DE69025955T2

DE69025955T2 - Hochtemperatur-diffusionsofen

Info

Publication number: DE69025955T2
Application number: DE69025955T
Authority: DE
Inventors: Ronald Erickson; William Mcentire
Original assignee: Thermtec Inc
Current assignee: Thermtec Inc
Priority date: 1990-02-06
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2010-12-21
Also published as: US5095192A; US5038019A; JP3104992B2; DE69033302D1; EP0514407B2; EP0514407A1; EP0683622B1; EP0683622A3; DE69033302T3; EP0683622B2; EP0514407A4; DE69033302T2; DE69025955T3; EP0683622A2; EP0514407B1; JPH05504227A; WO1991012477A1; DE69025955D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Diffusionsofen, wie er z.B. in der Halbleiterindustrie eingesetzt wird, um Halbleiterwafer zu erhitzen, sodaß die Wafer beispielsweise mit einem geeigneten Material dotiert werden können.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Hochtemperatur-Diffusionsöfen sind in der Halbleiterindustrie allgemein bekannt. Die Wärmebehandlung in Hochtemperatur-Diffusionsöfen ist ein Teil des Herstellungsverfahrens von Siliziumwafern, wodurch z.B. Dotierungselemente wie Bor in die Molekülstruktur des Halbleitermaterials eingeführt werden können. Die Heizzyklen der Öfen müssen hinsichtlich Zeit und Temperatur präzise gesteuert werden. Es ist auch erforderlich, daß der Diffusionsofen ausreichend haltbar ist, um wiederholten Heiz- und Kühlzyklen standzuhalten. Für das Herstellungsverfahren ist es weiters wichtig, daß der Diffusionsofen die gewünschte Temperatur rasch erreichen, über einen vorbestimmten Zeitraum beibehalten und schnell auf den gewünschten Wert verringern kann.

Ofen konstruktion:

Aufgrund der obigen Bedingungen muß die Konstruktion des Diffusionsofens darauf abzielen, (1) die Masse des Diffusionsofens zu verringern und (2) die Heizelemenete so weit wie möglich freizulegen, sodaß die gewünschten Höchsttemperaturen erreicht werden können und die Masse des Ofens dessen wirkungsvollen Betrieb nicht beeinträchtigt. Weiters ist es wichtig, daß die Masse des Ofens ausreicht, um die restliche Umgebung zu isolieren. Außerdem sollten die Heizelemente zweckmäßig positioniert und eingeschränkt sein, damit sie nicht anschwellen, wie dies unten beschrieben ist, und ihre Funktion nicht einbüßen, was teuren Ersatz erforderlich macht und wodurch Schaden für die Halbleiterprodukte entsteht.
In der Praxis weisen die in der Halbleiterindustrie verwendeten Diffusionsöfen im wesentlichen zylindrische Form auf. Alle Diffusionsöfen sind mit einem Prozeßrohr ausgestattet, in dem die Siliziumwafer verarbeitet werden. Das Prozeßrohr besteht aus Quarz, Polysilizium, Siliziumcarbid oder Keramik. Das Prozeßrohr 21 ist wie in Fig. 1 dargestellt in den Diffusionsofen eingesetzt.
Die einer Wärmebehandlung zu unterziehenden Siliziumwafer werden in kleine, aus Quarz, Polysilizium, Siliziumcarbid oder Keramik bestehende Schiffchen gesetzt und entweder manuell oder automatisch in das Prozeßrohr eingebracht.
Bestehende Diffusionsöfen 20 umfassen ein metallisches Außengehäuse 22, das üblicherweise aus rostfreiem Stahl oder Aluminium besteht, und Innenschichten 24 aus Isoliermaterialien, wie z.B. Keramikfasern. Mehrere schraubenförmige Heizelemente 26, 28 und 30 sind aneinander befestigt, um ein fortlaufendes Element zu bilden, wobei das mittlere Heizelement bei optimaler Temperatur betrieben wird und die Endheizelemente 26, 30 bei einer Temperatur betrieben werden, die ausreicht, Verluste aus dem Ofenende auszugleichen und sämtliche Gase, die in den Ofen einströmen, vorzuheizen. Das Heizelement ist im allgemeinen ein schraubenförmig gewickelter Widerstandsheizdraht aus einer Chrom-Aluminium-Eisen-Legierung. Der Draht ist im allgemeinen von schwerer Qualität (0,734 bis 0,953 cm oder 0,289 bis 0,375 Zoll im Durchmesser), um die Lebensdauer des Heizelements bei hohen Temperaturen zu verlängern.
Die höchstzulässige Betriebstemperatur der Heizelementlegierung beträgt 1.400ºC. Da zwischen dem Heizelement und dem Inneren des Prozeßrohrs eine Temperaturdifferenz besteht, werden Diffusionsöfen normalerweise bei einer maximalen Rrozeßkammer- Betriebstemperatur von 1.300ºC betrieben.

