본 개시내용의 범위 내에 있으면서 상기 히터 조립체(10)에 하나보다 많은 유형의 저항 히터(150)가 채용될 수 있다.

도 3a 내지 도 3d를 지금부터 참조하면, 상기 히터 조립체(10)를 형성하는 방법(20)이 도시되어 있다. 상기 방법(20)은 도 3a에 도시된 바와 같이 상기 그루브(110) 내에 상기 저항 히터(150)를 배치하는 단계를 포함한다. 상기 그루브(110)는 그 중에서도 특히 그루빙 나이프를 이용한 절삭, 드릴링, 연삭, 밀링 및 라싱(lathing)과 같은 당 업계에 공지된 방법에 따라 형성될 수 있다. 그리고 도면들에 도시된 바와 같이, 상기 그루브(110)의 크기(예컨대, 직경)는 상기 저항 히터(150)의 직경, 또는 상기 저항 히터(150)의 외부 치수보다 넓다(크다). 본 개시내용의 일 형태에서, 상기 그루브(110)의 크기는 상기 저항 히터(150)의 직경보다 적어도 100% 넓다. 그리고 적어도 일 형태에서, 상기 그루브(110)의 크기는 상기 저항 히터(150)의 직경보다 적어도 200% 넓고, 예를 들어 상기 저항 히터(150)의 직경보다 약 300% 넓을 수도 있고, 약 400% 넓을 수도 있으며, 약 500% 넓을 수도 있고, 약 600% 넓을 수도 있으며, 약 700% 넓을 수도 있고 약 1000% 넓을 수도 있다.

도 3b를 참조하면, 상기 방법(20)은 액체 상태의 충전 금속(112a)의 상부 표면(113)이 도 3c에 도시된 바와 같이 원하는 높이(z 방향)가 되게 하도록 액체 상태의 충전 금속(112a)을 상기 그루브(110) 내에 주입하는 단계를 포함한다. 상기 방법(20)은 또한, 도 3d에 도시된 바와 같이 상기 기판(100)에 상기 커버 플레이트(160)를 고정하는 단계를 포함한다. 일 형태에서, 상기 저항 히터(150)가 상기 그루브(110)에 배치되어 있는 상기 기판(100)은 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)을 상기 그루브(110) 내에 주입하기 전에 가열된다. 그리고 적어도 한 변형 예에서, 상기 저항 히터(150)가 상기 그루브(110)에 배치되어 있는 상기 기판(100)은 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)의 용융 온도와 같거나 그보다 높은 것이 일반적인 온도로 가열된다. 예를 들어, 한 변형 예에서 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)은 액체 상태의 인듐(T(용융)

157℃)이고 상기 저항 히터(150)가 상기 그루브(110)에 배치되어 있는 상기 기판(100)은 상기 액체 상태의 인듐이 상기 그루브(110)에 주입되기 전에 157℃ 이상으로 (다시 말하면, 157℃보다 높게) 가열된다. 상기 기판(100)을 가열하면 상기 기판(100)의 부피가 팽창하고 상기 그루브(110)의 부피(및 크기)가 팽창하는 결과를 초래한다. 따라서, 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)으로 충전된 상기 그루브(110)가 냉각되면, 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)의 응고 수축(solidification shrinkage)은 상기 기판(100)의 부피 수축에 의해 적어도 부분적으로 수용된다.

일 형태에서, 상기 그루브(110)는 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)의 상부 표면(113)이 일반적으로 높이(z 방향)가 동일하게 되거나 상기 기판(100)의 상부 표면(102)과 동일한 평면(xy 평면) 상에 있게 되도록 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)으로 충전된다. 또한, 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)은 상기 저항 히터(150)가 상기 충전 금속(112) 내에 설치되도록 응고된다. 상기 저항 히터(150)는 상기 충전 금속(112)에 의해 인케이싱(encasing)되거나 상기 충전 금속(112) 내에 설치될 수도 있고, 상기 충전 금속(112)에 의해 부분적으로 인케이싱되거나 상기 충전 금속(112) 내에 부분적으로 설치될 수 있음으로써 이루어질 수 있다.

