CN101288339A - 有效发热并具有机械稳定性的加热元件结构 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例为一种加热元件结构。第一盘具有内边界和外边界。内边界和外边界限定一空间。通电时，适配第一盘并围绕内边界的第一加热元件发热。加热元件在一温度范围内在空间中膨胀。

Description

有效发热并具有机械稳定性的加热元件结构

相关申请

本专利申请要求标题为“Heating Element With Efficient HeatGeneration And Mechanical Stability(有效发热并具有机械稳定性的加热元件结构”、序列号为60/646,383、申请日为2005年1月24日的美国临时申请的权益。

背景

技术领域

本发明的实施例涉及熔炉领域，并且更准确地说涉及熔炉中的加热元件结构。

背景技术

熔炉通常将电阻丝用作发热元件。采用熔炉的许多应用要求加热器对温度变化敏感并在某时间段上维持均匀的温度。电阻丝在其使用寿命期间通常经历多个热循环。电阻丝由于随时间变化遭受高温而膨胀、增长或者伸长。当由陶瓷分离器将这些金属丝稳固地保持在某些固定点以使其在机械上稳定时，这些金属丝可膨胀或者伸长超过这些点，同时产生过早毁损或者破裂。

提供可靠的金属丝加热元件的现有技术存在多个缺点。一种技术采用陶瓷分离器来约束金属丝加热元件并在分离器中为金属丝伸长提供空间。该技术要求采用嵌入绝缘体层的若干分离器，从而造成组装困难并提高成本。另外，该技术在分离器内限制伸长。另一种技术采用多个固定器来固定金属丝。这些固定器适配具有径向保持槽的固定器凹槽。该技术要求采用特别设计的固定器和固定器凹槽。该技术还将伸长限制在该槽之内。

附图说明

通过参考下面的说明和用于图解说明本发明实施例的附图可最好地理解本发明的实施例。在这些附图中：

图1为示出其中实践本发明的一个实施例的系统的图。

图2为示出根据本发明的一个实施例的加热芯的图。

图3为示出根据本发明的一个实施例的加热元件结构的顶视图的图。

图4A为示出根据本发明的一个实施例的盘的图。

图4B为示出根据本发明的一个实施例的、具有附着柱(attachedpost)的盘的图。

图4C为示出根据本发明的一个实施例的、具有集成柱(integrated post)的盘的图。

图4D为示出根据本发明的一个实施例的、具有竖杆的盘的图。

图5为示出根据本发明的一个实施例的连接杆和电源杆(powerbar)的图。

图6为示出形成根据本发明的一个实施例的加热芯的过程的流程图。

图7为示出形成根据本发明的一个实施例的盘的过程的流程图。

图8为示出根据本发明的一个实施例的、采用机械加工的或者成形的通道的系统的图。

图9为示出根据本发明的一个实施例的加热芯的图。

图10为示出根据本发明的一个实施例的成形通道的图。

发明内容

本发明的实施例为加热元件结构。第一盘具有内边界和外边界。内边界和外边界限定一空间。当通电时，适配到第一盘并围绕内边界的第一加热元件发热。加热元件在一温度范围内在该空间中膨胀。

在下面的描述中，阐述了许多细节。然而，应理解，本发明的实施例可以在没有这些细节的情况下实践。在其它实例中，未示出公知的电路、结构和技术，以避免混淆对该说明的理解。

本发明的一个实施例可被描述为通常以流程图、操作程序图、结构图或者框图描绘的过程。尽管流程图将操作描述为顺序过程，但是可平行或者同时执行多个操作。另外，操作的顺序可以重新安排。当其操作完成时，过程结束。过程可对应于方法、程序、流程、加工或者制造方法等等。

本发明的实施例为在熔炉中所采用的加热元件结构。熔炉可水平或者垂直安置。熔炉包括加热芯。加热芯具有多个相互堆叠的加热元件结构。每个加热元件结构包括盘和被置于该盘周围的加热元件。盘具有多个实施例。在一个实施例中，该盘包括环和圆盘。该环具有多个隙槽或者孔，以在加热元件发热时有效传热。该圆盘被附着到环并提供水平空间和垂直空间中的至少一个，以在加热元件随着时间变化遭受高温时允许加热元件膨胀或者伸长。加热元件结构可有效发热并具有机械稳定性。通过设置允许加热元件增长的空间，可延长加热元件的使用寿命，从而避免过早毁损。另外，可简单构造加热元件结构，从而允许简单构造加热芯并减小组装成本。盘组件还为加热芯中的加热元件提供高度可靠的机械支承。

