CN107210186A - 用于使用单端红外发射体将红外辐射注入到真空处理室中的辐照装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将红外辐射注入到真空处理室中的辐照装置，其具有单端红外发射体(1)，所述单端红外发射体(1)包括呈圆玻璃管形式的发射体壳体管(2)，所述单端红外发射体(1)的一个封闭端突出到所述真空处理室中，且所述单端红外发射体(1)具有真空馈通体(3)以用于固持所述发射体壳体管并以气密方式引导所述发射体壳体管穿过所述真空处理室中的开口，其中所述发射体壳体管中布置有呈加热细丝(6)的形式的加热导体及呈电流回路的形式的回路导体(7)，其中所述加热导体在所述发射体壳体管的环绕所述真空馈通体的部分中具有从所述发射体壳体管引出的连接元件(12)。为尤其确保甚至在高加热输出的情况下且在无额外组件或冷却情况下的长IR发射体的安全操作，根据本发明提出将所述加热导体的所述连接元件(12)引导穿过一个管(11)且所述回路导体在所述发射体壳体管(2)的环绕所述真空馈通体(3)的所述部分中具有用于补偿热膨胀的装置(例如弹簧元件(14)或滑动轴承(15))。

Description

用于使用单端红外发射体将红外辐射注入到真空处理室中的 辐照装置

技术领域

本发明涉及一种用于使用红外发射体将红外辐射引入到真空处理室中的辐照装置，所述红外发射体在一端上被封盖、包括由玻璃制成的呈圆管形式的发射体壳体管，所述红外发射体的封闭端突出到所述真空处理室中，且所述红外发射体具有真空馈通体以用于固持所述发射体壳体管并以气密方式引导所述发射体壳体管穿过所述真空处理室的开口，其中所述发射体壳体管中布置有被构造为加热细丝的加热导体及被构造为电流回路的回路导体，其中所述加热导体在所述发射体壳体管的被所述真空馈通体环绕的区段中具有从所述发射体壳体管引出的连接元件。

背景技术

已知具有加热导体(下文也称为加热细丝)的灯及红外发射体(简称为“IR发射体”)，所述加热导体由具有高熔点的导电材料制成。此类加热细丝具有笔直导线或薄片金属区段的形状或者蜿蜒形状、带形状、线圈形状或环圈形状。在加热细丝的各端之间施加电压，使得可有电流流动且此会产生热量。因此，红外发射体具有两个电连接元件，其中的一者连接到加热细丝且另一者连接到电流回路。所述连接元件经由密封件(也被称为电流馈通体)从发射体壳体管中引出。

红外发射体在真空中或在具有反应性气氛的真空工艺(其中将在短时间量中对待处理衬底施加显著量的热量)中的操作在使用中对组件及材料表现出了特殊挑战。

对于其中发射体管会暴露于加热细丝的高热输出且可用于高温或具化学侵蚀性的环境中的具有高输出的红外发射体，发射体管通常由含硅量高的玻璃(例如石英玻璃)组成，所述玻璃的显著之处在于极低的热膨胀系数及极高的耐温性。此会引起寻求适合的导电材料来用于加热细丝及其连接件的问题，其中这些材料同时具有大于2000℃的熔点且在从室温到高达石英玻璃的处理温度的温度范围中具有类似的热膨胀系数。气密性电流馈通体具有所谓的“压接件”，其中在石英玻璃发射体管的被压接在一起的端中，使薄钼膜熔化来作为内连接元件与外连接元件之间的导电电触点及中间元件，其通常呈引脚的形式。此外，在石英玻璃管中，会在轴向方向上输送可观的辐射功率—正如在光学滤波器中一样—使得加热导体及电流回路的热膨胀与发射体壳体管的热膨胀相比在结构上可能不能被忽略。在此类发射体中，热量甚至会在管端的区域中积累且此尤其会影响密封件。此处，决定性因素是每发射体长度的功率，使得尤其对于长且高性能发射体，必须将此问题考虑在内。

如果红外发射体被安装在真空处理室的室壁中，那么也将以下考虑在内：在残留物气氛中在从粗略真空转变到精细真空期间且在80伏的电压以上会随着对应加热而在电源线本身中或在电源线与室壁之间产生火花放电。

