JP2020024924A - ヒータシステムとその動作方法及びそのヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】抵抗素子がヒータ及び温度センサとして機能するヒータを提供する。【解決手段】ヒータ３０は少なくとも１つの抵抗素子３４を含む。少なくとも１つの抵抗素子は、抵抗素子がヒータとして及び温度センサとして機能するように、高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する材料を含み、抵抗素子は、約９５％よりも多いニッケル、ニッケル銅合金、ステンレス鋼、モリブデン-ニッケル合金、ニオブ、ニッケル-鉄合金、タンタル、ジルコニウム、タングステン、モリブデン、ニシル、及びチタンからなるグループから選択される材料である。【選択図】図１

Description

関連出願との相互参照

本出願は、２０１６年１０月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／４１１，１９７号及び２０１６年１０月２１日に出願された米国仮特許出願６２／４１１，２０２の利益及び優先権を主張する。

本出願は電気ヒータに係わり、より詳細には改良された温度検知能力を有する電気ヒータに関する。

この欄の記載は本開示に関連する背景情報を単に提供するものであり、先行技術を構成しない場合がある。

管状ヒータ、カートリッジヒータ、及びケーブルヒータはチューブ状ヒータであり、これらは、一般的にスペースが限られた用途で使用される。必要に応じて、ヒータ及び／又は周囲環境の温度を測定及び監視するため、１つ以上の温度センサがヒータに接続されてもよい。温度センサ及び温度センサを外部制御システムに接続するための付随ワイヤは、ヒータ用に確保されている貴重なスペースを消費する可能性があり、ヒータの設置をより困難にする。これは、複数のセンサを備えた複数のヒータが設置される場合に特に明らかである。

一形態において、抵抗素子がヒータ及び温度センサとして機能するように、高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する抵抗素子を備え、抵抗素子が約９５％より多いニッケルを有する材料であるヒータが提供される。

別の形態において、抵抗素子がヒータ及び温度センサとして機能するように、高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する抵抗素子を具備し、抵抗素子が少なくとも約１，０００ｐｐｍのＴＣＲを有し、約５００℃−１，０００℃の温度範囲に亘って約１％未満の温度ドリフトを有するヒータが提供される。

さらに別の形態において、抵抗素子がヒータとして及び温度センサとして機能するように、高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する抵抗素子を含み、抵抗素子が、約９５％より多いニッケル、ニッケル銅合金、ステンレス鋼、モリブデン-ニッケル合金、ニオブ、ニッケル-鉄合金、タンタル、ジルコニウム、タングステン、モリブデン、ニシル、及びチタンからなるグループから選択される材料であるヒータが提供される。

別の形態において、高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有し、ニッケル、ニッケル-クロム合金、鉄-クロム-アルミニウム合金、ニッケルアルミナイド、及び抵抗素子がヒータ及び温度センサとして機能するような貴金属からなるグループから選択されるコーティング材料を有する材料を具備する少なくとも１つの抵抗素子を含むヒータが提供される。

別の形態において、複数の独立に制御可能なゾーンを具備し、各独立に制御可能なゾーンが、高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有し、ニッケル、ニッケル-クロム合金、鉄-クロム-アルミニウム合金、ニッケルアルミナイド、及び抵抗素子がヒータ及び温度センサとして機能するような貴金属からなるグループから選択されたコーティング材料を有する材料から作られた抵抗素子を具備するヒータが提供される。

さらなる適用分野は、本明細書に提供される説明から明らかになるであろう。説明及び特定の実施例は例示の目的のみを意図しており、本開示の範囲を限定することを意図していないことを理解されたい。

本開示を十分に理解可能とするため、添付の図面を参照しながら、例として与えられたその様々な形態がここで説明される。

図１は、本開示の一形態による、ヒータ制御モジュール及びカートリッジヒータを含むヒータシステムの概略図である。

図２は、本開示の別の形態によるカートリッジヒータの斜視図である。

図３は、明確にするために絶縁材料及び外側シースを除いた複数のゾーンを有するカートリッジヒータの斜視図である。

図４は、図３のヒータユニットの斜視図である。

図５は、複数の抵抗素子、複数の電源導体、及び一対の導線の間の接続を示す図３と同様の図である。

図６は、本開示の教示に係る双方向サーマルアレイと同一用途の抵抗素子及びそれらの材料を制御するための電源制御モジュールの概略図である。

図７は、本開示の教示に係る抵抗素子及びそれらの材料と共に使用される電源制御のためのアドレス指定可能なスイッチを使用するサーマルアレイの概略図である。

図８は、本開示のさらに別の形態に係る抵抗材料及び／又は制御を使用する管状ヒータの概略図である。

図９は、本開示の別の形態に係る抵抗材料及び／又は制御を使用する積層ヒータの概略断面図である。

以下の説明は、本質的に単なる例示であり、本開示、応用、又は用途を限定することを意図するものではない。例えば、本開示の以下の形態は、半導体処理における静電チャック又は熱交換器と共に使用することができる。しかしながら、本明細書で提供されるヒータ及びシステムは様々な用途に使用することができ、半導体処理用途に限定されないことを理解されたい。

