EP3262672B1

EP3262672B1 - Bestrahlungsvorrichtung mit einem einseitig gesockelten infrarotstrahler, zur einkopplung von infrarot-strahlung in eine vakuum-prozesskammer

Info

Publication number: EP3262672B1
Application number: EP15823162.1A
Authority: EP
Inventors: Siegfried Grob; Martin Klinecky; Thomas Piela; Sven Linow; Thomas Meyer
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2035-12-23
Also published as: CN107210186A; WO2016134808A1; JP2018508100A; US20180054856A1; EP3262672A1; CN107210186B; DE102015102665A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bestrahlungsvorrichtung zur Einkopplung von Infrarot-Strahlung in eine Vakuum-Prozesskammer, mit einem einseitig gesockelten Infrarotstrahler, der ein Strahlerhüllrohr in Form eines Rundrohres aus Glas umfasst, von dem ein geschlossenes Ende in die Vakuum-Prozesskammer hineinragt, und mit einer Vakuumdurchführung zur Halterung und gasdichten Durchführung des Strahlerhüllrohres durch eine Öffnung der Vakuum-Prozesskammer, wobei in dem Strahlerhüllrohr ein als ein Heizfilament ausgebildeter Heizleiter und ein als Stromrückführung ausgebildeter Rückleiter angeordnet sind, wobei der Heizleiter in dem von der Vakuumdurchführung umgebenen Teilabschnitt des Strahlerhüllrohres ein Anschlusselement aufweist, das aus dem Strahlerhüllrohr herausgeführt ist.

Stand der Technik

Lampen und Infrarotstrahler (kurz "IR-Strahler") mit einem Heizleiter (im Folgenden auch als Heizfilament bezeichnet) aus einem leitfähigen Material mit hoher Schmelztemperatur sind bekannt. Solche Heizfilamente haben die Form von geraden Drähten oder Blechen, oder die Form eines Mäanders, eines Bandes, einer Wendel oder einer Schleife. Zwischen den Enden des Heizfilaments wird eine Spannung angelegt, so dass ein Strom fließen kann und dabei Wärme erzeugt wird. Ein Infrarotstrahler weist daher zwei elektrische Anschluss-elemente auf, von denen eines an das Heizfilament und das andere an die Stromrückführung angeschlossen ist. Die Anschlusselemente werden über Abdichtungen, auch Stromdurchführungen genannt, aus dem Strahlerhüllrohr herausgeführt.
Das Betreiben von Infrarotstrahlern im Vakuum oder in Vakuumprozessen mit reaktiven Atmosphären, bei denen in kurzer Zeit eine erhebliche Wärmemenge in ein zu bearbeitendes Substrat eingebracht werden soll, stellt eine besondere Herausforderung an die verwendeten Bauteile und Materialien dar.
Bei Infrarotstrahlern für hohe Leistung, bei denen das Strahlerrohr einer hohen thermischen Leistung des Heizfilaments ausgesetzt ist und die bei hoher Temperatur oder chemisch aggressiver Umgebung einsetzbar sind, besteht das Strahlerrohr typischerweise aus einem hochkieselsäurehaltigen Glas, wie etwa Quarzglas, das sich durch einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und sehr hoher Temperaturbeständigkeit auszeichnet. Es ergibt sich daher das Problem für die Heizfilamente und deren Anschlüsse passende, elektrisch gut leitfähigen Werkstoffe zu finden, die zugleich eine Schmelztemperatur von über 2000 °C und einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten über den Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zur Bearbeitungstemperatur von Quarzglas besitzen. Gasdichte Stromdurchführung umfassen eine so genannte "Quetschung", bei der eine dünne Molybdänfolie als leitendes elektrisches Kontakt- und Zwischenelement zwischen innerem und äußerem Anschlusselementen, meist in Form von Stiften, in das zusammengequetschte Ende des Quarzglas-Strahlerrohres eingeschmolzen wird. In Quarzglasrohren wird überdies eine erhebliche Strahlungsleistung in axialer Richtung transportiert, - ähnlich wie in einer optischen Faser -, so dass die Wärmedehnung des Heizleiters und der Stromrückführung im Verhältnis zur Wärmedehnung des Strahlerhüllrohres konstruktiv nicht vernachlässigt werden darf. Bei solchen Strahlern kommt es gerade im Bereich der Rohrenden zu einem Wärmestau, der besonders die Abdichtungen betrifft. Maßgeblich ist dabei die Leistung pro Stahlerlänge, so dass diese Problematik besonders bei langen und leistungsstarken Strahlern berücksichtigt werden muss.
