(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
面間隔ｄ（００２）が０．３４３ｎｍ以下、かつ、結晶子の大きさＬｃ（００２）が４．０ｎｍ以上の結晶構造を有する炭素繊維を編紐あるいは組紐状に編み込み、且つ０．１Ｋｇ／ｍｍ2 の引張力を付与した際の長さ方向の伸び率が１．０％以上であるカーボンワイヤーを発熱体とし、該発熱体を石英ガラス部材中に封入したことを特徴とするカーボンワイヤー発熱体封入ヒータ。
【請求項２】
前記カーボンワイヤーからなる発熱体を伸張状態で前記石英ガラス部材中に封入したことを特徴とする請求項１に記載のカーボンワイヤー発熱体封入ヒータ。
【請求項３】
前記カーボンワイヤー発熱体が、炭素単繊維を編紐あるいは組紐状に編み込んだカーボンワイヤーを不活性ガス雰囲気中、２０００℃以上の温度で熱処理して得られたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のカーボンワイヤー発熱体封入ヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンワイヤー発熱体封入ヒータに関し、より詳細には、特定結晶構造の炭素繊維からなるカーボンワイヤーを発熱体として石英ガラス部材中に封入したことにより、通電発熱時の抵抗安定性、特にその経時的安定性に優れたカーボンワイヤー発熱体封入ヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーボン発熱体を用いたヒータは、金属発熱体を用いたヒータに比べて熱容量が小さく昇降温特性に優れ、また、非酸化性雰囲気中では高温耐久性にも優れているため各種の加熱用機器として産業用に広く使用されている。
特に、半導体製造分野では、その工程中にシリコンウエハ等に種々の熱処理がなされ、しかも、これ等の熱処理には厳密な温度管理が求められると共に熱処理雰囲気を塵芥等のパーティクルが存在しないクリーンな雰囲気に保つことが必要とされる。そのため、この熱処理に用いられる加熱用ヒータには、均熱性及び昇降温制御性能に優れ、かつ、パーティクル等の汚染物質を放出しないことの諸要件を満たすことが求められている。
この半導体製造プロセス用ヒータとして、カーボン発熱体を非酸化性雰囲気ガスと共に石英ガラス部材等の支持部材中に封入した構造のヒータが多く使用されている。
【０００３】
本発明者等は、炭素単繊維を束ねた繊維束を複数束編み上げて作製したカーボンワイヤー発熱体を石英ガラス支持部材中に非酸化性ガスと共に封入した構造の半導体熱処理装置用ヒータを開発し、先に、特願平１０−２５４５１３号として提案している。
このカーボンワイヤー発熱体は、昇降温特性に優れ、高温耐久性にも優れるというカーボン発熱体に共通の利点を備えているだけでなく、細いカーボン単繊維の繊維束を複数本編んで作製されたものであるため、中実のカーボン材からなる発熱体に比べフレキシビリティに富み、種々の構造、形状に加工が容易にできるという利点をも有している。
したがって、この発熱体を高純度な石英ガラス部材等のクリ−ンな耐熱性支持部材内に非酸化性ガスと共に封入したヒータは、パーティクル等を発生させることがなく半導体製造用ヒータとして極めて好適である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来この種のヒータの発熱体として使用されるカーボンワイヤーは、通常、およそ１３００℃付近の温度で前駆体有機繊維を炭化焼成する方法で製造され、製品の品質に関しては、例えば、その不純物含有濃度を１０ｐｐｍ以下に抑える等、材料純度の向上が専らの注目点であった。
【０００５】
ところが、最近、上記した従来の発熱体用カーボンワイヤーが、その製造時における焼成温度より高い温度で頻繁に使用されたり、また該発熱体用カーボンワイヤーを長時間発熱させると、以下のように、ヒータの電気抵抗値等の性能が安定しない不都合が生ずることが指摘されている。
▲１▼  熱により、カーボンワイヤーを構成する炭素単繊維の結晶構造が次第に変化して、これによりカーボンワイヤーの抵抗値（Ω／ｍ）が次第に低下し、ヒータ全体の抵抗値に経時変化が生ずる。