여기서 이해하여야 할 점은 상기 충전 금속(112)이 상기 저항 히터(150)와 상기 기판(100) 간 물리적 접촉에 비해 강화된 열 전달 매체로서 기능 한다는 것이다. 예를 들어, 가열 요소가 일반적으로 동일한 크기의 그루브에 배치되어 있는 히터 조립체에서는 상기 가열 요소의 길이를 따라 상기 가열 요소와 상기 기판 간에 갭/간극(예컨대, 공극(air gap))이 초래될 수 있다. 또한, 이러한 갭을 통해 상기 가열 요소와 상기 기판 간 열 전달이 감소하게 되고 그럼으로써 상기 기판의 바람직하지 않은 불균일 가열이 발생하게 된다. 이와는 대조적으로, 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)을 상기 그루브(110) 내에 그리고 상기 저항 히터(150) 상에 주입하는 것은 상기 저항 히터(150)와 상기 충전 금속(112) 간, 결과적으로는 상기 충전 금속(112)과 상기 기판(100) 간 접촉을 직접적이고도 긴밀하게 해준다. 다시 말하면, 상기 충전 금속(112)은 갭의 존재 없이 상기 저항 히터(150)와 상기 기판(100) 간 금속-금속 접촉을 향상시킨다. 따라서, 본 개시내용의 교시들에 따른 히터 조립체(10)에 의해 강화된 열 전달 및 강화된 열 전달 균일성이 제공되며, 이는 이하에서 더 구체적으로 부연 설명된다.

상기 충전 금속(112)의 비-제한적인 예로서는 그 중에서도 특히 인듐(T(용융)

157℃), 주석(T(용융)232℃), 아연(T(용융)420℃) 및 이들의 합금이 포함된다. 여기서 이해하여야 할 점은 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)이 전형적으로 응고 동안 부피 감소(수축)를 나타내는 것이다. 예를 들어, 인듐은 약 4 부피 퍼센트의 응고 수축을 나타낸다. 여기서 또한 이해하여야 할 점은 이러한 응고 수축이 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)을 상기 그루브 내에 주입하는 동안 고려되고 그럼으로 상기 충전 금속(112)의 상부 표면(113)이 상기 기판(100)의 상부 표면(102)에 대해 원하는 높이(z 방향)에 있게 된다는 것이다. 일부 변형 예들에서, 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)의 응고 수축은 상기 상부 표면(113)이 상기 기판(100)의 상부 표면(102)과 대체로 평면을 이루어도록 고려된 것이다. 다른 변형 예들에서, 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)의 응고 수축은 상기 충전 금속(112)의 상부 표면(113)이 사전에 정의된 거리만큼 상기 기판(100)의 상부 표면(102)보다 아래(-z 방향)에 있도록 고려된 것이다. 그리고 적어도 한 변형 예에서, 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)의 응고 수축은 상기 충전 금속(112)의 상부 표면(113)이 사전에 정의된 거리만큼 상기 기판(100)의 상부 표면(102)보다 위(+z 방향)에 있도록 고려된 것이다. 그러한 변형 예에서, 상기 상부 표면(113)은 상기 기판의 상부 표면(102)과 상기 충전 금속(112)을 가로지르는 평면 표면이 제공되도록 연삭(grinding)을 통해 (-z 방향으로) 낮아질 수 있다.

도 2 및 도 3a 내지 도 3d는 아치 형상의 내부 프로파일(예컨대, 원형 또는 반원형 내부 프로파일)을 지니는 그루브(110)를 보여주지만, 그루브들이 다른 형상들을 지니는 내부 프로파일을 지니는 히터 조립체는 본 개시내용의 교시들에 포함된다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b는 상기 저항 히터(150)가 직사각 형상의 그루브들(110)의 하부에 위치하게 되고 상기 충전 금속(112)이 직사각 형상의 그루브들(110) 내에 배치되는 직사각 형상의 그루브들(110)의 예들이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 각이 진 그루브들(110)이 도시되어 있으며 상기 저항 히터(150)는 상기 각이 진 그루브들(110)의 하부에 위치하게 되고 상기 충전 금속(112)은 상기 각이 진 그루브들(110) 내에 배치된다.

