JP7194592B2 - 酸化ベリリウム一体抵抗加熱器 - Google Patents

Description

（関連出願への相互参照）
本願は、２０１６年４月７日に出願された米国仮特許出願第６２／３１９，３８８号の優先権を主張し、これは、参照によって本明細書に完全に援用される。

（背景）
本開示は、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）を含むセラミック本体上または内に統合された電気抵抗加熱器に関する。一体抵抗加熱器は、半導体加工および操作の分野内で特定の用途を見出し、特にそれを参照して説明される。しかしながら、本開示はまた、他の同様の用途にも適していることを理解されたい。

一体抵抗加熱器は、ジュールの第１の法則に従って、（対流または放射と比較して）伝導を介してより急速に媒体を通して熱エネルギーを伝達する。しかしながら、媒体は、電気絶縁性でなければならず、そうしなければ加熱器がショートする。殆どの従来の熱伝導性材料は、電気伝導性である金属であり、したがって、直接接触一体加熱器のための媒体として好適ではない。殆どの従来の電気絶縁性材料（セラミックおよびガラス等）は、低い熱伝導率を有し、熱を不十分に伝導する。

これらの問題を最小限にする、一体抵抗加熱器を提供することが望ましい。

（簡単な説明）
本明細書の種々の実施形態では、加熱要素が、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）セラミック本体と直接接触し、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）セラミック本体に接合される、一体抵抗加熱器が開示される。酸化ベリリウムは、電気絶縁性および高度に熱伝導性の両方であるという特異な性質を有する。

本明細書に開示されるいくつかの実施形態では、一体抵抗加熱器は、第１の表面および第２の表面を有する酸化ベリリウム（ＢｅＯ）セラミック本体を含む。加熱要素は、耐熱金属化層から形成される。加熱要素は、ＢｅＯセラミック本体の第１の表面または第２の表面と直接接触し、ＢｅＯセラミック本体に接合される。

本明細書に開示される他の実施形態では、一体抵抗加熱器を形成する方法は、ＢｅＯセラミック本体の第１の表面または第２の表面上に耐熱金属化塗料を塗布することによって、加熱要素を形成することを含む。これらの実施形態では、概して、セラミック本体がセラミック本体の厚さに比べて大きい長さおよび幅を有することが想定される。

本明細書に開示されるさらに他の実施形態では、一体抵抗加熱器は、第１の端子と第２の端子との間に延在するＢｅＯセラミック管を含む。加熱要素は、耐熱金属化塗料から形成され、ＢｅＯセラミック管の外部表面上に、すなわち、（その上の２つの端面ではなく）管の円周表面／側壁上に直接塗布される。加熱要素の第１の端部は、第１の端子に接続され、加熱要素の第２の端部は、第２の端子に接続される。これらの端子は、はんだ付け、ろう付け、またはタック溶接によって、ＢｅＯセラミック管に継合されることができる。

他の実施形態では、一体抵抗加熱器が、加熱器パックで使用するために開示される。加熱器パックは、ＢｅＯセラミック天板を含む。中間ＢｅＯセラミック本体は、第１の表面と、第２の表面と、第１の表面または第２の表面上に印刷される耐熱金属化塗料から形成される加熱要素とを有する。ＢｅＯセラミック基礎板も含まれる。天板、中間セラミック本体、および基礎板は、中央に中間セラミック本体を伴う「サンドイッチ」を形成する。加熱器端子は、ＢｅＯセラミック基礎板を通って延在し、中間ＢｅＯセラミック本体の加熱要素に接続する。これらの端子は、はんだ、またはろう付け、またはタック溶接、または機械的ねじ山のいずれかを用いて、ＢｅＯに継合される。最終的に、少なくとも１つの電源は、オームの法則およびその交流電圧（ＶＡＣ）等価形式Ｐ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）Ｖ（ｔ）に従って、加熱要素を制御するために加熱器端子に接続されることができる。