図１を参照するに、本開示の一形態によるヒータシステム１０は、ヒータ制御モジュール２０及びヒータ３０を含む。ヒータ制御モジュール２０は、温度決定モジュール２４及び電源制御モジュール２６を含む２線式コントローラ２２を含む。２線式コントローラ２２は、一対の導線２８を介してヒータ３０と通信する。ヒータ３０は、カートリッジヒータ３０とすることができ、一般に、コア本体３２と、コア本体３２に巻き付けられた抵抗ワイヤの形態の抵抗素子３４と、コア本体３２及び抵抗素子３４を囲む金属シース３６、及び金属シース３６から抵抗素子３４を電気的に絶縁するため及び抵抗体３４からの熱を金属シース３６へ熱伝導させるために金属シース３６内の空間を満たす絶縁材料３８を含む。コア本体３２はセラミック製でもよい。絶縁材料３８は、圧縮酸化マグネシウム（ＭｇＯ）であり得、より具体的には、本開示の一形態では、少なくとも５０％のＭｇＯである。複数の電源導体４２は長手方向に沿ってコア本体３２を通って延び、抵抗素子３４に電気的に接続される。電源導体４２は、外側シース３６を封止する端部片４４を通っても延びている。電源導体４２は、一対の導線２８を介して２線式コントローラ２２に接続される。カートリッジヒータの様々な構造及びさらなる構造的及び電気的詳細は、米国特許第２，８３１，９５１号及び第３，９７０，８２２号にさらに詳細に記載されており、これらは本出願と共通に譲渡され、その内容はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。したがって、本明細書に示された形態は単なる例示であり、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことを理解されたい。なお、図１に示すカートリッジヒータ３０以外の他のヒータについても、以下にさらに詳細に説明される本開示の教示に従って、用いることができる。

２線式コントローラ２２は、一形態ではマイクロプロセッサに基づいており、温度決定モジュール２４及び電源制御モジュール２６を含む。ヒータ３０は、図示するように一組の導線２８を介して２線式コントローラに接続される。電源は、導線２８を介してヒータ３０に供給され、ヒータ３０の温度情報は命令により同じ組の導線２８を介して２線式コントローラ２２に提供される。具体的には、温度決定モジュール２４は、抵抗素子３４の計算された抵抗に基づきヒータ３０の温度を決定し、その後、ヒータ３０の温度を制御するため、信号を電源制御モジュール２６に送る。したがって、ヒータ用の１組や温度センサ用の１組よりむしろ、導線２８用の１組のみが必要とされる。

抵抗素子３４がヒータ素子に加えて温度センサの機能の両方を果たすため、抵抗素子３４は比較的高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する材料である。金属の抵抗は温度とともに増加するので、任意の温度t（℃）での抵抗は次のようになる。
Ｒ＝Ｒ_０（１＋αｔ） （式１)
ここで、Ｒ０はある基準温度（しばしば０℃）での抵抗値、αは抵抗温度係数（ＴＣＲ）である。したがって、ヒータの温度を決定するために、抵抗素子３４の抵抗は、２線式コントローラ２２によって計算される。一形態において、抵抗素子３４の両端の電圧及び流れる電流は、２線式コントローラを用いて測定され、抵抗素子３４の抵抗値は、オームの法則に基づいて算出される。式１、又は抵抗温度検出器（ＲＴＤ）を使用する温度測定の当業者に知られている同様の式、及び既知のＴＣＲを使用して、抵抗素子３４の温度が計算され、ヒータ制御に使用される。

したがって、本開示の一形態では、小さな温度変化が大きな抵抗変化をもたらすように比較的高いＴＣＲが使用される。したがって、白金（ＴＣＲ＝０．００３９Ω/Ω/℃）、ニッケル（ＴＣＲ＝０．００４１Ω/Ω/℃）、又は銅（ＴＣＲ＝０．００３９Ω/Ω/℃）、及びそれらの合金などの材料を含む配合物が抵抗素子３４に使用される。２線式ヒータ制御システムは、米国特許第７，６０１，９３５号及び第７，１９６，２９５号、及び係属中の米国特許出願番号第１１／４７５，５３４号に開示され、これらは、本出願と共通に譲渡され、その内容はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

別の形態において、抵抗素子３４の材料は、抵抗素子３４の動作温度範囲と少なくとも部分的に重なる温度範囲に亘って温度の上昇と共に電気抵抗が負に変化する。この材料を備えた抵抗素子３４の機能性は、「目標とする減少する温度抵抗特性を有する抵抗素子」の表題が付された米国特許出願第１５／４４７，９９４号に記載され、それは本出願と共通に譲渡され、その内容はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

抵抗要素３４は、数ある中で、ニッケル、ニッケル銅（例えば、モネル（登録商標）ブランド）、ステンレス鋼（例えば、３０４Ｌ）、モリブデン-ニッケル合金、ニオブ、ニッケル-鉄合金、タンタル、ジルコニウム、タングステン、モリブデン、ニシル（微量のＭｇを含むニッケル-シリコン）、及びチタン、並びにそれらの組み合わせからなるグループから選択される材料を含むことが可能である。比較的高いＴＣＲを有する抵抗素子３４は、２本のワイヤ（すなわち一対の導線２８）のみを介して抵抗フィードバック制御を可能にする。

例えば、少なくとも約１，０００ｐｐｍのＴＣＲが使用され、そして様々な動作範囲に関して約５００℃〜１，０００℃の温度範囲に亘って約１％未満の温度ドリフトが、本発明の教示によって企図される。

