Die Erfindung geht aus von einer
Heizanordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind bereits
Heizanordnungen für
Substrate bekannt, die eine Widerstandsheizeinrichtung aufweisen.
Zur berührungslosen
Strahlungsheizung von einkristallinen Substraten, insbesondere Saphir-Substraten,
auf Temperaturen von 900° C
bei Sauerstoff-Partialdrücken
von 0 bar bis 1 bar werden verschiedene Heizungsmöglichkeiten
der Substrate gemäß dem Stand der
Technik verwendet. Beispielsweise ist es bekannt, eine Kontaktheizung
der Substrate vorzusehen. Eine solche Kontaktheizung ist beispielsweise aus
dem US-Patent Nr. 5,329,097 bekannt. Zur Durchsetzung neuer Technologien,
wie z. B. der Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) in der Mikrowellenkommunikationstechnik,
ist die beidseitige Abscheidung von dünnen HTSL-Schichten auf großflächigen Einkristall-Wafern,
insbesondere Einkristall-Saphirwafern,
erforderlich. Dazu muss bei allen dazu verwendeten physikalischen
Abscheideverfahren wie Laserplasmaabscheidung, Sputtern oder thermischer
Verdampfung der Saphirwafer auf Temperaturen von 900° C bei Sauerstoff-Partialdrücken von
0 bar bis 1 bar aufgeheizt werden. Eine Kontaktheizung kann im Falle
der beidseitigen Abscheidung nicht verwendet werden, da diese eine
Kontaminierung der Substratoberflächen bewirken würde. Saphirwafer
sind im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich bis zur
Absorptionskante bei ca. 6,5 um optischer Wellenlänge transparent,
was die Aufheizung mit herkömmlichen
Heizelementen erschwert, insbesondere, wenn die herkömmlichen Heizelemente
auf einer Strahlungsheizung beruhen.
Bei der berührungslosen Aufheizung von Substraten
zur beidseitigen Beschichtung mit kristallinen dünnen Filmen sind bereits Lösungen bekannt, vgl.
insbesondere die amerikanische Veröffentlichung
US 5,439,877 und die japanische Veröffentlichung
JP 8335583 . Diese sind jedoch
nicht speziell zur Aufheizung von Saphirsubstraten geeignet bzw: weisen
andere Nachteile wie eine niedrige Abscheiderate des wachsenden
dünnen
Films auf. Eine solche niedrige Abscheiderate des wachsenden dünnen Films
kann beispielsweise durch eine kleine freie Öffnung zur Beschichtung des
allseitig beheizten Substrates hervorgerufen werden, vgl. die amerikanische Patentschrift
US 5,554,224 . Als Heizelemente
dieser Lösungen
werden Hochleistungslampen oder konventionelle Widerstandsheizer
eingesetzt. Bei reinen Strahlungsheizern mit größeren Beschichtungsöffnungen,
die bei der effektiven Beschichtung auf beide Seiten eines Saphirwafers
eingesetzt werden müssen,
um die der Beschichtung abgewandte Substratseite bei der Beschichtung
der anderen Seite möglichst
gering zu verunreinigen, ist wegen der optischen Transparenz der
beidseitig polierten Saphirwafer eine direkte Aufheizung mit Lampen
oder Widerstandsheizdraht aus Metall bzw. Metalllegierungen nur
mit Schwierigkeiten möglich,
da der größte Teil
der vom Heizdraht emittierten Strahlung durch den Saphirwafer hindurchtritt
und nicht durch Absorption zu einer Aufheizung des Wafers führt. Es sind
daher unverhältnismäßig hohe
und praktisch schwer realisierbare Strahlungsintensitäten notwendig,
um die Saphirwafer nur mit Widerstandsheizdraht auf eine ausreichend
hohe Abscheidetemperatur aufzuheizen.