Werden die Infrarotstrahler in der Kammerwand einer Vakuum-Prozesskammer montiert, so ist darüber hinaus zu beachten, dass es beim Übergang von Grobvakuum zu Feinvakuum in der Restatmosphäre und oberhalb einer Spannung von 80 Volt bei entsprechender Wärme zu Überschlägen zwischen den elektrischen Zuleitungen untereinander oder zur Kammerwand hin kommen kann.
Den vorgenannten Problemen kann zwar durch entsprechend geringe Betriebsleistung der Strahler begegnet werden, was aber kontraproduktiv im Sinne der für den jeweiligen Behandlungsprozess erforderlichen Heizleistung in der Bearbeitungskammer ist.
Die Halterung der Strahler in der Prozesskammerwand ist durch Anbringung von Flanschen am Strahlerrohr bzw. an der Prozesskammerwand möglich, die einen Teil einer Vakuumdurchführung bilden. Solche Flansche müssen jedoch in Richtung der Strahlerachse gegen die Prozesskammerwand 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 oder des Hüllrohres aus Quarzglas zu Problemen hinsichtlich einer druckfesten und thermisch stabilen Abdichtung oder Stromdurchführung führen. Die Anbringung von Vakuumdurchführungen für Strahlerrohre ist daher auch mit Risiken verbunden.
Aus DE 10 2008 063 677 A1 sind zweiseitig gesockelte IR-Strahler mit einem Strahlerrundrohr oder mit einem Zwillingsrohr für den Einsatz in einer Vakuum-Prozesskammer bekannt. Die Strahler werden beidseitig von Vakuumdurchführungen in der Kammerwand gehalten. In der Vakuumdurchführung befindet sich als Abdichtung ein O-Ring, der den Strahler in der Dichtposition fixiert. Der Strahler weist im Bereich der Vakuumdurchführung einen opaken Rohrabschnitt auf, der die vom IR-Strahler ausgehende Heizleistung in Richtung der Vakuumdurchführung und der außen liegenden Quetschungen reduziert. Die Herstellung eines solchen exakt positionierten, opaken Rohrabschnitts ist aufwendig. Es ist daher bevorzugt zusätzliche, opake Rohrabschnitte aus Quarzglas auf das Hüllrohr des IR-Strahlers aufzuschieben. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass ein zusätzliches Bauteil in Form des aufgeschobenen Rohrabschnitts erforderlich ist. Überdies wird durch den aufgeschobenen Rohrabschnitt der Gesamtquerschnitt des IR-Strahlers in Bereich der Dichtung vergrößert, so dass auch die Öffnung in der Vakuum-Prozesskammerwand entsprechend groß sein muss. Im Sinne einer raumsparenden Anordnung der IR-Strahler und eines möglichst geringen Risikos für ein Vakuumleck sind aber relativ große Öffnungen in der Kammerwand kontraproduktiv.
Ein einseitig gesockelter IR-Strahler in einer Vakuumdurchführung einer Prozesskammer ist auch in WO01/35699 A1 offenbart. Der IR-Strahler ist in einem einseitig geschlossenen Rundrohr aus Quarzglas angeordnet, wobei die Infrarot-Strahlungsquelle mit einer nicht näher offenbarten Energiequelle in der Vakuum-Prozesskammer verbindbar ist. Um eine hohe Strahlungsleistung zu gewährleisten, ist eine Kühlungseinrichtung mittels Luftkühlung innerhalb des Strahlerrohres vorgesehen. Die Kühlung wirkt auf das gesamte Strahlerhülllrohr und reduziert dabei auch die Hitze am nach außen offenen Strahler-Rohrende im Bereich der Vakuumdurchführung. Die Einrichtung einer entsprechenden Kühlung ist jedoch aufwendig, störanfällig und widerspricht eher der Anforderung einer möglichst effektiven Heizleistung in Bezug auf das Prozessgut in der Vakuum-Prozesskammer.

Technische Aufgabenstellung

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Bestrahlungsvorrichtung zur Einkopplung von Infrarot-Strahlung in Vakuum-Prozesskammern bereitzustellen, bei welcher die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und ein sicherer Betrieb, insbesondere von langen IR-Strahlern, auch bei hoher Heizleistung auf einfache Weise, ohne zusätzliche Bauteile oder Kühlung gewährleistet ist.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Infrarotstrahler mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Rückleiter in dem von der Vakuumdurchführung umgebenen Teilabschnitt des Strahlerhüllrohres ein Mittel zur Kompensation der Wärmedehnung aufweist.