▲２▼  また、熱により、カーボンワイヤーに化学的に吸着していたガスが放出され、該カーボンワイヤーを封入した石英ガラス部材内の内圧も経時的に変化し、発熱体性能に悪影響を与える。
【０００６】
上記半導体ウエハ熱処理用のものを含め産業用に使用されるカーボンワイヤー発熱体封入ヒータは、その通電使用時に、瞬間的には１８００℃程度の高温に達することも稀ではなく、このため、上記問題の解決が強く求められている。
【０００７】
本発明は、従来の該カーボンワイヤー発熱体の課題を解決するためになされたものであり、通電発熱時の抵抗安定性、特にその経時的安定性に優れ、長期間使用しても発熱性能が変化せず安定で高性能なカーボンワイヤー発熱体封入ヒータを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、面間隔ｄ（００２）が０．３４３ｎｍ以下、かつ、結晶子の大きさＬｃ（００２）が４．０ｎｍ以上の結晶構造を有する炭素繊維を編紐あるいは組紐状に編み込み、且つ０．１Ｋｇ／ｍｍ2 の引張力を付与した際の長さ方向の伸び率が１．０％以上であるカーボンワイヤーを発熱体とし、該発熱体を石英ガラス部材中に封入したことを特徴とするカーボンワイヤー発熱体封入ヒータが提供される。また、前記カーボンワイヤーからなる発熱体を伸張状態で前記石英ガラス部材中に封入したことを特徴とするカーボンワイヤー発熱体封入ヒータが提供される。
【０００９】
更に、本発明によれば、前記カーボンワイヤー発熱体が、炭素単繊維を編紐または組紐状に編み込んだカーボンワイヤーを不活性ガス雰囲気中、２０００℃以上の温度で熱処理して得られたものであることを特徴とするカーボンワイヤー発熱体封入ヒータが提供される。
【００１１】
本発明のカーボンワイヤー発熱体封入ヒータは、カーボンワイヤー発熱体を構成する炭素繊維が上記特定結晶構造、即ち、面間隔ｄ（００２）が０．３４３ｎｍ以下、結晶子の大きさＬｃ（００２）が４．０ｎｍ以上、の結晶構造を有する点が構成上の特徴である。
上記特定結晶構造の炭素繊維からなる本発明のカーボンワイヤー発熱体は、例えば、通常の発熱体用カーボンワイヤーを、不活性ガス雰囲気中、２０００℃以上の高温で熱処理して炭素繊維の黒鉛化を進行させることにより得られる。本発明のカーボンワイヤー発熱体は、ヒータ使用時の温度域内（通常２０００℃未満）では、結晶構造の変化を起こさず、即ち、黒鉛化がそれ以上進行しないので電気抵抗値（Ω／ｍ）等の物性変化もほとんど起こさない。
【００１２】
また、カーボンワイヤー全体が同時に均一に加熱されているので、その結晶構造の成長が均一で、品質が均質化されている。
更に、熱処理前のカーボンワイヤーに吸着されていたガスも前記高温熱処理によりほとんど脱着除去される。
このため、本発明の上記カーボンワイヤー発熱体封入ヒータは、高品質かつ通電時の電気抵抗値等の経時安定性に極めて優れたものとなる。
【００１３】
上記特定結晶構造の炭素繊維よりなる本発明のカーボンワイヤー発熱体が何故に抵抗値の経時安定性等の特性に優れたものとなるかに関しては、未だ必ずしも完全には解明されていないが、およそ下記の理由によるものと推測される。
即ち、無定形炭素から完全黒鉛結晶構造までの中間構造を有する炭素物質は、一般に、炭素材料と呼ばれ、石油コークス、カーボンブラックをはじめ炭素繊維もこの炭素材料の範疇に属する。
【００１４】
そして、この炭素材料には、熱処理等により容易に黒鉛化が進行し黒鉛結晶構造に近づく易黒鉛化性炭素材料と、黒鉛化がある程度のところで止まってしまいそれ以上容易に進行しない難黒鉛化性炭素材料とがあることが知られている。炭素繊維は、その結晶構造の観点（面間隔、結晶面の積み重なりの厚さ）から見ると、出発原料（ＰＡＮ、ＰＶＡ、ピッチ系）の如何に関わらず、難黒鉛化性炭素材料に属するとされている。
【００１５】
また、この炭素繊維以外の一般の難黒鉛化性炭素材料（例えばカーボンブラック等）では、熱処理等により黒鉛化が進行する過程で、いわゆる第１、第２，第３段階と呼ばれる３段階の黒鉛化進行過程を経由して最終黒鉛化度に到達する（通常２４００から３０００℃で進行）。
