CN101822122A - 用于辐射单元的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于辐射单元的装置，即一种带有用于至少一基片辐射的箱体的装置，包括一用于基片送入和取出的闸门，一在箱体之内的基片支架，一真空泵和至少一用于基片辐射的辐射单元，其中辐射单元至少包括一带有一集成的反射器的红外线辐射器。

Description

用于辐射单元的装置
技术领域
本发明涉及一种用于辐射至少一基片的装置，其中该装置具有一带有至少一红外线辐射器的辐射装置。
背景技术
为了最佳的条件大量的工序需要真空。为此，基片首先必须送入真空环境中。那么在基片紧接着在真空中处理之前，常常要插入一准备工序。典型的工序是借助于不同的工序将涂层涂敷到不同的材料上。在这里金属件或者连续的金属带、玻璃板、半导体基片、等等用作基片。典型的涂敷过程是化学气相沉积(CVD)、等离子刻蚀、通过等离子涂敷方法的溅射等等。
为此基片在送入真空装置期间或者之后常常必须专门进行预处理。此外预处理包括加热。例如为了避免表面上带有对工序或者真空有损害的水分子，就要进行加热。为此典型地基片加热到在140℃和300℃之间的温度，以使水分子可以转入气相。同样对于一系列的涂敷方法本身达到确定的基片温度就是最佳工序过程的前提，并且必须通过预处理调节。
加热工序也可以安排在真空工序之后。
同所有这些应用一样，至少在时间上或者空间上局部的真空环境中应该实现基片的有效的加热，通过使用红外线辐射器加热的效率应该尽可能的高，并且参与的材料和箱体的表面和红外线辐射器的反射率本身对设备的效率和成本具有决定性的作用。
该工序大多数是批量工序，因为材料必须通过闸门送入一工序室中，以便在那里保持环境条件恒定。这样的批量工序的另一困难是，所有基片必须以同样的温度和预处理离开加热状态。大多数这样的设备的工序窗口非常严密，因此微小的偏差就会导致基片成为废品。那么尽管如此在通常的设备中仍必须穿过该工序区域，所以为了使基片通过闸门需花费很大的费用。那么一在真空工序中的加热区首先必须具有非常高的加热效率，以达到迅速的穿过时间，然而它同时必须能非常迅速地反应，以便能对变化的加热时间柔性地作出反应。尤其是要避免例如由于高的热量或者惯性产生的过度加热。
由现有技术中不同的附件已知，来使基片经受一辐射和热处理。只有借助于辐射的加热可以在真空中并且在敏感的表面时成功地使用。
例如有这样的加热元件，该加热元件具有一高级合金钢管，该钢管从内部电气加热，并且因此可以达到大约600℃的温度。这样的金属加热元件在真空中具有一足够的化学稳定性，费用低廉，具有突出的真空工序的特性，然而热惰性极大，并且由于微小的最大的表面温度不可能放出高的功率。当在某一时刻在工序中在该棒式加热元件的环境下存在氧气时，那么它会失去光泽，并且改变它的辐射状态。
此外由现有技术已知一由封闭的真空密封的石英管和位于里面的加热元件组成的红外线辐射器。加热元件通常由钨或者碳组成。这样的红外线辐射器大多数在它的热反应中非常灵敏，即可迅速的提供并且可以迅速的调节功率，并且达到相当大的辐射功率。为了使每个单独的辐射器达到这样高的辐射功率对于真空应用需要相当高的电压。不仅棒式加热元件而且红外线辐射器均需沿着所有空间方向均匀地辐射它的功率，因此不能达到理想的工序效率。
此外由现有技术已知一这样的与外部的反射器组合的红外线辐射器。其中大多数抛光的、钼或者铝的高级合金钢板用作外部的反射器。用这样的外反射器辐射器功率的一定的部分可引回到基片上，因此导致效率的提高。该钢板吸收击中的辐射的一部分，并且因此存储大量的热量。此外它由于剩余的氧气量或者工序气体(例如硒)常常失去光泽，这导致反射率剧烈的下降，并且导致钢板进一步急剧的加热。结果同样是增加辐射源、并且因此增加设备的热惯性、以及降低效率。
此外在现有技术中描述了由在辐射器管上烧结的氧化铝(Al2O3)或者氧化锆(ZrO2)粉构成的反射器。该反射器直接涂敷到辐射器管上，并且不可能氧化。这样的氧化铝或者氧化锆的反射器易于碎裂，并且因此构成杂质的来源。因为它具有敞开的微孔，所以它在循环的运行中可能吸附大量的气体，并且在加热时重新释放出来。通常工序气体例如硒沉积在敞开的微孔中，并且然后破坏材料的反射作用。它的反射作用典型的数值被限制在30％。因此它不一定可用于所述的应用。