図２〜図５を参照するに、ヒータ５０は、コア本体の数及び使用される電源導体の数を除き、図１と同様の構成を有するカートリッジヒータ５０の形態が可能である。より具体的には、カートリッジヒータ５０はそれぞれ、複数のヒータユニット５２と、複数の電源導体５６と共に、その中に複数のヒータユニット５２を封入する外側金属シース５４（図２にのみ示されている）とを含む。絶縁材料（図２乃至図５には示されていない）は、複数の加熱ユニット５２と外側金属シース５４との間に設けられ、加熱ユニット５２を外側金属シース５４から電気的に絶縁する。複数のヒータユニット５２のそれぞれは、コア本体５８とコア本体５８を取り巻く抵抗ヒータ素子６０（図５に明示する）を含む。各ヒータユニット５２の抵抗ヒータ素子６０は、１つ又は複数の加熱ゾーン６２を画定するために１つ又は複数の加熱回路を画定してもよい。

本形態において、各ヒータユニット５２は１つの加熱ゾーン６２を画定し、複数のヒータユニット５２は長手方向Ｘに沿って整列される。したがって、カートリッジヒータ５０は、長手方向Ｘに沿って整列された複数の加熱ゾーン６２を画定する。各ヒータユニット５２のコア本体５８は、電源導体５６がそこを通って延びることを可能にするために複数の貫通孔／開口６４を画定する。

ヒータユニット５２の抵抗ヒータ素子６０は電源導体５６に接続され、電源導体５６は、次にヒータ制御モジュール２０（図１に示す）に接続される。電源導体５６は、電力供給装置（図示せず）を含む電源制御モジュール２６からの電源を複数のヒータユニット５０に供給する。電源導体５６を抵抗素子６０に適正に接続することにより、及び電源を全ての電源導体５６のある物のみに供給することにより、複数の加熱ユニット５２の抵抗素子６０は、ヒータ制御モジュール２０の電源制御モジュール２６によって独立して制御することができる。したがって、特定の加熱ゾーン６２の１つの抵抗素子６０の故障は、残りの過熱ゾーン６２の残りの抵抗素子６０の適正な動作に影響しない。さらに、加熱ゾーン６２は、所望の加熱プロファイルを提供するように独立して制御することができる。

本形態において、４つの電源導体５６は、カートリッジヒータ５０に使用され、６つのヒータユニット５２の６つの独立した電気加熱回路に電源を供給する。任意の数の独立に制御される加熱回路及び独立に制御される制御加熱ゾーン６２を形成するために、任意の数の電源導体５６を有することが可能である。

図５を参照して、６つのヒータユニット５２と４つの電源導体５６との接続について説明する。電源導体５６と加熱ユニット５２との間の接続を説明するために、電源導体を参照文字Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで示す。

ヒータユニット５２の抵抗素子６０は、４つの電源導体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのうちの２つにそれぞれ接続される。複数のヒータユニット５２の抵抗素子６０は、異なる対の電源導体に接続される。例えば、図５の左から右の順に配置されるヒータユニット５２の抵抗素子６０は、電源導体ＡとＢ、電源導体ＡとＣ、電源導体ＡとＤ、電源導体ＢとＣ、電源導体ＢとＤ、電源導体ＣとＤにそれぞれ接続される。カートリッジヒータ５０の長手方向端部に隣接するヒータユニット５２の抵抗素子６０は、さらに、リード線６６に接続され、リード線６６は、リード線６６間に配置された抵抗素子６０の抵抗値を決定するための２線式コントローラ２２に接続される。

電源制御モジュール２６（図１にのみ示されている）は、複数の電源導体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのいずれかに供給される電源レベルをオフ又は低下し、それによって対応するヒータ５２を作動させるマルチゾーンアルゴリズムを含むことができる。例えば、電源制御モジュール２６が電源導体Ａ及びＢのみに電源を供給し、電源導体Ｃ及びＤに電源を供給しない場合、図５の左端のヒータユニット５２のみが熱を発生するため作動される。電源制御モジュール２６が電源導体Ａ、Ｂ及びＣのみに電源を供給し、電源導体Ｄに電源を供給しない場合、図２の左端の２つのヒータユニット５２のみが熱を発生するため作動される。各ヒータユニット５２への電源、その結果としての加熱ゾーンを注意深く調整することによって、カートリッジヒータ５０の全体的な信頼性を向上させることができる。カートリッジヒータ５０の特定のヒータユニット５２でホットスポットが検出された場合、特定のヒータユニット５２の故障を回避するために特定のヒータユニット５２への電源供給を低減することができ、それによって安全性が向上する。

より多くの電気的に別個の加熱ゾーン６２は、多重化、極性感応スイッチング及び電源制御モジュール２６による他の回路トポロジーを通して生成できる。電源制御モジュール２６は、多重化、又は所定の数の電源導体についてカートリッジヒータ５０内の加熱ゾーンの数を増やすためのサーマルアレイの様々な配置を使用することができる。 サーマルアレイシステムを電源制御モジュール２６として使用することは、米国特許第９，１２３，７５５号、第９，１２３，７５６号、第９，１７７，８４０号、第９，１９６，５１３号、ならびに同時係属中の米国出願第１３／５９８，９５６号、第１３／５９８，９９５号、及び第１３／５９８，９７７号に開示されている。これらの特許及び同時係属出願は本出願と共通に譲渡され、その内容はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

