用于加热单元的支撑系统的制作方法

本发明关于一种用于支撑加热单元的支撑系统以及一种包括至少一个加热单元的加热系统。

背景技术：

包含电阻加热单元的炉子或电加热器已广为人知，且在不同行业中用于各种应用。由此，在经由电传导加热单元(亦称为加热丝)施加电流时产生热，且由于电阻，电能耗散成热。通常，加热单元放置成紧邻于待加热的物品或材料。用于各种应用(诸如在半导体材料的处理(例如，用于化合物半导体的外延生长)中使用的用于MOCVD(金属有机化学气相沉积)技术的反应器)的加热器系统需要在显著高温下(例如高于800℃)操作，从而对加热单元总成的设计及材料提出挑战。对于尤其需要高温的应用而言，加热单元常常由陶瓷材料(其费用高且难以制造成所要几何形状)制成，或包含耐火金属，诸如，钨、钼、铼、钽、铌等或其合金。

当设计高温加热系统时，不得不解决的主要问题之一为加热单元的热诱导周期性膨胀及收缩。对于尤其用于MOCVD反应器的某些应用而言，加热单元的精确定位是重要的，该精确定位亦应在加热系统的操作周期期间以受控方式维持。通常，使用不同种类的机械支撑结构(诸如终端件)来确保加热单元正确定位并保持在预定位置。当例如在反应器内部的MOCVD工序期间将加热单元加热至高达1000℃至2200℃时，该加热单元显著膨胀，且当被该终端件保持在固定位置时，在该加热单元的材料内部产生明显的机械应力。此机械应力可导致不受控的塑性变形或致使加热单元劣化或甚至破裂，从而导致加热单元的使用寿命缩短。不受控的变形是不期望的，因为在加热单元与加热系统的其他部分或加热单元与其他加热单元之间或在加热单元自身内存在严重的接触风险，并可能因此发生短路。此外，因为加热单元的变形影响局部电阻率，所以塑性变形在苛求高温的应用中尤其不利，在这种高温应用(如化合物半导体的外延生长工序)中均匀或者精确受控的温度分布是重要的。加热单元包含耐火金属的情形最成问题，因为这些金属的抗蠕变强度(strength creep resistance)随温度升高而降低，且在高于1200℃至1400℃时显著下降。在这些温度以上，即便小的应力亦会引起不需要的塑性变形，这种塑性变形在加热单元冷却时保留下来。

为克服固定的终端件带来的问题，已构想出具有挠性单元的各种系统，这些系统经设计以允许加热单元在一些优选方向上膨胀。一些此类已知终端件包含不同种类的弹簧(例如具有U型形状的弹簧)，这种弹簧允许加热单元与终端件之间的连接位置移动。虽然具有U型形状的此种弹簧在一定程度上实现了将加热单元内部的热诱导应力减小，但这种弹簧的性能在实践中并未完全得到确信，因为加热单元自身可在两个以上方向上延伸，且由于加热单元与自身或与加热系统的其他部分电接触，仍存在短路的风险。

在US7645342中提出的是，加热单元包括多个延伸销开口，销穿过这些延伸销开口插入，以使加热单元固定在平面中。延伸销开口的大小及几何形状经设计以使得在某温度范围内，这种延伸销开口应允许加热单元在水平方向上膨胀。然而，在实际实施时，尤其在高于1500℃的高温下，出现若干问题。据发现，在这种高温下，与加热单元接触并通常由耐火金属制成的销具有因扩展而黏结至加热单元的趋势，因而阻碍这种销在水平方向上的自由移动。因此，机械应力在加热时累积，从而导致加热单元的形状的塑性变形。

根据前述内容，在行业内需要用于支撑加热单元的支撑系统，尤其需要可用于在高于1600℃的温度操作的高温加热器的加热单元。因此，本发明的目的为提供一种用于加热器中的加热单元的支撑系统以及一种包含此类支撑系统的加热系统，其中加热单元内部的热诱导应力在操作期间减小，且加热单元及加热系统尤其适合于高温应用。

技术实现要素：

根据本发明，用于支撑加热单元的支撑系统包括适于支撑加热单元的支撑构件。支撑构件优选为刚性且呈细长形状，其具有主延伸方向且实质上沿高度方向延伸。优选地，主延伸方向相对于高度方向恰好平行或呈≤10°的角度，然而，支撑构件不必具有严格笔直构造。