以下は、本明細書に開示される例示的実施形態を限定する目的ではなく、その実施形態を図示する目的のために提示される図面の簡単な説明である。

図１は、本開示による一体抵抗加熱器の上面図である。

図２は、螺旋パターンを有する加熱要素を印刷するためのスクリーンの上面図である。

図３Ａは、迷路パターンを有する二重ゾーン加熱要素の第１のゾーンを印刷するための第１のスクリーンの上面図である。

図３Ｂは、迷路パターンを有する二重ゾーン加熱要素の第２のゾーンを印刷するための第２のスクリーンの上面図である。

図４Ａは、管状本体を有する一体抵抗加熱器の斜視図である。

図４Ｂは、図４Ａに示される管状加熱器の断面側面図である。

図４Ｃは、加熱要素を形成するための金属化塗料の塗布を図示する、図４Ａに示される管状加熱器の斜視図である。

図５は、本開示による一体抵抗加熱器を含む加熱器パックの構成要素の３Ｄモデルである。

図６は、本開示の第２の側面による、一体抵抗加熱器を含む加熱器パックの構成要素の３Ｄモデルである。

図７は、本開示による一体抵抗加熱器に印加される約６ＶＡＣ～約４４ＶＡＣの電圧に関する実際のワット数対温度を示すチャートである。

図８は、本開示による一体抵抗加熱器に印加される６０ＶＡＣの電圧に関する実際のワット数対温度を示すチャートである。

図９は、本開示による一体抵抗加熱器に印加される約６ＶＡＣ～約４４ＶＡＣの電圧に関する抵抗対温度を示すチャートである。

図１０は、本開示による二重ゾーン一体抵抗加熱器に印加される約４０ＶＡＣ～約１０８ＶＡＣの印加された電圧に関する実際のワット数対温度を示すチャートである。

図１１は、本開示による二重ゾーン一体抵抗加熱器に印加される約２１ＶＡＣ～約５７ＶＡＣの印加された電圧に関する実際のワット数対温度を示すチャートである。

図１２は、本開示による二重ゾーン一体抵抗加熱器に印加される約１３ＶＡＣ～約１２１ＶＡＣの印加された電圧に関する実際のワット数対温度を示すチャートである。

図１３は、本開示による二重ゾーン一体抵抗加熱器に印加される約７ＶＡＣ～約６３ＶＡＣの印加された電圧に関する実際のワット数対温度を示すチャートである。

図１４は、本開示による二重ゾーン一体抵抗加熱器に印加される約１７．５ＶＡＣ～約１１８ＶＡＣの印加された電圧に関する抵抗対温度を示すチャートである。

図１５は、本開示による一体抵抗加熱器のセラミック本体に接合されるモリブデン（Ｍｏ）およびＫＯＶＡＲ加熱要素のための箔接着を示すチャートである。

（詳細な説明）
本明細書に開示されるプロセスおよびデバイスのより完全な理解は、付随する図面を参照することによって得られることができる。これらの図は、利便性および容易性に基づく概略的表現にすぎず、したがって、アセンブリまたはその構成要素の相対的サイズおよび寸法を示すことを意図していない。

本開示は、所望の実施形態およびその中に含まれる実施例の以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解され得る。以下の明細書およびその後に続く特許請求の範囲では、以下の意味を有するように定義されるものとする、いくつかの用語が参照される。

単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が別様に明確に決定付けない限り、複数の指示対象を含む。

本願の明細書および特許請求の範囲の中の数値は、同一の有効桁数まで丸められたときに同一である数値と、値を決定するように本願で説明されるタイプの従来の測定技法の実験誤差未満だけ記述された値と異なる数値とを含むと理解されるべきである。

本明細書に開示される全ての範囲は、記載される終点を含み、独立して組み合わせ可能である（例えば、「２グラム～１０グラム」の範囲は、終点（すなわち、２グラムおよび１０グラム）ならびに全中間値を含む）。

本明細書で使用される場合、「約」および「実質的に」等の近似用語は、それが関連する基本的機能の変化をもたらすことなく変動し得る、任意の定量的表現を修飾するように適用され得る。修飾語「約」はまた、２つの終点の絶対値によって定義される範囲を開示するものと見なされるべきである。例えば、表現「約２～約４」はまた、「２～４」という範囲も開示する。用語「約」は、示された数の±１０％を指し得る。用語「典型的な」および「典型的に」は、標準かつ一般的な実践を指す。

用語「室温」は、２０℃～２５℃の範囲を指す。

いくつかの用語は、具体的パターンを指すために本明細書で使用される。本明細書で使用されるような用語「螺旋」は、固定中心点から連続的に増加する距離で当該点の周囲に巻回する平面上の曲線を指す。用語「アルキメデスの螺旋」は、中心点から生じる任意の光線が一定の分離距離を伴う点において螺旋の連続旋回と交差するという性質を有する螺旋を指す。用語「迷路」および「ラビリンス」は、壁の間に一連の異なる経路を形成する壁のセットに類似する回路を形成するようにともに継合される、不連続線および／または曲線のパターンを指す。用語「一筆書可能」は、パターンの中心までの単一の経路を有する「迷路」または「ラビリンス」を指す。用語「複数筆書可能」は、パターンの中心までの複数（すなわち、１つよりも多い）経路を有する「迷路」または「ラビリンス」を指す。用語「ジグザグ」は、単一の線が第１の側面と第２の側面との間で前後に延びるように、単一の線が急な曲がり角を有し、線が第１の端部から始まって第２の端部で終わるパターンを指す。

用語「上部」および「基部」が、本明細書で使用される。これらの用語は、絶対的向きではなく、相対的向きを示す。

一体抵抗加熱器を形成するための方法およびそれから形成される加熱器が、開示される。本明細書に開示される一体抵抗加熱器は、例えば、半導体加工中に、シリコンウエハ産業において有用な加熱器パックで使用されることができる。一体抵抗加熱器は、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）セラミック本体と、ＢｅＯセラミック本体と直接接触し、ＢｅＯセラミック本体に接合される電気加熱要素とを含む。加熱要素は、概して、セラミック本体への塗布に応じて微粉化した耐熱金属の厚いフィルムを形成する金属化塗料で形成されてもよい。ＢｅＯセラミック本体は、高度に熱伝導性および電気絶縁性であるという特異な組み合わせを有する。これは、その電気短絡を引き起こすことなく、加熱要素との密接な接触を可能にする。ＢｅＯ加熱器はまた、高い熱伝導率に起因して、高速で循環（上昇、冷却）されることができる。ＢｅＯはまた、高温耐熱材料である。ＢｅＯはまた、電気絶縁性であり、腐食性雰囲気および腐食性液体中で耐エッチング性である。

ここで図１を参照すると、一体抵抗加熱器１００は、概して、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）から作製されたセラミック本体１０２を含む。加熱要素１０８は、セラミック本体の表面上に形成される。例えば、加熱要素は、セラミック本体の第１の表面１０４上、または第１の表面１０４の反対側に位置するセラミック本体の第２の表面１０６（図５）上に印刷されることができる。また、ここでは、電源に接続される、加熱要素１０８の２つの端部１２３、１２５も可視である。また、２つのパススルー１２７も可視であり、図５に関してさらに解説されるように、２つのパススルー１２７を通して、セラミック本体の反対表面上の加熱要素への電気接続を可能にする。

