真空封止ヒータ
【課題】低コストの真空封止ヒータを提供する。
【解決手段】一端に開口を有するケースと、前記ケースの前記開口を塞ぐ加熱プレートと、真空状態の前記ケースの内部において、前記加熱プレートに対向配置されたヒータ素子と、前記ケースの内部において、前記ヒータ素子からの放射熱を反射するリフレクタと、前記ヒータ素子に接続されるとともに、前記ケースの内部から外部に引き出されたヒータ端子と、を備えたことを特徴とする真空封止ヒータ。
【解決手段】一端に開口を有するケースと、前記ケースの前記開口を塞ぐ加熱プレートと、真空状態の前記ケースの内部において、前記加熱プレートに対向配置されたヒータ素子と、前記ケースの内部において、前記ヒータ素子からの放射熱を反射するリフレクタと、前記ヒータ素子に接続されるとともに、前記ケースの内部から外部に引き出されたヒータ端子と、を備えたことを特徴とする真空封止ヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空封止ヒータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１によれば、アルミニウムなどの金属材料を蒸発させて対象物に対して蒸着を行うためのフィラメントがチャンバー内に設けられた真空蒸着装置が開示されている。ここに開示された真空蒸着装置においては、チャンバーの内部を真空状態とし、線状の金属材料をフィラメントに引掛けた状態でフィラメントを加熱することにより、金属材料を蒸発させて蒸着膜を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−３１６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような構成の真空蒸着装置においては、フィラメントが蒸発材料に曝されるため、フィラメントが劣化しやすい。このため、フィラメントを頻繁に交換する必要があり、コストの上昇を招く。
【０００５】
この発明の目的は、低コストの真空封止ヒータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の態様によれば、
一端に開口を有するケースと、前記ケースの前記開口を塞ぐ加熱プレートと、真空状態の前記ケースの内部において、前記加熱プレートに対向配置されたヒータ素子と、前記ケースの内部において、前記ヒータ素子からの放射熱を反射するリフレクタと、前記ヒータ素子に接続されるとともに、前記ケースの内部から外部に引き出されたヒータ端子と、を備えたことを特徴とする真空封止ヒータが提供される。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、低コストの真空封止ヒータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態の真空封止ヒータの主要部を概略的に示す分解斜視図である。
【図２】図２は、本実施形態の真空封止ヒータの一構成例を概略的に示す断面図である。
【図３】図３は、本実施形態の真空封止ヒータの他の構成例を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、一実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１０】
図１は、本実施形態の真空封止ヒータ１の主要部を概略的に示す分解斜視図である。なお、この図においては、便宜上、面内で互いに直交する２方向をＸ方向及びＹ方向と定義し、また、Ｘ−Ｙ平面の法線方向をＺ方向と定義する。Ｚ方向は、真空封止ヒータ１の軸方向に相当する。
【００１１】
すなわち、真空封止ヒータ１は、ケース１０と、加熱プレート２０と、ヒータ素子（フィラメントと称される場合もある）３０と、リフレクタ４０と、ヒータ端子５０と、を備えている。
【００１２】
ケース１０は、その内部は空洞であり、例えば、Ｚ方向に延出した筒型に形成されている。図示した例では、ケース１０は、Ｘ−Ｙ平面において円形の断面を有する円筒型に形成されている。なお、ケース１０の形状については、図示した例に限らず、使用条件などに合わせて適宜変更可能である。
【００１３】
また、このケース１０は、Ｚ方向の先端に開口１１を有している。図示した例では、開口１１は、Ｘ−Ｙ平面において円形である。
【００１４】
さらに、このケース１０には、その外面１０Ａに、熱インシュレートゾーンとして機能する凹部１２が形成されている。すなわち、ケース１０は、凹部１２よりもＺ方向の先端側、つまり凹部１２よりも開口１１に近接する側の先端部１３、及び、凹部１２よりもＺ方向の後端側、つまり凹部１２を挟んで先端部１３とは反対側の後端部１４を有している。凹部１２の板厚は、先端部１３の板厚よりも薄く、また、後端部１４の板厚よりも薄い。このような凹部１２は、外面１０Ａの一回りに連続的なループ状に形成されている。
【００１５】
このようなケース１０は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）や、鉄−クロム系合金（ステンレス鋼）や、鉄−ニッケル−コバルト合金（コバール）などの各種金属材料によって形成されている。
【００１６】
加熱プレート２０は、ケース１０の開口１１に適合するような形状に形成されている。図示した例では、加熱プレート２０は、Ｘ−Ｙ平面において円形の底部２１を有するとともにリング状のフランジ部２２を有する平鍋型に形成されている。加熱プレート２０の形状については、図示した例に限らず、加熱すべきサンプル（主に固体であるが、液体であっても良い）に合わせて適宜変更可能であり、例えば、フラット型、深絞り型、凸型などの各種形状に形成されても良い。
【００１７】
この加熱プレート２０は、開口１１を塞ぐように配置される。このとき、フランジ部２２は、全周にわたってケース１０と接しており、全周にわたってケース１０に溶接により接合されている。これにより、加熱プレート２０がケース１０に支持固定される。なお、溶接の手法としては、ＴＩＧ（tungsten-inert gas）溶接、電子ビーム溶接、レーザ溶接、抵抗溶接などの各種手法が適用可能である。
【００１８】