Heizelement-Abstandhalter:

Keramische Abstandhalter, wie z.B. die Abstandhalter 32 und 34 in den Fig. 2, 3 und 4, dienen dazu, die einzelnen Wicklungen, Windungen oder Schleifen des schraubenförmigen Heizelements voneinander zu trennen und in Position zu halten. Die Aufrechterhaltung des richtigen Abstands zwischen jeder Wicklung oder Windung ist für den Betrieb des Ofens entscheidend, der normalerweise eine maximale Temperaturdifferenz von nicht mehr als ± ½ºC über die gesamte Länge der mittleren Zone erfordert. Es kann zu elektrischen Kurzschlüssen zwischen Wicklungen und zur Beeinträchtigung der gleichmäßigen Wärmeverteilung kommen, wenn sich die Zwischenräume zwischen den Windungen oder Schleifen ändern.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist ein erster Typ von Abstandhalter 32 als kammartiger Abstandhalter bekannt. Dieser kammartige Abstandhalter definiert mehrere Ausnehmungen 38, von denen jede eine Windung oder eine einzelne Wicklung des schraubenförmigen Heizelements aufnehmen kann. Mehrere Abstandhalter 32 sind über die Länge des Ofens 20 aneinandergefügt, um die gesamte Länge des schraubenförmigen Heizelements zu stützen. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, sind die keramischen Abstandhalter 32 am Umfang um den Innendurchmesser des Diffusionsofens 20 herum positioniert, um die Wicklung am Umfang abzustützen.
Fig. 3 zeigt einen eigenen Typ von Abstandhalter 34, der ebenfalls für schraubenförmige Heizelemente verwendet wird. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, wo mehrere Abstandhalter 34 zusammengehalten werden, um das schraubenförmige Heizelement in Position zu halten, definiert jeder einzelne Abstandhalter 34 eine erste und zweite Drahthalterungsausnehmung 40, 42. Jede dieser Ausnehmungen definiert die Häfte eines Hohlraums zum Festhalten einer Drahtschleife des Heizelements. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, wird somit die Schleife 44 zwischen der Drahthaltrungsausnehmung 40 und der Drahthalterungsausnehmung 42 von zwei angrenzenden einzelnen Abstandhaltern 34 festgehalten. Diese Abstandhalter 34 stoßen aneinander an.
Im allgemeien umfaßt die Isolierung 24 ein Keramikfaser-Isoliermaterial aus 50% Aluminiumoxid und 50% Siliziumoxid bzw. Siliziumoxid. Dieses Isoliermaterial wird auf die Außenwand des Heizelements aufgebracht, nachdem die Windungen innerhalb der Abstandhalter positioniert wurden. Die Isolierung wird entweder als nasse oder trockene Hülle aufgebracht, die um das Heizelement herum gewickelt wird, oder sie wird im Vakuum um das Element herum ausgebildet. Nach dem Trocknen der Isolierung hält diese jeden Abstandhalter und - in Kombination mit dem Abstandhalter - jede Windung oder Wicklung des schraubenförmigen Heizelements in der richtigen Ausrichtung.
Es ist bekannt, daß sich nach der Inbetriebnahme von Öfen und im allgemeinen nach acht- bis zehnstündigem Betrieb bei einer Mindesttemperatur von etwa 1.000ºC auf der Oberfläche der Heizelemente ein Aluminiumoxid-Überzug bildet. Die Aluminiumoxid- Schicht (oder der Aluminiumoxid-Überzug) ist dadurch vorteilhaft, daß sie (er) die Wärmeausdehnung des Heizelements bei hohen Temperaturen verzögert, die Ansammlung von Schmutzstoffen auf der Oberfläche der Heizelemente verhindert und diese vor übermäßiger Oxidation bewahrt.
Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, befinden sich an beiden Enden des Ofens 20 Vorhöfe 46, 48. Die Vorhöfe 46, 48 sind mit Ansenkungen versehen, um die Endblöcke 60, 62 aufzunehmen, deren Größe an das Prozeßrohr 21 angepaßt ist. Das Prozeßrohr 21 wird beidseitig von den Endblökcen 60, 62 gestützt. Die Schiffchen 54, die das Siliziumwafer 56 enthalten, werden zur Bearbeitung in das Prozeßrohr 21 eingebracht. Die Schiffchen 54 können manuell oder automatisch in das Prozeßrohr 21 eingeschoben bzw. im Prozeßrohr auf freitragenden Stützarmen 59 aus Siliziumcarbid oder aus Keramik und Quarz aufgehängt werden.
Wie bereits erwähnt, beträgt die Betriebstemperatur des Ofens im allgemeinen mehr als 1.000ºC. Die Ofentemperatur schwankt zyklisch zwischen Temperaturen von etwa 800ºC, wenn die Schiffchen in das Prozeßrohr des Ofens eingebracht werden, und von mehr als 1.000ºC während des Hauptbetriebs. Eine genaue Temperatursteuerung über die gesamte Ofenlänge ist entscheidend. Wie ebenfalls oben erwähnt, ist es äußerst wichtig, daß die Öfen die Betriebstemperatur rasch erreichen und nach Betrieb schnell abkühlen.
Funktionsstörungen dieser früheren Öfen 20 sind auf folgende Faktoren zurückzuführen: die Öfen können das Anschwellen bzw. Ausdehnen des Heizelements nicht eindämmen oder das Versagen der Keramikfaser-Isolierung verhindern, und die Abstandhalter können den Abstand der einzelnen Wicklungen des Heizelements nicht genau einhalten; der kombinierte Effekt dieser Phänomene führt zum Durchhängen der Wicklungen. Beim Durchhängen der Wicklungen berühren die einzelnen Wicklungen einander und bewirken einen Kurzschluß oder berühren das Prozeßrohr, was entweder einen Kuzschluß bewirkt, wenn das Rohr aus leitendem Material besteht, oder zum Bruch des Rohres führt, wenn das Rohr aus Quarz oder Keramik besteht.