Die erfindungsgemäße Heizanordnung mit den Merkmalen
des Hauptanspruch hat demgegenüber
den Vorteil, dass die oben geschilderten Nachteile ausgeglichen
werden, indem durch eine geeignete, zusätzliche Absorber-Emitter-Kombination
eine Anpassung der Wellenlänge
des Strahlungsheizers an das Absorptionsvermögen des Saphirwafers erreicht
wird. Ursache der Nachteile der bekannten Lösungen ist die bisher nicht
erfolgte Anpassung der optischen Emissionswellenlängen des
Heizerelementes an die Absorptionswellenlängen des Saphirwafers. Es wird
damit gemäß der vorliegenden
Erfindung eine effiziente berührungslose
Aufheizung von Substraten, insbesondere von Saphirsubstraten oder auch
von Wafern aus anderen Materialien bereitgestellt, wobei eine Aufheizung
auf Temperaturen um ca. 900° C
bei Sauerstoff-Partialdrücken
von 0 bar bis 1 bar gewährleistet
wird. Als Substratmaterial kommt insbesondere Saphir oder andere
Materialien infrage, die ähnliche
optische Absorptionseigenschaften wie Saphir aufweisen. Die erfindungsgemäße Heizanordnung
ist in der Lage, auch bei größeren Substratflächen von
beispielsweise 3 bis 8 Zoll Durchmesser eine ausreichend gute Homogenität der Substrattemperatur
von wenigen Kelvin über
die gesamte Fläche
zu gewährleisten.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Lösung für den Einsatz
im Hochvakuum in physikalischen Beschichtungsanlagen geeignet. Hierdurch
ist es möglich,
eine praktikabel durchführbare,
beidseitige Beschichtung von Einkristall-Wafern, insbesondere aus
Saphirmaterial (Al2O3) oder ähnlichen
optisch transparenten Materialien mit dünnen kristallinen Metalloxidfilmen
wie z. B. HTSL-Filmen, bei hohen Substrattemperaturen zu ermöglichen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Heizanordnung möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass der Sekundärheizer die Widerstandsheizeinrichtung
in der Ebene senkrecht zu einer Ausdehnungsrichtung der Widerstandsheizeinrichtung
vollständig
umgibt. Dadurch ist es möglich, den
gesamten Energiefluss, ausgehend von der Widerstandsheizeinrichtung,
für die
Aufheizung des Sekundärheizers
zu verwenden und so eine effektive Heizanordnung für die Aufheizung
eines Substrats bereitzustellen. Weiterhin ist es von Vorteil, dass
die Widerstandsheizeinrichtung als Draht vorgesehen ist. Dadurch
ist es mit besonders einfachen Mitteln möglich, eine Heizanordnung der
erfindungsgemäßen Art
vorzusehen. Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Sekundärheizer
als Rohr vorgesehen ist. Dadurch ist es besonders einfach und kostengünstig möglich, die
erfindungsgemäße Heizanordnung
vorzusehen. Weiterhin ist es von Vorteil, dass eine Anpassung der
Wellenlänge
des Sekundärheizers
an das Absorptionsvermögen
des Substrats vorgesehen ist. Dadurch wird der Sekundärheizer
an das Substrat angepasst. Weiterhin ist von Vorteil, dass das Material
des Substrats und das Material des Sekundärheizers ähnlich oder gleich ist. Dadurch
ist es vorteilhaft möglich,
eine besonders gute Anpassung der Wellenlängen vorzusehen. Weiterhin
ist es von Vorteil, dass das Substrat Saphirmaterial umfasst und
dass der Sekundärheizer
Al2O3-Material umfasst.
Dadurch ist eine besonders gute Anpassung zwischen den emittierten
Wellenlängen
des Sekundärheizers
an das Absorptionsvermögen
des Substrats gewährleistet.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass auf der der Widerstandsheizeinrichtung
zugewandten Seite des Sekundärheizers
eine Absorberschicht vorgesehen ist. Dadurch ist eine effektive
Energieübertragung, ausgehend
von der Widerstandsheizeinrichtung, zu dem Sekundärheizer
möglich.
