(57)【要約】【課題】作動温度においても均一に放熱し、応力のないヒーターエレメントを提供する。【解決手段】本発明のヒーターエレメントは、連続的な平面状の帯状体と、複数の取り付け要素と、を備える。連続的な帯状体の第１の端部から第２の端部までの経路は、曲がりくねっており、複数の繰り返しのサイクルを備え、各繰り返しのサイクルは、複数の第１の直線状の部分と、複数の第２の直線状の部分と、複数の丸みをつけた部分と、を備える。第１の直線状の部分の長さは、第２の直線状の部分の長さよりも長く、曲がりくねった経路のうちの１つのサイクルの角度の合計は、３６０度よりも大きい。このヒーターエレメントは、例えば半導体処理装置用のヒーター組立体に組み込むことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続的な平面状の帯状体を備えるヒーターエレメントであって、
前記連続的な帯状体の第１の端部から第２の端部までの経路が曲がりくねっており、複数の繰り返しのサイクルを有し、各繰り返しのサイクルが、複数の第１の直線状の部分と、複数の第２の直線状の部分と、複数の丸みをつけた部分と、を備え、前記第１の直線状の部分の長さが、前記第２の直線状の部分の長さよりも長く、前記曲がりくねった経路の１つのサイクルの角度の合計が、３６０度よりも大きい、
ヒーターエレメント。
【請求項２】
前記複数の第１の直線状の部分が、第２のグループに対して非平行な第１のグループを備える、請求項１に記載のヒーターエレメント。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のヒーターエレメントであって、
前記複数の第１の直線状の部分が、ヒーターエレメントの第１の端部からヒーターエレメントの第２の端部に向かって方向付けられた軸に対し、直角方向に配置され、前記複数の第２の直線状の部分が、前記軸に対して、長手方向に配置されている、
ヒーターエレメント。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のヒーターエレメントであって、
前記複数の第２の直線状の部分が、ヒーターエレメントの第１の端部からヒーターエレメントの第２の端部に向かって方向付けられた軸に対し、長手方向に配置され、どの２つの第２の直線状の部分も、互いに平行である、
ヒーターエレメント。
【請求項５】
請求項１又は２に記載のヒーターエレメントであって、
２つの丸みをつけた部分と１つの第２の直線状の部分とが、１つの丸い突出部を形成し、前記１つのサイクルが、２つの丸い突出部を有し、１つの第２の直線状の部分が、２つの丸みをつけた部分を分離している、
ヒーターエレメント。
【請求項６】
請求項５に記載のヒーターエレメントであって、
１つの丸い突出部の角度の合計が、１８０度よりも大きく、１８０度よりも大きくて約２００度までが好ましく、約１８５度から約１９０度までであることが更に好ましい、ヒーターエレメント。
【請求項７】
請求項１又は２に記載のヒーターエレメントであって、丸みをつけた部分の角度が、９０度と１３５度の間であり、９０度と１００度の間であることが好ましい、ヒーターエレメント。
【請求項８】
請求項１又は２に記載のヒーターエレメントであって、１つのサイクルの、２つの第１の直線状の部分の長さと、１つの第２の直線状の部分の長さの合計の、２つの丸みをつけた部分の長さの合計に対する比率が、２．０よりも大きく、２．２よりも大きいことが好ましい、ヒーターエレメント。
【請求項９】
請求項１又は２に記載のヒーターエレメントであって、複数の取り付け要素を備え、前記複数の取り付け要素が、前記曲がりくねった経路に沿った複数の場所で、前記連続的な帯状体の周辺から延びる、ヒーターエレメント。
【請求項１０】
請求項９に記載のヒーターエレメントであって、前記曲がりくねった経路が、波状の経路であり、前記複数の場所が、前記波状の経路の内側縁部上にあり、前記波状の経路の横方向最大の位置に近接している、ヒーターエレメント。
【請求項１１】
請求項９に記載のヒーターエレメントであって、前記曲がりくねった経路が、波状の経路であり、前記複数の場所が、前記波状の経路の外側縁部上にあり、前記波状の経路の横方向最大の位置に近接している、ヒーターエレメント。
【請求項１２】
請求項９に記載のヒーターエレメントであって、前記複数の取り付け手段の連続した位置が、前記連続的な帯状体の交互の周辺端部の上にある、ヒーターエレメント。
【請求項１３】
請求項９に記載のヒーターエレメントであって、前記連続的な平面状の帯状の放熱面が、ヒーターエレメントの中で広がり、第１の平面に備えられ、前記複数の取り付け要素が、前記連続的な帯状体と一体的に形成され、前記連続的な帯状体の周辺から第２の平面内に延び、前記第２の平面が、前記第１の平面とは異なる平面である、ヒーターエレメント。
【請求項１４】
請求項１３に記載のヒーターエレメントであって、前記取り付け要素が、ベース端部と、末端部と、を備え、更に、前記ヒーターエレメントが、前記ベース端部に、一体化されたスペーサーを備える、ヒーターエレメント。
【請求項１５】
請求項１４に記載のヒーターエレメントであって、前記ヒーターエレメントが基板に取り付けられる場合に、前記ベース端部から延びる前記一体化されたスペーサーの長さが、前記ヒーターエレメントの離間距離を形成する、ヒーターエレメント。
