JP2014529722A - 冷却能力を高めた加熱要素 - Google Patents

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Abstract

本願明細書に記載されている様々な実施形態による、冷却能力が高められたヒータアセンブリは、断熱部内の流体、または、断熱のために用いられる空間内の流体を利用する。自然対流または強制対流フローを生じさせることにより、該ヒータは、急速に冷却され、より低い温度精度および／またはより高い温度精度で作動することができ、および、より高い熱損失率を生じさせることにより、温度制御性を向上させることができる。

Description

本出願は、２０１１年６月９日に出願された"Ｈｅａｔｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｏｏｌｉｎｇ"というタイトルの仮出願第６１／５７３，４５０号の優先権を主張し、その内容全体を参照によって本願明細書に組み込んだものとする。
背景
半導体装置の製造における多くのプロセスステップは、炉内で実行される。炉システムは、ウェーハを該炉へまたは該炉から該ウェーハを移動させるためのウェーハローディングアセンブリを含むことができる。処理のために、プロセスガスを該炉に導入することができる。炉は、石英管を含み、炉処理チャンバを形成することができる。加熱要素は、該石英管の外部に設けることができる。断熱部は、該加熱要素を覆うのに用いることができ、高温の該炉処理チャンバを雰囲気外の室温から断熱している。該断熱部は、熱損失を最小限にし、その結果として、該炉に対して、より高い加熱温度と、より速いランプアップ速度をもたらす。しかし、該断熱部は、該炉チャンバのランプダウン速度（ランプダウンレート）に影響を及ぼす可能性があり、その結果として、より低いスループットをもたらす。
発明の概要
いくつかの実施形態において、本発明は、ヒータアセンブリと、冷却能力を高めることができる、該ヒータアセンブリを用いた炉とを開示している。該冷却能力を高めるという特徴は、該炉内の均一な温度プロファイルへの影響を伴わずにおよび最小限にして、該ヒータアセンブリの冷却速度の改善を可能にすることができる。該冷却能力を高めるという特徴は、該ヒータアセンブリの断熱層内に埋め込まれた、または、該断熱層の外面と、該ヒータアセンブリの保護シェルとの間に、１つ以上のチャネルを含むことができる。該冷却能力の向上は、ガスフローまたは液体フロー等の流体フローを含むことができる。例えば、該チャネルの入口または出口開口部を変化させる、フローコンダクタンスの調節機能を加えることができる。該チャネルを通る流量を制御するために、ポンプ、ブロワーまたはファンを含めることができる。また、該流体フローを自動的に調節するために、制御装置も含めることができる。
いくつかの実施形態において、本発明は、ヒータアセンブリ、または、該ヒータアセンブリを用いた炉を制御、調整または調節する方法を開示し、この場合、該ヒータアセンブリは、冷却能力を高めることができる。該ヒータアセンブリの断熱層のチャネルを流れる流体フローを制御することにより、炉のためのより速いランプ速度（ランプレート）またはより高い温度精度を実現することができる。
本発明のいくつかの実施形態による炉と、その温度プロファイルを示す。 本発明のいくつかの実施形態による炉と、その温度プロファイルを示す。 一般的に使用されている基本的な２種類のヒータを示す。 一般的に使用されている基本的な２種類のヒータを示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータ構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータ構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による絶縁層の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による絶縁層の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による絶縁層の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による絶縁層の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による絶縁層の他の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による絶縁層の他の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による絶縁層の他の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による絶縁層の他の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータ炉の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータ炉の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータ炉の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータ炉の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータ炉の他の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータ炉の他の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータ炉の他の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータ炉の他の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの別の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの別の構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの斜視図および断面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの斜視図および断面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態による絶縁層の断面の斜視図を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの底部の断面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリのチャネルにエアフローを誘導するためのプレナムを示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリのチャネルにエアフローを誘導するためのプレナムを示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの上部の断面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態による、外側チャネルを有するヒータアセンブリを示す。 本発明のいくつかの実施形態による、外側チャネルを有するヒータアセンブリを示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの分解立体図を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの底部を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの底部を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの上部の断面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリにおける上部リングを示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの上部リングを示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの上部リングを示す。 本発明のいくつかの実施形態による、水平方向の構造におけるヒータアセンブリの斜視図を示す。 本発明のいくつかの実施形態による、水平方向の構造におけるヒータアセンブリの斜視図を示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリおよびヒータアセンブリを用いた炉を制御するためのフローチャートを示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリおよびヒータアセンブリを用いた炉を制御するためのフローチャートを示す。 本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリおよびヒータアセンブリを用いた炉を制御するためのフローチャートを示す。