Bei der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung wird ein sicherer Betrieb des in die Vakuum-Prozesskammer eingeführten, einseitig gesockelten IR-Strahlers durch mehrere, sich ergänzende Merkmale gewährleistet:
Im Bereich der Vakuumdurchführung wird die Wärmeübertragung auf die Vakuumdichtung reduziert indem das Anschlusselement des Heizleiters in diesem Teilabschnitt des Strahlerhüllrohres in einem wärmeisolierenden Rohrstück geführt wird. Ein derartiges, relativ kurzes Rohrstück kann im Fertigungsablauf ohne großen Aufwand auf das Anschlusselement aufgeschoben werden. Das Anschlusselement wird aus einem geraden Drahtstück gebildet, wobei ein Material für das Anschlusselement bevorzugt wird, das im Vergleich zum Heizleiter eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweist. Durch das auf das Anschlusselement des Heizleiters aufgeschobene Rohrstück kann die Temperatur im Bereich der Vakuumdurchführung während des Betriebs des IR-Strahlers im Vergleich zur Temperatur der eingestellten Nennleistung des Heizleiters reduziert werden. Zugleich verhindert das Rohrstück auch das Risiko, dass das Anschlusselement des Heizleiters in Kontakt mit dem Rückleiter kommt.
Weiterhin weist der Rückleiter in dem von der Vakuumdurchführung umgebenen Teilabschnitt des Strahlerhüllrohres ein Mittel zur Kompensation der Wärmedehnung auf, was verhindert, dass der Rückleiter sich durch seine thermische Ausdehnung verwindet und dabei in Kontakt mit dem Heizleiter kommt oder auf andere Weise Kurzschlüsse bildet, die neben der elektrischen Störfunktion auch zu lokal besonders starker Wärmeentwicklung führen. Darüber hinaus wird auf diese Weise eine zentrische Führung des Rückleiters auf engem Raum ermöglicht.
Durch die Kombination der vorgenannten Merkmale ergeben sich insgesamt ein sicherer Betrieb und eine hohe Lebensdauer der Bestrahlungsvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers auch bei hoher Leistung. Dies gilt und insbesondere beim Einsatz von langen Strahlern, bei denen die Wärmedehnung des Heizleiters und des Rückleiters sich besonders stark auswirken. Es ist mit einer Längenausdehnung von etwa 0,6 mm auf 100 mm Länge für den Heizleiter und den Rückleiter bei einer Temperatur von 1000 °C zu rechnen. Neben der Berücksichtigung der Wärmedehnung ist auch die Maßnahme zur Verringerung der Wärmeübertragung auf die Vakuumdurchführung durch Einsatz des Rohrstücks um das Anschlusselement des Heizleiters zu beachten. Hierdurch sind für die erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung zusätzliche Maßnahmen zur Kühlung des IR-Strahlers an seinen Enden nicht erforderlich. Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler ist darüber hinaus geeignet auch Vibrationen während des Betriebs standzuhalten, soweit sie im Bereich von 2 Hz bis 10 Hz eine Auslenkung von 0,7 mm vom gesamten Strahler nicht überschreiten. Außerdem kann eine Beschleunigung von 20 m/s² schadlos auf den Strahler einwirken.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Rohrstück, durch den der Heizleiter in dem von der Vakuumdurchführung umgebenen Teilabschnitt des Strahlerhüllrohres geführt ist, als ein Quarzglasrohr ausgebildet und das Anschlusselement des Heizleiters wird aus einem Draht aus Molybdän oder aus einer Molybdänverbindung gebildet.
Quarzglas ist durch seine wärmeisolierende Wirkung ein besonders geeignetes Material. Weiterhin hat Quarzglas eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit, so dass auch bei eventuell auftretenden Hitzestaus im Bereich der Vakuumdurchführung keine Verformung diese Rohrstücks eintritt. Grundsätzlich können alternativ zu Quarzglas auch Rohrstücke aus keramischen Hochtemperaturwerkstoffen in Frage kommen. Unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten wird jedoch eine geringe Materialvielfalt bevorzugt, so dass Quarzglas, das auch in der Regel für das Strahlerhüllrohr verwendet wird, für das fragliche Rohrstück auch das bevorzugte Material darstellt. Weiterhin besteht das Anschlusselement des Heizleiters aus einem Draht aus Molybdän oder aus einer Molybdänverbindung. Molybdän hat im Vergleich zu Wolfram, das üblicherweise als Material für das Heizfilament verwendet wird, eine geringere thermische Leitfähigkeit, so dass die Verwendung von Molybdän oder einer Molybdänlegierung als Material für das Anschlusselement des Heizleiters zu einer Reduzierung der Temperaturbelastung im Bereich der Vakuumdurchführung beiträgt.