一般に、一形態の電源制御モジュール２６は、測定された抵抗値を基準温度と周期的に比較して経時的な抵抗ドリフトを調整する制御システムを含む。制御システムは、本明細書に記載された様々なヒータの一連の抵抗及びワット密度に適応させるため、電源信号の電圧を変化させることもできる。電源制御モジュール２６はさらに、２０１６年６月１５日に出願された本願と共通に所有された同時係属出願第６２／３５０，２７５号に開示されているようなものであってもよく、その全内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

具体的には、電源制御モジュール２６は、制御回路、又はセンサ測定値を受信し、その測定値に基づき制御アルゴリズムを実施するように構成されたコントローラベースのマイクロプロセッサを含むことができる。幾つかの例において、電源制御モジュール２６は、複数のヒータユニット５２内の１つ又は複数の抵抗素子６０の電気特性を測定することができる。さらに、電源制御モジュール２６は、測定値に基づき、ヒータユニット５２の各抵抗素子６０に電源がどのように供給されるかを決定するための複数のスイッチを含み、及び／又は制御することができる。

図６を参照するに、電源制御モジュール２６は、複数の電源ノード１３６ａ、１３６ｂ、１３６ｃ、１３８ａ、１３８ｂ、１３８ｃを有することができる。図５のヒータユニット５２の抵抗素子６０は、図６に示すサーマルアレイ１００と同様に配置することができ、したがって、少なくとも３つの電源ノードの対の間に接続することができる。複数の抵抗素子のうちの抵抗素子は、各対の電源ノード間に接続される。その制御方式は、“サーマルアレイシステム”と題する本出願人の同時係属出願第１３／５９８，９５６号、第１３／５９８，９９５号、及び第１３／５９８，９７７号に開示されており、その内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。

具体的には、一例において、電源は、参照番号１１２、１１４、１１６で示されるように、三相電源入力を介してサーマルアレイ１００に供給される。入力電源は、正の直流電流（ＤＣ）電源線１２０と負のＤＣ電源線１２２に供給するため、整流回路１１８に接続されることができる。電源は、６つの電源ノードを介してサーマルアレイに分配することができる。コントローラ１１０は、正の電源線１２０を６つの電源ノードのうちの任意の１つに経路指定することができ、負の電源線１２２も複数の電源ノードのうちの任意の１つに経路指定できるように、複数のスイッチを制御するように構成することができる。

図示の実装において、電源ノードは、ノードの２つのグループに構成される。ノードの第１のグループは、電源ノード１３６ａ、電源ノード１３６ｂ、及び電源ノード１３６ｃを含む。第２グループは、電源ノード１３８ａ、電源ノード１３８ｂ、及び電源ノード１３８ｃを含む。図示の実装において、複数の熱要素は、複数の熱要素の３つのグループで各グループが６つの熱要素を含むマトリックス配列に構成される。しかし、本明細書に記載の各実装として、より多い又はより少ないノードを使用することができ、さらに、熱要素の数は、ノードの数に応じて増減させることができる。

図示されるように、熱要素の第１のグループ１６０は全てノード１３８ａに接続されている。同様に、第２のグループの熱要素１７０は全て電源ノード１３８ｂに接続され、第３のグループ１８０の熱要素は全て電源ノード１３８ｃに接続される。熱要素はヒータ素子とすることができる。ヒータ素子は、例えば温度依存性電気抵抗を有する導電材料から形成されてもよい。より具体的には、熱要素は、温度と相関する抵抗、キャパシタンス、又はインダクタンスなどの電気的特性を有するヒータ素子であってもよい。しかし、熱要素は一般に、抵抗素子などのエネルギー散逸素子としても分類され得る。したがって、本明細書に記載の各実装における熱要素は、上記の特性のいずれかを有することができる。

各グループ内において、６つの熱要素は複数の熱要素の対に構成される。例えば、第１のグループ１６０において、第１の対の熱要素１４６ａは、第１の熱要素１６４及び第２の熱要素１６８を含む。第１の熱要素１６４は、第２の熱要素１６８と電気的に並列に接続されるように構成される。さらに、第１の熱要素１６４は、一方向回路１６２に電気的に直列に接続される。一方向回路１６２は、第１の熱要素１６４に電流が一方向に流れるが反対方向には流れることができないように構成することができる。このような一方向回路１６２は最も単純な形でダイオードとして示される。

第１の一方向回路１６２は、カソードがノード１３６ａに接続され、アノードが熱要素１６４を介してノード１３８ａに接続されたダイオードとして示される。同様に、第２の一方向回路１６６は、カソードが第２熱要素１６８を介してノード１３８ａに接続され、アノードがノード１３６ａに接続されたダイオードとして示され、これにより、図示する第１の一方向回路１６２の一方向性は、第２の一方向回路１６６の反対である。一方向回路としてのダイオードの実装は、ある電源電圧供給のために動作するだけでもよいが、例えばより高い電源電圧に対して機能するシリコン制御整流器（ＳＣＲ）を使用する回路を含む他の様々な回路が考案されてもよい。一方向回路のそのような実装は、以下でより詳細に説明されるが、本明細書で説明される実装のうちの任意のものと併せて使用されることも可能である。