Anschwellen des Heizelements:

Hinsichtlich des Anschwellens der Heizelemente 26, 28, 30 ist zu beachten, daß die auf der Außenwand der Elemente gebildete Aluminiumoxid-Schicht einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als die Elementlegierung selbst. Mit dem Absinken der Temperatur der Elemente ziehen sich die sowohl Aluminiumoxid-Schicht als auch die Elemente zusammen, doch natürlich nicht mit gleicher Geschwindigkeit. Der niedrigere Ausdehnungskoeffizient der Aluminiumoxid-Schicht bewirkt, daß sich Zugspannungen in den Heizelementen und Druckspannungen in der Aluminiumoxid- Schicht bilden. In ähnlicher Weise dehnen sich beim Ansteigen der Temperatur die Oxidschicht und die Elemente jeweils aus, aber wiederum mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Der niedrigere Ausdehnungskoeffizient der Aluminiumoxid-Schicht bewirkt, daß Druckspannungen im Heizelement und Zugspannungen im Aluminiumoxid entstehen. Diese Spannungen haben zwei Auswirkungen. Erstens ist zu beachten, daß die Aluminiumoxid-Schicht eine geringe Beständigkeit gegenüber Zugspannung aufweist. Mit Zunahme der Temperatur bilden sich daher Risse in der Aluminiumoxid-Schicht. Diese Risse in der Aluminiumoxid-Schicht verringern die Fähigkeit der Schichten, die Drahtausdehnung zu verzögern. Zweitens bildet sich bei jedem Anstieg der Temperatur des Elements auf über 1.000ºC weiteres Oxid. Das neue Oxid füllt die Risse in der ursprünglichen Aluminiumoxid-Schicht aus und blockiert dadurch das Heizelement, was den Beginn des Anschwellens bedeutet. Dieses Phänomen der Risse in der Aluminiumoxid-Schicht, des Anschwellens des Heizelements und des anschließenden Ausfüllens der Risse wiederholt sich mit jedem Temperaturzyklus. Extreme und rasche Temperaturwechsel erhöhen die Anzahl der Risse in der Aluminiumoxid-Schicht.
Je höher die Betriebstemperatur des Heizelements, desto größer seine Wärmeausdehnung, was die Rißbildung in der Aluminiumoxid-Schicht weiter verstärkt. Mit zunehmender Rißanzahl in der Oxidschicht kommt es zu einem beschleunigten Anschwellen des Heizelements. Das Anschwellen des Heizelements ist aufgrund des Durchhängens der Heizelemente verständlicherweise eine Hauptursache für verfrühte Funktionsstörungen des Heizelements in derartigen Diffusionsöfen und insbesondere in Hochtemperatur-Öfen mit großem Durchmesser.

Isolierung:

Betriebsstörungen des Diffusionsofens 20 werden weiters durch Defekte des Isoliermaterials gefördert. Die Keramikfaser im Isoliermaterial, das die Abstandhalter in der richtigen Position hält, weist auch gewisse Eigenschaften auf, die zur Betriebsstörung des Ofens und insbesondere des Heizelements beitragen. Als erstes schrumpft die Isolierung bei hohen Temperaturen. Bei 1.000ºC beträgt die Schrumpfung etwa 0,4%, während bei 1.300ºC die Schrumpfung 3,0% übersteigen kann. Zweitens kommt es bei hohen Temperaturen zu einer Entglasung der Isolierung.
Unter Entglasung ist zu verstehen, daß die Fasern der Keramikisolierung zusammenbrechen und eine kristalline Struktur annehmen. Drittens verlieren die Fasern bei 500ºC an Federkraft. Die Federkraft ist die Fähigkeit der Fasern, nach dem Zusammendrücken rasch in ihren ursprünglichen Zustand zurückzuschnellen. Die Federkraft beträgt bei einer Temperatur von etwa 480ºC 80%. Der Federkraftsverlust nimmt bei Temperaturen von über 480ºC zu, und bei 900ºC beträgt die Federkraif nur noch etwa 50%.

Funktionsstörung des Heizelements:

