用於加熱單元的支撐系統的製作方法

2023-10-11 14:53:04

本發明涉及一種用於支撐加熱單元的支撐系統以及包括至少一個加熱單元的加熱系統。

背景技術：

包括阻抗式加熱單元的熔爐或電式加熱器是廣為人知的，且被使用在不同的工業中，用於多種不同的應用。當電流被施加通過亦稱為加熱絲的導電式加熱單元時，產生熱量，且由於電阻式電能而被消散成熱量。典型地，加熱單元被放置在靠近要加熱的對象或材料的地方。用於各種不同應用的加熱器系統(例如用於MOCVD(金屬有機化學蒸氣沉積)技術的反應器，該技術被使用在例如半導體材料的處理上，例如用於化合物半導體的外延成長)必須在例如高過800℃等相當高的溫度下操作，這在設計上及在加熱單元組件的材料上帶來了挑戰性。對需要特別高溫的應用，加熱單元通常是由陶瓷材料(其是昂貴的且難被製成想要的幾何形狀)製成的，或是包括耐火金屬，例如鎢、鉬、錸、鉭、鈮等等或它們的合金。

當設計高溫加熱系統時，必須要應付的一個主要問題為，加熱單元的熱誘發循環膨脹及收縮。對特定的應用而言，特別是對MOCVD反應器而言，加熱單元的精確定位是重要的，精確定位還必須在加熱系統的操作循環期間以受控的方式被保持。通常不同類型的機械式支撐結構，例如端子，被用於確保加熱單元被正確地定位，並被保持在預定位置。當例如在該反應器中的MOCVD工序期間加熱單元被加熱至1000℃至2200℃時，加熱單元膨脹相當多，且當由端子保持在固定位置時，在加熱單元的材料內產生顯著的機械應力。此機械應力可能會導致不受控制的塑性變形，或造成加熱單元惡化或甚至斷裂，導致加熱單元壽命縮減。不受控制的變形是不想要的，因為存在如下嚴重風險：加熱單元和加熱系統的其他部件之間發生接觸、或加熱單元和其他的加熱單元之間發生接觸、或在加熱單元本身中發生接觸，而結果是可能會發生短路。此外，由於加熱單元的變形影響局部電阻，塑性變形在例如化合物半導體的外延成長工序等要求高溫的應用中是特別不利的，在該工序中，勻相或者精確受控的溫度曲線是重要的。加熱單元包括耐火金屬的情況最有問題，因為這些金屬的強度抗蠕變性隨著溫度而變小，且在高於1200℃至1400℃時顯著跌降。高於這些溫度後，甚至小的應力便可能會造成在加熱單元冷卻後留下不想要的塑性變形。

為了克服固定式端子所產生的問題，已想出各種具有柔性單元的系統，這些系統被設計成允許加熱單元在某些優選的方向上膨脹。某些此類已知的端子包括不同類型的彈簧，例如允許加熱單元與端子之間的連觸點移動的具有U型形狀的彈簧。雖然此種具有U型形狀的彈簧實現了使加熱單元內的熱誘發應力降低至一定程度，但是它們的性能在實際上無法完全信服，因為加熱單元本身可在兩個或更多個方向上延伸，且由於加熱單元和其本身或加熱單元和加熱系統的其他部分的電性接觸，因此仍存有短路的風險。

在US7645342中提出，加熱單元包括多個延伸銷件開口，銷件被插過這些開口，以將加熱單元固定在平面中。銷件開口的尺寸及幾何形狀被設計成，在一定的溫度範圍內，它們允許加熱單元在水平方向上的膨脹。然而，在實際的實施中產生了一些問題，特別是在高於1500℃的高溫時。發現在如此的高溫時，與加熱單元接觸且通常由耐火金屬所製成的銷件有經由擴散而黏結至加熱單元的傾向，因而阻撓加熱單元在水平方向上的自由移動。結果，因加熱產生應力，導致加熱單元的形狀的塑性變形。

