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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestrahlung mit Licht aus
einer Entladungslampe.
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Entladungslampen
zur Erzeugung von Strahlung, insbesondere zur gezielten Erzeugung von
UV-Strahlung sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Auch
die Dotierung der Gasfüllung, um gezielt Einfluss auf die
Gestaltung des Emissions-Spektrums zu erreichen und so Strahler
für unterschiedliche Aufgaben zu optimieren, ist in diversen Veröffentlichungen
beschrieben. Derartige Strahler können als Niederdruck-,
als Mitteldruck- oder als Hochdruck-Strahler ausgeführt
werden, über den Druck, unter dem die Entladung im Betrieb
stattfindet, wird neben dem Spektrum auch die Leistung, bezogen
auf das Volumen der Entladung beeinflusst.
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Es
wird jedoch auch bei optimal dotierten und im optimalen Druckbereich
betriebenen Entladungslampen nur ein Teil der ausgesandten Strahlung
für den gewünschten Prozess eingesetzt, da Spektren
von Entladungslampen immer auch Anteile im sichtbaren oder im infraroten
enthalten, und da ein Teil der Leistung das Hüllrohr aufheizt
und dieses selbst im fernen Infraroten abstrahlt. Die Teile des Spektrums
der ausgesandten Strahlung, die für den Prozess schädlich
oder unerwünscht sind, werden oftmals mittels eines Filters
aus dem Spektrum der gesamten Strahlung entfernt.
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Solche
Entladungslampen, bzw. die als Strahlungsquelle dienenden Entladungen,
strahlen in alle Raumrichtungen ab, so dass zumindest radial nur
eine vernachlässigbare Abhängigkeit der ausgesandten
Intensität vom Winkel zwischen Lampe und Substrat auftritt.
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Um
eine möglichst effiziente Ausnutzung der ausgesandten Strahlung
zu erreichen, wird unter anderem die gleichmäßig
in alle Richtungen von dem Strahler abgegebene Strahlung mittels Reflektoren auf
beispielsweise ein Substrat gelenkt. Hierbei stehen spektral breitbandige
spekulare Reflektoren guten Wirkungsgrades (also hoher Reflektivität)
für UV nicht zur Verfügung, da Metalle eine hohe
Absorption aufweisen und Keramiken entweder noch durchsichtig sind
oder ebenfalls eine hohe Absorption aufweisen. Als spekulare Reflektion
wird Reflektion an einer im Wesentlichen glatten Oberfläche
verstanden, bei der die Winkelinformation der Strahlung erhalten bleibt.
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Da
einfache Materialgrenzflächen anders als im sichtbaren
(Ag, Al) oder Infraroten (nahezu alle Metalle) nicht als effiziente
Reflektoren zur Verfügung stehen, werden dielektrische
Reflektoren aus transmittierenden Materialien mit Schichtfolgen
variierenden Brechungsindizes eingesetzt. Derartige Reflektoren
weisen nur eine begrenzte Bandbreite auf, innerhalb welcher sie
tatsächlich reflektieren. Sie können daher auch
als Filter eingesetzt werden. Die Herstellung solcher Reflektoren
ist aufwändig, da auf einem hochwertig polierten Träger
eine Vielzahl von unterschiedlichen Schichten aufgebracht werden muss.
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Da
der reflektierende Bereich eines dielektrischen Reflektors von dem
Winkel abhängt, unter dem das Licht auf den Reflektor trifft,
müssen derartige Reflektoren auf die geometrische Situation
ausgelegt werden, unter der sie betrieben werden. Um eine einigermaßen
homogene Reflektivität über die genutzte Fläche
zu erhalten, muss diese unter konstantem Winkel zur Strahlenquelle
angeordnet werden. Der Reflektor muss in einem nicht zu geringen Abstand
von der Lichtquelle angebracht werden, da die von der Lampe ausgesandte
Strahlung nicht punktförmigen Ursprungs ist, sondern von
der gesamten Oberfläche der Entladung stammt und so unter
unterschiedlichen Winkeln auf den Reflektor trifft, für
eine hohe Effizienz jedoch keine große Variation der Winkel
erlaubt ist, unter dem die Strahlung auf den Reflektor auftrifft..
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Der
dauerhafte Betrieb derartiger Reflektoren ist aufwändig,
da diese meist gekühlt werden müssen – sie
sind für hohe Reflektivität im UV oder VIS optimiert
und absorbieren daher außerhalb ihrer reflektierenden spektralen
Bereiche stark. Kompakte Anlagen sind daher üblicherweise
wassergekühlt, was mit hohen Kosten und mit aufwändiger
Konstruktion verbunden ist.
