DE102008063677A1 - Infrarotstrahler-Anordnung für Hochtemperatur-Vakuumprozesse - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler, umfassend zumindest ein Strahlerrohr, welches an seinen jeweiligen Enden Quetschungen aufweist, wobei mindestens ein opaker Rohrabschnitt in Flucht zu dem zumindest einen Strahlerrohr angeschweißt angeordnet ist, sowie die Verwendung eines Infrarotstrahlers zum Einbau in einer Prozesskammer.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Anordnung zu Infrarotstrahlern mit zumindest einem Strahlerrohr.
- Das Betreiben von Infrarotstrahlungselementen im Vakuum, in Vakuumprozessen mit reaktiven Atmosphären, oder in korrosiven oder reaktiven Atmosphären, wie beispielsweise Beschichtungsprozesse, Chemical Vapour Deposition, Physical Vapour Deposition, Ätzen in der Gasphase, die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen in CIS-Technologie, RTP-Prozesse, bei denen in sehr kurzer Zeit eine erhebliche Wärmemenge in ein Substrat eingebracht werden soll und somit eine Kombination von Vakuum oder einer Atmosphäre aus heißen korrosiven Gasen mit hohen freigesetzten Wärmemengen und zyklischer Beanspruchung, stellen eine besondere Herausforderung an die verwendeten Bauteile und Materialien dar.
- Auch bei Einsatz von IR-Heizelementen, die aus dem Quarzrohr-Typ bestehen, bei denen also die äußere Hülle des Strahlers aus einem Rohr aus hitzebeständigem und gegenüber nahezu allen Atmosphären beständigem Quarzglas besteht, bleiben nahezu alle technischen Hürden bestehen. Diese sind unter anderem die Korrosion der elektrischen Zuleitungen zu den Strahlern, wenn diese in korrosiver Atmosphäre oder im Vakuum ausgeführt werden.
- Überschläge zwischen den elektrischen Zuleitungen untereinander oder zur Kammerwand treten in gewissen Druckbereichen auf, wenn die Zuleitungen in der Kammer ausgeführt sind. Bei Einsatz von Heizstrahlern in Hüllrohren, wobei die Hüllrohre Teile der Wand der Prozesskammer darstellen, wird schnell ein Wärmestau-Problem erzeugt, das zur Zerstörung der Strahler führt oder zumindest die maximale Leistung der eingesetzten Strahler begrenzt. Bei Verwendung der Hüllrohr-Lösung ist die zu verwirklichende maximale Leistung sowohl thermisch durch den Wärmestau im Hüllrohr, als auch geometrisch durch die erzwungenen großen Abstände zwischen den Hüllrohren begrenzt.
- Die
EP 1 228 668 B1 beschreibt eine Anordnung, in der mindestens ein Infrarotstrahler in einem Hüllrohr angeordnet ist. Das Hüllrohr ist dabei gegen die Vakuumkammer gedichtet und schützt den Strahler zusätzlich vor den ggf. auftretenden reaktiven Gasen in der Kammer. Nachteilig ist jedoch, dass die Strahler schnell in einem solchen Hüllrohr überhitzen und zerstört werden können, da bereits das Hüllrohr eine erhebliche Temperatur aufweisen muss, um über Strahlung Wärme an die Umgebung abgeben zu können. - Die in der Schrift angedeutete Möglichkeit, durch einen Luftstrom durch das Hüllrohr den Strahler ausreichend zu kühlen, kann in realen technischen Anwendungen meist nicht verwendet werden, denn am Austritt der heißen Luft darf sich kein elektrischer Anschluss mehr befinden – dieser würde überhitzen. Es kommen nur Zwillingsrohrstrahler mit einseitigem elektrischen Anschluss in Frage, was zusätzlich die maximal mögliche Leistung herabsetzt. Eine Luftkühlung führt zudem zu einem Temperaturgradienten längs des Hüllrohres. Da die Hüllrohre auch als sekundäre IR Strahler im fernen IR wirken und so zum Energieeintrag in das Substrat beiwirken, wird ein Gradient der Temperatur des Hüllrohres als Gradient der eingestrahlten Leistung auf dem Substrat merkbar, der in vielen Prozessen nicht tolerierbar ist.