【請求項１６】
請求項９に記載のヒーターエレメントであって、
前記連続的な平面状の帯状体の放熱面が、第１の平面の中で広がり、第１の平面に備えられ、前記複数の取り付け要素が、前記連続的な帯状体の上に一体的に形成された開口部と、ピンとスペーサーを含む延長組立体と、を備え、前記ピンが、第２の平面内で延びるために前記開口部内に可動に配置され、前記第２の平面が、第１の平面とは異なる平面である、ヒーターエレメント。
【請求項１７】
請求項３に記載のヒーターエレメントであって、前記曲がりくねった経路が、前記軸に対して、擬似正弦曲線である、ヒーターエレメント。
【請求項１８】
請求項３に記載のヒーターエレメントであって、前記曲がりくねった経路が、前記軸に対して、擬似矩形である、ヒーターエレメント。
【請求項１９】
請求項１に記載のヒーターエレメントであって、前記ヒーターエレメントが、電気抵抗合金製であり、鉄、クロム、アルミニウム合金製であることが好ましい、ヒーターエレメント。
【請求項２０】
請求項１に記載のヒーターエレメントであって、前記ヒーターエレメントの第１の端部又は第２の端部に電力端子を備える、ヒーターエレメント。
【請求項２１】
ヒーター組立体であって、
絶縁体基板と、
請求項１から２０のいずれか１項に記載のヒーターエレメントと、
を備え、
前記ヒーターエレメントが、複数の取り付け要素によって絶縁体基板に対して間隔をあけて取り付けられている、
ヒーター組立体。
【請求項２２】
請求項２１に記載のヒーター組立体であって、前記絶縁体基板が、絶縁体材料で形成され、前記絶縁体材料が、アルミナ製の表面層と、混合セラミック製の繊維の裏板層と、を備えるセラミック繊維の複合物であることが好ましい、ヒーター組立体。
【請求項２３】
ヒーター組立体を製造する方法であって、前記方法が、
電気抵抗合金から、放熱面と複数の取り付け要素とを有する連続的な平面状の帯状体を備えるヒーターエレメント本体を形成する工程と、
前記連続的な平面状の帯状体に関して、平面から前記複数の取り付け要素を曲げ成形する工程と、
前記複数の取り付け要素を、前記取り付け要素の上に一体化されたスペーサーが基板に接触するまで、基板に挿入する工程と、
を備え、
第１の端部から第２の端部への連続的な帯状体の経路は、曲がりくねっており、複数の繰り返しのサイクルを有し、各繰り返しのサイクルは、複数の平行でない第１の直線状の部分と、第２の直線状の部分と、複数の丸みをつけた部分と、を有し、
第１の直線状の部分の長さは、第２の直線状の部分の長さよりも長く、曲がりくねった経路の１つのサイクルの角度の合計は、３６０度よりも大きい、
方法。
【請求項２４】
ヒーター組立体を製造する方法であって、前記方法が、
電気抵抗合金から、放熱面を有する連続的な平面状の帯状体を備えるヒーターエレメント本体を形成する工程と、
複数の取り付け要素を、前記連続的な平面状の帯状体の上に一体化されて形成された開口部を通して、前記取り付け要素に関するスペーサーが基板に接触するまで、基板に挿入する工程と、
を備え、
第１の端部から第２の端部への連続的な帯状体の経路は、曲がりくねっており、複数の繰り返しのサイクルを有し、各繰り返しのサイクルは、複数の平行でない第１の直線状の部分と、第２の直線状の部分と、複数の丸みをつけた部分と、を有し、
第１の直線状の部分の長さは、第２の直線状の部分の長さよりも長く、曲がりくねった経路の１つのサイクルの角度の合計は、３６０度よりも大きい、
方法。
【請求項２５】
前記ヒーターエレメントに電源を取り付ける工程を更に備える、請求項２３又は２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒーターエレメントに関する。本発明は、特に、炉用、例えば半導体処理炉用の、帯状ヒーターエレメントに関し、直線状の部分と丸みをつけた部分とを有する曲がりくねった経路を備え、熱延びと収縮とを吸収するのに有利である。
【背景技術】
【０００２】
以下の背景技術に関する記載において、特定の構造や方法が参照されている。しかし、以下の引用は、これらの構造や方法が先行技術であるという告白として解釈されてはならない。出願人は、そのような構造や方法が先行技術としての資格を有さないことを証明する権利を留保する。
【０００３】
従来のヒーターエレメントは、通常、様々な設計と形状のワイヤー又は板金で形成されている。しかし、ワイヤー製のパターン化された要素は、通常、これを取り囲む媒体、例えば絶縁体に、埋め込まれるか又は半埋め込みにされるために、作動温度が制限されている。更に、ワイヤー製のパターン化された要素は、一般的に、精密に成形されておらず、高度に労働集約的であって、質量に対する表面積比が中程度で、その結果、熱しやすく冷めやすい。矩形パターンが主体の板金製ヒーターエレメントでは、不均一性に悩まされ、一方、連続的にカーブしたパターンの板金製ヒーターエレメントでは、大きな応力を生じ易く、ヒーターエレメントが作動温度で膨張する場合、両方の影響がより顕著になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
作動温度においても均一に放熱し、応力の発生しないヒーターエレメントは、有利である。このようなヒーターエレメントを炉に備えることができれば、物品の処理を改善することができる。このようなヒーターエレメントは、例えば、半導体ウエハの処理用の半導体処理炉に適用することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
