JPH05504227A

JPH05504227A - 電気炉

Info

Publication number: JPH05504227A
Application number: JP3503298A
Authority: JP
Inventors: マッケンタイア　ウィリアム　ディー; ロナルドイーエリクソン
Original assignee: サームテック　インコーポレイテッド
Priority date: 1990-02-06
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 1993-07-01
Anticipated expiration: 2015-10-30
Also published as: JP3104992B2; EP0514407B2; EP0683622B2; EP0514407A1; US5095192A; EP0683622A3; EP0683622A2; DE69025955T2; WO1991012477A1; DE69025955D1; US5038019A; EP0683622B1; DE69033302T3; DE69025955T3; EP0514407A4; DE69033302T2; DE69033302D1; EP0514407B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

高温拡散炉発明の分野本発明は、半導体産業で例えばウェハに適当を材料を注入することができるように半導体のウェハを加熱するのに用いるような高温拡散炉に関する。発明の背景高温拡散炉は、半導体産業で良く知られている。高温拡散炉での熱処理は、シリコンウェハの製造工程の一部であり、これによって、例えば、ボロンのようなドーピング元素を半導体材料の分子組織の中に導入することができる。炉の加熱サイクルは、時間と温度に関して正確に制御しなければならない。拡散炉を、繰り返し行われる加熱サイクルと冷却サイクルに耐えるほど丈夫にしなければならないとの要求もある。更に、製造工程の目的のため、拡散炉は所望の温度に素早く到達し、所定時間この温度を維持し、次いで所望のレベルまで温度を素早く下げることか重要である。炉の設計前記の要求の全ては、拡散炉の設計が、（１）拡散炉の質量を減じ、（２）最高所望温度が達成できるように、また、炉の質量が能率的な運転に不当に影響を及ぼさないように加熱エレメントをできるだけ多く露出させることの目標を有することを指図する。更に、拡散炉の質量が他の環境を絶縁するのに十分であることが重要である。加えて、加熱エレメントが後述するように伸びないように、且つ、加熱エレメントが動作しなくなり費用のかかる交換や半導体の損傷を生じさせないように、加熱エレメントは適切に位置決めされ、かつ、拘束されるべきである。実際の実施においては、半導体産業で用いられる拡散炉は、形状が実質的に円筒形である。全ての拡散炉は、シリコンウェハを処理する処理チューブを備えている。処理チューブは、石英、ポリシリコン、炭化ケイ素又はセラミックで製造されている。処理チューブ２１は、第１図に示す拡散炉に挿入される。熱処理すべきシリコンウェハは、石英、ポリシリコン、炭化ケイ素又はセラミックで製造されたボートに取付けられ、手動又は自動で処理チューブに装填される。既存の拡散炉２０は、通常、ステンレス鋼又はアルミニウムからなる金属製外側ハウジング２２と、セラミック繊維のようなインシュレーション材料の内層２４とを含む。いくつかの螺旋状の加熱エレメント２６．２８．３０を互いに固着して１つの連続的な加熱エレメントを形成し、その中央の加熱エレメント２８を最適な温度で作動させ、端部の加熱エレメント２６．３０を炉の端部からの損失に打ち勝ち、且つ、炉に導入されるガスをも予熱するのに十分な温度で作動させる。加熱エレメントは、通常、クロム−アルミニウムー鉄の合金で作られた、螺旋状コイルの抵抗線である。このワイヤは、高温で加熱エレメントの寿命を長くするため太い（直径０．２８インチ乃至０．３７５インチ（約０．７３４センチ乃至０．９５２センチ））。この加熱エレメント合金の最高許容運転温度は、１４００℃である。加熱エレメントと処理チューブの内部との間に温度差が生じるので、拡散炉は１３００°Ｃのチャンバの最高運転処理室温度で運転される。加熱エレメントスペーサ第２図、第３図及び第４図に示すように、スペーサ３２．３４のようなセラミックスペーサが、螺旋状の加熱エレメントの個々のコイル、即ち巻線又はループを分離し、適所に保持するのに用いられる。各コイル即ち巻線の間の正確な分離の維持は、中央帯域の全長に沿ってプラスマイナス０１５℃以内の最大温度差を通常必要とする拡散炉の運転にとって重大である。巻き線間の電気的短絡や、均一な加熱分布の妨げが、巻き線即ちループ間の間隙が変化すると、生じることがある。