(57)【要約】【課題】      熱交換効率が高くしかも噴出する高温気体にコンタミネーションの混入が全くない極めてクリーンな高温気体を供給することができるクリーンヒータを提供することをその解決課題とする。【解決手段】  被加熱流体(F1)が通流する耐熱ガラス製の通流内管(1)と、通流内管(1)に巻設され或いは通流内管(1)を取り囲むように配設された発熱体(2)と、通流内管(1)が貫通して配設され、前記発熱体(2)が内部に収納されているアウタバルブ(3)とで構成され、アウタバルブ(3)内が真空状態或いはアウタバルブ(3)内に不活性ガスが充填されていることを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)  被加熱流体が通流する耐熱ガラス或いはセラミックスの通流内管と、
(b)  通流内管に巻設され或いは通流内管を取り囲むように配設された発熱体と、
通流内管が貫通して配設され、前記発熱体が内部に収納されているアウタバルブとで構成され、
(c)  アウタバルブ内が真空状態あるいはアウタバルブ内に不活性ガスが充填されていることを特徴とするクリーンヒータ。
【請求項２】
通流内管が直管或いは螺旋状態又は折り返し状態でアウタバルブ内に収納されていることを特徴とする請求項１に記載のクリーンヒータ。
【請求項３】
通流内管の内面あるいは外面の少なくともいずれか一方に突起が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のクリーンヒータ。
【請求項４】
発熱体に接続された給電部材が、アウタバルブの両端或いはいずれか一方の端部に設けられた封止部から外部に導出されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のクリーンヒータ。
【請求項５】
アウタバルブの外面或いは内面の少なくともいずれか一方に赤外線反射皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のクリーンヒータ。
【請求項６】
発熱体がカーボン繊維の不織布帯或いは不織布筒体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のクリーンヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体製造装置を始めとする産業機器、特にコンタミネーションの混入を嫌うような産業機器の加熱装置に最適なクリーンヒータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の加熱装置にあっては、円筒形耐熱ガラス管に口金を取り付け、円筒形耐熱ガラス管の中心に沿ってコイルを配置し、コイルに通電してこれを加熱し、口金から吹き込んだ気体(空気あるいは窒素ガス)をコイルに接触させてこれを加熱し、円筒形耐熱ガラス管の出口から高温気体として噴出させ、被加熱対象物に吹き付けるようなものがあった。このような加熱装置の例として特開平７−１９８２０７号公報のようなものがある。
【特許文献１】特開平７−１９８２０７号公報  図１  このような加熱装置は、直接高温のコイルに冷風(室温の風の意味であるが、以下、加熱した熱風に対応する意味で、冷風と言う。)を接触させて加熱するものであるから、風量にもよるが、熱効率が高くしかもコイルの材質によってはかなりの高い温度(例えば400〜600℃或いはそれ以上の温度)まで冷風を加熱することができる。
【０００３】
しかしながら、極く僅かなパーテクルの存在もそれが半導体基板をの上に付着することにより集積回路を構成する微細配線の断線原因となるためにコンタミネーションとして排除しなければならないような半導体製造装置にあっては、前述のような加熱装置では高温気体と共にコイルの構成物質がコンタミネーションとして噴出するためこのような分野に適用することができなかった。
【０００４】
