JP6423893B2 - 加熱エレメントのための支持システム - Google Patents

Description

本発明は、加熱エレメントを支持するための支持システム、少なくとも１つ支持システムを有する加熱システムに関する。

抵抗加熱エレメントを有する炉または電気ヒータは、一般に知られており、種々の業界における様々な利用分野で使用されている。ここで、電流がよく知られている加熱フィラメントのような導電性加熱エレメントに印加された時に熱が発生し、電気抵抗により電気エルギが熱に変換される。一般に、加熱エレメントは、加熱されるアイテムまたは材料に近接して配置される。例えば化合物半導体などの半導体材料の製造に使用されるＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition：有機金属気相成長法）技術のような様々な利用分野の加熱システムは、できるだけ高い温度、例えば設計上および加熱エレメントの材料で問題となる８００°以上の温度で動作することが要求される。特に高温が要求される利用分野において、加熱エレメントは、しばしば（高価で、所望の形状への加工が難しい）セラミック材料から製造されるか又は、タングステン、モリブデン、レニウム、タンタル、ニオビウム、その他又はそれらの合金のような高融点金属を含んでいる。

高温加熱システムの設計時において、主な問題の一つは、熱的に誘導される加熱エレメントの環状の膨張および収縮に対応しなければならないことである。特に、ＭＯＣＶＤ装置のような特定の用途において、加熱エレメントの正確な位置決めが重要であり、それは加熱システムの運転サイクルの間、制御された方法で維持されなければならない。通常、ターミナルのような機械的支持構造の異なる種類は、加熱エレメントが所定の位置に正確に位置決めされ保持されることを確実にするために使用される。装置の内部で、例えばＭＯＣＶＤプロセスが実行されている時、加熱エレメントは、１０００〜２２００℃に加熱され大きく膨張し、ターミナルによって固定された位置を維持する時、重大な機械的応力が、加熱エレメントの材料の内部に発生する。このような機械的応力は、制御できない塑性変形を引き起こすか、加熱エレメントが劣化または破壊する可能性があり、加熱エレメントの寿命の減少につながる。加熱エレメントと、加熱システムの他の部品または他の加熱エレメントとの間の接触、または加熱エレメント自体の内部での接触は、結果として短絡の可能性があるなど深刻な危険があるため、制御できない変形は望ましくない。さらに、加熱エレメントの変形は、局所電気抵抗に影響を与えるので、均一または他の方法で正確に制御された温度プロファイルが重要な化合物半導体のエピタキシャル成長のプロセスのような高温での要求が厳しい利用分野において、塑性変形は特に好ましくない。高融点金属のクリープ抵抗が温度と共に減少し、実質的に１２００〜１４００℃で低下するので、高融点金属を含む加熱エレメントを有する状況が最も問題である。加熱エレメントが冷えるときに、上記の温度で小さい応力でも、望ましくない塑性変形が引き起こされる可能性がある。

固定ターミナルの問題を解決するため、いくつかの好ましい方向において、加熱エレメントの膨張を許容するように設計された、フレキシブルエレメントを備えた様々なシステムが考案されている。このような公知のターミナルは、例えば加熱エレメントとターミナルとの接続位置を移動可能にするようなＵ字形状を有する異なる種類のスプリングを有している。そのようなＵ字形状を有するスプリングが、ある程度加熱エレメントの内部に発生した熱応力を低減している間、加熱エレメントが２以上の方向にそれ自体膨張できるので、それらの特性は実際十分には信頼することができず、それ自体または加熱システムの他の部分と加熱エレメントの電気的接触による短絡の危険性が残る。

特許文献１には、平面内に加熱エレメントを固定するために挿入されたピンを挿通する複数のピン開口を有する加熱エレメントが提案されている。ピン開口のサイズ及び幾何学形状は、一定の温度範囲において水平方向に加熱エレメントが膨張できるように設計されている。しかしながら、実際には、特に１５００℃を超える高温において、いくつかの問題が発生する。そのような高温において、ピンは、加熱エレメントに接触しており、通常、加熱エレメントへの拡散を介して結合する傾向のある高融点金属で作られているため、水平方向への自由な移動を妨げる。その結果、機械的応力は、加熱エレメントの形状の塑性変形をもたらす熱を発生する。