典型的なヒーターエレメントは、連続的な平面状の帯状体を備え、この連続的な帯状体の第１の端部から第２の端部までが、曲がりくねって、複数の繰り返しのサイクルを備え、各繰り返しのサイクルが、複数の第１の直線状の部分と、複数の第２の直線状の部分と、複数の丸みをつけた部分と、を備え、第１の直線状の部分の長さが、第２の直線状の部分の長さよりも長く、曲がりくねった経路の１つのサイクルの角度の合計が、３６０度よりも大きい。
【０００６】
本発明のヒーター組立体の典型的な実施形態では、複数の取り付け要素によって絶縁体用基板に対して間隔をあけて取り付けられるヒーターエレメントを、備えている。
【０００７】
ヒーター組立体の製造方法の典型的な実施形態は、電気抵抗合金から、放熱面と複数の取り付け要素とを有する連続的な平面状の帯状体を備えるヒーターエレメント本体を形成する工程と、連続的な平面状の帯状体に関して、平面から複数の取り付け要素を曲げ成形する工程と、複数の取り付け要素を、取り付け要素の上に一体化されたスペーサーが基板に接触するまで、基板に挿入する工程と、を備え、第１の端部から第２の端部への連続的な帯状体の経路は、曲がりくねっており、複数の繰り返しのサイクルを有し、各繰り返しのサイクルは、複数の平行でない第１の直線状の部分と、第２の直線状の部分と、複数の丸みをつけた部分と、を有し、第１の直線状の部分の長さは、第２の直線状の部分の長さよりも長く、曲がりくねった経路の１つのサイクルの角度の合計は、３６０度よりも大きい。
【０００８】
ヒーター組立体の製造方法の別の典型的な実施形態は、電気抵抗合金から、放熱面を有する連続的な平面状の帯状体を備えるヒーターエレメント本体を形成する工程と、複数の取り付け要素を、連続的な平面状の帯状体の上に一体的に形成された開口部を通して、取り付け要素に関するスペーサーが基板に接触するまで、基板に挿入する工程と、を備え、第１の端部から第２の端部への連続的な帯状体の経路は、曲がりくねっており、複数の繰り返しのサイクルを有し、各繰り返しのサイクルは、複数の平行でない第１の直線状の部分と、第２の直線状の部分と、複数の丸みをつけた部分と、を有し、第１の直線状の部分の長さは、第２の直線状の部分の長さよりも長く、曲がりくねった経路の１つのサイクルの角度の合計は、３６０度よりも大きい。
【０００９】
前述の一般的な説明と以下の詳細な説明とは、典型例であり、説明用の記載であって、請求項の発明を更に説明するものと、理解すべきである。
【００１０】
以下の詳細な説明は、添付の図面と関連して読むことができ、添付の図面の中で、類似の符号は、類似の要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、ヒーターエレメントの実施形態の略図の平面図である。
【図２】図２は、ヒーターエレメントの更なる実施形態の略図の平面図である。
【図３Ａ】図３Ａと図３Ｂは、ヒーター組立体の典型的な実施形態の、２つの異なった分解斜視図を示す。
【図３Ｂ】図３Ａと図３Ｂは、ヒーター組立体の典型的な実施形態の、２つの異なった分解斜視図を示す。
【図４Ａ】図４Ａと図４Ｂは、ヒーター組立体の別の典型的な実施形態の、２つの異なった分解斜視図を示す。
【図４Ｂ】図４Ａと図４Ｂは、ヒーター組立体の別の典型的な実施形態の、２つの異なった分解斜視図を示す。
【図５Ａ】図５Ａ〜図５Ｃは、ヒーターエレメントの典型的な実施形態の一部を示し、取り付け要素の第１の実施形態を含んでいる。
【図５Ｂ】図５Ａ〜図５Ｃは、ヒーターエレメントの典型的な実施形態の一部を示し、取り付け要素の第１の実施形態を含んでいる。
【図５Ｃ】図５Ａ〜図５Ｃは、ヒーターエレメントの典型的な実施形態の一部を示し、取り付け要素の第１の実施形態を含んでいる。
【図６】図６は、ヒーターエレメントの別の典型的な実施形態の一部を示し、取り付け要素の第２の実施形態を含んでいる。
【図７Ａ】図７Ａ〜図７Ｄは、平面図であり、ヒーターエレメントの様々な実施形態を示し、ヒーターエレメントは、一体化された取り付け要素と分離した要素である取り付け要素の組み合わせを備えている。
【図７Ｂ】図７Ａ〜図７Ｄは、平面図であり、ヒーターエレメントの様々な実施形態を示し、ヒーターエレメントは、一体化された取り付け要素と分離した要素である取り付け要素の組み合わせを備えている。
【図７Ｃ】図７Ａ〜図７Ｄは、平面図であり、ヒーターエレメントの様々な実施形態を示し、ヒーターエレメントは、一体化された取り付け要素と分離した要素である取り付け要素の組み合わせを備えている。
【図７Ｄ】図７Ａ〜図７Ｄは、平面図であり、ヒーターエレメントの様々な実施形態を示し、ヒーターエレメントは、一体化された取り付け要素と分離した要素である取り付け要素の組み合わせを備えている。
【図８】図８は，一体化された取り付け要素と分離した要素である取り付け要素の組み合わせを備えているヒーター組立体の実施形態の分解斜視図である。
【図９Ａ】図９Ａと図９Ｂは、図１に示すヒーターエレメントの実施形態の、モデル化された温度分布を示す図であり、図９Ａは、取り付け要素の第１の実施形態を示し、図９Ｂは、取り付け要素の第２の実施形態を示している。