高度方向可以定义为与加热单元的延伸平面的如下局部区域垂直：在该局部区域中加热单元在定向的位置处安装在支撑构件上。优选地，加热单元具有弯曲的主延伸方向，且设置为限定延伸平面的平面构造。在加热单元在支撑构件上的到达部分呈实质上笔直的构造的状况下，高度方向可由加热单元的总体几何结构限定。

根据本发明，支撑构件具有两个端部，即近位端及远位端。近位端面向加热单元且具有用于支撑加热单元的支撑部分。远位端设置为远离近位端且具有远位端部分，该远位端部分与包括弹簧单元的弹力系统联接。远位端部分设置为远离近位端。优选地，弹簧单元联接至远位端。联接可为直接的，或可被设置在远位端部分与弹力系统之间的另一连接构件介入。此外，弹力系统包括实质上沿弹力方向定向的主弹性方向，其中该弹力方向由实质上垂直于高度方向(角度优选在75°-105°范围内，亦可恰好为90°)的方向限定。此外，弹力系统包含垂直于弹力方向且垂直于高度方向的实质刚性方向。

主弹性方向可理解为弹力系统的材料及/或几何形状具有主弹力的方向。因此，弹力系统为加热单元提供在热伸展期间沿弹力方向移动的可能性，同时该弹力系统实质上阻碍加热单元在实质刚性方向上的移位。根据本发明，弹力系统、尤其是弹簧单元至少部分地自远位端部分朝向近位端沿高度方向延伸。此外，弹力系统的弹簧单元可紧固至基底，例如，紧固至加热系统中的底板或包含加热单元的加热器外壳上。

在加热单元的升温工序期间，若禁止加热单元与基部(其中弹簧单元锁紧至加热系统的基底)之间的相对移动，则加热单元试图扩大其尺寸，且将累积引起不规则变形的热诱导应力。利用本发明的设置，可达成使加热单元的热诱导位移实质上减少至仅单个方向，尤其分别是弹力方向或高度方向。此举得到使加热单元的材料内部的热诱导机械应力降低及因此使塑性变形的风险降低的可能性。具体而言，可减小因加热单元的倾斜所引起的弯曲力矩。因此，可将较廉价材料用于加热单元，且将增加加热单元的使用寿命。

作为本发明的另一优点，可实现一种加热系统，一方面，其具有高度相当小的极紧凑构造，而另一方面，其仍可在高温(尤其在高于1600℃的温度)下操作。由于支撑构件的延伸细长形状，可实现支撑构件的近位端与远位端之间的所得显著温差，尤其当支撑构件设置为接近于加热系统的底部表面(通常被诸如水等液体冷却)时如此。此外，在优选实施例中，弹力系统经由可设置在加热单元与弹力系统之间的热屏蔽系统来防热。因此，弹力单元处于显著低温下，在该低温下，材料应变较小，且材料性质、尤其是弹性得以保留。沿高度方向至少部分地朝向支撑构件的近位端延伸的弹力系统的颠倒设置允许支撑系统采用极紧凑构造，从而使得相较于已知的传统设计而言，在加热单元与加热系统的底部表面之间需要显著更小的高度。

在优选实施例中，支撑构件的主延伸方向实质上平行于高度方向。因此，主延伸方向实质上垂直于由加热单元构造间隔开的平面。

本发明支撑系统可仅提供加热单元的机械支撑，或可构造用于机械支撑加热单元及利用电力对加热单元供电。为实现电接触，本发明构造具有另外的优点，即因为挠性部件具有较低温度，且通常所用导电材料的电阻随着温度降低而明显下降，所以电阻在具有挠性单元的部分中减小且在此处耗散的热量较小。因此，借助于弹力系统中电流的流动所产生的热量得以最小化。

在优选实施例中，支撑构件、具有弹簧单元的弹力系统以及可选连接构件沿与弹力方向正交且与高度方向正交的正切方向延伸。此外，在优选实施例中，借助于片簧提供沿弹力方向的弹力，而该片簧可包括沿定向实质上平行地设置的两个以上片簧。优选地，两个以上片簧与正切方向平行地定向，从而使得弹簧单元的主弹性方向在弹力方向上。片簧尤其经由刚性连接构件联接至支撑构件的远位端部分，且设置成实质上平行于高度方向朝向支撑构件的近位端延伸。片簧的构造产生机械刚性基体，其允许在实质上弹力方向上产生挠曲，同时其以可靠且受控方式减弱并阻碍在正交刚性方向上的挠曲。此举防止加热单元在加热期间的倾斜变形。优选地，片簧实质上呈板状几何形状。片簧的尺寸在宽度方向上尤其在10mm至75mm之间，在高度上尤其在100mm至150mm之间，且在厚度上尤其在0.1mm至1mm之间。至少两个片簧的使用允许近位端在与加热单元的延伸平面平行的平面中移动，从而避免加热单元倾斜出平面。同时，其提供弹力系统的廉价且简单的构造。