In 1 ist
in einer Schnittdarstellung die erfindungsgemäße Heizanordnung und ein durch
die erfindungsgemäße Heizanordnung
zu heizendes Substrat dargestellt. Das Substrat ist in 1 mit dem Bezugszeichen 6 versehen.
Weiterhin ist in 1 die
erfindungsgemäße Heizanordnung
mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet, wobei die Heizanordnung 10 im
Beispiel der 1 vier Heizelemente umfasst,
die jeweils mit dem Bezugszeichen 11 versehen sind. Jedes
dieser Heizelemente 11 umfasst einen Heizdraht, der im
Folgenden auch als Widerstandsheizeinrichtung bezeichnet ist und
in 1 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet
ist. Um die Widerstandsheizeinrichtung 1 bzw. den Heizdraht 1 herum ist
in der Schnittdarstellung der 1 ein
mit dem Bezugszeichen 7 bezeichneter Sekundärheizer
dargestellt. Der Sekundärheizer 7 umfasst
hierbei eine mit dem Bezugszeichen 3 versehene Absorberschicht
und einen sekundären
Emitter, der mit dem Bezugszeichen 4 versehen ist. Zwischen
der Widerstandsheizeinrichtung 1 und dem Sekundärheizer 7 ist
ein Zwischenraum vorgesehen, der in 1 mit dem
Bezugszeichen 20 bezeichnet ist. In dem Zwischenraum 20 ist
ein Strahlungsfeld vorgesehen, welches, ausgehend von der Widerstandsheizeinrichtung 1,
Strahlungsenergie in Form von kurzwelliger, vorwiegend sichtbarer
Strahlung auf den Sekundärheizer 7 überträgt. Die
kurzwellige Strahlung ist in 1 mit
dem Bezugszeichen 2 und entsprechenden kurzen Pfeilen,
ausgehend von der Widerstandheizeinrichtung 1 hin zum Sekundärheizer 7,
dargestellt. Durch die mit dein Bezugszeichen 2 bezeichnete
Strahlung wird der Sekundärheizer 7 aufgeheizt und
ist in der Lage, seinerseits mittels einer in 1 mit dem Bezugszeichen 5 und
weiteren, längeren Pfeilen
dargestellten Strahlung zu emittieren, die auf das Substrat 6 hin
gerichtet ist und dieses aufheizt. Die mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnete
Strahlung ist erfindungsgemäß insbesondere
langwelliger vorgesehen und umfasst große Anteile an Infrarotstrahlung.
Mit der erfindungsgemäßen Heizanordnung 10 ist
es damit möglich,
für Substrate 6,
insbesondere für
Saphirsubstrate 6, welche die chemische Struktur Al2O3 aufweisen, oder
auch für
andere Materialien mit ähnlichen
optischen Absorptionseigenschaften, Anlagen zum Aufbringen dünner Schichten
zur Beschichtung von Substraten zu verwenden, wobei zum einen ein
elektrischer Strom in die Widerstandsheizeinrichtung 1,
insbesondere in Form eines Widerstandsheizdrahtes 1, eingespeist
wird, wobei dieser Heizdraht durch den Stromfluss Strahlung mit
einer maximalen Intensität
im sichtbaren und im nahen infraroten Spektralbereich emittiert,
wobei weiterhin die vom Heizdraht 1 bzw. der Widerstandsheizeinrichtung 1 emittierte
Strahlung, die in 1 mit
dem Bezugszeichen 2 versehen ist, von einem den Heizdraht 1 wie
in der Zeichenebene der 1 dargestellt
allseitig umschließenden
und räumlich
unmittelbar benachbarten geeigneten Absorber bzw. eine Absorberschicht
absorbiert bzw. aufgenommen wird, wobei die Absorberschicht in 1 mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet
ist, wobei weiterhin die von dem Absorber bzw. der Absorberschicht 3 aufgenommene Strahlungsenergie
von einem innig mit der Absorberschicht 3 verbundenen sekundären Emitter 4 aufgenommen
wird und mit einem erhöhten
Anteil von langwelligerer Strahlung im mittleren Infrarot entsprechend
der Materialauswahl des sekundären
Emitters 4 wieder abgegeben wird und wobei weiterhin diese langwelligere
Strahlung, die in 1 mit
dem Bezugszeichen 5 versehen ist, von in geringem Abstand vor
dem Heizelement 11 bzw. der Heizanordnung 10 befindlichen
Einkristall-Wafern 6 bzw. Substraten 6, insbesondere
aus Saphir oder einem ähnlichen
Material, absorbiert wird und wobei sich das Substrat 6 dadurch
auf die zum Aufwachsen von kristallinen dünnen Metalloxidschichten notwendige
Substrattemperatur erwärmt.