上述问题的确可通过发射体的相应低的操作功率来抵消，然而，此在处理室中的相应处理工艺所需的加热输出的意义上将是起到反作用的。

将发射体安装于处理室壁中可通过在发射体管上或在处理室壁上使用凸缘来实现，其中这些凸缘形成真空馈通体的一部分。然而，此类凸缘必须被固持以使得其可抵靠处理室壁沿发射体轴的方向移动，以便不将轻微的热膨胀转换成对发射体管具有破坏性的张应力：因为石英玻璃的热膨胀比金属室臂的热膨胀低大约一个数量级，室壁或由石英玻璃制成的壳体管甚至发生轻微的温度变化也可相对于耐压缩且热稳定密封件或电流馈通体造成问题。将真空馈通体用于发射体管因此也会与风险相关联。

从DE 10 2008 063 677 A1中已知供在真空处理室中使用的在两端上被封盖的IR发射体，其具有一个圆形发射体管或具有双重管。所述发射体在两侧上被真空馈通体固持于室壁中。在真空馈通体中，作为密封件，存在将发射体固定于密封位置中的O形环。发射体在真空馈通体的区域中具有不透明管区段，所述不透明管区段会减少沿真空馈通体及外压接区段的方向来自IR发射体的加热输出。此种被准确定位的不透明管区段的制作是复杂的。因此，将由石英玻璃制成的额外不透明管区段推套到IR发射体的壳体管上是优选的。此种布置的缺点是，需要呈推套管区段形式的额外组件。此外，推套管区段会增加IR发射体在密封件的区域中的总横截面，使得真空处理室壁中的开口也必须具有对应的大小。然而，在IR发射体的空间节省布置及真空泄漏的最低可能风险的意义上，室壁中相对大的开口是起到反作用的。

在WO01/35699 A1中也揭示了一种位于处理室的真空馈通体中的在一端上被封盖的IR发射体。IR发射体布置于在一端上被封盖的石英玻璃圆管中，其中红外辐射源可连接到真空处理室中的能量源，所述能量源未被更详细地揭示。为确保高辐射输出，在发射体管内设置有通过空气冷却实现的冷却装置。冷却作用于整个发射体壳体管上且此处也会减少通向真空馈通体的区域外部的发射体管端上的热量。然而，用于对应冷却的装置是复杂的、易受破坏，且与关于待在真空处理室中处理的材料的最有效可能加热输出的要求相矛盾。

技术问题

因此，本发明的目标是提供一种用于将红外辐射引入到真空处理室中的辐照装置，其中会避免现有技术的缺点且也会以简单的方式确保尤其长IR发射体的安全且可靠的操作而甚至对于高热输出也无需额外组件或冷却。

发明内容

此目标是根据本发明来实现，在于，从具有以上所指定特征的红外发射体开始，加热导体的连接元件被引导穿过管区段，且回路导体在发射体壳体管的被真空馈通体环绕的区段中具有用于补偿热膨胀的装置。

对于根据本发明的辐照装置，通过多个互补特征来确保在一端上被封盖且被导引到真空处理室中的IR发射体的安全且可靠的操作：

在真空馈通体的区域中，通过将加热导体的连接元件在发射体壳体管的此区段中导引于隔热管区段中来减少到真空密封件的热转移。在制作过程期间可将此种相对短的管区段推套到连接元件上而不会具有很大的复杂性。所述连接元件由笔直导线区段形成，其中用于所述连接元件的材料优选地具有比加热导体的热导率值低的热导率值。由于被推套到加热导体的连接元件上的管区段，在IR发射体的操作期间可相较于加热导体的所设定标称功率的温度降低真空馈通体的区域中的温度。同时，管区段也会防止以下风险：加热导体的连接元件与回路导体接触。

此外，回路导体在发射体壳体管的被真空馈通体环绕的区段中具有用于补偿热膨胀的装置，此会防止回路导体由于其热膨胀而扭曲且防止回路导体以某种其它方式接触加热导体或形成短路，从而除电干扰功能以外还会引起在局部进行的尤其强烈的热量产生。此也会实现在窄空间中将回路导体导引于中心。