第２図に示すように、第１の形式のスペーサ３２が、櫛形スペーサとして知られている。この櫛形スペーサ３２は、複数の窪み３８を構成し、窪みの各々が螺旋状加熱エレメントの巻き線即ち個々のコイルを受け入れられる。複数のスペーサ３２が、螺旋状加熱エレメントの全長を支持するために、拡散炉２０の長さに沿って互いに接合されている。更に、第５図でわかるように、セラミックスペーサ３２は、コイルを円周方向に支持するために、拡散炉２０の内径のまわりに円周方向に位置決めされている。第３図は、螺旋状加熱エレメント用に使用される個別形式のスペーサ３４を示す。第４図でわかるように、螺旋状加熱エレメントを適所に保持するために、複数のスペーサ３４が一緒に保持されているときには、各々の個々スペーサ３４は第１及び第２のワイヤ保持窪み４０．４２を構成する。これらの窪みの各々は、加熱エレメントのワイヤのループを保持するためのキャビティの半分を構成する。か（して、第４図でわかるように、ループ４４は、２つの隣接する個々のスペーサ３４のワイヤ保持用窪み４０とワイヤ保持用窪み４２との間で保持される。これらのスペーサ３４は互いに当接する。一般的に、絶縁材２４は、５０％のアルミニウムと５０％のシリカからなるセラミック繊維の絶縁材料で形成されている。巻き線がスペーサの中に位置決めした後、この絶縁材料を加熱エレメントの外側に付ける。絶縁材は、加熱エレメントの周りに包まれた湿式か乾式のいずれかのブラケットとして付けられるか、又は、エレメントの上に真空形成される。絶縁材が乾いた後、絶縁材はスペーサ、そしてスペーサと組み合わせて螺旋状加熱エレメントの各巻き線即ちコイルを適切に整列した状態に保つ。拡散炉が使用されて、約１０００℃の最低温度で８乃至１０時間の運転後に、加熱エレメントの表面上に酸化アルミニウムのコーティングが形成されることが知られている。酸化アルミニウム層即ちコーティングは、高温下での加熱エレメントの熱的伸びを遅らせ、汚染物が加熱エレメントの表面にたまることを防ぎ、加熱エレメントを過度の酸化から保護することに有益である。第１図でわかるように、炉２０の両端には、前室４６．４８がある。炉の両端には、前室４６．４８がある。前室４６．４８は、処理チューブ２１に合うように寸法法めされたエンドブロック６０．６２を受けるように深く座ぐられている。処理チューブ２１は、エンドブロック６０．６２の間で吊り下げられている。シリコンウェハ５６を入れたボート５４は、処理のために処理チューブ２１に装填される。ボート５４を、手動又は自動で処理チューブ２１へ滑り込ませても良いし、或いは、処理チューブ内に炭化珪素、又は、セラミックと石英で構成された片持ち梁状の支持アーム５９で懸架してもよい。上述したように、一般的に炉の運転温度は、１０００℃より高い。炉は、ボートが炉の処理チューブに装填する時の約８００℃の温度とフル運転中の１０００℃ より高い温度との間で循環する。炉の長さに渡る正確な温度制御が重要である。更に、上述したように、炉が運転温度まで素早く上昇し、運転後素早く冷えることが肝要である。先行技術の炉の故障は、炉力珈熱エレメントの伸び即ち拡張を制御する能力をもっていないこと、セラミック繊維の絶縁材の故障を防止する能力をもっていないこと、スペーサカ珈熱エレメントの個々のコイルの間隔を適切に維持する能力をもっていないこと、そして、これらの発生の組合せでコイルを垂るませることによる。コイルの垂れによって、個々のコイルが互いに接触して電気的短絡を起し、或いは、処理チューブに接触し、チューブが導電性材料でできているときは電気的短絡を起こさせ、チューブが石英又はセラミックでできているときはこのチューブを破損させる。加熱エレメントの伸び加熱エレメント２６．２８．３０の伸びに関しては、エレメントの外側に形成された酸化アルミニウム層がエレメントの合金そのものより、低い膨張係数を有することを理解しなければならない。エレメントの温度が下がるにつれて、酸化アルミニウム層とエレメントの両者はもちろん異なった割合で収縮する。アルミニウム層の低い膨張係数により、引張応力を加熱エレメントに生じさせ、圧縮応力を酸化アルミニウム層に生じさせる。同様に、温度が上昇した時には、酸化層とエレメントの両者は再び異なった割合で膨張する。酸化アルミニウム層の低Ｌ）膨張係数は、圧縮応力を加熱エレメントに生じさせ、引張応力を酸化アルミニウムに生じさせる。これらの応力は、２つの影響を引き起こす。第１には、酸化アルミニウム層（′ ！、引張応力に対する抵抗が低いことが理解されるべきである。かくして、温度カベ上昇すると、酸化アルミニウム層はクラ・ツクを生じる。酸化アルミニウム層のクラックは、酸化アルミニウム層がワイヤの伸びを遅らせる能力を減する。第２（こ１′！、エレメントが１０００℃を越える度に、新しい酸化物が形成されることである。新しい酸化物は、当初の酸化アルミニウム層のクラックを満たし、こ相こよって、初期の成長を加熱エレメントに閉じ込む。