CN106165080B - 用于加热单元的支撑系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于支撑加热单元的支撑系统，其包括支撑构件及基底构件。该支撑构件具有实质上沿高度方向延伸的主要延伸方向以及近位端及远位端，其中近位端适用于支撑加热单元。基底构件经由至少一个铰链被连接至支撑构件的远位端部分，远位端部分被配置在近位端的远侧。支撑构件可相对于基底构件绕着旋转轴线枢转，该旋转轴线定向成平行于实质上刚性方向。

Description

用于加热单元的支撑系统
技术领域
本发明涉及一种用于支撑加热单元的支撑系统以及包括至少一个加热单元的加热系统。
背景技术
包括阻抗式加热单元的熔炉或电式加热器是广为人知的，且被使用在不同的工业中，用于多种不同的应用。当电流被施加通过亦称为加热丝的导电式加热单元时，产生热量，且由于电阻式电能而被消散成热量。典型地，加热单元被放置在靠近要加热的对象或材料的地方。用于各种不同应用的加热器系统(例如用于MOCVD(金属有机化学蒸气沉积)技术的反应器，该技术被使用在例如半导体材料的处理上，例如用于化合物半导体的外延成长)必须在例如高过800℃等相当高的温度下操作，这在设计上及在加热单元组件的材料上带来了挑战性。对需要特别高温的应用，加热单元通常是由陶瓷材料(其是昂贵的且难被制成想要的几何形状)制成的，或是包括耐火金属，例如钨、钼、铼、钽、铌等等或它们的合金。
当设计高温加热系统时，必须要应付的一个主要问题为，加热单元的热诱发循环膨胀及收缩。对特定的应用而言，特别是对MOCVD反应器而言，加热单元的精确定位是重要的，精确定位还必须在加热系统的操作循环期间以受控的方式被保持。通常不同类型的机械式支撑结构，例如端子，被用于确保加热单元被正确地定位，并被保持在预定位置。当例如在该反应器中的MOCVD工序期间加热单元被加热至1000℃至2200℃时，加热单元膨胀相当多，且当由端子保持在固定位置时，在加热单元的材料内产生显著的机械应力。此机械应力可能会导致不受控制的塑性变形，或造成加热单元恶化或甚至断裂，导致加热单元寿命缩减。不受控制的变形是不想要的，因为存在如下严重风险：加热单元和加热系统的其他部件之间发生接触、或加热单元和其他的加热单元之间发生接触、或在加热单元本身中发生接触，而结果是可能会发生短路。此外，由于加热单元的变形影响局部电阻，塑性变形在例如化合物半导体的外延成长工序等要求高温的应用中是特别不利的，在该工序中，匀相或者精确受控的温度曲线是重要的。加热单元包括耐火金属的情况最有问题，因为这些金属的强度抗蠕变性随着温度而变小，且在高于1200℃至1400℃时显著跌降。高于这些温度后，甚至小的应力便可能会造成在加热单元冷却后留下不想要的塑性变形。
为了克服固定式端子所产生的问题，已想出各种具有柔性单元的系统，这些系统被设计成允许加热单元在某些优选的方向上膨胀。某些此类已知的端子包括不同类型的弹簧，例如允许加热单元与端子之间的连触点移动的具有U型形状的弹簧。虽然此种具有U型形状的弹簧实现了使加热单元内的热诱发应力降低至一定程度，但是它们的性能在实际上无法完全信服，因为加热单元本身可在两个或更多个方向上延伸，且由于加热单元和其本身或加热单元和加热系统的其他部分的电性接触，因此仍存有短路的风险。