技術實現要素：

依據上文所述，在工業中有針對用於加熱單元的支撐系統的需求，特別是針對用於在高於1600℃的溫度操作的高溫加熱器中所使用的加熱單元的支撐系統的需求。因此，本發明的目的是提供一種用於在加熱器中的加熱單元的支撐系統以及包括這種支撐系統的加熱系統，其中，在操作期間降低加熱單元內的熱誘發應力，且加熱單元及加熱系統特別適用於高溫應用。

依據本發明，用於加熱單元的支撐的支撐系統包括適用於支撐加熱單元的支撐構件。該支撐構件優選地是剛性的且細長形的，支撐構件具有主要延伸方向且實質上沿高度方向延伸。優選地，該主要延伸方向精確平行於高度方向或是相對於高度方向有小於或等於10度的夾角，然而，該支撐構件不必須具有嚴格平直的構形。

該高度方向可被限定為垂直於加熱單元在局部區域的延伸平面，在該局部區域中，加熱單元在定向的位置被裝設在支撐構件上。優選地，該加熱單元具有彎曲的主要延伸方向，且被配置成限定延伸平面的平面構形。如果加熱單元在支撐構件的抵達部分採用實質上平直的構形，則高度方向可由加熱單元的整體的幾何結構限定。依據本發明，支撐構件具有兩個端部：近位端以及遠位端。近位端面向加熱單元，且具有用於加熱單元的支撐的支撐部分。遠位端被配置在近位端的遠側，且具有遠位端部分，基底構件經由至少一個鉸鏈被連接至該遠位端部分。優選地，支撐構件及基底構件精確地經由一個鉸鏈被樞轉式地連接。該基底構件可被固緊至基底，例如固緊至包括加熱單元的加熱系統或加熱器罩殼中的基底板。依據本發明，支撐構件及基底構件形成兩個鉸接在一起的臂件，使得支撐構件可相對於基底構件繞著軸線樞轉，該軸線被定向成平行於實質上剛性方向。因此，支撐構件可在可移動方向上移動，其中，該可移動方向由實質上垂直於高度方向的方向(該角度優選在75度至105度的範圍內)限定。支撐構件的移動被限制在實質上剛性方向上，該實質上剛性方向垂直於可移動方向且垂直於高度方向。因此，該鉸鏈提供加熱單元在熱延伸期間沿著可移動方向移動的可能性，同時實質上阻止加熱單元在實質上剛性方向上位移。

在加熱單元升溫的過程期間，加熱單元試著擴展其尺寸，且如果加熱單元和基底構件之間的相對移動被制止，則熱誘發應力會導致產生不規則的變形，其中支撐系統在基底構件處被固緊至加熱系統的基底。以這種新配置，能實現加熱單元的熱誘發位移以受控的方式被引導且實質上被減少成僅在單一方向上，特別是分別在可移動方向或高度方向上。這導致可以降低加熱單元材料內部的熱誘發機械應力且因而降低塑性變形的風險。

有利的是支撐構件的旋轉軸線不與支撐構件的質心重合，且該旋轉軸線被配置成由於重力而產生支撐構件上的旋轉轉矩，而造成在加熱單元上產生沿所想要的膨脹方向的力。優選地，旋轉軸線被配置成在高度方向及/或可移動方向上與支撐構件的質心分隔開。此外，有利的是由支撐系統施加到可移動方向上的力不超過加熱單元材料在操作溫度的極限蠕變應力。

依據本發明的有利實施例，基底構件沿高度方向至少部分地從遠位端部分朝向近位端延伸。在另一有利的實施例中，基底構件可被水平地配置。優選地，基底構件及支撐構件在加熱單元處於未加熱的狀態時在室溫下對齊。此外，在優選的實施例中，支撐構件及/或基底構件的主要延伸方向實質上平行於高度方向。因此，其實質上垂直於由加熱單元構形所隔開的平面。以此方式，加熱系統可被實現為：在一方面具有相當小高度的非常緊湊的結構，且在另一方面仍能在高溫下操作，特別是在高於1600℃的溫度下。由於支撐構件的延長的細長形狀，可以獲得支撐構件的近位端及遠位端之間產生的明顯的溫度差異，特別是當支撐構件被配置在靠近加熱系統的底部表面時，支撐構件典型地以例如水等液體來冷卻。