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Module
für UV- oder VIS-Strahlung, also Gehäuse, in denen
Strahlenquelle, Reflektor und ggf. Shutter untergebracht werden,
bestehen stets aus einer Vielzahl von Komponenten und benötigen
zum Kühlen des Reflektors und des Shutters üblicherweise
Wasser. Nur Einheiten sehr geringer Leistung können luftgekühlt
ausgeführt werden. Ein derartiges Modul ist beispielsweise
in der
WO 2005/105448 als Stand
der Technik beschrieben. Die
DE 20 2004 006 274 U1 beschreibt exemplarisch
die Schwierigkeiten, wie eine Handlampe extrem kompakt und einfach aufgebaut
werden kann: Es muss dazu ein externer Reflektor gewählt
werden. Die Leistung der Lampe ist nur sehr gering, damit die eingesetzte
sehr groß dimensionierte Kühlung mittels Luft
ein Überhitzen des Strahlers und des Reflektors verhindert.
Daraus folgert, dass das System im Vergleich zu den Abmessungen
der eigentlichen Lichtquelle unverhältnismäßig
groß dimensioniert ist und auch aus einer Vielzahl von
Einzelteilen besteht.
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Entscheidend
für eine hohe Lebensdauer und damit hohen Nutzen für
den Anwender von UV-Strahlern ist ferner die Temperatur der Quetschung
des Strahlers und des Strahlerrohrs. Die Temperatur der Quetschungen
sollte 300°C nicht überschreiten, das Strahlerrohr
kann jedoch deutlich höhere Temperatur aufweisen, so dass
zusätzliche Maßnahmen zum separaten Kühlen
der Quetschungen bei Strahlern höherer Leistungsdichten
notwendig sind.
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Die
DE 33 05 173 zeigt wie es
möglich ist, bei Nutzung komplexer Strömungskanäle
und Verwendung von Lampen geringer Leistungsdichte rein mit Luft
gekühlte Vorrichtungen zu konzipieren. Als Leistungsdichte
sei die Leistung/Länge der Entladung definiert.
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Die
oben genannten Module sind alle in ihrer Aufbauweise recht komplex
und aufwändig, oder können nur geringe Leistung/Vorrichtungsvolumen aussenden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein einfaches und kompaktes Modul zur
Erzeugung von UV oder VIS-Strahlung mittels einer Entladungslampe bereitzustellen.
Es soll dabei auf eine Vielzahl von Komponenten verzichtet werden,
so dass Baugröße und Aufwand für Herstellung
und Montage, Wartung, etc. deutlich reduziert werden.
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Diese
Aufgabe wird bereits mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung für die Bestrahlung
von zumindest einem Substrat umfassend eine Bestrahlungseinheit
zur Bestrahlung des Substrats mit UV-Licht sieht vor, dass die Bestrahlungseinheit
eine Entladungslampe mit einem integrierten Reflektor aufweist.
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Der
Reflektor befindet sich somit innerhalb einer Entladungslampe, was
dazu führt, dass Strahlung von der Lampe selber gerichtet
abgegeben werden kann. Dabei kann die Position und die Orientierung
des Reflektors so angepasst werden, dass die Strahlung im Wesentlichen
nur in die gewünschten Richtungen austritt.
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Eine
derartige Vorrichtung mit einem integrierten Reflektor über
180° Umfang des Lampenrohres zeigt, dass bei gestreckten
Lampen vorderseitig der Entladungslampe nahezu die zweifache Strahlungsmenge
austritt. Rückseitig werden weniger als 25% der Strahlung
verglichen mit einem unbeschichteten Strahler bzw. einer unbeschichteten
Entladungslampe erreicht. Hierbei ist die Strahlungsleistung integriert über
den gesamten spektralen Bereich betrachtet.
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Eine
derartige Anordnung eines Reflektors innerhalb der Entladungslampe
bewirkt, dass auf den rückwärtigen Reflektor der
normalerweise bei derartigen Vorrichtungen für die Bestrahlung
angeordnet ist, verzichtet werden kann oder eine Vereinfachung der
normalerweise dort angeordneten Wasserkühlung erfolgen
kann. Somit erfolgt eine Kühlung bevorzugt über
Konvektion auf einfachere Weise und führt dazu, dass letztendlich
auch der Bauraum reduziert wird.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltungsform sieht die Erfindung vor,
dass der Reflektor eine Beschichtung aus opakem Quarzglas umfasst.