上記文献によれば、加熱エレメント、特に１６００℃以上の温度で動作する高温ヒータに使用することができる加熱エレメントのための支持システムが、業界で必要とされる。このように、本発明の目的は、ヒータ用加熱エレメントのための支持システム、および、加熱エレメントの内部に熱的に誘導された応力を動作中に低減するとともに、特に高温用途に適した支持システムを有する加熱システムを提供することである。

米国特許第７６４５３４２号

本発明によれば、加熱エレメントを支持するための支持システムが、加熱エレメントを支持するのに適した支持メンバを含んでいる。支持メンバは、適度な剛性と細長い形状を有しており、主延在方向を有し、実質的に高さ方向に延在している。主延在方向は、高さ方向に対して、正確に平行であるか又は１０°以内の角度をなしていることが望ましいが、支持メンバは、厳密に直線状に形成されている必要はない。高さ方向は、配向位置にある支持メンバの取り付けられている局所領域内の加熱エレメントの延在面に対して垂直な方向として定義される。好ましくは、加熱エレメントは、湾曲した主延在方向を有しており、延在面を画定する平面に配置されている。支持メンバにおける加熱エレメントの到達部が、実質的に直線状に形成される場合、高さ方向は、加熱エレメントの全体的な幾何学的構造によって定義することができる。本発明によれば、支持メンバは２つの端部、近位端部及び遠位端部を有する。近位端部は、加熱エレメントの方向に向いており、加熱エレメントを支持するための支持部分を有している。遠位端部は、近位端部から離れて配置されており、少なくとも１つのヒンジを介してベースメンバを連結するための遠位部分を有する。好ましくは、支持メンバ及びベースメンバは、回動可能なように唯一のヒンジを介して接続されている。ベースメンバは、固定すること、例えば、加熱システム、又は、加熱エレメントを備えるヒータハウジングに固定することができる。本発明によれば、支持メンバ及びベースメンバは、支持メンバが、実質的に剛性方向に平行に配向されている軸の周りにベースメンバに対して回動できるように、互いにヒンジで連結された２つのアームを形成する。このように、支持メンバは、可動方向に移動可能であり、可動方向は高さ方向（好ましくは、７５〜１０５°の範囲）に対して実質的に垂直な方向として定義される。支持メンバの動作は、可動方向に対して垂直でありかつ高さ方向に対して垂直な剛性方向に対して実質的に制限される。したがって、ヒンジは、加熱エレメントが、熱膨張時に可動方向に沿って移動する可能性を提供し、加熱エレメントが、実質的に剛性方向に変位することを防止する

加熱エレメントの加熱プロセス中では、加熱エレメントがその寸法方向に膨張するが、もしも加熱システムのベースの固定されている加熱エレメントとベースエレメントの間の相対的な動きが阻止されると、加熱エレメントには熱的に誘導され不規則な変形を引き起こす応力がかかる。本発明の構成では、熱的に誘導された加熱エレメントの変位が制御可能であり、実質的に唯一の方向、特に可動方向または高さ方向に誘導される。これは、加熱エレメントの材料内部に熱的に引き起こされた機械的応力および塑性変形の危険を減少させる可能性をもたらす。

支持メンバの回転軸線が支持メンバの質量中心と一致せず、重力によって支持メンバにかかる回転モーメントが、結果として所望の膨張方向に、かつ加熱エレメント上に力をかけるように回転軸線が配置されていることが望ましい。好ましくは、回転軸線が、高さ方向及び／又は可動方向に沿って支持システムの質量中心から一定の間隔を置いて配置されている。さらに、可動方向に支持システムによって加えられる力が、動作温度で加熱エレメント材料の限定クリープ応力を超えない場合には有利である。