発明を実施するための形態
プロセスサイクルタイムおよびシステムスループットは、ほとんどの半導体製造プロセスの設計および評価において重要なパラメータである可能性がある。より迅速な加熱および／または冷却は、サイクルタイムを恐らく大幅に低減する可能性があるため、加熱および冷却は、全体のサイクルタイムに関して重要な要因である。
いくつかの実施形態において、本発明は、冷却特性が高められた加熱要素を開示し、それは、半導体処理炉等の炉に用いるのに適している。これらの加熱素子は、システム温度制御を改善することができ、また、より速いクールダウン速度を実現することにより、サイクルタイムを大幅に低減することができる。
図１Ａ、図１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による炉およびその温度プロファイルを示している。図１Ａにおいて、チャンバ１１０は、例えば、加熱要素１２０によって処理温度１４０まで加熱することができる。ウェーハ１１２は、プロセスガスが供給され得るチャンバ１１０内に配置することができる。断熱層１３０は、加熱要素１２０を覆うのに用いることができ、加熱された該チャンバを雰囲気外から断熱している。該断熱層は、加熱されたチャンバ１１０からの熱損失を制限することができ、チャンバ１１０内の処理温度１４０と、外部雰囲気の温度１４４との間の温度勾配１４２をもたらしている。図１Ｂは、断面Ａ−Ａ’または該炉の全域にわたる温度プロファイルの概略を示し、該チャンバ領域内での実質的に均一な温度１４０と、外部温度１４４に達するための漸進的な降下１４２とを示している。該温度プロファイルは、温度変化の目安として図示されており、この場合、該チャンバ内の均一なプロファイル１４０におけるわずかな変動、均一なプロファイル１４０と傾斜プロファイル１４２との間の漸進的変化、および断熱層１３０内の非線形傾斜プロファイル１４２等の多くの詳細が省略されている。
図２Ａ、図２Ｂは、一般的に使用されている基本的な２種類のヒータを示す。図２Ａは、断熱部２３０を有するヒータ２２０を備える炉を示し、該ヒータは、プロセスチャンバ２１０を包囲している。該炉の一方の側は、中心線２１５で分けられている。この炉は、いくつかの用途および温度範囲で使用することができる。温度プロファイル２４０は、チャンバ２１０内で均一であり、周囲温度２４４までは漸進的降下２４２とすることができる。その温度は、最高で約２０℃／分の速さで上昇させ、および約２〜５℃／分の範囲で下降速度２５０（「クールダウン」）させることができる。
図２Ｂは、本願明細書において「強制空気」ヒータとも呼ばれる「急速ランプ（ｆａｓｔ−ｒａｍｐ）」ヒータを用いる炉を示す。これらのヒータは、標準的なヒータによって実現可能な速度（レート）よりも速いランプアップ速度およびクールダウン速度を実現できる。より高速のクールダウンレート２５２は、該加熱要素の中心キャビティ内部に挿入された石英管２１０と加熱要素２２０との間の、該ヒータの内側に、エアフロー２７０を強制的に送り込むことによって実現することができる。この強制的に送り込まれるエアフローは、強制対流により、該ヒータおよび該石英管内部に配置された該ウェーハから熱を除去する。この強制空気法は、最高で約２０℃／分の急速なクールダウンレートを実現するが、非常に複雑でコストがかかる。ウェーハロードは、該ウェーハの縁部と中心との間の許容できない温度勾配２４１によって引き起こされるウェーハ構造におけるスリップにより、該ヒータの全クールダウン能力と同程度に急速には冷却できない場合がある。
いくつかの実施形態において、本発明は、炉の温度制御を改善するための方法およびシステムを開示する。例えば、ヒータシステムには、より複雑さおよびコストが軽減された典型的な強制空気ヒータとともに、現在ある典型的な炉に対するコストのかかる変更の必要性を伴わずに、従来のヒータと比較して改善されたランプアップレートおよびクールダウンレートが備えられている。
いくつかの実施形態において、本発明は、典型的には断熱に用いられる、ヒータの領域に冷却能力を導入する。例えば、熱は、ヒータの作動温度範囲に応じて、該断熱部内で、または、該断熱部に接触して、自然対流または送風機によるエアフローまたは水流等の流体フローによってヒータから除去される。例えば、該ヒータは、該断熱部に、または、該断熱部と該ヒータの外部シェルとの間の、キャビティチャネルの底部にエアプレナムを備えることができる。より高いクールダウン速度が好ましい場合、ヒータアセンブリの外部に配設された送風機を用いて、プレナムを介して空気を強制的に送り込むことができる。該強制的に送り込まれる空気は、ヒータ断熱部の外側境界から熱を除去し、ヒータ内部の基板のクールダウン速度を高める。
図３Ａ、図３Ｂは、本発明のいくつかの実施形態によるヒータ構造を示す。図３Ａは、加熱要素３２０を包囲する断熱層３３０を含むヒータシステムを示し、該断熱層は、加熱された処理チャンバ３１０内の熱が逃げるのを防いでいる。多数のチャネル３４０を断熱層３３０内に設けることができ、それらのチャネルは、該処理チャンバ内の温度を制御するのに、例えば、該加熱されたチャンバの温度プロファイルへの影響を最小限にして、該加熱されたチャンバのクールダウン速度を増加させるのに用いることができる。例えば、フロー３７０を多数のチャネル３４０に導入することにより、フロー３７０が該断熱層の温度を低下させて、該チャンバの温度プロファイルの伝熱率を効果的に増加させることができるため、クールダウン速度３５０をより高くすることができる。フロー３７０は、該加熱されたチャンバの外部の温度に影響を及ぼすため、加熱されたチャンバの熱損失率を均一にすることができ、例えば、該加熱されたチャンバの中心における熱損失率は、該加熱されたチャンバの縁部における熱損失率と同様にすることができ、その結果として、温度が低下するにつれて、実質的に均一な温度プロファイルを維持することにつながる。あるいは、フロー３７０は、例えば、加熱されたフロー３７０を供給することにより、加熱要素３２０の加熱速度に影響を及ぼすことも可能である。
図３Ｂは、加熱要素３２５を包囲する断熱層３３５を含む別のヒータシステムを示し、その断熱層は、加熱された処理チャンバ３１５内の熱が逃げるのを防いでいる。断熱層３３５と外側シェル３８０との間に周囲のギャップ３４５を設けることができ、そのギャップは、断熱層３４５を外部雰囲気から断熱することができる。周囲ギャップ３４５は、断熱層３３５の境界温度を制御することができ、そのギャップは、加熱要素３２５による加熱速度の挙動を変化させることができる。例えば、加熱されたフロー３７５をギャップ３４５に供給することにより、より迅速な処理チャンバ３１５のランプアップ速度を実現することができる。あるいは、室温または冷却フロー３７５は、加熱されたチャンバ３１５のクールダウン速度３５５を増加させることができる。図示されているように、多数のチャネル３７０または周囲ギャップ３７５による温度プロファイルは例示的なものであり、および本発明の有効性を制限することを意味するものではなく、本発明は、該断熱層内のチャネル３７０またはチャネル３７５の外側面のチャネル３７５による温度制御を改善することができる。
図４Ａ〜図４Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による断熱層の構造を示す。図４Ａにおいて、断熱層４３０は、断熱層４３０の厚みの中に設けられた多数のチャネル４４０を有することができる。これらのチャネルは、加熱要素４２０から実質的に同様の距離に分布させることができる。図示されているように、断熱層４３０は、曲線形状を有することができるが、断熱層から成る平板等の他の形状を用いることもできる。さらに、該チャネルは、円形、楕円形、矩形状または正方形等のどのような断面形状も有することができる。該チャネルは、加熱要素４２０を包囲するように実質的に均一に分布させることができる。いくつかの実施形態において、チャネル４４０と加熱要素４２０との間の距離は、冷却速度を最適化するように、例えば、より小さな距離を選択することができ、また、冷却プロセス中の該加熱されたチャンバ内の均一な温度プロファイルを最適化するように、例えば、より大きな距離を選択することができる。図示されているように、該チャネルは、断熱層４３０の幅に沿って延びている直線状のチャネルを含んでいる。例えば、湾曲チャネル、不均一な断面のチャネル、例えば、底部がより大きな断面で、上部がより小さな断面または逆もまた同様である等の、該チャネルのための他の構造も用いることができる。