Eine derartige Beschichtung ermöglicht die Integration
eines breitbandigen Reflektors von UV-C- bis zum FIR also im Wellenlängenbereich
von 200 nm bis 3000 nm und ermöglicht effektiv die gesamte
aus der Entladung durch das Strahlerrohr austretende Strahlung gerichtet
abzugeben.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Beschichtung synthetisches Quarzglas, welches aufgrund
seiner verringerten UV Absorption eine besonders effektive UV-Reflektion
erreicht.
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Auch
ist es denkbar für UV-generierende Systeme ein solarisationsresistentes
Quarzglas sowohl für das Strahlerrohr wie auch für
den opaken Reflektor einzusetzen.
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Eine
solche Beschichtung aus opakem Quarzglas reflektiert bei ausreichender
Schichtdicke nahezu die gesamte Strahlung im UV und VIS, wie auch
im IR. Da jedoch der im Betrieb der Lampe heiße Reflektor
aus diesem Material selbst thermische Strahlung ab etwa 3000 nm
und besonders stark etwa ab 4500 nm abgibt, so ist die rückseitig
abgegebene Strahlung fast reines Infrarot ab etwa 2500 nm. Der opake
Reflektor wirkt überraschend also zusätzlich als
nützlicher Filter.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sieht die Erfindung vor,
dass als Lampen Quecksilbermitteldruckstrahler und Quecksilbermitteldruckstrahler in
Kurzbogenausführungsform eingesetzt werden. Es ist jedoch
möglich, die Erfindung genauso gut für Niederdruckstrahler
oder Hochdruckstrahler anzuwenden, sowie für alle allgemein
verwendeten UV-Strahler.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen
und unter Bezugnahme der beigefügten Figuren näher
erläutert.
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Dabei
zeigt in schematischer Darstellung:
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1 ein
kompaktes Modul ohne Filter;
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2 eine
Entladungslampe mit einem zusätzlichen Filter;
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3 eine
Bestrahlungsvorrichtung für die indirekte Bestrahlung;
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4 einen
Strahler zur direkten Einkopplung in einen Lichtleiter.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Modul mit passiver konvektiver
Kühlung des Strahlers im Längsschnitt. Innerhalb
des Moduls ist der UV Strahler (10) mit seinen Quetschungen
(11) und den Stromzuführungen (12) angeordnet.
Auf dem Strahler ist ein Reflektor (13) aus opakem Quarz
direkt aufgebracht. Der Strahler ist in ein Gehäuse (14)
montiert, das rein über konvektive Luftströmung
gekühlt wird. Hierbei ist das Gehäuse (14)
in unterschiedliche Bereiche unterteilt. Der mittlere Bereich (16)
ist als Schacht ausgeführt, der zur Begrenzung der UV Streustrahlung
in der Figur mit einem Blech (15) abgedeckt ist, in das
Ausströmöffnungen für die warme aufsteigende
Luft gestanzt sind. Die Öffnungen zur Ableitung der warmen
Luft (15) sind als besonders einfache Möglichkeit
dargestellt. Im Rahmen üblicher erfinderischer Tätigkeit
lassen sich technische Lösungen für eine Ableitung
der Luft finden, die eine bessere Abschattung der (schädliche)
UV Strahlung ermöglichen und zugleich eine gute Konvektion
ermöglichen.
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Die
Erfindung ist daher nicht auf die einfache Variante mit einem Blech
(15) beschränkt, sondern auch komplexere Ausführungen
von Schacht (16) und Abdeckung der Streustrahlung (15),
wie z. B. plane oder gefaltete Deckel sind im Rahmen üblichen erfinderischen
Handelns hier mit abgedeckt. Dabei ergibt sich die Geometrie aus
der Forderung, eine möglichst kontinuierliche schnelle
konvektive Strömung zu erreichen, die insbesondere bei
hohen Schächten erreicht wird, das Austreten von Streustrahlung
zu unterbinden, wo dies konstruktiv erforderlich ist, und zugleich
die Baugröße möglichst gering zu halten.
Die Abteilungen (17) dienen der Abschottung von Quetschung
und Stromzuführung, sowie der nicht dargestellten mechanischen
Halterung der Strahler, sie können separat aktiv gekühlt
werden.