带有由金构成的反射器的红外线辐射器已是众所周知的，然而却不可能使用，因为金反射器在真空中由于低的环境压力和辐射器的石英管的高温在最短的时间之内被分解，该石英管的高温这里不可能通过气流冷却。
如果在通常的几何尺寸时超过大约100V以上的电压，尤其是在1mbar的压力区中、一在每个真空闸门中在一时刻或者在一位置上达到的过渡区域导致电压击穿，并且导致破坏性的气体放电。这限制了红外线辐射器加热丝的功率或者最大长度。
EP1228668A1描述了一种红外线辐射器，该红外线辐射器插入另一石英玻璃的套管中，其中该套管相对于容器真空密闭地密封。因此每个单独的辐射器可在高电压下运行。原则上在足够的冷却时也可以在每个辐射器上涂敷一高效率的金反射器。然而该装置的缺点是，每个辐射器或者管的冷却证明是困难的，因为沿着流过冷却流体(空气)的方向在辐射器或者在套管中总是出现一温度梯度。因此在基片中形成温度梯度，该温度梯度是不受欢迎的，并且产生负面影响或者甚至导致废品。
在DE102004002357中描述了对于一这样的几何尺寸和辐射器布置的红外线透明冷却流体的使用。缺点是对于实现附加的、不透气的、在低压下运行的冷却循环的高昂的技术费用。
在EP1071310A1中描述一种在真空中用于由硅波均匀加热的装置。在这里大量的圆形红外线辐射器布置在一外反射器之前，并且借助于对准的气流冷却。其中辐射器和空气冷却借助于一面对于本来的工序箱体的窗口与它的基片隔开。
在EP1089949B1中描述了一种箱体，在该箱体中基片与红外线辐射器一起布置在两个反射器之间。其中反射器由薄板、优选的是由铝板组成。由于反射器背面涂黑，所以通过辐射可实现从反射器到冷却壁的传热，因此实现反射器的冷却。一基片的附加的温度的控制可通过添加一导热的气体实现，因此相对于通过辐射传热另外可通过导热和自由对流传热将热量从基片反射器和辐射器排到冷却的箱体壁上。
上述的装置全部都有缺点，它们具有大的热惯性，并且因此不一定适合于迅速的加热和试样在确定的温度下的保温。
发明内容
因此本发明的任务是提供一种装置，该装置避免上述的缺点，并且可实现一迅速的加热以及紧接着在一确定的温度下基片的长时间保温。
该任务用独立的权利要求所述的特征获得解决。
有利的改进结构由各自的从属权利要求得知。
带有用于至少一基片辐射的箱体的根据本发明的装置包括至少一用于基片送入和取出的闸门，一在箱体之内的基片支架，一真空泵和至少一用于基片辐射的辐射单元，其中辐射单元至少具有一带有一集成的反射器的红外线辐射器。
一这样的装置使箱体相对于迄今为止已知的箱体明显地结构更小，因为红外线辐射器已经装备有一集成的反射器，并且因此可放弃一外部的反射器和与之对应的反射器，该反射器大多数需要大量的空间。
此外表明，在一这样的箱体中使用一这样的辐射器鉴于它的热反应速度可使箱体结构更好，并且因此在辐射基片时可达到更好的结果。同样用一这样的辐射器可实现用根据本发明的装置的加热和冷却，并且同时把热惯性降低到最低限度。
在这里每个适合于基片的支撑和热处理的箱体均可用作箱体，例如在EP1089949B1中所描述的。
已经表明如果反射器由一种至少在尤其是密闭的在近红外线和中红外线范围的辐射状态下宽频带透明的材料组成，然而构成不透明的材料，这是有利的。该反射器具有特别高的反射率，并且关于机械的稳定性和真空适用性具有非常良好的特性。
如果反射器具有封闭的微孔结构，也是有利的。
如果在红外线辐射器的背面涂敷一涂层，并且与此同时该涂层在远红外线范围中具有高的吸收性，这是有利的。已经表明一包括石英玻璃的涂层对此特别适合。
该材料具有一非常高的温度稳定性。
根据本发明的装置例如使冷却的真空箱体构成该装置唯一的附加的反射器。
因此既节约了材料，而且又降低了成本。
上述的反射器因此特别适合于在真空箱体中使用，因为它高效并且适合于真空。此外它具有最小的释放气体的倾向，因为它几乎不吸收气体。
此外在根据本发明的装置中表明，可以避免一这样的箱体失去光泽和/或者氧化，因为不存在处于可能失去光泽或者氧化的温度中的元件。