酸化アルミニウムのひび割れ、加熱エレメントの伸び、これに続くクラックの満しの現象が、温度循環毎に繰り返される。極度の且つ素早い温度変化が、酸化アルミニウム層の割れ目の数を増加させる。加熱エレメントの運転■が高くなるほど、エレメントの熱膨張も大きくなり、更に、酸化アルミニウム層のひび割れも増加する。酸化層の割れ目の数カベ増加するにつれて、加熱エレメントの伸び力伽速される。このことかられかるよう（こ、加熱エレメントの伸びが、このような拡散炉、特に加熱エレメントの垂和二より高温の大直径の炉における、加熱エレメントの早期の故障の主な原因となる。峻繰材更に、絶縁材料の故障が、拡散炉２０の故障を加速する。スペーサを適所（こ保持する絶縁材料に使用されるセラミック繊維は、炉の故障、特に加熱エレメントの故障の一因となる特性も有している。第１は、絶縁材が高温で縮むことである。収縮は、１０００℃で約０．４％であるが、１３００℃で３．０％を越えることもある。第２に、絶縁材は高温で失透する。失透は、セラミック絶縁材の繊維が切れ、組織カベ結晶になることを意味する。第３に、繊維が約５００℃で弾力性を失う。弾力性（ま、圧縮された後、繊維の弾発する能力である。弾力性は、約４８０℃の温度で８０％である。弾力性の損失は、４８０℃より高い温度で加速され、９００℃で弾力性は、僅か約５０％である。加熱エレメントの故障炉の温度が上昇するにつれて、加熱エレメントの伸び、そして絶縁材の失透率、収縮率、弾力性の損失率もまた増大する。コイルが伸びるに従って、コイルは絶縁材と擦れてセラミック繊維を破壊し粉にする。絶縁材の粉末化は、加熱エレメントの伸びを遅らせる絶縁材の能力を破壊し、更に、粉末の物質で炉を汚染することにもなる。その結果、コイルの伸びと絶縁材の故障の組合せにより、加熱エレメントの個々のコイルを適所に支持するセラミックスペーサをゆるませる。絶縁材の劣化及び絶縁材がスペーサの位置を維持する能力の悪化によって、個々のスペーサは、個々のコイルの間から落ちることになり、加熱エレメントを更に伸長させ、歪ませ、収縮させる。加熱エレメントそれ自身の重量により、エレメント及びスペーサを垂れさせ、前記したように機能を引き起こす。第２図及び第３図の先行技術のスペーサによって示すような既存のスペーサの設計は、加熱エレメントの寿命を延ばす上では十分効果的ではない。独立形式のスペーサ（第３図）は、コイルを窪みに保つ上において、櫛形スペーサ（第４図）より効果的である。しかしながら、一度絶縁材の一体性が傷つけられると、これらの個々のスペーサは隣接したスペーサに関し整列しなくなる。より多（のスペーサの使用は、コイルを物理的に保持する上において効果的である。しかしながら、付加的なスペーサの使用は、加熱エレメントの周りの質量を付加する。加熱エレメントの周囲の質量がより大きくなると、加熱エレメントは、半導体製造に必要とされる加熱サイクルと冷却サイクルに応答しにくくなる。いくつかの先行技術の装置は、スペーサに関してコイルをセメントで固めることを企てた。しかしながら、これは加熱エレメントと、シリコンウェハを位置決するチャンバの部分との間の温度差を増大させてしまった。この温度差は、炉が製造運転に適当な温度レベルに到達できないことを意味する。発明の要約本発明は、先行技術の欠点を解消することに関するものである。本発明の目的は、加熱エレメントの伸びを受容レベルまで減少させるコイル状加熱エレメントの、剛性支持システムを提供することである。この支持システムは、拡散炉の高温環境に効果的である。従って、本発明は、細長いワイヤとして形成された電気加熱エレメントを有する電気炉の加熱エレメント保持スペーサを含み、前記スペーサは、炉に対する細長いワイヤの位置を保持するために、細長いワイヤの周りにヨークを作る第１の機構と、前記スペーサともう一つのスペーサとをかみ合わせる第２の機構とを有する。第１のヨーク機構は、第１の方向に延びる間隔をへだてた第１及び第２の突起部を含み、第２のかみ合い機構は、他の方向に延びる間隔をへだてた第３及び第４の突起部を含む。第■及び第２の突起部の間の間隔と第３及び第４の突起部の間の間隔は、スペーサのヨーク機構の第１及び第２の突起部がもう一つのスペーサの第２のかみ合い機構の第３及び第４の突起部の間に嵌まることができるように選択される。か（して、一方のスペーサは次のスペーサにかみ合わされ、効果的にワイヤを位置決めし、ワイヤの垂れ及びその他の動きを防止するために、ヨークが加熱エレメントの各々のワイヤの周りに設けられる。本発明は、更に、電気加熱エレメント及び加熱エレメントを覆う絶縁材を有する電気炉を含む。絶縁材は、少なくとも７５％のアルミナと２５％のシリカからなり、加熱エレメントに隣接して配置される第１の層を含む。約５０％のアルミナと５０％のシリカを含むもう一つの層が、第１の層の上に配置される。好ましい実施例では、第１の層が少なくとも９５％のアルミナと５％のシリカからなり、９５％のアルミナと５％のシリカからなる第２の層が第１の層ともう一つの層の間に位置決めされている。