このような加熱プレート２０は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、レニウム（Ｒｅ）、白金（Ｐｔ）や、鉄−クロム系合金（ステンレス鋼）や、ニッケル−クロム−鉄系合金（インコネル（登録商標））などの耐熱性を有する金属材料によって形成されている。
【００１９】
ヒータ素子３０は、ケース１０の内部において、加熱プレート２０に対向配置されている。このようなヒータ素子３０は、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）などの各種金属材料によって形成されている。ヒータ素子３０は、これらの金属材料からなる金属線を加工することによって形成されている。
【００２０】
ここに示した例では、ヒータ素子３０は、第１直線部３１、第２直線部３２、及び、渦巻部３３を有している。第１直線部３１は、一端部３１ＡからＺ方向の先端側に向かって直線状に延出している。第２直線部３２は、第１直線部３１と略平行な直線状であって、他端部３２ＡからＺ方向の先端側に向かって直線状に延出している。渦巻部３３は、第１直線部３１及び第２直線部３２に繋がるとともにこれらの第１直線部３１及び第２直線部３２から屈曲し、第１直線部３１を中心として外方に向かって渦巻状に形成されている。図示した例では、渦巻部３３は、Ｘ−Ｙ平面と略平行な面内に形成され、その略中心の位置が第１直線部３１に繋がる位置に相当し、その最外周の位置が第２直線部３２に繋がる位置に相当する。
【００２１】
このようなヒータ素子３０は、加熱プレート２０に接していないが、加熱プレート２０の背面２３の近傍に配置されている。特に、ヒータ素子３０のうち、渦巻部３３が加熱プレート２０の背面２３に向かい合っている。つまり、このようなヒータ素子３０においては、主として渦巻部３３が加熱プレート２０を加熱するための加熱源に相当する。
【００２２】
リフレクタ４０は、ヒータ素子３０からの放射熱を反射するものである。このリフレクタ４０は、ケース１０の内部において、ヒータ素子３０の渦巻部３３よりもＺ方向の後端側に配置されている。つまり、ヒータ素子３０は、加熱プレート２０とリフレクタ４０との間に位置している。
【００２３】
ここに示した例では、リフレクタ４０は、略円盤状に形成され、渦巻部３３と向かい合っている。また、このリフレクタ４０は、第１開口部４１と、第２開口部４２と、を有している。第１開口部４１は、リフレクタ４０の略中央部に形成されている。この第１開口部４１は、ヒータ素子３０の第１直線部３１を通す孔である。第２開口部４２は、リフレクタ４０の周辺部に形成されている。この第２開口部４２は、ヒータ素子３０の第２直線部３２を通す孔である。第１開口部４１は第１直線部３１の外径よりも大きな内径の円形状であり、また、第２開口部４２は第２直線部３２の外径よりも大きな内径の円形状であるが、この例に限らない。例えば、後に説明するように、第２開口部４２の内径が第２直線部３２の外径と略同等であっても良いし、第１開口部４１の内径が第１直線部３１の外径と略同等であっても良い。
【００２４】
このようなリフレクタ４０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）などの金属材料によって形成されている。
【００２５】
ヒータ端子５０は、第１ヒータ端子５１と、第２ヒータ端子５２とで構成されている。第１ヒータ端子５１は、ケース１０の内部において、ヒータ素子３０の一端部３１Ａに接続されている。第２ヒータ端子５２は、ケース１０の内部において、ヒータ素子３０の他端部３２Ａに接続されている。
【００２６】
これらの第１ヒータ端子５１及び第２ヒータ端子５２は、棒状に形成されている。第１ヒータ端子５１は、ヒータ素子３０の一端部３１Ａを含む第１直線部３１を挿入可能な挿入孔５１Ａを有している。また、第２ヒータ端子５２は、ヒータ素子３０の他端部３２Ａを含む第２直線部３２を挿入可能な挿入孔５２Ａを有している。ヒータ素子３０は、第１直線部３１が挿入孔５１Ａに挿入された状態でカシメや溶接などの手法により第１ヒータ端子５１に支持固定されるとともに、第２直線部３２が挿入孔５２Ａに挿入された状態でカシメや溶接などの手法により第２ヒータ端子５２に支持固定される。
【００２７】
このような第１ヒータ端子５１及び第２ヒータ端子５２は、例えば、鉄−クロム系合金（ステンレス鋼）や、鉄−ニッケル−コバルト合金（コバール）などの各種金属材料によって形成されている。
【００２８】
図２は、本実施形態の真空封止ヒータ１の一構成例を概略的に示す断面図である。なお、図１を参照して説明したのと同一構成については同一の参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２９】
ケース１０は、凹部１２を挟んで先端部１３及び後端部１４を有している。先端部１３に形成された開口１１は、加熱プレート２０によって塞がれている。先端部１３は、加熱プレート２０、ヒータ素子３０の主として渦巻部３３、及び、リフレクタ４０を囲む部分に相当する。後端部１４は、ヒータ端子５０が引き出される部分に相当する。
【００３０】
図示した例では、ケース１０は、筒状部１５と、ベース部１６とで構成されている。筒状部１５は、先端部１３及び凹部１２を含み、さらに、後端部１４の一部を含んでいる。ベース部１６は、後端部１４のうちの筒状部１５に含まれていない部分に相当する。筒状部１５は、ベース部１６に嵌め込まれた状態で、全周にわたりベース部１６と溶接により接合されている。
【００３１】
ヒータ端子５０は、ケース１０の内部においてヒータ素子３０に接続されるとともに、ベース部１６からケース１０の外部に引き出されている。図示した例では、第１ヒータ端子５１及び第２ヒータ端子５２の双方がベース部１６から外部に引き出されている。ベース部１６と第１ヒータ端子５１との間、及び、ベース部１６と第２ヒータ端子５２との間には、それぞれ絶縁碍子６０が介在している。すなわち、絶縁碍子６０は、第１ヒータ端子５１及び第２ヒータ端子５２のそれぞれの周囲を覆い、ベース部１６に対してロウ付け（例えば銅ロウ付け）されている。これにより、第１ヒータ端子５１及び第２ヒータ端子５２は、ケース１０に支持固定される。