- Aufgrund der engen Bauräume und Abmessungen, die benötigt werden, um homogene Strahlungsquelle und Strahlungsfelder höherer Flächenleistung zu erhalten, befindet sich im Hüllrohr nur ein enger Spalt zwischen Wand und Strahler. Dadurch ist die Wandtemperatur des Strahlers erheblich höher als die eines Strahlers, der sich direkt im Vakuum befindet oder die eines Strahlers, der über Konvektion gekühlt wird.
- Wird Wasser als Kühlmittel eingesetzt, so kann zwar das Problem des Temperaturgradienten im Hüllrohr vermieden werden. Die Verwendung von Wasser kann aber nur in einem separaten Rohr erfolgen, da die elektrischen Zuleitungen nicht im Wasser liegend ausgeführt werden sollten. Dabei absorbiert Wasser, welches meist im Spalt zwischen Strahler und Hüllrohr oder an einer vergleichbaren Position angeordnet ist, minimal etwa 50% der gesamten Strahlerleistung. Zudem kann Wasser nur in solchen Fällen eingesetzt werden, wo die Wandtemperatur des Hüllrohres niedrig sein darf und wo die zusätzliche Heizung des Hüllrohres nicht für den Prozess benötigt wird.
- Die
DE 10 2004 002 357 A1 beschreibt ebenfalls eine aktive Kühlung, welche jedoch technisch sehr aufwendig ist. - Eine symmetrisch angeordnete Luftführung (bei der z. B. über ein zusätzliches Rohr Luft mittig in das Hüllrohr geblasen wird, oder gar an vielen Positionen über die Hüllrohrlänge) kann nur eine geringe Luftmenge bewegen und somit nur eine geringfügige Kühlung erreichen – außer es wird energetisch sehr aufwändige Druckluft verwendet. Üblicherweise wird Luft über Ventilatoren kostengünstig eingeblasen, hierbei werden Vordrücke bis ca. 0,3 bar erreicht; mittels Kompressoren kann Luft mit einigen bar Überdruck eingeblasen werden, begrenzt ist die Luftmenge dann durch Effekte der Kompressibilität). Dennoch würden sich auch hier Inhomogenitäten nicht ausschließen lassen, außer es werden aufwändige und teure Vorrichtungen zur Ansteuerung der Kühlung verwendet.
- Auch die Montage und elektrische Kontaktierung von Infrarotstrahlern direkt in der Prozesskammer erscheint selten vorteilhaft. So muss man beispielsweise, um Spannungsüberschläge oder Entladung in der Kammer zu vermeiden, insbesondere bei Anwesenheit einer Ionenquelle eines Plasmas oder im Druckbereich der Größenordnung von 10 Pascal bis etwa 10.000 Pascal, die Spannung geringer als 80 Volt halten. Zwar sind die aus den Paschenkurven der Prozessgase ablesbaren maximal möglichen Spannungen etwas höher, als diese 80 V, Erfahrung zeigt jedoch, dass erst unterhalb dieser Grenze wirklich Überschläge vermieden werden. Eine derart geringe Betriebsspannung limitiert die mögliche elektrische Leistung der Infrarotstrahler erheblich, da bauartbedingt auch der je Strahler mögliche Strom limitiert ist. Es werden somit viele Strahler geringer Leistung benötigt, die dann bei unüblichen Betriebsspannungen betrieben werden müssen. Dies bedeutet, dass u. A. für die Erzeugung der Spannung ein teurer und schwerer Transformator benötigt wird.
- Bei der Verwendung von Infrarotstrahlern in korrosiver Atmosphäre können die elektrischen Zuleitungen angegriffen werden, insbesondere die Molybdänfolie, die sich in der Quetschung befindet und äußerst empfindlich ist. Hier kann ein Einsatz ganz unmöglich sein.