Es hat sich bewährt, wenn das Mittel zur Kompensation der Wärmedehnung des Rückleiters als ein Federelement ausgebildet ist.
Das Federelement des Rückleiters in dem von der Vakuumdurchführung umgebenen Teilabschnitt des Strahlerhüllrohres ist in der Lage erhebliche Längenänderungen von einigen Zentimetern aufzunehmen, die gerade bei langen Strahlern und zahlreichen Schaltvorgängen während des Betriebs auftreten. Das Federelement trägt daher zum sicheren Betrieb des IR-Strahlers bei.
Dabei ist vorteilhafterweise das Federelement in Form einer Drahtwicklung ausgebildet ist, die um das Rohrstück des Anschlusselementes des Heizleiters herum gewickelt ist.
Auf diese Weise ist eine kompakte Bauform innerhalb des Teilabschnitt des Strahlerhüllrohres im Bereich um die Vakuumdurchführung möglich.
Soweit eine Drahtwicklung als Mittel zur Kompensation der Wärmedehnung des Rückleiters vorgesehen ist, ist es bevorzugt dieses (das Mittel zur Kompensation der Wärmedehnung) und den Rückleiter selbst einstückig als ein Draht aus Molybdän oder aus einer Molybdänverbindung auszubilden.
In diesem Fall weist der Rückleiter keine Schweißstellen auf, sondern besteht durchgängig als ein Draht aus Molybdän oder aus einer Molybdänlegierung, der zusätzlich auch als Anschlusselement für den Rückleiter dient und aus dem Strahlerhüllrohr herausgeführt ist. Mit dieser Ausführungsform werden Schweißvorgänge oder andere Verbindungsarten zum Verbinden von Teilabschnitten des Rückleiters vermieden, was auch das Risiko für Fehlstellen an den Verbindungen (Schweißstellen) verringert.
Alternativ zu dem Federelement ist das Mittel zur Kompensation der Wärmedehnung des Rückleiters als ein Gleitlager aus Kohlenstoff ausgebildet, das mindestens zwei elektrisch leitfähige Gleitlagerelemente aufweist, die aufeinander gleitend in Kontakt sind, wobei eines der Gleitlagerelemente als Gleitstab und das andere der Gleitlagerelemente als Gleitbuchse ausgeführt ist.
Das Gleitlager bildet ein elektrisch leitendes Bauteil, welches eine kraftlose Kompensation der Längenausdehnung des Rückleiters ermöglicht. Die Längenkompensation erfolgt dabei ohne Federwirkung allein durch einen stoffschlüssigen, leitfähigen, gleitenden Kontakt der Gleitelemente untereinander. Kohlenstoff, insbesondere Graphit, ist als Lagerwerkstoff besonders geeignet, da sein Abrieb selbstschmierend wirkt. Er verfügt darüber hinaus über eine gute elektrische Leitfähigkeit.
Für Fälle, bei denen sehr große Längenänderungen zu kompensieren sind, können auch mehrere Gleitlager vorgesehen sein. Es hat sich herausgestellt, dass ein solches Bauteil die Anforderungen bezüglich elektrischer Leitfähigkeit, thermischer Beständigkeit und mechanischer Langlebigkeit erfüllt und zur Verlängerung der Lebensdauer von Infrarotstrahlern beiträgt, insbesondere auch von Infrarotstrahlern großer Länge. Derartige Gleitlager können grundsätzlich auch als Mittel zur Kompensation der Wärmedehnung des Heizleiters eingesetzt werden.
Als weitere Maßnahme im Sinne eines sicheren Betriebs des erfindungsgemäßen IR-Strahlers wird im geschlossenen Ende des Strahlerhüllrohres ein Stützelement geführt, das mit dem Heizleiter verbunden ist.