同様に、第２の熱要素１６８は、ダイオードとして最も単純な形で示される第２の一方向回路１６６と電気的に直列に接続される。第１の熱要素１６４及び第１の一方向回路１６２は、第２の熱要素１６８及び第２の一方向回路１６６と、電源ノード１３８ａと電源ノード１３６ａとの間で並列とされる。したがって、コントローラ１１０がノード１３６ａに正の電圧を印加し、ノード１３８ａに負の電圧を印加すると、電源は、第１の対１４６ａの第１の熱要素１６４と第２の熱要素１６８の両方に印加される。上述のように、第１の一方向回路１６２は、第２の一方向回路１６６と反対方向に向けられる。したがって、第１の一方向回路１６２は、正電圧がノード１３８ａに供給され、負電圧がノード１３６ａに供給されると電流を第１の熱要素１６４に流すが、正電圧がノード１３６ａに供給され、負電圧がノード１３８ａに供給されると、電流が流れるのを防ぐ。対照的に、正電圧がノード１３６ａに印加され、負電圧が１３８ａに印加されると、電流は第２の熱要素１６８を通って流れることが可能になるが、極性が切り替わったとき、第２の熱要素１６８を通る電流の流れは第２の一方向回路１６６によって妨げられる。

さらに、グループ内の熱要素の各対は、第１のグループの電源ノード１３６ａ、１３６ｂ、１３６ｃの異なる電源ノードに接続される。したがって、第１のグループ１６０の第１の対の熱要素１４６ａは、ノード１３６ａとノード１３８ａとの間に接続される。第２の対の熱要素１４６ｂは電源ノード１３６ｂと電源ノード１３８ａとの間に接続され、グループ１６０の第３の対の熱要素１４６ｃは電源ノード１３６ｃと電源ノード１３８ａとの間に接続される。このように、コントローラ１１０は、電源を供給するか戻すように電源ノード１３８ａを接続することによって要素のグループを選択するように構成することができ、次いで一対の熱要素（１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ）は、電源を供給するか戻すために、ノード１３６ａ、１３６ｂ、又は１３６ｃの一つの接続により選択されることが可能である。さらに、コントローラ１１０は、ノード１３８ａとノード１３６ａ、１３６ｂ、及び／又は１３６ｃとの間に提供される電圧の極性に基づき、各ペアの第１の要素又は各ペアの第２の要素に電源を供給するために選択することができる。

同様に、第２のグループの熱要素１７０は、第２のグループのノードのノード１３８ｂとノード１３６ａ、１３６ｂ、及び１３６ｃとの間に接続される。このように、グループ１７０の熱要素の第１の対１４６ｄは、電源ノード１３６ａを使用して選択され、グループ１７０の第２の対１４６ｅ及び第３の対１４６ｆは、ノード１３６ｂ及び１３６ｃによってそれぞれ選択される。

同様に、第２のグループの熱要素１８０は、第２のグループのノードのノード１３８ｃとノード１３６ａ、１３６ｂ、及び１３６ｃとの間に接続される。グループ１８０の熱要素の第１の対１４６ｇは、電源ノード１３６ａを使用して選択され、グループ１７０の熱要素の第２の対１４６ｈ及び第３の対１４６ｉは、ノード１３６ｂ及び１３６ｃによってそれぞれ選択される。

図示の実装のため、コントローラ１１０は、複数のスイッチを操作する、正の電源線１２０を第１のグループの電源ノードの１つに接続するため、及び負の電源線１２２を第２のグループの電源ノードに接続するため、又は、代わりに、正の電源線１２０を第２グループの電源ノードに接続し、負の電源線１２２を第１グループの電源ノードに接続する。したがって、コントローラ１１０は、制御信号１２４を第１の極性制御スイッチ１４０及び第２の極性制御スイッチ１４２に供給する。第１の極性制御スイッチ１４０は、第１のグループの電源ノードを正の電源供給線１２０又は負の電源供給線１２２に接続し、一方、第２極性スイッチ１４２は、第２グループの電源ノードを、正の電源供給線１２０又は負の電源供給線１２２に接続する。

さらに、コントローラ１１０は、第１グループ電源スイッチ１３０、１３２、及び１３４に制御信号１２６を供給する。スイッチ１３０、１３２、及び１３４は、スイッチ１４０の出力（正の供給線１２０又は負供給線１２２）を第１ノード１３６ａ、第２ノード１３６ｂ、第３ノード１３６ｃにそれぞれ接続する。さらに、コントローラ１１０は、制御信号１２８を第２グループ電力スイッチ１５０、１５２、及び１５４に供給する。スイッチ１５０、１５２、及び１５４は、スイッチ１４２の出力（正の供給線１２０又は負の供給線１２２）を第１のノード１３８ａ、第２のノード１３８ｂ、及び第３のノード１３８ｃにそれぞれ接続する。

したがって、熱要素（又は抵抗素子）は、熱要素を少なくとも３つの電源ノードに接続することによって、別のノードに関連する１つのノードの極性を制御することによって、又は熱要素をアドレス可能なスイッチに接続することによって、作動又は非作動とすることができる。

図６は、１６個の熱要素がコントローラ１１０と様々な電源ノード及びスイッチとを含む電源制御モジュールに接続されていることを示しているが、熱要素の数は本開示の範囲から逸脱することなく増減できる。例えば、図５の抵抗素子６０は、第１、第２及び第３のグループ１６０、１７０、１８０のいずれか１つを形成するように適切に配置することができ、コントローラ１１０が抵抗素子の作動又は非作動を独立して制御するために使用されることができるように、コントローラ１１０や様々な電源ノード及び複数のスイッチに接続される。