いくつかの実施形態においては、チャネル４４０は、冷却能力を高めるために、該断熱層内側に組み込まれる。該チャネルは、真空成形プロセスにより、例えば、真空吸引によって、埋め込まれたチャネルを有する断熱材料を凝固にすることによって製造することができる。管状キャビティ等の該チャネルもまた、該断熱層に機械加工することもできる。該断熱層は、該加熱されたチャンバのためのより高い温度を実現するのに用いることができ、一方、該チャネルは、該断熱層を介した熱除去率を向上させるために、強制的に送り込まれるガスまたは液体のフローによる自然対流のいずれかによって、流体フローを可能にすることができ、それによって、該加熱されたチャンバをより迅速に冷却することができる。例えば、エアフローが作動された時点で、大量のエアフローをそれらのチャネル内に誘導するように、底部フランジを含めることができる。
いくつかの実施形態において、埋め込まれたチャネルを有する該断熱層は、真空成形することができ、それは、有利な製造方法である可能性がある。しかし、本発明の実施形態は、この製造方法に限定されるものではない。例えば、典型的には、銅管、セラミック管、または、当業者には明らかな他の多くの種類の管類を該断熱層内に埋め込むことができる。また、放熱のために、フィンをチャネルに組み込むこともできる。
図４Ｂにおいて、断熱層４３１内に埋め込まれたチャネル４４１は、チューブ４５０を含むことができる。中空のチューブ４５０は、断熱層４３１内に挿入して、チャネル４４１を形成することができる。図４Ｃにおいて、チューブ４５２は、フィン４６０を含むことができ、それにより、例えば、低温の境界部を形成して、該加熱要素を包囲することにより、放熱プロセスを改善することができる。図４Ｄにおいては、チャネル４４３を、該加熱要素を包囲するよう設け、該断熱層を内側層４３３と外側層４３５に分けることができる。例えば、熱伝導の改善のために、または、チャネル４４３を分けるために、フィン４７０を含めることができる。他の構造、例えば、フィンのない周囲チャネル、または、金属等の伝導材料から成る層によって覆われた周囲チャネルを用いることもできる。
いくつかの実施形態において、埋め込みチャネルを有する該断熱層は、例えば、半導体産業において、約２５℃〜約２０００℃、約２００℃〜約１３００℃の温度範囲、または、約５００℃〜約１１００℃の作動範囲の加熱チャンバに用いることができる。この温度範囲は、「中温度（"Ｍｉｄ−Ｔｅｍｐ"）」作動範囲と呼ばれることもある。
図５Ａ〜図５Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による断熱層の他の構造を示す。図５Ａにおいて、断熱層５３０は、熱エネルギを断熱するために、加熱要素５２０を包囲することができる。断熱層５３０の外側に、例えば、断熱層５３０と外側シェル５５０との間に、１つ以上のチャネル５４０を設置することができる。外側チャネル５４０は、該断熱層を包囲するチャネルを含むことができ、または、該断熱層の周囲に分布された多数のチャネルを含むことができる。図５Ｂにおいては、例えば、チャネル５４０を断熱するために、または、断熱層５３０の外側面における放熱性を向上させるために、追加的なフィン５６０を設けることができる。
いくつかの実施形態においては、埋め込まれたチャネルと外側チャネルの両方を用いることができる。図５Ｃにおいては、断熱層５３５の外側面と、外側シェル５５５との間に配置された外側チャネル５４５とともに、湾曲した埋め込みチャネル５４３を断熱層５３５内に設けることができる。図５Ｄにおいて、チャネル５４７は、直線状のチャネルとすることができる。外側チャネル５４５なしの、湾曲した埋め込みチャネル５４３、または、フィンを有する多数の外側チャネル５６０を備えた埋め込みチャネル５４７等の他の構造を用いることもできる。
いくつかの実施形態において、外側チャネルを有する該断熱層は、約１００℃〜約５００℃の温度範囲の加熱チャンバに用いることができる。この温度範囲は、「低温度（Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐ）」作動範囲と呼ばれることもある。一般に、より低い作動温度は、クールダウン速度に対して所望の作用を実現するために、大量の冷却、例えば、ガスまたは液体のフローを用いることができる。例えば、流体フローは、該ヒータ内側断熱部と該ヒータシェルとの間に流すことができる。この領域は、流体フローが供給された際に、自然対流または強制対流によって、エアフローを生成するのに必要な空間を提供することができる。
ヒータシェル５５０または５５５は、該ヒータアセンブリの外側要素とすることができ、および典型的には、ステンレス鋼、アルミニウム、または、該ヒータの内部コンポーネントを保護するのに十分な強度を有する他の材料で形成される。低温度適用時の作動中の冷却増強の場合、強制的なガスフロー、例えば、エアフローの代わりに、または該ガスフローに加えて、良好な熱伝導性（典型的には、銅）を備えた水ライン等の液体フローを、熱をより効率的に除去するのに用いることができる。該銅ラインは、該断熱層内に埋め込むことができ、または、該断熱層と該外側シェルとの間の利用可能な空間内に配置することができる。
いくつかの実施形態において、本発明は、加熱されたチャンバ内で均一な温度プロファイルを維持しながらの、より急速な加熱または冷却速度等の改善された制御を伴うヒータアセンブリおよび加熱炉を開示する。該ヒータアセンブリは、加熱要素と、断熱層内または該断熱層の外側面に埋め込まれた温度制御チャネルを備えたヒータ断熱層とを含むことができる。加えて、該ヒータアセンブリは、開口側面で加熱チャンバを包囲することができ、または、該加熱チャンバを完全に覆うことができる。該加熱チャンバは、円柱状、矩形状または他のどのような形状も有することができる。
図６Ａ〜図６Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による加熱炉の構造を示す。図６Ａにおいて、円柱形状加熱チャンバ６１０は、該断熱層内に埋め込まれたチャネル５４０を有するヒータアセンブリ６３０によって包囲されている。該チャネルは、直線状のチャネル６４０とすることができ、または、湾曲したチャネル６４２（図６Ｂ）とすることができる。該湾曲したチャネルは、該断熱層内でねじることができる。
図６Ｃにおいて、円柱形状ヒータアセンブリ６１５は、ねじれたチャネル６４５が、ヒータアセンブリ６３５の該断熱層内に延びている状態の水平構造として配置することができる。いくつかの実施形態において、該チャネルは、垂直方向を含むことができ、例えば、該チャネルの水平方向部分を最小限にして、該チャネル内での流体フローの起り得る自然対流フローを支援している。図６Ｄにおいては、該チャネルの別の構造が図示されており、この場合、チャネル６４７および６４８は、入ってきて出て行く流体のための開口部を両端部に備えた状態で、該断熱層に沿って垂直方向に延在することが可能である。チャネル６４７および６４８を接続する構造、１つのインレットを底部に備え、および１つのアウトレットを上部に備えた円形チャネルを形成している構造等のその他の構造も用いることができる。
いくつかの実施形態において、縦型炉は、より厳しい仕様を可能にし、例えば、ウェーハまたは基板等のワークピースの自動ローディングおよびアンローディングを可能にする。このことは、今の半導体産業にとって重要である可能性がある。いくつかの実施形態において、横型炉は、例えば、典型的には、あまり厳しくないプロセス要件を有するソーラーパネルの製造に用いることができる。
いくつかの実施形態において、該ヒータアセンブリは、縦型炉における垂直方向のヒータ配置と比較して、横型炉内に水平方向に配置することができる。冷却能力を高めるための自然対流による、または、流体フローのための補助的流体フローの場合、該流体フローは、縦型炉または横型炉内の立ち上る熱の方向にあるように設計することができる。そのため、横型炉内のチャネル６４７および６４８内のフローに、高められた冷却能力を与えるために、別のフランジまたはプレナムを、該ヒータの両側に用いることができる。
図７Ａ〜図７Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による加熱炉の他の構造を示す。図７Ａおよび図７Ｂにおいて、円柱形状の加熱チャンバ７１０は、該断熱層内にチャネル７４０が埋め込まれたヒータアセンブリ７３０によって包囲されている。ヒータアセンブリ７３０は、加熱チャンバ７１０の上側を覆うこともできる。いくつかの実施形態において、該ヒータアセンブリは、該加熱チャンバの底部側を覆うこともできる（図示せず）。該チャネルは、直線状のチャネルとすることができ、または、湾曲したチャネルとすることができる。
図７Ｃにおいては、該ヒータアセンブリの上部断熱部にフローを供給するために、水平方向のチャネル７４２を含めることができる。該水平方向のチャネルは、垂直方向のチャネル７４１と相互に組合せることができる。図７Ｄにおいて、チャネル７４４は、該ヒータアセンブリの輪郭に追従することができ、例えば、該ヒータアセンブリの垂直方向部分では垂直方向に伸び、そして、該ヒータアセンブリの水平方向部分では水平方向に伸びている。他の構造も用いることができる。
