CN103634953A - MoSi2基的线圈加热器及具有该加热器的管状加热器模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MoSi₂基的线圈加热器，包括一个线圈，具有不小于300mm的内径（D），其中线圈的内径（D）和加热器间距离（t）满足以下条件：0.9≤t/（D/2）^1/2≤4.0。

Description

MoSi2基的线圈加热器及具有该加热器的管状加热器模块

技术领域

本发明涉及一种MoSi₂基的线圈加热器以及使用该加热器的管状加热器模块。

背景技术

在空气中，在能够用在高温下的管状热处理炉中使用MoSi₂（二硅化钼）基的加热器。例如，在JP-A-8-143365中披露的半圆筒波型的多柄加热器以及圆筒形螺旋（螺旋形）加热器被称为MoSi₂基的加热器。该半圆筒波型的多柄加热器迄今已用于大型管状热处理炉。当该半圆筒波型的多柄加热器的内径变大时，然而因为需要容纳被悬挂在多个钩子上的半圆筒波型的多柄加热器，所以存在安装麻烦等的问题。另一方面，当加热器的线圈内径不小于300mm时，圆筒形螺旋（螺旋形）加热器具有热变形和温度均匀性的问题，导致在现有的情况下不能实现圆筒形螺旋（螺旋形）加热器。

发明内容

已经考虑到上述情况完成了本发明。本发明的一个目的是提供一种MoSi₂基的线圈加热器，其具有优异的耐用性和温度均匀性并且其具有不小于300mm的内径。

发明人已经从迫切的研究中发现，通过在预定的范围内限定线圈的内径（D）（换句话说，由线圈制成的螺旋的内径（D））与加热器间距离（t）之间的关系，即使线圈的内径（D）不小于300mm，也能够获得一种温度均匀性高，热变形小和耐久性优异的MoSi₂基的线圈加热器能够，所以发明人已经发现了本发明。

本发明的主题是一种MoSi₂基的线圈加热器，包括：线圈，具有不小于300mm的内径（D）；其中：线圈的内径和加热器间距离（t）满足以下条件：0.9≤t/（D/2）^1/2≤4.0。

优选地，根据本发明的MoSi₂基的线圈加热器被设置在形成于陶瓷模具的内周的线圈形凹槽中。

在根据本发明的MoSi₂基的线圈加热器中，其中线圈的内径（D）和加热器间距离（t）满足上述的关系表达式，通过该MoSi₂基的加热器，能够保持高的温度均匀性与快速升温效应相结合，从而能够有助于改善设备的小型化和产量。此外，通过满足上述的关系表达式，该MoSi₂基的线圈加热器能在形成于陶瓷模具的内周表面的凹槽内自由地膨胀和收缩，以便MoSi₂基的线圈加热器能够保持在自由的状态。因此，能够提供一种管状加热器模块，其避免了如由于陶瓷模具的限制而损坏的麻烦。根据本发明的该MoSi₂基的线圈加热器和该管状加热器模块在半导体制造过程中使用的热处理装置、玻璃或金属熔化炉等内能够有效地使用。

附图说明

图1A，1B和1C是示出了一过程的实施例的视图：在制造根据本发明的MoSi₂基的线圈加热器时，通过折弯被电加热的MoSi₂基的加热器线材来生产半圆形中间材料，其中，图1A示出了折弯之前的阶段，图1B示出了在折弯中途的阶段，且图1C示出了折弯完成后的阶段。

图2是示出了一过程的实施例的视图：在制造根据本发明的MoSi₂基的线圈加热器时，通过利用电焊将半圆形部件彼此接合而生产线圈形加热器。

图3的是示出了根据本发明的管状加热器模块的截面的一部分的视图，其中，MoSi₂基的线圈加热器被设置在形成于每个陶瓷模具内的凹槽中。

图4的示出了用于基于寿命试验对于加热器是否变形进行判断的基准的视图。

具体实施方式

根据本发明的线圈加热器能够这样的方式生产：通过将MoSi₂基的粉末材料挤压成形并在真空炉内非氧化的气氛中烧结该MoSi₂基的粉末材料，获得长度到约2000mm的线材，由该线材来生产每个都不大于半圆形（二分之一圆圈）的中间部件，并且通过电对接接合，即所谓的扩散接合使中间部件形成为线圈状。顺便提及，生产根据本发明的线圈加热器的方法并不限于上述方法。