【００３２】
このような絶縁碍子６０は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）によって形成されている。なお、絶縁碍子６０及びベース部１６は、それぞれの熱膨張率が同等となるような材料を選定して形成されることが望ましい。一方で、筒状部１５は、比較的高い耐熱性を有する（例えば、ベース部１６を形成する材料よりも高い耐熱性を有する）材料を選定して形成されることが望ましい。したがって、ケース１０を構成する筒状部１５及びベース部１６については、それぞれ要求される特性が異なるため、異種金属材料で形成される場合があり得る。なお、比較的高い耐熱性を有し、且つ、絶縁碍子６０の熱膨張率と同等の熱膨張率を有する材料を適用した場合には、筒状部１５及びベース部１６が同一材料によって形成される場合もあり、また、筒状部１５とベース部１６とが別々に形成されたものではなく一体に形成される場合もあり得る。筒状部１５とベース部１６とが一体に形成されたケース１０を適用した場合、筒状部１５とベース部１６とが別々に形成されたものを接合する場合と比較して、部品点数を削減できるとともに溶接などの接合処理が不要となる。
【００３３】
本実施形態では、ケース１０の内部は、真空状態である。ここでの真空状態とは、１０−１Ｐａ以下の真空度、より望ましくは１０−５Ｐａ以下の真空度にある状態を言い、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ）などの不活性ガスがわずかに含まれている状態も本実施形態の真空状態に相当するものとする。
【００３４】
ヒータ素子３０及びリフレクタ４０は、真空状態のケース１０の内部に封止されている。リフレクタ４０は、ヒータ素子３０の渦巻部３３とヒータ端子５０との間に配置されている。ヒータ素子３０において、第１直線部３１はリフレクタ４０の第１開口部４１を通り第１ヒータ端子５１に支持固定され、また、第２直線部３２はリフレクタ４０の第２開口部４２を通り第２ヒータ端子５２に支持固定され、渦巻部３３は加熱プレート２０に対向している。ここに示した例では、第２開口部４２の内径が第２直線部３２の外径と略同一であり、リフレクタ４０は、その第２開口部４２が第２直線部３２に挿入された状態でカシメや溶接などの手法によりヒータ素子３０に支持固定されている。つまり、ヒータ素子３０とリフレクタ４０とを一体化することが可能である。
【００３５】
ケース１０はアースされている一方で、第１ヒータ端子５１及び第２ヒータ端子５２には、ヒータ電源７０が接続されている。
【００３６】
このような構成の真空封止ヒータ１において、ヒータ電源７０からヒータ素子３０に対して電流を供給し、ヒータ素子３０を加熱すると、その放射熱により加熱プレート２０が加熱される。また、ヒータ素子３０からヒータ端子５０の側に向かう放射熱はリフレクタ４０によって反射され、加熱プレート２０の加熱に寄与する。これにより、加熱プレート２０の上に載置されたサンプルが加熱される。このような方式により、５００℃乃至１０００℃程度の温度でサンプルを加熱することが可能となる。
【００３７】
以上説明した本実施形態の真空封止ヒータ１によれば、ヒータ素子３０自体が真空封止され、しかも、加熱プレート２０の上に載置されたサンプルの蒸発材料に曝されることがない。このため、本実施形態の真空封止ヒータ１を蒸着装置の加熱源として適用した場合、チャンバー内で加熱源であるフィラメントが蒸発材料に曝される装置構成と比較して、ヒータ素子３０の劣化を抑制することができ、加熱源の交換頻度を低減することができる。結果として、低コスト化の実現が可能となる。
【００３８】
また、本実施形態の真空封止ヒータ１は、真空雰囲気内での加熱源としての利用に限らず、大気中においても１０００℃程度の温度でサンプルを加熱するための加熱源として利用可能であり、汎用性が極めて高い。なお、本実施形態の真空封止ヒータ１を大気中で利用する場合には、ケース１０の外面などの酸素に触れる部分は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）コートやＰＢＮ（熱分解窒素ホウ素）コートなどの耐酸素性のコーティングを施すことが望ましい。
【００３９】
さらに、本実施形態の真空封止ヒータ１によれば、ケース１０において、リフレクタ４０を囲む先端部１３と、ヒータ端子５０が引き出された後端部１４との間の外面にループ状の凹部１２が形成されている。凹部１２の板厚は、先端部１３の板厚よりも薄い。したがって、ヒータ素子３０からの放射熱などによって比較的高温となった先端部１３から、薄い板厚の凹部１２を経て後端部１４へ向かう熱伝導を抑制することができる。加えて、リフレクタ４０は、ヒータ素子３０の渦巻部３３とヒータ端子５０との間に配置されているため、渦巻部３３の放射熱を遮蔽する遮蔽板としても機能する。したがって、ヒータ端子５０自体の温度上昇が抑制されるとともに、ヒータ端子５０が引き出された後端部１４の温度上昇が抑制されるため、ロウ付けした部分の溶出を防止することが可能となり、ケース１０の内部の真空度を維持することができる。なお、ケース１０をさらに積極的に冷却する必要がある場合には、例えば、空冷機構、水冷機構、ヒートポンプ機構などの冷却機構をケース１０に取り付けることが望ましい。
【００４０】
上記した例においては、凹部１２は、ケース１０の外面に形成されたが、ケース１０の内面に形成されても良い。ケース１０の内面にループ状の凹部１２を形成した構成においても、上記した例と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４１】
また、本実施形態の真空封止ヒータ１によれば、リフレクタ４０は、ヒータ素子３０に支持固定されている。このため、リフレクタ４０を支持するための特別な機構が不要であり、部品点数を削減することができ、低コスト化が可能となる。
【００４２】
本実施形態において、ケース１０を構成する筒状部１５とベース部１６との接合、及び、筒状部１５と加熱プレート２０との接合は、ＴＩＧ（tungsten-inert gas）溶接、電子ビーム溶接、レーザ溶接、抵抗溶接などの手法によってなされ、また、絶縁碍子６０とケース１０との接合は、ロウ付けによってなされているため、ケース１０の内部を高い真空度に維持することができる。