【図９Ｂ】図９Ａと図９Ｂは、図１に示すヒーターエレメントの実施形態の、モデル化された温度分布を示す図であり、図９Ａは、取り付け要素の第１の実施形態を示し、図９Ｂは、取り付け要素の第２の実施形態を示している。
【図１０】図１０は、図２に示すヒーターエレメントの実施形態の、モデル化された温度分布を示す図である。
【図１１】図１１は、先行技術のヒーターエレメントの、モデル化された温度分布を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａと図１２Ｂは、複数のヒーターエレメントを備えるヒーター組立体の、典型的な実施形態の、２つの異なる斜視図を示している。
【図１２Ｂ】図１２Ａと図１２Ｂは、複数のヒーターエレメントを備えるヒーター組立体の、典型的な実施形態の、２つの異なる斜視図を示している。
【図１３Ａ】図１３Ａ〜図１３Ｅは、ヒーターエレメント取り付けの実施例を示す。
【図１３Ｂ】図１３Ａ〜図１３Ｅは、ヒーターエレメント取り付けの実施例を示す。
【図１３Ｃ】図１３Ａ〜図１３Ｅは、ヒーターエレメント取り付けの実施例を示す。
【図１３Ｄ】図１３Ａ〜図１３Ｅは、ヒーターエレメント取り付けの実施例を示す。
【図１３Ｅ】図１３Ａ〜図１３Ｅは、ヒーターエレメント取り付けの実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ヒーターエレメント１０の実施形態は、連続的な平面状の帯状体１２と、複数の取り付け要素１４と、を備える。帯状体１２の第１の端部１６から第２の端部１８までの連続的な経路は、曲がりくねっており、複数の繰り返しのサイクル２０を備える。各繰り返しのサイクル２０は、複数の平行でない第１の直線状の部分２２と、複数の第２の直線状の部分２４と、複数の丸みをつけた部分２６と、を備える。曲がりくねった経路の１つのサイクルの角度の合計は、３６０度よりも大きい。
【００１３】
ヒーターエレメント１０は、普通、第１の平面内で延び、第１の平面内に含まれる、放熱面３０を有する。この平面内において、複数の第１の直線状の部分２２は、ヒーターエレメント１０の第１の端部３４からヒーターエレメント１０の第２の端部３６に向かって方向付けられた軸３２に対し、普通、直角方向に配置されており、例えば、軸３２に対して直角プラスマイナス１５度以内に配置されている。複数の第２の直線状の部分２４は、軸３２に対して、普通、長手方向に配置され、例えば、軸３２に対して、平行プラスマイナス１５度以内に配置されている。一実施形態において、どの２つの連続的な第１の直線状の部分も、普通、プラスマイナス１５度以内、又はプラスマイナス５度以内の平行ではなく、どの２つの連続的な第２の直線状の部分も、普通、プラスマイナス１５度以内、又はプラスマイナス５度以内の平行である。或いは、どの２つの連続的な第１の直線状の部分２２も、厳密に非平行であり、又は、どの２つの連続的な第２の直線状の部分２４も、厳密に平行である。軸３２は、従来どおり、Ｘ軸方向に向けられている。
【００１４】
一実施形態において、曲がりくねった経路の１つのサイクル２０は、２つの第１の直線状の部分２２と、２つの第２の直線状の部分２４と、４つの丸みをつけた部分２６と、を備える。１つのサイクル２０は、２つの丸い突出部３８を備える。各々の丸い突出部３８は、２つの丸みをつけた部分２６と、１つの第２の直線状の部分２４と、を備える。１つの第２の直線状の部分２４は、２つの丸みをつけた部分２６を分離している。
【００１５】
丸みをつけた部分は、どんな形状でもとることができる。図１は、ヒーターエレメント１０の実施形態の略図であり、平面図である。図１に示された実施形態のサイクル２０は、丸みをつけた部分２６と第１の直線状の部分２２とのインターフェース４０から、丸みをつけた部分２６と第２の直線状の部分２４とのインターフェース４２まで連続的に丸みをつけられた、丸みをつけた部分２６を備える。この形態では、サイクル２０は、軸３２に関して擬似正弦曲線であり、プラス方向の領域（中心線の軸３２に対するｙ軸方向のプラスに向かう方向）と、マイナス方向の領域（中心線の軸３２に対するｙ軸方向のマイナスに向かう方向）との両方を備えている。図２は、平面図であり、ヒーターエレメント１０の別の実施形態の略図である。図２に示される実施形態のサイクル２０は、丸みをつけた部分２６と第１の直線状の部分２２とのインターフェース４０から、丸みをつけた部分２６と第２の直線状の部分２４とのインターフェース４２まで、直線状の部分と連続的に丸みをつけられた部分との両方を有する、丸みをつけた部分２６を備える。この形態では、サイクル２０は、軸３２に関して、擬似矩形であり、丸い突出部３４の経路方向の変化が矩形から外れており、プラス方向の領域とマイナス方向の領域との両方を備えている。
【００１６】
ヒーターエレメント１０の、擬似正弦曲線と擬似矩形の形状の両者における丸みをつけた部分２６は、内側半径ｒ１と外側半径Ｒ２とを有す。各丸みをつけた部分２６は、丸みをつけた部分２６の、長さＬｒにわたる曲がりくねった経路の方向の、角度変化を示す関係角度αを有す。個々の丸みをつけた部分２４に関して、丸みをつけた部分の典型的な実施形態は、９０度と１３５度の間の角度αを有し、すなわち、９０度＜α＜１３５度であり、或いは、９０度と１００度の間、すなわち、９０度＜α＜１００度である。
【００１７】