도 6을 참조하면, 사다리꼴 형상의 그루브(110)가 도시되어 있으며, 상기 저항 히터(150)가 상기 사다리꼴 형상의 그루브(110)의 하부에 위치하게 되고, 상기 충전 금속(112)이 상기 사다리꼴 형상의 그루브(110) 내에 배치된다.

도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 장방형(oblong) 형상의 그루브(110)가 도시되어 있다. 도 7a에서는, 상기 저항 히터(150)가 상기 장방형 형상의 그루브(110)의 하부에 위치하게 되고, 상기 충전 금속(112)은 상기 장방형 형상의 그루브(110) 내에 배치된다. 도 7b 및 도 7c를 참조하면, 한 쌍의 저항 히터들(150)이 상기 장방형 형상의 그루브(110)의 하부에 위치하게 되고 액체 상태의 충전 금속(112a)이 상기 충전 금속(112)을 형성하도록 상기 장방형 형상의 그루브(110) 내에 주입된다. 도 7c에 도시된 변형 예에서, 스페이서(spacer) 또는 인서트(insert)(115)는 상기 한 쌍의 저항 히터들(150) 간 장방형 형상의 그루브(110)에 배치되고, 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)은 상기 인서트(115)와 상기 그루브(110)의 내부 표면 간 2개의 개별 공동(separate cavity) 내에 주입된다. 그러므로 본 개시내용의 교시들에 따라 스페이서가 있든 스페이서가 없든 단일의 그루브(110) 내에 복수 개의 저항 히터(150)가 배치될 수 있다. 여기서 또한 이해하여야 할 점은 상기 저항 히터(150)가 여기에 예시된 바와 같이 상기 그루브(110)의 하부에 있을 필요가 없고, 그 대신에 상기 액체 상태의 충전 금속(112a)이 상기 그루브(들)(110) 내에 주입되는 동안 상기 그루브(110) 내 임의의 위치에 자리를 잡을 수 있다는 것이다.

도 8을 참조하면, (히터 조립체(10)와 같은) 히터를 형성하기 위한 방법(40)은 참조번호 410에서 (기판(100)과 같은) 금속 기판에 (그루브(110)와 같은) 그루브를 형성하는 단계와 참조번호 420에서 상기 그루브 내에 (저항 히터(150)와 같은) 저항 히터를 배치하는 단계를 포함한다. 참조번호 430에서, 상기 금속 기판은 예를 들어 충전 금속이 인듐일 경우 약 157℃ 이상으로 가열되고, 참조번호 440에서 상기 그루브는 용융된 충전 금속으로 채워진다. 참조번호 450에서, 상기 금속 기판 및 용융된 충전 금속은 용융된 충전 금속을 응고시키도록 실온으로 냉각된다. 그 후에 상기 금속 기판에 커버 플레이트가 부착될 수 있다(도시되지 않음). 대안으로, 상기 충전 금속은 커버 플레이트 없이 기존의 그루브를 채우는 데 사용될 수 있다. 이 경우에, 상기 그루브는 상기 금속 기판 내에 배치되거나 설치될 것이며, 상기 그루브의 단부(들)는 상기 그루브를 채운 후에 밀봉될 것이다. 이들 및 다른 변형 예들은 본 개시내용의 범위 내에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

본 개시내용의 다른 일 형태에 의하면, 상기 히터 조립체(10)(여기에서는 "금속 히터"로서 언급됨)의 작동 방법은 상기 금속 히터(10)에 전력을 공급하고, 상기 저항 히터(150)가 상기 충전 금속을 용융시키기에 충분한 열을 제공하도록 상기 전력을 증가시키는 단계를 포함하며, 상기 충전 금속(112)은 상기 히터 조립체(10)의 작동 동안 고체 상태로 유지되면서 고체 상태로부터 액체 상태로 전이되는 반면에, 상기 금속 기판(100)은 고체로 유지된다. 그러므로 상기 히터 조립체(10)의 작동 동안, 상기 충전 금속(112)은 용융되고 결과적으로는 임의의 간극을 채우면서 부피가 팽창하게 되어 상기 저항 히터(150)로부터 상기 금속 기판(100)으로의 열 전달을 개선시켜 준다.