【００４３】
本実施形態において、ヒータ素子３０は、ゲッターポンプとして機能する材料で形成されることが望ましい。特に、チタン（Ｔｉ）は、ゲッターポンプとして機能するとともに比較的安価であり、ヒータ素子３０を形成する材料としては好適である。チタン製のヒータ素子３０は、加熱に伴ってその一部が蒸発する。蒸発したチタンは、ケース１０の内面などに付着し薄膜を形成するが、その薄膜の表面で気体（例えば、ケース１０の内部の残留ガスなど）を吸着する。これにより、ケース１０の内部の真空度を維持することができる。
【００４４】
なお、リフレクタ４０がチタン（Ｔｉ）などのゲッターポンプとして機能する材料で形成されても良い。この場合、ヒータ素子３０からの放射熱によりリフレクタ４０の一部が蒸発し、上記したのと同様にゲッターポンプとして機能する。このため、例えヒータ素子３０がタングステン（Ｗ）などのゲッターポンプとして機能しにくい材料によって形成された場合であっても、リフレクタ４０がゲッターポンプとして機能する材料で形成されているため、ケース１０の内部の真空度を維持することができる。つまり、ヒータ素子３０及びリフレクタ４０の少なくとも一方がゲッターポンプとして機能する材料で形成されていることが望ましい。
【００４５】
本実施形態のオプションとして、ヒータ電源７０に対し、さらに、加速電源（エレクトロンボンバード用電源）８０を接続することも可能である。このような加速電源８０により、例えば、−１０００Ｖ程度の電圧を印加することによって、ヒータ素子３０からの熱電子が加熱プレート２０に衝突し、さらに高温領域、例えば１０００℃乃至１５００℃程度の高温でサンプルを加熱することが可能となる。
【００４６】
図３は、本実施形態の真空封止ヒータ１の他の構成例を概略的に示す断面図である。なお、図２を参照して説明したのと同一構成については同一の参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４７】
図３に示した構成は、図２に示した例と比較して、ヒータ端子５０の一方が絶縁碍子を介することなくケース１０に接合されている点で相違している。図示した例では、第２ヒータ端子５２がケース１０のベース部１６に直接接合されている。第２ヒータ端子５２とベース部１６との接合は、例えばＴＩＧ溶接によってなされる。これにより、第２ヒータ端子５２は、ベース部１６と電気的に接続されるとともに、ベース部１６に支持固定される。なお、第１ヒータ端子５１については、図２に示した例と同様に、絶縁碍子６０を介してベース部１６にロウ付けされている。第２ヒータ端子５２と電気的に接続されたケース１０、及び、第１ヒータ端子５１には、ヒータ電源７０が接続されている。つまり、第１ヒータ端子５１及び第２ヒータ端子５２の双方がケース１０の内部から外部に引き出されている必要はなく、ヒータ電源７０と電気的に接続するために少なくもと一方のヒータ端子が外部に引き出されていれば良く、他方のヒータ端子は図２に示した例のように外部に引き出されていても良いし、図３に示した例のようにケース１０に接合されていても良い。
【００４８】
このような構成によれば、図２に示した構成と同様の効果が得られることは勿論のこと、図３に示した構成と比較して部品点数が削減され、より低コスト化が可能となる。なお、図２に示した例と同様に、オプションとして、さらに、加速電源８０を接続することも可能である。
【００４９】
また、図３に示した構成は、図２に示した例と比較して、リフレクタ４０がヒータ端子５０によって支持固定されている点で相違している。図示した例では、リフレクタ４０は、第２ヒータ端子５２によって支持固定されている。リフレクタ４０は、ヒータ素子３０の第１直線部３１を通すための第１開口部４１を有するとともに、第２直線部３２を通すための第２開口部４２を有している。第２開口部４２の内径は、第２直線部３２の外径よりも大きい。この第２開口部４２には、第２ヒータ端子５２が嵌合している。これにより、リフレクタ４０は、第２ヒータ端子５２に支持固定される。
【００５０】
このような構成によれば、リフレクタ４０を支持するための特別な機構が不要であり、部品点数を削減することができ、低コスト化が可能となる。
【００５１】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１…真空封止ヒータ
１０…ケース １１…開口 １２…凹部 １３…先端部 １４…後端部
１５…筒状部 １６…ベース部
２０…加熱プレート ２１…底部 ２２…フランジ部 ２３…背面
３０…ヒータ素子 ３１…第１直線部 ３２…第２直線部 ３３…渦巻部
４０…リフレクタ ４１…第１開口部 ４２…第２開口部
５０…ヒータ端子 ５１…第１ヒータ端子 ５２…第２ヒータ端子
６０…絶縁碍子
７０…ヒータ電源
８０…加速電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空封止ヒータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１によれば、アルミニウムなどの金属材料を蒸発させて対象物に対して蒸着を行うためのフィラメントがチャンバー内に設けられた真空蒸着装置が開示されている。ここに開示された真空蒸着装置においては、チャンバーの内部を真空状態とし、線状の金属材料をフィラメントに引掛けた状態でフィラメントを加熱することにより、金属材料を蒸発させて蒸着膜を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−３１６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような構成の真空蒸着装置においては、フィラメントが蒸発材料に曝されるため、フィラメントが劣化しやすい。このため、フィラメントを頻繁に交換する必要があり、コストの上昇を招く。
【０００５】
この発明の目的は、低コストの真空封止ヒータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の態様によれば、