ＢｅＯセラミック本体１０２は、円盤形を有するものとして図１に示されている。本円盤形では、本体の第１の表面および第２の表面は、概して、本体の厚さを上回る半径を有する。しかしながら、ＢｅＯセラミック本体は、一体抵抗加熱器として使用するために好適な任意の形状を有し得ることを理解されたい。例えば、本体は、長方形の第１の表面を有することができる、またはセラミック本体は、本体の厚さがその半径を上回る管であることができる。

ＢｅＯセラミック本体の加熱要素は、電気伝導性である耐熱金属を含有する塗料（すなわち、金属化塗料）から形成される。金属化塗料は、モリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）のいずれかを含有することができ、かつ他の原料も含有することができる。いくつかの実施形態では、金属化塗料は、モリブデン、マンガン、およびガラス粉末の混合物である、「モリ－マンガン」を含有する。いくつかの特定の実施形態では、金属化塗料は、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）を含有する。二珪化モリブデンはまた、高度に耐熱性（ｍ．ｐ．２，０３０℃）であり、最大約１８００℃まで作用することができる。

金属化塗料は、ＢｅＯセラミック本体の形状およびサイズに応じて、いくつかの技法のうちの１つを使用して、塗布されてもよい。これらの技法は、スクリーン印刷、ピンストライピングホイールを用いたロールコーティング、手動塗装、エアブラシ噴霧、浸漬、遠心コーティング、およびシリンジを用いた針塗装を含む。いくつかの特定の実施形態では、金属化塗料の１つまたは複数の層は、スクリーン印刷、ロールコーティング、またはエアブラシ法によって塗布される。金属化塗料は、ＢｅＯセラミック本体の表面上で加熱要素として作用する厚いフィルムを形成することができる。所望の厚さは、電力供給源によって提供される電流から熱を生成するために要求される抵抗ならびに他の要因に依存する。しかしながら、厚さだけが、電気抵抗を駆動する唯一の要因ではなく、金属化塗料レシピ（すなわち、金属対ガラス比）および焼結の量（すなわち、収縮、ガラスの毛管作用、および酸化還元反応）もまた、電気抵抗率を変化させる。いくつかの実施形態では、厚いフィルムの厚さは、典型的には、約３００～９００マイクロインチ（７．６２μｍ～２２．８６μｍ）であることができるが、熱のジュールの第１の法則に従うために要求される所望の電気抵抗を達成するために、金属化塗料の複数の塗布によって減少または増加されることができる。金属化塗料はまた、図１に図示される迷路パターン１１２等の加熱要素のより複雑な設計のためのパターンで塗布されることができる。

いくつかの特定の実施形態では、金属化塗料は、加熱要素を形成するように、スクリーン印刷プロセスを使用して塗布される。図２は、スクリーン印刷に使用されるスクリーン１１０を図示する。金属化塗料は、螺旋パターン１１４を有する加熱要素を形成するために使用される。いくつかの実施形態では、螺旋は、アルキメデスの螺旋である。スクリーンは、概して、フレーム１１８にわたって伸張される一片のメッシュ１２０を備える。所望のパターンは、パターンのネガ像においてスクリーンの部分のマスクを取ることによって、形成される。別の言い方をすれば、螺旋パターン１１４は、金属化塗料がＢｅＯセラミック本体上に出現する場所を示す。

スクリーン印刷は、概して、所望のパターンの原不透明像が透明オーバーレイ上に作成される、印刷が起こる前の事前プレスプロセスを含むことができる。適切な網目数を有するスクリーンが、次いで、選択される。スクリーンは、影付きの区域１３０によって示されるＵＶ硬化性エマルションでコーティングされる。オーバーレイは、スクリーンにわたって設置され、エマルションを硬化させるようにＵＶ光源に暴露される。スクリーンは、次いで、船上され、メッシュ上に所望のパターンのネガステンシルを残す。ＢｅＯセラミック本体の第１の表面は、ＢｅＯセラミック本体を染色し得る、スクリーンを通した不要な漏出から保護するように、幅が広いパレットテープでコーティングされることができる。最終的に、エマルション内の任意の不要なピンホールは、テープ、特殊エマルション、または遮断ペンを用いて、遮断されることができる。これは、金属化塗料がピンホールを通って続き、ＢｅＯセラミック本体上に不要な跡を残すことを防止する。

印刷は、ＢｅＯセラミック本体の第１の表面または第２の表面上にスクリーン１１０を設置することによって進む。金属化塗料は、スクリーン上に設置され、フラッドバーが、メッシュ１２０内の孔を通して金属化塗料を押動するために使用される。フラッドバーは、最初にスクリーンの背面および金属化塗料のリザーバの背後に設置される。スクリーンは、ＢｅＯセラミック本体との接触を防止するように持ち上げられる。フラッドバーは、次いで、わずかな量の下向きの力でスクリーンの正面に引動され、効果的にメッシュ開口部を金属化塗料で充填し、リザーバをスクリーンの正面まで移動させる。ゴムブレードまたはスキージは、メッシュをＢｅＯセラミック本体まで下方に移動させるために使用され、スキージは、スクリーンの背面に押動される。メッシュ開口部の中にある金属化塗料は、制御および処方された量でＢｅＯセラミック本体上に液圧作用によって送出または圧搾される。換言すると、湿潤金属化塗料は、メッシュおよび／またはステンシルの厚さに比例して堆積される。「スナップオフ」プロセス中に、スキージは、スクリーンの背面に向かって移動し、張力は、メッシュをＢｅＯセラミック本体の表面から離れるように引き上げさせる。スナップオフ後、金属化塗料は、加熱要素のための所望のパターンでＢｅＯセラミック本体の表面上に残される。