かくして、本発明の目的は、寿命が伸び数多くの高温サイクルで運転する能力を有する炉を提供することである。本発明の他の目的は、炉内か適切な温度に達するような低い質量の炉を提供することである。本発明の更なる目的は、加熱エレメントの伸びを適切に抑制することができる炉を提供することである。本発明の更に他の目的は、劣化することなく高温サイクルに耐えられ、加熱エレメントと炉の寿命を延ばすことができる絶縁材を提供することである。図面の簡単な説明第１図は先行技術の炉の側方の断面図を示す。第２図は先行技術の櫛形スペーサの側面図及び端面図を示す。第３図は先行技術の独立形式のスペーサの側面図及び端面図を示す。第４図は第３図の独立形式のスペーサを使用する先行技術の炉の第１図に示されたのと同様の部分的な断面図を示す。第５図は第４図の５−５線における断面図を示す。第６図は本発明のスペーサの１実施例の側面図を示す。第７図は第６図の実施例の端面図を示す。第８図は第６図及び第７図に従った一緒に連接されたスペーサを示す。第９図、第１０図、第１１図は一緒に連接された本発明の他の実施例のスペーサを示す。第１２図は本発明の炉の側方断面図を示す。第１３図は１３−１３線における炉の断面図を示す。第１４図は絶縁材に埋め込まれた加熱エレメントのワイヤをいれた本発明のいくつかのスペーサの拡大図を示す。好ましい態様間の詳細な説明本発明の炉７０を、第１２図及び第１３図に概略的に示す。炉７０は、絶縁材７４で囲まれた加熱エレメント７２を含み、絶縁材はハウジング７６によって囲まれている。第１２図でわかるように、炉は前室７８で終わる。加熱エレメント７２に適当な電流を流すために適当なリード線を炉に接続することができるよう、電気コネクタ８０がハウジング７６を貫通して設けられている。半導体産業で拡散炉として使用されるこのタイプの炉は、７０−１３０アンペアの電流範囲で作動する低電圧高アンペアの炉であることが理解されるべきである。第１３図でわかるように、スペーサ８４の１０列８２が、螺旋状加熱エレメント７２のまわりに円周方向に実質的に等間隔をなして設けられている。後でより詳しく述べるスペーサは、加熱エレメント７２の個々のループ即ちコイル１０２の位置を維持するのに用いられる。炉の直径が大きくなればなるほど、スペーサ８４のより多くの列８２が加熱エレメント７２の位置を維持するのに必要とされる。かくして、３インチ（約７．６２ｃｍ）と４インチ（約１０．１６ｃｍ　）の間の内径を有する加熱エレメントには４列のスペーサが用いられ、５インチ（約１２．７ｃｍ）と８インチ（約２０．３２ｃｍ　）の間の内径を有する加熱エレメントには６列のスペーサが用いられ、８インチ（約２０．３２ｃｍ　）と１０インチ（約２５．４ｃｍ）の間の内径を有する加熱エレメントには８列のスペーサが用いられ、１０インチ（約２５．４ｃｍ）と１２．５インチ（約３１．７５ｃｍ　）の間の内径を有する加熱エレメントには１０列のスペーサが用いられ、１２．５インチ（約３１．７５ｃｍ）と１５インチ（約３８．１ｃｍ）の間の内径を有する加熱エレメントには１２列のスペーサが用いられ、１５インチ（約３８．１ｃＩＩ＋）より大きい内径を有する加熱エレメントには１４列のスペーサが用いられるのが一般的である。スペーサ８４の特定の設計を、第６図、第７図、第１４図でより完全に見ることができる。第６図では、スペーサ８４は、細長い中央ボディ８６を含む。第

【のヨーク機構８８が、中央ボディ８６から第１の方向に突出している。第２のかみ合い機構９０が、中央ボディ８６から第２の方向に延びている。好ましい実施例では、ヨーク機構８８は、実質的に平行であり、第１の方向に延びる第１及び第２の突起ｌＲ９２，９４を含む。第２のかみ合い機構９０は、実質的に平行であり、第１及び第２の突起部９２．９４から１８０°反対の方向に延びる第３及び第４の突起部９６．９８を含む。好ましい実施例では、第４及び第２の突起部９２．９４並びに第３及び第４の突起部９６．９８は全て互いに平行である。ヨーク機構８８の第１及び第２の突起部９２と９４の間には、加熱エレメント７２の個々のコイル即ちループ１０２を受け入れることができるＵ字形状の窪み１００が構成されている。第１及び第２の突起部９２．９４は外側１０６．１０８を構成し、第３及び第４の突起部９６．９８は内側１１０、＋１２を構成する。第８図でわかるように、スペーサ８４のような１つのスペーサのヨーク機構８８が隣接して位置したスペーサ＋１４のかみ合い機構９０に嵌り込むことができるように、外側１０６．１０８間の間隔は、内側１１０．１１２間の間隔より小さい。第８図に示す形状では、ヨーク機構８８とかみ合い機構９０が協働して、コイル即ちループ１０２を適所に保持する。更に、加熱中でも、万一炉内で膨張が起きれば、セラミックスペーサ８４．１１４は互に滑ることができ、依然として、かみ合い関係を維持する。