Da Saphir im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich transparent
ist, was bedeutet, dass kaum Absorption stattfindet, ist nur mit
Hilfe dieser geeigneten Absorber-Emitter-Kombination ein effektives
Aufheizen des Saphirsubstrates auf Temperaturen bis zu ca. 900° C möglich. Erfindungsgemäß ist es
insbesondere vorgesehen, das Außenmaterial
des Sekundärheizers 7 bzw.
das Material des sekundären
Emitters 4 derart zu wählen, dass
eine Anpassung der Wellenlängen
des emittierten Lichtes des Sekundärheizers 7 an das
Absorptionsvermögen
des Substrats 6 vorgesehen ist. Bei der erfindungsgemäßen Heizanordnung 10 wird
der in der 1 senkrecht
zur Zeichenenbene verlaufende Widerstandsheizdraht 1 z.
B. aus der Heizdrahtlegierung Kanthal A von Al2O3-Keramikröhrchen umschlossen, deren Innenflächen mit
einer Metallschicht bedeckt sind. Hierbei bilden die Al2O3-Keramikröhrchen den
sekundären
Emitter 4 und die metallisierten Innenflächen bilden
die Absorberschicht 3. Die Absorberschicht 3 ist
erfindungsgemäß insbesondere
ebenfalls als Heizdrahtlegierung, beispielsweise Kanthal A, vorgesehen.
Die metallisierten Innenflächen
des Absorbers 3 wirken als effektiver Absorber der vom
Heizdraht 1 aus gesendeten und mit dem Bezugszeichen 2 bezeichneten
Strahlung und regen durch die innige Verbindung zum Keramikröhrchen 4 die
Al2O3-Keramikröhrchen 4 zur
sekundären Strahlungsemission
an. Wegen der Übereinstimmung
des Keramikrohrmaterials Al2O3 mit
dem des Saphirwafers ß,
welches chemisch ebenfalls als Al2O3 vorliegt, ist eine optimale Anpassung der
spektralen Wellenlängenverteilungen
des Sekundäremitters 11 bzw.
des Sekundärheizers 7 an
das spektrale Absorptionsvermögen
des aufzuheizenden Saphirwafers 6 gegeben, wodurch eine
effektive Aufheizung des Saphirwafers 6 mit praktisch gut
realisierbaren elektrischen Leistungen und Strahlungsleistungen
möglich
wird. Zweckmäßigerweise
kann durch die Ähnlichkeit
des Heizdrahtmaterials des Heizdrahtes 1 bzw. der Widerstandsheizeinrichtung 3 mit
dem Material der Innenrohrbeschichtung 3, d. h. des Absorbers 3,
in den Keramikröhrchen 4 erreicht werden,
dass eine besonders effektive Absorption der primären Heizdrahtstrahlung,
welche mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist, erreicht
werden, was durch Bedampfen der Innenflächen des Keramikröhrchens 4 durch
Vakuumglühen
eines gleichartigen, bisher unbenutzten Kanthalheizdrahtes im Rohr auf
einfache Weise realisiert werden kann. Ohne die Verwendung dieser
primären
Absorberschicht 3 ist die effektive Aufheizung der Saphirwafer
nur mit sehr hohem Aufwand möglich.