此外，在優選的實施例中，基底構件及鉸鏈經由熱屏蔽系統被保護不受熱量影響，該熱屏蔽系統可被配置在加熱單元及基底構件之間。因此，基底構件及鉸鏈處於材料應力小的相當低的溫度下。

支撐構件不須由全材料製成，在優選的實施例中，支撐構件包括兩個或更多個杆件或板片，杆件或板片被配置在實質上平行的定向上，且在遠位端被樞轉式地連接至基底構件。杆件或板片被機械式地彼此連接，例如藉助分隔單元(套筒)，這些分隔單元被設置在這些杆件或板片之間，且以螺釘或類似者被固緊。以此方式，可以獲得用於支撐構件的結構，在一方面需要較少的材料，且在另一方面足夠堅硬以抵抗不期望的扭轉或彎折。

本發明的支撐系統可僅提供加熱單元的機械式支撐，或是可被構形成既用於加熱單元的機械式支撐又以電力對加熱單元供電。

此外，有關新支撐系統的材料組成部分，特別是支撐構件及/或基底構件及/或鉸鏈的構件，可包括以重量計至少90％的耐火金屬。特別是，該耐火金屬選自鎢、鉬、鈮、鉭、錸及它們的合金。該材料的一個實例為鎢或鎢的合金(以重量計至少90％的鎢)，例如真空金屬化鎢合金，其除了包含鎢外還包含少量的矽酸鉀。該材料的另一實例為鉬或鉬合金(以重量計至少95％的鉬)。

僅提供機械式支撐的支撐系統必須對基底電性隔離，在基底處支撐系統被分別地固定在加熱系統的罩殼上。特別是，電性隔離可由氧化鋁(Al2O3)或氮化硼(BN)或如氮化鋁(AlN)或矽氮化鋁(Silicon Alumina Nitride,SiAlON)等陶瓷材料等所提供。為了防止陶瓷被分解或蒸發，支撐系統必須被構形成使得在朝向電性絕緣部件的界面處的溫度不會超1500℃至1600℃左右的溫度。

本領域技術人員會了解到多種如何將加熱單元連接至支撐構件的方法。這些方法包括絞線、夾持、焊接、螺鎖、栓鎖及類似者。針對額外提供電性觸點的支撐系統，被選出的方法應確保在支撐構件及加熱構件之間充分的表面接觸，以便實現在支撐構件及加熱單元之間適當的電性連接。

本發明還包括加熱系統，其包括至少一個加熱單元及至少一個依據本發明的支撐系統。該加熱系統特別是可被構形成使得其能被用作MOCVD反應器中的加熱器。

該新的加熱系統的特徵可以在於各加熱單元包括兩個支撐系統，支撐系統被構形成對加熱單元提供電源供應，且這種支撐系統位於加熱單元的兩端。電源供應用支撐系統特別是也被構形用於加熱單元的機械式支撐。此外，依據本發明的其他的支撐系統也是可能的，特別是僅用於加熱單元的機械式支撐的支撐系統，這種支撐系統相對於加熱單元的兩端位於兩個電源供應用支撐系統之間。

依據本發明，單個加熱單元的不同的支撐系統各自的可移動方向源自共同的中心點，其中該中心點特別是可被選定成落在加熱單元的延伸平面中。換言之，為了調整單個加熱單元的不同的支撐系統，優選在加熱單元的延伸平面中限定共同的中心點。從此中心點，各個支撐系統被對齊，使得其各自的可移動方向從該中心點沿徑向朝外被定向。