图1为示出其中实践本发明的一个实施例的系统100的图。系统100表示用于在热设计或者控制应用中发热的扩散表面。系统100包括罩110、绝缘层120、加热芯130、盖140、底环150、和电源160。注意，系统100具有比上述部件更多或更少的部件。

罩(或壳)110提供容纳或者封闭加热芯130的外壳或者封装。该罩110可由不锈钢制成。该罩110包括遮盖加热芯130和侧罩114的顶部的顶环112。通常，罩110的形状为圆形、卵形、或者椭圆柱形。罩110具有为电源杆和热电偶提供机械和电支承的结构、部分或者元件。

绝缘层120为加热芯130提供绝缘。绝缘层120包括顶部绝缘层122和侧面绝缘层124。绝缘层120可由高度耐热的任何材料制成，绝缘层120的温度膨胀系数低、传热系数低，并且绝缘层120随时间变化维持其属性。这种材料的实例为氧化铝(Al₂O₃)和二氧化硅或者硅石(SiO₂)的混合物。如本领域技术人员公知的那样，可采用具有上述期望特征的任何其它绝缘材料。

加热芯130对置于芯内部的对象135加热。对象135可以是需要在某个预定温度范围加热的任何对象、结构、元件或者部件。在一个实施例中，对象135为半导体晶片。该温度范围可以是需要的任何合适范围，可以是从25℃到1700℃。例如，对于半导体晶片应用，该温度范围可以是在500℃到1200℃之间。加热芯130具有连接到电源160的电源杆。加热芯130可对加热芯130内部的多个区域加热。该加热区根据熔炉的要求以及规格可具有不同的温度范围。该电源杆被分配来对应于加热区。

盖140在顶部密封加热芯130并为顶环112提供紧密的机械配合，以减小或者最小化热损失。底环150为加热芯130提供机械支承。

电源160为加热芯供电，以在通电时发热。电源160经由电源杆被连接到加热芯130。电源160具有控制到加热芯130的电流量和/或电压量的电源控制器165。通过经各个电源杆接收不同的电流量或者电压量，加热芯130能在相对应的加热区产生不同的热分布。

图2为示出根据本发明的一个实施例的加热芯130的图。图2示出了没有连接杆或者电源杆的加热芯130的横截面视图。加热芯130包括多个加热元件结构210₁至210_N。

相互对准并堆叠加热元件结构210₁至210_N。在一个实施例中，熔炉100为竖式熔炉。因此，在垂直方向上堆叠加热元件结构210₁至210_N。对于垂直结构，考虑确保将加热芯130底部的加热元件结构(例如加热元件结构210_N和210_N-1)设计为支撑其上所有加热元件结构的重量。加热元件结构的数量N根据应用或者加热区中所划分的区域数量变化。

通常，加热元件结构210₁至210_N具有类似的形状和构造风格。因此，大大简化加热芯130的构造和组装。加热元件结构210_k(k＝1，...，N)包括盘220_k和适配盘220_k的加热元件230_k。当通电时，加热元件230_k发热。由于持续加热，所以加热元件230_k可随时间变化而膨胀或者伸长。盘220_k的结构允许垂直尺寸的空间242_k和水平尺寸的空间250_k适应加热元件230_k的膨胀或者伸长。这防止加热元件230_k的变形或防止对加热元件230_k的结构和/或机械损坏，这些变形和损坏会减少加热元件230_k的使用寿命。

图3为示出根据本发明的一个实施例的图2中所示的加热元件结构210的顶视图的图。加热元件结构210包括盘220和加热元件230。为清楚起见，省略下标k。

盘220通常具有适配图1所示的、由罩110和绝缘层120所提供的外壳内部的圆形、卵形或者椭圆形。该盘220包括内边界(或者圆周)312以及外边界(或者圆周)316。内边界和外边界限定一空间240。根据应用、温度范围、加热元件材料、加热元件的热膨胀系数、和其它机械和/或电参数，空间240的尺寸或者距离从0.1英寸到25英寸。