一端に開口を有するケースと、前記ケースの前記開口を塞ぐ加熱プレートと、真空状態の前記ケースの内部において、前記加熱プレートに対向配置されたヒータ素子と、前記ケースの内部において、前記ヒータ素子からの放射熱を反射するリフレクタと、前記ヒータ素子に接続されるとともに、前記ケースの内部から外部に引き出されたヒータ端子と、を備えたことを特徴とする真空封止ヒータが提供される。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、低コストの真空封止ヒータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態の真空封止ヒータの主要部を概略的に示す分解斜視図である。
【図２】図２は、本実施形態の真空封止ヒータの一構成例を概略的に示す断面図である。
【図３】図３は、本実施形態の真空封止ヒータの他の構成例を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、一実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１０】
図１は、本実施形態の真空封止ヒータ１の主要部を概略的に示す分解斜視図である。なお、この図においては、便宜上、面内で互いに直交する２方向をＸ方向及びＹ方向と定義し、また、Ｘ−Ｙ平面の法線方向をＺ方向と定義する。Ｚ方向は、真空封止ヒータ１の軸方向に相当する。
【００１１】
すなわち、真空封止ヒータ１は、ケース１０と、加熱プレート２０と、ヒータ素子（フィラメントと称される場合もある）３０と、リフレクタ４０と、ヒータ端子５０と、を備えている。
【００１２】
ケース１０は、その内部は空洞であり、例えば、Ｚ方向に延出した筒型に形成されている。図示した例では、ケース１０は、Ｘ−Ｙ平面において円形の断面を有する円筒型に形成されている。なお、ケース１０の形状については、図示した例に限らず、使用条件などに合わせて適宜変更可能である。
【００１３】
また、このケース１０は、Ｚ方向の先端に開口１１を有している。図示した例では、開口１１は、Ｘ−Ｙ平面において円形である。
【００１４】
さらに、このケース１０には、その外面１０Ａに、熱インシュレートゾーンとして機能する凹部１２が形成されている。すなわち、ケース１０は、凹部１２よりもＺ方向の先端側、つまり凹部１２よりも開口１１に近接する側の先端部１３、及び、凹部１２よりもＺ方向の後端側、つまり凹部１２を挟んで先端部１３とは反対側の後端部１４を有している。凹部１２の板厚は、先端部１３の板厚よりも薄く、また、後端部１４の板厚よりも薄い。このような凹部１２は、外面１０Ａの一回りに連続的なループ状に形成されている。
【００１５】
このようなケース１０は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）や、鉄−クロム系合金（ステンレス鋼）や、鉄−ニッケル−コバルト合金（コバール）などの各種金属材料によって形成されている。
【００１６】
加熱プレート２０は、ケース１０の開口１１に適合するような形状に形成されている。図示した例では、加熱プレート２０は、Ｘ−Ｙ平面において円形の底部２１を有するとともにリング状のフランジ部２２を有する平鍋型に形成されている。加熱プレート２０の形状については、図示した例に限らず、加熱すべきサンプル（主に固体であるが、液体であっても良い）に合わせて適宜変更可能であり、例えば、フラット型、深絞り型、凸型などの各種形状に形成されても良い。
【００１７】
この加熱プレート２０は、開口１１を塞ぐように配置される。このとき、フランジ部２２は、全周にわたってケース１０と接しており、全周にわたってケース１０に溶接により接合されている。これにより、加熱プレート２０がケース１０に支持固定される。なお、溶接の手法としては、ＴＩＧ（tungsten-inert gas）溶接、電子ビーム溶接、レーザ溶接、抵抗溶接などの各種手法が適用可能である。
【００１８】
このような加熱プレート２０は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、レニウム（Ｒｅ）、白金（Ｐｔ）や、鉄−クロム系合金（ステンレス鋼）や、ニッケル−クロム−鉄系合金（インコネル（登録商標））などの耐熱性を有する金属材料によって形成されている。
【００１９】
ヒータ素子３０は、ケース１０の内部において、加熱プレート２０に対向配置されている。このようなヒータ素子３０は、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）などの各種金属材料によって形成されている。ヒータ素子３０は、これらの金属材料からなる金属線を加工することによって形成されている。
【００２０】
ここに示した例では、ヒータ素子３０は、第１直線部３１、第２直線部３２、及び、渦巻部３３を有している。第１直線部３１は、一端部３１ＡからＺ方向の先端側に向かって直線状に延出している。第２直線部３２は、第１直線部３１と略平行な直線状であって、他端部３２ＡからＺ方向の先端側に向かって直線状に延出している。渦巻部３３は、第１直線部３１及び第２直線部３２に繋がるとともにこれらの第１直線部３１及び第２直線部３２から屈曲し、第１直線部３１を中心として外方に向かって渦巻状に形成されている。図示した例では、渦巻部３３は、Ｘ−Ｙ平面と略平行な面内に形成され、その略中心の位置が第１直線部３１に繋がる位置に相当し、その最外周の位置が第２直線部３２に繋がる位置に相当する。
【００２１】
このようなヒータ素子３０は、加熱プレート２０に接していないが、加熱プレート２０の背面２３の近傍に配置されている。特に、ヒータ素子３０のうち、渦巻部３３が加熱プレート２０の背面２３に向かい合っている。つまり、このようなヒータ素子３０においては、主として渦巻部３３が加熱プレート２０を加熱するための加熱源に相当する。
【００２２】
リフレクタ４０は、ヒータ素子３０からの放射熱を反射するものである。このリフレクタ４０は、ケース１０の内部において、ヒータ素子３０の渦巻部３３よりもＺ方向の後端側に配置されている。つまり、ヒータ素子３０は、加熱プレート２０とリフレクタ４０との間に位置している。