Das Stützelement ist einerseits in der Glaswand des Hüllrohres fixiert, beispielsweise durch Einschmelzen, und andererseits so mit dem Heizleiter verbunden, dass dieser bei einer thermischen Längenänderung sich im Wesentlichen nur entlang seiner Längsachse bewegt und einem Erschlaffen oder Durchhängen entgegen gewirkt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Infrarotstrahlers, ist das Stützelement als ein Stab aus Molybdän oder aus einer Molybdänverbindung ausgebildet, der in dem geschlossenen Ende des Strahlerhüllrohres fluchtend mit dem Heizfilament geführt ist.
Vorteilhafterweise ist der Stab aus Molybdän oder aus einer Molybdänverbindung dabei form- oder stoffschlüssig mit dem Heizfilament verbunden und die Führung in dem geschlossenen Ende des Strahlerhüllrohres erfolgt mittels einer Quetschung des Strahlerhüllrohres.
Der Werkstoff Molybdän (oder eine Molybdänlegierung) hat sich wegen seiner Temperaturbeständigkeit für den Einsatz in IR-Strahlern bewährt. Der Stab wird so positioniert, dass er als Stützelement fluchtend mit dem Heizfilament verläuft und dabei in der Glaswand des Hüllrohres mittels einer Quetschung fixiert ist. Die Verbindung zum Heizfilament ist form - oder stoffschlüssig, wobei beispielsweise eine formschlüssige Verbindung hergestellt wird, indem ein rundes Stäbchen in die Windungen eines gewendelten Heizfilaments eingesteckt ist und von den Windungen umfasst wird. Eine stoffschlüssige Verbindung ist durch Anschweißen des Stützelements an das Heizfilament möglich. Durch diese Maßnahme wird bei einer thermischen Längenänderung des Heizfilaments ein Verbiegen, Erschlaffen, Verdrehen oder Durchhängen des Heizfilaments verhindert.
Zur Herstellung der Quetschungen werden Quetschmaschinen eingesetzt, welche beispielsweise zwei um das zu quetschende Strahlerhüllrohr rotierende Brenner und zwei sich gegenüberliegende Quetschbacken aufweisen. Sobald das Strahlerhüllrohr erweicht ist, stoppt die Brenner-Rotation, so dass die Quetschbacken an den Brennern vorbei gegen das Rohr bewegt werden und dieses zusammenpressen, um das darin eingelegte Stützelement (Stäbchen) in der Quetschung einzuschließen.
Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler erweist sich dann besonders vorteilhaft, wenn der Rückleiter im Abschnitt parallel zum Heizfilament in einem Quarzglasrohr geführt ist.
Durch das Quarzglasrohr wird der Rückleiter gegenüber dem Heizleiter isoliert, so dass es zu keinen elektrischen Überschlägen kommen kann. Gleichzeitig wird die Strahlung, die vom Heizfilament ausgeht, durch das den Rückleiter umgebende Quarzglasrohr nur geringfügig abgeschattet, so dass sich praktisch kein wesentlicher Verlust der Strahlungsleistung durch diese Maßnahme ergibt, - wohl aber eine Verbesserung hinsichtlich des sicheren Betriebs des IR-Strahlers.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Heizfilament von mindestens einem Abstandshalter gegenüber der Innenwand des Strahlerhüllrohres einerseits und gegenüber dem im Quarzglasrohr geführten Rückleiter andererseits abgestützt.
Der Abstandshalter kann in Form einer Scheibe aus Tantal vorliegen, die durch Aussparungen oder Schlitze so gestaltet ist, dass sie das Heizfilament und das den Rückleiter führende Quarzglasrohr in einer sicheren Abstand voneinander und von der Innenwand des Strahlerhüllrohres hält. Neben Tantal kommt auch Niob als Material für den Abstandshalter in Frage. Vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit und ein hoher spezifischer elektrischer Widerstand von Tantal und Niob im Vergleich zu Wolfram oder Molybdän, als Werkstoffe, die für den Heizleiter bzw. den Rückleiter in Frage kommen. Der Abstandshalter kann insbesondere beim vertikalen Einsatz des IR-Strahlers auf einer bestimmten Position entlang der Längsachse des Strahlers gehalten werden indem an der Innenwandung des Strahlerhüllrohres kleine Erhebungen aus Glas angebracht sind. Gerade bei langen Strahlern sind derartige Abstandshalter von Vorteil um eine geordnete Führung insbesondere des Heizleiters über die Länge des Strahlers zu gewährleisten, so dass die Gefahr von Kurzschlüssen durch Verdrehen oder Durchhängen des Heizleiters ausgeschlossen wird.

Ausführunqsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Patentzeichnung und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im Einzelnen zeigt in schematischer Darstellung:

Figur 1: eine erste Ausführungsform des Infrarotstrahlers für die erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung mit einem Rückleiter mit Federelement,
Figur 2: eine alternative Ausführungsform des Infrarotstrahlers mit einem Rückleiter mit Gleitlager im Bereich der Vakuumdurchführung,
Figur 3: eine Detailansicht von Ausschnitt A der Figuren 1 und 2 mit einem Stützelement am geschlossenen Ende des Strahlerhüllrohres,
Figur 4: einen Abstandshalter zum Einsatz in den Infrarotstrahler.

Figur 1 zeigt schematisch einen Infrarotstrahler 1 mit einem axialsymmetrischen Strahlerhüllrohr 2 aus Quarzglas mit rundem Querschnitt (Außendurchmesser 19 mm). Der Infrarotstrahler 1 ist mittels einer Vakuumdurchführung 3, die einen Dichtring 4 und eine Art Stopfbuchse 5 umfasst, in der Öffnung einer Vakuum-Prozesskammer gehalten und ragt mit seinem geschlossenen Ende in die Vakuum-Prozesskammer hinein. Der IR-Strahler 1 ist für eine Betriebstemperatur oberhalb von 800 °C ausgelegt.
Im Strahlerhüllrohr 2 ist ein wendelförmiger Heizleiter 6 (Heizfilament) aus Wolfram mit einer (beheizten) Länge von 140 cm und ein Rückleiter 7 (Stromrückführung) angeordnet. Der Rückleiter 7 ist parallel zum beheizten Bereich des Heizleiters 6 in einem Quarzglasrohr 8 geführt. Im Bereich des geschlossenen Endes des Strahlerhüllrohres 2 sind Heizleiter 6 und Rückleiter 7 über ein kurzes Verbindungsstück 9 miteinander verbunden. Weiterhin befindet sich dort ein Stützelement 10, das eine Halterung für den Heizleiter 6 darstellt und das im Strahlerhüllrohr 2 fixiert ist.
Im Teilabschnitt des Strahlerhüllrohres, der im Bereich der Vakuumdurchführung 3 liegt, ist ein kurzes Rohr 11 von 60 bis 80 mm Länge aus Quarzglas auf das Anschlusselement 12 des Heizleiters 6 aufgeschoben, was die Wärmeübertragung auf die Dichtung 4 der Vakuumdurchführung 3 stark reduziert. Die Temperatur liegt im Bereich der Vakuumdurchführung 3 aufgrund des auf das Anschlusselement 12 aufgeschobenen Rohres 11 aus Quarzglas unter etwa 250 °C, während der Heizleiter 6 im Bereich der Nutzlänge des IR-Strahlers Temperaturen von bis zu 2.500 °C erreicht. An den Heizleiter 6 und an den Rückleiter 7 sind jeweils elektrische Anschlusselemente 12, 12' angeschweißt, die über außerhalb der Vakuumdurchführung 3 liegende Quetschungen 13 aus den Strahlerhüllrohr 2 heraus zu einem nicht dargestellten Anschlusssockel geführt sind.
Der Rückleiter 7 weist im Bereich der Vakuumdurchführung 3 ein Federelement 14 in Form einer Drahtwicklung auf. Die Drahtwicklung umfasst bis zu acht Windungen auf einem axialen Längenabschnitt von 15 mm und ist um das kurze Quarzglasrohr 11, das in diesem Abschnitt auf das Anschlusselement 12 des Heizleiters 6 aufgeschoben ist, herum gewickelt. Durch die Drahtwicklung wird die thermische Längenausdehnung des Rückleiters 7 ausgeglichen, wobei von einer Ausdehnung von 8 mm beim Betrieb des IR-Strahlers bei 2.500 °C auszugehen ist.
Figur 2 zeigt nur den Teilbereich des IR-Strahlers 1, der im Bereich der Vakuumdurchführung 3 liegt. Im Unterschied zu Figur 1 ist das Mittel zur Kompensation der Wärmedehnung kein Federelement, sondern ein Gleitlager 15 aus hochreinem technischem Kohlenstoff, das mit dem Rückleiter 7 verbunden ist. Das Gleitlager 15 ist ein schleifgelagertes Distanzausgleichselement mit einer Gleitbuchse 16 mit zwei Durchgangsbohrungen, die paarweise jeweils einen Gleitstab 17 aus Molybdän in Gleitpassung H7/h7 aufnehmen. Die Gleitstäbe haben einen Durchmesser von 1,4 mm. Ein Gleitstab ist mit dem Molybdändraht des Rückleiters 7 durch Anschweißen verbunden, der andere Gleitstab ist mit dem elektrischen Anschlusselement 12' des Rückleiters 7, der aus dem stirnseitigen Ende des Hüllrohres 2 herausgeführt ist, ebenfalls durch Anschweißen verbunden.