この構造で、カートリッジヒータ５０の複数の加熱ゾーン６２は、カートリッジヒータ５０の長さに沿って電源出力又は熱分布を変えるために、独立して制御することができる。電源制御モジュール２６は、加熱ゾーン６２の各電源を調整するように構成できる。例えば、複数の加熱ゾーン６２は、個々のヒータユニット５２の寿命や信頼性、ヒータユニット５２のサイズ及びコスト、局所熱流束、特性及びヒータユニット５２の動作、ならびに全出力を含むが、これらに限定されない様々な加熱条件及び／又は加熱要件に応じて個別かつ動的に制御することができる。

各回路は、温度及び／又は電源の分布がシステムパラメータの変動（例えば、製造変動／許容誤差、環境条件の変化、入口温度などの入口流れ条件の変化、入口温度分布、流速、速度分布、流体組成、流体熱容量など）に適応するように、所望の温度又は所望の電源レベルで個別に制御される。より具体的には、ヒータユニット５２は、経時的なヒータ劣化の程度の変化と同様に製造上のばらつきのため、電源レベルで動作したときに同じ熱出力を発生しない可能性がある。ヒータユニット５２は、所望の熱分布に従って熱出力を調整するように独立して制御されてもよい。ヒータシステムの構成要素の個々の製造公差及びヒータシステムの組立公差は、電源の変調電源の関数として増大する、言い換えれば、ヒータ制御の忠実度が高いため、個々の構成要素の製造公差は、厳しく／狭い必要はない。

図７を参照すると、代替的に、図５の各熱要素又は抵抗素子６０は、正のノード５１４と負のノード５１６の間のアドレス可能スイッチに電気的に直列接続されてもよい。各アドレス指定可能なスイッチは、例えばトランジスタ、比較器及びＳＣＲを含む個別の要素の回路、又は集積装置、例えばマイクロプロセッサ、フィールド−プログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であってもよい。信号は、正のノード５１４及び／又は負のノード５１６を介してアドレス可能スイッチ５２４に供給されてもよい。例えば、電源信号は、周波数変調、振幅変調、デューティサイクル変調され得るか、又は現在アクティブにするスイッチ又は複数のスイッチの識別を示すスイッチ識別を提供する搬送波信号を含みことができる。さらに、様々なコマンド、例えばスイッチオン、スイッチオフ、又は較正コマンドは、同じ通信媒体を介して提供することができる。一例において、３つの識別子は、２７個のアドレス指定可能なスイッチの制御を許容する全てのアドレス指定可能なスイッチに伝達することができ、それによって２７個の熱要素を独立して作動又は非作動にすることができる。各熱要素５２２及びアドレス可能スイッチ５２４は、負のノード５１６と正のノード５１４の間に接続されたアドレス可能モジュール５２０を形成する。各アドレス可能スイッチは、電源線から電源及び通信を受け取ることができ、したがって、別々に第１のノード５１４及び／又は第２のノード５１６に接続することもできる。

アドレス指定可能なモジュールのそれぞれは、固有のＩＤを有してもよく、各識別子に基づいてグループに分けられてもよい。例えば、第１行のアドレス指定可能なモジュール（５２０、５３０、５３２、５３４、５３６、５３８、５４０、５４２、及び５４４）の全ては、第１又は１のｘ識別子を有することができる。同様に、第２行のアドレス指定可能なモジュール（５４６、５４８、５５０、５５２、５５４、５５６、５５８、５６０、５６２）の全てが２のｘ識別子を有することができる一方で、第３行のモジュール（５６４、５６６、５６８、５７０、５７２、５７４、５７６、５７８、５８０）は、３のｘ識別子を有する。同様に、アドレス可能モジュール（５２０、５３０、５３２、５４６、５４８、５５０、５６４、５６６、５６８）の最初の３列５８２は、１のｚ識別子を有することができる。一方、第２の３列５８４は、２のｚ識別子を有し、第３の３列５８６は３のｚ識別子を有することができる。同様に、グループ内の各モジュールをアドレス指定するために、各アドレス可能モジュールは、各グループ内で一意のy識別子を有している。例えば、グループ５２６において、アドレス可能モジュール５３４は１のｙ識別子を有し、アドレス可能モジュール５３６は、２のｙ識別子を有し、そしてアドレス可能モジュール５３８は、３のｙ識別子を有する。

図８を参照すると、本開示の別の形態によるヒータ７０は、コイルの形態の抵抗要素７２と、抵抗要素７２を囲む絶縁材料７４と、絶縁材料７４を囲む管状シース７６とを含む管状ヒータとすることができる。絶縁材料は、所望の絶縁耐力、熱伝導率及び寿命を有する材料とすることができ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含むことができる。抵抗素子７２は、一対の導線２８（図１に示す）を介して２線式コントローラ２４（図１に示す）に接続するための管状シース７６から突出する一対の導電ピン７８（図７には一方のみを示す）に接続される。抵抗要素７２は熱を発生し、それは管状シース７６に伝達され、それが周囲の環境又は部品を加熱する。管状ヒータ７０は、管状ヒータ７０を半導体処理チャンバの壁などの装置に取り付けるための取付け部材８０をさらに含むことができる。

図１の抵抗素子３４と同様に、抵抗素子７２は、数ある中で、ニッケル、ステンレス鋼、モリブデン-ニッケル合金、ニオブ、ニッケル-鉄合金、タンタル、ジルコニウム、白金、モリブデン、チタン、ニッケル-銅合金、又はニシルからなるグループから選択された材料を含むことができる。比較的高いＴＣＲを含む抵抗素子７２は、２本のワイヤ（すなわち、一対の導線２８）のみを介して抵抗フィードバック制御を可能にする。熱ドリフトを回避又は低減するために、抵抗要素７２は、ニッケル、ニッケル-クロム合金、鉄-クロム-アルミニウム合金、ニッケルアルミナイド、及び貴金属からなるグループから選択されるコーティングをさらに含むことができる。コーティングは、温度センサとして使用されるのに十分高いＴＣＲを維持しながら、より大きな安定性を提供することができる。

