TWI786112B - 陶瓷加熱器及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及陶瓷加熱器的製造方法，本發明的陶瓷加熱器的製造方法包括：進行在第一陶瓷切斷層及第二陶瓷切斷層之間插置有埋設了發熱體的陶瓷粉末層的夾層結構的層疊結構的成型步驟，及燒結該層疊結構的成型體的步驟。

Description

陶瓷加熱器及其製造方法
本發明涉及陶瓷加熱器及其製造方法，特別是涉及一種改善發熱體的局部性電阻變化率的陶瓷加熱器及其製造方法。
陶瓷加熱器用於在預定的加熱溫度下，對半導體晶片、玻璃基板、可撓性基板等多樣目的的熱處理目標對象進行熱處理。為了半導體晶片處理，陶瓷加熱器也可以與靜電吸盤的功能結合使用。一般而言，陶瓷加熱器包括從外部的電極接受電力供應並發熱的陶瓷板。陶瓷板包括埋設於陶瓷燒結體的具有既定電阻的發熱體。
作為相關現有文獻，可參照韓國授權專利號第10-0533471號(2005年12月06日)等。授權專利第10-0533471號公開一種陶瓷加熱器製造方式，在陶瓷板的上下部，以與選自元素周期表4a、5a及6a族元素的1種以上金屬堆疊構件接觸的狀態，燒結成型體，從而抑制內置的發熱體的碳化。但是，這種以往的金屬堆疊方式的陶瓷加熱器製造方法存在多種問題。
首先，以金屬堆疊方式製造的陶瓷加熱器，根據發熱體部位而具有局部性電阻不均一。其次，在以往的金屬堆疊方式中，金屬堆疊構件在製造後需要去除，是難以再使用的1次性消耗部件。進一步地，在以往的金屬堆疊方式中，因金屬堆疊構件的碳化而形成的碳化物，在與之相接的陶瓷加熱器燒結體表面誘發毀損(damage)，隨著毀損部位的去除，存在 陶瓷加熱器的厚度需要厚於所需以上的問題。
本發明的發明人發現，在使用以往的金屬堆疊構件的方式中，金屬堆疊構件在燒結中與碳化物反應而表現出脆性，因而會誘發裂紋。另外，本發明的發明人發現，作為發熱體電阻變化的因素而進行作用的碳源，與粉末內的碳含量相比，更起因於外源，即，碳模具或熔爐(furnace)內的碳構件。因此，在導入的金屬堆疊構件中形成的裂紋，起到了從熔爐內的其他碳源，例如從碳模具或碳構件發生的碳的流入通道作用，結果，不適合抑制來源於成型體外部的碳的流入，無法充分抑制發熱體的碳化。
本發明正是為了解決該問題而研發的，本發明的目的在於提供一種利用改善發熱體局部性電阻變化率的陶瓷切斷層來進行燒結處理的陶瓷加熱器的製造方法及根據該方法製造的陶瓷加熱器。
另外，本發明目的是提供一種利用了可再使用的碳化抑制用陶瓷切斷層的陶瓷加熱器的製造方法及根據該方法製造的陶瓷加熱器。
而且，本發明目的是提供一種能夠適宜地保持燒結體厚度的陶瓷加熱器的製造方法及根據該方法製造的陶瓷加熱器。
首先，如果概括本發明的特徵，旨在達成該目的的本發明一態樣的陶瓷加熱器的製造方法包括：對在第一陶瓷切斷層及第二陶瓷切斷層之間插置有埋設了發熱體的陶瓷粉末層的夾層結構的層疊結構進行成型的步驟；以及燒結該層疊結構的成型體的步驟。
較佳地，該層疊結構的成型步驟包括：提供第一陶瓷切斷層的步驟；在第一陶瓷切斷層上提供埋設了發熱體的陶瓷粉末層的步驟；以及在陶瓷粉末層上提供第二陶瓷切斷層的步驟。
較佳地，陶瓷粉末層提供步驟包括：提供第一陶瓷粉末層的步驟；在第一陶瓷粉末層上配置發熱體的步驟；及在配置了發熱體的第一陶瓷粉末層上提供第二陶瓷粉末層的步驟。
較佳地，在提供第一陶瓷粉末層的步驟中，第一陶瓷粉末層可以為成型體。
較佳地，在提供第二陶瓷粉末層步驟之後，進一步包括對第一陶瓷粉末層、發熱體及第二陶瓷粉末層進行加壓成型的步驟。
較佳地，在第一及第二陶瓷切斷層各自與該陶瓷粉末層之間，插置有包含BN(Boron Nitride)的非活性層。
較佳地，第一及第二陶瓷切斷層包括稀土族氧化物。
較佳地，第一及第二陶瓷切斷層包含氮化物及稀土族氧化物，該稀土族氧化物為陶瓷切斷層的10重量%以下。