在US7645342中提出，加热单元包括多个延伸销件开口，销件被插过这些开口，以将加热单元固定在平面中。销件开口的尺寸及几何形状被设计成，在一定的温度范围内，它们允许加热单元在水平方向上的膨胀。然而，在实际的实施中产生了一些问题，特别是在高于1500℃的高温时。发现在如此的高温时，与加热单元接触且通常由耐火金属所制成的销件有经由扩散而黏结至加热单元的倾向，因而阻挠加热单元在水平方向上的自由移动。结果，因加热产生应力，导致加热单元的形状的塑性变形。
发明内容
依据上文所述，在工业中有针对用于加热单元的支撑系统的需求，特别是针对用于在高于1600℃的温度操作的高温加热器中所使用的加热单元的支撑系统的需求。因此，本发明的目的是提供一种用于在加热器中的加热单元的支撑系统以及包括这种支撑系统的加热系统，其中，在操作期间降低加热单元内的热诱发应力，且加热单元及加热系统特别适用于高温应用。
依据本发明，用于加热单元的支撑的支撑系统包括适用于支撑加热单元的支撑构件。该支撑构件优选地是刚性的且细长形的，支撑构件具有主要延伸方向且实质上沿高度方向延伸。优选地，该主要延伸方向精确平行于高度方向或是相对于高度方向有小于或等于10度的夹角，然而，该支撑构件不必须具有严格平直的构形。
该高度方向可被限定为垂直于加热单元在局部区域的延伸平面，在该局部区域中，加热单元在定向的位置被装设在支撑构件上。优选地，该加热单元具有弯曲的主要延伸方向，且被配置成限定延伸平面的平面构形。如果加热单元在支撑构件的抵达部分采用实质上平直的构形，则高度方向可由加热单元的整体的几何结构限定。依据本发明，支撑构件具有两个端部：近位端以及远位端。近位端面向加热单元，且具有用于加热单元的支撑的支撑部分。远位端被配置在近位端的远侧，且具有远位端部分，基底构件经由至少一个铰链被连接至该远位端部分。优选地，支撑构件及基底构件精确地经由一个铰链被枢转式地连接。该基底构件可被固紧至基底，例如固紧至包括加热单元的加热系统或加热器罩壳中的基底板。依据本发明，支撑构件及基底构件形成两个铰接在一起的臂件，使得支撑构件可相对于基底构件绕着轴线枢转，该轴线被定向成平行于实质上刚性方向。因此，支撑构件可在可移动方向上移动，其中，该可移动方向由实质上垂直于高度方向的方向(该角度优选在75度至105度的范围内)限定。支撑构件的移动被限制在实质上刚性方向上，该实质上刚性方向垂直于可移动方向且垂直于高度方向。因此，该铰链提供加热单元在热延伸期间沿着可移动方向移动的可能性，同时实质上阻止加热单元在实质上刚性方向上位移。
在加热单元升温的过程期间，加热单元试着扩展其尺寸，且如果加热单元和基底构件之间的相对移动被制止，则热诱发应力会导致产生不规则的变形，其中支撑系统在基底构件处被固紧至加热系统的基底。以这种新配置，能实现加热单元的热诱发位移以受控的方式被引导且实质上被减少成仅在单一方向上，特别是分别在可移动方向或高度方向上。这导致可以降低加热单元材料内部的热诱发机械应力且因而降低塑性变形的风险。
有利的是支撑构件的旋转轴线不与支撑构件的质心重合，且该旋转轴线被配置成由于重力而产生支撑构件上的旋转转矩，而造成在加热单元上产生沿所想要的膨胀方向的力。优选地，旋转轴线被配置成在高度方向及/或可移动方向上与支撑构件的质心分隔开。此外，有利的是由支撑系统施加到可移动方向上的力不超过加热单元材料在操作温度的极限蠕变应力。
依据本发明的有利实施例，基底构件沿高度方向至少部分地从远位端部分朝向近位端延伸。在另一有利的实施例中，基底构件可被水平地配置。优选地，基底构件及支撑构件在加热单元处于未加热的状态时在室温下对齐。此外，在优选的实施例中，支撑构件及/或基底构件的主要延伸方向实质上平行于高度方向。因此，其实质上垂直于由加热单元构形所隔开的平面。以此方式，加热系统可被实现为：在一方面具有相当小高度的非常紧凑的结构，且在另一方面仍能在高温下操作，特别是在高于1600℃的温度下。由于支撑构件的延长的细长形状，可以获得支撑构件的近位端及远位端之间产生的明显的温度差异，特别是当支撑构件被配置在靠近加热系统的底部表面时，支撑构件典型地以例如水等液体来冷却。
