CN100359277C - 热处理炉用电加热器 - Google Patents

Abstract

本发明的电加热器在圆筒状主隔热体(11)的内周面安装有金属线材制成的发热体元件(12)。发热体元件(12)由沿长度方向对其进行分割而成的电阻发热部(61)～(64)(71)～(74)(81)～(84)构成。电阻发热部(61)～(64)(71)～(74)(81)～(84)并联连接。

Description

热处理炉用电加热器

技术领域

本发明涉及热处理炉用电加热器，涉及例如特别适用于进行半导体晶片的氧化、扩散、CVD热处理的热处理装置的电加热器。

背景技术

以往，已知的电加热器在圆筒状主隔热体的内周面上安装有金属线材制的发热体元件，作为金属线材，可采用加工成线圈状的线直径为7～10mm的称为粗直径(ヘ一ビ一·ゲ一ジ)的线材。

另外，以前，作为代替上述电加热器的方案，本申请人提出了在日本特开2001-267261号公报中披露的电加热器。其在主隔热体的内周面上，沿主隔热体的长度方向延伸且在圆周方向隔开间隔地形成有多个并列状槽，由一根金属线材制成的发热体元件形成为具有比槽的宽度大的振幅的波形，并以使其宽度方向两侧部分从对应的各个槽的两个侧面进入主隔热体内、且依次横跨到全部的槽的相邻的槽的方式沿主隔热体周向蛇形延伸的同时、一体地支承在主隔热体上，作为金属线材，采用线径为1～3mm的称为细直径(ライト·ゲ一ジ)的金属线材。

在以上已知的电加热器中，由于使用了粗直径的金属线材，因此，存在的问题为：加大了发热体元件的重量，增大了热容量，不能使加热器高速升降温。因此，每一次热循环的能量损失也较大。

针对这一问题，在本申请人提出的上述电加热器中，通过使用细直径金属线材消除上述问题。

但是，在前者、后者电加热器中，由于电流的规格是不同的，因此，在这种状态下，不能在设置了前者加热器的原有热处理装置中使用后者加热器。其原因是，在想要使两个电加热器的输出功率相同时，因线材直径不同，在前者电加热器中由低电压·大电流驱动，而后者电加热器中由高电压·小电流驱动。例如，在以低电压·大电流驱动时，需要降压变压器，而以高电压·小电流驱动的前提则是无需变压器。

以上，谈到了以往的两种加热器的电源规格的差异。因此，对于使用粗直径加热器的原有热处理装置而言，为了可以使用改进了热特性的细直径电加热器，除了考虑电源规格以外，还需要物理结构面的互换性。即，要求与加热器的外径、内径、长度等相关的互换性，以及用于实现温度曲线的温度区的分割、电力分配等的互换性。

本发明的目的在于提供能够高速使加热器升降温并且可以实现以低电压·大电流驱动的电加热器。

发明内容

本发明的热处理炉用电加热器，其在主隔热体的内表面上安装有金属线材制的发热体元件，在主隔热体的外侧覆盖层状内隔热件以及外隔热件，发热体元件由在主隔热体的圆周方向并列排列的多个电阻发热部构成，其特征在于：在内隔热件与外隔热件之间隔开相当于电阻发热部的长度的间隔地分别夹装有在主隔热体的厚度方向呈扁平状且在主隔热体的圆周方向延伸的一对连接部件，各电阻发热部的端部贯通主隔热体和内隔热件连接于所对应的一侧的连接部件。

在本发明的热处理炉用电加热器中，在主隔热体的内表面上安装有金属线材制成的发热体元件，其中，发热体元件由多个并联状电阻发热部构成，该发热体元件与一根的发热体元件相比，发热体元件的电阻低。作为发热体元件，即使使用了细直径的金属线材，仍可以由与使用了一根粗直径金属线材的发热体元件相同的低电压·大电流驱动。另外，可以使线材的重量为粗直径的大约1/10。因此，使线材的热容量成为大约1/10，从而能够高速对加热器升降温。并且，可提供可以以低电压·大电流驱动的电加热器。