先前所提及的特征的组合总体上会使根据本发明具有红外发射体的辐照装置甚至在高输出下也产生安全且可靠的操作以及长的使用寿命。这尤其适用于对其中加热导体的热膨胀及回路导体的热膨胀具有尤其强烈效应的长发射体的使用。加热导体及回路导体在1000℃的温度下在100mm长度内大约0.6mm的长度膨胀将被考虑在内。除考虑热膨胀以外，用于通过在加热导体的连接元件周围使用管区段来降低到真空馈通体的热转移的措施也将被考虑在内。此处，对于根据本发明的辐照装置，并不需要用于在IR发射体的两端处对其进行冷却的额外措施。根据本发明的红外发射体也适合于在操作期间耐受振动，只要其在从2Hz到10Hz的范围中不超过整个发射体的0.7mm偏转即可。另外，20m/s²的加速度不会对发射体造成任何损害。

在一个优选实施例中，加热导体在发射体壳体管的被真空馈通体环绕的区段中被导引穿过的管区段被构造为石英玻璃管，且加热导体的连接元件是由用钼或钼化合物制成的导线形成。

石英玻璃由于其隔热效应而是尤其适合的材料。此外，石英玻璃具有非常高的耐温性，使得即使热量在真空馈通体的区域中积累，此管区段也不会变形。原则上，作为石英玻璃的替代方案，也可使用由陶瓷耐高温材料制成的管区段。然而，关于生产来说，低材料差异性是优选的，使得也通常用于发射体壳体管的石英玻璃还通常表示用于所讨论管区段的优选材料。此外，加热导体的连接元件是由用钼或钼化合物制成的导线制成。与通常用作加热细丝的材料的钨相比，钼具有更低的热导率，使得使用钼或钼化合物作为加热导体的连接元件的材料会促成降低真空馈通体的区域中的温度负荷。

已证明以下是有效的：用于补偿回路导体的热膨胀的装置被构造为弹簧元件。

回路导体在发射体壳体管的被真空馈通体环绕的区域中的弹簧元件能够吸收在操作期间在长发射体及众多切换过程中发生的几厘米的可观长度改变。因此，弹簧元件会促成IR发射体的安全且可靠的操作。

此处，弹簧元件有利地被构造成导线线圈的形式，所述导线线圈围绕加热导体的连接元件的管区段缠绕。

以此方式，可在发射体壳体管的区段内围绕真空馈通体的区域中实现紧密构造。

如果提供导线线圈作为用于补偿回路导体的热膨胀的装置，则将此导线线圈(用于补偿热膨胀的装置)与回路导体本身以单件式形成为由钼或钼化合物制成的导线是优选的。

在此种情况中，回路导体不具有焊接点，而是被连续地制成为由钼或钼合金制成的导线，所述导线也用作回路导体的连接元件且从发射体壳体管引出。对于此实施例，避免将焊接工艺或其它连接类型用于连接回路导体的区段，此也会降低连接(焊接点)中出现瑕疵的风险。

作为弹簧元件的替代方案，用于补偿回路导体的热膨胀的装置被构造为由碳制成的滑动轴承，所述滑动轴承具有彼此滑动接触的至少两个导电滑动轴承元件，其中所述滑动轴承元件中的一者被构造为滑动杆且另一滑动轴承元件被构造为滑动套管。

所述滑动轴承形成使得能够对回路导体的长度膨胀进行无力式补偿的导电组件。此处，长度补偿是通过材料接合配合以及滑动元件彼此的导电滑动接触而在无需弹簧的作用的情况下实现。碳(尤其是石墨)尤其适合作为轴承材料，因为其磨蚀具有自润滑效应。其也提供良好的导电性。

对于其中将补偿非常大的长度改变的情况，可提供甚至多个滑动轴承。已表明，此种组件满足关于导电性、耐热性及机械长久性的要求且促成延长红外发射体(尤其甚至是大长度的红外发射体)的使用寿命。此类滑动轴承也可用作用于补偿加热导体的热膨胀的装置。