較佳地，第一及第二陶瓷切斷層為燒結體。
較佳地，第一及第二陶瓷切斷層在燒結過程中，在發熱體中，藉助於與從外部流入的碳的反應而降低碳化物的局部性生成。
而且，本發明另一態樣的陶瓷加熱器的特徵在於，包括陶瓷燒結體以及埋設於該陶瓷燒結體的發熱體，陶瓷燒結體在第一陶瓷切斷層及第二陶瓷切斷層之間形成具有埋設了發熱體的陶瓷粉末層插置於其中的夾層結構的層疊結構的成型體後，燒結該陶瓷粉末層而形成。
根據本發明的陶瓷加熱器的製造方法，沿埋設發熱體的陶瓷粉末成型體上下形成陶瓷切斷層，從而可以在燒結過程中改善發熱體的局部性電阻變化率。即，由於陶瓷切斷層的使用，切斷局部性發熱體的電阻上升，因而晶片等目標對象加熱面的各位置的溫度偏差顯著減小，具有能夠提高加熱面的溫度均一性的優點。
另外，以往技術為了抑制在製品表面發生毀損，存在需將陶瓷粉末燒結體製作得厚於所需以上的問題，但在本發明中，由於陶瓷切斷層的使用而不發生裂紋，可以使燒結體厚度的加工富餘更小，具有能夠降低陶瓷使用量的優點。
100:陶瓷加熱器
130:陶瓷粉末層
140:發熱體
110、150:陶瓷切斷層
115、155:BN(Boron Nitride)層
200:碳模具
S110~S130:步驟
第1圖是用於說明本發明一個實施例的陶瓷加熱器的圖。
第2圖是用於說明本發明一個實施例的陶瓷加熱器的製造過程的流程圖。
下面參照圖式，對本發明進行詳細說明。此時，在各個圖中，相同的構成要素儘可能用相同的標記代表。另外，省略對已經公知的功能及/或構成的詳細說明。以下公開的內容，以理解多樣實施例的運轉所需的部分為重點進行說明，省略對可能混淆該說明要旨的要素的說明。另外，圖式的一部分構成要素可以誇張、省略或概略地圖示。各構成要素的大小並非全面反映實際大小，因此，在此記載的內容並非由各個圖中繪製的構成要素的相對大小或間隔所限制。另外，在本發明中，所謂「層疊」，用作 規定各層的相對位置關係的意義。「A層上的B層」字樣的表述，表現了A層與B層的相對位置關係，不要求A層與B層必須接觸，也可以在其之間插置有第三層。類似地，「在A層與B層之間插置有C層」的表述，也不排除在A層與C層之間或B層與C層之間插置有第三層的情形。
第1圖是用於說明本發明一個實施例的陶瓷加熱器100的圖。
如果參照第1圖，本發明一個實施例的陶瓷加熱器100包括燒結陶瓷粉末層130而形成的陶瓷燒結體(以下標示為130’)及埋設於該陶瓷燒結體130’的發熱體140。陶瓷燒結體130’及陶瓷燒結體130’中埋設的發熱體140相當於陶瓷板。
在本發明中，陶瓷燒結體130’如第1圖所示，是在插入了發熱體140的陶瓷粉末層130的上下面，形成各個陶瓷切斷層110、150後，將陶瓷粉末層130在碳熔爐或碳模具200中藉由燒結過程進行處理而形成。
在燒結過程前，作為在陶瓷粉末層130上下面形成的各個陶瓷切斷層，即，作為沿第一陶瓷切斷層110與第二陶瓷切斷層150中某一者以上的內側包含BN(Boron Nitride)的非活性層，可以插置有BN層115/155。BN層115/155用作抑制陶瓷切斷層110、150與陶瓷燒結體130’反應的脫模劑。BN層115/155也可以利用包含BN的物質，以塗覆或噴霧形態形成，或進行燒結過程，以燒結體形態使用。
下面參照第2圖的流程圖，更詳細地說明本發明一個實施例的陶瓷加熱器100的製造過程。
第2圖是用於說明本發明一個實施例的陶瓷加熱器100的製造過程的流程圖。
如果參照第2圖，首先，在插入了發熱體140的陶瓷粉末層130的上下面，形成第一及第二陶瓷切斷層110、150的層疊結構(步驟S110)。在本發明中，該層疊結構及構成其的組件可以以各種方法製造。
