KR100679679B1

KR100679679B1 - 적외선 가열기구 및 기지 가열기 형식의 진공 챔버

Info

Publication number: KR100679679B1
Application number: KR1020050042402A
Authority: KR
Inventors: 디이터 하스
Original assignee: 어플라이드 머티어리얼즈 게엠베하 운트 컴퍼니 카게
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2005-05-20
Publication date: 2007-02-06
Also published as: DE502004005277D1; KR20060048041A; JP2006041478A; EP1631121B1; ES2294406T3; ATE376343T1; TWI299515B; CN1738494A; TW200605181A; EP1631121A1

Abstract

본 발명은 적외선 가열기구(2) 및 기지 가열기 형식의 진공 챔버에 관한 것으로, 특히 진공 코팅 장비에 적용되는 것이다. 상기 적외선 가열기구(2)는 튜브형 금속 재킷(5)으로 이루어진 보호수단에 의하여 감싸지는 가열원(heating source)(4)을 포함한다. 상기 튜브형 금속 재킷(5)은 최소한 일정정도의 적외선-발산층(6)이 제공되어진다. 상기 진공 챔버는 기지(1)와 적외선 가열기구(2)로 형성된 최소한 하나의 가열기구를 포함하고, 상기 기지(1)와 적외선 가열기구(2)는 단지 열적 복사만이 가열에 기여하게 열적으로 단절 되어진다.

적외선, 가열기구, 진공챔버

Description

적외선 가열기구 및 기지 가열기 형식의 진공 챔버 {INFRARED HEATING ELEMENT AND SUBSTRATE HEATER TYPE VACUUM CHAMBER}

도 1은 본 발명의 적외선 가열기구 및 기지 가열기 형식의 진공챔버에 대한 일실시예의 단면도이다.

본 발명은 청구항 1 내지 청구항 10에 기재된 바와 같은 적외선 가열기구 및 기지 가열기 형식의 진공 챔버, 특히 진공 코팅 장비에 적용되는 진공 챔버에 관한 것이다.

열은 열전도, 열복사 및 열대류의 결과로서 공간에 전달되어질 수 있다. 열전도는 분자의 충돌에 의하여 발생하므로 물질내의 온도구배를 필요로 하는 반면에, 열대류는 다른 지점으로 이송되어지는 열의 내용인 액체 또는 기체에서의 거시적 운동에 의존한다. 열복사는 자연에서의 전자기이다.

일정한 공정을 고려하는 경우에 있어서, 기지를 열전도에 의하여 직접적으로 가열할 수는 없다. 예를 들면, 기지는 상기 기지를 다양한 공정 챔버들을 통과하도록 움직이는 이동 가능한 기지 홀더(캐리어)에 장착되어질 수 있다. 이러한 종 류의 캐리어에 BN 저항 기지 가열기와 같은 가열판을 장착하는 것은 어려운 일이다. 여기서 요구되어지는 것은 전기적 슬라이딩 접점들로서 이는 전류를 흐르게 하고, 마모의 결과로 인하여 파티클(particle)을 발생시킬 수 있다. 스퍼터(sputter) 음극의 분야에서는, 스퍼터 음극으로부터의 플라즈마 방전과 간섭을 일으킬 수 있거나 플래쉬오버(FLASHOVER)를 발생하게 하는 2차 플라즈마가 활성인 접점에서 발생되어질 수 있다. 상기 기지에 증착되어진 파티클은, 이러한 파티클이 기지가 코팅된 후에 기지로부터 떨어져 나간 형태인 "핀홀"(PINHOLES)을 유도하거나, 기지위에 남아 기능층에서 결함으로 작용한다. 더욱이, 전체 표면적에 대하여 상기 기지에 열전달을 확실히 이루도록 하기 위한 그러한 매끄럽고 평평한 표면을 가지는 가열판에 대한 접촉면을 형성하는 것은 매우 많은 시간과 노력을 요구한다. 단지 기지상의 국부적인 부분만이 가열표면에서 놓여지는 경우에는 민감한 기지는 열응력에 의하여 파손되어질 수 있고, 이는 진공의 경우에서는 대기의 공기와 같은 열전달을 이룰 수 있는 접촉 매질이 없기 때문에 더욱 그러하다. 게다가, 모든 형식의 기지에 대하여 이에 맞는 맞춤형 가열판을 만들어야 하는 것이 필요하며, 이 경우에 이러한 가열판은 또한 내 스크래치 또는 먼지가 달라붙지 못하도록 하는 기능을 갖도록 만들어져야 한다.

상기 기지는 기지 홀더위에서 수평으로 이송되어지거나 수직(위쪽)으로 이송되어질 수 있다. 상기 기지는 프레임이나 가대(TRESTLE) 안에 삽입되어지고 스프링 수단에 의하여 붙잡아지고, 상기 기지 홀더(캐리어)는 그 하부 끝단에서 롤러 상에서 이동하고 그 상부 끝단에서 자기적으로 정위치에 지지되어진다. 이와 같은 방식의 기지이송은 예를 들면 CH 691 680 A에 기술되어져 있다.

반면에, 좀더 이해하기 쉬운 경우로 특히, 대면적 기지의 경우에 있어서, 예를 들어, 롤러를 포함하는 이송 시스템을 이용하여 진공 유닛을 통과하는 기지 이송을 들 수 있다. 이 경우에 있어서도 또한 상기 기지가 노출되기 때문에 열전도의 방식으로 기지를 가열하는 것이 불가능하다.