作为在根据本发明的IR发射体的安全且可靠操作的意义上的其它装置，将连接到加热导体的支撑元件导引于发射体壳体管的封闭端中。

所述支撑元件在一侧上固定于壳体管的玻璃壁中(例如通过熔合)，且在另一侧上连接到加热导体，使得所述加热导体对于因加热引起的长度改变基本上仅沿其轴向轴移动，且松弛或松垂得以抵消。

在红外发射体的一个优选实施例中，支撑元件被构造为由钼或钼化合物制成杆，所述杆在发射体壳体管的封闭端中被导引成与加热细丝对准。

有利地，由钼或钼化合物制成的杆以强制锁定配合或材料接合配合连接到加热细丝，且通过发射体壳体管的压接区段来实现在发射体壳体管的封闭端中的导引。

钼材料(或钼合金)已由于其耐温性而证明在IR发射体中使用是有效的。所述杆经定位以使得其延伸为与加热细丝齐平的支撑元件且此处通过压接区段固定于壳体管的玻璃壁中。到加热细丝的连接是强制锁定配合或材料接合配合，其中举例来说，强制锁定配合连接是通过将圆杆插入到线圈状加热细丝的绕组中且被所述绕组围绕而产生。可通过将支撑元件焊接到加热细丝来实现材料接合连接。此种措施防止在加热细丝由于加热而经历长度改变的情况下加热细丝发生弯曲、松弛、旋转或松垂。

为产生压接区段，使用压接机器，例如，所述压接机器具有围绕待压接的发射体壳体管旋转的两个燃烧器、及两个对置的压接钳。发射体壳体管一被软化，燃烧器旋转就停止，使得压接钳移动经过燃烧器且抵靠所述管并对管进行压缩，以便将放置于此管中的支撑元件(杆)围封于压接区段中。

当将回路导体在平行于加热细丝的区段中导引于石英玻璃管中时，根据本发明的红外发射体已证明是尤其有利的。

由于石英玻璃管，回路导体相对于加热导体被隔离，使得不会产生电火花放电。同时，由加热细丝输出的辐射仅被环绕回路导体的石英玻璃管略微地遮蔽，使得此种措施实际上不会引起辐射功率的显著损失，但对于IR发射体的安全且可靠的操作来说却是改进之处。

在另一优选实施例中，加热细丝由至少一个间隔件在一侧上相对于发射体壳体管的内壁支撑且在另一侧上相对于被导引于石英玻璃管中的回路导体被支撑。

所述间隔件可以由钽制成的垫圈的形式提供，所述垫圈通过切口或槽成形使得其将加热细丝与导引回路导体的石英玻璃管固持成彼此相距且与发射体壳体管的内壁相距安全的距离。除钽以外，还可使用铌作为间隔件的材料。在此上下文中，作为用于加热导体及/或回路导体的材料，优点是钽及铌与钨或钼相比具有相对低的热导率及高的比电阻。尤其在将IR发射体垂直使用时，可通过在发射体壳体管的内壁上形成小的玻璃凸块将间隔件固持于沿着发射体的纵向轴的某一位置处。甚至对于长发射体，此类间隔件也有利于确保在发射体的长度内对尤其是加热导体进行有序的导引，使得因加热导体的扭曲或松垂而发生短路的风险得以排除。

附图说明

以下参考专利图式及实施例来更详细地解释本发明。以示意性表示形式详细展示的是：

图1根据本发明的辐照装置的红外发射体的第一实施例，其具有具弹簧元件的回路导体，

图2红外发射体的替代实施例，其具有在真空馈通体的区域中具滑动轴承的回路导体，

图3来自图1及2的区段A的详视图，区段A在发射体壳体管的封闭端上具有支撑元件，

图4供在红外发射体中使用的间隔件。

具体实施方式

图1示意性地展示红外发射体1，其具有由石英玻璃制成的具有圆形横截面(外径为19mm)的轴对称发射体壳体管2。红外发射体1由包括密封环4及一种类型的压盖5的真空馈通体3固持于真空处理室的开口中且以其封闭端突出到真空处理室中。IR发射体1是针对800℃以上的操作温度而加以设计。

