(57)【要約】【課題】発熱体を均一に加熱できる発熱装置を提供すること。【解決手段】炭素質基板よりなる発熱体１の両端は一対の電源端子２−１、２−２に接続されている。発熱体１の表面を中央領域１１及び電源端子２−１、２−２に接続された端領域１２−１、１２−２に分ける。端領域１２−１、１２−２の温度が中央領域１１の温度より低くとも、端領域１２−１、１２−２からの放射エネルギーを中央領域１１からの放射エネルギーと同等にすべく、端領域１２−１、１２−２に微小突起（凹凸）構造１３を設けて端領域１２−１、１２−２の放射率ε2を中央領域１１の放射率ε1より大きくする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と、
該発熱体の両端部に接続された一対の電源端子と
を具備する発熱装置において、
前記発熱体は炭素質材よりなり、
前記発熱体の表面を中央領域及び前記電源端子の近傍の端領域に分割し、
前記端領域の前記炭素質材の表面に複数の突起を形成することにより前記端領域の放射率を前記中央領域の放射率より大きくし、前記発熱体の放射エネルギーを制御することを特徴とする発熱装置。
【請求項２】
前記端領域内の放射率はほぼ同一である請求項１に記載の発熱装置。
【請求項３】
前記端領域内の放射率は前記電源端子に近い程大きくした請求項１に記載の発熱装置。
【請求項４】
前記複数の突起の密度及び高さを前記中央領域から離れる程大きくした請求項１に記載の発熱装置。
【請求項５】
前記突起はナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズ及びサブミクロンメートルオーダの高さを有する凹凸構造である請求項１に記載の発熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放射エネルギーによる発熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体製造装置、プリンタの定着装置、赤外線ヒータ等に用いられる発熱装置は被加熱体に対して均一な放射エネルギーを与える必要がある。
【０００３】
第１の従来の発熱装置は、炭素質発熱体と、炭素質発熱体の両端部に接続された一対の電源端子とを備えている（参照：特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、上述の第１の従来の発熱装置においては、炭素質発熱体から電源端子へ熱が逃げるので、電源端子付近の炭素質発熱体の温度が低下する。従って、炭素質発熱体の電源端子付近から放射されるエネルギーは炭素質発熱体の中央部から放射されるエネルギーに比較して小さくなり、この結果、炭素質発熱体の放射エネルギーは均一とならず、被加熱体を均一に加熱できない。
【０００５】
第２の従来の発熱装置は、温度が上昇する程、体積抵抗率が下がる負性抵抗（NTC）特性を有する発熱体と、発熱体の両端部に接続された一対の電源端子とを備えている（参照：特許文献２）。
【０００６】
上述のNTC特性の発熱体の製造方法は、純度99.9％以上の炭化珪素の粉末を金型等で成型する成型工程、及び成型粉末を1700℃以上の窒素雰囲気で1時間以上焼成して窒素を固溶させる焼成工程を有する。
【０００７】
上述の第２の従来の発熱装置によれば、放熱し易い発熱体の電源端子近傍に比較して、発熱体の中央部の温度が高くなり、従って、発熱体の中央部の体積抵抗率が低下する。この結果、発熱体の中央部は発熱しにくくなり、従って、発熱体の電源端子近傍と中央部との温度差を抑制でき、発熱体の放射エネルギーを均一化でき、被加熱体を均一に加熱できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−９８１３５号公報
【特許文献２】特開２００２−２５１１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の第２の従来の発熱装置においては、NTC特性の発熱体の原料となる炭化珪素がパワーデバイス、発光ダイオード、通信デバイス等の単結晶原料の純度と同程度の99.99%と高純度であるので、原料コストが高く、しかも、成型工程及び焼成工程よりなる複雑な製造方法により、製造コストが高いという課題がある。また、発熱体の温度分布が均一化されるものの、依然として発熱体の電源端子付近と中央部との温度差がたとえば2.967℃と大きく、従って、依然として発熱体の放射エネルギーは均一とならず、被加熱体を均一に加熱できないという課題もある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するために、本発明に係る発熱装置は、発熱体と、発熱体の両端部に接続された一対の電源端子とを具備する発熱装置において、発熱体は炭素質材よりなり、発熱体の表面を中央領域及び電源端子の近傍の端領域に分割し、端領域の炭素質材の表面に複数の突起を形成することにより端領域の放射率を中央領域の放射率より大きくし、発熱体の放射エネルギーを制御するようにしたものである。これにより、発熱体から放射されるエネルギーを均一にする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発熱体から放射されるエネルギーを均一にすることにより、発熱体に温度分布の勾配があっても、被加熱体を均一に加熱できる。また、発熱体は、組成、形状に関係なく、炭素質基板あるいは炭素質フィルム状シートに広く適用でき、従って、原料コストを低減でき、しかも製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る発熱装置の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の発熱体の上面図、（Ｃ）は（Ａ）の発熱体の正面図である。