Mit zunehmender Temperatur des Ofens schwillt auch das Heizelement an; ebenso steigen die Entglasungsgeschwindigkeit, die Schrumpfung und der Federkraftsverlust der Isolierung. Mit dem Anschwellen der Wicklungen reiben diese gegen die Isolierung und zermahlen die Keramikfasern zu Pulver. Die Pulverisierung der Isolierung beseitigt deren Fähigkeit, das Anschwellen des Heizelements zu verlangsamen, und kann überdies den Ofen mit pulverförmigem Material verunreinigen. Die Kombination von Anschwellen der Wicklungen und Versagen der Isolierung bewirkt schließlich ein Lockern der Abstandhalter, die die einzelnen Wicklungen des Heizelements in Position halten. Durch die Verschlechterung der Isolierung und deren Fähigkeit, die Abstandhalter in Position zu halten, können die einzelnen Abstandhalter aus ihrer Position zwischen den einzelnen Wicklungen fallen, wodurch das Heizelement weiter anschwillt, sich verformt oder Knicke bekommt. Das Gewicht des Heizelements selbst bewirkt dann möglicherweise, daß das Element und die Abstandhalter durchhängen, wodurch es zu der oben erwähnten Funktionsstörung kommt.
Gegenwärtige Abstand halter-Konstruktionen, wie z. B. die Abstand halter nach dem Stand der Technik aus Fig. 2 und 3, können die Lebensdauer des Heizelements nicht zufriedenstellend verlängern. Der einzelne Abstandhalter (Fig. 3) kann die Wicklung wirkungsvoller in den Ausnehmungen halten als der kammartige Abstandhalter (Fig. 2). Sobald jedoch die Integrität der Isolierung beeinträchtigt ist, könnte dies zu einer Fehlausrichtung der einzelnen Abstandhalter in bezug auf die angrenzenden Abstandhalter führen.
Die Verwendung mehrerer Abstandhalter könnte die Wicklung effizient physikalisch festhalten. Die Verwendung zusätzlicher Abstandhalter vergrößert jedoch die Masse um das Heizelement herum. Eine größere Masse um das Heizelement herum läßt dieses weniger stark auf jene Erwärmungs- und Abkühlungszyklen ansprechen, die zur Halbleiterherstellung erforderlich sind. Einige Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zielten darauf ab, die Wicklung in bezug auf die Abstandhalter zu zementieren. Dies erhöhte jedoch die Temperaturdifferenz zwischen dem Heizelement und jenem Abschnitt der Kammer, in dem sich die Wafer befinden. Diese Temperaturdifferenz bedeutet, daß der Ofen möglicherweise nicht imstande ist, die für das Herstellungsverfahren erforderlichen Temperaturwerte zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung soll einige der Probleme gemäß dem Stand der Technik lösen.
Die Erfindung liefert einen Elektroofen mit einem elektrischen Heizelement und einer Isolierung, die das Heizelement abdeckt, wobei die Isolierung zumindest eine erste Schicht, die angrenzend an das Heizelement angeordnet ist und aus zumindest 75% Aluminiumoxid und zum restlichen Teil (25% oder weniger) aus Siliziumoxid besteht, und zumindest eine andere Schicht umfaßt, die über der ersten Schicht angeordnet ist und zu etwa 50% Aluminiumoxid und 50% aus Siliziumoxid besteht.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die erste Schicht aus zumindest 95% Aluminiumoxid und der Rest aus Siliziumoxid, und eine zweite Schicht, die ebenfalls aus zumindest 95% Aluminiumoxid und zum Rest aus Siliziumoxid besteht, ist zwischen der ersten und der anderen Schicht positioniert.
In einer vorteilhaften weiteren Ausführungsform ist ein weiteres vorgeschlagenes Merkmal das Vorsehen einer Vielzahl an Abstandhaltern nach Anspruch 8 zum Festhalten des Heizelements, um dem spiralförmigen Heizelement eine starrere Stütze zu bieten und das Anschwellen des Elements auf annehmbare Werte zu verringern.
Ein erfindungsgemäßer Ofen besitzt eine längere Lebensdauer und kann über eine Vielzahl an Hochtemperatur-Zyklen betrieben werden. Insbesondere kann die vorgesehene Isolierung die Hochtemperatur-Zyklen schadlos überstehen, wodurch die Lebensdauer des Heizelements und des Ofens verlängert wird.
Der Jochmechanismus jedes Abstandhalters umfaßt vorzugsweise einen ersten und zweiten beabstandeten Fortsatz, die sich in eine erste Richtung erstrecken, und der Eingriffsmechanismus jedes Abstandhalters umfaßt vorzugsweise einen dritten und vierten beabstandeten Fortsatz, die sich in eine andere Richtung erstrecken. Der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Fortsatz und der Abstand zwischen dem dritten und vierten Fortsatz sind vorzugsweise so gewählt, daß der erste und zweite Fortsatz des Jochmechanismus des Abstandhalters zwischen den dritten und vierten Fortsatz des Eingriffsmechanismus eines anderen Abstandhalters passen können. Somit greift ein Abstandhalter in den nächsten Abstandhalter ein, und ein Joch ist um jeden Draht des Heizelements herum angeordnet, um den Draht wirkungsvoll in Position zu halten und ein Durchhängen oder andere Bewegungen des Drahts zu verhindern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Fig. 1 ist eine seitliche Schnittansicht eines Ofens gemäß dem Stand der Technik
Fig. 2 ist eine Seiten- und eine Endansicht eines kammartigen Abstandhalters gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 3 ist eine Seiten- und eine Endansicht eines einzelnen Abstandhalters gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 4 ist eine Fig. 1 ähnelnde Teilschnittansicht eines Ofens gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung der einzelnen Abstandhalter aus Fig. 3.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5-5 aus Fig. 4.
Fig. 6 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform des im erfindungsgemäßen Ofen verwendeten Abstandhalters.
Fig. 7 ist eine Endansicht der Ausführungsform aus Fig. 6.
Fig. 8 zeigt die Abstandhalter aus Fig. 6 und 7, die miteinander verbunden wurden.
Fig. 9, 10 und 11 zeigen weitere Ausführungsformen von im erfindungsgemäßen Ofen verwendeten Abstandhaltern, die miteinander verbunden wurden.
Fig. 12 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Ofens.
Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht des Ofens entlang der Linie 13-13.
Fig. 14 ist eine vergrößerte Ansicht mehrerer im erfindungsgemäßen Ofen verwendeter Abstandhalter, umfassend einen Draht des Heizelements, der in der Isolierung eingebettet ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ein erfindungsgemäßer Ofen 70 ist allgemein in Fig. 12 und 13 dargestellt. Der Ofen 70 umfaßt ein Heizelement 72, das von der Isolierung 74 umgeben ist, die ihrerseits von einem Gehäuse 76 umgeben ist. Wie in Fig. 12 zu erkennen, endet der Ofen in einem Vorhof 78. Ein elektrischer Anschluß 80 ist durch das Gehäuse 76 hindurch vorgesehen, sodaß geeignete elektrische Leiterdrähte mit dem Ofen verbunden werden können, um dem Heizelement 72 den geeigneten Strom zuzuführen. Man beachte, daß diese Art von Ofen, der als Diffusionsofen in der Halbleiterindustrie verwendet wird, ein Ofen mit geringer Spannung und hoher Amperezahl ist, der in einem Strombereich von 70- 130 A betrieben wird.