여기서 이해하여야 할 점은 상기 충전 금속(112)이 본 개시내용의 범위 내에 있으면서 반드시 상기 그루브(110)를 완전히 채울 필요는 없다는 것이다. 상기 충전 금속(112)의 소재 특성에 기초하여, 작동 중의 부피가 상기 저항 히터(150)를 완전히 인케이싱하거나 개선된 열 전달을 위해 충분히 인케이싱하도록 온도에 따른 부피의 변화가 계산될 수 있다. 이러한 수법을 통해, 상기 충전 소재(112)의 온도에 따른 부피의 변화, 상기 저항 히터(150)의 크기, 및 상기 그루브(110)의 크기는 작동 중에 상기 저항 히터를 충분히 인케이싱하는 데 필요한 충전 금속(112)의 양을 계산하도록 고려될 수 있다. 대안으로, 고정된 충전 금속(112)의 부피에 대해, 상기 그루브(110)의 크기는 상기 저항 히터(150)를 충분히 인케이싱하도록 계산될 수 있다.

도 9를 지금부터 참조하면, 다른 일 형태의 금속 히터가 예시되어 있으며 일반적으로 참조번호 200으로 나타나 있다. 이러한 형태에서, 설치된 저항 히터(210)의 복수 개의 "층들"은 금속 기판(230)(또는 함께 결합하게 되는 복수 개의 개별 기판들, 도시되지 않음)의 그루브들(220) 내에 배치된다. 상기 금속 히터(200)는 또한 앞서 설명한 바와 같이 충전 금속(240)을 포함하며, 상기 충전 금속(240)은 상기 금속 기판(230)보다 용융 온도가 낮다. 이러한 형태에서, 상기 저항 히터(210)의 층들은 개선된 온도 균일성을 제공하기 위해 도시된 바와 같이 X-축을 따라 엇갈린 형태의 구성으로 배열되고 Z-축을 따라 층 형태를 이루게 된다. 여기서 이해하여야 할 점은 이러한 저항 히터들(210)과 그루브들(220)의 배열이 단지 예시일 뿐이며, 결과적으로 저항 히터들(210)과 그루브들(220)의 임의 개수의 층들 및 위치들이 본 개시내용의 범위 내에 유지되면서 구현될 수 있다는 것이다. 또한, 상기 금속 히터(200)는 일반적으로 본 개시내용의 범위 내에 있으면서 위에 설명한 특징들 중 임의의 특징을 개별적으로 또는 임의의 조합으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 형태에서는 상기 금속 히터(200)의 상부 및 하부 양자 모두 상에 커버 플레이트들(250)이 마련된다.

여기에서 달리 명시적으로 나타내지 않는 한, 기계적/열적 특성, 조성 백분율, 치수 및/또는 공차 또는 기타 특성을 나타내는 모든 수치 값들은 본 개시내용의 범위를 설명할 때 "약" 또는 "대략"이라는 용어로 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 수정은 산업적 실시, 소재, 제조, 조립 공차 및 테스트 기능을 포함한 여러 이유로 바람직하다.

비록 제1, 제2, 제3 등의 용어들이 여러 요소, 구성요소, 영역, 층 및/또는 섹션을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 구성요소들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들은 이러한 용어들에 의해 제한되어서는 아니 된다. 이러한 용어들은 하나의 요소, 구성요소, 영역, 층 및/또는 섹션을 다른 하나의 요소, 구성요소, 영역, 층 및/또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용될 수 있다. 여기에서 사용될 경우 "제1", "제2"와 같은 용어들, 및 다른 수치적 용어들은 문맥상 명확하게 나타나 있지 않은 한 시퀀스(sequence)나 순서(order)를 의미하는 것이 아니다. 따라서, 제1 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션은 대표적인 형태들의 교시들로부터 벗어나지 않으면서 제2 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있을 것이다. 더욱이, 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션은 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션이 "제1" 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 필요 없이 "제2" 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.