此外，在优选的实施例中，基底构件及铰链经由热屏蔽系统被保护不受热量影响，该热屏蔽系统可被配置在加热单元及基底构件之间。因此，基底构件及铰链处于材料应力小的相当低的温度下。
支撑构件不须由全材料制成，在优选的实施例中，支撑构件包括两个或更多个杆件或板片，杆件或板片被配置在实质上平行的定向上，且在远位端被枢转式地连接至基底构件。杆件或板片被机械式地彼此连接，例如借助分隔单元(套筒)，这些分隔单元被设置在这些杆件或板片之间，且以螺钉或类似者被固紧。以此方式，可以获得用于支撑构件的结构，在一方面需要较少的材料，且在另一方面足够坚硬以抵抗不期望的扭转或弯折。
本发明的支撑系统可仅提供加热单元的机械式支撑，或是可被构形成既用于加热单元的机械式支撑又以电力对加热单元供电。
此外，有关新支撑系统的材料组成部分，特别是支撑构件及/或基底构件及/或铰链的构件，可包括以重量计至少90％的耐火金属。特别是，该耐火金属选自钨、钼、铌、钽、铼及它们的合金。该材料的一个实例为钨或钨的合金(以重量计至少90％的钨)，例如真空金属化钨合金，其除了包含钨外还包含少量的硅酸钾。该材料的另一实例为钼或钼合金(以重量计至少95％的钼)。
仅提供机械式支撑的支撑系统必须对基底电性隔离，在基底处支撑系统被分别地固定在加热系统的罩壳上。特别是，电性隔离可由氧化铝(Al2O3)或氮化硼(BN)或如氮化铝(AlN)或硅氮化铝(Silicon Alumina Nitride,SiAlON)等陶瓷材料等所提供。为了防止陶瓷被分解或蒸发，支撑系统必须被构形成使得在朝向电性绝缘部件的界面处的温度不会超1500℃至1600℃左右的温度。
本领域技术人员会了解到多种如何将加热单元连接至支撑构件的方法。这些方法包括绞线、夹持、焊接、螺锁、栓锁及类似者。针对额外提供电性触点的支撑系统，被选出的方法应确保在支撑构件及加热构件之间充分的表面接触，以便实现在支撑构件及加热单元之间适当的电性连接。
本发明还包括加热系统，其包括至少一个加热单元及至少一个依据本发明的支撑系统。该加热系统特别是可被构形成使得其能被用作MOCVD反应器中的加热器。
该新的加热系统的特征可以在于各加热单元包括两个支撑系统，支撑系统被构形成对加热单元提供电源供应，且这种支撑系统位于加热单元的两端。电源供应用支撑系统特别是也被构形用于加热单元的机械式支撑。此外，依据本发明的其他的支撑系统也是可能的，特别是仅用于加热单元的机械式支撑的支撑系统，这种支撑系统相对于加热单元的两端位于两个电源供应用支撑系统之间。
依据本发明，单个加热单元的不同的支撑系统各自的可移动方向源自共同的中心点，其中该中心点特别是可被选定成落在加热单元的延伸平面中。换言之，为了调整单个加热单元的不同的支撑系统，优选在加热单元的延伸平面中限定共同的中心点。从此中心点，各个支撑系统被对齐，使得其各自的可移动方向从该中心点沿径向朝外被定向。