【００２３】
ここに示した例では、リフレクタ４０は、略円盤状に形成され、渦巻部３３と向かい合っている。また、このリフレクタ４０は、第１開口部４１と、第２開口部４２と、を有している。第１開口部４１は、リフレクタ４０の略中央部に形成されている。この第１開口部４１は、ヒータ素子３０の第１直線部３１を通す孔である。第２開口部４２は、リフレクタ４０の周辺部に形成されている。この第２開口部４２は、ヒータ素子３０の第２直線部３２を通す孔である。第１開口部４１は第１直線部３１の外径よりも大きな内径の円形状であり、また、第２開口部４２は第２直線部３２の外径よりも大きな内径の円形状であるが、この例に限らない。例えば、後に説明するように、第２開口部４２の内径が第２直線部３２の外径と略同等であっても良いし、第１開口部４１の内径が第１直線部３１の外径と略同等であっても良い。
【００２４】
このようなリフレクタ４０は、例えば、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）などの金属材料によって形成されている。
【００２５】
ヒータ端子５０は、第１ヒータ端子５１と、第２ヒータ端子５２とで構成されている。第１ヒータ端子５１は、ケース１０の内部において、ヒータ素子３０の一端部３１Ａに接続されている。第２ヒータ端子５２は、ケース１０の内部において、ヒータ素子３０の他端部３２Ａに接続されている。
【００２６】
これらの第１ヒータ端子５１及び第２ヒータ端子５２は、棒状に形成されている。第１ヒータ端子５１は、ヒータ素子３０の一端部３１Ａを含む第１直線部３１を挿入可能な挿入孔５１Ａを有している。また、第２ヒータ端子５２は、ヒータ素子３０の他端部３２Ａを含む第２直線部３２を挿入可能な挿入孔５２Ａを有している。ヒータ素子３０は、第１直線部３１が挿入孔５１Ａに挿入された状態でカシメや溶接などの手法により第１ヒータ端子５１に支持固定されるとともに、第２直線部３２が挿入孔５２Ａに挿入された状態でカシメや溶接などの手法により第２ヒータ端子５２に支持固定される。
【００２７】
このような第１ヒータ端子５１及び第２ヒータ端子５２は、例えば、鉄−クロム系合金（ステンレス鋼）や、鉄−ニッケル−コバルト合金（コバール）などの各種金属材料によって形成されている。
【００２８】
図２は、本実施形態の真空封止ヒータ１の一構成例を概略的に示す断面図である。なお、図１を参照して説明したのと同一構成については同一の参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２９】
ケース１０は、凹部１２を挟んで先端部１３及び後端部１４を有している。先端部１３に形成された開口１１は、加熱プレート２０によって塞がれている。先端部１３は、加熱プレート２０、ヒータ素子３０の主として渦巻部３３、及び、リフレクタ４０を囲む部分に相当する。後端部１４は、ヒータ端子５０が引き出される部分に相当する。
【００３０】
図示した例では、ケース１０は、筒状部１５と、ベース部１６とで構成されている。筒状部１５は、先端部１３及び凹部１２を含み、さらに、後端部１４の一部を含んでいる。ベース部１６は、後端部１４のうちの筒状部１５に含まれていない部分に相当する。筒状部１５は、ベース部１６に嵌め込まれた状態で、全周にわたりベース部１６と溶接により接合されている。
【００３１】
ヒータ端子５０は、ケース１０の内部においてヒータ素子３０に接続されるとともに、ベース部１６からケース１０の外部に引き出されている。図示した例では、第１ヒータ端子５１及び第２ヒータ端子５２の双方がベース部１６から外部に引き出されている。ベース部１６と第１ヒータ端子５１との間、及び、ベース部１６と第２ヒータ端子５２との間には、それぞれ絶縁碍子６０が介在している。すなわち、絶縁碍子６０は、第１ヒータ端子５１及び第２ヒータ端子５２のそれぞれの周囲を覆い、ベース部１６に対してロウ付け（例えば銅ロウ付け）されている。これにより、第１ヒータ端子５１及び第２ヒータ端子５２は、ケース１０に支持固定される。
【００３２】
このような絶縁碍子６０は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）によって形成されている。なお、絶縁碍子６０及びベース部１６は、それぞれの熱膨張率が同等となるような材料を選定して形成されることが望ましい。一方で、筒状部１５は、比較的高い耐熱性を有する（例えば、ベース部１６を形成する材料よりも高い耐熱性を有する）材料を選定して形成されることが望ましい。したがって、ケース１０を構成する筒状部１５及びベース部１６については、それぞれ要求される特性が異なるため、異種金属材料で形成される場合があり得る。なお、比較的高い耐熱性を有し、且つ、絶縁碍子６０の熱膨張率と同等の熱膨張率を有する材料を適用した場合には、筒状部１５及びベース部１６が同一材料によって形成される場合もあり、また、筒状部１５とベース部１６とが別々に形成されたものではなく一体に形成される場合もあり得る。筒状部１５とベース部１６とが一体に形成されたケース１０を適用した場合、筒状部１５とベース部１６とが別々に形成されたものを接合する場合と比較して、部品点数を削減できるとともに溶接などの接合処理が不要となる。
【００３３】
本実施形態では、ケース１０の内部は、真空状態である。ここでの真空状態とは、１０−１Ｐａ以下の真空度、より望ましくは１０−５Ｐａ以下の真空度にある状態を言い、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ）などの不活性ガスがわずかに含まれている状態も本実施形態の真空状態に相当するものとする。
【００３４】
ヒータ素子３０及びリフレクタ４０は、真空状態のケース１０の内部に封止されている。リフレクタ４０は、ヒータ素子３０の渦巻部３３とヒータ端子５０との間に配置されている。ヒータ素子３０において、第１直線部３１はリフレクタ４０の第１開口部４１を通り第１ヒータ端子５１に支持固定され、また、第２直線部３２はリフレクタ４０の第２開口部４２を通り第２ヒータ端子５２に支持固定され、渦巻部３３は加熱プレート２０に対向している。ここに示した例では、第２開口部４２の内径が第２直線部３２の外径と略同一であり、リフレクタ４０は、その第２開口部４２が第２直線部３２に挿入された状態でカシメや溶接などの手法によりヒータ素子３０に支持固定されている。つまり、ヒータ素子３０とリフレクタ４０とを一体化することが可能である。