本发明另外包括一种用于支撑加热单元的支撑系统，该支撑系统包括优选刚性支撑构件，该优选刚性支撑构件具有实质上沿高度方向延伸的主延伸方向。支撑构件进一步具有：近位端，其具有用于支撑加热单元的支撑部分；以及远位端，其设置为远离近位端，且直接地或经由另一构件间接地接合在刚性的轨道引导件中。轨道引导件可紧固至基底(例如加热系统的外壳的底部表面)，且定向在实质上垂直于高度方向的平面中的弹力方向上。弹簧单元联接至支撑构件的远位端部分，该远位端部分设置为远离近位端，且沿弹力方向在支撑构件上施加弹性力。在加热工序中，加热单元的膨胀由刚性轨道构造来引导。因此，在热膨胀期间，可基本上避免加热单元的倾斜以及加热单元在高度方向上的变形。弹簧沿高度方向至少部分地朝向支撑构件的近位端延伸的情况可为优选的。

在此实施例中，弹力系统是借助于具有弹簧单元的轨道引导件的构造来实现，所述弹簧单元未必需要具有明确主弹性方向的复杂弹簧单元或主弹性方向与弹力方向对准的弹簧单元。在优选实施例中，弹簧单元由U形弹簧形成。U形弹簧设置成使得可沿轨道引导件以弹力方向提供弹性力，但U形弹簧的主弹性方向未必需要定向在弹力方向上。优选地，弹簧的主弹性方向实质上沿弹力方向对准。在优选实施例中，U形弹簧定向在与弹力方向正交及与高度方向正交的正切方向上。在另一优选实施例中，U形弹簧定向在高度方向上。

此外，关于材料组成而言，本发明支撑系统(尤其是支撑构件及/或弹簧单元)的部件可包含以重量计至少90％的耐火金属。具体而言，耐火金属选自钨、钼、铌、钽、铼及其合金。材料的一个实例为钨或钨的合金(以重量计至少90％的钨)，例如除包含钨之外还包含少量硅酸钾的真空金属化钨合金。材料的另一实例为钼或钼的合金(以重量计至少95％的钼)。

提供机械支撑的支撑系统仅需与基底电绝缘，在该基底中，该支撑系统相应地抵靠在加热系统的外壳上来固定。具体而言，可由氧化铝(Al₂O₃)或氮化硼(BN)或如氮化铝(AlN)或赛隆(SiAlON)等陶瓷材料来提供电绝缘。

本领域的技术人员将理解到，存在将加热单元连接至支撑构件的众多方法。这些方法包括绞合线、夹合、焊接、螺纹连接、螺栓连接及类似方法。对于另外提供电接触的支撑系统而言，所选方法应确保在支撑构件与加热单元之间存在足够的表面接触，以便在支撑构件与加热单元之间获得适当电连接。

本发明另外包括一种加热系统，其包括至少一个加热单元及至少两个根据本发明的支撑系统。加热系统尤其可被构造为使得其可用作MOCVD反应器中的加热器。

本发明加热系统的特征可在于：每个加热单元包括两个支撑系统，该两个支撑系统被构造用于对加热单元供应电力且位于加热单元的两个端部处。另外电力供应用支撑系统尤其被构造用于加热单元的机械支撑。另外，其他支撑系统亦为可能的，尤其是仅用于加热单元的机械支撑的支撑系统，这些支撑系统相对于加热单元的两个端部而言位于两个电力供应用支撑系统之间。

根据本发明，单个加热单元的不同支撑系统的各弹力方向源自共同中心点，而该中心点尤其可被选择为位于加热单元的延伸平面中。换言之，为了调整单个加热单元的不同支撑系统，优选将共同中心点限定在加热单元的延伸平面中。支撑系统中的每者与此中心点对准，以使得各弹力方向自该中心点沿径向朝外定向。