管状ヒータ７０の一形態において、抵抗要素７２は、約９５％を超えるニッケルを有し、上述のようにＭｇＯなどの鉱物絶縁体を有する材料、及びシース７６用の金属材料である。この特別なヒータ構造は、改善された抵抗安定性とヒータ制御を提供する。本開示の別の形態において、この管状ヒータ構造は、本明細書に記載の様々な形態の電源制御モジュール及びコントローラを含む制御技術とさらに組み合わせることができ、コントローラ／電源制御モジュールによって温度ドリフトなどの特定の材料特性を補償することができる。

図９を参照すると、本開示の別の形態によるヒータは、基板９２上に配置された幾つかの層を含む積層ヒータ９０でもよく、基板９２は、加熱される部分又はデバイスに近接して配置される別個の要素、又は部品又はデバイス自体であってもよい。積層ヒータは、層状プロセスによって形成された少なくとも１つの機能層を含み、それは基板又は他の層への材料の蓄積又は堆積を含む。積層プロセスは、数ある中で、厚膜、薄膜、溶射、又はゾル-ゲルプロセスであり得る。

図示されるように、一形態における層は、誘電体層９４、抵抗層９６、及び保護層９６を具備する。誘電体層９４は、基板９２と抵抗層９６との間の電気的絶縁を提供し、積層ヒータ９０の電源出力に見合った厚さの基板９２上に配置される。抵抗層９６は、誘電体層９２上に配置され、本開示に従って２つの主要機能を提供する。第１に、抵抗層９６は、積層ヒータ９０のための抵抗ヒータ回路であり、それによって基板９２に熱を供給する。第２に、抵抗層９６は温度センサでもあり、抵抗層９６の抵抗値は、積層ヒータ９０の温度を決定するために使用される。保護層９８は、一形態では絶縁体であるが、本開示の範囲内に留まり限り、特定の加熱用途の要件に従って導電性材料などの他の材料も使用することができる。

端子パッド１００は、誘電体層２２上に配置され、抵抗層９６と接触している。したがって、導線１０２は端子パッド１００に接触し、抵抗層９６を電源入力のため及びヒータ温度情報を２線式コントローラ１４に送信するため、２線式コントローラ２２（図１に示す）に接続する。さらに、保護層２６は、抵抗層９６の上に配置され、抵抗層９６を電気的に絶縁し、動作環境から保護するための誘電材料の一形態である。抵抗層９６はヒータ素子及び温度センサの両方として機能するので、１組の積層ヒータ９０及び別の温度センサ用の別の組の１組というよりは、１組の導線２８（例えば２本のワイヤ）だけがヒータシステムに必要とされる。したがって、任意の所定のヒータシステムのための導線の数は、本開示によるヒータシステムを使用することによって５０％減少される。さらに、抵抗層９６全体がヒータ素子に加えて温度センサであるため、温度は、熱電対のような多くの従来の温度センサのように単一点ではなくヒータ素子全体にわたって感知される。

図１の抵抗素子３４と同様に、抵抗層９４は、ニッケル、ステンレス鋼、モリブデン-ニッケル合金、ニオブ、ニッケル-鉄合金、タンタル、ジルコニウム、タングステン、モリブデンからなるグループから選択される材料を含むことができる。比較的高いＴＣＲを含む抵抗層９４は、２本のワイヤ（すなわち、一対の導線２８）のみを介して抵抗フィードバック制御を可能にする。

高いＴＣＲ、及び／又は熱ドリフトを低減するためのコーティングを有する抵抗要素は、当技術分野で知られている任意のヒータに適用することができ、カートリッジヒータ、管状ヒータ、ケーブルヒータ、及び本明細書に記載されているような積層ヒータに限定されず、又はさらにシリコンゴムヒータに適用できることが分かる。

当業者には容易に理解されるように、上記の説明は本開示の原理の説明として意図されている。この説明は、次に続く特許請求の範囲で定義されるように、本開示の精神から逸脱することなく、本開示が修正、変形、及び変更を受けやすいという点で、本開示の範囲又は適用を限定することを意図しない。