加热元件230适配盘220并围绕内边界312，以在通电时发热。加热元件230在一温度范围内在空间240和242中的至少一个空间中膨胀或者伸长。实质上，空间240和242允许既在水平方向上又在垂直方向上膨胀，或者在三维空间中膨胀。加热元件230可以是具有金属丝形状的金属丝。该金属丝形状可以是螺旋形状、立体形状和平面形状中的一种。螺旋形状为功率密度不高的高瓦特数提供大表面积。对于加热应用，金属丝230可随时间变化膨胀或者伸长。在遭受引起随着温度周期变化而连续增长的高温之后，该金属丝230不能返回到其初始长度。空间240和242为金属丝230提供足够的空间，以随时间变化而增长或者膨胀。这防止了金属丝230过早毁损。加热元件230可由用于发热的任何适当材料制成。通常采用的材料可以为坎萨尔斯铬铝电热丝、尼克朗泰尔(Nikrothal)、高级坎萨尔斯铬铝电热丝(Super-Kanthal)、二硅化钼(Molybdenum Discilicide)等等。加热元件230的热膨胀系数在1000℃时大约为15E-6[K^-1]。

图4A为示出根据本发明的一个实施例的、图3中所示的盘220的图。盘220包括环410和圆盘420。

环410限定内边界312并具有环高度414。环410具有围绕内边界312隔开的多个隙槽(或孔)412。通常，隙槽412以相等距离间隔开，以均匀传热。加热元件230在多个隙槽412周围放置或者围绕多个隙槽412。为清楚起见，在图4中仅仅部分示出了加热元件230。选择环高度414来适配加热元件230的直径或者尺寸，以致在金属丝上存在空间242，以允许膨胀。空间242的尺寸可以是加热元件230的尺寸的0％到大约50％。当发热元件230发热时，多个隙槽412传热。所生成的热可通过隙槽412从加热元件230向加热芯130的中央有效传送。环410具有适配外壳或者封装的内部的形状。通常，该形状为圆形或者卵形。环410由于其厚度而具有内径416和外径418。内径416的范围从0.5英寸变化到数百英寸。对于半导体晶片应用，环410的内径416从8英寸至30英寸。限定内边界的环410的厚度可大约为0.5英寸，其范围从0.1英寸变化到数英寸。根据加热元件230的尺寸和其它机械参数，环高度414从0.25英寸到50英寸。通常，环高度414的范围从1.5英寸变化到1.8英寸。环410可由氧化铝(Al₂O₃)或者二氧化硅或硅石(SiO₂)、其等效物或者任意组合制成。

圆盘420被附着到内边界312附近或者内边界312处的环410。圆盘420可被附着来靠近环410的内径416或外径418。该圆盘420具有或者限定外边界316。圆盘420的表面实质上限定内边界312与外边界316之间的空间330。该圆盘具有凹槽422，使得可插入柱或杆以对准所堆叠的盘。另外，凹槽422可限定加热元件230的端部，其中可连接连接杆或者电源杆。圆盘420在其直径的两侧具有两个凹槽422，以在相互堆叠盘时提供两个对准点。该圆盘还可由氧化铝或者硅石制成。

环410和圆盘420可通过诸如焊接或者胶粘的任何附着机制而附着在一起。可替换地，两者可是构成整体所需的，以形成如盘220那样的单件。

对于形成环410有若干实施例。目的在于，在内边界312周围产生多个导轨或者柱，并且产生多个隙槽或者孔来在通电时从加热元件230向芯有效传热。

图4B为示出根据本发明的一个实施例的、具有附着柱的盘220的横截面视图的图。在该实施例中，通过附着到圆盘420并在内边界312周围隔开的多个竖柱430来替换图4A中所示的环410。可采用包括焊接、胶粘等的任何合适的机制将柱430附着到圆盘420。当相互堆叠盘时，竖柱430形成类似于环410的隙槽412的隙槽。