【００３５】
ケース１０はアースされている一方で、第１ヒータ端子５１及び第２ヒータ端子５２には、ヒータ電源７０が接続されている。
【００３６】
このような構成の真空封止ヒータ１において、ヒータ電源７０からヒータ素子３０に対して電流を供給し、ヒータ素子３０を加熱すると、その放射熱により加熱プレート２０が加熱される。また、ヒータ素子３０からヒータ端子５０の側に向かう放射熱はリフレクタ４０によって反射され、加熱プレート２０の加熱に寄与する。これにより、加熱プレート２０の上に載置されたサンプルが加熱される。このような方式により、５００℃乃至１０００℃程度の温度でサンプルを加熱することが可能となる。
【００３７】
以上説明した本実施形態の真空封止ヒータ１によれば、ヒータ素子３０自体が真空封止され、しかも、加熱プレート２０の上に載置されたサンプルの蒸発材料に曝されることがない。このため、本実施形態の真空封止ヒータ１を蒸着装置の加熱源として適用した場合、チャンバー内で加熱源であるフィラメントが蒸発材料に曝される装置構成と比較して、ヒータ素子３０の劣化を抑制することができ、加熱源の交換頻度を低減することができる。結果として、低コスト化の実現が可能となる。
【００３８】
また、本実施形態の真空封止ヒータ１は、真空雰囲気内での加熱源としての利用に限らず、大気中においても１０００℃程度の温度でサンプルを加熱するための加熱源として利用可能であり、汎用性が極めて高い。なお、本実施形態の真空封止ヒータ１を大気中で利用する場合には、ケース１０の外面などの酸素に触れる部分は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）コートやＰＢＮ（熱分解窒素ホウ素）コートなどの耐酸素性のコーティングを施すことが望ましい。
【００３９】
さらに、本実施形態の真空封止ヒータ１によれば、ケース１０において、リフレクタ４０を囲む先端部１３と、ヒータ端子５０が引き出された後端部１４との間の外面にループ状の凹部１２が形成されている。凹部１２の板厚は、先端部１３の板厚よりも薄い。したがって、ヒータ素子３０からの放射熱などによって比較的高温となった先端部１３から、薄い板厚の凹部１２を経て後端部１４へ向かう熱伝導を抑制することができる。加えて、リフレクタ４０は、ヒータ素子３０の渦巻部３３とヒータ端子５０との間に配置されているため、渦巻部３３の放射熱を遮蔽する遮蔽板としても機能する。したがって、ヒータ端子５０自体の温度上昇が抑制されるとともに、ヒータ端子５０が引き出された後端部１４の温度上昇が抑制されるため、ロウ付けした部分の溶出を防止することが可能となり、ケース１０の内部の真空度を維持することができる。なお、ケース１０をさらに積極的に冷却する必要がある場合には、例えば、空冷機構、水冷機構、ヒートポンプ機構などの冷却機構をケース１０に取り付けることが望ましい。
【００４０】
上記した例においては、凹部１２は、ケース１０の外面に形成されたが、ケース１０の内面に形成されても良い。ケース１０の内面にループ状の凹部１２を形成した構成においても、上記した例と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４１】
また、本実施形態の真空封止ヒータ１によれば、リフレクタ４０は、ヒータ素子３０に支持固定されている。このため、リフレクタ４０を支持するための特別な機構が不要であり、部品点数を削減することができ、低コスト化が可能となる。
【００４２】
本実施形態において、ケース１０を構成する筒状部１５とベース部１６との接合、及び、筒状部１５と加熱プレート２０との接合は、ＴＩＧ（tungsten-inert gas）溶接、電子ビーム溶接、レーザ溶接、抵抗溶接などの手法によってなされ、また、絶縁碍子６０とケース１０との接合は、ロウ付けによってなされているため、ケース１０の内部を高い真空度に維持することができる。
【００４３】
本実施形態において、ヒータ素子３０は、ゲッターポンプとして機能する材料で形成されることが望ましい。特に、チタン（Ｔｉ）は、ゲッターポンプとして機能するとともに比較的安価であり、ヒータ素子３０を形成する材料としては好適である。チタン製のヒータ素子３０は、加熱に伴ってその一部が蒸発する。蒸発したチタンは、ケース１０の内面などに付着し薄膜を形成するが、その薄膜の表面で気体（例えば、ケース１０の内部の残留ガスなど）を吸着する。これにより、ケース１０の内部の真空度を維持することができる。
【００４４】
なお、リフレクタ４０がチタン（Ｔｉ）などのゲッターポンプとして機能する材料で形成されても良い。この場合、ヒータ素子３０からの放射熱によりリフレクタ４０の一部が蒸発し、上記したのと同様にゲッターポンプとして機能する。このため、例えヒータ素子３０がタングステン（Ｗ）などのゲッターポンプとして機能しにくい材料によって形成された場合であっても、リフレクタ４０がゲッターポンプとして機能する材料で形成されているため、ケース１０の内部の真空度を維持することができる。つまり、ヒータ素子３０及びリフレクタ４０の少なくとも一方がゲッターポンプとして機能する材料で形成されていることが望ましい。
【００４５】
本実施形態のオプションとして、ヒータ電源７０に対し、さらに、加速電源（エレクトロンボンバード用電源）８０を接続することも可能である。このような加速電源８０により、例えば、−１０００Ｖ程度の電圧を印加することによって、ヒータ素子３０からの熱電子が加熱プレート２０に衝突し、さらに高温領域、例えば１０００℃乃至１５００℃程度の高温でサンプルを加熱することが可能となる。
【００４６】
図３は、本実施形態の真空封止ヒータ１の他の構成例を概略的に示す断面図である。なお、図２を参照して説明したのと同一構成については同一の参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４７】