例如，第一及/或第二陶瓷切斷層110、150可以在模具內塗覆或藉助於噴霧法而進行噴霧，另外，可以以成型體或燒結體形態提供。較佳地，該第一及/或第二陶瓷切斷層110、150以緻密的燒結體形態提供。脆性大、無燒成變形的緻密燒結體的第一及/或第二陶瓷切斷層110、150可以有效切斷來自外部的碳源的流入。
提供第一陶瓷切斷層110，接著在第一陶瓷切斷層110上形成埋設了發熱體140的陶瓷粉末層130。此時，陶瓷粉末層130可以以各種方式層疊。例如，作為陶瓷粉末層130的一部分而形成第一陶瓷粉末層，在該第一陶瓷粉末層上配置發熱體140後，在配置了發熱體140的第一陶瓷粉末層上覆蓋第二陶瓷粉末層，從而可以形成該陶瓷粉末層130。此時，第一陶瓷粉末層可以用以預定壓力進行加壓而能夠保持形狀的成型體形態提供。當然，整個陶瓷粉末層130也可以以加壓成型的成型體形態提供。在陶瓷粉末層130上，層疊第二陶瓷切斷層150。
在陶瓷粉末層130的上下面形成的各個陶瓷切斷層，即，在第一陶瓷切斷層110和第二陶瓷切斷層150中某一者與陶瓷粉末層130之間，作為用於脫模劑作用的非活性層，可以塗覆或以噴霧形態形成包含BN(Boron Nitride)的物質，或形成燒結體形態的BN層115/155。
在作為加熱器使用期間，發熱體140中發生熱，因而發熱體140埋設於耐熱性優秀、熱傳遞特性優秀的陶瓷粉末層130。發熱體140可以 由導電性材料構成，例如，可以由鎢(W)、鉬(Mo)、銀(Ag)、鎳(Ni)、金(Au)、鈮(Nb)、鈦(Ti)等多樣導電性材料的組合構成，形成為具有適當電阻值的電阻發熱體。
陶瓷粉末層130例如可以由Al2O3、Y2O3、Al2O3/Y2O3、ZrO2、AlC(Autoclaved lightweight concrete，高壓輕質混凝土)、TiN、AlN、TiC、MgO、CaO、CeO2、TiO2、BxCy、BN、SiO2、SiC、YAG、Mullite(多鋁紅柱石)、AlF3等或組合他們的多樣陶瓷材料粉末構成。
如上述，在陶瓷粉末層130中插入的發熱體140在燒結過程中與周圍的碳反應，在發熱體140中形成碳化物，從而會成為提高電阻、引起加熱面溫度不均一的原因。
但是，在本發明中，在燒結前，在陶瓷粉末層130上下形成各個陶瓷切斷層110/150。陶瓷粉末層130存在的碳微少，在發熱體140中生成碳化物的主要原因大部分是從外部流入的碳導致的。
在本發明中，覆蓋陶瓷粉末層130下面的第一陶瓷切斷層110與覆蓋陶瓷粉末層130上面的第二陶瓷切斷層150，使得可以在燒結過程中，在發熱體140中抑制因與從外部流入的碳的反應而生成碳化物。
第一陶瓷切斷層110和第二陶瓷切斷層150可以包括與陶瓷粉末層130相同的材料。但是，前述的陶瓷材料與碳的反應性低，因而較佳地，添加預定含量的稀土族(rare earth)氧化物，以便能夠與碳反應。例如，較佳地，第一陶瓷切斷層110和第二陶瓷切斷層150像陶瓷粉末層130那樣，包含氮化物，包含稀土族氧化物1~10重量%(wt%)。作為稀土族氧化物，例如可以利用LaAlO3、La2O3、Y2O3、LaAl3O6等各種稀土族氧化物。
如此地，形成具有在第一及第二陶瓷切斷層110、150之間插置有埋設了發熱體140的陶瓷粉末層130的夾層結構的層疊結構的成型體後，如第1圖所示，在碳熔爐或碳模具200中進行燒結過程處理，使得陶瓷粉末層130成為陶瓷燒結體(步驟S120)。
燒結過程可以藉由將碳熔爐或碳模具200加熱到陶瓷不分解的預定溫度(例如1500~2500℃)並保持預定時間(例如10小時以下)而實現。另外，較佳地，這種燒結過程在非氧化性氣氛下，例如在真空或N2氣氛下燒結。另外，該燒結過程可以藉助於通常的熱壓燒結(Hot press)而實現。
經過這種燒結過程後，去除陶瓷切斷層110、150(包括BN層115、155)，獲得包括陶瓷粉末層130燒結的陶瓷燒結體130’和埋設於陶瓷燒結體130’的發熱體140的用於陶瓷加熱器100的陶瓷板(步驟S130)。此時，由於如上述的非活性層的插置，而該陶瓷切斷層110、150可以容易地從該陶瓷粉末層130分離。