图4C为示出根据本发明的一个实施例的、具有集成柱的盘220的横截面视图的图。在该实施例中，通过是整体的或者集成到圆盘420并在内边界312周围隔开的多个竖柱430来替换图4A中所示的环410。当相互堆叠盘时，竖柱430形成类似于环410的隙槽412的隙槽。在该实施例中，盘220被认为仅仅包括具有竖柱430的圆盘420。

图4D为示出根据本发明的一个实施例的、具有竖杆的盘220的横截面视图的图。在该实施例中，通过在内边界312周围隔开并被附着到内边界312处的所堆叠的圆盘的多个竖柱440来替换图4A中所示的环410。除了竖杆440被附着来将所有所堆叠的圆盘420连接在一起以外，竖杆440实质上类似于实施例4B和4C中的柱430。

图5为示出根据本发明的一个实施例的连接杆和电源杆的图。图5示出了加热芯130的横截面视图。

通过连接杆510_k将加热元件结构210_k中的加热元件320_k连接到加热元件结构210_k+1中的加热元件320_k+1。连接杆510_k被附着(或者焊接)到加热元件320_k在凹槽422_k处的端部，而连接杆510_k被附着(或者焊接)到加热元件320_k+1在凹槽422_k+1处的端部。类似地，电源杆520_j被附着(或者焊接)到加热元件320_j在凹槽422_j处的端部，而电源杆520_j被附着(或者焊接)到加热元件320_j+1在凹槽422_j+1处的端部。电源杆520_j有双重目的。一个目的是像连接杆510_k那样将两个加热元件连接在一起。一个目的是提供连接到电源160(图1)的终端。连接杆510_k和电源杆520_j可由任何导电材料制成，诸如由对于机械和电稳定性具有足够尺寸的金属。

因此，加热元件320₁至320_N以Z字形图案从顶盘被连接到底盘，从而形成在电气上连续的金属丝。在所选择的加热区处设置电源杆520_j，以为了产生不同的热量来提供合适的电力。

图6为示出形成根据本发明的一个实施例的加热芯的过程600的流程图。

一旦开始，过程600就形成具有内边界和外边界的第一盘，(块610)。内边界和外边界限定一空间。接下来，过程600适配或者将第一加热元件置于第一盘以围绕内边界，(块620)。第一加热元件和第一盘的高度限定第一加热元件上的垂直空间。通电时，第一加热元件发热。在其使用寿命期间，第一加热元件在一温度范围内在该空间中膨胀、伸长或者变形。

然后，过程600将连接杆或者电源杆附着到第一加热元件在该柱处的第一端，以将第一加热元件连接到第二盘中的第二加热元件，(块630)。电源杆被连接到电源。第二盘在第一盘之上或者在第一盘之下堆叠。然后，过程600结束。

图7为示出形成根据本发明的一个实施例的盘的图6中所示的过程610的流程图。图7中所示的过程610对应于图4A中所示的盘。

一旦开始，该过程610就形成限定内边界的环，(块710)。该环具有在内边界周围隔开的多个隙槽。该环具有环高度。如果必要，除了垂直空间以外，环高度适配加热元件的尺寸或者直径。当加热元件发热时，多个隙槽向芯传热。

接下来，该过程610将圆盘附着到内边界处的环，(块720)。该圆盘限定外边界。该圆盘具有适配柱的凹槽。然后，过程610结束。圆盘和环可由两个分开的部件被附着、胶粘或者焊接在一起。可替换地，圆盘和环可整体构造来形成单个部件。

过程610可被修改来形成根据图4B、4C和4D的盘。例如，取代形成环，该过程可附着圆盘上的竖柱或者附着到所有所堆叠的圆盘的多个竖杆。另外，包括底部和完整的竖柱的圆盘可被形成。

图8为示出根据本发明的一个实施例的、采用机械加工的或者成形的通道的系统800的图。系统800包括顶部绝缘环810、侧面绝缘环820、外壳830、和加热芯840。除了加热芯840不同以外，图8中所示的系统800与图1中所示的系统100均相似。