かくして、冷却が起こったときには、ループ１０２は有利な位置に、依然として適切に維持される。スペーサ１１４に隣接してスペーサ８４の位置を一層層実にするために、高温糸を、スペーサを互いに縛り付は若しくは縫い付けるのに用いるのが良い。この糸１１５を、セラミックスペーサ８４．１１４に設けられたボート１１８．１２０に通す。好ましい実施例では、この糸は、ｒＮＥＸ置」の商標名で販売されているスリーエム社の製品を含むのが良い。本発明のスペーサの他の実施例を、第９図、第１０図、第１１図に示す。第９図では、ヨーク端部】２６の第１及び第２の突起部１２２．１２４の外壁は、内方に傾けられ、かみ合い機構＋３２の第３及び第４の突起部１２８．１３０は、対応して内向きに傾斜面が設けである。このような構成は、一方のスペーサを他方のスペーサに挿入するのを容易にする。第１０図では、ヨーク機構の第１及び第２の突起部１３４．１３６の外側は、外方に傾斜し、かみ合い機構の第３及び第４の突起部１４０、＋４２の内側は、外方に傾斜している。このような構成は、隣接したスペーサをひとたび第１０図で示すようなかみ合い方法で位置決めすれば、膨張力がセラミックスペーサを破壊するほど大きくない限り、加熱エレメントの膨張がこれらのスペーサを引き離なすことがない、という明確な利点を有する。このような構成は、スペーサを互いに横方向にスライドさせて組合せなければならないという事実により、第８図及び第９図に示す構成より幾分組立てか難しい。第１１図は、一方のスペーサのヨーク機構を隣接したスペーサのかみ合い機構に固着するため、かみ合い用隆起部１４６が窪み１４８に嵌り込むスペーサの更なる実施例を示す。このような構成の組立ては、第１Ｏ図の実施例が必要とする組立て構成と同様である。隆起部１４６が窪み１４８の中を移動でき、これにより、隣接したスペーサを互に移動させるので、この実施例では、膨張が許容される。第１２図、第１３図、第１４図に目を向けると、本発明の絶縁材が示されている。好ましい実施例では、加熱エレメントを形成した後、絶縁材の第１の薄い層を加熱エレメント７２の上に設ける。この絶縁材は、少なくとも７５％のアルミナと２５％のシリカとからなる。好ましい実施例では、最適な組合せは少なくとも９５％のアルミナと５％のシリカで、厚さ４分の３インチ（約１．９ｃＩＩ＋）である。この薄い絶縁材層は、産業界で知られている湿式又乾式１程を含む数多くの方法で形成できる。湿式１程では、材料のブランケットを形成し、次いで、ブランケットのストリップをスペーサの間で加熱エレメントに沿って長さ方向に敷設する。次いで、第２の層を用いて、第１の層及びスペーサを覆う。変形例として、絶縁材層を加熱エレメントの上に真空形成してもよい。第１２図、第１３図、第１４図でわかるように、第１の層１５０が、スペーサ１０３．１０５を部分的に覆い、加熱室から離れる方向を向いたコイル１０２の外周の一部を部分的に包む。絶縁材を湿ったブランケットとして形成する場合には、ローラ式成形器具を用いてスペーサと加熱エレメント７２のループとの間の絶縁材を加圧する。第１３図でわかるように、絶縁材の端部は、コイル１５１の端部のまわりに包まれている。又、好ましい実施例では、絶縁材１５２の第２の薄い層が、絶縁材の第１の層の上に長手方向に重ね合わせて付けられている。好ましい実施例では、第２の絶縁材層は、少なくとも７５％のアルミナと２５％のシリカである。第２の絶縁材層は少な（とも９５％のアルミナと５％のシリカであることが、好ましく且つ最適である。この第２の層を上述したのと同様の方法で付けた後、第３及びこれに続く層を、第１及び第２の層の上に付ける。これら後に続く層は、５０％のアルミナと５０％のシリカを含む従来型の絶縁材料で構成されている。これを成し遂げたら、好ましい実施例ではステンレス鋼でできたハウジング７６を、１平方フイート当たり約１０ポンド（約４．５３Ｋｇ）の密度から約１４乃至１８ボンド（約６．３４Ｋｇ乃至約８．１５Ｋｇ）の密度にまで絶縁材を圧縮するように、絶縁材１５４の外層の上に付ける。この圧縮は、加熱エレメント、スペーサ、絶縁材を一緒に剛性なユニットとして保持する。絶縁材を湿ったブラケットとして付けた場合には、絶縁材を完全に乾燥するために、加熱エレメントを付勢する。上述したような高アルミナ絶縁材は、１２００℃未満では収縮を示さず、１３００℃においてほんの約１％の収縮を示すに過ぎない。この高アルミナ配合は、又、９３０℃で８０％、１２６０℃で５０％の弾力性を保持する。この９５％のアルミナと５％のシリカのこのアルミナ／シリカ材料は、１６５０℃までの温度まで有効であることが理解されるべきである。これに対し、５０％のアルミナと５０％のシリカからなる材料は、１３００℃まで有効であるに過ぎない。しかしながら、高アルミナ繊維の欠点は、現在使用されている５０％のアルミナと５０％のシリカの配合よりも約２６倍目下コスト高であることである。