在发射体壳体管2中，存在(受热)长度为140cm的由钨制成的线圈状加热导体6(加热细丝)，以及回路导体7(电流回路)。回路导体7平行于加热导体6的受热区域而被导引于石英玻璃管8中。在发射体壳体管2的封闭端的区域中，加热导体6及回路导体7通过短连接件9彼此连接。此外，支撑元件10位于此处，其表示用于加热导体6的固持器且固定于发射体壳体管2中。

在发射体壳体管的位于真空馈通体3的区域中的区段中，将由石英玻璃制成的长度为60mm到80mm的短管11推套到加热导体6的连接元件12上，这会大幅减少到真空馈通体3的密封件4的热转移。在真空馈通体3的区域中，由于将由石英玻璃制成的管11推套到连接元件12上，因此温度会处于大约250℃以下，而在IR发射体的可用长度的区域中，加热导体6会达到高达2500℃的温度。在加热导体6上及在回路导体7上焊接有电连接元件12、12‘，电连接元件12、12‘经由位于真空馈通体3外部的压接区段13从发射体壳体管2中引出到未展示的连接器底座。

回路导体7在真空馈通体3的区域中具有呈导线线圈形式的弹簧元件14。所述导线线圈在15mm的轴向长度区段上包括多达八个绕组且围绕在加热导体6的此区段中被推套到连接元件12上的短石英玻璃管11缠绕。由于所述导线线圈，回路导体7的长度热膨胀得以补偿，其中会由IR发射体在2500℃下的操作引起8mm的膨胀。

图2仅展示IR发射体1的位于真空馈通体3的区域中的区域。与图1形成对比，用于补偿热膨胀的装置并非是弹簧元件，而是由高纯度技术碳制成的滑动轴承15，滑动轴承15连接到回路导体7。滑动轴承15是摩擦支持式距离补偿元件，其具有具两个通路孔的滑动套管16，所述两个通路孔各自以滑动配合H7/h7来成对地固持由钼制成的滑动杆17。所述滑动杆具有1.4mm的直径。一个滑动杆通过焊接连接到回路导体7的钼导线且另一滑动杆也通过焊接连接到回路导体7的从壳体管2的端引出的电连接元件12‘。为补偿回路导体7的钼导线(导线直径为大约0.9mm)相对于滑动轴承(直径为1.4mm)的钼杆的直径差异，将钼导线在焊接点处以几匝缠绕于滑动杆上且接着进行焊接。滑动杆的与回路导体7的钼导线连接处及到连接元件12‘的连接处相对的端从滑动套管部分突出且具有较粗区段18，此防止滑动杆17从滑动套管16滑出。滑动轴承15在回路导体7与连接元件12‘之间形成导电组件，此准许在操作期间对回路导体7的长度膨胀进行无力式补偿。此处的长度补偿是仅通过材料结合配合以及滑动元件彼此的导电滑动接触而在无弹簧效应的情况下发生。

在图3中，以详视图展示图1的具有发射体壳体管2的封闭端的区段A。被构造为由钼制成的圆杆的支撑元件10通过压接区段13.1固定于壳体管2的玻璃壁中。另外，所述杆由与发射体壳体管2的内径相适配的支撑线圈19固持且接触壳体管2的内壁。所述杆的直径是0.875mm且经调整以使得其可以强制(形式)配合被插入到加热细丝6的绕组中。所述杆经设计以使得在发生热膨胀及相关联劲度损失的情况下加热细丝6不会松垂，而是以基本上对准的方式被导引，即，保持于其径向位置中。以此方式，以下风险被最小化：热膨胀将致使加热细丝6在此区段中接触回路导体7且因此引起短路。此外，在图3中，可看到加热导体6与回路导体7之间的连接件9，在此种情形中，连接件9是在两端处具有几个绕组的由钼制成的导线件，所述绕组被焊接到加热导体6及回路导体7。然而，作为连接件9，也存在不具有绕组的笔直导线或可使用的另一薄片金属部分，其被焊接到加热导体或回路导体且满足对应的电要求。