- Weiter ist es notwendig für die Unterbringung der Strahlerenden und der elektrischen Leitungen zusätzlichen, nicht unerheblichen Platz in der Vakuumkammer vorzusehen, der meist begrenzt oder teuer ist, wenn die gesamten Strahler mit Zuleitungen in der Vakuumkammer untergebracht werden sollen.
- Die einfache Durchführung der Strahler durch die Wand und direkte Abdichtung der Strahler erfordert eine sehr starke Kühlung der Dichtung, da die Dichtung aufgrund der hohen im Strah lerrohr befindlichen Strahlungsleistungen einer extremen thermischen Belastung ausgesetzt sind. In Quarzrohren wird eine erhebliche Strahlungsleistung in axialer Richtung transportiert, die das Rohr, ähnlich wie in einer optischen Faser.
- Die Anbringung von Flanschen direkt am Strahlerrohr ist daher extrem aufwendig. Solche Flansche müssen zudem in Richtung der Strahlerachse gegen die Kammerwand beweglich gelagert werden, um geringfügige thermische Ausdehnungen nicht in eine für das Strahlerrohr zerstörerische Zugspannung umzusetzen: Da die thermische Ausdehnung des Quarzglases etwa eine Größenordnung niedriger ist, als die der metallischen Kammerwand, können bereits geringe Variationen der Temperatur der Kammerwand zu für Quarzglas zerstörerischer Zugbelastung führen.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung von Infrarotstrahlern in Prozesskammern oder Vakuumkammern bereitzustellen, bei welcher die oben genannten Nachteile vermieden werden und eine konstruktiv einfache Lösung bereitgestellt wird, die ebenfalls eine hohe Lebensdauer der Strahler ermöglicht.
- Diese Aufgabe wird bereits mit dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst.
- Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler umfasst zumindest ein Strahlerrohr, welches an seinen jeweiligen Enden Quetschungen aufweist, wobei mindestens ein opaker Rohrabschnitt in Flucht zu dem zumindest einem Strahlerrohr angeschweißt ist und sich zwischen Quetschung und Strahlerrohr befindet.
- Ein derartiger Infrarotstrahler ermöglicht, dass er ohne ein zusätzliches Hüllrohr direkt in einer Kammer für Vakuumprozesse mit reaktiven Atmosphären oder im Vakuum direkt eingebaut werden kann.
- Vorteilhafterweise weist der erfindungsgemäße Infrarotstrahler opake Rohrabschnitte vor den Quetschungen auf, die zugleich als Vakuumdurchführung dienen, gegen die abgedichtet wird. Die opaken Rohrabschnitte vermindern die im Rohr befindliche Strahlungsleistung zu den Enden (zu den Quetschungen) hin, so dass sich die Dichtungen nicht überhitzen können. So kann bei einem nur einseitig in die Vakuumkammer geführten Strahler (Zwillingsrohr, einseitiger An schluss) auch nur einseitig ein solcher opaker Rohrabschnitt eingesetzt werden, während bei Strahlern mit beidseitigem elektrischen Anschluss auch beidseitig Vakuumdurchführungen benötigt werden.
- In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform sieht die Erfindung vor, dass die opaken Rohrabschnitte außen rund sind.
- Vorteilhafterweise weisen die opaken Rohrabschnitte innen zumindest eine Bohrung auf.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform sieht die Erfindung vor, dass zwischen den opaken Rohrabschnitten und dem Strahlerrohr eine Scheibe angeordnet ist. Vorteilhafterweise enthält die Scheibe Quarzglas.
- Für eine besonders leichte Montage von beidseitig gedichteten Strahlern kann zusätzlich der Durchmesser der beiden Dichtflächen unterschiedlich ausgeführt werden. Bei Montage gleitet die erste Dichtfläche noch leicht durch den für die zweite Dichtung vorgesehenen Flansch, da sie einen etwas geringeren Durchmesser aufweist.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert.