即ち、先ず、面間隔ｄ（００２）が０．３４３ｎｍ以下になり、結晶子の大きさＬｃ（００２）が２．０乃至４．０ｎｍとなる第１段階に入り、次いで面間隔ｄ（００２）はほとんど変化せず結晶子の大きさＬｃが成長する第２段階、最後に結晶子の大きさＬｃは変化せず面間隔ｄ（００２）が急激に小さくなる（０．３３６ｎｍ程度）第３段階に到達する。
【００１６】
ところが、同じ難黒鉛化性炭素材料であるにもかかわらず、炭素繊維からなるカーボンワイヤー等の場合は、その黒鉛化の進行状態は上記とやや異なり、例え３０００℃の高温で熱処理したものでも結晶子の大きさＬｃはせいぜい５．０乃至１０．０ｎｍで止まり他の難黒鉛化性炭素材料より小さい、また、面間隔ｄ（００２）も０．３３９ｎｍ程度にしかならず、その黒鉛化は前記第１段階から直接第３段階に向かって結晶組織が発達する。即ち、結晶子の大きさＬｃが増大する第２段階を経由することなく安定化する。
【００１７】
高温熱処理された炭素繊維が、このような特有の黒鉛化進行過程を示すのは、炭素繊維のミクロ組織が、微結晶部と非晶部が交互に連続した炭素鎖構造からなり、該微結晶部分の多くは一軸方向に配向しながらも、なお相互に絡み合った状態の繊維特有のミクロ構造に由来するのではないかと考えられる。
また、前記熱処理において、第１段階を経た時点で、カーボンワイヤーに内包されていた酸素、その他の異種元素などは、ガス化し、ワイヤーから排出されていく。
従って、２０００℃以上、好ましくは２０２０℃以上の高温で十分に熱処理されたカーボンワイヤーは、それを構成する炭素繊維の結晶構造が上記特定構造となる。一方、２０００℃未満の温度では十分に黒鉛化が進行せず、その抵抗値（Ω／ｍ）をはじめとする諸物性を適切に調整することが困難となる。
【００１８】
また、上記黒鉛化処理された炭素繊維は、引張力を受けたときの伸びが処理前のものより増大する。
炭素繊維を編紐または組紐状に編み込んだカーボンワイヤーは、一本一本の炭素単繊維がその外周部において多点接触しているが、このカーボンワイヤーの長さ方向に引張力を加えて伸ばすと、その接触部が増加し、その分電気抵抗が低下するとともに長さ方向での抵抗値のバラツキが小さくなる。
したがって、本発明のカーボンワイヤーは伸張状態（引張力を受けた状態）で石英ガラス部材中に封入されることが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に詳細に説明する。
本発明のカーボンワイヤー発熱体封入ヒータは、特定結晶構造を有する炭素繊維からなるカーボンワイヤーを発熱体として石英ガラス部材中に封入したものである。
本発明の前記カーボンワイヤーを構成する炭素繊維の結晶構造は、その面間隔ｄ（００２）が０．３４３ｎｍ以下で、かつ、結晶子の大きさＬｃ（００２）が４．０ｎｍ以上のものである。
【００２０】
既に述べたように、上記結晶構造の炭素繊維は、通常この種のヒータの発熱温度上限である約２０００℃程度の温度に曝されても、黒鉛化が進行せず、従って抵抗値（Ω／ｍ）等の物性もほとんど変化しない。また、引張力を受けたときの伸びが黒鉛化処理前のものより増大する。
【００２１】
上記特定の結晶構造を有するカーボンワイヤー発熱体とすることによって、当該発熱体の長さ方向の伸び率を１．０％以上とすることができる。そして、この１．０％以上の伸び率によって、当該発熱体の抵抗値（Ω／ｍ）を微調整することが可能となり、本発明のカーボンワイヤー発熱体封入ヒータのより高い均質性が実現される。なお、ここで言う伸び率とは所定長さのカーボンワイヤー発熱体の一端を支持し、カーボンワイヤー発熱体が切断されない範囲で他端に０．１Ｋｇ／ｍｍ2 の引張力を付与した際のカーボンワイヤー発熱体が伸びた割合を意味するものであり、例えば１０００ｍｍのカーボンワイヤー発熱体に０．１Ｋｇ／ｍｍ2 の引張力を付与した際に１０１０ｍｍとなった場合の伸び率は（１０１０−１０００）／１０００×１００＝１．０％である。
【００２２】
必ずしもこれに限定されるものではないが、本発明において前記カーボンワイヤー発熱体に使用する炭素繊維は、直径５乃至１５μｍの単繊維であることが好ましい。