优选的是，如大多数已知常见加热系统中的情况，加热单元或多个加热单元的构造以平面构造来设置。尤其对MOCVD反应器而言，这些反应器的各种实例描述于US7645342中，该文献以引用方式并入本文。在优选实施例中，加热单元具有实质上环形的构造，该环形构造在某点处中断，从而产生加热单元的第一端及第二端，该第一端与该第二端之间限定小的中断部。加热单元在第一端及第二端处电连接至电源。中心点与加热单元的(中断)环形构造的中心重合或接近的情况为优选的。因此，支撑系统的弹力方向自(实质上)环形的加热单元的中心沿径向朝外定向。

此外，本发明加热系统的特征可以在于：至少一个支撑系统的弹簧单元在室温下在静止(稳定)位置预张紧。在加热单元的使用期间，预张紧的方向为沿着支撑构件的移动方向的方向的情况是优选的。因此，预张紧的方向尤其对应于支撑系统的弹力方向。若本发明用于具有实质上环形延伸部的加热系统，则优选的是朝外提供预张紧，即在中心点-径向的方向上提供预张紧。

加热单元使支撑系统保持在适当位置，且由此抗衡静止位置的预张紧。优选地，在室温下由弹簧单元施加在加热单元上的预张紧力不超过加热单元材料的极限蠕变应力。

此外，本发明加热系统的特征尤其在于：弹簧单元的预张紧被配置为在操作温度下在加热单元上提供减小的弹簧张力。具体而言，其被配置为使得应力减小至比加热单元在操作温度下的极限蠕变应力低的值。优选地，由弹簧单元施加至加热单元上的负载在操作温度下消失。总的基本理念在于，虽然加热单元升温且其材料性质劣化，但由弹簧单元施加至加热单元上的力减小且始终保持于加热单元的蠕变极限以下。当加热单元再次冷却且因此其蠕变应力增大时，由弹簧单元所施加的负载再次增大。如此一来，可避免塑性变形。

在优选实施例中，加热系统包括热屏蔽系统，该热屏蔽系统包括设置在加热单元下方的一个或多个热屏蔽件。在优选实施例中，支撑构件延伸穿过热屏蔽系统中的开口。相反，弹簧单元设置在热屏蔽件构造的下方，且因此将受保护免于辐射热。

以上提出的本发明的实施例可彼此自由组合。可组合实施例中的许多实施例以形成新的实施例。

附图说明

根据所附图式进一步论述本发明。图式示意地展示：

图1a为根据本发明的支撑系统的透视图。

图1b为图1a的支撑系统在高温下的操作情形期间的透视图。

图2为本发明支撑系统的另一实施例的透视图。

图3为本发明支撑系统的另一实施例的透视图。

图4为加热系统的透视图。

图5为图4的加热系统的俯视图。

具体实施方式

根据图1a及图1b中的实施例的支撑系统(100)包括具有远位端(112)及近位端(113)的细长刚性支撑构件(111)。在刚性支撑构件(111)的顶部上安装有加热单元(未示出)，该加热单元的延伸限定延伸平面。支撑构件(111)的主延伸部在高度方向z上延伸，该高度方向z垂直于加热单元的延伸平面。支撑系统还包括基底构件(121)，基底构件例如利用螺钉或任何其他种类的机械固定件来固定在支撑板(未示出)上。弹簧单元(122)位于支撑构件(111)与基底构件(121)之间，在此实施例中，利用至少两个片簧(122a、122b)来实现该弹簧单元。弹簧单元(122)借助刚性连接构件(123)，利用螺钉、铆钉、熔接或其他方法来固定至支撑构件(111)的远位端部分，且实质上平行地朝向支撑构件的近位端(113)整体沿高度方向延伸。由于弹簧单元的颠倒设置，获得加热系统的极紧凑构造。片簧(122a、122b)设置为实质上平行的定向，且可根据平行四边形沿弹力方向x变形，该弹力方向x为弹簧单元(122)的主弹性方向。包括基底构件(121)、片簧(122)及连接构件(123)的弹力系统(120)实质上在刚性方向y上延伸，该刚性方向y与高度方向z及弹力方向x正交。