【図２】図１の微小突起構造の加工フローを示すフローチャートである。
【図３】図２のプラズマエッチング後の発熱体の表面の走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。
【図４】本発明に係る発熱装置の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の発熱体の上面図、（Ｃ）は（Ａ）の発熱体の正面図である。
【図５】本発明に係る発熱装置の第３の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の発熱体の上面図、（Ｃ）は（Ａ）の発熱体の正面図である。
【図６】図１、図４、図５の発熱体の第１の変更例を示す上面図である。
【図７】図１、図４、図５の発熱体の第２の変更例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明に係る発熱装置の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の発熱体の上面図、（Ｃ）は（Ａ）の発熱体の正面図である。
【００１４】
図１において、発熱体１の両端は一対の電源端子２−１、２−２に接続されている。発熱体１は炭素質基板たとえばグラファイト基板、金属を混ぜた稠密グラファイト基板、ダイヤモンド基板、ガラス状炭素基板、炭化珪素（SiC）基板、または炭素質フィルムシートよりなる。
【００１５】
発熱体１の表面を放射率の異なる複数の放射領域、つまり、中央領域１１及び電源端子２−１、２−２に接続された端領域１２−１、１２−２に分ける。電力が電源端子２−１、２−２から発熱体１に供給されたとき、端領域１２−１、１２−２で発生した熱は電源端子２−１、２−２を介して外部へ放熱され易い。従って、中央領域１１の温度上昇に伴い、端領域１２−１、１２−２の温度は上昇するが、その温度上昇は中央領域１１の温度上昇より遅れ易い。この結果、中央領域１１の温度T1が高く、端領域１２−１、１２−２の温度T2が低く、両者に温度差ΔT=T1-T2が発生することになる。端領域１２−１、１２−２から放射される放射エネルギーE2は中央領域１１から放射される放射エネルギーE1より小さくなる。つまり、中央領域１１の放射エネルギーE1、端領域１２−１、１２−２の放射エネルギーE2は次のごとく表せる。
E1=σT14        （１）
E2=σT24        （２）
但し、T1、T2は中央領域１１の絶対温度、端領域１２−１、１２−２の絶対温度、σはステファン・ボルツマン定数5.67×10-8W/m2・K4である。この場合、T1>T2であるので、E1>E2となる。
【００１６】
尚、上述の中央領域１１、端領域１２−１、１２−２を定める一方法は、発熱体１の全長の中央部分３分の１の平均温度より2%以上低くなる領域を端領域１２−１、１２−２とし、これらの間の領域を中央領域１１とするものである。
【００１７】
図１においては、端領域１２−１、１２−２の温度T2が中央領域１１の温度T1より低くとも、端領域１２−１、１２−２からの放射エネルギーE2を中央領域１１からの放射エネルギーE1と同等にすべく、端領域１２−１、１２−２に微小突起（凹凸）構造１３（図１の（Ｃ）のみに図示）を設けて端領域１２−１、１２−２の放射率ε2を中央領域１１の放射率ε1より大きくする。この場合、端領域１２−１、１２−２内の温度T2は一定とみなし、放射率ε2も一定とする。このとき、上述の式（１）、（２）は次のごとく表せる。
E1=ε1・σT14        （３）
E2=ε2・σT24        （４）
但し、T1>T2
従って、E1≒E2が成立するように、放射率ε2（>ε1）を微小突起構造１３によって設定する。
【００１８】
図１の中央領域１１の放射率ε1は通常0.85程度であり、端領域１２−１、１２−２の放射率ε2は微小突起構造１３によって0.85を超え0.99程度までの範囲で設定する。具体的には、微小突起構造１３は、ナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズと、サブミクロメートルオーダの高さとを有する凹凸構造である。ここで、ナノメートルオーダとは約10〜500nmの範囲を示し、サブミクロメートルオーダとは約0.5〜10μmの範囲を示し、ミクロメートルオーダとは約10〜500μmの範囲を示す。
【００１９】
次に、図１の微小突起構造１３の加工を図２のフローチャートを参照して説明する。
【００２０】
始めに、ステップ２０１にて、発熱体１の炭素質基板あるいは炭素質フィルム状シート上に端領域１２−１、１２−２に対応する開口を有するマスク（たとえば金属製マスク）を設置する。
【００２１】
次に、ステップ２０２にて、炭素質基板または炭素質フィルム状シート上にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズの微小突起構造１３を形成する。微小突起構造１３の例を図３に示す。図３の（Ａ）、（Ｂ）は撮影角度が異なる。図３に示すように、微小突起構造１３の突起部のピッチＰはサイズ（幅）の数倍程度の範囲である。尚、微小突起構造１３の高さはサブミクロメートルオーダ以上たとえば0.5〜10μmである。すなわち、炭素質基板または炭素質フィルム状シートをプラズマエッチング装置に投入し、プラズマエッチング法によってエッチングを行う。
【００２２】