そこで考えられたのがセラミック管のような送風管にヒーターを巻き付け、送風管に冷風を流し、送風管を介して冷風を加熱する方法(図示せず)であるが、この方法の問題点は送風管を介しての間接加熱であるため温度熱効率が悪い。そこでこの間接加熱方法で冷風を400〜600℃或いはそれ以上の温度まで上げようとすると前述の方法と異なりヒーターを千数百℃の高温にまで昇温させる必要がある。空気中でヒーターをこのような高温まで昇温させる場合、コストも含めて耐熱性に優れたヒーター(通常はそのようなヒーターを使用せずニクロム線のようなもの使用する)を使用したとしても短時間で酸化・断線してしまい、実用に耐えないという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ヒーターを所望の高温にまで問題なく昇温させることができしかも噴出する高温気体にコンタミネーションの混入が全くない極めてクリーンな高温気体を供給することができるクリーンヒータを提供することをその解決課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
「請求項１」に記載のクリーンヒータ(A)は「被加熱流体(F1)、換言すれば室温の温度を有する冷風(F1)が通流する耐熱ガラス製或いはセラミックスの通流内管(1)と、通流内管(1)に巻設され或いは通流内管(1)を取り囲むように配設された発熱体(2)と、通流内管(1)が貫通して配設され、前記発熱体(2)が内部に収納されているアウタバルブ(3)とで構成され、アウタバルブ(3)内が真空状態或いはアウタバルブ(3)内に不活性ガスが充填されている」ことを特徴とする。
【０００７】
通流内管(1)が耐熱性ガラス(例えば、石英ガラス、バイコールガラス、ハードガラスなど)或いはセラミックスで形成されており、その外周に発熱体(2)が巻設或いは配設されているので、被加熱流体(F1)はその入り口から出口まで通流内管(1)の全長にわたって耐熱ガラス製或いはセラミックス製の通流内管(1)の内面にのみ接触することとなるので、換言すれば発熱体(2)に接触しないので、被加熱流体(F1)に発熱体(2)の構成物質がコンタミネーションとして混入することがなく、そのままの純粋な状態で加熱されて通流内管(1)から噴出されることになる。
【０００８】
また、アウタバルブ(3)内が真空状態に保持されている場合には、アウタバルブ(3)内で対流が発生せず、その分熱ロスが抑制される。逆に、不活性ガスが充填されている場合には、発熱体(2)を通電して高温にした場合、アウタバルブ(3)内が高圧となり、発熱体(2)の蒸発による消耗を抑制することができ、発熱体(2)の長寿命化を図ることができる。なお、真空状態あるいは不活性ガス充填状態のいずれにおいても発熱体(2)の酸化・損耗を抑制することができる。勿論、アウタバルブ(3)の外周は耐熱部材(図示せず)で被覆されることになる。
【０００９】
「請求項２」は請求項１に記載のクリーンヒータ(A)の通流内管(1)の形状に関し「通流内管(1)が直管或いは螺旋状態又は折り返し状態でアウタバルブ内に収納されている」ことを特徴とする。
【００１０】
通流内管(1)を螺旋状態又は折り返し状態としておけば、アウタバルブ(3)内での通流長さが長くなると同時に通流方向が変わるので、通流内管(1)内で被加熱流体(F1)が攪拌され、均一且つより高温の高温流体[高温ガス](F2)とすることができる。
【００１１】
「請求項３」は請求項１又は２に記載のクリーンヒータ(A)の通流内管(1)の更なる実施例で「通流内管(1)の内面あるいは外面の少なくともいずれか一方に突起(1b)が形成されている」ことを特徴とする。この突起(1b)により通流内管(1)内を流れる流体(F1)が乱流となり、温度の均一化を向上させることができる。
【００１２】
「請求項４」は請求項１〜３に記載のクリーンヒータ(A)の給電構造に関し「発熱体(2)に接続された給電部材(4)(5)が、アウタバルブ(3)の両端或いはいずれか一方の端部に設けられた封止部(6)(7)又は(8)から外部に導出されている」ことを特徴とする。
【００１３】
「請求項５」は請求項１〜４のいずれかに記載のクリーンヒータ(A)のアウタバルブ(3)の他の実施例に関し「アウタバルブ(3)の表面或いは内面の少なくともいずれか一方に赤外線反射皮膜(9)が形成されている」ことを特徴とするもので、このように赤外線反射皮膜(9)を設けておけば、発熱体(2)から放射された赤外線が反射され、発熱体(2)を再加熱することになる。その結果、エネルギー効率を大幅に高めることができる。
【００１４】