去除的陶瓷切斷層110、150以後可以重新用作新陶瓷加熱器的陶瓷切斷層。例如，陶瓷切斷層110/150在1次以上燒結過程中使用後可以再使用，在使用次數共10次以內可以再使用。
陶瓷燒結體中埋設的發熱體140利用藉由電極(圖上未示出)而從外部供應的電力(例如RF(射頻(Radio Frequency))電力)，根據電阻性質而發生熱。陶瓷板的一側面作為用於加熱目標對象的加熱面，可以是用於放置目標對象或在目標對象上方加熱的面。可以藉由陶瓷板的另一側面，結合用於向發熱體140供應電力的電極(圖上未示出)。
包括這種陶瓷板的陶瓷加熱器100可以為了將半導體晶片、玻璃基板、可撓性基板等多樣目的的熱處理目標對象在預定加熱溫度下進行熱處理而使用。為了半導體晶片處理，陶瓷加熱器也可以與靜電吸盤的功能結合使用。
表1是用於比較說明以往陶瓷加熱器與本發明一個實施例的陶瓷加熱器100的各條件下電阻變化率的圖。
Figure 107115714-A0305-02-0010-1
在表1中，針對在燒結過程中，在沒有堆疊層或切斷層的情況下而進行的情形(比較例#1)、如以往所示使用金屬堆疊層的情形(比較例#2)及使用本發明的陶瓷切斷層110、150的情形(實施例#1~#6)，顯示了陶瓷切斷層的使用次數、稀土族含量(wt%)等各條件下的電阻變化率。其中，在陶瓷切斷層110/150中使用了AlN，作為能與碳反應的稀土族氧化物，使用了添加Y2O3者。
如表1所示，首先，如果稀土族氧化物的含量超過10wt%，則在燒結期間，陶瓷切斷層110/150上液態出現升高，與碳熔爐或碳模具200 反應，從而經燒結處理的製品難以進行裝拆。因此，較佳地，在陶瓷切斷層110/150中，稀土族氧化物添加10wt%以下。另外，當稀土族氧化物含量不足1wt%時，抑制發熱體碳化的效果也會微弱。
另外確認了作為原料物質的陶瓷粉末層130內含有的碳含量導致的發熱體140的電阻變化率不大。
另外，陶瓷切斷層110/150雖然為了燒結其他陶瓷粉末成型體而可以再使用，但如表1所示，確認了如果使用次數達到共10次以上，則發熱體140的電阻變化率開始上升。
而且，如果比較以往在沒有堆疊層或切斷層的情況下進行的情形(比較例#1)、如以往所示使用金屬堆疊層的情形(比較例#2)和本發明，可以確認，在使用了本發明的陶瓷切斷層110、150的實施例#1、#2、#5、#6的情況下，當接入電力而使用陶瓷加熱器100時，陶瓷板加熱面不同位置的溫度偏差得到相當改善，如表1所示，在根據本發明實施例而製造的情況下，可以視為這是由於因局部性碳化物生成導致電阻增加而發生的熱區(hot zone)的電阻變化率比以往技術低。
在以往技術中，為了減小發熱體的電阻變化，使用金屬堆疊構件(例如4A、5A、6A族金屬)，屏蔽從外部的碳流入，可以在某種程度上降低發熱體的電阻。即，這種金屬堆疊構件減少從外部流入的碳，減小發熱體進行碳化的面積，從而可以在某種程度上降低發熱體的電阻。但是，這種以往技術雖然能夠降低發熱體整體的電阻變化，但無法阻止發熱體的電阻變化局部地不均一地發生。另外，以往的金屬堆疊構件一次性使用，由於與碳反應而在燒結過程中急劇碳化並出現脆性，因而在使用時誘發裂 紋(crack)，發生的裂紋起到碳源的流入路徑的作用。另外，金屬堆疊的碳化反應還在製品表面誘發毀損。因此，只能將粉末燒結體製作得厚於所需以上，而後去除毀損部位。