顶部绝缘环810、侧面绝缘环820、和外壳830与图1中所示的系统100的相对应部分类似。因此，在这里不对其重复说明。

加热芯840具有螺旋状或者平行状的专用槽，这些专用槽被机械加工或者形成到芯柱体的外径中。芯840的形状可以是圆柱、多边形或者矩形、或者任何合适的形状。通过加热元件和允许膨胀的空间的形状和尺寸来确定槽的深度。

图9为示出根据本发明的一个实施例的、图8中所示的加热芯840的图。加热芯840包括成形的通道910和隙槽920。

成形的通道910以螺旋状或平行状被形成到芯柱体的外径中。可通过特定的机械加工过程实现该通道。成形的通道910具有在槽的中心等间距的隙槽(或孔)920。隙槽920的用途为允许从加热元件到加热器的中心的处理区域快速传热。隙槽920之间的等间距部分有两个功能；首先，支承和保持柱体的初始形状；而其次，用作阻挡加热元件试图离开其位置的障碍物。

图10为示出根据本发明的一个实施例的成形的通道910的图。

成形的通道910具有针对加热元件1010的形状特别设计的槽915。槽915提供允许加热元件1010膨胀或者增长的形状1020。通道910还克服加热元件1010的重力。因此，该加热结构在机械上是稳定的。

加热元件1010实质上与图2中所示的加热元件230相似。加热元件1010被置于槽915的内部。在放置所有加热元件之后，绝缘层或毯840与外壳830相应被缠绕在芯840周围。当加热元件1010朝芯的外径方向超出通道长度时，绝缘毯840可充当阻挡加热元件1010移动的障碍物。

在通道内，空间1020被设置来允许加热元件1010在高温下的膨胀、伸长或者移动。空间1020的大小与图2中所示的空间240的大小类似。另外，槽920可提供在加热元件1010的周围的空间，以适应包括垂直和水平方向的若干方向上的膨胀。

放置平行通道或者螺旋状通道允许在其整个长度上均匀且连续地放置加热元件1010。这维持整个加热器的温度均匀，并且更准确地说，这维持称为“平坦区”的位于中心的区域的温度均匀。平坦区是将处理半导体产品的地方，而且温度的均匀性影响半导体产品性能。根据该应用，该区域的公差通常被控制为+/-0.1℃至0.25℃。以上述方式准确控制电阻丝间隔的能力大大有助于获得所要求的温度均匀性。

通过将支承绝缘环放置在加热器元件的两个与加热器的芯相邻的端部而继续制造过程。然后将不锈钢环焊接在这两端，从而最后确定加热元件的结构。在该步骤之后，将必需的部件增加到外部不锈钢壳，以支承终端杆(terminal bar)，从而连接电源线并支承热电偶。最后一步为将警报标记放置在加热器上。

如在图1中所示的实施例那样，加热器的工作温度范围处于25℃到1700℃的范围中。电阻丝可以是任何通常使用的材料，诸如是坎萨尔斯铬铝电热丝、高级坎萨尔斯铬铝电热丝、二硅化钼等。将最后的加热元件组件放置在扩散熔炉中，其中，计算机系统将在处理半导体衬底之前将加热器控制到给定温度。从制造角度而言，与采用陶瓷分离器的方法相比，本发明实施例使加热元件制造更简单而且更快。该优点节省了加热元件的制造成本。

尽管本发明依据若干实施例进行了描述，但是本领域技术人员将认识到，本发明不限于所描述的实施例，而是可以在随附的权利要求的精神和范围内进行修改和改变。因此，该说明书被认为是示例性的而不是限制性的。

Claims (21)