本発明の有利な実施例によれば、ベースメンバは、高さ方向に遠位端部から近位端部に向かって少なくとも部分的に延在している。他の有利な実施例によれば、ベースメンバは、水平方向に配置することも可能である。好ましくは、ベースメンバ及び支持メンバは、加熱エレメントが非加熱状態の時の室温において整列している。さらに、好ましい実施例において、支持メンバ及び／又はベースメンバの主延在方向は、高さ方向と平行である。このように、加熱エレメントの構造によって隔てられた平面に対して、実質的に垂直である。これにより、一方で比較的低い高さを有する非常にコンパクトな構造の、他方で高温（特に、１６００℃以上の温度）においても動作可能な加熱システムを実現することができる。支持メンバの拡張された細長い形状により、特に支持メンバが加熱システムの（典型的には、水などの液体で冷却されている）底面に対して近い位置に配置されている場合、近位端部と遠位端部との間に生じる大きな温度差を達成することができる。さらに、好ましい実施例では、ベースメンバ及びヒンジは、加熱エレメント及びベースメンバの間に配置可能な熱シールドシステムにより熱から保護されている。このように、ベースメンバ及びヒンジは、材料にストレスがかからないような、かなり低温である。

支持メンバは、一体的に形成される必要はなく、好ましい実施例では、実質的に平行方向に配置され、遠位部分でベースメンバに回動自在に結合された、２またはそれ以上の数のバーまたはシートを有する。バーまたはシートは、例えばバーまたはシートの間に配置され、ねじまたはそれと同等のもので固定されたセパレータエレメント（スリーブ）を介して、互いに機械的に連結されている。このように、支持メンバの構造は、一方で必要な材料を削減し、他方で好ましくない捩じり又は曲げに対して十分な剛性をもって、実現される。

本発明の支持システムは、単に加熱エレメントの機械的支持を提供することができるか、または、機械的支持と、電源から加熱エレメントへの電力供給の両方を提供することができる。

さらに、材料に関して、本発明の支持システムの構成部品、特に支持メンバ及び／又はベースメンバ及び／又はヒンジの構成部品は、少なくとも９０重量％の高融点金属を含むことができる。特に、高融点金属は、タングステン、モリブデン、ニオビウム、タンタル、レニウム、およびそれらの合金から選択される。材料の一例としては、タングステンまたは（少なくとも９０重量％のタングステンを含む）タングステン合金、例えばタングステン以外に少量のケイ酸カリウムを含む真空成膜されたタングステン合金が挙げられる。材料の別の例としては、モリブデン又は（少なくとも９５重量％のモリブデンを含む）モリブデン合金が挙げられる。

機械的支持を提供する支持システムは、加熱システムのハウジングに対してそれぞれ固定されたベースから電気的に絶縁されていることだけが必要である。特に、電気的絶縁は、アルミナ（Al₂O₃）または窒化ボロン（BN）または窒化アルミニウム（AlN）のようなセラミック材料または窒化シリコンアルミナ（SiAlON）その他によって提供される。セラミックスの分解や蒸発を防止するため、支持システムは、電気絶縁部品との境界での温度が１５００〜１６００°付近の温度を超えないように構成されなければならない。

当業者は、支持メンバに加熱エレメントを接続する方法について多くの方法があることを理解するであろう。これらの方法は、撚り線、クランピング、溶接、ねじ止め、ビルト締め及びその他の方法を含む。追加的に電気的接続を提供する支持システムに対して、選択された方法は、支持メンバと加熱エレメントとの間の適切な電気的接続を達成するために、支持メンバと加熱エレメントとの間に十分な表面接触を確保すべきである。

さらに本発明は、上記の少なくとも１つの加熱エレメント及び少なくとも１つの支持ステムを備えた加熱システムを含む。特に、加熱システムは、ＭＯＣＶＤ炉のヒータとして使用することができるように構成される。本発明の加熱システムは、それぞれの加熱エレメントが、加熱エレメントに電力を供給するとともに、加熱エレメントの両端に配置された２つの支持システムを含むように特徴づけることができる。電力供給支持システムは、特に加熱エレメントの機械的支持のために構成されている。加えて、本発明によるさらなる支持システム、特に電力供給のための２つの支持システム間の加熱エレメントの両端部に配置された加熱エレメントの唯一の機械的支持も可能である。