- Es zeigt:
-
1 einen erfindungsgemäßen Rundrohrstrahler; -
2 die Dichtung eines erfindungsgemäßen Rundrohrstrahlers; -
3a ,3b ,3c ,3d verschiedene Varianten des erfindungsgemäßen Rundrohrstrahlers. -
1 zeigt einen Rundrohrstrahler für den Einsatz einer Vakuumkammer bestehend aus einem zentralen Strahlerrohr10 , welcher aus transparentem Quarzglas gefertigt ist. Der Rundrohrstrahler weist einen Durchmesser von 1,5 × 14 mm auf und ist in seiner Länge etwa 2 bis 5 cm kürzer, als die freie Breite der Vakuumkammer in die er eingebaut wird. - An den beiden Enden des zentralen Strahlerrohrs
10 befindet sich jeweils ein opaker Rohrabschnitt12 , der beispielsweise mittels einer Glasdrehbank stirnseitig fluchtend angesetzt werden kann. Die Abmessungen des opaken Rohrabschnittes12 betragen in diesem Fall 3 × 16 mm. Die Länge der Abschnitte ergibt sich aus dem zu überbrückenden Abschnitt in der Kammer von 10 mm bis 25 mm und der Dicke der Kammerwand inklusive der Dichtung von typisch ca. 50 mm für eine einfache Kammerwand ohne thermische Schilde oder Isolierung. So dass eine typische Länge von 60 mm bis 100 mm auftritt. Ferner umfasst der Rundrohrstrahler zwei transparente Rohrabschnitte14 , die ebenfalls mittels einer Glasdrehbank axial fluchtend außen an die opaken Rohrabschnitte12 angesetzt sind. Die transparenten Rohrabschnitte14 weisen einen Durchmesser von 1,5 × 14 mm auf, wobei sich ihre Länge aus fertigungstechnischen Parametern ergibt. In diese Rohrabschnitte14 wird die Quetschung eingebracht und je nach Quetschverfahren werden zusätzliche nach dem Quetschen abzutrennende Abmessungen außerhalb der Quetschung (hier nicht dargestellt) benötigt. - Der so aufgebaute Rundrohrstrahler weist ebenfalls eine Wendel
16 innerhalb des Strahlerrohrs auf. Die Wendel16 ist mit langen Stäben18 an eine Molybdän-Folie20 kontaktiert, die später eingequetscht der Durchführung des elektrischen Stromes dient. Auf die Stäbe18 sind zusätzliche Stützringe22 aufgebracht, die den Stab18 in den Rohren10 und14 abstützen. Je nach Bedarf kann an die außenstehenden Stäbe24 nach dem Quetschen eine Litze26 für die Stromzuführung angeschlagen werden. - Ein derartig gefertigter Strahler
1 kann dann parallel zu weiteren Strahlern1 beispielsweise in einer Vakuumkammer montiert werden. Dabei erfolgt die Montage derart, dass die Strahler1 quer zur Richtung in der das Substrat transportiert wird, angebracht werden. Die Dichtung der Strahler erfolgt entweder beidseitig mit O-Ringen oder einseitig mittels eines O-Rings und auf der anderen Seite mit einer gleitenden Stopfbuchse. Beidseitig befindet sich in dem Pressring ein Wulst, der den Strahler an einem Ausgleiten aus seiner Dichtposition hindert und ihn somit in der Vakuumkammer fixiert. Je nach Ausführung kann somit ein Strahlerabstand von 40 mm oder sogar bis zu 30 mm in einer Vakuumkammer erreicht werden. Dadurch kann eine höhere Anzahl Strahler innerhalb der Vakuumkammer auf einfache Weise angebracht werden. -
2 zeigt schematisch die Anbringung derartiger Strahler mit der Dichtung. - Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass an einem Zwillingsrohr mit einem Durchmesser von 33 × 14 mm und einer Länge, die sich aus der Querabmessung der Vakuumkammer ergibt, einseitig ein opaker Rohrabschnitt