その結果、高アルミナ絶縁材の層は、収縮を許容レベルまで最小にするに十分なだけの厚さで使用される。好ましい実施例では、内径１０インチ（約２５．４ｃｍ）の加熱エレメントを有する炉７０では、絶縁材の第１及び第２の層がそれぞれ厚さ４分の３インチ（約１．９０５ｃｍ）、これに続く２層の絶縁材層が合計で厚さ３インチ（約７．６２ｃｍ）であることが好ましい。高アルミナ繊維材料が商業的に入手できることが理解されるべきである。このアルミナ材料に、脱イオン水及び通常はコロイドシリカからなるバインダが加えられる。原料のセラミック繊維絶縁材を保持するのに必要をされる量だけのバインダを加える。このスラリから、湿ったブラケットを形成し、所望の形状に切り、次いで、加熱エレメント７２に付ける。アルミナ／シリカの通常のスラリを、９０％の脱イオン水と１０％のバインダと混合し、１００ガロン（約３７８．リットル）の流体となることが理解されるべきである。これに、４ボンド（約１８１２ｇ）の繊維を加え、適当なスラリを作る。先行技術の装置に関するのと同様に、高アルミナ繊維の第１の絶縁材層を強化するためにジルコン層を付加することが強（求められている。ジルコンは、酸化ジルコニウムのスラリと水とバインダとからなる。ジルコンは、加熱エレメントが膨張収縮したときに磨耗作用に打ち勝つことができる大変緻密で耐火性のある材料である。絶縁材１５０の第１の層を加熱エレメント７２に付ける前に、ジルコン層＋５８をこの第１の層に塗布する。一般に、ジルコン層１５８は、厚さ約３２分の１から１６分の１インチ（約０．７９３ｏ＋−１，５８８ｏｎ）である。ジルコン層は大変薄いので、加熱エレメントの質量を顕著に増やすことも加熱エレメントの加熱特性に妨げることもない。ジルコン層１５８は、加熱エレメント７２を完全に覆い、加熱エレメント７２の膨張・収縮による繊維の失透又は磨耗作用から生じる絶縁材の粉末を収容するように作用する。この粉は、ジルコン層１５８と絶縁材１５４の第３及びこれに続く層との間に捕らえられる。絶縁材を包むジルコン層１５８が無いと、絶縁材の粉は落下し、加熱チャンバ７３を汚染する。先行技術の炉に関するのと同様に、新しく形成された炉は、湿った絶縁材を乾燥させるために加熱されることが理解されるべきである。加熱されると、初め絶縁材を保持していたバインダが加熱エレメント７２に隣接する絶縁材の表面に移動し、第１の層の表面により大きな剛性を与え、一方、ジルコン層１５ｇを付加的に硬化させる。本発明では、加熱エレメントの成長を阻止するとともに、加熱エレメントが加熱チャンバを加熱する熱を放出する上で大変効率的であるように、加熱エレメントを露出させるための剛性構造を提供することがわかる。産業上の適応性本発明の動作は、前記において概説されている。加熱エレメントのコイルの各々の周りにヨークを設けた組合いスペーサを使用し、アルミナを多く含む絶縁材料の組合せによって、加熱エレメントの成長に対する抑止によって寿命が延びた炉が提供されていることがわかる。この構成では、選択された材料それ自身の使用のため、又、加熱エレメントがより多く露出し、炉の質量が最小に維持されているので、加熱エレメントと加熱チャンバとの温度差が先行技術の炉と同じ程大きくないという事実のため、より高い運転温度に到達可能である。更に、各々の負荷サイクルの時間及び温度がよりこの設計により正確に維持できる。本発明の他の目的及び利点か図面及び請求の範囲の検討から得られることが理解されるべきである。本発明の精神と範囲に入る本発明の他の実施例を引き出すことができる。ＦＩＧ、−ＩＦＩＧ、−２ＦＩＧ、−３５″１（ＰＲゴロＲＡＲＴ）ＣＰＲＩ口ＲＡＦ！Ｔ）ＦＩＧ、−５／１”６ＦＩＧ、−８ＦＩＧ、−９ＦＩＧ、−１１ＦＩＧ、−１２ＦＩＧ、−１３要約書加熱エレメント（７２）の個々のコイル（＋０２）の周りにヨーク（８８）を作る保持スペーサ（８４）により炉の運転中に伸びが抑止される加熱エレメント（７２）と、互いにかみ合わされたスペーサ（８４）とを含む炉（７０）である。高アルミナ繊維の絶縁材（１８０）が加熱ニレメンｈ（７２）を絶縁するために取り付けられている。この高アルミナ絶縁材（１８０）は、収縮、失透に関する特性が高められている。国際調査報告１＋ｌｌｃ＋ｌ１ｌｅＮＩｌムτ１０１１ｃ１電−”ｐｃｙコ’、／Ｌ’Ｓ９）１０７５７７

Claims

【特許請求の範囲】

１．細長いワイヤとして形成された電気加熱エレメントを有する電気炉用加熱エレメント保持スペーサであって、炉に対する細長いワイヤの位置を保持するために細長いワイヤの周りにヨークを作るための第１の手段と、前記スペーサをもう一つの前記スペーサとかみ合わせるための第２の手段とを有することを特徴とする前記スペーサ。
２．第１のヨーク手段が炉に対する細長いワイヤの位置を維持するために第２のかみ合い手段と付加的に協働するためのものであることを特徴とする請求の範囲１に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