有利的是，如在最广为人知的加热系统中，加热单元或多个加热单元的配置被配置成平面型构形。特别是对于MOCVD反应器，在US7645342中描述了其各种实例，该文献通过引用并入本文。在有利的实施例中，加热单元具有实质上圆形的构形，其在某点处中断，从而导致加热单元的第一端及第二端之间限定了小的中断。在第一端及第二端处，加热单元被电性地连接至电源。在优选的实施例中，提供电性触点的支撑系统被实施成刚性的固定的连接部。优选地，加热单元的两端之间的距离尽可能地小，当然它们必须被充分地分隔开，从而在操作期间，没有电性短路会发生。对此实施例而言，有利的是该中心点与加热单元的(中断的)圆形构形的两端之间的几何中点重叠或接近。因此，支撑系统的可移动方向从靠近(实质上为)圆形的加热单元的两端的点沿径向朝外被定向。
此外，该新的加热系统的特征可以在于：支撑构件的旋转轴线不与支撑构件的质心对齐，且在支撑构件上产生的旋转转矩造成在加热单元上产生沿加热单元的所想要的膨胀方向的力，即是沿着支撑构件的可移动方向上的弧段。如果本发明被使用在具有实质上圆形延伸部的加热系统中，有利的是支撑系统提供朝外(即自该中心点沿径向)的小力。为了防止加热单元的塑性变形，优选的是，由支撑系统所施加的力在加热单元的材料性质退化时而且在操作温度下不会超过加热单元材料的极限蠕性应力。
在有利的实施例中，该加热系统包括热屏蔽系统，热屏蔽系统包括一个或多个热屏蔽件，热屏蔽件被配置在加热单元的下方。在优选的实施例中，支撑构件延伸通过热屏蔽系统中的开口。相比之下，基底构件及铰链被配置在热屏蔽件装置的下方，且因而会被保护不受辐射热影响。
以上所提出的本发明的实施例可被自由地彼此组合。许多这些实施例可被组合，以便形成新的实施例。
附图说明
进一步就附图讨论本发明。这些图概略地显示如下：
图1为依据本发明的支撑系统的立体视图；
图2为依据本发明的加热系统的第一实施例的立体视图；
图3为新型加热系统的第二实施例的立体视图；及
图4为图3的加热系统的俯视图。
具体实施方式
依据图1中的实施例的支撑系统(100)包括细长的刚性支撑构件(111)，该支撑构件(111)具有远位端(112)及近位端(113)。加热单元(未被显示出)被装设在刚性支撑构件(111)的顶部，该加热单元的延伸部分限定延伸平面。支撑构件(111)的主要延伸部分沿高度方向z延伸，该高度方向垂直于加热单元的延伸平面。支撑构件还包括基底构件(121)，该基底构件(121)例如以螺钉或任何其他类型的机械式固定装置被固定在支撑板(未被显示出)上。支撑构件(111)及基底构件(121)经由铰链(131)被枢转式地连接，该铰链(131)在此特定的实施例中是以螺栓、突出销或类似者来实现的，铰链(131)的旋转轴线(132)沿着与高度方向z及可移动方向x垂直的大致刚性方向y定向。为了提供低摩擦，该铰链可以由同时提供电性绝缘的像是氧化铝(Al2O3)等硬的陶瓷材料或蓝宝石所制成。
旋转轴线(132)被配置成与支撑构件(111)的质心分隔开(在此特定的实施例中，该旋转轴线被配置在与支撑构件的远位端靠近的远位端部分中)，且相对于支撑构件(111)的主要延伸方向被非对称式地定位，以致由于支撑构件的重量，会产生支撑构件上的旋转转矩。这在加热单元上产生沿着加热单元的期望向外膨胀的方向的力。
在此实施例中，该支撑构件以两个杆件(111a、111b)来实现，这些杆件被配置成实质上是平行的定向，且在其远位端部分被铰接至基底构件。这些杆件经由各套筒(114)被机械式地附接至彼此，这些套筒被设置在这些杆件之间且是以螺钉或类似者被固定。优选地，套筒被非对称性地配置在相对于支撑构件(111)的主要延伸方向而言与旋转轴线(132)相反的方向上，以使套筒的额外重量能产生在想要的膨胀方向上的旋转转矩。此结构显著地阻挠该加热单元在刚性方向y上的位移。在加热期间，加热单元的尺寸增加，且当被配置成圆形的构形时，此情况的俯视图被显示在图4中，加热单元倾向于沿径向地朝外移动。为了减低加热单元内部的热诱发应力，依据本发明的支撑系统(100)提供加热单元在热膨胀期间相对于基底构件(121)移动的可能性。支撑构件(111)的近位端通过沿着在可移动方向x中的弧段的移动相对于基底构件(121)脱位。