「請求項６」は請求項１〜５のいずれかに記載のクリーンヒータ(A)に用いられる発熱体(2)の一例で「発熱体(2)がカーボン繊維の不織布帯である」ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、被加熱流体が直接接触する通流内管を耐熱性ガラス或いはセラミックスで形成しているので、通流内管を通過する被加熱流体はそのままのピュアな状態で高温気体として噴出し、被加熱対象を汚染することがない。それ故、極く僅かのコンタミネーションの混入をも嫌う、特に半導体製造装置の加熱手段として特に有効である。また、アウタバルブ内は真空或いは不活性ガス充填状態となっているので、ヒーターが酸化される恐れがなく、限界近くまでヒーターを昇温させることができ、通流流体の温度を必要温度まで上昇させることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を図示実施例に従って詳述する。図１は本発明の一実施例のダブルエンド型のクリーンヒータ(A)の断面図で、工業用加熱装置等の発熱体として使用されるものであり、特に極く僅かのコンタミネーションの混入をも嫌う半導体製造装置のような分野において好適である。前記クリーンヒータ(A)の通流内管(1)は、両端の入り口(12)及び出口(13)を除くアウタバルブ(3)内に収納されている被収納部分の大半が螺旋状に巻設されており、その周囲に発熱体(2)が接触するように或いは近接して巻着又は配置されている。
【００１７】
通流内管(1)及びアウタバルブ(3)はいずれも例えば石英ガラス或いは硬質ガラスのような耐熱性ガラス或いはセラミックにて形成されており、材質がガラスの場合、アウタバルブ(3)の両端がローラによる収縮法により縮径されて或いは金型プレスによるピンチング法等により通流内管(1)の外周に気密的に融着一体化されている。セラミックの場合、アウタバルブ(3)の端部に内接し、通流内管(1)に外接するリング(R)を用い、その内外の接合部分をたとえば無機接着剤のようなもので気密状に接着することになる。いずれにせよガラス製或いはセラミック製アウタバルブ(3)の内部は真空状又は不活性ガス充填状態となっている。以下、ガラス製の場合を中心に説明する。
【００１８】
また、ガラス製アウタバルブ(3)の両端部分には封止部(6)(7)が形成されており、封止部(6)(7)内にはそれぞれモリブデン金属箔(15)(16)が埋設されており、前記モリブデン金属箔(15)(16)の内側端部に内部リード線(19)(20)がスポット溶接により接続されており、同金属箔(15)(16)の外側端部に外部リード線(17)(18)がスポット溶接により接続されており、外部に導出されている。なお、モリブデン金属箔(15)(16)及びその端部にスポット溶接されている内部リード線(19)(20)及び外部リード線(17)(18)にて給電部材(4)(5)が構成される。そして前記内部リード線(19)(20)の内側端部は発熱体(2)の端部にそれぞれ接続されている。又、アウタバルブ(3)には給排気用のチップ管(30)を封切した封切部(31)が設けられている。
【００１９】
発熱体(2)は例えば細い炭素繊維を不織布状に形成した筒体又は帯状体で、図１のような筒体の場合は主として通流内管(1)の螺旋部分(1a)が筒状発熱体(2)内に挿通される事になる。帯状体の場合、図示していないが主として螺旋部分(1a)の外周に巻着される事になる。勿論、発熱体(5)は、炭素繊維の不織布状物に限られず、タングステン線、モリブデン線等でも良い事は言うまでもない(図４、５参照)。これらタングステン線、モリブデン線等発熱体(5)は単線でもよいし、ダブルコイルのようなものでもよい。
【００２０】
前記発熱体(2)が炭素繊維体にて構成される場合、炭素繊維を主体とした不織布、マット状物または織布等の繊維集合材料を帯状或いは筒状に成形したものである。炭素繊維体を構成する炭素繊維の種類は特に限定されるものではないが、例示するならば、原料面から、天然繊維系炭素繊維（木綿等の天然繊維を原料とする）、ポリアクリル系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、フラン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維（異方性ピッチ，等方性ピッチまたは合成ピッチ等）およびポリビニルアルコール系炭素繊維等を挙げることができる。また、形態面から、ガラス状炭素繊維（ポリカルボジイミド系炭素繊維等）等を挙げることができ、分子構造面から、黒鉛質系炭素、非晶質系炭素あるいはこれらの中間的結晶構造を有する炭素および活性炭素繊維等を挙げることができる。