次に、スクリーンは、所望される場合、金属化塗料の別の層で再コーティングされることができる。代替として、スクリーンは、エマルションを除去した後にスクリーンに残された曇りまたは「ゴースト像」を除去するように、さらなる曇り除去ステップを受けてもよい。

金属化塗料が堆積された後、焼結が、ＢｅＯセラミック本体への金属化塗料の強力な密封接合を促進するように実施されることができる。金属化基質の中の非金属成分は、ＢｅＯセラミック本体の粒界の中へ拡散し、その強度を補う。焼結の量（すなわち、時間および温度）は、電子のための伝導性経路の体積組成に影響を及ぼす。焼結中の雰囲気は、金属および半金属亜酸化物の酸化および還元反応に影響を及ぼす。焼結層は、電気伝導性になり、加熱のために必要ではないが所望される場合、金属化層の後続のめっきを可能にする。めっきは、電解（ラックもしくはバレル）または無電解プロセスによって実施されることができる。ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、および銅（Ｃｕ）を含む、種々の材料が、めっきに使用されることができるが、動作温度および雰囲気が考慮されるべきである。

図２に図示される実施形態は、概して、形状が正方形であるものとしてスクリーンのフレーム１１８を示す。いくつかの実施形態では、正方形フレームは、約５インチ×５インチの長さおよび幅を有することができる。メッシュ１２０は、ステンレス鋼から作製された３２５メッシュであることができる。メッシュのワイヤは、フレームに対して３０度バイアスを有する。エマルション１３０は、約０．５ミル（０．０１２７ｍｍ）の厚さを有する。本開示から、そのような寸法は、例示的にすぎず、任意の好適なスクリーン形状およびサイズが、所望に応じて選定され得ることを理解されたい。

図３Ａ（正確な縮尺ではない）および図３Ｂ（正確な縮尺ではない）は、第１の加熱要素１２６を印刷するために第１のスクリーン１２２を使用するスクリーン印刷の方法を図示する。第２のスクリーン１２４が、次いで、第２の加熱要素１２８を印刷するために使用される。いくつかの実施形態では、第１の加熱要素は、図１に示されるＢｅＯセラミック本体１０２の第１の表面１０４上に印刷されることができ、第２の加熱要素は、ＢｅＯセラミック本体の第２の表面１０６上に印刷されることができる（図５）。両方の加熱要素は、同一の端子または異なる端子に接続されることができ、ともに動作させられる、または独立してバイアスをかけられることができる。

第１および第２の加熱要素は、円形迷路またはラビリンスパターンを形成する、一連の略同心円を有するものとして図３Ａおよび図３Ｂに示されている。ここで図示されるように、第１の加熱要素１２６は、一筆書可能なラビリンスのパターンであり、第２の加熱要素１２８もまた、一筆書可能なラビリンスのパターンである。しかしながら、複数筆書可能なラビリンスのパターンもまた、使用され得ることが想定される。図３Ａでは、端子１２３、１２５およびパススルー１２７も可視である。

図３Ａおよび図３Ｂに図示される実施形態では、フレーム１３２は、約１０インチ×１０インチの長さおよび幅を有する正方形であることができる。メッシュ１２０は、ステンレス鋼から作製された３２５メッシュであることができる。メッシュのワイヤは、フレームに対して３０度バイアスを有する。エマルション１３４は、約１ミル（０．０２５４ｍｍ）の厚さを有する。

図４Ａおよび図４Ｂは、形状が管状であるＢｅＯセラミック本体２０２を有する、例示的一体抵抗加熱器２００を図示する。管状とは、中実であるロッドとは対照的に、セラミック本体を通る中空通路があることを意味し、または別の言い方をすれば、管状本体は、第１または外部表面および第２または内部表面を有する円筒側壁として表されることができる。管状本体は、管状本体の両端上に位置する第１の端子２０４および第２の端子２０６の間に延在する。いくつかの実施形態では、第１および第２の端子は、ＫＯＶＡＲ金属またはモリブデン（Ｍｏ）金属から作製される。これらの端子は、はんだ付け、ろう付け、またはタック溶接によって、ＢｅＯセラミック管に継合されることができる。加熱要素２０８は、ＢｅＯセラミック本体の外部表面２１４上に存在する。加熱要素は、管状ＢｅＯセラミック本体の長さに延在する螺旋形を有することができる。加熱要素は、第１の端部２１０における第１の端子２０４に、および第２の端部２１２における第２の端子２０６に接続される。