図３に示した構成は、図２に示した例と比較して、ヒータ端子５０の一方が絶縁碍子を介することなくケース１０に接合されている点で相違している。図示した例では、第２ヒータ端子５２がケース１０のベース部１６に直接接合されている。第２ヒータ端子５２とベース部１６との接合は、例えばＴＩＧ溶接によってなされる。これにより、第２ヒータ端子５２は、ベース部１６と電気的に接続されるとともに、ベース部１６に支持固定される。なお、第１ヒータ端子５１については、図２に示した例と同様に、絶縁碍子６０を介してベース部１６にロウ付けされている。第２ヒータ端子５２と電気的に接続されたケース１０、及び、第１ヒータ端子５１には、ヒータ電源７０が接続されている。つまり、第１ヒータ端子５１及び第２ヒータ端子５２の双方がケース１０の内部から外部に引き出されている必要はなく、ヒータ電源７０と電気的に接続するために少なくもと一方のヒータ端子が外部に引き出されていれば良く、他方のヒータ端子は図２に示した例のように外部に引き出されていても良いし、図３に示した例のようにケース１０に接合されていても良い。
【００４８】
このような構成によれば、図２に示した構成と同様の効果が得られることは勿論のこと、図３に示した構成と比較して部品点数が削減され、より低コスト化が可能となる。なお、図２に示した例と同様に、オプションとして、さらに、加速電源８０を接続することも可能である。
【００４９】
また、図３に示した構成は、図２に示した例と比較して、リフレクタ４０がヒータ端子５０によって支持固定されている点で相違している。図示した例では、リフレクタ４０は、第２ヒータ端子５２によって支持固定されている。リフレクタ４０は、ヒータ素子３０の第１直線部３１を通すための第１開口部４１を有するとともに、第２直線部３２を通すための第２開口部４２を有している。第２開口部４２の内径は、第２直線部３２の外径よりも大きい。この第２開口部４２には、第２ヒータ端子５２が嵌合している。これにより、リフレクタ４０は、第２ヒータ端子５２に支持固定される。
【００５０】
このような構成によれば、リフレクタ４０を支持するための特別な機構が不要であり、部品点数を削減することができ、低コスト化が可能となる。
【００５１】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１…真空封止ヒータ
１０…ケース １１…開口 １２…凹部 １３…先端部 １４…後端部
１５…筒状部 １６…ベース部
２０…加熱プレート ２１…底部 ２２…フランジ部 ２３…背面
３０…ヒータ素子 ３１…第１直線部 ３２…第２直線部 ３３…渦巻部
４０…リフレクタ ４１…第１開口部 ４２…第２開口部
５０…ヒータ端子 ５１…第１ヒータ端子 ５２…第２ヒータ端子
６０…絶縁碍子
７０…ヒータ電源
８０…加速電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に開口を有するケースと、
前記ケースの前記開口を塞ぐ加熱プレートと、
真空状態の前記ケースの内部において、前記加熱プレートに対向配置されたヒータ素子と、
前記ケースの内部において、前記ヒータ素子からの放射熱を反射するリフレクタと、
前記ヒータ素子に接続されるとともに、前記ケースの内部から外部に引き出されたヒータ端子と、
を備えたことを特徴とする真空封止ヒータ。
【請求項２】
前記ケースにおいて、前記リフレクタを囲む部分と前記ヒータ端子が引き出された部分との間の内面または外面に、ループ状の凹部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の真空封止ヒータ。
【請求項３】
前記ヒータ素子は、直線状に延出した第１直線部と、前記第１直線部と略平行な直線状に延出した第２直線部と、前記第１直線部及び前記第２直線部から屈曲し前記第１直線部を中心として渦巻状に形成された渦巻部と、を有し、
前記リフレクタは、前記第１直線部を通す第１開口部と、前記第２直線部を通す第２開口部と、を有し、前記ヒータ端子または前記ヒータ素子によって支持されたことを特徴とする請求項１に記載の真空封止ヒータ。
【請求項１】
一端に開口を有するケースと、
前記ケースの前記開口を塞ぐ加熱プレートと、
真空状態の前記ケースの内部において、前記加熱プレートに対向配置されたヒータ素子と、
前記ケースの内部において、前記ヒータ素子からの放射熱を反射するリフレクタと、
前記ヒータ素子に接続されるとともに、前記ケースの内部から外部に引き出されたヒータ端子と、
を備えたことを特徴とする真空封止ヒータ。
【請求項２】
前記ケースにおいて、前記リフレクタを囲む部分と前記ヒータ端子が引き出された部分との間の内面または外面に、ループ状の凹部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の真空封止ヒータ。
【請求項３】
前記ヒータ素子は、直線状に延出した第１直線部と、前記第１直線部と略平行な直線状に延出した第２直線部と、前記第１直線部及び前記第２直線部から屈曲し前記第１直線部を中心として渦巻状に形成された渦巻部と、を有し、
前記リフレクタは、前記第１直線部を通す第１開口部と、前記第２直線部を通す第２開口部と、を有し、前記ヒータ端子または前記ヒータ素子によって支持されたことを特徴とする請求項１に記載の真空封止ヒータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−２１０４７６（Ｐ２０１１−２１０４７６Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７５８５９（Ｐ２０１０−７５８５９）
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（３９８０２６０６０）株式会社オメガトロン (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（３９８０２６０６０）株式会社オメガトロン (3)
【Ｆターム（参考）】
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