実施形態において、１つの丸い突出部３８の角度αの角度合計βは、１８０度よりも大きく、１８０度よりも大きくて約２００度までであることが好ましく、１８５度から約１９０度までであることが更に好ましい。例えば、丸い突出部３８の角度合計βは、次の式で表される。
【数１】
2010238658.tif 000003
ここで、ｎ＝丸い突出部の丸みをつけた部分の数、である。各サイクルは、２つの丸い突出部を有するので、曲がりくねった経路の１つのサイクルに関する角度αの合計は、３６０度よりも大きく、３６０度よりも大きく約４００度までが好ましく、約３７０から約３８０度が更に好ましい。
【００１８】
１８０度よりも大きい角度合計βは、丸い突出部３８に隣接する２つの第１の直線状の部分２２が非平行である結果である。このような非平行の関係は、図１と図２に見ることができる。丸い突出部３８の内側の面に向かって、丸い突出部３８に隣接する２つの第１の直線状の部分２２は、距離Ｄ１によって分離されており、距離Ｄ１は、同じ２つの第１の直線状の部分２２を連続的なプラス方向か又はマイナス方向の部分において丸い突出部３８の間の開口部４６の口４４の近くで分離している距離Ｄ２よりも、大きい。Ｄ１は、第１の直線状の部分２２の第１の端部で測られ、Ｄ２は、第１の直線状の部分２２の第２の端部で測られる。
【００１９】
ヒーターエレメント１０の曲がりくねった経路は、平面状のヒーターエレメント１０のセンターラインにあるライン５０として示すことができる。図１と２は、図示した実施形態中に、ライン５０の位置を示している。このライン５０は、曲がりくねった経路の距離を計るのに用いることができ、丸みをつけた部分２６の角度αと、第１の直線状の部分２２の長さＬ１と、第２の直線状の部分２４の長さＬ２と、丸みをつけた部分２６の長さＬｒと、を計るのに用いることができる。第１の直線状の部分２２の長さＬ１は、第２の直線状の部分２４の長さＬ２よりも長い。
【００２０】
放熱のエネルギー放散の均一性は、均一な断面と表面積を有する均質な伝導体の方が大きいことを、当業者ならば理解できるであろう。従って、曲がった部分の長さに対して直線状の部分の長さの比率を最大にすることが、好ましい。下記の関係が、高い均一性と、高い充填率（放熱板の表面エネルギーに対する基板の表面エネルギーの比率）と、を生み出し、放熱部の応力を最小にするということが、実験的に結論付けられた。更にこの関係は、過渡的な状況の間、及び、ヒーターエレメントの有効寿命にわたって、膨張を吸収し、制御する。
【００２１】
実施形態において、１つのサイクルの第１の直線状の部分２２の長さと、第２の直線状の部分２４の長さと、丸みをつけた部分２６の長さは、下記の関係を満たす。
【数２】
2010238658.tif 000004
ここで、Ｌ1,Aは、初めの第１の直線状の部分２２の長さＬ１であり、Ｌ1,Bは、２番目の第１の直線状の部分２２の長さＬ１であり、Ｌ2,Aは、初めの第２の直線状の部分２４の長さＬ２であり、Ｌ2,Bは、２番目の第２の直線状の部分２４の長さＬ２であり、Ｌr,aは、初めの丸みをつけた部分２６の長さＬrであり、Ｌr,bは、２番目の丸みをつけた部分２６の長さＬrである。また、上記の関係は、２.２よりも大きく、２．２よりも大きくて１０．０未満までであるか又は５．０未満までである。この関係は、丸みをつけた部分の長さに対する、直線状の部分の長さの比率を意味する。放熱面の均一な幅に対しては、この関係は、丸みをつけた部分に対する直線状の部分の表面積の比率でもある。適切な幅の一例は、８ｍｍである。長さは、放熱経路の中央で測られ、すなわち、ライン５０に沿って測られる。
【００２２】
図３Ａ〜図３Ｂと図４Ａ〜図４Ｂは、ヒーター組立体の２つの典型的な実施形態の２つの異なる分解斜視図である。ヒーター組立体１００は、ヒーターエレメント１０と絶縁体１０２とを備える。絶縁体１０２は、適切な絶縁体であれば何でもよい。一実施形態において、絶縁体１０２は、アルミナ表面層１０６を有する絶縁体基板１０４を備える。他の適切な絶縁体１０２は、絶縁体材料、望ましくはアルミナ表面層と混合されたセラミック繊維裏板層を有するセラミック繊維複合物、で形成された基板を備える。ヒーターエレメント１０は、本明細書、例えば図１と図２のいずれかに開示し記載する、適切なヒーターエレメントとすることができる。図３Ａ〜図３Ｂ、図４Ａ〜図４Ｂ、図８に示すように、ヒーターエレメントは、図１に示すような擬似正弦曲線である。
【００２３】
ヒーターエレメント１０は、複数の取り付け要素１４を備える。取り付け要素１４は、曲がりくねった経路に沿った複数の場所で、連続的な帯状体１２の複数の周辺６０から延びる。取り付け要素は、適切な箇所ならどこに配置してもよい。図１〜図４に示すような実施形態において、取り付け要素１４は、経路の横方向最大位置に近くの、すなわち丸い突出部３８のプラス方向の又はマイナス方向の部分の最大位置又はその近くの、経路の内側縁部の上にある。或いは、取り付け要素１４は、経路の横方向最大位置に近くの、すなわち丸い突出部３８のプラス方向の又はマイナス方向の部分の最大位置又はその近くの、経路の外側縁部の上にある。或いは、取り付け要素１４は、連続的な帯状体の交互の周辺端部の上にあり、経路の横方向最大位置に近く、すなわち丸い突出部３８のプラス方向の又はマイナス方向の部分の最大位置又はその近く、であることが好ましい。
【００２４】
図３Ａ〜図３Ｂと図５Ａ〜図５Ｃに示すように、複数の取り付け要素１４は、連続的な帯状体１２と一体的に形成することができ、第２の平面内で、連続的な帯状体１２の周辺６０から延びることができる。