図４Ａの一体抵抗加熱器のいくつかの側面は、図４Ｂに図示される断面図でより明確に見られることができる。具体的には、ＢｅＯセラミック本体２０２は、側壁を形成するが、端子２０４、２０６は、抵抗加熱器の端部を形成する。別の言い方をすれば、ＫＯＶＡＲ金属またはモリブデン金属のキャップは、ＢｅＯセラミック本体の端部上に設置され、はんだ付け、ろう付け、またはタック溶接によって継合される。加えて、ＢｅＯセラミック本体の外部表面２１４は、加熱要素２０８が形成されるチャネルを含む。図４Ｃに示されるように、加熱要素２０８を形成する金属化塗料は、ピンストライピングアプリケータ２１６を介してロールコーティングによって塗布される。アプリケータ２１６は、ＢｅＯ表面２１４と直接接触するリザーバを装填されたホイール２１８を有する。ＢｅＯセラミック本体２０２は、表面張力を介してピンストライピングアプリケータホイールから塗料を引き出すように、スピンドル（図示せず）上で回転されることができる。

図５は、前述で説明される一体抵抗加熱器を組み込む加熱器パックを示す。加熱器パックは、概して、天板１５０と、中間ＢｅＯセラミック本体１０２と、第１の加熱要素１０８と、基礎板１５２とを含む。ＢｅＯセラミック本体１０２は、天板と基礎板との間に配置され、第１の表面１０４と、第２の表面１０６とを有する。第１の加熱要素１０８は、ＢｅＯセラミック本体の第１の表面上に印刷されるものとしてここで示されている。第１の表面１０４は、基礎板１５２に隣接し、第２の表面１０６は、天板１５０に隣接する。ＢｅＯセラミック本体の第２の表面もまた、その上に加熱要素を有する（可視ではない）。加熱器端子１５６は、基礎板１５２を通って延在し、中間ＢｅＯセラミック本体の第１の表面上の第１の加熱要素１０８に接続する。存在する場合、同一の加熱器端子もまた、中間セラミック本体を通って延在し、第２の表面上の第２の加熱要素に接続され得ることに留意されたい。しかしながら、ここでは、加熱器端子１５４は、はんだ、ろう付け、タック溶接、または機械的ねじ山によって、第２の加熱要素に接続する。いったん組み立てられると、加熱要素は、加熱器パックの天板と基礎板との間に埋め込まれる。少なくとも１つの電源１５８は、加熱要素を制御するために、いずれかの端子１５４、１５６に接続される、または直列もしくは並列で両方に配線されることができる。

いくつかの実施形態では、加熱要素は、ＢｅＯセラミック本体の第１の表面上に印刷され、第２の加熱要素（可視ではない）は、二重ゾーン一体抵抗加熱器を形成するように第２の表面上に印刷される。この点に関して、第１の加熱要素は、図３Ａに示される第１のスクリーン１２２を使用して印刷されることができる。随意の第２の加熱要素は、図３Ｂに示される第２のスクリーン１２４を使用して印刷されることができる。

ここで、第２の加熱器端子１５４は、加熱器パックが二重ゾーン一体抵抗加熱器を組み込むときに、含まれる。第２の加熱器端子は、基礎板を通って延在し、中間本体自体も通って延在し、はんだ、ろう付け、タック溶接、または機械的ねじ山等の任意の好適な手段によって、中間ＢｅＯセラミック本体の第２の表面１０６上の第２の加熱要素に接続する。電源１５８はまた、第２の加熱器端子を介して第２の加熱要素を制御するために使用されることができる。随意に、第２の電源（図示せず）は、第２の加熱端子を介して第２の加熱要素を制御するために使用されることができる。電源は、独立して、または協働して、電圧を加熱器要素（単数または複数）に提供してもよい。

コントローラ（図示せず）はまた、電源によって提供される電圧信号を変調させるように含まれてもよく、さらに、表示手段（図示せず）上で読み出すためにアナログ信号をデジタル信号に変換してもよい。表示手段は、ＬＣＤ、コンピュータモニタ、タブレットまたはモバイルリーダデバイス、および当業者によって公知であるような他の表示手段を含んでもよい。単一、複数、または冗長な熱電対が、デバイス上の所望の場所において直接表面接触し、閉ループフィードバック信号をコントローラに提供する。

いくつかの実施形態では、天板１５０は、セラミック半導体材料の層、電極層、およびセラミックＢｅＯ層から構成される。セラミック半導体材料は、二酸化チタンまたはチタニア（ＴｉＯ_２）でドープされる酸化ベリリウム（ＢｅＯ）を含んでもよい。セラミック半導体材料の層はまた、焼結中に接着剤および／または気密封止カプセル化としての役割を果たす、少量のガラス共晶物を含んでもよい。

さらなる実施形態では、基礎板１５２は、中間ＢｅＯセラミック本体１０２と同様に、酸化ベリリウムＢｅＯセラミック層から構成され得る。基礎板は、第１の加熱端子を介した第１の加熱要素への接続のための孔１６２と、第２の加熱端子を介した第２の加熱要素への接続のための孔１６０とを含むことができる。

図６を参照すると、加熱器パック３００が、本開示の第２の側面による一体抵抗加熱器を組み込んで示されている。加熱器パックは、概して、天板３５０と、加熱要素３０８と、基礎板３５２とを含む。加熱要素はまた、加熱器端子が接続される２つの端部３５４も含む。天板は、セラミック半導体材料の層と、電極層と、図５の天板１５０に類似するセラミックＢｅＯ層とを含むことができる。基礎板は、図５の基礎板１５２に類似する酸化ベリリウムＢｅＯセラミック層であることができる。加熱器端子（図示せず）は、基礎板を通って延在し、加熱要素端部３５４に接続することができる。加熱器パックはまた、オームの法則およびその交流電圧（ＶＡＣ）等価形式Ｐ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）Ｖ（ｔ）を適用して、加熱器端子を介して加熱要素を制御するための電源（図示せず）を含むこともできる。