本発明によれば、単一の加熱エレメントの異なる支持システムの各々の可動方向が共通の中心点に由来しており、特に中心点は、加熱エレメントの延在平面内にあるように選択することができる。言い換えれば、唯一の加熱エレメントの異なる支持システムを調整するために、加熱エレメントの延在平面内に好ましい中心点が規定される。この中心点から、それぞれの可動方向が中心点から放射方向に向かうように、各支持システムが整列される。

最もよく知られている一般的な加熱システムにおいて、加熱エレメントまたは複数の加熱エレメントの配置が、１つの平面内にあることが有利である。特にＭＯＣＶＤ炉用としては、種々のサンプルが、参考文献である特許文献１に記載されている。好ましい一実施例において、加熱エレメントは、狭い間隔で規定された加熱エレメントの第１端部および第２端部に繋がるいくつかの点で中断され、実質的に円形に形成されている。第１端部および第２端部において、電源に対して電気的に接続されている。好ましい実施例において、電気的接触を提供する支持システムは、固定接続され剛性を有するように実現される。好ましくは、加熱エレメントの第１端部と第２端部との間の距離は、もちろん運転中に短絡しないように十分な間隔が必要であるが、できるだけ小さくされる。本実施例では、中心点が、加熱エレメントの（中断した）円形の両端間の幾何学的な中間点に近いことが有利である。このように、支持システムの可動方向は、（実質的に）円状の加熱エレメントの２つの端部に近い点から放射状に外側に向いている。

さらに、本発明の加熱システムは、支持メンバの回転軸線が、支持メンバの質量中心から離れており、その結果支持メンバ上の回転モーメントが、加熱エレメントの所望の延長方向に、例えば、支持メンバの可動方向の円弧に沿って、支持メンバに対して力を生じさせることを特徴とすることも可能である。もしも、本発明が、円状に延在する加熱システムに使用されるならば、支持システムが、外側に向かって、いわゆる中心点から半径方向に向かって、小さな力を提供するので有利である。加熱エレメントの塑性変形を回避するため、加熱システムによって加えられた力が、加熱エレメントの材料特性が劣化する時の動作温度においても、加熱エレメント材料の限界クリープ応力を越えないことが好ましい。

有利な実施形態において、加熱システムは、加熱エレメントの下方に配置された１つまたは複数の熱シールドを有する熱シールドシステムを含んでいる。好ましい実施形態において、支持メンバは、熱シールドシステムの内部に開口を介して延在している。ベースメンバ及び反対のヒンジは、熱シールドの下方に配置され、放射熱から保護されている。

本発明の上記実施形態は、他のものと自由に組み合わせることができる。実施形態の多くは、新しい実施形態を形成するために、組み合わせることができる。

本発明について、図面を参照して詳細に説明する。図面は、模式的に示されたものである。
本発明の支持システムの斜視図である。 本発明に係る加熱システムの第１の実施形態の斜視図である。 本発明の加熱システムの第２の実施形態の斜視図である。 図３の加熱システムの平面図である。

図１の実施形態における支持システム（１００）は、遠位端部（１１２）及び近位端部（１１３）を有する細長い剛性の支持メンバ（１１１）を有している。剛性の支持メンバ（１１１）の上に、加熱エレメントが、延在面を規定するように載置されている（図示せず）。支持メンバ（１１１）の主延在方向は、加熱エレメントの延在面に垂直な高さ方向ｚの方向を向いている。支持システムは、さらに、例えばねじまたは他の種類の機械的固定により支持面（図示せず）上に固定されたベースメンバ（１２１）を有している。支持メンバ（１１１）およびベースメンバ（１２１）は、この特別の実施形態において、回転軸線が高さ方向ｚ及び可動方向ｘと直交する実質的に剛性を有するｙ方向を向いているボルト、突出したピンまたはそれと同等のもので実現されるヒンジ（１３１）を介して回転自在に接続されている。低摩擦を実現するために、ヒンジは、絶縁性を有するアルミナ（Al_２O_３）のようなハードセラミック材料またはサファイヤから製造されてもよい。