另外，由于在多个电阻发热部之间安装有一对连接部件，因此，即使不直接相互连接电阻发热部彼此间，仍能够获得良好的结构。

当在主隔热体的外侧覆盖层状内隔热件及外隔热件，使两个连接部件介于内隔热件以及外隔热件之间时，能够将连接部件与加热器的高温区隔离，因此，能够避免并联对温度分布图的不良影响，同时不

易产生热变形，能够获得热稳定性高的结构。

另外，若在各个电阻发热部的两个端部分别嵌套套筒或罩，并通过铆接或焊接进行固定，在两个连接部件上分别开设有对应于电阻发热部数量的贯通孔，在对应的端部，使套筒或罩穿入贯通孔，焊接套筒或罩及贯通孔的周缘部，用相同种类的材料形成电阻发热部、连接部件及套筒或罩，则能够避免电阻发热部、连接部件及套筒或罩之间的物性的不连续、特别是冶金学以及热膨胀系数的不连续，能够进一步提高热稳定性。

若在主隔热体的内表面上形成数量大于或等于电阻发热部的数量的多个并列状槽。各个电阻发热部形成为具有大于槽宽度的振幅的波形，并将其宽度方向两侧部分从对应的各个槽的两个侧面进入主隔热体内，并且以从一个横跨到相邻的至少一个槽的方式一体地支承在主隔热体上，则作为发热体元件，可以实现易于使用细直径金属线材的结构。

另外，若内隔热件以及外隔热件由套构成，这些套在耐热性布覆盖材料中封入了许多由微孔质隔热材料制成的微小中空球体，则通过微小中空球体的作用，内隔热件以及外隔热件能够发挥出极高的隔热性。

附图说明

图1为本发明的电加热器的分解透视图。

图2为该电加热器的横剖面图。

图3为该电加热器的主隔热体以及发热体元件的局部透视图。

图4为该电加热器的发热体元件的展开图。

图5为放大横剖面图，其显示了该发热体元件的端部的连接状态。

图6为放大横剖面图，其显示了与图5不同的部分的连接状态。

图7为图5中所示部分的放大剖面图。

图8为表示图8所示部分的变形例的放大剖面图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的例进行说明。

参见图1以及图2，电加热器包括：圆筒状主隔热体11，安装在主隔热体11内周面上的发热体元件12，隔着具有挠性的缓冲用陶瓷纤维制成的垫22覆盖在主隔热体11的外周面上的层状内隔热件13以及外隔热件14，覆盖在外隔热件14外周面上的金属壳体15。

参见图4，将电加热器划分为从左到右顺次排列的左侧区域L、中心区域C以及右侧区域R。在图1中，仅显示了左侧区域L以及中心区域C的一部分。

主隔热体11是有作为隔热材料的陶瓷纤维的真空成形形成的。在主隔热体11内周面上沿主隔热体11的长度方向延伸且在周向隔有间隔地形成多个并列的槽21。具体地说槽21的数量时，在此处为20个。

发热体元件12由铁·铬·铝系金属线材制成，且是在开头所说明的具有线径1～3mm的称为细直径的线材。

在图3中表示了发热体元件12的安装方法的一部分。发热体元件12形成为波形。波形发热体元件12的振幅大于槽21的宽度。波形发热体元件12的宽度方向两侧部分从槽2 1的两侧面进入主隔热体11内，从而将发热体元件12一体支承在主隔热体11上。