プラズマエッチング条件は、たとえば、次のごとくである。
RFパワー：500W
圧力：6.65Pa（50mTorr）
O2流量：200sccmより小さい値である。尚、この場合、具体的には、微小突起構造１３の高さはRFパワーを増加させて高くし、微小突起構造１３の密度（ピッチ）は圧力を上げて高くする。微小突起構造１３の密度及び高さを設定することにより放射率ε2は0.85を超え0.99程度までの所望値となる。
【００２３】
尚、ステップ２０２でのプラズマエッチング法は、電子サイクロトロン共鳴（ECR）エッチング法、反応性イオンエッチング（RIE）法、大気圧プラズマエッチング法等のいずれでもよく、また、処理ガスは、O2ガス以外のArガス、CO2ガス、H2ガス、CF4ガス等、及びこれらの混合ガスのいずれでもよい。
【００２４】
最後に、ステップ２０３にて、ステップ２０１において設置されたマスクを外す。
【００２５】
図４は本発明に係る発熱装置の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の発熱体の上面図、（Ｃ）は（Ａ）の発熱体の正面図である。
【００２６】
図４においては、図１の端領域１２−１、１２−２の代りに端領域１２’−１、１２’−２を設けてある。すなわち、端領域１２’−１、１２’−２内の温度は、電源端子２−１、２−２に近い程、低くなっている。従って、この温度分布に合わせて、電源端子２−１、２−２に近い程、放射率ε2を大きく設定する。図４においては、電源端子２−１、２−２からの距離に応じて、各端領域１２’−１、１２’−２を３つの領域１２’−１ａ、１２’−１ｂ、１２’−１ｃ；１２’−２ａ、１２’−２ｂ、１２’−２ｃに分けて、これらの３つの領域１２’−１ａ（１２’−２ａ）、１２’−１ｂ（１２’−２ｂ）、１２’−１ｃ（１２’−２ｃ）の放射率ε2a、ε2b、ε2cを  
ε2a<ε2b<ε2c
となるように設定する。これにより、発熱体１からの放射エネルギーをより均一化できる。
【００２７】
図４の放射率ε2a、ε2b、ε2cを実現するための微小突起構造１３’の加工も図２の加工フローによって行えるが、この場合、ステップ２０２、２０３、２０４におけるマスクは水平方向にスライド可能な矩形スリットを備えている。これにより、プラズマエッチングを行う際には、矩形スリットを移動しながらRFパワーの増加及び／または圧力の上昇を行って微小突起構造１３’の高さ及び／または密度（ピッチ）を大きくして放射率を大きくする。
【００２８】
尚、図４においては、各端領域１２’−１、１２’−２を３つの領域に分けているが、４つ以上の領域に分けるあるいは連続的に放射率ε2を増加させてもよく、これにより、発熱体１からの放射エネルギーをさらに均一化できる。
【００２９】
図５は本発明に係る発熱装置の第３の実施の形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の発熱体の上面図、（Ｃ）は（Ａ）の発熱体の正面図である。
【００３０】
図５においては、図１の端領域１２−１、１２−２の代りに端領域１２”−１、１２”−２を設けてある。すなわち、端領域１２”−１、１２”−２内の温度は、中央領域１１の中心１１ａから離れる程、つまり、円状に低くなっている。従って、この温度分布に合わせて、中央領域１１の中心１１ａから離れる程、つまり、円状に放射率ε2を大きく設定する。図５においては、中央領域１１の中心１１ａからの距離に応じて、各端領域１２”−１、１２”−２を３つの領域１２”−１ａ、１２”−１ｂ、１２”−１ｃ；１２”−２ａ、１２”−２ｂ、１２”−２ｃに分けて、これらの３つの領域１２”−１ａ（１２”−２ａ）、１２”−１ｂ（１２”−２ｂ）、１２”−１ｃ（１２”−２ｃ）の放射率ε2a、ε2b、ε2cを  
ε2a<ε2b<ε2c
となるように設定する。これにより、発熱体１からの放射エネルギーをより均一化できる。
【００３１】
図５の放射率ε2a、ε2b、ε2cを実現するための微小突起構造１３”の加工も図２の加工フローによって行えるが、この場合も、ステップ２０２、２０３、２０４におけるマスクは水平方向にスライド可能な扇形スリットを備えている。これにより、プラズマエッチングを行う際には、扇形スリットを移動しながらRFパワーの増加及び／または圧力の上昇を行って微小突起構造１３”の高さ及び／または密度（ピッチ）を大きくして放射率を大きくする。
【００３２】
尚、図５においても、各端領域１２”−１、１２”−２を３つの領域に分けているが、４つ以上の領域に分けるあるいは連続的に放射率ε2を増加させてもよく、これにより、発熱体１からの放射エネルギーをさらに均一化できる。
【００３３】
上述の実施の形態においては、発熱体１は矩形をなしているが、図６の発熱体１’のごとく、長手方向の両側縁から短手方向へ切り込むスリット１ａを設けて蛇行状に形成してもよく、また、図７の発熱体１”のごとく、スパイラルフィラメント形状をなしてもよい。図６、図７においては、電流経路が長くなると共に、電流密度も均一化する。
【００３４】
本発明は上述の発明の実施の形態と自明な範囲での種々の変更にも適用し得る。
【符号の説明】
【００３５】
１、１’、１”：発熱体 
１’ａ：スリット 
１１：中央領域 
１２−１、１２−２、１２’−１、１２’−２、１２”−１、１２”−２：端領域
１３、１３’、１３”： 微小突起構造
２−１、２−２：電源端子          
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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