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In 2 ist
der Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Modul
mit einer aktiven konvektiven Kühlung des Strahlers dargestellt.
Auf das Strahlerrohr (21) ist ein Reflektor aus opakem
Quarz (22) aufgebracht, der mehr als 180° umfasst,
um möglichst wenig Strahlung auf das Modulgehäuse
(24) treffen zu lassen. Ein Ventilator (23) ist
angeordnet, der zur aktiven Kühlung dient. Dargestellt
ist ein Axialventilator, der sowohl saugen, als auch drückend
eingesetzt werden kann. Es ist denkbar, dass auch Radialventilatoren
oder Verdichter, Druckluft o. ä. – also Vorrichtungen,
die eine Luftströmung aktiv erzeugen, als alternative Lösungen
eingesetzt werden. Dieser Ventilator kann nun entweder kalte Luft
zuführen, die am Strahlerrohr (21) vorbei durch
den Schacht (24) gegen ein Fenster (25) gelenkt
wird und aus Austrittsöffnungen (27) aus dem Modul
wieder austritt, oder der Ventilator saugt Luft über die Öffnungen
(27) an. Auf dem Fenster (25) ist zusätzlich
eine Funktionsschicht (26) aufgebracht, die als zusätzliche
Reflektionsschicht nur bestimmte Teile der Strahlung transmittieren
lässt. Die Funktionsschicht (26) kann aber auch weggelassen
werden. Das Fenster (25) ist bevorzugt aus einem UV transmittierenden
Material, wie Quarzglas, der Reflektor kann auch mehreren dielektrischen
oder metallischen Schichten aufgebaut sein.
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Die
dargestellte Konstruktion soll das erfinderische Prinzip verdeutlichen.
Es sind jedoch auch andere Anordnungen von Kanälen und
Ventilatoren sinnvoll und abgedeckt.
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Zusätzlich
kann vor dem Fenster ein Shutter montiert sein, der die Strahlung
schnell abschattet. Prinzipiell kann die Scheibe auch durch ein
wasserdurchströmten Hohlkörper aus UV-durchlässigem Glas
ersetzt werden, der als IR Filter dient und zugleich eine sehr kalte
Oberfläche aufweist.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch eine konvektiv gekühlte erfindungsgemäße
Einheit. Das Strahlerrohr des UV-Strahlers (31) ist auf
der dem Produkt zugewandten Seite mit einer Reflektorschicht aus
opakem Quarzglas beschichtet, dadurch tritt in Produktrichtung nahezu
keine UV, sichtbare oder IR Strahlung aus. Die Strahlung wird zum
Reflektor (33) abgestrahlt. Dieser besteht aus dem eigentlichen
Reflektorkörper z. B. aus Aluminium, der auf der Rückseite
zudem Kühlrippen aufweisen kann. Auf der reflektierenden
Innenseite des Körpers (33) kann zudem eine Funktionsschicht
aufgebracht sein, die IR absorbiert und UV transmittiert. Diese
Vorrich tung kann durch Ventilatoren und Bleche erweitert werden,
so dass eine aktive konvektive Kühlung über eine
geführte Luftströmung erreicht wird. Zusätzlich können
Shutterblenden und Filter zwischen dieser Vorrichtung und dem Substrat
angeordnet werden.
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4 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung, bei
der UV Strahlung aus einer Entladungslampe direkt in eine optische
Faser eingekoppelt wird. Der Lampenkörper (41)
aus Quarzglas ist nahezu vollständig mit einer reflektierenden
Beschichtung aus opakem Quarzglas umhüllt. Die Quetschungen
(43) verschließen den Glaskolben (41),
in den Quetschungen (43) sind Molybdänfolien (45)
gasdicht eingequetscht, an die außen elektrisch leitende
Stifte (46) zur Zuleitung des elektrischen Stromes und
innen Elektroden (44) angeschweißt sind. Der Kolben
ist mit einem sich verjüngenden Element aus Quarzglas versehen
(47) in dem ein Großteil der Strahlung aus dem
Lampenkolben austritt, und den die Strahlung aufgrund von Totalreflektion
an der Oberfläche nicht verlassen kann. Dieses Element ist
mit der eigentlichen optischen Faser über ein geeignetes
Koppelelement verbunden, was jedoch in der Figur nicht dargestellt
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/105448 [0009]
- - DE 202004006274 U1 [0009]
- - DE 3305173 [0011]