【００２５】
第１の実施形態において、取り付け要素１４は、ベース端部６２と、末端部６４と、を有し、ベース端部６２に、一体化されたスペーサー６６を備える。一体化されたスペーサー６６がベース端部６２から延びる長さは、ヒーターエレメント１０が基板１０２に取り付けられる場合の、連続的な帯状体１２に対する離間距離を形成する。ワッシャー６８又は他の平面体は、一体化されたスペーサー６６が絶縁体１０２の中に埋め込まれるのを防止するために、任意に備えることができる。図５Ａは、一体的に形成された取り付け要素１４を示しており、取り付け要素１４は、連続的な帯状体１２の平面から約９０度の角度で延びている。図５Ｂでは、ワッシャー６８が、取り付け要素１４の上に置かれ、ワッシャー６８は、一体化されたスペーサー６６が絶縁体１０２の中に埋め込まれるのを防止するように機能する。スペーサー６６とワッシャー６８が姿勢を形成するために絶縁体１０２の表面と接触するまで、図５Ｃは、スペーサー６６とワッシャー６８が絶縁体１０２の表面に接触して離間距離Ｄｏとなるまで、ヒーター組立体１００の末端部６４が絶縁体１０２に入り込んでいる、完全に組み立ったヒーター組立体１００の一部を示している。一体化された取り付け手段は、帯状体のパターンの横方向の寸法に関して、ほぼ平らな形状に取り付けられると、有利である。
【００２６】
図４Ａ〜図４Ｂと図６に示すように、複数の取り付け要素１４は、連続的な帯状体１２の上に一体的に形成された開口部７０と、ピン７２を含む延長組立体と、スペーサー７４と、を備える、分離した要素とすることができる。連続的な帯状体１２を、絶縁体１０２に取り付けるために、ピン７２は、開口部７０に作動可能に配置され、第２の平面内で延びる。ピン７２はまた、スペーサー７４を所定の位置に固定し、ヒーターエレメント１０と絶縁体１０２との間の離間距離を与える。別のワッシャー７６は、絶縁体１０２の反対側に、任意に配置され、支持や固定を与える。取り付け要素１４が分離した要素である場合には、取り付け要素１４は、セラミック製と、金属製と、又は複合構造と、を組み込むことができる。適切なスペーサーのもう１つの例は、ヒーターエレメントと基板との間の所望の離間距離に等しい長さのチューブである。分離した要素を有する取り付け要素は、ヒーターエレメントのパターンの横方向の寸法に関してカーブした形状の場合に、取り付けが有利である。
【００２７】
第２の平面は、放熱面３０が広がり放熱面３０が含まれる第１の平面とは、異なる。例えば、第１の平面は、ＸＹ平面に一致するように配置され、第２の平面は、ＹＺ平面又はＸＺ平面に一致するように配置される。座標は、右側の、３次元のデカルト座標系である。
【００２８】
更なる実施形態において、一体化された取り付け要素、例えば図１に示す取り付け要素１４と、分離した要素からなる取り付け要素、例えば図４Ａ〜図４Ｂに示す取り付け要素１４と、の組み合わせは、同じヒーターエレメント１０の上で利用することができる。このような場合、一体化された取り付け要素は、ヒーターエレメントを所望の位置に保持するのに利用され、一方、分離した要素である取り付け要素は、一旦ヒーターエレメントが絶縁体に取り付けられた後に、追加して、絶縁体に取り付けることができる。一体化された取り付け要素と分離した要素である取り付け要素との組み合わせは、平らでない取り付けに対して有利である。
【００２９】
図７Ａ〜図７Ｄは、平面図であり、一体化された取り付け要素と分離した要素である取り付け要素との組み合わせを備える、ヒーターエレメント１０の様々な実施形態を示す。図７Ａ〜図７Ｄは、据え付けのために取り付け要素を曲げる前の、取り付け要素を示す。従って、図７Ａでは、一体化された取り付け要素１４は、丸い突出部の外側周辺端部から突き出し、図７Ｂでは、一体化された取り付け要素１４は、第１の直線状の部分の外側周辺端部から突き出し、図７Ｃでは、一体化された取り付け要素１４は、第２の直線状の部分の外側周辺端部から突き出し、図７Ｄでは、一体化された取り付け要素１４は、第２の直線状の部分の内側周辺端部から突き出す。図７Ａ〜図７Ｄはまた、一体化された取り付け要素の配置の様々な形態を示す。すなわち、図７Ａと図７Ｂの中では、一体化された取り付け要素１４は、ヒーターエレメントの軸３２とほぼ平行に配置され、図７Ｃと図７Ｄの中では、一体化された取り付け要素１４は、ヒーターエレメントの軸３２とほぼ直角方向に配置されている。
【００３０】
図８は、例えば、図７Ａ〜図７Ｄのうちの１つで示され記載されたヒーターエレメント１０のような、一体化された取り付け要素と取り付け要素が分離した要素である取り付け要素との組み合わせを備える、ヒーター組立体１００の別の典型的な実施形態の分解斜視図である。
【００３１】
ヒーターエレメント１０は、ヒーターエレメント１０の第１の端部３４又は第２の端部３６に、電力端子１１０を備える。別の実施形態においては、電力端子は、第１の端部又は第２の端部以外の場所に配置される。電力端子は、例えば半導体処理炉の電気回路に接続される。例えば、図３、４、６は、適切な電力端子１１０の例を示している。ヒーターエレメントは、電流を通すことによって加熱される。開示された実施形態において、電流は、直結された交流電源から流されるが、連結された直流電源や誘導結合された電源等の、別の手段と電源から流すこともできる。