在图3中，在最跟前的槽21的左端部，发热体元件12的一端穿过该槽21的底部并伸出到主隔热体11之外。从发热体元件12的同端部，在该槽21内，发热体元件12边蛇行边向右延伸，一直延伸至该槽21的右端部。在该槽21的右端部，发热体元件12贯通该槽21与和该槽21相邻的从跟前起第二列槽21之间的隔壁，并从其跟前进入第二列槽21内。从该处开始，这次，反过来，在所述第二列槽21内向左延伸。进而，从第二列槽21内的左端部进入第三列槽21内，与最跟前的槽21相同，在第三列槽21内向右延伸。这样，从最跟前的槽21开始，发热体元件12沿主隔热体11的周向边蛇行、边顺次在相邻的槽21之间移动去，到达从跟前数第五列槽21。当发热体元件12在所述第五列槽21内延伸，到达所述第五列槽21的右端部时，则从该处开始，贯穿5个槽21的相邻槽彼此间的所有隔壁，返回最跟前的槽21的右端部。从最跟前的槽21的右端部，发热体元件12的另一端部穿过这列槽21的底部并伸至主隔热体11之外。

以上内容仅是一个例子，为了实现最佳设计，可以改变发热体元件12的适当设置。例如，也可以代替发热体元件12穿过相邻的槽21之间的隔壁，构成为发热体元件12跨过这些槽21。

内隔热件13由成形为半圆筒状的2种长套31以及短套32构成。半圆筒状的长短套31、32夹着主隔热体11，使每2个相同种类的套彼此的缘部31a、32a接触而形成为圆筒状的长短套31、32。圆筒状的长短套31、32从主隔热体11的左端、以长短的顺序在主隔热体11的长度方向上交替排列，从而由长短套31、32包围主隔热体11的整个外表面。另外，相邻的半圆筒状的长短套31，32的对接边缘部31a，32a在主隔热体11的周向上错开。

长短套31，32分别是以在二氧化硅或玻璃纤维布制成的耐热覆盖材料中封入了由微孔质的隔热材料制成的微小中空球体的、例如压缩成型为半圆筒状的长短套，几乎没有挠性，从而不易变形。微小中空球体具有微米单位的尺寸，由以二氧化硅为主要成分、且具有许多微孔的材料形成。覆盖材料的二氧化硅纤维布能够承受大于或等于600℃的高温。微小中空球体的内径小于空气中气体分子的平均自由行程。因此，空气中的气体分子被微小中空球体的壁隔离，气体分子由所述壁弹回的概率较高并且能够抑制球体分子彼此之间的碰撞，结果，长短套31、32能够发挥优良的隔热性。

外隔热件14虽然与内隔热件13的直径不同，但由与内隔热件13相同的长短套31′、32′构成。这些长短套31′、32′仿照内隔热件13的长短套31、32排列设置，并包围内隔热件13的整个外表面。但是，在内隔热件13和外隔热件14中，对于长短套31、32、31′、32′的主隔热体11长度方向的排列方式而言，长短是相反的，相邻圆筒状长短套31、32、31′、32′的相对的端部31a、32b、31a′、32b′的位

置在主隔热体11长度方向上错开。另外，在外隔热件14的左端的短套32′上开设有2个狭缝32c、32d。

壳体15由形成为半圆筒状的多块不锈钢制成的外板41形成。每2块外板41与套31、32、31′、32′相同，使缘部41a彼此对接，以覆盖外隔热件14。在左端的外板41中的一块上设置与短套32′的狭缝32c、32d对齐的狭缝41c，41d。

下面，参照附图4，对发热体元件12的整个结构进行详细说明。图4为沿周向展开主隔热体11并从主隔热体11外侧观察发热体元件12的视图。

发热体元件12由左侧区域用电阻发热部群51L、中心区域用电阻发热部群51C以及右侧区域用电阻发热部群51R构成。这些元件群51L、51C、51R如下所述采用了可以相互独立控制的结构。

左侧区域用电阻发热部群51L由沿长度方向分割发热体元件12而成的4个第1～第4电阻发热部61～64构成。第1～第4电阻发热部61～64通常使用具有相同电阻的元件，在图4中，从上向下顺次排列且电并联连接。第4电阻发热部64相当于参照图3说明的发热体元件12。第1～第3电阻发热部61～63与第4电阻发热部64相同，支承在主隔热体11上。如以前说明的那样，主隔热体11的槽21为20个，对于第1～第4电阻发热部61～64而言，每一个对应于5个槽21。