有利的是，如在最廣為人知的加熱系統中，加熱單元或多個加熱單元的配置被配置成平面型構形。特別是對於MOCVD反應器，在US7645342中描述了其各種實例，該文獻通過引用併入本文。在有利的實施例中，加熱單元具有實質上圓形的構形，其在某點處中斷，從而導致加熱單元的第一端及第二端之間限定了小的中斷。在第一端及第二端處，加熱單元被電性地連接至電源。在優選的實施例中，提供電性觸點的支撐系統被實施成剛性的固定的連接部。優選地，加熱單元的兩端之間的距離儘可能地小，當然它們必須被充分地分隔開，從而在操作期間，沒有電性短路會發生。對此實施例而言，有利的是該中心點與加熱單元的(中斷的)圓形構形的兩端之間的幾何中點重疊或接近。因此，支撐系統的可移動方向從靠近(實質上為)圓形的加熱單元的兩端的點沿徑向朝外被定向。

此外，該新的加熱系統的特徵可以在於：支撐構件的旋轉軸線不與支撐構件的質心對齊，且在支撐構件上產生的旋轉轉矩造成在加熱單元上產生沿加熱單元的所想要的膨脹方向的力，即是沿著支撐構件的可移動方向上的弧段。如果本發明被使用在具有實質上圓形延伸部的加熱系統中，有利的是支撐系統提供朝外(即自該中心點沿徑向)的小力。為了防止加熱單元的塑性變形，優選的是，由支撐系統所施加的力在加熱單元的材料性質退化時而且在操作溫度下不會超過加熱單元材料的極限蠕性應力。

在有利的實施例中，該加熱系統包括熱屏蔽系統，熱屏蔽系統包括一個或多個熱屏蔽件，熱屏蔽件被配置在加熱單元的下方。在優選的實施例中，支撐構件延伸通過熱屏蔽系統中的開口。相比之下，基底構件及鉸鏈被配置在熱屏蔽件裝置的下方，且因而會被保護不受輻射熱影響。

以上所提出的本發明的實施例可被自由地彼此組合。許多這些實施例可被組合，以便形成新的實施例。

附圖說明

進一步就附圖討論本發明。這些圖概略地顯示如下：

圖1為依據本發明的支撐系統的立體視圖；

圖2為依據本發明的加熱系統的第一實施例的立體視圖；

圖3為新型加熱系統的第二實施例的立體視圖；及

圖4為圖3的加熱系統的俯視圖。

具體實施方式

依據圖1中的實施例的支撐系統(100)包括細長的剛性支撐構件(111)，該支撐構件(111)具有遠位端(112)及近位端(113)。加熱單元(未被顯示出)被裝設在剛性支撐構件(111)的頂部，該加熱單元的延伸部分限定延伸平面。支撐構件(111)的主要延伸部分沿高度方向z延伸，該高度方向垂直於加熱單元的延伸平面。支撐構件還包括基底構件(121)，該基底構件(121)例如以螺釘或任何其他類型的機械式固定裝置被固定在支撐板(未被顯示出)上。支撐構件(111)及基底構件(121)經由鉸鏈(131)被樞轉式地連接，該鉸鏈(131)在此特定的實施例中是以螺栓、突出銷或類似者來實現的，鉸鏈(131)的旋轉軸線(132)沿著與高度方向z及可移動方向x垂直的大致剛性方向y定向。為了提供低摩擦，該鉸鏈可以由同時提供電性絕緣的像是氧化鋁(Al2O3)等硬的陶瓷材料或藍寶石所製成。

旋轉軸線(132)被配置成與支撐構件(111)的質心分隔開(在此特定的實施例中，該旋轉軸線被配置在與支撐構件的遠位端靠近的遠位端部分中)，且相對於支撐構件(111)的主要延伸方向被非對稱式地定位，以致由於支撐構件的重量，會產生支撐構件上的旋轉轉矩。這在加熱單元上產生沿著加熱單元的期望向外膨脹的方向的力。