图4展示在受热长度的区域中贯穿发射体壳体管2的横截面，其中提供有由钽制成的多个间隔件20以用于将加热导体6及回路导体7准确地定位于发射体壳体管2中的目的。间隔件20在一侧上相对发射体壳体管2的内壁被支撑且在另一侧上相对于导引于石英玻璃管8中的回路导体7被支撑，其中间隔件20具有导引槽21及敞开的圆形切口22。加热导体6被导引于导引槽21中且敞开的圆形切口22固持环绕回路导体7的石英玻璃管8。以此方式，加热导体6及导引回路导体7的石英玻璃管8被固持成彼此相距且与发射体壳体管2的内壁相距安全且可靠的距离。间隔件20通过小的玻璃凸块或圆突23被固持于发射体壳体管的内壁上，小的玻璃凸块或圆突23尤其在IR发射体被垂直使用时将间隔件20固定于沿着发射体的纵向轴的某一位置处。甚至对于长的发射体，此种类型的一或多个间隔件也会确保在发射体的长度内尤其对加热导体进行恰当导引。

Claims (11)

1.一种用于将红外辐射引入到真空处理室中的辐照装置，其具有红外发射体，所述红外发射体在一端上被封盖且包括由玻璃制成的呈圆管形式的发射体壳体管，所述红外发射体的封闭端突出到所述真空处理室中，且所述红外发射体具有真空馈通体以用于固持所述发射体壳体管并以气密方式引导所述发射体壳体管穿过所述真空处理室的开口，其中所述发射体壳体管中布置有被构造为加热细丝的加热导体及被构造为电流回路的回路导体，其中所述加热导体在所述发射体壳体管的被所述真空馈通体环绕的区段中具有从所述发射体壳体管引出的连接元件，其特征在于，所述加热导体的所述连接元件被导引穿过管区段，且所述回路导体在所述发射体壳体管的被所述真空馈通体环绕的所述区段中具有用于补偿热膨胀的装置。

2.根据权利要求1所述的红外发射体，其中所述加热导体的所述连接元件被导引穿过的管区段被构造为石英玻璃管，且所述加热导体的所述连接元件是由用钼制成的导线或由钼连接件构造而成。

3.根据权利要求1或2所述的红外发射体，其中所述用于补偿所述回路导体的热膨胀的装置被构造为弹簧元件。

4.根据权利要求3所述的红外发射体，其中所述弹簧元件是以导线绕组的形式构造而成，所述导线绕组围绕所述加热导体的所述连接元件的所述管区段缠绕。

5.根据权利要求3或4所述的红外发射体，其中所述用于补偿所述回路导体的热膨胀的装置与所述回路导体被单件地构造为由钼或钼化合物制成的导线。

6.根据权利要求1到2中之一权利要求所述的红外发射体，其中所述用于补偿所述回路导体的热膨胀的装置被构造为由碳制成的滑动轴承且具有彼此滑动接触的至少两个导电滑动轴承元件，其中所述滑动轴承元件中的一者被构造为滑动杆且另一滑动轴承元件被构造为滑动套管。

7.根据前述权利要求中之一权利要求所述的红外发射体，其中在所述发射体壳体管的所述封闭端中，导引连接到所述加热导体的支撑元件。

8.根据权利要求7所述的红外发射体，其中所述支撑元件被构造为由钼或钼化合物制成的杆，所述杆在所述发射体壳体管的所述封闭端中被导引成与所述加热导体对准。

9.根据权利要求8所述的红外发射体，其中由钼或钼化合物制成的所述杆以强制锁定配合或材料接合配合连接到所述加热导体，且在所述发射体壳体管的所述封闭端中的所述导引是通过压接所述发射体壳体管而实现。

10.根据前述权利要求中之一权利要求所述的红外发射体，其中所述回路导体在平行于所述加热导体的区段中被导引于石英玻璃管中。

11.根据权利要求10所述的红外发射体，其中所述加热导体通过至少一个间隔件在一侧上相对于所述发射体壳体管的内壁被支撑且在另一侧上相对于导引于所述石英玻璃管中的所述回路导体被支撑。