与左侧区域用电阻发热部群51L相同，中心区域用电阻发热部群51C由第1～第4电阻发热部71～74构成，右侧区域用电阻发热部群51R由第1～第4电阻发热部81～84构成。这些电阻发热部71～74以及81～84与左侧区域用电阻发热部群51L的第4电阻发热部64一样，支承在主隔热体11上。

上下两个带板状第1连接部件91、92以沿上下方向延伸的方式设置在左侧区域用电阻发热部群51L的左侧。由第1连接杆93连接上下第1连接部件91、92。在左侧区域用电阻发热部群51L的右侧，同样设有上下两个带板状第2连接部件94、95。上下第2连接部件94、95由第2连接杆96连接。

与左侧区域用电阻发热部群51L相同，在中心区域用电阻发热部群51C上也设有连接部件101、102、104、105以及连接杆103、106，同时，在右侧区域用电阻发热部群5 R上也设有连接部件111、112、114、115以及连接杆113、116。

左侧区域用电阻发热部群51L的第1以及第2电阻发热部61、62的左端部与上第1连接部件91相连，同时，其右端部与上第2连接部件94相连。所述左侧区域用电阻发热部群51L的第3以及第4电阻发热部63、64的左端部与下第1连接部件92相连，同时，其右端部与下第2连接部件95相连。虽然通过以上方式，能够实现左侧区域用电阻发热部群51L的并联，但这种连接形态同样也适用于中心区域用电阻发热部群51C以及右侧区域用电阻发热部群51R。

在左侧区域用电阻发热部群51L的下第1连接部件92上连接L字状第1端子121。在左侧区域用电阻发热部群51L的上第2连接部件94以及中心区域用电阻发热部群51C的上第1连接部件101上横跨这些部件地连接L字板状左侧中间端子122。另外，在中心区域用电阻发热部群51C的上第2连接部件104以及右侧区域用电阻发热部群51R的上第2连接部件111上横跨这些部件地连接L字板状右侧中间端子123。在右侧区域用电阻发热部群51R的下连接部件115上连接L字板状第2端子124。通过以上方式，发热体元件12实现了可以独立电控制左侧区域用电阻发热部群51L、中心区域用电阻发热部群51C以及右侧区域用电阻发热部群51R的连接。

图5显示了左侧区域用电阻发热部群51L的第1以及第2电阻发热部61、62的左端部与上第1连接部件91的连接部位。在第1以及第2电阻发热部61、62的同一端部，分别嵌套有筒状第1以及第2套筒131、132。各个套筒131、132通过铆焊固定在对应的电阻发热部61，62的端部。在连接部件91中开有1个圆孔141以及1个长孔142。在内隔热件13中开设2个与这些圆孔141及长孔142重合的圆孔143、144。第1套筒131穿入2个圆孔141、143。对该套筒131的外表面以及圆孔141、143的周缘部进行焊接。第2套筒132穿入深孔142及圆孔144。对该套管132的外表面、长孔142以及圆孔144的周缘部进行焊接。

在图7中，详细显示了第1套筒131的上述焊接形态。在第1套筒131的周壁上开设贯通状焊接孔145。以充满在焊接孔145中的方式形成焊接部146。另外，以覆盖第1电阻发热部61以及第1套筒131的端面及其周边部的方式形成焊接部147。

图6显示了左侧区域用电阻发热部群51L的第3电阻发热部63的左端部与下第1连接部件92的连接。在第3电阻发热部63的左端部上还嵌套并铆焊有筒状套筒151，在该连接部件92上形成长孔162。在内隔热件13上开设与所述长孔162重合的圆孔163。该套筒92穿到长孔162以及圆孔163中并且通过焊接与该连接部件92相连接。另外，图6还显示了在该连接部件92上焊接了第1端子121的状态。虽然省略了说明，但是其它的电阻发热部64、71～74、81～84与连接件91、94、95、104、105、111、112、114、115连接的形式、连接部件94、101、104、111、115与端子122、123、124的连接形式与上述相同。