回転軸線（１３２）は、支持メンバの質量中心に対して空間的に離れて配置されており（この特別な実施形態において、回転軸線は、支持メンバの遠位端部に近い遠位部分に配置されている。）、支持メンバの重量により、支持メンバに回転モーメントが発生するように、支持メンバ（１１１）の主延長方向に対して非対称に配置されている。これにより、所望の外向きの膨張方向に向かって加熱エレメントに力が生じる。

この実施形態において、支持メンバは、実質的に平行方向を向くように配置されていており、遠位部分においてベースメンバに対してヒンジを介して装着された２つのバー（１１１ａ、１１１ｂ）で構成されている。バーは、バーの間に埋め込まれたスリーブ（１１４）を介して互いに機械的に結合されており、ねじまたはそれに類するものにより固定されている。好ましくは、スリーブは、スリーブの付加的な重量により所望の延在方向に回転モーメントが発生するように、回転軸線（１３２）に対して逆方向に、支持メンバ（１１１）の主延在方向に関して非対象に配置されている。この構成により、剛性方向ｙにおいて加熱エレメントが変位しないようになる。加熱プロセスの間に加熱エレメントの寸法は増大し、円形状に構成されたとき（図４に示すこの位置の平面図）、加熱エレメントは半径方向外側に向かって変位するようになる。加熱エレメントの内部に生じる熱応力を低減するため、本発明に係る支持システム（１００）は、加熱エレメントに、熱膨張時にベースメンバ（１２１）に対して変位する可能性を提供する。支持メンバ（１１１）の近位端部は、可動方向ｘの円弧に沿って移動することによってベースメンバ（１２１）に対して変位する。

この特定の実施形態において支持メンバ（１１１）が、拡張された延長オブジェクトとして構成されている間、一般に支持メンバ（１１１）は、直線形状である必要はなく、高さ方向ｚに対して平行に配置される必要もない。しかしながら、加熱エレメントが可動方向に自由に移動できることが保証されなければならない。

この特定の実施形態において、支持メンバの近位端部に向かって高さ方向に少なくとも部分的に延びるベース部材の配置は、従来公知の設計と比較して、加熱エレメントと加熱システムの底面との間に必要とされる高さが非常に低くなり、支持システムの非常にコンパクトな構造を可能にする。

図２は、加熱システムの温度プロファイルのより優れた制御が得られるように、個別に制御可能な２つの加熱エレメント（１５０、１５１）を有する本発明による加熱システムの一例を示している。加熱エレメント（１５０、１５１）は、それぞれ固定された剛性の支持システム（２００、２０１）の両端に取り付けられている。加熱エレメントの端部におけるこれらの固定された支持システム（２００、２０１）は、電力を加熱エレメントに供給するように構成されている。中断された円形状の外側加熱エレメント（１５０）は、加えて、ヒンジ（１３１）を介して結合された支持メンバ（１１１）およびベースメンバ（１２１）を有する図１のフレキシブル支持システム（１００）によって機械的に支持されている。支持システム（１００）は、機械的支持だけのために構成されており、これを載置するベースに対して、例えばヒンジを電気的絶縁材料で作製するように電気的に絶縁される必要がある。１層または積層された熱シールドを備えた熱シールドシステム（１６０）が設置されていると有利である。熱シールドは、典型的には互いに１〜５ｍｍだけ離れて配置されている。これらは、所望の方向にスペーサエレメントによって維持されている。電力供給のため、固定された剛性の支持システム（２００，２０１）と同様に、機械的支持システム（１００）の支持メンバは、開口を介して熱シールド内に延在している。