图1b例示在高温下当加热单元的热膨胀引起支撑系统的挠曲时的情形。在加热工序期间，加热单元的尺寸增大，且当设置成环形构造时——图5中展示该情形的俯视图——加热单元趋向于沿径向朝外移动。为了减小加热单元内部的热诱导应力，根据本发明的支撑系统(100)允许加热单元相对于基底构件(121)移动。支撑构件(111)因沿弹力方向x的移动而相对于基底构件(121)移位。不同的片簧(122a、122b)为弯曲的，且因为它们设置为实质上平行的，所以这些片簧包含单个主弹性方向，主弹性方向被导向为沿弹力方向x。因此，在弹力方向上的变形与加热单元以及支撑构件的其他变形方向分离。

先前的描述对应于当弹簧单元在室温下没有预张紧时的情形。在弹簧单元在室温下预加载的实施例中，情形相反：片簧在室温下变形(图1b)，从而提供预加载力。随着加热单元膨胀，支撑构件(111)沿弹力方向x移动，从而使得片簧变得笔直(对比图1a)，且在弹力方向x上的力最终在最高操作温度下变为零。

虽然在该特定实施例中，支撑构件(111)实现为延伸的线性物体，但一般而言，支撑构件(111)不必为笔直构造，亦不必设置为平行于高度方向z。然而，必须确保加热单元可沿弹力方向x自由移动。

图2绘示根据本发明的支撑系统(201)的不同实施例。细长支撑构件(211)的远位端固定至滑动单元(224)上，该滑动单元(224)接合在刚性轨道引导件(225)中。滑动单元联接至弹簧单元(222)，该弹簧单元(222)经由基底(221)锁紧至加热系统的支撑板(未示出)。轨道引导件(225)可紧固至基底，例如加热系统的外壳的底部表面(未示出)。由于轨道引导件，支撑构件(211)的移动被限制在弹力方向x上。因此，在加热工序期间，避免加热单元的倾斜以及加热单元在高度方向z上的挠曲。轨道引导件由电绝缘材料制成，该电绝缘材料尤其是已知的陶瓷材料，如Al2O3、BN、AlN或SiAlN。为避免陶瓷的分解或蒸发，支撑系统必须被构造为使得在支撑构件(211)与轨道引导件(225)之间的接触部处的温度不超过约1500℃-1600℃的温度。尽管如此，由于操作中支撑构件(211)的细长形状，在支撑构件(211)的远位端与近位端之间温度梯度将累积，且因此可在显著更高的温度下操作加热单元。

在此实施例中，在弹力方向x上对支撑构件施加力的弹簧单元(222)设置在弹力方向上，且沿高度方向z朝支撑构件的近位端延伸。可能存在弹簧单元的其他不同定向。在图3中，示出弹簧单元(322)的设置，该弹簧单元(322)实质上在刚性方向y延伸。弹簧单元不需要具有沿单个方向受引导的明确主弹力方向的复杂构造，而只需要弹簧单元的一个元件在弹力方向x上提供弹性力即可。

图4例示根据本发明的示例性加热系统，其包括具有中断环形构造的加热单元(450)，该加热单元(450)的端部分别安装在两个支撑系统(400)处。这些支撑系统(400)在加热单元端部处被构造为用于向加热单元供应电力。提供另外的支撑系统(401)以机械地支撑加热单元，这些支撑系统(401)与用于安装这些支撑系统的基底电绝缘。在所示实施例中，借助于包括片簧(400)的弹力系统提供电接触，同时借助于轨道引导件来引导用于机械支撑的支撑系统(401)的移动。应当容易理解，本发明不限于此特定实施例，无疑可采用支撑系统的不同实施例，且支撑系统的其他组合也是可能的。具体而言，电供应支撑系统(400)可借助于根据图3中的实施例的轨道引导件系统来实现，而弹簧单元沿刚性方向y延伸并在相反方向上镜像设置。在本实施例中，导电支撑系统(400)的特征在于：在室温下，在弹力方向上预张紧，且这些导电支撑系统(400)构造为在操作温度下对加热单元提供减小的弹簧张力。

优选的是，借助于包含一层热屏蔽件或多层叠层的热屏蔽件的热屏蔽系统(460)来保护支撑系统的挠性部件。热屏蔽件放置成以典型的1mm-5mm的间隔彼此紧邻。这些热屏蔽件由处于期望位置的间隔单元维持。支撑系统(400、401)的支撑构件延伸穿过热屏蔽件中的开口。

图5展示图4中的加热系统的俯视图，且例示支撑系统(400、401)的弹力方向的定向。在此实施例中，不同支撑系统(400、401)的各弹力方向源自实质上环形的加热单元的中心，且在加热单元的延伸平面中沿径向朝外定向。