【００３２】
ヒーターエレメント１０は、適切な材料であればどんな材料からでも形成することができる。例えば、実施形態において、ヒーターエレメント１０は、電気抵抗合金から形成され、鉄、クロム、アルミニウム合金から形成されることが好ましい。他の適切な電気抵抗合金は、ニッケルクロム、又はセラミック合金、例えば非ケイ化モリブデン、又はシリコンカーバイド、を含む。電気抵抗合金は、例えば、金属板からヒーターエレメント本体を切り出す工程、ヒーターエレメント本体を鋳造する工程、ヒーターエレメント本体を機械加工する工程、ヒーターエレメント本体を押し出し成形、プレス加工、打ち抜き加工、又は被覆加工する工程、又は、これらの組み合わせによって、ヒーターエレメント本体に形成される。
【００３３】
開示されたヒーターエレメントとヒーター組立体の実施形態は、単独であっても組み合わせであっても、様々な利益を提供する。例えば、擬似正弦曲線と擬似矩形のパターンは、非常に均一な表面温度を与える均一な幅を有する直線状の部分を備える。図９Ａ〜図９Ｂ、図１０は、擬似正弦曲線パターン（図９Ａと図９Ｂ）と、擬似矩形パターン（図１０）の両方の、温度特性を示している。図９Ａの実施形態と図９Ｂの実施形態との間の異なる取り付け要素に注意されたい。比較のために、主として曲がった部分から成る従来の設計の温度特性を、図１１に示す。全ての温度特性は、以下のパラメータでの温度特性モデルから得られた。すなわち、電流１００Ａ、炉の温度１０００°Ｃである。
【００３４】
擬似正弦曲線パターンでは、放熱面に沿った最高温度と最低温度との差（△Ｔ）は、図９Ａでは約８°Ｃであり、図９Ｂでは約７°Ｃである。温度変化率は△Ｔ/Ｔmaxで表わされ、図９Ａでは０．７９％であり、図９Ｂでは０．６９％である。図１０の擬似矩形パターンについての同一パラメータに対する数値は、△Ｔが約３３°Ｃであり、△Ｔ／Ｔmaxが３．０９％である。これに対して、主として曲がった部分から成る従来の設計のこれらのパラメータに対する数値（図１１）は、△Ｔが約２１°Ｃであり、△Ｔ／Ｔｍａｘが２％である。これらの図からわかるように、温度は、擬似正弦曲線パターン（図９Ａ〜図９Ｂ)に対して最も均一である。擬似矩形パターンの温度均一性（図１０）は、主として曲がった部分から成る従来の設計（図１１）よりも均一でないが、擬似矩形パターンは熱膨張の吸収がより優れているので、擬似矩形パターンは、依然として従来の設計より有利である。
【００３５】
本明細書に開示されたヒーターエレメントは、炉、例えば処理半導体用の炉、に組み込むことができる。そのような応用では、複数のヒーターエレメントは、一列又は領域に配置され、温度調節回路で加熱を制御される。図１２Ａと図１２Ｂは、一列又は領域に配置された複数のヒーターエレメントを備えるヒーター組立体の、典型的な実施形態の２つの異なる斜視図を示す。
【００３６】
図１３Ａ〜図１３Ｅは、ヒーターエレメントの据え付けを示す。図１３Ａは、互い違いにしたヒーターエレメント１０を円周方向に配置した、典型的な円筒状の据え付け２００を示し、すなわち、ヒーターエレメントの軸は、円筒の軸に対して平行ではない。互い違いにしたヒーターエレメント１０は、ヒーターエレメントの端部が見える場所で、例えば場所２０２で、よりはっきりと見ることができる。互い違いにしたことは、ヒーターエレメントの端子の端部位置を、ヒーター組立体内部でヒーター表面を横切る位置に配置することによって、ヒーターエレメントの端子の端部の放熱面の隙間に起因する不均一性を最小にすることができる。互い違いにした部分のサイズは、適用形態と所望の結果によって、もっと小さくしたり大きくしたりすることができる。更に、２つ以上の半円形のヒーターエレメントを使うのではなく、１つのヒーターエレメントを、１回以上円周周りに巻いて利用することができる。図１３Ｂは、別の典型的な円筒状の据え付け２０４を示し、互い違いにしていないヒーターエレメント１０を、円周方向に配置しており、すなわち、ヒーターエレメントの軸は、円筒の軸と平行ではない。図１３Ｃは、ヒーターエレメント１０を軸方向に配置した半円筒状の据え付け２０６の実施形態を示し、すなわち、ヒーターエレメントの軸は、円筒の軸と平行である。図１３Ｄは、ヒーターエレメント１０を円周方向に配置した半円筒状の据え付け２０８の実施形態を示し、すなわち、ヒーターエレメントの軸は、円筒の軸と平行ではない。図１３Ｅは、ヒーターエレメント１０を、異なる方向に配置された隣接する平面セクション２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃの上に配置した、平面を傾斜させて据え付ける実施形態を示す。例えば、第１の平面セクション２１２ａの中のヒーターエレメント１０の軸は、第２の平面セクション２１２ｂの中のヒーターエレメント１０の軸に対して、平行でないように、或いは、直角方向に、することができる。平面を傾斜させた据え付け２１０は、例えば、円筒のように、また、半円筒状に、利用することができる。これらの据え付けは、単に説明のための例示であり、どんな据え付け配置をしても、所望の加熱と温度特性とを得ることができる。
【００３７】
丸みをつけた部分の半径は、温度均一性を最大にして、応力を最小にするように、サイズを決定される。主として曲がった部分を備える従来の設計と比較した場合、内側半径は特に応力が小さくなっている。更に、表面温度の均一性は、角部に小さな半径か又は全く半径を有さない矩形パターンからなる従来の設計に対して、大きく改善されている。