12 mit einem Durchmesser von 5 × 40 mm, fluchtend mittels einer Glasdrehbank angesetzt wird. Der Übergang vom opaken Rohrabschnitt12 auf das Zwillingsrohr kann entweder frei geformt werden, oder in einer vorteilhaften Ausgestaltungsform zuvor auf das Zwillingsrohr eine plane Scheibe aus Quarzglas aufgesetzt werden, die für den Übergang vom Zwillingsrohr auf das opake runde Rohr dient und entsprechend geformt ist. In der Flucht dieses Rohres wird an das andere Ende des opaken Rohrabschnitts12 ein weiteres Stück Zwillingsrohr10 mit einem Durchmesser von 33 × 14 mm angesetzt. Aus einem derartigen Strahlerrohr wird ein Strahler mit einseitigem Anschluss gefertigt. Ein derartig gefertigter Strahler kann in einer Vakuumkammer montiert werden, wobei die Abdichtung am opaken Rohrabschnitt12 mittels eines O-Ringes erfolgt und der Strahler1 an der entgegengesetzten Seite der Kammer beispielsweise mittels einer einfachen Gabelklemme mechanisch fixiert wird. Der Abstand der Strahlerachsen beträgt dabei minimal ca. 60 mm, wenn sich alle Dichtungen auf einer Kammerseite befinden. Es ist jedoch vorstellbar, dass die Strahler abwechselnd auf beiden Seiten in die Kammer eingeführt werden, wodurch sich der Achsenabstand der Strahler1 auf ca. 35 mm reduzieren lässt. - Die
3a bis3d zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele der speziellen Dichtflächen, wobei immer nur eine Rohrseite dargestellt ist. Zur Vereinfachung der Figur wurde auf Wendeln, Stäbe, Molybdänfolien etc., verzichtet. -
3a zeigt einen Rundrohrstrahler1 , wie bereits in1 dargestellt und näher erläutert. Ein Strahlerrohr40 besitzt beidseitig im fertigen Zustand Quetschungen41 sowie keramische Sockel42 und Litzen43 . In der Nähe der Quetschungen41 sind als zukünftige Dichtflächen opake Rohrabschnitte45 mittels einer Glasdrehbank parallel zu den Rohren eingeschweißt worden. Zur Veranschaulichung ist der Querschnitt des opaken Rohrabschnitts44 auf dem Strahlerrohr40 dargestellt. -
3b zeigt einen Zwillingsrohrstrahler, wie bereits oben erläutert. Ein Strahlerrohr50 besitzt beidseitig im fertigen Zustand Quetschungen51 , keramische Sockel52 und Litzen53 . In der Nähe der Quetschungen51 sind als zukünftige Dichtflächen opake Rohrabschnitte mittels einer Glasdrehbank parallel zu den Rohren54 eingeschweißt. Dabei wird entweder für den Übergang vom Zwillingsrohr32 zum opaken Rohrabschnitt54 beidseitig eine beispielsweise lasergeschnittene Scheibe aus Quarzglas als Übergangsstück verwendet oder das opake Rohr54 wird mittels einer starken Flamme direkt auf das Zwillingsrohr32 hin umgeformt. Auch hier ist der Querschnitt des opaken Rohrabschnitts54 auf dem Zwillingsrohr32 aufgesetzt dargestellt. -
3c zeigt einen Zwillingsrohrstrahler mit einem angepassten opaken Rohrabschnitt. Das Strahlerrohr50 besitzt beidseitig Quetschungen51 , keramische Sockel52 und ebenfalls Litzen53 . In der Nähe der Quetschungen51 sind als zukünftige Dichtflächen opake Rohrabschnitte mittels einer Glasdrehbank parallel zu den Rohren54 eingeschweißt. Diese Rohrabschnitte sind außen rund für eine optimale Abdichtung der Vakuumkammer und innen weisen sie zwei Bohrungen auf, die ähnlich den Abmessungen der beiden Kanäle des Zwillingsrohres sind. Ein solches opakes Rohrstück kann einfach gegossen und gesintert werden, so dass nur noch die äußeren Flächen geschliffen werden müssen. Somit kann das opake Rohrstück ohne aufwendige glasbläserische Umformung oder ohne Zwischenscheiben direkt an das Zwillingsrohr55 angesetzt werden. Der Querschnitt des opaken Rohrabschnitts12 ist auf dem Zwillingsrohr55 dargestellt. -