图8显示了代替图7所示的筒状套筒131，采用帽181的例子。在所述帽181的周壁上开设有焊接孔182。使焊接部183充满于焊接孔182，并使焊接部184扩展到该帽181的顶面及其周围。

另外，如图5所示，第1以及第2套筒131、132穿过内隔热件13向其外方伸出，并在该处被焊接在上第1连接部件91上。上第1连接部件91夹在内隔热件13和外隔热件14之间。参见图6，以相同的方式，使嵌套在第3电阻发热部63上的套筒151也穿过内隔热件13向其外方伸出，并在该处，将该套筒151焊接在上第1连接部件91上。另外，下第1连接部件92夹在内隔热件13和外隔热件14之间。其它的连接部件94、101、104、111、115虽然未在图中显示，但是，它们同样也夹在内隔热件13和外隔热件14之间。

再参见图1，可以理解：第1端子121穿到外隔热件14以及壳体15中一者的狭缝32d、41d中，使左侧中间端子122穿到另一者的狭缝32c、41c中。

所有的连接件91、92、94、95、104、105、111、112、114、115、连接杆93、96、103、106、113、116、端子121、122、123、124、套筒131、132、151以及罩181均由与发热体元件12相同的材料(即，铁·铬·铝系金属)制成。通过这种结构，能够改善这种材料中特有的难以应付的σ脆性，即一旦被高温加热便会变脆的特性。

从以上说明可知，本发明不限定于圆筒状加热器，也不限定于半导体热处理炉，例如，还可适用于平板型加热器，并能够应用于许多工程领域。

另外，本发明不限定于所披露的内容，在不脱离本发明范围的情况下，可作出各种变形。

工业实用性

本发明的电加热器特别适用于热处理用电加热器、例如进行半导体晶片的氧化、扩散、CVD热处理的热处理装置。

Claims (5)

1.一种热处理炉用电加热器，其在主隔热体的内表面上安装有金属线材制的发热体元件，在主隔热体的外侧覆盖层状内隔热件以及外隔热件，发热体元件由在主隔热体的圆周方向并列排列的多个电阻发热部构成，其特征在于：在内隔热件与外隔热件之间隔开相当于电阻发热部的长度的间隔地分别夹装有在主隔热体的厚度方向呈扁平状且在主隔热体的圆周方向延伸的一对连接部件，各电阻发热部的端部贯通主隔热体和内隔热件连接于所对应的一侧的连接部件。

2.根据权利要求1所述的热处理炉用电加热器，其特征在于：在各电阻发热部的两端部分别嵌套有套筒，并通过铆接和焊接中的至少任意一种方式将该套筒固定，在两个连接部件上分别开设有对应于电阻发热部数量的贯通孔，在对应的端部，套筒穿到贯通孔中，并焊接套筒与贯通孔周缘部，由同种材料形成电阻发热部、连接部件及套筒。

3.根据权利要求1所述的热处理炉用电加热器，其特征在于：在各电阻发热部的两个端部分别嵌套帽，并通过铆接和焊接中的至少任意一种方式将该帽固定，在两个连接部件上分别开设有对应于电阻发热部数量的贯通孔，在对应的端部，使帽穿到贯通孔中，并焊接帽以及贯通孔的周缘部，由同种材料形成电阻发热部、连接部件及帽。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的热处理炉用电加热器，其特征在于：在主隔热体的内表面上形成有数量大于或等于电阻发热部数量的多个并列状槽，各电阻发热部形成为具有大于槽宽度的振幅的波形，并从所对应的各个槽的两个侧面使所述各电阻发热部的宽度方向两侧部分进入主隔热体内，且以从一个槽横跨到相邻的至少一个槽的方式一体支承在主隔热体上。

5.根据权利要求2或3所述的热处理炉用电加热器，其特征在于：内隔热件以及外隔热件由套构成，这些套在耐热性布制的覆盖材料中封入了许多由微孔质隔热材料制的微小中空球体。

Images