いくつかの実施形態において、本発明は、ヒータアセンブリと、該ヒータアセンブリを用いる炉と、温度制御を改善するために該ヒータアセンブリおよび炉を作動させるための方法とを開示する。チャネルは、該断熱層の境界条件を変えるために、該断熱層とともに組み込むことができ、該路の加熱または冷却速度に影響を及ぼすことができる。停滞した空気、自然対流フローまたは強制フローを、それらのチャネル内で用いることができる。
いくつかの実施形態においては、多数の該チャネルにフローを供給するために、該チャネルの端部にプレナムを配置することができる。該断熱部を通るプレナムエアフローは、該エアフローを生成する送風機に様々な速度を利用することによって制御可能にすることができる。該フローを制御するために、例えば、該システムを作動させるソフトウェアによる、または、該送風機を直接作動させる機械的スイッチによる制御装置を含めることができる。いくつかの実施形態において、好ましいエアフロー速度は、該ヒータ内部の温度に依存させることができ、それによって、クールダウンレートをさらに最適化することができる。例えば、該エアフローは、高温時により少なくし、その後、該ヒータが、より低い温度に冷却されるにつれて増加させることができる。
チャネルリストリクタを、該チャネルの伝導性を制御するのに用いることができる。例えば、該ヒータを通るエアフローの量を制御するために、上部リングを含めることができる。該リングは、手動で、または、システム制御装置によって制御されるアクチュエータの作動により空気圧で調節することができる。該チャネルが完全に遮断されると、空気は停滞し、断熱部として作用し、該ヒータがエネルギを節約することを可能にする。例えば、温度上昇中、または、プロセスステップ中、例えば、温度を一定に保つ間は、エアフローのない状態を利用することができ、例えば、該チャネルリストリクタが遮断され、または、該強制フローが停止される。
いくつかの実施形態において、ヒータアセンブリの上部には、該ヒータアセンブリの該チャネルと同じホールパターンおよびサイズを有するフラットリングがある。該リングは、所定の位置に移動して、該ホールの露出サイズを変更することができる。例えば、該リングと、該ヒータの上部との間の該ホールが完全に位置合わせされた場合、該ホールは、１００％開いた状態になる。該上部プレートは、所定の位置に回転することにより、該エアフローを完全に遮断することができる。一旦、ねじが締められると、該プレートが動かないように、該プレートの位置を固定するために、該ねじを用いることができる。いくつかの実施形態においては、例えば、該上部プレートを動かすことによって、該チャネルを流れるフローを調節するために、制御装置を含めることができる。
図８は、本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの構造を示す。断熱層８３０は、多数の埋め込みチャネル８４０を有することができる。プレナム８５０を、該チャネルの一方の端部、例えば、その底部に配置して、流体フロー、例えばガスまたは液体のフローを該多数のチャネルに供給することができる。ガスフローのための送風機、または、液体フローのための液体ポンプ等のフロー供給部を該プレナムに結合して、強制的な流体フローを供給することができる。該プレナムおよび／または該チャネルへの流体フローを制御するために、制御装置を含めることもできる。
該チャネルを流れる該流体フローを制御するために、該チャネルの別の端部、例えば、上部に上部プレート８６０を配置することができる。例えば、該上部プレートは、そのチャネル出口開口部と位置合わせすることができる多数のホールを含むことができる。該上部プレートは、該チャネルの部分８６６を塞ぐことができ、および該チャネルの別の部分８６４を通過可能にする。該上部プレートは、例えば、回転することによって動いて、該チャネルの閉塞部分と通過可能部分を切り替えることができる。いくつかの実施形態においては、例えば、上部プレート８６０を動かすことによって、該チャネルを流れるフローを調節するために、制御装置を含めることができる。
いくつかの実施形態においては、自然対流冷却を利用することができる。ヒータアセンブリは、低温度用の炉に用いることができ、この場合、強制空冷に用いられる該プレナムを要することなく、高められた冷却能力を構成することができる。例えば、ヒータは、該ヒータの底部から上部への自然対流冷却によって恩恵を受ける可能性がある。上部リングは、該ヒータのシェルを流れるエアフローを制御することができる。停滞した空気、例えば、該チャネルを流れるエアフローがない状態を、例えば、温度上昇中の、または、プロセスステップ中の断熱を改善するために利用することができる。
図９は、本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの別の構造を示す。断熱層９３０は、断熱層９３０と外側シェル９５５との間の、その外側面にチャネル９４０を有することができる。開口部９５８を、該チャネルの一方の端部、例えば、その底部に配置して、流体フロー、例えば、ガスまたは液体のフローをチャネル９４０に供給することができる。開口部９５８への該流体フローを制御するために、制御装置を含めることもできる。また、強制的な流体フローをチャネル９４０に供給するために、例えば、開口部９５１を有するプレナム９５０を含めることができる。プレナム９５０のない開口部９５８、または、開口部９５８のないプレナム９５０等の他の構造を用いることもできる。
該チャネルを流れる該流体フローを制御するために、該チャネルの別の端部、例えば、上部に上部プレート９６０を配置することができる。例えば、該上部プレートは、該チャネルの出口開口部と位置合わせすることができる多数のホールを含むことができる。該上部プレートは、該チャネルの部分９６６を塞いで、該チャネルの別の部分９６４を通過可能にすることができる。該上部プレートは、例えば、回転することによって動いて、該チャネルの閉塞部分と通過可能部分を切り替えることができる。いくつかの実施形態においては、例えば、上部プレート９６０を動かすことによって、該チャネルを流れるフローを調節するために、制御装置を含めることができる。大流量は、該ヒータの冷却速度を増加させるのに用いることができ、およびゼロフロー、例えば、開口部９５８，９５１および／または部分９６４を完全に塞ぐことは、断熱を改善し、およびエネルギを節約するのに利用することができる。
いくつかの実施形態においては、埋め込みチャネルおよび外側チャネル等の多数のチャネルを用いることができる。図１０は、本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの別の構造を示す。断熱層１０３０は、多数の埋め込みチャネル１０４０を有することができる。プレナム１０５０を該チャネルの一方の端部、例えば、その底部に配置して、流体フロー、例えば、ガスまたは液体のフローを該多数のチャネルに供給することができる。ガスフローのための送風機、または、液体フローのための液体ポンプ等のフロー供給部を該プレナムに結合して、強制的な流体フローを供給することができる。また、該プレナムおよび／または該チャネルへの該流体フローを制御するために、制御装置を含めることができる。
また、断熱層１０３０は、断熱層１０３０と外側シェル１０５５との間の外側面に配置されたチャネル１０４５を有することもできる。開口部１０５８を、該チャネルの一方の端部、例えば、その底部に配置して、流体フロー、例えば、ガスまたは液体のフローをチャネル１０４５に供給することができる。また、開口部１０５８への流体フローを制御するために、制御装置を含めることもできる。
該チャネルを流れる流体フローを制御するために、該チャネルの別の端部、例えば、その上部に上部プレート１０６０を配置することができる。例えば、該上部プレートは、該チャネルの出口開口部に位置合わせすることができる多数のホールを含むことができる。該上部プレートは、該チャネルの部分１０６６を塞ぐことができ、および該チャネルの別の部分１０６４を通過可能にすることができる。該上部プレートは、例えば、回転することによって動いて、該チャネルの閉塞部分と通過可能部分を切り替えることができる。いくつかの実施形態においては、例えば、上部プレート１０６０を動かすことによって、該チャネルを流れるフローを調節するために、制御装置を含めることもできる。