여기에서는 도면들에 도시된 바와 같이 하나의 요소 또는 특징과 다른 요소(들) 또는 특징(들)의 관계를 설명하기 쉽게 하기 위해, "내부", "외부", "밑", "아래", "하부", "위", "상부" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어가 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에 도시된 배향에 더하여 사용 또는 작동 중인 장치의 다양한 배향을 포괄하도록 의도될 수 있다. 예를 들어, 도면들 내 장치가 뒤집혀 있을 경우, 다른 요소들 또는 특징들의 "아래" 또는 "밑"으로서 설명된 요소는 이때 다른 요소들 또는 특징들 "위"에 배향될 것이다. 따라서 대표적인 용어 "아래"는 위 또는 아래의 배향을 모두 포괄할 수 있다. 장치는 이와는 달리 (90도 회전으로 또는 다른 방향으로) 배향일 수 있으며, 여기에서 사용된 공간적으로 상대적인 설명어들은 이에 따라 해석될 수 있다.

여기에서 사용된 "A, B, C 중 적어도 하나"라는 문구는 비-배타적인 논리 OR을 사용하는 논리(A OR B OR C)를 의미하는 것으로 해석되어야 하며, "A 중 적어도 하나, B 중 적어도 하나, C 중 적어도 하나"를 의미하는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

여기에서 사용된 용어는 단지 특정한 대표적인 형태들을 설명하기 위한 것이며 제한하려고 의도된 것이 아니다. 단수 형태들 "a", "an" 및 "the"는 문맥에서 달리 명시하지 않는 한 복수 형태들도 포함하도록 의도될 수 있다. "포함하는" 및 "지니는"이라는 용어들은 포괄적이므로 명시한 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들 및/또는 구성요소들의 존재를 특정하는 것이지만 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 구성요소들, 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하는 것이 아니다. 여기에서 설명한 방법 단계들, 프로세스들 및 동작들은 수행 순서로서 구체적으로 식별되지 않는 한 논의되거나 설명된 특정 순서의 수행을 반드시 요구하는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 여기서 이해하여야 할 점은 추가적인 또는 대안적인 단계들이 채용될 수 있다는 것이다.

본 개시내용의 설명은 본질적으로 단지 예시일 뿐이고, 결과적으로는 본 개시내용의 본질에서 벗어나지 않는 변형 예들은 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 의도된 것이다. 이러한 변형 예들은 본 개시내용의 사상 및 범위에서 벗어나는 것으로 간주 되어서는 아니 된다.