【００２１】
また、炭素繊維の繊維径も特に限定されるものではないが、発熱機能を有効に発揮させる観点からは、５〜２０μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは７〜１５μｍ程度である。また、その密度も特に限定されるものではないが、優れた発熱能を得るという観点からは、１.５ｇ／ｃｍ3程度あるいはそれ以下であることが好ましく、より好ましくは０.０１〜０.６ｇ／ｃｍ3である。このように密度を低くすると、炭素繊維体の見かけの体積が大きくなるので、遠赤外線量が多くなり、優れた発熱能を得ることができる。
【００２２】
尚、アウタバルブ(3)内の減圧・真空化は、封切部(31)となるチップ管(30)を通じて行われ、所定の真空度に達したところで、チップ管(30)の根本が加熱・封切される事になる。又、不活性ガス（例えば、窒素やアルゴンなど）が封入される場合、所定の真空度までアウタバルブ(3)内を減圧した後、所定の不活性ガスを、チップ管(30)を通してアウタバルブ(3)内に充填した後、前述同様封切する。
【００２３】
しかして、発熱体(2)に通電して発熱体(2)を加熱すると共に通流内管(1)に空気或いは不活性ガス（例えば、窒素やアルゴンガス）を通し、前記発熱体(2)によって加熱し、出口(13)から高温ガスとして噴出させる。この高温ガスはたとえば石英ガラスや硬質ガラスのような耐熱性ガラスの通流内管(1)のみに接触するので、高温ガス(F2)内にコンタミネーションが混入する恐れがなく、例えば、コンタミネーションの混入を極端に嫌う半導体製造プロセスなどに好適である。なお、高温ガス(F2)の吹き出し温度は、非加熱対象によって異なるが、例えば、３００℃以上(通常は４００〜６００℃、場合によっては７００度程度)に設定される。
【００２４】
この場合、ヒーター(5)の温度は千数百℃に昇温されるが、アウタバルブ(3)内が真空状態に設定されている場合、酸化されないので、場合によっては限界に近い温度まで昇温させることができる。また、前述のようにアウタバルブ(3)内が真空状態の場合、アウタバルブ(3)内での対流が発生せず、対流に起因する熱ロスを抑制することが出来る。逆にアウタバルブ(3)内に不活性ガスが充填されている場合、特に加圧状態で封入されている場合、不活性ガスによる酸化防止と発熱体(2)の発熱時の蒸発を抑制する事ができ、ヒーター寿命を延ばすことができる。
【００２５】
また、通流内管(1)は凹凸のない平坦な外面或いは内面を持つものでもよいが、凹凸［特に、内面に突起(1b)］を設けることにより、通流内管(1)を流れる流体(F1)を乱流にすることができ、温度の均一化を図ることができる。前記凹凸(1b)は通流内管(1)がガラスの場合、局部的加熱行い適所にディンプルを設ければよい。セラミック製通流内管(1)の場合には、径が細い(＝セラミック製通流内管(1)の内径とほぼ等しい)短管(図示せず)をセラミック製通流内管(1)の内側に所定間隔で配置するようにすればよい。
【００２６】
また、アウタバルブ(3)の外面あるいは内面の少なくとものいずれか一方に赤外線反射皮膜(9)を形成しておけば、発熱体(2)からの赤外線が赤外線反射皮膜(9)により内方向に反射され、発熱体(2)を再加熱する。その結果、冷風を所定の温度に上昇させるのに必要なエネルギーがそれだけ少なくなるので、発熱体(2)に与える電力が抑制されエネルギー効率が向上する。特に、アウタバルブ(3)の内面に赤外線反射皮膜(9)を形成した場合、アウタバルブ(3)に熱が吸収される前にその一部が内方に反射されるので、アウタバルブ(3)の表面温度がその分だけ抑制されることになる。また、発熱体(2)が粗に巻設されている場合、発熱体(2)の間から反射赤外線がガラス製通流内管(1)内に入射し、通流内管(1)内を通過する冷風(F1)を直接加熱することになる。
【００２７】
なお、実施例１の場合、通流内管(1)が螺旋状である場合を例にとって説明したが、勿論、これに限られず、直線状であっても良いことは言うまでもなく、この場合は、一般的には帯状の発熱体(2)がその外周に螺旋状に巻着される。（勿論、発熱体(2)をさや状に形成し、直管型の通流内管(1)を挿通するようにしても良い。）