Wie aus Fig. 13 ersichtlich, sind zehn Reihen 82 von Abstandhaltern 84 in im wesentlichen gleichem Abstand entlang des Umfangs um das schraubenförmige Heizelement 72 herum angeordnet. Die Abstandhalter, die weiter unten ausführlicher beschrieben werden, dienen dazu, die Position der einzelnen Schleifen bzw. Wicklungen 102 des Heizelements 72 beizubehalten. Je größer der Durchmesser des Ofens, desto mehr Reihen 82 der Abstandhalter 84 sind erforderlich, um die Position des Heizelements 72 beizubehalten. Bei einem Heizelement mit einem Innendurchmesser zwischen 7,62 und 12,70 cm (3 und 5 Zoll) werden somit im allgemeinen vier Reihen von Abstandhaltern verwendet, bei einem Heizelement mit einem Innendurchmesser zwischen 12,70 und 20,32 cm (5 und 8 Zoll) sechs Reihen von Abstandhaltern, bei einem Heizelement mit einem Innendurchmesser zwischen 20,32 und 25,4 cm (8 und 10 Zoll) acht Reihen von Abstandhaltern, bei einem Innendurchmesser zwischen 25,4 und 31,75 cm (10 und 12½ Zoll) zehn Reihen von Abstandhaltern, bei einem Heizelement mit einem Innendurchmesser zwischen 31,75 und 38,10 cm (12½ und 15 Zoll) zwölf Reihen von Abstandhaltern und bei einem Heizelement mit einem Innendurchmesser von mehr als 38,10 cm (15 Zoll) 14 Reihen von Abstandhaltern.
Die spezielle Konstruktion des Abstandhalters 84 ist in Fig. 6, 7 und 14 ausführlicher dargestellt. In Fig. 6 umfaßt der Abstandhalter 84 einen langgestreckten Mittelkörper 86. Ein erster Jochmechanismus 88 erstreckt sich in einer ersten Richtung weg vom Mittelkörper 86. Ein zweiter Eingriffsmechanismus 90 erstreckt sich in einer zweiten Richtung vom Mittelkörper 86 weg. Der Jochmechanismus 88 umfaßt einen ersten und zweiten Fortsatz 92, 94, die in einer bevorzugten Ausführungsform im wesentlichen parallel sind und sich in einer ersten Richtung erstrecken. Der zweite Eingriffsmechanismus 90 umfaßt einen dritten und vierten Fortsatz 96, 98, die im wesentlichen parallel sind und sich in eine Richtung erstrecken, die in einem Winkel von 180º entgegengesetzt zum ersten und zweiten Fortsatz 92, 94 verläuft. Der erste und zweite Fortsatz 92, 94 sowie der dritte und vierte Fortsatz 96, 98 sind in einer bevorzugten Ausführungsform alle parallel zueinander. Der erste und zweite Fortsatz 92, 94 des Jochmechanismus 88 definieren dazwischen eine U-förmige Ausnehmung 100, die eine einzelne Schleife bzw. Wicklung 102 des Heizelements 72 aufnehmen kann.
Der erste und zweite Fortsatz 92, 94 definieren Außenseiten 106, 108, während der dritte und vierte Fortsatz 96, 98 Innenseiten 110, 112 definieren. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, ist der Abstand zwischen den Außenseiten 106, 108 geringer als der Abstand zwischen den Innenseiten 110, 112, sodaß ein Jochmechanismus 88 eines Abstandhalters, wie z.B. Abstandhalter 84, in einen Eingriffsmechanismus 90 eines angrenzend positionierten Abstandhalters 114 passen kann. Bei der in Fig. 8 gezeigten Konfiguration wirken der Jochmechanismus 88 und der Eingriffsmechanismus 90 zusammen, um die Wicklung bzw. Schleife 102 in Position zu halten. Im Falle von Ausdehnungen im Ofen - selbst während des Erhitzens - können sich die keramischen Abstandhalter 84, 114 relativ zueinander verschieben und weiterhin die ineinandergreifende Beziehung zueinander aufrechterhalten. Nach dem Abkühlen befindet sich also die Schleife 102 noch immer in vorteilhafter Position.
Um die Positionierung des Abstandhalters 84 angrenzend zum Abstandhalter 114 sicherzustellen, kann ein Hochtemperatur-Faden dazu verwendet werden, die Abstandhalter miteinander zu verschnüren bzw. zu vernähen. Dieser Faden 116 wird durch in den keramischen Abstandhaltern 84, 114 vorgesehene Öffnungen 118, 120 hindurch gefädelt bzw. geschnürt. In einer bevorzugten Ausführungsform könnte dieser Faden ein unter dem Markennamen "NEXTEL" vertriebenes Produkt von 3M sein.
Andere Ausführungsformen der Abstandhalter sind in den Fig. 9, 10 und 11 dargestellt. In Fig. 9 sind die Außenwände des ersten und zweiten Fortsatzes 122, 124 des Jochendes 126 nach innen geneigt, wobei die Innenwände des dritten und vierten Fortsatzes 128, 130 des Eingriffsmechanismus 132 ebenfalls entsprechend nach innen geneigt sind. Eine solche Anordnung vereinfacht das Einsetzen eines Abstandhalters in den nächsten.
In Fig. 10 sind die Außenseiten des ersten und zweiten Fortsatzes 134, 136 des Jochmechanismus 138 nach außen geneigt, und die Innenseiten des dritten und vierten Fortsatzes 140, 142 des Eingriffsmechanismus 144 sind ebenfalls nach außen geneigt. Eine solche Anordnung bietet den großen Vorteil, daß, sobald angrenzende Abstandhalter, wie in Fig. 10 dargestellt, in ineinandergreifender Weise positioniert sind, die Ausdehnung des Heizelements diese Abstandhalter nur dann auseinanderziehen kann, wenn die Dehnungskräfte groß genug sind, um die keramischen Abstandhalter zu zerbrechen. Eine solche Anordnung wäre etwas schwieriger zusammenzusetzen als die Anordnungen aus Fig. 8 und 9, da die Abstandhalter durch seitliches Verschieben relativ zueinander zusammengesetzt werden müßten.
Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform des Abstandhalters, worin ineinandergreifende Erhebungen 146 in Laufspuren 148 passen, um den Jochmechanismus eines Abstandhalters am Eingriffsmechanismus eines angrenzenden Abstandhalters zu befestigen. Der Zusammenbau einer solchen Anordnung würde jener ähneln, die für die Ausführungsform aus Fig. 10 erforderlich ist. Eine bestimmte Ausdehnung ist in dieser Ausführungsform möglich, da sich die Erhebungen 146 in den Laufspuren 148 bewegen können, wodurch sich angrenzende Abstandhalter relativ zueinander bewegen können.
In Fig. 12, 13 und 14 ist die Isolierung dargestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird nach der Bildung des Heizelements 72 eine erste dünne Isolierschicht über den Heizelementen 72 aufgetragen. Diese Isolierung besteht zumindest zu 75% aus Aluminiumoxid und zum restlichen Teil aus Siliziumoxid. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die optimale Kombination zumindest zu 95% aus Aluminiumoxid und zum Rest aus Siliziumoxid; die Dicke beträgt 1,97 cm (3/4 Zoll). Diese dünne Isolierschicht kann auf unterschiedliche Weise gebildet werden, darunter nach auf dem Gebiet bekannten Naß- und Trockenverfahren. Bei einem Naßverfahren wird eine Materialhülle gebildet und dann Streifen der Hülle längsseitig entlang des Heizelements zwischen die Abstandhalter gelegt. Eine zweite Schicht dient dann dazu, die erste Schicht und die Abstandhalter abzudecken.