図３は、端部がそれぞれ２つの固定された剛性の支持システム（２００）に載置された、中断された円形状の加熱エレメント（１５０）を有する加熱システムの他の実施形態を示している。これらは、電力を加熱エレメントに供給する支持システム（２００）を加熱エレメントの端部に固定している。フィラメントの両端間の距離は、加熱システムが稼働している間、できるだけ短絡しないように維持されている。ヒンジを備えたフレキシブル支持システム（１００）は、それらが載置されたベースに対して電気的に絶縁された加熱エレメントの機械的支持のために提供される。その根拠を明確にするために、熱シールドシステムは、図３に図示していない。

図４は、図３の加熱システムの平面図を示しており、支持システム（１００）の可動方向ｘの方向が描かれている。この実施形態において、異なる支持システム（１００）のそれぞれの移動方向は、加熱エレメントの（中断された）円形の両端間の幾何学的な中間点から方向付けられており、半径方向外側の加熱エレメントの延長面に配向している。本発明が、これらの特定の実施形態に限定されるものではないことは容易に理解されるべきであり、加熱システムに対して、支持システムの種々の実施形態を採用することが可能であり、支持システムの他の組み合わせも可能である。特に、支持システムに供給する電気は、ヒンジを備えたフレキシブル支持システムで実現することができる。

１００ 支持システム
１１１ 支持メンバ
１１１ａ バー
１１１ｂ バー
１１２ 近位端部
１１３ 遠位端部
１２１ ベースメンバ
１３１ ヒンジ
１３２ 回転軸線
１５０ 加熱エレメント
１５１ 加熱エレメント
１６０ 熱シールドシステム

Claims (10)

1. 加熱エレメント（１５０、１５１）を支持するための支持システム（１００）であって、
   高さ方向に延びる主延在方向と、近位端部（１１３）と、遠位端部（１１２）を有する支持メンバ（１１１）であって、前記近位端部（１１３）が前記加熱エレメント（１５０，１５１）を支持するように構成された支持メンバ（１１１）と、
   少なくとも１つのヒンジ（１３１）を介して、前記支持メンバ（１１１）の遠位部分に接続されたベースメンバ（１２１）であって、前記遠位部分が前記近位端部（１１３）から遠位に配置されたベースメンバ（１２１）と、を備え、
   前記支持メンバ（１１１）が、前記ベースメンバ（１２１）に対して、実質的に剛性方向と平行な回転軸線（１３２）の周りに回動可能であることを特徴とする支持システム。
2. 前記回転軸線（１３２）が、前記支持メンバの質量中心から離されて配置されていることを特徴とする請求項１記載の支持システム。
3. 前記回転軸線（１３２）が、高さ方向及び可動方向の少なくとも一方に沿って、前記支持メンバの質量中心から離れて配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の支持システム。
4. 前記ベースメンバが、高さ方向において前記遠位端部から前記近位端部（１１３）の方向に向かって、少なくとも部分的に延在していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の支持システム。
5. 前記支持メンバ（１１１）が、実質的に平行に配置された２以上のバー（１１１ａ、１１１ｂ）を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の支持システム。
6. 前記支持メンバ及び前記ベースメンバの少なくとも一方の材料が、少なくとも９０重量％の高融点金属を含んでいることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の支持システム。
7. 前記高融点金属が、タングステン、モリブデン、タンタル、レニウム、ニオビウム及びこれらの合金から選択されたものであることを特徴とする請求項６記載の支持システム。
8. 少なくとも１つの加熱エレメント（１５０、１５１）と、請求項１〜７のいずれかに記載された少なくとも１つの支持システム（１００）を有する加熱システム。
9. 前記支持システム（１００）は、異なる支持システムのそれぞれの可動方向が共通の中心点を始点とするように方向付けられていることを特徴とする請求項８記載の加熱システム。
10. 前記加熱エレメント（１５０、１５１）の下方に、かつ前記ヒンジ（１３１）および前記ベースメンバ（１２１）の上方に配置されるとともに、前記支持システム（１００）が挿通可能な開口を有する熱シールドシステム（１６０）を有することを特徴とする請求項８又は９記載の加熱システム。
    

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