ここでは、加熱要素３０８は、エッチング、ダイカッティング、水ジェット、またはレーザカッティング等の任意の好適な方法によって形成される一般的ジグザグパターンを有する、箔もしくは薄いフィルム層である。いくつかの実施形態では、加熱要素３０８は、ニッケル・コバルト鉄合金（例えば、ＫＯＶＡＲ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、または白金・ロジウム（ＰｔＲｈ）合金のうちの１つから作製される箔であってもよい。加熱要素３０８は、一過性の液相を生成するように、精密に制御された温度を使用して、ガス／金属共晶接合を介してＢｅＯの表面に直接接合される。他の実施形態では、加熱要素は、モリブデンを含有し、物理蒸着（ＰＶＤ）プロセス（例えば、スパッタ堆積、真空蒸発等）を使用して堆積される、薄いフィルムである。

（実施例１）
約４．５オームの抵抗を有し、金属化塗料から形成された加熱要素が、２インチ×２インチＢｅＯセラミック正方形板の表面の０．０４０インチ下方に埋め込まれた。約６．５ｖｄｃの電圧が、加熱要素に印加された。加熱要素は、約１．４４アンペアの電流を引き込み、約９Ｗの電力を出力した。ＢｅＯセラミック板は、触れると暖かく感じた。

（実施例２）
金属化塗料から形成された二重ゾーン加熱要素が、約２００ｍｍ（７．５インチ）の直径を有するＢｅＯ円盤の内側に埋め込まれた。第１のゾーンは、表面の約０．０６８インチ下方に位置し、第２のゾーンは、表面の約０．１３６インチ下方に位置する。第１のゾーン加熱要素が、給電され、約２８２℃で約５０１Ｗの電力の出力に到達した。第２のゾーン加熱要素が、次いで、給電され、第１のゾーン加熱要素が、約４１８Ｗの電力まで降下された。第２のゾーン加熱要素は、約４５８℃で約３５４Ｗの電力の出力に到達した。加熱要素は、高い温度抵抗係数を呈した。

（実施例３）
約６ＶＡＣ～６０ＶＡＣの電圧範囲が、上記の実施例１からの加熱要素に印加された。加熱要素は、４．２オームの始動抵抗を有し、室温は、７６°Ｆであった。約６０ＶＡＣにおいて、加熱要素は、約５９２℃の最大温度および約２２８Ｗの電力出力にそれぞれ到達した。結果は、表１の中で以下に示される。

図７－９では、実際のワット数（Ｗ）、抵抗（オーム、Ω）、および温度（℃）が、約６ＶＡＣ～約６０ＶＡＣの印加された電圧に関して表１からプロットされた。図７に見られるように、約６ＶＡＣ、１２ＶＡＣ、１８ＶＡＣ、２４ＶＡＣ、３２ＶＡＣ、３８ＶＡＣ、および４４ＶＡＣの入力電圧が、プロットされた。これらの入力電圧における最大温度は、それぞれ、約６０℃、１０５℃、１６０℃、２０５℃、２５０℃、３７５℃、および４１５℃であった。これらの入力電圧における最大電力出力は、それぞれ、約８Ｗ、２４Ｗ、４７Ｗ、６７Ｗ、１０６Ｗ、１２５Ｗ、および１５８Ｗであった。図８では、熱電対が、異なる区域に移動され、実際のワット数（Ｗ）および温度（℃）が、６０ＶＡＣの印加された電圧に関してプロットされた。最大温度は、約５９２℃であり、最大電力出力は、約２７６Ｗであった。図９では、抵抗（オームΩ）および温度（℃）の係数が、印加された電圧に関して表１、図７、および図８からプロットされた。６ＶＡＣ、１２ＶＡＣ、１８ＶＡＣ、２４ＶＡＣ、３２ＶＡＣ、３８ＶＡＣ、４４ＶＡＣ、および６０ＶＡＣの入力電圧における最高抵抗は、それぞれ、約４Ω、７Ω、８Ω、１０Ω、１１Ω、１３Ω、１３Ω、および１６Ωであった。

（実施例４）
電力が、上記の実施例２に従って説明される二重ゾーン加熱要素に供給された。約７ＶＡＣ～１２１ＶＡＣの電圧範囲が、第１および第２のゾーンにおいて２つの試験で印加された。ゾーン１、試験１のための始動抵抗は、約１７．８Ωであった。ゾーン２、試験１のための始動抵抗は、約５．９Ωであった。ゾーン１、試験２において、始動抵抗は、約２０．９Ωであった。最後に、ゾーン２、試験２のための始動抵抗は、約７．４Ωであった。第１および第２のゾーンにおける２つの試験の結果は、表２～表５の中で以下に示される。

図１０－１４では、実際のワット数（Ｗ）、抵抗（オーム、Ω）、および温度（℃）が、約７Ｖ～１２１Ｖの印加された電圧に関して上記の表２～表５からプロットされた。図１０に見られるように、約４０ＶＡＣ～１０８ＶＡＣのゾーン１、試験１のための入力電圧は、約６０℃～３１０℃の最大温度および約８７Ｗ～３８２Ｗの最大電力出力をもたらした。図１１では、約２１ＶＡＣ～５７ＶＡＣのゾーン２、試験１のための入力電圧は、約６０℃～３１０℃の最大温度および約７４Ｗ～３２０Ｗの最大電力出力をもたらした。図１２では、約１３Ｖ～１２１Ｖのゾーン１、試験２のための入力電圧は、約７０℃～４１６℃の最大温度および約７Ｗ～３９４Ｗの最大電力をもたらした。図１３では、約７Ｖ～６３Ｖのゾーン２、試験２のための入力電圧は、約７０℃～４１６℃の最大温度および約７Ｗ～３３０Ｗの最大電力をもたらした。図１４では、抵抗（オーム、Ω）および温度（℃）の係数が、ゾーン１からの印加された電圧（図１０、１２）に関してプロットされた。抵抗は、約１８Ω～３７Ωであった。