Claims

금속 히터로서,
상기 금속 히터는,
내부에 그루브(groove)가 형성된 금속 기판;
상기 그루브 내에 배치된 저항 히터; 및
상기 저항 히터 상에 배치되어 있고 상기 그루브를 실질적으로 채우는 충전 금속
을 포함하며,
상기 충전 금속은 상기 금속 기판보다 용융 온도가 낮은, 금속 히터.
제1항에 있어서,
상기 저항 히터는 층형 히터, 케이블 히터, 관형 히터, 카트리지 히터 및 포일 히터로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 금속 히터.
제1항에 있어서,
상기 저항 히터는 카트리지 히터인, 금속 히터.
제1항에 있어서,
상기 저항 히터는 케이블 히터인, 금속 히터.
제1항에 있어서,
상기 금속 기판은 금속 또는 금속 합금으로 형성되는, 금속 히터.
제1항에 있어서,
상기 충전 금속은 인듐인, 금속 히터.
제6항에 있어서,
상기 금속 히터는,
상기 금속 기판에 고정되고 상기 충전 금속상에 배치된 커버 플레이트
를 더 포함하는, 금속 히터.
제1항에 있어서,
상기 금속 히터는, 복수 개의 그루브들 및 상기 복수 개의 그루브들 내에 배치된 상응하는 복수 개의 저항 히터들을 더 포함하는, 금속 히터.
제1항에 있어서,
상기 그루브는 아치형 내부 프로파일을 형성하는, 금속 히터.
제1항에 있어서,
상기 금속 히터는,
단일의 그루브 내에 배치된 복수 개의 저항 히터들
을 더 포함하는, 금속 히터.
제10항에 있어서,
상기 금속 히터는,
상기 복수 개의 저항 히터들 중 인접한 저항 히터들 사이에 적어도 하나의 스페이서
를 더 포함하는, 금속 히터.
제1항에 있어서,
상기 충전 금속의 양은 상기 충전 금속의 온도에 따른 부피 변화, 상기 저항 히터의 크기, 및 상기 그루브의 크기에 기초하여 계산되는, 금속 히터.
제1항에 있어서,
상기 금속 히터는,
실질적으로 상기 충전 금속으로 채워지는 적어도 하나의 추가 그루브
를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 추가 그루브는 저항 히터를 포함하지 않는, 금속 히터.
제1항에 있어서,
상기 금속 히터는,
상응하는 복수 개의 그루브들 내에 복수 개의 저항 히터들
을 더 포함하고, 상기 충전 금속은 상기 복수 개의 저항 히터들 상에 배치되어서 상기 복수 개의 그루브들을 실질적으로 채우는, 금속 히터.
가열 요소를 형성하는 방법으로서,
상기 방법은,
금속 기판 내에 그루브를 형성하는 단계;
상기 그루브 내에 저항 히터를 배치하는 단계;
상기 그루브를 용융된 충전 금속으로 채우는 단계 - 상기 용융된 충전 금속은 상기 금속 기판보다 용융 온도가 낮음 -;
상기 그루브가 응고된 충전 금속으로 채워지고 상기 저항 히터가 응고된 충전 금속 내에 설치되도록 상기 금속 기판 및 상기 용융된 충전 금속을 냉각하는 단계; 및
상기 응고된 충전 금속상의 상기 금속 기판에 커버 플레이트를 고정하는 단계
를 포함하는, 가열 요소의 형성 방법.
제15항에 있어서,
상기 가열 요소의 형성 방법은,
상기 그루브를 용융된 충전 금속으로 채우기 전에 상기 금속 기판을 가열하고는 단계
를 더 포함하는, 가열 요소의 형성 방법.
제15항에 있어서,
상기 금속 기판 및 용융된 충전 금속은 상기 커버 플레이트를 상기 금속 기판에 그리고 상기 응고된 충전 금속상에 본딩(bonding) 하기 전에 실온으로 냉각되는, 가열 요소의 형성 방법.
제15항에 있어서,
상기 커버 플레이트를 상기 금속 기판에 고정하는 단계는 상기 커버 플레이트를 상기 금속 기판에 납땜(brazing)하거나 용접(welding)하는 단계를 포함하는, 가열 요소의 형성 방법.
제15항에 있어서,
상기 용융된 충전 금속은 인듐인, 가열 요소의 형성 방법.
히터를 작동하는 방법으로서,
상기 방법은,
금속 히터에 전력을 공급하는 단계 - 상기 금속 히터는,
내부에 그루브가 형성된 금속 기판,
상기 그루브 내에 배치된 저항 히터, 및
상기 그루브 상에 배치되어서 상기 그루브를 채우는 충전 금속 - 상기 충전 금속은 상기 금속 기판보다 용융 온도가 낮음 -
을 포함함 -; 및
상기 저항 히터가 상기 충전 금속을 용융시키기에 충분한 열을 제공하도록 상기 전력을 증가하는 단계 - 상기 충전 금속은 히터 작동 중에 고체 상태로부터 액체 상태로 전환되는 반면에, 상기 금속 기판은 고체 상태로 유지됨 -
를 포함하는, 히터의 작동 방법.
제20항에 있어서,
상기 충전 금속이 인듐인, 히터의 작동 방법.