如果辐射器可以从箱体中取出，乃是有利的。
附图说明
本发明下面借助于优选的结构形式并且参照附图详细说明。
其中在示意的图示中：
图1表示了一带有Al2O3涂层的典型的红外线辐射器的轴向辐射状态，
图2表示了不同的反射器类型的典型的短波红外线辐射器的轴向辐射状态，
图3表示了不同的反射器类型的典型的碳精棒红外线辐射器的轴向辐射状态，
图4表示了一根据本发明的装置，
图5表示了一根据本发明的装置的改进结构。
具体实施方式
为了能够评价反射器类型的反射状态，使用一装置，该装置借助于一热堆传感器宽频带地检测全部到达的辐射功率。该传感器在一圆上围绕着辐射器轴线引导，并且每5°记下一测量值。测量在空气中进行。而且由该测量值可以计算在运行中反射器的反射率R，该反射率定义为，
R＝1-IReflektor/Igesamt*ngesamt/nReflektor＝INutzseite/Igesamt*ngesamt/nNutzseite
其中Igesamt是发射出的全部强度，并且IReflektor是从反射器侧反射出的强度，通过每次测量相加；ngesamt是全部测量的次数，并且nReflektor是在反射面上测量的次数。INutzseite是相加的强度，并且nNutzseite是在利用面上测量点的数目。
在图1中表示了一市售的卤族圆管式辐射器的测量结果，其中作为红外线反射器该管在180°范围内具有喷涂的Al2O3粉涂层。对于该管的反射率数据为32％，并且在真空中，由于Al2O3缺少对流冷却更热，所以反射率还要低。在图中涂层布置在上部。
在图2中比较了一组对机械更稳定的双管式辐射器的反射器类型，其中总是使用钨作为加热丝。
其中该曲线分别描述了不同反射器类型的测量结果：
曲线21：一不带反射器的双管
曲线22：一高级合金钢反射器
曲线23：一铝反射器
曲线24：一在双管上的根据本发明的反射器
曲线25：一在双管上并且在铝反射器之前的根据本发明的反射器。
双管表示一不带反射器的红外线辐射器。一这样的辐射器然后在一高价值的高光泽的高级合金钢反射器之前和高价值的高光泽的铝反射器之前测量，其中那么只能分别在反射器之前的180°范围内测量。此外一带有一辐射器并且带有一反射器的辐射单元在360°范围内测量，以及一带有一辐射器并且带有一反射器的辐射单元在一高价值的高光泽的铝反射器之前测量。在图中所有反射器涂层布置在上部在3点和9点之间。
对于纯高级合金钢22反射率为50％，对于铝23反射率为61％，对于根据本发明的辐射单元24的反射器的反射率为74％，并且对于根据本发明的辐射单元25的反射器和铝的反射率为87％。在180°的测量中分别使用不带反射器测量的Igesamt。金属反射器的反射率小于理论值，因为辐射的很大的一部分反射回到辐射器上。
在图3中比较了一组对机械更稳定的双管式辐射器的反射器类型，其中使用碳精棒作为加热丝。
其中该曲线分别描述了不同反射器类型的测量结果：
曲线31：一不带反射器的双管
曲线32：一高级合金钢反射器
曲线33：一铝反射器
曲线34：一在双管上的根据本发明的反射器
曲线35：一根据本发明的反射器和铝反射器。
双管表示一不带反射器的红外线辐射器。一这样的辐射器然后在一高价值的高光泽的(高级合金钢)反射器之前和高价值的高光泽的(铝)反射器之前测量，其中那么只能分别在反射器之前的180°范围内测量。此外一带有一辐射器并且带有一反射器的辐射单元在360°范围内测量，以及一带有一辐射器并且带有一反射器的辐射单元在一高价值的高光泽的(铝)反射器之前测量。在图中所有反射器涂层布置在上部在3点和9点之间。
对于纯高级合金钢32反射率为61％，对于铝33反射率为63％，对于根据本发明的辐射单元34的反射器的反射率为64％，并且对于根据本发明的辐射单元35的反射器和铝的反射率为91％。在180°的测量中分别使用不带反射器测量的Igesamt。金属反射器的反射率小于理论值，因为辐射的很大的一部分反射回到辐射器上。
因为绝大多数基片对反射率具有角度依赖性，并且对平角更增加了该依赖性，因此只有在围绕着相对于基片的法线大约45°的角度范围内到达的部分对有效的加热做出贡献。由于该原因带有一如在本发明中描述的辐射器和反射器的辐射单元效率更高，因为它不仅具有一显著地更高的效率，如高价值的外反射器，而且甚至还将辐射限制在关系重大的特别重要的工序过程的角度区域上。