図１１Ａ〜図１１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの斜視図および断面図を示す。ヒータアセンブリ１１００は、保護カバーとして機能する外側シェル１１５５を含むことができる。ヒータアセンブリ１１００は、多数のチャネル１１４０に配分されるように、プレナムインレット接続部１１５２を含むことができ、流体フロー、例えば、エアフローをプレナム１１５０に供給することができる。ヒータアセンブリ１１００は、加熱要素１１９０に電力を供給できる電気接点リード１１７０を含むことができる。チャネル１１４０は、断熱層１１３０の強化冷却に用いることができる。上部リング１１６０は、該チャネルの開口部１１６５を制御して、該断熱層を通過するフローを有効に調節するのに用いることができる。該上部リングの動きを固定して、該開口部のサイズを一定にするために、固定機構１１６３を用いることができる。
いくつかの実施形態において、該ヒータアセンブリは、中温度（Ｍｉｄ−Ｔｅｍｐ）用途、例えば、２００〜１３００℃の作動温度を有する炉に用いることができる。その他の温度範囲、例えば、２５℃〜２０００℃の温度範囲も用いることができる。
図１２Ａは、本発明のいくつかの実施形態による断熱層の断面の斜視図を示す。該断熱部は、真空形成技術によって作られた半円形状を有することができる。チャネル１１４０は、該断熱層に沿って機械加工することができる。
図１２Ｂは、本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの底部の断面図である。該ヒータアセンブリは、断熱層１２３０によって断熱されている加熱要素１２９０を含むことができる。該ヒータアセンブリは、多数のチャネル１２４０に配分されるように、プレナムインレット接続部１２５２を含むことができ、流体フロー、例えば、エアフローをプレナム１２５０に供給することができる。チャネル１２４０は、断熱層１２３０の冷却能力の向上のために用いることができる。
図１３Ａ、図１３Ｂは、本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリのチャネルにエアフローを誘導するためのプレナムを示す。図１３Ａは、ヒータ断熱層１３３０に組み込まれたチャネルにエアフローを誘導するための、該ヒータアセンブリの底部にあるプレナム１３５０を示すヒータアセンブリの切欠き斜視図を示す。図１３Ｂは、プレナム１３５０の斜視図を示し、該プレナムは、流体フローを断熱層を貫通してまたは該断熱層の全域にわたって誘導するための１つのプレナムインレット１３５２および多数のアウトレット１３５７を含むことができる。いくつかの実施形態において、アウトレット１３５７は、該プレナムの長さに沿って、例えば、該プレナムが円形状を有する場合はその周囲に沿って一様に分布させることができる。いくつかの実施形態において、アウトレット１３５７は、均一なフローを該チャネルに供給するように構成することができる。例えば、アウトレット１３５７の直径は、プレナム１３５０に沿って徐々に大きくすることができ、例えば、該アウトレットがプレナムインレット１３５２から離れるにつれて、アウトレット１３５７の直径は大きくなる。該アウトレットのサイズは、該アウトレットを通るフローに基づいて決めることができる。その他の構造も用いることができ、例えば、アウトレット１３５７の直径は、プレナム１３５０に沿って同じかまたは同様にすることができ、または、アウトレット１３５７間の距離は、プレナムインレット１３５２に近づくにつれてより長くすることができる。
図１４は、本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの上方部の断面図を示す。断熱層１４３０は、該加熱要素からの熱損失を防ぐように、加熱要素１４９０を包囲している。チャネル１４４０は、該ヒータアセンブリの冷却速度を向上させるために、例えば、断熱層１４３０内に配置することができる。例えば、該チャネルのフローコンダクタンスを変化させることによって、チャネル１４４０を調節するために、上部プレート１４６０を配置することができる。上部プレート１４６０は、該チャネルのアウトレット開口部１４４５を変化させるために、例えば、スロット１４７２に沿って回転させることができる。ねじ１４７２等のファスナーは、ユーザが、そのホールサイズを制御して、所望のホールサイズを所定位置に固定することを可能にする。
図１５Ａ、図１５Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、外側チャネルを有するヒータアセンブリを示す。該ヒータアセンブリは、低温度用途、例えば、５００℃未満の作動温度を有する炉に用いることができる。図１５Ａは、斜視図を示し、および図１５Ｂは、ステンレス鋼またはアルミニウムとすることができる外側シェル１５５５を有するヒータアセンブリ１５００の断面図を示す。外側シェル１５５５上の多数の底部開口部１５５７は、例えば、断熱層１５３０を冷却するのを支援するために、自然対流フローをチャネル１５４０に供給することができる。プレナムインレット１５５２を有する底部プレナム１５５０は、多数の底部開口部１５５１を介して、強制フローをチャネル１５４０に供給することができる。多数の上部開口部１５４５は、チャネル１５４０からの出口フローを制限または調節するのに用いることができる。例えば、上部プレート１５６０は、中心軸周りに回転して、開口部１５４５を拡大し、または小さくすることができる。
図１６は、本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの分解立体図である。該ヒータアセンブリの斜視図は、その外側シェルが取り外されて、断熱層１６３０を示す状態で図示されている。プレナムインレット１６５２を有する底部プレナム１６５０は、多数の底部開口部１６５１にフローを供給することができる。多数の開口部１６４５は、例えば、該ヒータアセンブリの冷却速度を制御するために、断熱層１６３０に沿って、そのフローを制限するのに用いることができる。多数の開口部１６４４を有する上部リング１６６０は、多数の開口部１６４５からの出口フローを調節するのに用いることができる。
いくつかの実施形態において、開口部１６４４は、該上部リングが円形状を有する場合、該上部リングの長さ、例えば、周囲に沿って一様に分布させることができる。いくつかの実施形態において、開口部１６４４は、均一なフローを該チャネルに供給するように構成することができる。例えば、開口部１６４４の距離は、上部リング１６６０に沿って徐々に大きくすることができ、例えば、プレナムインレット１３５２に最も近い該チャネルから該開口部が遠ざかるにつれて、開口部１６４４の直径は大きくなる。その他の構造も用いることができ、例えば、開口部１６４４の直径は、上部リング１６６０に沿って同じかまたは同様にすることができ、または、開口部１６４４間の距離は、プレナムインレット１３５２に最も近い該チャネルに近づくにつれてより長くすることができる。
図１７Ａ、図１７Ｂは、本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの底部断面を示す。該ヒータアセンブリは、低温度用途、例えば、５００℃未満の作動温度を有する炉に用いることができる。図１７Ａは、拡大図を示し、図１７Ｂは、チャネル１７４０を通る自然対流冷却のための流体インレットとして機能する外側シェル１７５５に切欠き部１７５７を有するヒータアセンブリの底部の断面図を示す。プレナムインレット１７５２とプレナム１７５０は、より高いクールダウンレートが所望される場合に、例えば、開口部１７５１を介してエアフローを供給して、強制対流冷却をもたらすことができる。
図１８Ａは、本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの上方部の断面図を示す。該ヒータアセンブリは、低温度用途、例えば、５００℃未満の作動温度を有する炉に用いることができる。多数の開口部を有する上部リング１８６０は、中心軸周りに回転して、チャネル１８４０の出口フローを拡大または小さくすることができる。チャネル１８４０は、エアフローのために、該断熱部と該外側シェルとの間に配置することができる。ねじ１８７５等のファスナーは、ユーザが該ホールサイズを制御して、所望のホールサイズで所定の位置に固定することを可能にする。
図１８Ｂは、本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの上部リングを示す。ホール開口部１８４５は、最適なエアフローのために調節することができる。一旦、該エアフローが調節されると、ねじ１８７５は、上部リング１８６０を定位置に保持することができる。
図１９Ａ、図１９Ｂは、本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリの上部リングを示す。該ヒータアセンブリは、低温度用途、例えば、５００℃未満の作動温度を有する炉に用いることができる。図１９Ａは、分解立体図を示し、図１９Ｂは、ヒータアセンブリ用の上部リング１９６０の斜視図を示し、多数の開口部１９４５からの、すなわち、該ヒータアセンブリの該チャネルからのフローを調節するのに用いることができる多数の開口部１９４４が図示されている。