Alternativ dazu kann diese Isolierschicht auch unter Vakuum auf dem Heizelement ausgebildet werden. Wie aus Fig. 12, 13 und 14 ersichtlich, bedeckt die erste Schicht 150 einen Teil der Abstandhalter 103, 105 und schließt jenen Teil des äußeren Umfangs der Wicklung 102 ein, die von der Heizkammer weg weist. Wenn die Isolierung als nasse Hülle gebildet wird, wird mit Hilfe eines Walzwerkzeugs die Isolierung zwischen die Abstandhalter und die Schleifen des Heizelements 72 gepreßt. Wie aus Fig. 12 ersichtlich, ist das Ende der Isolierung um das Ende der Wicklung 151 gewunden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine zweite dünne Schicht eines Isoliermaterials 152 längsseitigen jedoch in überlappender Weise auf die erste Schicht des Isoliermaterials aufgebracht. In dieser bevorzugten Ausführungsform besteht die zweite Isolierschicht zumindest aus 75% Aluminiumoxid und zum restlichen Teil aus Siliziumoxid. Vorzugs- und optimalerweise besteht die zweite Isolierschicht aus zumindest 95% Aluminiumoxid und zum restlichen Teil aus Siliziumoxid. Nach dem Aufbringen dieser zweiten Schicht in ähnlicher Weise wie oben werden eine dritte und nachfolgende Schichten 154 auf die erste Lind zweite Schicht aufgebracht. Diese nachfolgenden Schichten bestehen aus herkömmlichem Isoliermaterial, das 50% Aluminiumoxid und 50% Siliziumoxid enthält. Sobald dies erreicht ist, wird das Gehäuse 76, das in einer bevorzugten Ausführungsform aus rostfreiem Stahl besteht, auf die Außenschicht der Isolierung 154 so aufgebracht, daß die Isolierung von einer Dichte von etwa 0,16 g/cm³ (10 Pfund pro Fuß³) auf eine Dichte von etwa 0,22 bis 0,29 g/cm³ (14 bis 18 Pfund pro Fuß³) komprimiert wird. Diese Kompression hält das Heizelement, die Abstandhalter und die Isolierung als starre Einheit zusammen. Wenn die Isolierung als nasse Hülle aufgebracht wurde, werden die Heizelemente mit Energie versorgt, um die Isolierung auszutrocknen.
Eine Isolierung mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt, wie jene oben beschriebene, weist unter 1.200ºC keine Schrumpfung und bei 1.300ºC nur eine Schrumpfung von etwa 1% auf. Die Formulierung mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt behält bei 930ºC 80% der Federkraft und bei 1.260ºC 50% der Federkraft bei. Man beachte, daß das vorliegende Aluminiumoxid/Siliziumoxid-Hauptmaterial mit 95% Aluminiumoxid und 5% Siliziumoxid bis zu einer Temperatur von 1.650ºC wirkungsvoll ist. Hingegen ist Hauptmaterial, das aus 50% Aluminiumoxid und 50% Siliziumoxid besteht, nur bis zu 1.300ºC wirkungsvoll.
Ein Nachteil der Faser mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt liegt allerdings darin, daß sie derzeit etwa 26-mal so viel kostet wie die zurzeit verwendete Formulierung aus 50% Aluminiumoxid und 50% Siliziumoxid. Daher ist die Isolierschicht mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt gerade dick genug, um die Schrumpfung auf annehmbare Werte zu reduzieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform, bei einem Ofen 70 mit einem Heizelement mit einem Innendurchmesser von 25,4 cm (10 Zoll), wären die erste und die zweite Isolierschicht jeweils etwa 1,91 cm (3/4 Zoll) dick, wobei die darauffolgenden Isolierschichten insgesamt 5,08 bis 7,62 cm (2 bis 3 Zoll) dick sind. Man beachte, daß Fasermaterial mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt im Handel erhältlich ist. Diesem Aluminiumoxid-Material wird entionisiertes Wasser und ein Bindemittel, das üblicherweise aus kolloidaler Kieselsäure besteht, zugegeben. Es wird nur so viel Bindemittel zugegeben, wie erforderlich ist, um den Hauptteil der Keramikfaser- Isolierung zusammenzuhalten. Aus dieser Aufschlämmung lassen sich nasse Hüllen bilden, die in die gewünschten Formen geschnitten und dann auf die Heizelemente 72 aufgebracht werden. Es ist zu beachten, daß eine normale Aufschlämmung aus Aluminiumoxid/Siliziumoxid-Material üblicherweise mit 90% entionisiertem Wasesr und 10% Bindemittel vermischt wird, um 378,5 Liter (100 Gallonen) Flüssigkeit zu ergeben. Diesem werden normalerweise 4 Pfund Fasermaterial zugegeben, um eine geeignete Aufschlämmung zu bilden.
Wie bei den Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik ist es sehr wünschenswert, daß eine Zirkonschicht hinzugefügt wird, um die erste Isolierschicht mit hohem Aluminiumoxid-Faser-Gehalt zu verstärken. Das Zirkon besteht aus einer Aufschlämmung aus Zirkonoxid, Wasser und einem Bindemittel. Zirkon ist ein sehr dichtes, feuerfestes Material, das Beständigkeit gegenüber dem Abrieb durch das Heizelement bei dessen Ausdehnung und Zusammenziehen besitzt. Die Zirkonschicht 158 wird auf die erste Schicht des Isoliermaterials 150 aufgebracht, bevor dieses auf das Heizelement 72 aufgetragen wird. Die Zirkonschicht besitzt im allgemeinen eine Dicke von etwa 0,79 bis 1,59 mm (1/32 bis 1/16 Zoll). Da die Zirkonschicht so dünn ist, kommt es zu keiner nennenswerten Vergrößerung der Masse des Heizelements, noch beeinträchtigt sie die Heizeigenschaften des Elements. Die Zirkonschicht 158 umgibt das Heizelement 72 vollständig und schließt jegliches pulveriges Isoliermaterial ein, das durch die Faserentglasung oder den Abrieb aufgrund des Ausdehnens und Zusammenziehens des Heizelements 72 entsteht. Dieses Pulver ist zwischen der Zirkonschicht 158 und der dritten und den nachfolgenden Isolierschichten 154 eingeschlossen. Ohne die Zirkonschicht 158, die die Isolierung umhüllt, würde das Isolierpulver in die Heizkammer 73 fallen und diese verunreinigen.
Man beachte, daß wie bei früheren Vorrichtungen die neu gebildete Oberfläche erhitzt wird, um die nasse Isolierung zu trocknen. Durch das Erhitzen migriert das Bindemittel, das die Isolierung anfänglich zusammenhält, an die Oberfläche der Isolierung angrenzend zum Heizelement 72 und verleiht der Oberfläche der ersten Schicht eine größere Steifigkeit, während es zusätzlich die Zirkonschicht 158 härtet.
Man sieht, daß die vorliegende Erfindung eine starre Struktur bereitstellt, die dem Anschwellen des Heizelements widersteht, während sie ermöglicht, daß das Heizelement freiliegt, sodaß das Heizelement in sehr wirkungsvoller Weise Wärme zum Heizen der Heizkammer abgeben kann.