当業者には容易に理解されるように、上記の説明は本開示の原理の説明として意図されている。この説明は、次に続く特許請求の範囲で定義されるように、本開示の精神から逸脱することなく、本開示が修正、変形、及び変更を受けやすいという点で、本開示の範囲又は適用を限定することを意図しない。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］ 高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する抵抗素子を備え、前記抵抗素子がヒータとして及び温度センサとして機能するように、前記抵抗素子が約９５％より多いニッケルを有する材料であるヒータ。
［２］ 前記抵抗素子を囲む絶縁材料と、前記絶縁材料を囲むシースとをさらに具備する［１］記載のヒータ。
［３］ 前記絶縁材料はＭｇＯを含み、前記シースは金属材料である［２］記載のヒータ。
［４］ 前記抵抗素子は、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル-クロム合金、鉄-クロム-アルミニウム合金、ニッケルアルミナイド、コバルト合金、鉄合金、及び貴金属からなるグループから選択されるコーティング材料をさらに具備する［１］記載のヒータ。
［５］ 高ＴＣＲを有する前記材料と前記コーティング材料とを含む複数の抵抗素子をさらに具備する［４］記載のヒータ。
［６］ 複数の電源ノードを有する制御システムをさらに含み、各抵抗素子は、複数の電源ノードのうちの第１の電源ノードと第２の電源ノードとの間に接続され、各抵抗素子は前記抵抗素子を作動及び非作動とするように形成されたアドレス可能スイッチに接続され、各抵抗要素は、前記制御システムにより独立に制御される［５］記載のヒータ。
［７］ 少なくとも３つの電源ノードを有する制御システムをさらに具備し、前記複数の抵抗素子のうちの抵抗素子は各対の電源ノード間に接続される［５］記載のヒータ。
［８］ 複数の電源ノードを有する制御システムをさらに具備し、前記複数の抵抗素子のうちの第１の抵抗素子及び第２の抵抗素子は、第１のノードと第２のノードとの間に接続され、前記第２のノードに関連する前記第１のノードの第１の極性により前記第１の抵抗素子が差動され、前記第２の抵抗素子が非作動とされ、前記第２のノードに関連する前記第１のノードの第２の極性により前記第１の抵抗素子が非作動とされ、前記第２の抵抗素子が作動される［５］記載のヒータ。
［９］ 複数の独立に制御可能なゾーンをさらに具備する［５］記載のヒータ。
［１０］ 前記抵抗素子は、ニッケル、ステンレス鋼、モリブデン-ニッケル合金、ニオブ、ニッケル-鉄合金、タンタル、ジルコニウム、タングステン、モリブデンからなるグループから選択された材料である［１］記載のヒータ。
［１１］ 前記抵抗素子は、少なくとも約１，０００ｐｐｍのＴＣＲ、及び約５００℃−１，０００℃の温度範囲に亘って約１％未満の温度ドリフトを有する［１］記載のヒータ。
［１２］ 高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する抵抗素子を具備し、前記抵抗素子がヒータ及び温度センサとして機能し、前記抵抗素子が、約９５％を超えるニッケル、ニッケル銅合金、ステンレス鋼、モリブデン-ニッケル合金、ニオブ、ニッケル-鉄合金、タンタル、ジルコニウム、タングステン、モリブデン、ニシル、及びチタンからなるグループから選択される材料であるヒータ。

Claims (12)

1. 高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する抵抗素子を備え、前記抵抗素子がヒータとして及び温度センサとして機能するように、前記抵抗素子が約９５％より多いニッケルを有する材料であるヒータ。
2. 前記抵抗素子を囲む絶縁材料と、前記絶縁材料を囲むシースとをさらに具備する請求項１記載のヒータ。
3. 前記絶縁材料はＭｇＯを含み、前記シースは金属材料である請求項２記載のヒータ。
4. 前記抵抗素子は、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル-クロム合金、鉄-クロム-アルミニウム合金、ニッケルアルミナイド、コバルト合金、鉄合金、及び貴金属からなるグループから選択されるコーティング材料をさらに具備する請求項１記載のヒータ。
5. 高ＴＣＲを有する前記材料と前記コーティング材料とを含む複数の抵抗素子をさらに具備する請求項４記載のヒータ。
6. 複数の電源ノードを有する制御システムをさらに含み、各抵抗素子は、複数の電源ノードのうちの第１の電源ノードと第２の電源ノードとの間に接続され、各抵抗素子は前記抵抗素子を作動及び非作動とするように形成されたアドレス可能スイッチに接続され、各抵抗要素は、前記制御システムにより独立に制御される請求項５記載のヒータ。
7. 少なくとも３つの電源ノードを有する制御システムをさらに具備し、前記複数の抵抗素子のうちの抵抗素子は各対の電源ノード間に接続される請求項５に記載のヒータ。
8. 複数の電源ノードを有する制御システムをさらに具備し、前記複数の抵抗素子のうちの第１の抵抗素子及び第２の抵抗素子は、第１のノードと第２のノードとの間に接続され、前記第２のノードに関連する前記第１のノードの第１の極性により前記第１の抵抗素子が差動され、前記第２の抵抗素子が非作動とされ、前記第２のノードに関連する前記第１のノードの第２の極性により前記第１の抵抗素子が非作動とされ、前記第２の抵抗素子が作動される請求項５記載のヒータ。
9. 複数の独立に制御可能なゾーンをさらに具備する請求項５記載のヒータ。
10. 前記抵抗素子は、ニッケル、ステンレス鋼、モリブデン-ニッケル合金、ニオブ、ニッケル-鉄合金、タンタル、ジルコニウム、タングステン、モリブデンからなるグループから選択された材料である請求項１記載のヒータ。
11. 前記抵抗素子は、少なくとも約１，０００ｐｐｍのＴＣＲ、及び約５００℃−１，０００℃の温度範囲に亘って約１％未満の温度ドリフトを有する請求項１に記載のヒータ。
12. 高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する抵抗素子を具備し、前記抵抗素子がヒータ及び温度センサとして機能し、前記抵抗素子が、約９５％を超えるニッケル、ニッケル銅合金、ステンレス鋼、モリブデン-ニッケル合金、ニオブ、ニッケル-鉄合金、タンタル、ジルコニウム、タングステン、モリブデン、ニシル、及びチタンからなるグループから選択される材料であるヒータ。

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