【００３８】
本明細書に開示されたヒーターエレメントは、充填係数として知られている表面の負荷係数が高い。すなわち、擬似矩形及び擬似正弦曲線のヒーターエレメントは、主として曲がった部分から成る従来の設計よりも、放熱面の面積が大きい。この理由は、少なくとも１つの理由は、１つのサイクルの角度の合計が３６０度よりも大きいからである。これは、平行でない第１の直線状の部分が、平行な部分より長くなり、従って、放熱面を増加させるからである。更に、距離Ｄ２が距離Ｄ１に対して最小にされていることは、第１の直線状の部分２２の長さ（Ｌ２）を収容するのに有効である。この構成は、温度均一性を増加させ丸い突出部３８の応力を低下させつつ充填係数を大きくする効果がある。全作動面積の典型的な表面負荷の一例は、放熱負荷の約１４５%である。
【００３９】
本明細書に開示されたヒーターエレメントは、熱膨張効果のコントロールに寄与する。ヒーターエレメントを形成している材料は、加熱されると、材料の熱膨張係数に比例して膨張する。この膨張は、加熱される部分に関連して変化しうる箇所を有する放熱面のために、ヒーターエレメントを歪め、曲げる（従って、温度特性を、不均一にする）。極端な状況においては、歪むことと曲がることとは、短絡した場合に起こり得る。本明細書に開示されたヒーターエレメントは、熱膨張の影響をコントロールし、最小にする。例えば、第１の直線状の部分の非平行な配置は、横方向の熱膨張の箇所を、長手方向に導き、従って、加熱される部分に関する配置を維持し、均一な温度特性を維持する。別の例においては、パターンの縁部は、横方向軸に沿ってカーブさせたり、曲げたりすることができ、熱膨張を絶縁体基板の方向に導き、ヒーターエレメントの配置を、隣接する物体、例えば更なる回路に、短絡の可能性を減じつつ、より接近できるようにする。
【００４０】
離間距離を備えた取り付け手段の利用もまた、性能の向上に寄与することができる。曲がりくねった経路の長さに沿って支持位置を交互に配置することは、ヒーターエレメントの熱膨張を、支持部間のヒーターエレメントのひねり又はねじれの動きを起こさせ、単純な平面的な動きを起こさせない。
【００４１】
本明細書に開示されたヒーターエレメントは、自由放熱である。すなわち、取り付け要素は、ヒーターエレメントの絶縁体基板に対する離間距離を設けている。この構造は、例えば、ヒーターエレメントの表面に接触する基板を加熱するために余分のエネルギーを使用してこれを補償することなく、全ての面から熱を均一に放散させることができる。従って、この自由放熱ヒーターエレメントは、放熱体の作動温度を低くすることができる。更に、このようなヒーターエレメントは、従来のヒーターエレメントと同じ基板電力密度に対して、より長い寿命を有し、或いは、同等の寿命に対して、より高い電力密度で作動することができる。
【００４２】
開示された実施形態は、従って、小さい質量と大きい表面積をともに備えた、高性能のヒーターエレメントを提供する。開示されたパターンは、製造及び組立のプロセスにおいて高度な自動化を可能にし、また、精密な形状を可能にし、均一な加熱と変わらぬ性能とを与えるものである。
【００４３】
ヒーターエレメントの様々な変形が可能である。例えば、ヒーターエレメントは異なる厚み、例えば、約０．５ｍｍから約１０ｍｍの間の厚みとすることができる。また、例えば、ヒーターエレメントは、異なる幅とすることができ、直線状の部分の幅に基づいて、例えば、約５ｍｍ又はそれ以上の幅とすることができる。これらの幅と厚みの変化は、形状の基本的な特徴、すなわち非平行な第１の直線状の部分とこれに続く直線的な全体のパターンが維持される限り、適宜採用することができる。
【００４４】
図面の形状は、ほぼ平面的な構成の実施形態を開示しているが、当業者であれば、開示された形状が、曲面、例えば円筒又は半円筒に適用できることを、理解するであろう。分離した取り付け手段を採用する変形例は、特に放熱体を曲面に沿うように適切に形成することができ、分離した取り付け手段によって所望の場所に取り付けることができる。曲面の構成はまた、放熱体要素を、曲面の軸方向に沿って配置するか、又は、一連の平面パネルをつなげて所望の曲がった形状に近似的に沿わせることによって、構成することができる。
【００４５】
以上、好ましい実施形態に関連して記載したが、当業者であれば、特に記載がなくても、追加、削除、修正、置換を、添付の請求項に定義した発明の精神および範囲から逸脱することなく行い得ることを、理解するであろう。
【符号の説明】
【００４６】
１０    ヒーターエレメント
１２    帯状体
１４    取り付け要素
１６    第１の端部
１８    第２の端部
２０    繰り返しのサイクル
２４    第２の直線状の部分
２６    丸みをつけた部分
３８    丸い突出部
６６    スペーサー
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
2010238658.tif 000028
【図１０】
2010238658.tif 000029
【図１１】
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【外国語明細書】
2010238658000001.pdf