1.一种设备，其包括：

第一盘，该第一盘具有内边界和外边界，该内边界和外边界限定一空间；以及

第一加热元件，该第一加热元件适配第一盘并围绕内边界，以在通电时发热，该加热元件在一温度范围内在空间中膨胀。

2.如权利要求1所述的设备，其中，第一盘包括：

环，该环限定内边界并具有在内边界周围隔开的多个隙槽，所述环具有环高度，当加热元件发热时，所述多个隙槽传热；以及

圆盘，该圆盘被附着到内边界处的环并限定外边界，所述圆盘具有适配柱的凹槽。

3.如权利要求2所述的设备，其中，第一加热元件包括：

具有以垂直空间适配环高度的金属丝形状并且围绕多个隙槽的金属丝。

4.如权利要求3所述的设备，其中，金属丝形状为螺旋形状、立体形状和平面形状中的一种。

5.如权利要求1所述的设备，其中，所述空间的尺寸从0.1英寸到25英寸。

6.如权利要求5所述的设备，还包括：

连接杆，该连接杆附着到第一加热元件在所述柱处的第一端，以将第一加热元件连接到第二盘中的第二加热元件，所述第二盘在第一盘之上或者在第一盘之下被堆叠。

7.如权利要求5所述的设备，还包括：

电源杆，该电源杆附着到第一加热元件在所述柱处的第一端，以将第一加热元件连接到第二盘中的第二加热元件，所述第二盘在第一盘之上或者第一盘之下被堆叠，所述电源杆连接到电源。

8.一种方法，其包括：

形成具有内边界和外边界的第一盘，该内边界和该外边界限定一空间；以及

使第一加热元件适配第一盘，以围绕内边界，所述第一加热元件在通电时发热，并在一温度范围内在空间中膨胀。

9.如权利要求8所述的方法，其中，形成第一盘包括：

形成限定内边界并具有在内边界周围隔开的多个隙槽的环，所述环具有环高度，当加热元件发热时，所述多个隙槽传热；以及

将圆盘附着到内边界处的环，所述圆盘限定外边界并具有适配柱的凹槽。

10.如权利要求9所述的方法，其中，适配第一加热元件包括：

适配具有以垂直空间适配环高度的金属丝形状并围绕多个隙槽的金属丝。

11.如权利要求10所述的方法，其中，金属丝形状为螺旋形状、立体形状和平面形状中的一种。

12.如权利要求8所述的方法，其中，所述空间的尺寸从0.1英寸到25英寸。

13.如权利要求12所述的方法，还包括：

将连接杆附着到第一加热元件在所述柱处的第一端，以将第一加热元件连接到第二盘中的第二加热元件，所述第二盘在第一盘之上或者在第一盘之下堆叠。

14.如权利要求12所述的方法，还包括：

将电源杆附着到第一加热元件在所述柱处的第一端，以将第一加热元件连接到第二盘中的第二加热元件，所述第二盘在第一盘之上或者在第一盘之下堆叠；以及

将所述电源杆连接到电源。

15.一种熔炉，其包括：

罩；

由所述罩封闭的绝缘层；以及

由所述绝缘层封闭的加热芯，所述加热芯包括多个加热元件结构，每个加热元件结构包括：

第一盘，该第一盘具有内边界和外边界，该内边界和外边界

限定一空间，以及

第一加热元件，该第一加热元件适配第一盘并围绕内边界，

以在通电时发热，所述加热元件在一温度范围内在空间中膨胀。

16.如权利要求15所述的熔炉，其中，第一盘包括：

环，该环限定内边界并具有在内边界周围隔开的多个隙槽，所述环具有环高度，当加热元件发热时，所述多个隙槽传热；以及

圆盘，该圆盘被附着到内边界处的环并限定外边界，所述圆盘具有适配所述柱的凹槽。

17.如权利要求16所述的熔炉，其中，第一加热元件包括：

具有以垂直空间适配环高度的金属丝形状并围绕多个隙槽的金属丝。

18.如权利要求17所述的熔炉，其中，金属丝形状为螺旋形状、立体形状和平面形状中的一种。

19.如权利要求15所述的熔炉，其中，所述空间的尺寸从0.1英寸到25英寸。

20.如权利要求19所述的熔炉，其中，每个加热元件结构还包括：

连接杆，该连接杆被附着到第一加热元件在所述柱处的第一端，以将第一加热元件连接到第二盘中的第二加热元件，所述第二盘在第一盘之上或者在第一盘之下堆叠。

21.如权利要求19所述的熔炉，其中，每个加热元件结构还包括：

电源杆，该电源杆被附着到第一加热元件在所述柱处的第一端，以将第一加热元件连接到第二盘中的第二加热元件，所述第二盘在第一盘之上或者在第一盘之下堆叠，所述电源杆连接到电源。

Images