Zum Ausgleich des Unterschieds im Durchmesser von Molybdändraht des Rückleiters 7 (Drahtdurchmesser etwa 0,9 mm) zum Molybdänstab des Gleitlages (Durchmesser 1,4 mm) wird der Molybdändraht an der Anschweißstelle mit wenigen Windungen auf den Gleitstab aufgewickelt und anschließend verschweißt. Die dem Molybdändraht-Anschluss des Rückleiters 7 bzw. dem Anschluss an das Anschlusselement 12' gegenüberliegenden Enden der Gleitstäbe ragen aus dem Gleitbuchsenteil jeweils heraus und sind mit einer Verdickung 18 versehen, die das Durchrutschen der Gleitstäbe 17 aus der Gleitbuchse 16 verhindert. Das Gleitlager 15 bildet ein elektrisch leitendes Bauteil zwischen dem Rückleiter 7 und dem Anschlusselement 12', was eine kraftlose Kompensation der Längenausdehnung des Rückleiters 7 während des Betriebes erlaubt. Die Längenkompensation erfolgt dabei ohne Federwirkung allein durch einen stoffschlüssigen, leitfähigen, gleitenden Kontakt der Gleitelemente untereinander.
In Figur 3 ist der Ausschnitt A von Figur 1 mit dem geschlossenen Endes des Strahlerhüllrohres 2 in einer Detailansicht dargestellt. Ein als rundes Stäbchen aus Molybdän ausgebildetes Stützelement 10, ist in der Glaswand des Hüllrohres 2 mittels einer Quetschung 21 fixiert. Zusätzlich wird das Stäbchen von einer Stützwendel 19 gehalten, die dem Innendurchmesser des Strahlerhüllrohres 2 angepasst ist und an der Innenwandung des Hüllrohres 2 anliegt. Der Durchmesser des Stäbchen liegt bei 0,875 mm und ist so abgestimmt, dass es formschlüssig in die Windungen des Heizfilaments 6 eingesteckt werden kann. Das Stäbchen ist so ausgerichtet, dass das Heizfilament 6 auch bei thermischer Ausdehnung und dem damit einhergehenden Verlust an Steifigkeit nicht durchhängt, sondern im Wesentlichen fluchtend geführt wird, also in seiner radialen Position verbleibt. Damit ist das Risiko, dass durch thermische Ausdehnung das Heizfilament 6 in diesem Abschnitt den Rückleiter 7 berührt und es zu Kurzschlüssen kommt, minimiert. In Figur 3 ist weiterhin ein Verbindungsstück 9 zwischen Heizleiter 6 und Rückleiter 7 erkennbar, das in diesem Fall ein Drahtstück aus Molybdän mit wenigen Wicklungen an beiden Enden, die an den Heizleiter 6 bzw. an den Rückleiter 7 angeschweißt sind. Als Verbindungsstück 9 ist jedoch auch ein gerader Draht ohne Wicklungen oder ein anderweitiges Blechteil einsetzbar, das an den Heiz- bzw. Rückleiter angeschweißt wird und die entsprechenden elektrischen Anforderungen erfüllt.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch das Strahlerhüllrohr 2 im Bereich der beheizten Länge, wo mehrere Abstandshalter 20 aus Tantal zwecks exakter Positionierung vom Heizleiter 6 und Rückleiter 7 im Strahlerhüllrohr 2 vorgesehen sind. Der Abstandshalter 20 stützt sich gegenüber der Innenwand des Strahlerhüllrohres 2 einerseits und gegenüber dem im Quarzglasrohr 8 geführten Rückleiter 7 andererseits ab, wobei der Abstandhalter 20 einen Führungsschlitz 21 und eine offene, kreisförmige Aussparung 22 aufweist. Im Führungsschlitz 21 wird der Heizleiter 6 geführt und die offene, kreisförmige Aussparung 22 nimmt das den Rückleiter 7 umgebende Quarzglasrohr 8 auf. Auf diese Weise wird der Heizleiter 6 und das den Rückleiter 7 führende Quarzglasrohr 8 in einem sicheren Abstand voneinander und von der Innenwand des Strahlerhüllrohres 2 gehalten. Der Abstandshalter 20 ist an der Innenwandung des Strahlerhüllrohres durch kleine Erhebungen oder Noppen 23 aus Glas gehalten, die den Abstandhalter 20 insbesondere beim vertikalen Einsatz des IR-Strahlers auf einer bestimmten Position entlang der Längsachse des Strahlers fixieren. Ein oder mehrere Abstandshalter dieser Art gewährleisten gerade bei langen Strahlern eine geordnete Führung insbesondere des Heizleiters über die Länge des Strahlers.