いくつかの実施形態において、外側チャネル、例えば、断熱層の外側面と、外側シェルとの間に配置されたチャネルに結合された開口部１９４５は、埋め込まれたチャネル、例えば、該断熱層内に配置されたチャネルに結合された開口部よりも大きくすることができる。該より大きな開口部は、例えば、低温度用途、または、自然対流フローのための大流量に適応することができる。
図２０Ａ、図２０Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による水平構造におけるヒータアセンブリの斜視図を示す。例えば、立ち上る熱の方向に、または、上昇する熱とは反対方向に流体フローを構成するために、多数のフランジまたはプレナム２０５０および２０５６を含めることができる。第１のフランジまたはプレナム２０５６は、該ヒータアセンブリの一方の側で用いることができ、また、第２のフランジまたはプレナム２０５０は、立ち上る熱の方向２０８０に、例えば、上方でチャネル２０４０内にフローを生成するために、該ヒータアセンブリの別の側で用いることができる。その他の構造、例えば、強制流体フローのための、底部両側の追加的なプレナムインレット、チャネル１０４０に沿った追加的なプレナムアウトレット、および断熱層２０３０内に埋め込まれた追加的なチャネルも用いることができる。
いくつかの実施形態において、本発明は、ヒータアセンブリおよびヒータアセンブリを利用する炉を作動させるための方法を開示し、この場合、該ヒータアセンブリは、その加熱および／または冷却速度の制御を改善するための１つ以上のチャネルを含むことができる。例えば、自然対流は、該ヒータアセンブリの断熱層の境界条件を制御することができ、それによって、該ヒータアセンブリおよび該ヒータアセンブリを利用する炉の冷却速度を増加させることができる。いくつかの実施形態において、自然対流フローは、例えば、所望の冷却速度を実現するために、該流体フローのフローコンダクタンスを変化させることによって、制御または調節することができる。また、該流体フローは、該冷却速度を最適化するための該ヒータの温度に、例えば、より低い温度の場合の大流量、およびより高い温度の場合のより少ない流量に依存して制御することができる。
いくつかの実施形態において、強制的な流体フローは、該ヒータアセンブリ（または、該ヒータアセンブリを用いる炉）の冷却速度を増加させるのに用いることができる。該冷却速度は、該フローコンダクタンスを変化させることにより、または、フロー圧力の変化を変えることにより、該流体フローを変化させることによって制御することができる。
図２１Ａ、図２１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、ヒータアセンブリおよびヒータアセンブリを用いる炉を制御するためのフローチャートを示す。図２１Ａにおいて、炉の温度を制御するための、例えば、冷却速度を制御するための方法は、断熱層の多数のチャネルを介して流体フローを流すか、または、該流体フローを調節することによって実行することができる。該流体フローは、ガスフロー、例えば、エアフローを、または、液体フロー、例えば、水流を含むことができる。該流体フローは、ポンプまたは送風機等の外部機構によって供給される自然対流ガスフロー、重力アシスト液体フロー、または、強制フロー、ガスまたは液体フローを含むことができる。該流体フローは、該加熱要素からある距離に供給することができる。該距離は、該断熱層の厚さよりも小さくすることができ、例えば、該流体フローは、該断熱層に埋め込まれた多数のチャネル内に供給され、または、該断熱層の外側面に供給することができる。該距離は、該断熱層の略厚さに等しくすることができ、例えば、該流体フローは、該断熱層の外側面において、多数のチャネルに供給される。
動作２１００において、加熱されたチャンバが準備され、この場合、該加熱されたチャンバの少なくとも一部は、該チャンバを断熱するための断熱層で覆われる。該加熱されたチャンバは、該断熱層によって完全に覆うことができ、または、該断熱層によって包囲し、上部および／または底部は該断熱層によって覆わないままにしておくことができる。該加熱されたチャンバは、加熱要素によって加熱することができ、該加熱要素は、熱損失を最小限にするように該断熱層によって覆われている。いくつかの実施形態においては、該加熱要素が、所望時間、および所望温度で作動された後、該加熱要素は、作動を停止される。
動作２１１０において、流体フローが供給され、例えば、該断熱層の１つ以上のチャネルを通して流される。該断熱層に沿って伸びる多数のチャネルが存在することができる。該断熱層を包囲する１つの大きなチャネルが存在することができる。該流体フローは、該断熱層内に埋め込まれたチャネル内を流れることができ、または、該断熱層と、外側シェルとの間のチャネル内を流れることができる。該ヒータは、該流体フローを流す前に作動を停止することができ、この場合、該ヒータは、該加熱チャンバに熱を与えることができ、および該流体フローは、該断熱層に冷却をもたらし、そのことは、該加熱チャンバの冷却速度を同様に増加させる。
いくつかの実施形態において、該流体フローは、エアフロー等のガスフローを含むことができる。ガスフローは、送風機またはファンによって確立することができる。該流体フローは、液体フローまたは冷却剤フロー等の液体フローを含むことができる。液体フローは、液体ポンプによって確立することができる。冷却剤フローは、該流体フローを循環させるための熱交換器とともに、冷却ユニットによって確立することができる。該加熱チャンバの温度は、約２０００℃未満とすることができ、約１３００℃未満とすることができ、約１１００℃未満とすることができ、または、該約５００℃未満とすることができる。
いくつかの実施形態において、該流体フローは、例えば、所望の冷却速度を実現するように、または、該加熱チャンバ内での実質的に均一な温度プロファイルを実現するように制御または調節することができる。例えば、一般的に、高流体フローは、冷却速度を増加させることができ、そのことは、フローコンダクタンスを変化させることによって、流量を変化させることによって、または、該チャネルのインレットとアウトレットの間の圧力差を変化させることによって制御または調節することができる。該流体フローは、例えば、該冷却速度を最適化するための、該加熱チャンバ内の温度の関数として制御または調節することができる。例えば、より低いチャンバ温度は、より高いチャンバ温度と比較して、同様の冷却速度を実現するためには、より高流体フローを必要とする可能性がある。
いくつかの実施形態において、該流体フローは、例えば、該多数のチャネルのフローコンダクタンスを調節することによって、手動で調節することができる。該フローコンダクタンスは、アウトレットのサイズを変えることにより、例えば、該流体フローが該チャネルに入ることができるか、または、該チャネルから出ることができる該インレットまたはアウトレットを変化させるためのリングを回転させることによって調節することができる。該流体フローを調節して、所望の効果、例えば、所望の冷却速度を達成した後、該流体フローは、さらなる変化またはさらなる変動に対して調整することができる。
いくつかの実施形態において、該流体フローは、例えば、制御装置を介して自動的に調節することができる。例えば、該冷却速度をモニタすることができ、そして、該フローコンダクタンスを調節、例えば、所望の冷却速度を実現するために、増加または減少させることができる。さらに、他の条件、例えば、流速、または、該チャネルのインレットとアウトレットの間の圧力差を調節することもできる。例えば、送風機速度は、該チャネルへのガスフローを変化させるように調節することができる。ポンプ速度は、該チャネルへの液体フローを変化させるように調節することができる。冷却ユニットまたは熱交換器は、該チャネル内の該流体の温度を変えるように調節することができる。
いくつかの実施形態において、本発明は、チャンバを急速に冷却する方法を開示し、該方法は、加熱されたチャンバを準備することであって、該加熱チャンバの少なくとも一部が、該チャンバを断熱するための断熱層で覆われていることと、該断熱層内の１つ以上のチャネルを介して流体フローを流すこととを備えている。該方法は、該流体フローを流す前に、ヒータの作動を停止することであって、該ヒータが該加熱チャンバに熱を供給することをさらに備えることができ、および該流体フローが、該複数のチャネルに入る前か、または、該複数のチャネルから出た後に、熱交換器に該流体フローを流すことをさらに備えることができる。いくつかの実施形態において、該流体フローは、ガスフローを含むことができる。該流体フローは、液体フローを含むことができる。該加熱チャンバの温度は、２０００℃未満とすることができ、または、１３００℃未満とすることができる。該流体フローは、該加熱チャンバ内で実質的に均一な温度を実現するように調節することができる。該流体フローは、手動で調節することができる。該流体フローは、制御装置を介して自動的に調節することができる。該流体フローは、該複数のチャネルのアウトレット開口部を変化させることによって調節することができる。該流体フローは、該複数のチャネルにガスフローを供給する送風機を変化させることによって調節することができる。