ここで、後者の製造例を図２〜３に従って簡単に説明する。
【００２８】
外周に発熱体(2)が巻着された通風内管(1)をアウタバルブ(3)内に挿入し、両端部の封止管(6a)(7a)から給電部材(4)(5)をそれぞれ外部に引き出す(図２)。この状態で図３のようにチップ管(30)からアウタバルブ(3)内に不活性ガスを供給しつつアウタバルブ(3)の端部を加熱しつつ縮径させ、両方同時或いは片部づつ通流内管(1)の外周面に融着・一体化させる。この時、加熱部分をローラで押圧縮径させても良い。
【００２９】
続いて、アウタバルブ(3)に不活性ガスを通流させながら封止管(6a)(7a)を加熱し、両者同時に或いは片方ずつピンチシール又はシュリンクシールにより封止し、モリブデン金属箔(15)(16)を封止部(6)(7)内にそれぞれ埋設する。最後に、チップ管(30)を排気ラインに接続し、アウタバルブ(3)内を所定の真空度にしたところで、或いはその後、不活性ガスを充填したところでチップ管(30)の根本を加熱・封切する。(31)がその封切跡である。
【００３０】
なお、アウタバルブ(3)の両端部と通流内管(1)との間を融着・一体化による閉塞方法に代え、栓(図示せず)を用いて閉塞するようにしても良い(この方法はセラミックスを使用する場合に特に有効である)。この場合、アウタバルブ(3)は通流内管(1)との融着・一体化する必要がないので、耐熱ガラスでなくともよい。その他、図４のようにアウタバルブ(3)の一端を通流内管(1)の外周面に融着・一体化し、他端のピンチシールにより形成した封止部(8)に金属箔(15)(16)を埋設するようにしても良い。この場合、封止時に、通流内管(1)が目詰まりしないようにピンチシール金型(図示せず)を、例えば通流内管(1)に一致する部分に凹溝を形成しておき、ピンチシール時に通流内管(1)が押し潰されないようにしておくなどの工夫が必要である。
【００３１】
また、図５に示すように排気管(26)をアウタバルブ(3)に接続し、直接、アウタバルブ(3)の一端に接続し、アウタバルブ(3)の他端を封止した後、この一端からアウタバルブ(3)内のガスを吸引して真空状態とし、或いは更にアウタバルブ(3)内に不活性ガスを充填した後、この一端を加熱して通流内管に融着・一体化して閉塞するようにしてもよい。この方法の場合、封切跡が生じない。また、図５の拡大図は通流内管(1)を局部的に加熱して加熱部分を内側に押し込み、複数の突起(1b)を内側に突出させた例である。なお、本実施例にかかるクリーンヒータ(A)の外周を断熱材(図示せず)で覆うことも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明のクリーンヒータは、通流内管として耐熱ガラス或いはセラミックスを使用しているので、被加熱流体は耐熱性ガラス或いはセラミックス製通流内管にのみ接触するだけであるから、被加熱流体内にコンタミネーションが混入することがなく、そのままの純粋な状態で加熱されて通流内管から噴出されることになる。一方、通流内管の外周に配設されたヒーターは、不活性雰囲気或いは真空状態のアウターバルブ内に配設されているので、ヒーターの限界近くまで昇温させたとしても酸化断線がなく、ヒーターの長寿命化が可能となり、半導体のような超クリーン熱風を必要とするような産業分野に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施例(ダブルエンドタイプ)を示す断面図。
【図２】図１の発熱体を装着した通流内管をアウタバルブに挿入した状態の断面図。
【図３】図２のアウタバルブを通流内管に融着・一体化している状態を示す断面図。
【図４】本発明の他の実施例(シングルエンドタイプ)を示す断面図。
【図５】本発明の通流内管に突起を設けた場合の断面図。
【図６】本発明のセラミックタイプの実施例の部分断面図。
【符号の説明】
【００３４】
(F1)…被加熱流体
(1)…耐熱ガラス製の通流内管
(2)…発熱体
(3)…アウタバルブ
【図１】
2005069570.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005069570.tif 000007
【図６】
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