【1】MoSi₂基的加热器线材的生产

根据本发明的MoSi₂基的加热器线材以这种方式生产，一种包含MoSi₂粉末、粘合剂、水等而用于挤压成型的生坯被制成并模塑成米（m）级的棒状原材料，并且该棒状原材料被干燥，脱脂并烧结。一种如甲基纤维素、膨胀膨润土等的水溶性粘合剂能够用作粘合剂。在约1350℃到约1600℃的温度范围内在非氧化性气氛中进行烧结，尽管烧结根据该MoSi₂基材料成分和目标组织而改变。优选的是，MoSi₂基的加热器线材的线直径处于2mm至12mm的范围内。当线直径大于12mm时，因为在挤压之后的干燥步骤中在该MoSi₂基的加热器线材内产生了裂缝，所以很难生产该MoSi₂基的加热器线材。具有约加热器线直径的约两倍直径的端子线材通常用于该MoSi₂基的加热器，以抑制端子部分的发热。考虑到该端子线材的可生产性，优选的是该MoSi₂基的加热器线材的线直径不大于12mm。更优选的是，该线直径处于2mm到8mm的范围内。进一步优选的是线直径处于3mm到6mm的范围内。

【2】半圆形部件的生产

作为制造该MoSi2基的线圈加热器的中间部件，通过电折弯生产该半圆形部件。图1A、1B和1C示意性地示出了生产半圆形中间部件的过程。首先，该MoSi₂基的加热器线材1的相对两端被固定到电动折弯机的夹紧部分2，并且通过通电，经过夹紧部分2将线材1加热到的塑化状态（图1A）。然后，当加热器线材1被电加热时，夹紧部分2在沿着由几个销组成的引导件3被拉动（根据线圈的尺寸来调整销的数量）的同时移动（图1B）。最后，两个夹紧部分2在相对于加热器线材1的初始线性方向成90°的方向上移动，直到两个夹紧部分2彼此平行。优选的是，温度处于1400℃到1550℃的范围内，并且拉伸载荷给出足够小的力以便不使加热器线材膨胀并且不减少加热器线材的直径。在折弯完成后，加热器线材1被切割以成形为半圆形并且端表面4被磨光以垂直于与半圆相切的线，从而形成半圆形部件11。理所当然的，尽管在作为后处理的接合过程中接合点的数量增加，但是可以使用不大于半圆形的、如1/3圆形或1/4圆形这样的其他形状。

【3】线圈加热器的生产

通过半圆形部件11彼此的扩散接合来生产线圈加热器。图2示意性地示出了通过扩散接合生产线圈加热器的过程。对于扩散接合，通过夹紧部分6来固定靠近半圆形部件11的端部表面4的位置，使得该位置6能够垂直于每个接合表面被按压，也就是说，在与每个接合点相切的方向上。在预定的压力通过夹紧部分6施加到每个接合表面4上的同时，结合表面4被供电并在高温下被加压，使得通过焊接形成每个接合点5。夹紧部分6被设计能固定该带有曲率的半圆形部件11并根据线圈的曲率被选择。每当接合完成半圈，在转移了预定间距的同时，接合该半圆形部件11。当具有预定圈数的线圈加热器完成后，同样通过扩散接合将端子接合到线圈加热器的相对端部。

在本发明中，在线圈加热器中的线圈内径（D）和加热器间距离（t）满足以下的关系：0.9≤t/（D/2）^1/2≤4.0。这里，加热器间距离（t）被定义为在线圈的相邻加热器之间间隙的长度（即，螺旋的相邻线圈之间的距离）。当t/（D/2）^1/2小于0.9时，变形就不理想地变大。当t/（D/2）^1/2大于4.0时，除了变形增加之外，温度均匀性不理想地降低。优选的是满足0.9≤t/（D/2）^1/2≤3.0。