図２１Ｂにおいて、炉の温度を制御するための、例えば、冷却速度を制御するための方法は、断熱層の多数のチャネルを流れる流体フローを調節または調整することによって実行することができる。該流体フローは、エアフロー等のガスフロー、または、水流等の流体フローを含むことができる。該流体フローは、自然対流ガスフローまたは重力アシスト液体フローを含むことができる。該流体フローは、該加熱要素からある距離に供給することができる。該距離は、該断熱層の厚さよりも小さくすることができ、例えば、該流体フローは、該断熱層内に埋め込まれた多数のチャネル内に供給され、または、該断熱層の外側面に供給することができる。該距離は、該断熱層の厚さに略等しくすることができ、例えば、該流体フローは、該断熱層の外側面において、多数のチャネルに供給される。
動作２１５０において、加熱されたチャンバが準備され、この場合、該加熱チャンバの少なくとも一部は、該チャンバを断熱するための断熱層によって覆われている。該加熱チャンバは、該断熱層によって完全に覆うことができ、または、該断熱層によって包囲し、その上部および／または底部は、該断熱層によって覆わないままにしておくことができる。該加熱チャンバは、該加熱チャンバは、加熱要素によって加熱することができ、該加熱要素は、熱損失を最小限にするように該断熱層によって覆われている。いくつかの実施形態においては、該加熱要素が所望時間、および所望温度で作動された後、該加熱要素は、作動が停止される。
動作２１６０において、流体フローは、該断熱層の１つ以上のチャネルを介して調節され、制御され、または調整される。該断熱層に沿って伸びる多数のチャネルが存在することができる。該断熱層を包囲する１つの大きなチャネルが存在することができる。該流体フローは、該断熱層内に埋め込まれたチャネル内に流すことができ、または、該断熱層と外側シェルとの間のチャネル内に流すことができる。該ヒータは、該流体フローを流す前に、作動を停止することができ、この場合、該ヒータは、該加熱チャンバに熱を与え、および該流体フローは、該断熱層に冷却をもたらし、それによって、該加熱チャンバの冷却速度も増加させる。
いくつかの実施形態において、該流体フローは、エアフロー等のガスフローを含むことができる。該流体フローは、液体フロー、例えば、重力下で流れる水流とすることができる。その調節は、該フローコンダクタンスの制御、例えば、該チャネルの出口開口部のサイズを変化させることを含むことができる。例えば、該チャネルの出口を調節するのに、リングを用いることができ、この場合、該リングの回転が、多数の出口開口部を同時に拡大または縮小することができる。該フロー調節は、該チャネルの入口開口部のサイズの変更を含むことができる。例えば、該チャネルの基部に、多数の切欠き部を配置して制御することができ、それによって、該チャネルに流入する空気の流量に影響を与えることができる。所望の効果、例えば、所望の冷却速度を実現するように該流体フローを調節した後、該流体フローは、さらなる変化またはさらなる変動に対して調節することができる。
いくつかの実施形態において、該流体フローは、例えば、オペレータが、（該出口開口部を調整するための）該ヒータアセンブリの上部にあるリングを回転させることにより、または、（該入口開口部を調整するための）該ヒータアセンブリの底部にある該切欠き部のサイズを変化させることにより、手動で調節することができる。いくつかの実施形態において、該流体フローは、例えば、制御装置によって自動的に調節することができる。例えば、冷却速度をモニタすることができ、そして、該入口開口部および／または出口開口部を、所望の冷却速度を達成するように、調整、例えば、増加または減少させることができる。
いくつかの実施形態において、該チャネルは、立ち上る熱の方向に沿って、例えば、重力に逆らって、例えば、非水平方向に伸びており、水平面に対してある角度を形成し、または、実質的には垂直を形成している。該加熱チャンバの温度は、約２０００℃未満とすることができ、約１３００℃未満とすることができ、約１１００℃未満とすることができ、または、約６００℃未満とすることができる。
いくつかの実施形態において、該流体フローは、例えば、所望の冷却速度を達成するように、または、該加熱チャンバ内での実質的に均一な温度プロファイルを実現するように、制御または調節することができる。該流体フローは、例えば、該冷却速度を最適化するための、該加熱チャンバ内の温度の関数として制御または調節することができる。例えば、より低いチャンバ温度は、より高いチャンバ温度と比較して同様の冷却速度を実現するためには、より高流体フローを、例えば、より大きな入口開口部または出口開口部を必要とする可能性がある。
いくつかの実施形態において、本発明は、チャンバを急速に冷却するための方法を開示し、該方法は、加熱されたチャンバを準備することであって、該加熱チャンバの少なくとも一部が、該チャンバを断熱するための断熱層で覆われていることと、該断熱層内の１つ以上のチャネルを流れる流体フローを調節することとを備えている。該方法は、該流体フローを調節する前に、ヒータの作動を停止することをさらに備え、この場合、該ヒータは、該加熱チャンバに熱を与える。いくつかの実施形態において、該加熱チャンバの温度は、６００℃未満とすることができる。該流体フローは、該加熱チャンバ内で実質的に均一な温度を実現するように調節することができる。該流体フローは、手動で調節することができる。該流体フローは、制御装置によって自動的に調節することができる。該流体フローは、該複数のチャネルのアウトレット開口部を変化させることによって調節することができる。該流体フローは、該複数のチャネルのインレット開口部を変化させることによって調節することができる。
いくつかの実施形態において、本発明は、ヒータアセンブリおよびヒータアセンブリを用いる炉を作動させるための方法を開示し、この場合、該ヒータアセンブリは、サイクルタイムを短くするためのおよび／またはエネルギ消費を低減するための１つ以上のチャネルを含むことができる。例えば、該ヒータの上昇状態動作または定常状態動作には、フローのない状態を利用することができる。該フローのない状態において、該チャネルは、停滞した空気を有することができ、それによって、例えば、周囲空気の外の対流よりも良好な高い断熱性をもたらすことができ、エネルギ節約につながる。該フロー状態において、該チャネルは、流体フローを有することができ、そのことは、境界条件により、より速い冷却速度をもたらすことができ、より速いサイクルタイムおよびより高いスループットにつながる。
いくつかの実施形態において、本発明は、ヒータアセンブリおよびヒータアセンブリを用いる炉を作動させるための方法を開示し、この場合、該ヒータアセンブリは、その温度調節の制御を改善するための１つ以上のチャネルを含むことができる。例えば、流体フローは、該ヒータアセンブリの断熱層の境界条件を制御することができ、それによって、該ヒータアセンブリの、および該ヒータアセンブリを用いる炉の冷却速度を増加させることができる。該加熱要素とともに該ヒータアセンブリの加熱速度を制御することにより、温度制御の改善を実現することができる。
一般的には、加熱速度は、加熱要素に印加される電力を増加させることによって急速に増加させることができ、同時に、冷却速度は、周囲空気への放熱に依存するため、該加熱要素は、冷却速度よりも速い加熱速度を有することができる。したがって、能動的な冷却機構を設けることにより、該ヒータアセンブリは、例えば、温度振動または温度オーバーシュートを減らすことにより、温度を効率的に調節することができる。
いくつかの実施形態において、本発明は、温度オーバーシュートまたは温度振動の低減を伴わずに、または伴って、急速に加熱するための方法を開示する。速い加熱速度は、温度が目標温度に近い場合に、その後の速い冷却速度を伴う。速い冷却速度は、温度オーバーシュートを防ぐか、または低減することができ、炉のより速い加熱を可能にする。例えば、本発明の冷却速度の改善を伴わない典型的な加熱速度において、温度が目標温度に近い場合、例えば、目標温度の約８０％である場合、その冷却速度は、周囲空気に強く依存し、および制御することができないため、その加熱速度は、温度オーバーシュートを防ぐために、著しく低下される必要があるであろう。対照的に、本発明の改善された冷却速度を有するヒータアセンブリの場合、その加熱速度は、例えば、目標温度の９０または９５％に達するまで、速い速度を維持することができる。その冷却フローは、その温度が目標温度に近くなるまで、速い加熱速度であっても、高速の冷却速度のために作動させることができる。