（実施例５）
２つの加熱要素タイプが、図６に図示される実施形態に従って構築された。第１の加熱要素は、加熱要素材料としてモリブデン（Ｍｏ）箔を使用し、第２の加熱要素は、加熱要素材料としてＫＯＶＡＲを使用した。モリブデン（Ｍｏ）加熱要素の３つのサンプルが調製され、ＢｅＯセラミック本体への箔接着が、ポンド剪断単位で測定された。ＫＯＶＡＲ加熱要素の６つのサンプルが調製され、ＢｅＯセラミック本体への箔接着が、ポンド剪断単位で測定された。ＢｅＯ基板と接触する箔の表面積は、モリブデン（Ｍｏ）およびＫＯＶＡＲタイプ加熱要素サンプルの両方に関して、各側面上で約０．１７ｉｎ^２であった。較正されたロードセルが、室温で２００ｋｐｓｉ／ｍｉｎの負荷率において圧縮力を測定するために使用された。サンプルは、剪断力をシミュレートするように、第１の板の底縁および第２の板の上縁上に装填された。異なるモリブデン（Ｍｏ）およびＫＯＶＡＲ加熱要素の箔接着結果は、以下の表６に示される。

図１５では、サンプル毎の最大達成接着がプロットされた。モリブデン（Ｍｏ）加熱要素のサンプル２は、約３００ポンド剪断の最大接着を達成した。ＫＯＶＡＲ加熱要素のサンプル３－５は全て、ロードセルが測定を停止する上限である、約１，０８８ポンド剪断を上回る最大接着を達成した。

本開示は、例示的実施形態を参照して説明されている。明白なこととして、修正および改変が、上述した詳細な説明を熟読および理解することに応じて、他者に想起される。本開示は、添付の特許請求の範囲またはそれらの均等物の範囲内である限りにおいて、全てのそのような修正および改変を含むものとして解釈されることが意図される。
本発明の具体的態様は以下のとおりである。
[態様１]
第１の表面および第２の表面を有する、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）セラミック本体と、
耐熱金属化層から形成され、前記酸化ベリリウムセラミック本体の前記第１の表面または前記第２の表面のいずれかに接合される、第１の加熱要素と
を備える、一体抵抗加熱器。
[態様２]
前記耐熱金属化層は、モリブデンまたはタングステンを含有する、態様１に記載の一体抵抗加熱器。
[態様３]
前記耐熱金属化層は、ＭｏＳｉ _２ またはモリ－マンガンを含有する、態様２に記載の一体抵抗加熱器。
[態様４]
酸化ベリリウムセラミック天板と、酸化ベリリウムセラミック基礎板とをさらに備え、前記酸化ベリリウムセラミック本体は、前記天板と前記基礎板との間に配置される、態様１に記載の一体抵抗加熱器。
[態様５]
前記ＢｅＯセラミック本体の前記第１の加熱要素に接続される加熱器端子をさらに備える、態様１に記載の一体抵抗加熱器。
[態様６]
前記第１の加熱要素を制御するための前記加熱器端子に接続される電源をさらに備える、態様５に記載の一体抵抗加熱器。
[態様７]
前記第１の加熱要素は、スクリーン印刷、ロールコーティング、またはエアブラシ法を使用して印刷される、態様１に記載の一体抵抗加熱器。
[態様８]
前記第１の加熱要素は、前記ＢｅＯセラミック本体の前記第１の表面に接合され、第２の加熱要素は、前記ＢｅＯセラミック本体の前記第２の表面に接合される、態様１に記載の一体抵抗加熱器。
[態様９]
前記ＢｅＯセラミック本体は、正方形の板、長方形の板、プラテンもしくは円盤、または管、または、中実ロッドもしくはバーの形状である、態様１に記載の一体抵抗加熱器。
[態様１０]
前記第１の加熱要素は、螺旋、一連の実質的に同心の円、またはジグザグの形状でパターン化される、態様１に記載の一体抵抗加熱器。
[態様１１]
前記ＢｅＯセラミック本体は、管の形態であり、第１の端子は、前記管の第１の端部上に存在し、第２の端子は、前記管の第２の端部上に存在し、前記加熱要素は、前記第１の端子に接続される第１の端部を有し、かつ前記第２の端子に接続される第２の端部を有し、前記第１の表面は、前記管の外部表面である、態様１に記載の一体抵抗加熱器。
[態様１２]
酸化ベリリウムセラミック本体の第１の表面または第２の表面上に耐熱金属化塗料を塗布することにより、第１の加熱要素を形成することを含む、一体抵抗加熱器を形成する方法。
[態様１３]
前記印刷は、前記加熱要素をスクリーン印刷、ロールコーティング、またはエアブラッシングすることによって行われる、態様１２に記載の方法。
[態様１４]
前記第１の加熱要素は、螺旋、一連の実質的に同心の円、またはジグザグの形状を有す
るパターンで形成される、態様１２に記載の方法。
[態様１５]
前記金属化塗料は、モリブデンまたはタングステンを含有する、態様１２に記載の一体抵抗加熱器。
[態様１６]
前記金属化塗料は、ＭｏＳｉ _２ またはモリ－マンガンを含有する、態様１５に記載の一体抵抗加熱器。
[態様１７]
金属箔または金属化塗料から形成される加熱要素に電流を通過させることを含み、前記加熱要素は、酸化ベリリウムセラミック本体上に位置する、加熱の方法。
[態様１８]
前記セラミック本体は、円盤、正方形、プラテン、もしくは管、または中実ロッドもしくはバーの形状である、態様１７に記載の方法。
[態様１９]
前記加熱要素は、ニッケル合金、タングステン、モリブデン、もしくは白金および白金の合金のうちの１つを含む金属箔、または、モリブデンもしくはタングステンを含有する金属化塗料から形成される、態様１７に記載の方法。
[態様２０]
酸化ベリリウムを備える天板と、
酸化ベリリウムを備える基礎板と、
前記天板と前記基礎板との間に位置する加熱要素と
を備える一体抵抗加熱器。