在此實施例中，該支撐構件以兩個杆件(111a、111b)來實現，這些杆件被配置成實質上是平行的定向，且在其遠位端部分被鉸接至基底構件。這些杆件經由各套筒(114)被機械式地附接至彼此，這些套筒被設置在這些杆件之間且是以螺釘或類似者被固定。優選地，套筒被非對稱性地配置在相對於支撐構件(111)的主要延伸方向而言與旋轉軸線(132)相反的方向上，以使套筒的額外重量能產生在想要的膨脹方向上的旋轉轉矩。此結構顯著地阻撓該加熱單元在剛性方向y上的位移。在加熱期間，加熱單元的尺寸增加，且當被配置成圓形的構形時，此情況的俯視圖被顯示在圖4中，加熱單元傾向於沿徑向地朝外移動。為了減低加熱單元內部的熱誘發應力，依據本發明的支撐系統(100)提供加熱單元在熱膨脹期間相對於基底構件(121)移動的可能性。支撐構件(111)的近位端通過沿著在可移動方向x中的弧段的移動相對於基底構件(121)脫位。

雖然支撐構件(111)在該特定的實施例中被實現為延伸的線性物體，但是通常支撐構件(111)並不必要是直的構形，也不必要被配置成平行於高度方向z。然而，必須要確保加熱單元可在可移動方向x上自由地移動。

基底構件的配置在該特定的實施例中至少部分地在高度方向上朝向支撐構件的近位端延伸，以便支撐構件具有極為緊湊的結構，以致相較於傳統的設計，在加熱單元及加熱系統的底部表面之間僅需相當小的高度。

圖2示出依據本發明的示例性加熱系統，其包括兩個加熱單元(150、151)，兩個加熱單元可被個別地控制從而得到加熱系統的溫度曲線的較佳控制。加熱單元(150、151)各自的端部分別被裝設在兩個固定的剛性的支撐系統(200、201)上。這些固定的支撐系統(200、201)在加熱單元端部被構造成用於為加熱單元供應電力。具有中斷式圓形構形的較外側的加熱單元(150)額外被依據圖1的柔性的支撐系統(100)機械式地支撐，該支撐系統包括支撐構件(111)及經由鉸鏈(131)連接的基底構件(121)。支撐系統(100)構造成僅用於機械式支撐，且必須對用於裝設支撐系統的基底電性絕緣，例如如果鉸鏈是由電絕緣材料所製成的。有利的是，設置包括一個或疊層的熱屏蔽件的熱屏蔽系統(160)。熱屏蔽件以通常為1mm至5mm的間隔被彼此靠近放置。它們被分隔單元保持在想要的位置。機械式支撐系統(100)的支撐構件以及用於電源供應的固定的剛性的支撐系統(200、201)延伸通過熱屏蔽件中的開口。

圖3示出示例性加熱系統的另一實施例，加熱系統包括加熱單元(150)，加熱單元具有中斷式圓形構形且分別在其端部被裝設在兩個固定的剛性的支撐系統(200)上。這些固定的支撐系統(200)在加熱單元端部處為加熱單元提供電力。加熱絲的端部之間的距離被保持成在加熱系統操作期間不會造成短路的情況下儘可能地小。數個包括鉸鏈的柔性支撐系統(100)被提供用於加熱單元的機械式支撐，且對用於裝設支撐系統的基底電性絕緣。為了清楚起見，加熱屏蔽系統並未被顯示在圖3中。

圖4顯示圖3中的加熱系統的俯視圖，並示出支撐系統(100)的可移動方向x的定向。在此實施例中，不同的支撐系統(100)各自的可移動方向源自加熱單元的(中斷式)圓形構形的兩端之間的幾何中點，且被定向在加熱單元徑向朝外的延伸平面中。

應該容易了解到本發明並不限於這些特定的實施例，對加熱系統而言，當然可應用支撐系統的不同的實施例，且支撐系統的其他實施例是可能的。特別是，電供應支撐系統(200)可以由包括鉸鏈的柔性支撐系統實現。