虽然支撑构件(111)在该特定的实施例中被实现为延伸的线性物体，但是通常支撑构件(111)并不必要是直的构形，也不必要被配置成平行于高度方向z。然而，必须要确保加热单元可在可移动方向x上自由地移动。
基底构件的配置在该特定的实施例中至少部分地在高度方向上朝向支撑构件的近位端延伸，以便支撑构件具有极为紧凑的结构，以致相较于传统的设计，在加热单元及加热系统的底部表面之间仅需相当小的高度。
图2示出依据本发明的示例性加热系统，其包括两个加热单元(150、151)，两个加热单元可被个别地控制从而得到加热系统的温度曲线的较佳控制。加热单元(150、151)各自的端部分别被装设在两个固定的刚性的支撑系统(200、201)上。这些固定的支撑系统(200、201)在加热单元端部被构造成用于为加热单元供应电力。具有中断式圆形构形的较外侧的加热单元(150)额外被依据图1的柔性的支撑系统(100)机械式地支撑，该支撑系统包括支撑构件(111)及经由铰链(131)连接的基底构件(121)。支撑系统(100)构造成仅用于机械式支撑，且必须对用于装设支撑系统的基底电性绝缘，例如如果铰链是由电绝缘材料所制成的。有利的是，设置包括一个或叠层的热屏蔽件的热屏蔽系统(160)。热屏蔽件以通常为1mm至5mm的间隔被彼此靠近放置。它们被分隔单元保持在想要的位置。机械式支撑系统(100)的支撑构件以及用于电源供应的固定的刚性的支撑系统(200、201)延伸通过热屏蔽件中的开口。
图3示出示例性加热系统的另一实施例，加热系统包括加热单元(150)，加热单元具有中断式圆形构形且分别在其端部被装设在两个固定的刚性的支撑系统(200)上。这些固定的支撑系统(200)在加热单元端部处为加热单元提供电力。加热丝的端部之间的距离被保持成在加热系统操作期间不会造成短路的情况下尽可能地小。数个包括铰链的柔性支撑系统(100)被提供用于加热单元的机械式支撑，且对用于装设支撑系统的基底电性绝缘。为了清楚起见，加热屏蔽系统并未被显示在图3中。
图4显示图3中的加热系统的俯视图，并示出支撑系统(100)的可移动方向x的定向。在此实施例中，不同的支撑系统(100)各自的可移动方向源自加热单元的(中断式)圆形构形的两端之间的几何中点，且被定向在加热单元径向朝外的延伸平面中。
应该容易了解到本发明并不限于这些特定的实施例，对加热系统而言，当然可应用支撑系统的不同的实施例，且支撑系统的其他实施例是可能的。特别是，电供应支撑系统(200)可以由包括铰链的柔性支撑系统实现。

Claims (21)

1.一种用于支撑加热单元(150、151)的支撑系统(100)，包括：
支撑构件(111)，所述支撑构件具有实质上沿高度方向延伸的主要延伸方向以及近位端(113)及远位端(112)，所述近位端(113)适用于支撑所述加热单元(150、151)；以及
基底构件(121)，所述基底构件经由至少一个铰链(131)被连接至所述支撑构件(111)的远位端部分，所述远位端部分被配置在所述近位端(113)的远侧；
其中，所述支撑构件(111)能够相对于所述基底构件(121)绕着旋转轴线(132)枢转，所述旋转轴线定向成平行于刚性方向，所述刚性方向垂直于可移动方向且垂直于高度方向，并且