应用例1
在图4中以横剖面的形式表示了根据本发明的装置。在一真空箱中1一基片2借助于一合适的装置3在辊子上垂直于图示平面向前输送。装料闸门以及其它的工序箱未绘出。在箱体1之内的气压借助于合适的泵4在封闭的闸门时调节到大气压。带有一辐射器5和一反射器涂层6的辐射单元布置在基片2上方。在箱体的所有壁中引入冷却通道7，该冷却通道允许箱体壁保持在一恒定的温度上。箱体内壁由光亮的、优选的是抛光的金属(铝或者高级合金钢)构成。为此做好的箱体1最后从内部加工。这样布置的箱体1在制造上极其简单并且非常容易操作，因为只有少数的元件布置在它的内部。同时它在加热中具有非常高的效率，因为几乎没有原始的辐射到达和加热箱体壁或者其它的内装部件。箱体壁保持它相对高的反射率(根据材料和辐射器＞65％)，因为它被冷却，并且因此不可能失去光泽。因为除了辐射器5本身之外在箱体1中几乎没有需要加热或者冷却的物体，整个装置对热反应非常灵敏。辐射器几乎惟一地由一具有2.2g/cm3质量的石英玻璃或者由一大约具有1.75g/cm3密度的根据本发明的反射器组成。典型地从3mm的材料厚度起基片2本身是装置对热最惰性的部分，那么这正是所要求的。
图5表示了一根据本发明的装置，在该装置中在辐射器5和箱体1以及基片2之间的辐射冷却被优化。为此两个大的表面9附加地用一透明的或者半透明的涂层8涂敷，该涂层显示出一类似于石英玻璃的吸收特性。因此在400nm和4000nm之间的区域中的有效辐射基本上反射回箱体1，因为涂层8允许到达金属反射的箱体壁上的辐射通过，然而在较高的波长时产生的辐射同样有效地被箱体通过涂层8吸收。

Claims (14)

1.带有用于辐射至少一基片的箱体的装置包括
-至少一用于基片送入和取出的闸门，
-一在箱体之内的基片支架，
-一真空泵，
-和至少一用于基片辐射的辐射单元，其特征在于，辐射单元至少包括一带有一集成的反射器的红外线辐射器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，反射器由一宽频带地在可视的和红外线下透明的、然而不透明的结构的材料构成。
3.根据前面的权利要求中一项或者多项所述的装置，其特征在于，反射器的材料在透明的状态下在780nm至2200nm、优选的是在400nm至2700nm、并且特别优选的是在400nm至5000nm的波长范围内是透明的。
4.根据前面的权利要求中一项或者多项所述的装置，其特征在于，在红外线辐射器的背面涂敷一涂层。
5.根据前面的权利要求中一项或者多项所述的装置，其特征在于，涂层在远红外线范围中具有高的发射率。
6.根据前面的权利要求中一项或者多项所述的装置，其特征在于，涂层包括石英玻璃。
7.根据前面的权利要求中一项或者多项所述的装置，其特征在于，反射器构成适合于真空的反射器。
8.根据前面的权利要求中一项或者多项所述的装置，其特征在于，红外线辐射器可以从箱体中取出。
9.根据前面的权利要求中一项或者多项所述的装置，其特征在于，箱体具有一箱体壁，该箱体壁构成反射器。
10.根据前面的权利要求中一项或者多项所述的装置，其特征在于，辐射器可以从箱体中取出。
11.根据前面的权利要求中一项或者多项所述的装置，其特征在于，箱体内壁的至少一部分涂敷一透明的或者半透明的涂层，该涂层在2200nm、优选的是2700nm之上、并且特别优选的是在5000nm之上的远红外线范围中具有高的吸收特性。
12.根据前面的权利要求中一项或者多项所述的装置，其特征在于，箱体壁的涂层基本上由玻璃、石英玻璃或者Al2O3组成。
13.根据前面的权利要求中一项或者多项所述的装置，其特征在于，在箱体中的基片在辐射之前或者辐射期间可自动地移动。
14.根据前面的权利要求中一项或者多项所述的装置，其特征在于，红外线辐射器这样布置，以使进入基片并且加热基片的辐射在基片的表面上达到一尽可能均匀的分布。
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