３．前記第１のヨーク手段が第１の方向に延びる間隔をへだてた第１及び第２の突起部を含み、前記第２のかみ合い手段か第２の方向に延びる間隔をへだてた第３及び第４の突起部を含むことを特徴とする請求の範囲１に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
４．前記間隔をへだてた第１及び第２の突起部と前記間隔をへだてた第３及び第４の突起部とが実質的に平行であることを特徴とする請求の範囲３に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
５．前記第１の方向が前記第２の方向と反対であることを特徴とする請求の範囲３に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
６．スペーサの第１のヨーク手段の第１及び第２の突起部が前記スペーサの第２のかみ合い手段の第３及び第４の突起部の間に嵌まることができるように、第１の突起部と第２の突起部との間隔と第３の突起部と第４の突起部との間隔とが選択されていることを特徴とする請求の範囲３に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
７．前記スペーサかボディを有し、前記第１のヨーク手段がワイヤを受け入れるようにされたキャビティをその間に構成する第１及び第２の突起部を含み、前記第１及び第２の突起部が前記キャビティの外側にあり、且つ、前記ボディに関し一定の配置方向を有する外側を有し、前記第３及び第４の突起部がその間にもう一つの前記スペーサの第１及び第２の突起部を受け入れるためのもう一つのキャビティを構成し、前記第３及び第４の突起部が前記もう一つのキャビティを構成し且つ前記もう一つのスペーサとかみ合うように前記ボディに関しもう一つの一定の配置方向を有する内側を有し、前記第１の突起部の外側が第３の突起部の内側と実質的に平行であり、第２に突起部の外側が第４の突起部の内側と実質的に平行であることを特徴とする請求の範囲１に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
８．前記第１のヨーク手段がワイヤを受け入れるためのキャビティを間に構成する第１及び第２の突起部を含み、前記第２のかみ合い手段がもう一つのスペーサの第１及び第２の突起部を受け入れるためのもう一つのキャビティを間に形成する第３及び第４の突起部を含むことを特徴とする請求の範囲１に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
９．複数のスペーサが一緒に固着されるようにするための手段を含むことを特徴とする請求の範囲１に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
１０．ボアと、前記ボアと複数の前記スペーサのボアとを相互に連結するための手段とを含むことを特徴とする請求の範囲１に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
１１．電気加熱エレメントと前記加熱エレメントを覆う絶縁材とを有する電気炉であって、加熱エレメントに隣接して配置された少なくとも７５％のアルミナと２５％のシリカからなる第１の層を少なくとも有し、更に、第１の層に隣接して配置されたアルミナ約５０％とシリカ５０％のもう一つの層を少なくとも有する絶縁材を備えたことを特徴とする電気炉。
１２．前記第１の層が少なくとも９５％のアルミナと５％のシリカからなることを特徴とする請求の範囲１１に記載の電気炉。
１３．前記第１の層がもう一つの層より薄いことを特徴とする請求の範囲１１に記載の電気炉のハウジング。
１４．第１の層ともう一つの層の間に第２の層が位置決めされ、第２の層が少なくとも７５％のアルミナと２５％のシリカからなることを特徴とする請求の範囲１１に記載の電気炉。
１５．第１の層及び第２の層がもう一つの層より薄いことを特徴とする請求の範囲１４に記載の電気炉。
１６．加熱エレメントが予め選択された直径を有し、第１の層がワイヤの直径を部分的に包むことを特徴とする請求の範囲１１に記載の電気炉。
１７．前記第１の層が少なくとも９５％のアルミナと５％のシリカからなることを特徴とする請求の範囲１１に記載の電気炉。