所述可移动方向由垂直于所述高度方向的方向限定。
2.根据权利要求1所述的支撑系统，其特征在于所述旋转轴线(132)被配置成与所述支撑构件的质心分隔开。
3.根据权利要求1所述的支撑系统，其特征在于所述旋转轴线(132)在所述高度方向及/或所述可移动方向上被配置成与所述支撑构件的质心分隔开。
4.根据权利要求2所述的支撑系统，其特征在于所述旋转轴线(132)在所述高度方向及/或所述可移动方向上被配置成与所述支撑构件的质心分隔开。
5.根据权利要求1所述的支撑系统，其特征在于所述基底构件在所述高度方向上至少部分地从所述远位端部分朝向所述近位端(113)延伸。
6.根据权利要求2所述的支撑系统，其特征在于所述基底构件在所述高度方向上至少部分地从所述远位端部分朝向所述近位端(113)延伸。
7.根据权利要求3所述的支撑系统，其特征在于所述基底构件在所述高度方向上至少部分地从所述远位端部分朝向所述近位端(113)延伸。
8.根据权利要求4所述的支撑系统，其特征在于所述基底构件在所述高度方向上至少部分地从所述远位端部分朝向所述近位端(113)延伸。
9.根据权利要求1所述的支撑系统，其特征在于所述支撑构件(111)包括被配置在实质上平行的定向上的两个或更多个杆件(111a、111b)。
10.根据权利要求2所述的支撑系统，其特征在于所述支撑构件(111)包括被配置在实质上平行的定向上的两个或更多个杆件(111a、111b)。
11.根据权利要求3所述的支撑系统，其特征在于所述支撑构件(111)包括被配置在实质上平行的定向上的两个或更多个杆件(111a、111b)。
12.根据权利要求4所述的支撑系统，其特征在于所述支撑构件(111)包括被配置在实质上平行的定向上的两个或更多个杆件(111a、111b)。
13.根据权利要求5所述的支撑系统，其特征在于所述支撑构件(111)包括被配置在实质上平行的定向上的两个或更多个杆件(111a、111b)。
14.根据权利要求6所述的支撑系统，其特征在于所述支撑构件(111)包括被配置在实质上平行的定向上的两个或更多个杆件(111a、111b)。
15.根据权利要求7所述的支撑系统，其特征在于所述支撑构件(111)包括被配置在实质上平行的定向上的两个或更多个杆件(111a、111b)。
16.根据权利要求8所述的支撑系统，其特征在于所述支撑构件(111)包括被配置在实质上平行的定向上的两个或更多个杆件(111a、111b)。
17.根据权利要求1至16项中任一项所述的支撑系统，其特征在于所述支撑构件及/或所述基底构件的材料包括以重量计至少90％的耐火金属。
18.根据权利要求17所述的支撑系统，其特征在于所述耐火金属选自钨、钼、钽、铼、铌及它们的合金。
19.一种加热系统，包括至少一个加热单元(150、151)及至少一个根据权利要求1至18项中任一项所述的支撑系统(100)。
20.根据权利要求19所述的加热系统，其特征在于所述支撑系统(100)被定向成不同的支撑系统(100)各自的可移动方向源自共同的中心点。
21.根据权利要求19或20所述的加热系统，其特征在于所述加热系统还包括热屏蔽系统(160)，所述热屏蔽系统被配置在所述加热单元(150、151)的下方且在所述铰链(131)及所述基底构件(121)的上方，且所述热屏蔽系统具有开口，所述支撑系统(100)的支撑构件可延伸穿过各所述开口。
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