Claims

Bestrahlungsvorrichtung zur Einkopplung von Infrarot-Strahlung in eine Vakuum-Prozesskammer, mit einem einseitig gesockelten Infrarotstrahler, der ein Strahlerhüllrohr (2) in Form eines Rundrohres aus Glas umfasst, von dem ein geschlossenes Ende dazu ausgebildet ist, in die Vakuum-Prozesskammer hineinzuragen, und mit einer Vakuumdurchführung (3) zur Halterung und gasdichten Durchführung des Strahlerhüllrohres (2) durch eine Öffnung der Vakuum-Prozesskammer, wobei in dem Strahlerhüllrohr (2) ein als ein Heizfilament ausgebildeter Heizleiter (6) und ein als Stromrückführung ausgebildeter Rückleiter (7) angeordnet sind, wobei der Heizleiter (6) in dem von der Vakuumdurchführung (3) umgebenen Teilabschnitt des Strahlerhüllrohres (2) ein Anschlusselement aufweist, das aus dem Strahlerhüllrohr (2) herausgeführt ist, wobei das Anschlusselement des Heizleiters (6) durch ein Rohrstück geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückleiter (7) in dem von der Vakuumdurchführung (3) umgebenen Teilabschnitt des Strahlerhüllrohres (2) ein Mittel zur Kompensation der Wärmedehnung aufweist.
Infrarotstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück, durch das das Anschlusselement des Heizleiters (6) geführt ist, als ein Quarzglasrohr (8) und das Anschlusselement des Heizleiters (6) aus einem Draht aus Molybdän oder aus einer Molybdänverbindung ausgebildet ist.
Infrarotstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Kompensation der Wärmedehnung des Rückleiters (7) als ein Federelement (14) ausgebildet ist.
Infrarotstrahler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (14) in Form einer Drahtwicklung ausgebildet ist, die um das Rohrstück des Anschlusselementes des Heizleiters (6) gewickelt ist.
Infrarotstrahler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Kompensation der Wärmedehnung des Rückleiters (7) und der Rückleiter (7) einstückig als ein Draht aus Molybdän oder aus einer Molybdänverbindung ausgebildet sind.
Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Kompensation der Wärmedehnung des Rückleiters (7) als ein Gleitlager (15) aus Kohlenstoff ausgebildet ist, das mindestens zwei elektrisch leitfähige Gleitlagerelemente aufweist, die aufeinander gleitend in Kontakt sind, wobei eines der Gleitlagerelemente als Gleitstab (17) und das andere der Gleitlagerelemente als Gleitbuchse (16) ausgeführt ist.
Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem geschlossenen Ende des Strahlerhüllrohres (2) ein Stützelement (10) geführt ist, das mit dem Heizleiter (6) verbunden ist.
Infrarotstrahler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (10) als ein Stab aus Molybdän oder aus einer Molybdänverbindung ausgebildet ist, der in dem geschlossenen Ende des Strahlerhüllrohres (2) fluchtend mit dem Heizleiter (6) geführt ist.
Infrarotstrahler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab aus Molybdän oder aus einer Molybdänverbindung form- oder stoffschlüssig mit dem Heizleiter (6) verbunden ist und die Führung in dem geschlossenen Ende des Strahlerhüllrohres (2) mittels einer Quetschung der Strahlerhüllrohres (2) erfolgt.
Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückleiter (7) im Abschnitt parallel zum Heizleiter in einem Quarzglasrohr (8) geführt ist.
Infrarotstrahler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (6) von mindestens einem Abstandshalter (20) gegenüber der Innenwand des Strahlerhüllrohres (2) einerseits und gegenüber dem im Quarzglasrohr (8) geführten Rückleiter (7) andererseits abgestützt wird.