１８．複数の個々のコイルに形成された細長いワイヤから成る加熱エレメントを有する電気炉であって、前記電気炉が繰り返し使用されたときスペーサと絶縁手段とが電気加熱エレメントの伸びを制限するように、前記ワイヤのコイルを間隔をへだてて維持するための複数の加熱エレメント保持スペーサを備え、前記スペーサの各々が、（ａ）各々のコイルのワイヤの周りにヨークを設ける第１の手段と（ｂ）隣に隣接するコイルに対してそして炉に対する各々のコイルの位置を維持するために前記スペーサの１つを前記スペーサのもう一つにかみ合わせるための第２の手段とを含み、更に、前記電気炉が、加熱エレメントを覆い、絶縁し、加熱エレメントの位置決めを手伝うための絶縁手段を備え、該絶縁手段が、（ａ）加熱エレメントに隣接して配置された少なくとも７５％のアルミナと２５％のシリカからなる第１の層を少なくとも有し、更に、（ｂ）第１の層に隣接して配置されたアルミナ約５０％とシリカ５０％のもう一つの層を少なくとも有していることを特徴とする電気炉。
１９．第１の層と加熱エレメントの間に配置され、第１の層より薄いジルコンの初期層と、前記絶縁手段を包み且つ圧縮するための外部ハウジング手段とを含むことを特徴とする請求の範囲１８に記載の電気炉。
２０．第１のヨーク手段か炉に対する細長いワイヤの位置を維持するために第２のかみ合い手段と付加的に協働するためのものであることを特徴とする請求の範囲１８に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
２１．第１のヨーク手段が第１の方向に延びる間隔をへだてた第１及び第２の突起部を含み、第２のかみ合い手段が第２の方向に延びる間隔をへだてた第３及び第４の突起部を含むことを特徴とする請求の範囲１８に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
２２．前記間隔をへだてた第１及び第２の突起部と前記間隔をへだてた第３及び第４の突起部とが実質的に平行であることを特徴とする請求の範囲２１に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
２３．前記第１の方向が前記第２の方向と反対であることを特徴とする請求の範囲２１に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
２４．スペーサの第１のヨーク手段の第１及び第２の突起部が前記もう一つのスペーサの第２のかみ合い手段の第３及び第４の突起部の間に嵌まることができるように、第１の突起部と第２の突起部との間隔と、第３の突起部と第４の突起部の間隔とが選択されていることを特徴とする請求の範囲２１に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
２５．前記スペーサがボディを有し、前記第１のヨーク手段がワイヤを受け入れるようにされたキャビティをその間に構成する第１及び第２の突起部を含み、前記第１及び第２の突起部が前記キャビティの外側にあり、且つ、前記ボディに関し一定の配置方向を有する外側を有し、前記第３及び第４の突起部がその間に前記もう一つのスペーサの第１及び第２の突起部を受け入れるためのもう一つのキャビティを構成し、更に、前記第３及び第４の突起部がもう一つのキャビティを構成し且つ前記もう一つのスペーサとかみ合うように前記ボディに関しもう一つの一定の配置方向を有し、前記第１の突起部の外側が第３の突起部の内側と実質的に平行であり、第２に突起部の外側が第４の突起部の内側と実質的に平行であることを特徴とする請求の範囲１８に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
２６．前記第１のヨーク手段がワイヤを受け入れるためのキャビティを間に構成する第１及び第２の突起部を含み、前記第２のかみ合い手段がもう一つのスペーサの第１及び第２の突起部を受け入れるためのもう一つのキャビティを間に形成する第３及び第４の突起部を含むことを特徴とする請求の範囲１８に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
２７．複数のスペーサか一緒に固着されるようにするための手段を含むことを特徴とする請求の範囲１８に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
２８．ボアと、前記ボアと複数の前記スペーサのボアとを相互に連結するための手段とを含むことを特徴とする請求の範囲１８に記載の加熱エレメント保持スペーサ。
２９．前記第１の層が少なくとも９５％のアルミナと５％のシリカからなることを特徴とする請求の範囲１８に記載の電気炉。
３０．前記第１の層がもう一つの層より薄いことを特徴とする請求の範囲１８に記載の電気炉。
３１．第１の層ともう一つの層の間に位置決めされ、少なくとも７５％のアルミナと２５％のシリカからなる第２の層を含むことを特徴とする請求の範囲１８に記載の電気炉。
３２．第１及び第２の層がもう一つの層より薄いことを特徴とする請求の範囲３１に記載の電気炉。
３３．加熱エレメントが予め選択された直径を有し、第１の層がワイヤの直径を部分的に包むことを特徴とする請求の範囲１８に記載の電気炉。
３４．前記第１の層が少なくとも９５％のアルミナと５％のシリカからなることを特徴とする請求の範囲１８に記載の電気炉。