每个端子的一侧被机械加工以具有与加热器线材相同的直径，从而能够被接合到加热器线材。此外，优选的是该端子被折弯成L形状，使得端子的另一侧从陶瓷模具向外暴露。

【4】陶瓷模具

在根据本发明的管状加热器模块中使用的绝热材料为管状陶瓷模具。优选高耐热性的氧化铝材料作为管状陶瓷模具的材料。尽管电阻加热器通常在加热时间膨胀并在冷却时间收缩，但是由于当膨胀/收缩受到限制时局部变形引起的异常加热，经常会导致线断裂。因此，一种防止膨胀/收缩被限制的想法需要将MoSi₂基的线圈加热器设置在模具内。在这方面，根据背景技术的MoSi₂基的加热器是U状的并且采取了通过钉子将MoSi₂基的加热器垂挂的方法。在图3中示出了根据本发明的管状加热器模块的截面的一部分，该MoSi₂基的线圈加热器21以自由状态设置在形成于陶瓷模具30内的线圈形凹槽31内。也就是说，尽管MoSi₂基的线圈加热器21被每个凹槽的一个侧表面所支撑，该MoSi₂基的线圈加热器21被允许在凹槽上自由移动而没有向凹槽外突出。出于这个原因，优选的是，在陶瓷模具内每个凹槽31的内表面显示出对该MoSi₂基的线圈加热器21较小的反应，并且具有足够的硬度而不变形。至于每个凹槽的尺寸，该凹槽具有足够的宽度和足够的深度以防止该MoSi₂基的线圈加热器21被限制。尽管未在附图中示出，但是可横跨一些凹槽放置钉子，以防止该MoSi₂基的线圈加热器从凹槽31向外突出。

实施例1

15%体积的膨润土和预定量的水添加到具有2.7μm的平均粒径的MoSi₂中，并被揉捏以获得成型的生坯。进一步地，通过使用挤压成型机将这样获得的生坯模塑成3.4mmΦ和6.8mmΦ棒。所述棒被切割成800mm的长度。在干燥后，在氮气气氛中，在1500℃下烧结所述棒2个小时，以获得约3mmΦ和约6mmΦ的棒状烧结体。具有300mm内径的伪半圆形中间部件的两端被夹紧，并且通过根据在图1A，1B和1C所示的方法折弯（折弯温度1450℃）由3mmΦ×700mm的棒状烧结体模塑而成的中间部件。中间部件被切割成半圆形形状，并且中间部件的两个切割表面被磨光以便在一个平面上。通过根据图2所示的方法的对接电阻焊，将半圆形部件接合成具有23mm的间距（P）的线圈。具有20圈的线圈加热器由40个半圆形部件所产生。进一步地，通过加工的由6mmΦ棒状烧结体所生产的端子被接合到相对的两端。在一对具有294mm的内径、460mm的外直径和500mm高度的半圆筒形陶瓷模具内，以23mm的间距（P）的间隔形成具有6mm凹槽宽度和10mm深度的凹槽。具有20圈的线圈加热器将被设定为完全地位于一个半圆筒形陶瓷模具内的凹槽中。另一个半圆筒形陶瓷模具被放在其上面。该模具的接合表面通过耐热陶瓷粘合剂而彼此接合。顺便提及，在模具的接合表面内加工端子所穿过的凹槽。

<温度分布测量>

具有100mm厚度的铝绝热材料设置在所生产的管状加热器模块的下部（底部）和上部（盖部）中，并且用于加热器模块的温度控制的B热电偶设定在朝向中心离加热器模块的内周表面10mm远并且离盖部250mm远的位置。温度分布测量在以下条件下进行：加热器模块的温度被设定在1500℃，并且用于测量温度分布的另一个B热电偶设定在朝向中心离加热器模块的内周表面50mm远的位置并且在离盖部100mm远的位置和离底部100mm远的位置之间300mm的范围内。根据相对于线圈的位置关系略微改变温度，但是在最大和最小温度之间的差AT不大于3℃。