Industrielle Anwendbarkeit

Die Funktionsweise der Erfindung ist oben erläutert. Man sieht, daß durch die Verwendung eines Isoliermaterials mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt, insbesondere in Kombination mit dem ineinandergreifenden Abstandhalter, der ein Joch um jede der Wicklungen des Heizelements bildet, ein Ofen bereitgestellt wird, der aufgrund des eingeschränkten Anschwellens des Heizelements eine verlängerte Lebensdauer aufweist. Dank dieser Anordnung können durch Verwendung der ausgewählten Materialien selbst und auch aufgrund der Tatsache, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Heizelement und der Heizkammer nicht so groß ist wie bei Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik, da ein größerer Teil des Heizelements freiliegt und die Masse des Ofens minimiert wird, höhere Betriebstemperaturen erzielt werden. Außerdem können bei dieser Konstruktion die Dauer und die Temperatur jedes Betriebszyklus genauer beibehalten werden.
Man beachte, daß nach Durchsicht bzw. Überprüfung der Figuren und Ansprüche die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung modifiziert werden können.

Claims

1. Elektroofen mit einem elektrischen Heizelement (72, 102) und Isolierung (74), die das Heizelement abdeckt, wobei die Isolierung zumindest eine erste Schicht (150), die angrenzend an das Heizelement angeordnet ist und aus zumindest 75% Aluminiumoxid bzw. Tonerde und zum restlichen Teil aus Silika besteht, und zumindest eine andere Schicht (154) umfaßt, die angrenzend an die erste Schicht angeordnet ist und zu etwa 50% aus Aluminiumoxid bzw. Tonerde und 50% aus Silika besteht.

2. Elektroofen nach Anspruch 1, worin die erste Schicht (150) aus zumindest 95% Aluminiumoxid bzw. Tonerde und zum restlichen Teil aus Silika besteht.

3. Elektroofen nach Anspruch 1 oder 2, worin die erste Schicht (150) dünner als die zumindest eine andere Schicht (154) ist.

4. Elektroofen nach Anspruch 1, 2 oder 3, umfassend eine zweite Schicht (152), die zwischen der ersten Schicht (150) und der zumindest einen anderen Schicht (154) angeordnet ist, welche zweite Schicht aus zumindest 75% Aluminiumoxid bzw. Tonerde und zum restlichen Teil aus Silika besteht.

5. Elektroofen nach Anspruch 4, worin die zweite Schicht aus zumindest 95% Aluminiumoxid bzw. Tonerde und zum restlichen Teil aus Silika besteht.

6. Elektroofen nach Anspruch 4 oder 5, worin die zweite Schicht (152) dünner als die zumindest eine andere Schicht (154) ist.

7. Elektroofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Heizelement (72, 102) einen vorbestimmten Durchmesser besitzt und die erste Schicht (150) so angeordnet wurde, daß sie den Durchmesser des Heizelements teilweise umhüllt.

8. Elektroofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Heizelement (72), bestehend aus einem länglichen Draht, der zu einer Vielzahl einzelner Wicklungen (102) ausgebildet ist, und aus einer Vielzahl an Abstandhaltern (84, 103) zur Befestigung des Heizelements, um die Wicklungen des Drahts voneinander fernzuhalten; wobei jeder der Abstandhalter umfaßt:

(a) erste Mittel (88; 126; 138) zum Vorsehen eines lochs um den Draht jeder Wicklung herum; und

(b) zweite Mittel (90; 132; 144) zum Ineinandergreifen jedes Abstandhalters in einen anderen Abstandhalter, um die Position jeder Wicklung relativ zur nächsten benachbarten Wicklung und relativ zum Ofen beizubehalten, sodaß die Abstandhalter und die Isolierung (74) ein Anschwellen des elektrischen Heizelements (72) bei wiederholter Verwendung des Elektroofens einschränken.

9. Elektroofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Schicht aus Zirkon (158) zwischen der ersten Schicht (150) und dem Heizelement (72), welche Schicht dünner als die erste Schicht ist, und ein äußeres Gehäusemittel (76) zum Einschließen und Zusammendrücken der Isolierungsmittel.

10. Elektroofen nach Anspruch 8, worin das erste Mittel (88; 126; 138) zur zusätzlichen Zusammenwirkung mit dem zweiten Mittel (90; 132; 144) vorgesehen ist, um die Position des länglichen Drahts relativ zum Ofen beizubehalten.

11. Elektroofen nach Anspruch 8 oder 10, worin das erste Mittel (88; 126; 138) einen ersten (92; 122; 134) und einen zweiten (94; 124; 136) voneinander beabstandeten Fortsatz umfaßt, die sich in einer ersten Richtung erstrecken, und das zweite Mittel (90; 132; 144) einen dritten (96; 128; 140) und einen vierten (98; 130; 142) voneinander beabstandeten Fortsatz umfaßt, die sich in einer zweiten Richtung erstrecken.

12. Elektroofen nach Anspruch 11, worin der erste und der zweite voneinander beabstandete Fortsatz (92, 94; 122, 124; 134, 136) parallel zueinander sind und der dritte und der vierte voneinander beabstandete Fortsatz (96, 98; 128, 130; 140, 142) parallel zueinander sind.

13. Elektroofen nach Anspruch 11 oder 12, worin die erste Richtung der zweiten Richtung entgegengesetzt ist.

14. Elektroofen nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 13, worin der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Fortsatz (92, 94; 122, 124; 134, 136) und der Abstand zwischen dem dritten und vierten Fortsatz (96, 98; 128, 130; 140, 142) so gewählt sind, daß der erste und der zweite Fortsatz des ersten Mittels (88; 126; 138) des Abstandhalters (84; 103) zwischen den dritten und den vierten Fortsatz des zweiten Mittels (90; 132; 144) eines weiteren Abstandhalters (114; 105) passen können.

15. Elektroofen nach Anspruch 8, worin der Abstandhalter (84; 103) einen Körper (86) besitzt, das erste Mittel (88; 126; 138) einen ersten und einen zweiten Fortsatz (92, 94; 122, 124; 134, 136) aufweist, die dazwischen einen Hohlraum (100) definieren, der zur Aufnahme des Drahts (102) ausgebildet ist, die außerhalb des Hohlraums (100) Außenseiten (106, 108) besitzen und die relativ zum Körper (86) eine bestimmte Ausrichtung aufweisen, das zweite Mittel (90; 132; 144) einen dritten und einen vierten Fortsatz (96, 98; 128, 130; 140, 142) aufweist, die dazwischen einen weiteren Hohlraum zur Aufnahme des ersten und zweiten Fortsatzes eines weiteren Abstandhalters (114; 105) definieren, die den Hohlraum definierende Innenseiten (110, 112) besitzen und die relativ zum Körper (86) eine andere Ausrichtung aufweisen, sodaß beim Ineinandergreifen des Abstandhalters (84; 103) in einen anderen Abstandhalter (114; 105) die Außenseite des ersten Fortsatzes im wesentlichen parallel zur Innenseite des dritten Fortsatzes verläuft und die Außenseite des zweiten Fortsatzes im wesentlichen parallel zur Innenseite des vierten Fortsatzes verläuft.

16. Elektroofen nach Anspruch 8, worin das erste Mittel (88; 126; 138) jedes Abstand halters (84; 103) einen ersten und einen zweiten Fortsatz (92, 94; 122, 124; 134, 136) enthält, die dazwischen einen Hohlraum (100) zur Aufnahme des Drahts (102) definieren, und das zweite Mittel (90; 132; 144) einen dritten und einen vierten Fortsatz (96, 98; 128, 130; 140, 142) enthält, die dazwischen einen weiteren Hohlraum zur Aufnahme des ersten und zweiten Fortsatzes eines anderen Abstandhalters (114; 105) definieren.

17. Elektroofen nach einem der Ansprüche 8 oder 10 bis 16, umfassend Mittel (116, 118, 120), um eine Vielzahl der Abstandhalter (84, 103; 114, 105) aneinander befestigen zu können.

18. Elektroofen nach einem der Ansprüche 8 oder 10 bis 1 7, worin jeder Abstandhalter (84, 103) weiters eine Bohrung (118) enthält und Mittel (116) zum gegenseitigen Verbinden der Bohrungen (118) mit den Bohrungen (120) einer Vielzahl anderer Abstandhalter (114; 105) vorgesehen sind.