但是，如上述，根據本發明的陶瓷加熱器100，沿埋設發熱體的陶瓷粉末成型體上下形成陶瓷切斷層110/150，還形成用於脫模劑作用的BN層115/155，從而在燒結過程中，可以降低發熱體140整體的電阻變化，局部性電阻變化率也可以得到改善。即，藉由在本發明中使用陶瓷切斷層110/150，從而在燒結過程中，可以顯著減少脆性碳化物的形成及因此導致裂紋的發生。因此，本發明藉助於陶瓷切斷層110/150的使用而切斷相當部分流入的碳，從而可以在燒結過程中降低發熱體140整體的電阻變化，局部性電阻變化率也可以得到改善。進而，使得用於脫模劑作用的BN層115/155不與陶瓷粉末層130發生反應，從而在切斷來自陶瓷切斷層110/150的碳方面更有利，也有利於陶瓷切斷層110/150的再使用。
另外，在發熱體140中局部發生嚴重碳化的部分，在燒結後，當作為加熱器運轉時，在相應部分發熱量增加，在其周圍會形成熱區。根據本發明，切斷了諸如熱區的局部性位置的發熱體電阻上升可能性，因而晶片等目標對象加熱面的各位置的溫度偏差顯著減小，具有可以提高加熱面的溫度均一性的優點。另外，以往技術為了抑制在制品表面發生創傷，存在需要將陶瓷粉末燒結體製作得厚於所需以上的問題，但在本發明中，藉由使用反應性低的陶瓷切斷層110/150，從而可以使燒結體厚度的加工富餘更小，具有能夠降低陶瓷粉末成型體的使用量的優點。
如上所述，本發明根據諸如具體構成要素等的特定事項和限 定的實施例及圖式進行了說明，但這只是為了幫助更全面理解本發明而提供，並非將本發明限定於該實施例，只要是本發明所屬技術領域中具有通常知識者，便可以在不超出本發明的本質性特性的範圍內進行各種修改及變形。因此，本發明的思想並非限於說明的實施例，本發明的範圍應解釋為不僅包含所附發明申請專利範圍中所述之範圍，還包含與發明申請專利範圍中所述之範圍等同或等價的變形的所有技術思想。
S110~S130:步驟

Claims (9)

  1. 一種陶瓷加熱器的製造方法，其包括：進行在一第一陶瓷切斷層及一第二陶瓷切斷層之間插置有埋設了一發熱體的一陶瓷粉末層的一夾層結構的一層疊結構的成型步驟；以及在碳熔爐或碳模具中燒結該層疊結構的成型體的步驟；該第一陶瓷切斷層及第二陶瓷切斷層在燒結該層疊結構的成型體過程中，切斷由該碳熔爐或碳模具產生的碳進入該發熱體內，在該第一陶瓷切斷層及第二陶瓷切斷層各自與該陶瓷粉末層之間插置有BN層，該BN層是包含氮化硼(Boron Nitride，BN)作為脫模劑的非活性層，使得燒結之後該第一陶瓷切斷層及第二陶瓷切斷層易於從陶瓷燒結體分離。
  2. 如請求項1所述的陶瓷加熱器的製造方法，其中，該層疊結構的成型步驟包括：提供該第一陶瓷切斷層的步驟；在該第一陶瓷切斷層上提供埋設了該發熱體的該陶瓷粉末層的步驟；以及在該陶瓷粉末層上提供該第二陶瓷切斷層的步驟。
  3. 如請求項2所述的陶瓷加熱器的製造方法，其中，該陶瓷粉末層提供步驟包括： 提供一第一陶瓷粉末層的步驟；在該第一陶瓷粉末層上配置該發熱體的步驟；以及在配置有該發熱體的該第一陶瓷粉末層上提供一第二陶瓷粉末層的步驟。
  4. 如請求項3所述的陶瓷加熱器的製造方法，其中，在該提供該第一陶瓷粉末層的步驟中，該第一陶瓷粉末層為成型體。
  5. 如請求項3所述的陶瓷加熱器的製造方法，其中，在該提供該第二陶瓷粉末層步驟之後，進一步包括：對該第一陶瓷粉末層、該發熱體以及該第二陶瓷粉末層進行加壓成型的步驟。
  6. 如請求項1所述的陶瓷加熱器的製造方法，其中，該第一陶瓷切斷層以及該第二陶瓷切斷層包含稀土族氧化物。
  7. 如請求項6所述的陶瓷加熱器的製造方法，其中，該第一陶瓷切斷層以及該第二陶瓷切斷層包含氮化物以及稀土族氧化物，該稀土族氧化物為該第一陶瓷切斷層以及該第二陶瓷切斷層的10重量%以下。
  8. 如請求項1所述的陶瓷加熱器的製造方法，其中，該第一陶瓷切斷層以及該第二陶瓷切斷層為燒結體。
  9. 如請求項1所述的陶瓷加熱器的製造方法，其中， 該第一陶瓷切斷層以及該第二陶瓷切斷層在燒結過程中，在該發熱體中，藉助於與從外部流入的碳的反應而降低碳化物的局部性生成。
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