炭素単繊維の直径が５μｍ未満では一本一本の単繊維の強度が弱く、これを束ねて所定の縦長形状に編み込み、発熱体とすることが困難である。しかも繊維が細いため、所定の抵抗値を得るために必要とされる単繊維本数が多くなり過ぎ実用的でない。一方、１５μｍを越える場合には、柔軟性が悪く多数本束ねた繊維束を編み込むことが困難である。
【００２３】
また、該炭素単繊維に含有される灰分（日本工業規格ＪＩＳ  Ｒ  ７２２３−１９７９）が１ｐｐｍ以下であることが、作製されるカーボンワイヤー発熱体の性能上の観点から、また該発熱体からのダストを抑制する観点から好ましい。
【００２４】
本発明において発熱体に用いるカーボンワイヤーは、前記直径５乃至１５μｍの炭素単繊維を、例えば、３０００乃至６０００本束ね、この繊維束を６乃至１２束編込み、直径１．５乃至３．０ｍｍの編紐または組紐形状にしたものが好適である。
前記炭素単繊維を束ねる本数が３０００本未満では所定の強度と抵抗値を得るために繊維束が６乃至１２束では足りず、束数が過大となって編込みが困難となり、また、本数が少ないために部分的な破断に対して編込みがほぐれ易く、好適な形状に仕上げることがやや困難になる。
一方、前記本数が６０００本を越えると、所定の抵抗値を得るために束ねる繊維束の数が少なくなり、編込みによるカーボンワイヤーの形状の維持が難しくなる。
【００２５】
上記のようなカーボンワイヤーを用いて、本発明の特定結晶構造を有する炭素単繊維からなるカーボンワイヤー発熱体を製作するには、例えば、上記カーボンワイヤー（通常１ロット１００ｍ程度）を熱処理炉内で、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガス雰囲気中、０．１Ｔｏｒｒ以下の圧力下で２０００℃以上、好ましくは２０２０℃以上の温度で、熱処理して炭素繊維が前記結晶構造になるまで充分に黒鉛化を進行させる。
そして、得られた黒鉛化処理済みのカーボンワイヤーを、所望の抵抗値に対応する長さにカットし、発熱体として所定の石英ガラス製の支持部材内に張渡し、端子等を接続した後、封入してヒータとして組立てる。
【００２６】
また、本発明のカーボンワイヤー発熱体封入ヒータにおいては、前記石英ガラス部材に２個の端子が設けられ、該両端子間に前記カーボンワイヤー発熱体が張渡され、かつ、前記端子の少なくとも一方に前記カーボンワイヤー発熱体の引張力を調整する機構が設けられていることが好ましい。これによれば、上述の本発明のカーボンワイヤー発熱体の効力を十分に発揮するヒータとすることができる。
この引張力の調整機能は、上記カーボンワイヤー発熱体の伸縮靭性の観点から０乃至０．１ｋｇ／ｍｍ2 の引張力に調整可能であることが好ましい。
【００２７】
このように、カーボンワイヤー発熱体を常に所定の伸張状態に維持するために、ヒータ端子の少なくとも一方に、カーボンワイヤーを巻き込むねじからなる引張力を調整する機構を設けるのが好ましい。
また、例えば、石英ガラス支持部材が盤状で、この石英ガラス支持部材にカーボンワイヤー発熱体を挿入配設する溝（空間部）が設けられている態様のヒータの場合には、前記黒鉛化処理されたカーボンワイヤーを所定引張力で延伸後、その状態で固定し、一定の引張力をカーボンワイヤーに与えても良い。
【００２８】
本発明のカーボンワイヤー発熱体を封入保持する石英ガラス製支持部材に関しては、特に限定されることなく、通常この種のカーボンワイヤー発熱体封入ヒータに使用される形状構造の石英ガラス支持部材を用いることができる。
本発明のカーボンワイヤー発熱体封入ヒータの石英ガラス支持部材の好適な例を図１、図２に示す。図１はプレート状ヒータの盤形状支持部材を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。また、図２は棒状ヒータの管形状支持部材を示す斜視図である。
【００２９】
図１に示されたのプレート状ヒータ１の石英ガラス支持部材２では、加熱面は円形平板状で、カーボンワイヤー発熱体３は該支持部材内部の空間部４に、いわゆるジグザグパターン形状に配線されている。また、この石英ガラス支持部材２には、この空間部４を除いて融着一体化された構造となっている。
また、カーボンワイヤー発熱体３の両端部には、それぞれ封止端子５が接続され、前記空間部４には不活性ガスが封入、閉止されている。
【００３０】