3d zeigt einen Zwillingsrohrstrahler mit einem Zwillingsrohr60 , und einem außen aufgesetzten opaken Rohrabschnitt. Das Strahlerrohr60 besitzt beidseitig im fertigen Zustand Quetschungen61 , keramische Sockel62 sowie Litzen63 . Als zukünftige Dichtflächen sind nahe der Position der Quetschungen61 opake Rohrabschnitte mittels einer Glasdrehbank parallel zu den Rohren64 eingeschweißt. Diese Rohrabschnitte werden nun an einer Position ringförmig mit dem Zwillingsrohrstrahler verbunden. Bevorzugt wird hier eine lasergeschnittene Scheibe in passenden Abmessungen aus Quarzglas verwendet. Dadurch muss nur an einer Position ein Rohrabschnitt eingesetzt werden, was eine gewisse Einsparung in der Herstellung bietet und dazu führt, dass jedoch der Durchmesser des opaken Rohrabschnitts etwas größer wird. Dies führt dazu, dass die Strahlerabstände innerhalb der Vakuumkammer ebenfalls größer werden. - Die offenbarten Varianten lassen besonders einfach und elegant die Aufbringung eines zusätzlichen Reflektors aus opakem Quarzglas, wie er in der
DE 10 2004 051 846 beschrieben wird, zu. Ein solcher Reflektor ist besonders gut für das Vakuum geeignet, hat jedeoch typische Dicken von 0,5 mm bis 1,5 mm. Dadurch kann ein beschichteter Strahler meist nicht mehr gegen das Strahlerrohr abgedichtet werden, da er nicht mehr durch die für die Aufnahme des Strahlerrohres vorgesehene Bohrung in der Vakuumkammer passt. Wie in den3a bis3d dargestellt, sollte das Dichtstück (34 ,44 ,54 ,64 ) einen etwas größeren Durchmesser, als das Strahlerrohr aufweisen. Dieser Durchmesser kann leicht der Notwendigkeit einer aufgebrachten Beschichtung entsprechend angepasst werden, so dass das Strahlerrohr mit Beschichtung in jedem Falle noch einen geringeren Durchmesser aufweist, als das Dichtstück und so in jedem Falle leicht montiert und ausgetauscht werden kann. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1228668 B1 [0005]
- - DE 102004002357 A1 [0009]
- - DE 102004051846 [0042]
Claims (10)
- Infrarotstrahler, umfassend zumindest ein Strahlerrohr, welches an seinen jeweiligen Enden Quetschungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein opaker Rohrabschnitt in Flucht zu dem zumindest einen Strahlerrohr angeschweißt angeordnet ist.
- Infrarotstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei opake Rohrabschnitte nahe den jeweiligen Quetschungen angeordnet sind.
- Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die opake(n) Rohrabschnitt(e) zwischen Quetschung und Strahlerrohr angeordnet ist/sind.
- Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die opaken Rohrabschnitte außen rund sind.
- Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die opaken Rohrabschnitte innen zumindest eine Bohrung aufweisen.
- Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den opaken Rohrabschnitten und dem Strahlerrohr eine Scheibe (ein Übergangselement aus Quarzglas, das in Scheibenform ausgeführt sein kann) angeordnet ist.
- Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe Quarzglas enthält.
- Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotstrahler zum Einbau in Prozesskammern geeignet ist.
- Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer gasdicht und/oder vakuumdicht gegenüber der Umgebung ausgebildet ist.
- Verwendung eines Infrarotstrahlers nach Anspruch 1 bis Anspruch 9 zum Einbau in einer Prozesskammer.
Priority Applications (7)
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