<寿命试验>

至于加热器模块的寿命试验，温度在室温到1500℃的范围内改变。在保持温度在1500℃1个小时后冷却到室温的模式被重复500个循环。在线圈加热器内没有特别地观察到变形。没有线断裂。如图4所示，是否观察到变形是基于在测试后线圈加热器与模具的加热器凹槽的位置关系所确定的。当存在加热器的截面从加热器凹槽的内周端部向内突出超过半圆形区域的任何位置时，确定了变形是存在的。

实施例2至16以及对比例1至6

在表1所示的各个实施例中加热器线材的线直径仍然为3mm并且线圈加热器的线圈内径D设定为300mm、600mm和900mm的条件下，，除了相对于每个线圈内径D的加热器间距离t设定为如表1所示的各个距离之外，按照与实施例1相同的方法生产线圈加热器和圆筒形加热器模块。至于每个陶瓷模具的尺寸，设定对应于线圈内径的内径和外径，但在所有的实施例中高度都设定为500mm。因此，将圈数设定为对应于加热器间距离t的数目。在如实施例1的各个实施例中，在该对半圆筒形陶瓷模具中形成具有6mm的凹槽宽度和10mm的深度的凹槽，但这些以下列的间隔形成：如果加热器间距离t为10则间距（P）为13mm，如果加热器间距离t为20则间距（P）为23mm，如果加热器间距离t为30则间距（P）为33mm，如果加热器间距离t为40则间距（P）为43mm，如果加热器间距离t为50则间距（P）为53mm，如果加热器间距离t为60则间距（P）为63mm，如果加热器间距离t为70则间距（P）为73mm，如果加热器间距离t为80则间距（P）为83mm或如果加热器间距离t为90则间距（P）为93mm。在每个实施例和每个对比例中，以与实施例1相同的方式测量温度分布并且进一步实行寿命试验。在表1中示出了包含其结果的实施例1的结果。这里，作为温度分布的结果，温度分布不大于3℃的情况被评估为OO，温度分布大于3℃但不大于5℃的情况被评估为O，并且温度分布大于5℃的情况被评估为×。作为寿命试验的结果，不存在变形的上述情况被评估为O，而存在任何变形的情况被评估为×。至于综合评价，温度分布的结果或寿命试验的结果的任意一项为×的情况被评估为×，温度分布及寿命试验的结果都为O的情况被评估为O，并且温度分布的结果为OO的情况被评估为OO。

【表1】

当t/（D/2）^1/2小于0.9时，温度分布是好的但变形仍然发生。当t/（D/2）^1/2大于4.0时，温度分布和变形是不理想的结果。当t/（D/2）^1/2处于0.2-2.9的范围内时，获得了特别理想的结果。

Claims (5)

1.一种MoSi₂基的线圈加热器，包括线圈，该线圈具有不小于300mm的内径（D），其中，所述线圈的内径（D）和加热器间距离（t）满足以下条件：

0.9≤t/（D/2）^1/2≤4.0。

2.根据权利要求1所述的MoSi₂基的线圈加热器，其中，线所述圈的所述内径（D）和所述加热器间距离（t）满足以下条件：

0.9≤t/（D/2）^1/2≤3.0。

3.根据权利要求1所述的MoSi₂基的线圈加热器，其中，所述线圈的线直径为2mm到12mm。

4.根据权利要求2所述的MoSi₂基的线圈加热器，其中，所述线圈的线直径为2mm到12mm。

5.一种管状加热器模块，包括：

陶瓷模具；以及

设置在形成于所述陶瓷模具的内周处的线圈形凹槽中的根据权利要求1到4任一所述的MoSi₂基的线圈加热器。

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