Claims (17)

1. 第１の表面および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有する、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）セラミック本体と、
   耐熱金属化層から形成され、前記酸化ベリリウムセラミック本体の前記第１の表面または前記第２の表面のいずれかに接合される、第１の加熱要素と、
   前記耐熱金属化層から形成され、前記酸化ベリリウムセラミック本体の前記第１の表面または前記第２の表面のうちのもう一方に接合される、第２の加熱要素と、
   を備え、
   前記第１及び第２の加熱要素は、並列で第１及び第２の加熱器端子に接続され、独立して動作され、前記第１及び第２の加熱要素は、第１及び第２のゾーンを提供するように構成される、二重ゾーン一体抵抗加熱器。
2. 前記耐熱金属化層は、モリブデンまたはタングステンを含有する、請求項１に記載の一体抵抗加熱器。
3. 前記耐熱金属化層は、ＭｏＳｉ_２またはモリ－マンガンを含有する、請求項２に記載の一体抵抗加熱器。
4. 酸化ベリリウムセラミック天板と、酸化ベリリウムセラミック基礎板とをさらに備え、前記酸化ベリリウムセラミック本体は、前記天板と前記基礎板との間に配置される、請求項１に記載の一体抵抗加熱器。
5. 前記第１及び第２の加熱要素を制御するための前記加熱器端子に接続される少なくとも１つの電源をさらに備える、請求項１に記載の一体抵抗加熱器。
6. 前記第１の加熱要素は、スクリーン印刷、ロールコーティング、またはエアブラシ法を使用して印刷される、請求項１に記載の一体抵抗加熱器。
7. 前記第１の加熱要素は、前記ＢｅＯセラミック本体の前記第１の表面に接合され、前記第２の加熱要素は、前記ＢｅＯセラミック本体の前記第２の表面に接合される、請求項１に記載の一体抵抗加熱器。
8. 前記ＢｅＯセラミック本体は、正方形の板、長方形の板、プラテンまたは円盤の形状である、請求項１に記載の一体抵抗加熱器。
9. 前記第１の加熱要素は、螺旋、一連の実質的に同心の円、またはジグザグの形状でパターン化される、請求項１に記載の一体抵抗加熱器。
10. 二重ゾーン一体抵抗加熱器を形成する方法であって、
    酸化ベリリウムセラミック本体の第１の表面または第２の表面上に耐熱金属化塗料を塗布することにより、第１の加熱要素を形成すること、ここで、前記第２の表面は前記第１の表面の反対側である、
    前記酸化ベリリウムセラミック本体の前記第１の表面または前記第２の表面のうちのもう一方の表面上に前記耐熱金属化塗料を塗布することにより、第２の加熱要素を形成すること、並びに
    前記第１及び第２の加熱要素を並列で第１及び第２の加熱器端子に接続し、前記第１及び第２の加熱要素を独立して動作させて第１及び第２のゾーンを提供すること、
    を含む、前記方法。
11. 前記塗布は、前記加熱要素をスクリーン印刷、ロールコーティング、またはエアブラッシングすることによって行われる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１の加熱要素は、螺旋、一連の実質的に同心の円、またはジグザグの形状を有す
    るパターンで形成される、請求項１０に記載の方法。
13. 前記金属化塗料は、モリブデンまたはタングステンを含有する、請求項１０に記載の方法。
14. 前記金属化塗料は、ＭｏＳｉ_２またはモリ－マンガンを含有する、請求項１３に記載の方法。
15. 加熱の方法であって、
    金属箔または金属化塗料から形成される第１の加熱要素に電流を通過させること、ここで、前記第１の加熱要素は、酸化ベリリウムセラミック本体の第１の表面上に位置する；
    前記金属化塗料から形成される第２の加熱要素に電流を通過させること、ここで、前記第２の加熱要素は、前記酸化ベリリウムセラミック本体の第２の表面上に位置し、前記第２の表面は前記第１の表面の反対側である；
    を含み、
    前記第１及び第２の加熱要素は、並列で第１及び第２の加熱器端子に接続され、独立して動作されて第１及び第２のゾーンを提供する、前記方法。
16. 前記セラミック本体は、円盤、正方形、またはプラテンの形状である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１の加熱要素は、ニッケル合金、タングステン、モリブデン、もしくは白金および白金の合金のうちの１つを含む金属箔、または、モリブデンもしくはタングステンを含有する金属化塗料から形成される、請求項１５に記載の方法。

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