また、図２に示した棒状ヒータ１１では、カーボンワイヤー発熱体１３は小径の石英ガラス管１４内に不活性ガスと共に封入され、前記小径石英ガラス管１４は大径の石英ガラス管１２内に収容されている。
また、カーボンワイヤー発熱体１３の両端部は、大径ガラス管１２の端部を融着封止した封止端子１５に接続されている。
【００３１】
【実施例】
直径７μｍの各種炭素単繊維（ＰＡＮ系１種、ピッチ系１種）を３０００本程度束ねた繊維束を９束用いて直径２ｍｍの編紐形状に編み込んだ各カーボンワイヤーをそれぞれ準備した（長さ：各１００ｍ程度）。
これらのうち各一本を熱処理炉中でアルゴンガス雰囲気中（０．０１Ｔｏｒｒ）、２３００℃の温度で該カーボンワイヤーを黒鉛化した。
この黒鉛化処理した各種カーボンワイヤーの炭素単繊維と前記未処理の各種カーボンワイヤーの炭素単繊維をそれぞれ採取し、それらの面間隔ｄ（００２）、結晶子の大きさＬｃ（００２）を測定した。
その結果を表１に示す。
【００３２】
また、前記黒鉛化処理したＰＡＮ系カーボンワイヤーと未処理のものとの電気抵抗をそれぞれ測定し（各１種あたり５回）、その抵抗値（Ω／ｍ）とバラツキ（最大値、最小値、標準偏差）を表２にまとめた。
【００３３】
表１と表２の結果から、面間隔ｄ（００２）が０．３４３ｎｍ以下で、結晶子の大きさＬｃ（００２）が４．０ｎｍ以上の黒鉛化処理された本発明のカーボンワイヤーは、未処理のカーボンワイヤーに比べて抵抗値が減少すると共に標準偏差も大幅に減少し均質化が進んでいることが認められた。
【００３４】
【表１】
0004697909.tif 000002
【００３５】
【表２】
0004697909.tif 000003
【００３６】
上記実施例のＰＡＮ系カーボンワイヤーについて、アルゴンガス雰囲気（０．０１Ｔｏｒｒ）で加熱温度のみ変えて黒鉛化を行った。
各温度でのカーボンワイヤーの結晶子の大きさＬｃ（００２）及び面間隔ｄ（００２）を測定し、かつ、各々について１０００ｍｍのカーボンワイヤーに０．０４Ｋｇ／ｍｍ2 （なお、この時の単位面積は、カーボンワイヤーの見掛け上の断面積である）の引張力を付与した際の伸び率を測定した。これらの結果を図３に示す。
【００３７】
これらより、ｄ（００２）を０．３４３ｎｍ以下とし、かつ、Ｌｃ（００２）を４．５ｎｍ以上とすることで伸び率が１％以上となることが確認された。
このように、伸び率が１％以上であることによって、カーボンワイヤー発熱体封入ヒータに用いた際のカーボンワイヤー発熱体の抵抗値の調整幅が増大し、カーボンワイヤーのロット間のバラツキ等を簡易に調整することが可能となった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のカーボンワイヤー発熱体封入ヒータは、特定の結晶構造を有する炭素単繊維束ねた繊維束を編み上げてなるカーボンワイヤーを発熱体として用いているため、従来のこの種のヒータに比べて通電発熱時の抵抗安定性、特にその経時的安定性に優れている。
また、特定結晶構造を有するカーボンワイヤーを発熱体とすることによって、発熱体の長さ方向の伸び率を１．０％以上とすることができ、発熱体の抵抗値を微調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のカーボンワイヤー発熱体封入ヒータの石英ガラス支持部材の一例を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】図２は、本発明のカーボンワイヤー発熱体封入ヒータの石英ガラス支持部材の他の一例を示す斜視図である。
【図３】図３は、熱処理温度と、結晶子の大きさ及び面間隔ｄの関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１、１１          発熱体封入ヒータ
２、１２、１４    石英ガラス支持体
３、１３          カーボンワイヤー発熱体
４                空間部（溝）
５、１５          封止端子
【図１】
0004697909.tif 000004
【図２】
0004697909.tif 000005
【図３】
0004697909.tif 000006