いくつかの実施形態において、本発明は、温度の正確な制御のための方法を開示する。チャンバ温度が低下した場合、該温度を上昇させるために、加熱要素を作動させることができる。速い加熱速度は、その後に、温度を戻すための速い冷却速度を伴って用いることができる。該速い冷却速度は、より速い温度回復を可能にし、温度変動を少なくし、および良好な温度精度を実現できる。例えば、本発明の改善された冷却速度を伴わない典型的な加熱速度において、温度が目標温度から低下した場合、該加熱速度は、温度オーバーシュートを防ぐために、徐々に増加される必要がある。このことは、大きな温度変動に、または、より低い温度精度の制御につながる可能性がある。
いくつかの実施形態において、流体チャネルを有する該ヒータアセンブリは、その加熱サイクル中に、冷却を実行することができ、例えば、該ヒータアセンブリの該チャネルにフローを流すことにより、該ヒータは、標準的なヒータよりも高い温度精度で作動し、および温度を制御することができる。該ヒータの作動温度精度の範囲を広げると、製造設備の生産ラインにおける適応性を与えることができる。例えば、半導体産業におけるウェーハの処理の場合、そのヒータの内部の温度は、典型的には、約±０．２５℃に制御および安定化させる必要がある。標準的なヒータをこの精度に安定化することは、特に、該ヒータの温度を、約６００℃の温度範囲内で、この精度に維持しなければならない場合に困難である。通常、この温度範囲において、この安定化精度を実現するには、長い時間または専用のバランスが必要であり、全体の処理効率に影響を及ぼす。
対照的に、本発明のいくつかの実施形態によるヒータは、典型的には、該ヒータが上昇するにつれて、該断熱層に空気を流す。このエアフローは、その壁部からの熱損失を増加させる傾向があり、それによって、より良好な温度制御およびより速い安定化をもたらしている。
図２２は、本発明のいくつかの実施形態によるヒータアセンブリおよびヒータアセンブリを用いる炉を制御するためのフローチャートを示す。動作２２００において、プロセスチャンバを加熱するためにヒータが作動される。動作２２１０においては、少なくとも、該ヒータが作動されている間の一部において、断熱層内の１つ以上のチャネルを介して流体フローが流され、この場合、該断熱層は、該チャンバを断熱するように該ヒータを覆っている。該流体フローは、速い温度上昇を実現するために、該ヒータの温度上昇中に流すことができる。温度変動を最小限にする高速制御を実現するために、例えば、温度が目標温度の近くで最小限の変動を有する目標温度精度を実現するために、該流体フローは、温度安定中に、例えば、該チャンバの温度が目標温度で平衡に達した後に作動させることができる。
いくつかの実施形態において、該流体フローは、エアフロー等のガスフローを含むことができる。ガスフローは、送風機またはファンによって確立することができる。該流体フローは、液体フローまたは冷却剤フロー等の液体フローを含むことができる。液体フローは、液体ポンプによって確立することができる。冷却剤フローは、該流体フローを循環させるための熱交換器とともに、冷却ユニットによって確立することができる。
いくつかの実施形態において、該流体フローは、例えば、該多数のチャネルのフローコンダクタンスを調節することによって、手動で調節することができる。該フローコンダクタンスは、アウトレットのサイズを変えることにより、例えば、該流体フローが該チャネルに入ることができるか、または、該チャネルから出ることができる該インレットまたはアウトレットを変化させるためのリングを回転させることによって調節することができる。
いくつかの実施形態において、該流体フローは、例えば、制御装置によって自動的に調節することができる。例えば、その温度および冷却速度をモニタすることができ、そして、所望の加熱速度または温度精度を実現するために、該加熱要素および該フローコンダクタンスを調節、例えば、増加または減少させることができる。さらに、他の条件、例えば、流速、または、該チャネルのインレットとアウトレットとの間の圧力差を調節することができる。例えば、送風機速度を、該チャネルへのガスフローを変化させるために調節することができる。ポンプ速度は、該チャネルへの液体フローを変化させるために調節することができる。冷却ユニットまたは熱交換器は、該チャネル内の流体の温度を変化させるために調節することができる。
いくつかの実施形態においては、該流体フローを止めて、例えば、該チャネル内に停滞した空気を生成することができ、該停滞した空気は断熱部として作用することができ、例えば、上昇時間中、または、定常状態時間中に、該ヒータがエネルギを節約することを可能にする。

Claims (20)

  1. 断熱材料から成る層であって、その断熱層が、加熱要素を周囲空気から断熱するように構成される層と、
    前記断熱層内に設けられた１つ以上のチャネルであって、前記複数のチャネルは、前記断熱層の長さに沿って貫通している１つ以上のチャネルと、
    前記複数のチャネルに結合されたマニホールドであって、前記マニホールドがインレットを備えるマニホールドと、
    を備える断熱部。
  2. 前記複数のチャネルは、前記断熱層の長さに沿って通っている直線状ラインまたは湾曲ラインを備える、請求項１に記載の断熱部。
  3. 前記複数のチャネルに結合されたリストリクタアセンブリであって、前記複数のチャネルのフローコンダクタンスを調節可能に変化させるように構成されるリストリクタアセンブリをさらに備える、請求項１に記載の断熱部。
  4. 前記リストリクタアセンブリに結合された固定アセンブリであって、前記リストリクタアセンブリを前記断熱層に固定結合するように構成される固定アセンブリをさらに備える、請求項１に記載の断熱部。
  5. 前記リストリクタアセンブリに結合された制御装置アセンブリであって、前記複数のチャネルのフローコンダクタンスを自動的に調節するように構成される制御装置アセンブリをさらに備える、請求項１に記載の断熱部。
  6. 前記マニホールドのインレットに結合された送風機アセンブリをさらに備える、請求項１に記載の断熱部。
  7. 前記複数のチャネルは、前記断熱層内に真空形成される、請求項１に記載の断熱部。
  8. 前記複数のチャネルと前記断熱層との間に配置された１つ以上のチューブをさらに備える、請求項１に記載の断熱部。
  9. ヒータと、
    断熱材料から成る層であって、その断熱層が、前記ヒータを周囲空気から断熱するように構成される層と、
    前記断熱層内に配置された１つ以上のチャネルであって、前記複数のチャネルは、前記断熱層の長さに沿って貫通している１つ以上のチャネルと、
    前記複数のチャネルに結合されたマニホールドであって、インレットを備えるマニホールドと、
    を備えるシステム。
  10. 石英管であって、前記ヒータが前記石英管の外側に配置される石英管をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  11. 前記複数のチャネルに結合されたリストリクタアセンブリであって、前記複数のチャネルのフローコンダクタンスを調節可能に変化させるように構成されるリストリクタアセンブリをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  12. 前記リストリクタアセンブリに結合された固定アセンブリであって、前記リストリクタアセンブリを前記断熱層に固定結合するように構成される固定アセンブリをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  13. 前記リストリクタアセンブリに結合された制御装置アセンブリであって、前記複数のチャネルの前記フローコンダクタンスを自動的に調節するように構成される制御装置アセンブリをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  14. 前記マニホールドの前記インレットに結合された送風機アセンブリをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  15. チャンバを制御可能に加熱するための方法であって、
    前記チャンバを加熱するためにヒータを作動させることと、
    少なくとも、前記ヒータが作動される時間の一部の間、断熱層内の１つ以上のチャネルを介して流体フローを流すことと、
    を備え、前記断熱層は、前記チャンバを断熱するように前記ヒータを覆っている方法。
  16. 前記流体フローは、ガスフローまたは液体フローを備える、請求項１に記載の方法。
  17. 前記流体フローは手動で調節される、請求項１に記載の方法。
  18. 前記流体フローは、制御装置によって自動的に調節される、請求項１に記載の方法。
  19. 前記流体フローは、前記複数のチャネルのアウトレット開口部を変化させることによって調節される、請求項１に記載の方法。
  20. 前記流体フローが前記複数のチャネルに入る前、または前記チャネルから出た後に、熱交換器を介して前記流体フローを流すことをさらに備える、請求項１に記載の方法。
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