진공에서 열전도가 가능하지 않다면, 남은 가능한 열전달 수단은 열복사에 의한 것이다. 열복사의 에너지 분포는 이상적인 흑체 복사의 수단에 의하여 기술되어지고 프랑크의 복사법칙(Planck's radiation law)이 적용된다. 이 법칙은 에너지 최대값을 갖는 흑체의 스펙트럼 에너지 분포와 매우 낮은 복사 파장과 매우 높은 복사 파장에 대한 낮은 복사 에너지를 설명한다.

또한 복사 파장을 고려할 때, 더 긴 파장대역(λ > 0.75 ㎛)인 적외선의 경우에 가시광선(0.4 ㎛ < λ < 0.75 ㎛) 범위의 복사보다 훨씬 더 효과적으로 재료에 의하여 흡수되어진다. 이와 같은 적외선 스펙트럼 범위에서의 흡수는 재료내의 이온의 진동에 기여한다. 열복사기(THERMAL RADIATOR)가 종종 적외선 복사를 생성하기 위하여 이용되어진다. 그러므로 적외선 가열기구는 거기에 열이 작용할 때에 적외선 스펙트럼 범위에서 열복사를 발산하는 장치이다.

이와 같은 열복사기와 관련된 문제는 적외선 복사와 함께, 가시광선 및 자외선 범위의 복사가 항상 발산된다는 것이다. 결론적으로 전달되어지는 열의 용량은 전체적으로 복사되어진 것에 비하여 한정적이 된다. 플랑크의 복사법칙에 따르면, 최대 에너지 분포와 흑체의 전체 에너지밀도는 그 온도에만 영향을 받고 빈의 변위 법칙(Wien's displacement law, ν_max ~ T) 또는 슈테판-볼츠만 법칙(Stefan - Boltzmann (fourth-power) law, R=σT⁴, σ는 상수)에 의하여 기술되어진다.

본 발명의 목적은 열복사의 결과로 특히, 진공에서 매우 효과적으로 열을 전달할 수 있는 적외선 가열기구를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 열복사의 수단을 통하여 매우 효과적으로 기지가 가열되어지도록 하여, 특히 진공 코팅장비에 대하여, 매우 효과적으로 기지가 가열되어지도록 하는 기지 가열기를 제공하는 것이다.

상기 기술한 "효과적"이라는 용어는 발산되는 전체에너지에 대한 가열을 위하여 사용되어지는 열복사 에너지의 비율이 최적화 된다는 의미이고, 이는 다시 말하면 손실을 줄인다는 의미이다. 그러나 이는 다른 측면에서 보면 가열되어지는 대상에 의하여 도달하는 온도에 비하여 가열기구의 온도를 최소로 하는 것을 또한 목적으로 한다.

본 발명에 의하여 특정되어지는 바와 같이, 상기 기술한 목적은 청구항 1에 따른 적외선 가열기구와 청구항 10에 따른 기지 가열기에 의하여 해결되어진다. 본 발명의 바람직한 실시예는 이들의 종속항에 의하여 특징되어진다.

본 발명에 따른 상기 적외선 가열기구는 튜브형 금속 재킷으로 이루어진 보호수단에 의하여 감싸지는 가열원(heating source)을 포함한다. 상기 튜브형 금속 재킷은 최소한 일정정도의 적외선-발산층에 의하여 코팅되어진다. 상기 튜브형 금속재킷 형태의 가열원 덮개는 상기 가열원을 보호할 뿐만 아니라, 상기 튜브형 재킷내에서의 열전도의 결과로 열 분포를 균일하게 하는 역할을 한다. 상기 튜브형 재킷이 최소한 부분적으로 적외선-발산층에 의하여 코팅되어지는 것은 열복사의 효과를 증대하고, 상기 복사된 열에너지를 보존하면서 상기 재킷온도를 떨어드릴 수 있도록 한다.

상기 금속은 0.1 내지 0.4의 발산도(emittance)를 가지고, 상기 적외선-발산층은 0.7 이상, 바람직하게는 0.8 이상, 더욱 바람직하게는 0.9 이상의 발산도를 가지는 것이 좋다. 이와 같은 적외선-발산층은 스펙트럼 에너지 분포의 관점에서 흑체와 매우 유사하게 된다. 이 경우에 있어서, 상기 튜브형 재킷 그 자체는 열을 복사하지 않으나 열전도의 방법을 통하여 상기 적외선-발산층을 가열한다.

상기 가열원은 예를 들면, 텅스텐 등으로 만들어진 가열선 형태의 저항형식의 가열기로 형성되는 것이 가능하다. 고급 스틸이나 고온용 합금인 인코넬^®이 상기 튜브형 금속재킷에 대한 재료로 사용되는 것이 바람직하며, 금속산화물의 사용이 상기 적외선-발산층에 대하여 추천되어진다. 이러한 금속산화물은 우수한 적외선 발산재로 널리 알려져 있다. 상기 금속산화물로서 TiO₂를 사용할 수 있다. 이와 같은 금속산화물층은 플라즈마 스프레이나 스퍼터링 등을 이용하여 상기 튜브형 재킷에 특히 잘 적용되어진다. 이와 같은 방법에서, 얇고 균일한 층이 약 10 ㎚에서 수 ㎜까지 적용될 수 있다.

상기 적외선 가열기구에 의하여 나타내어지는 복사특성은 적외선 복사에 기여하도록 의도되어진 적외선-발산층이 코팅된 튜브형 재킷의 이러한 영역에 의해서만 영향을 받을 수 있다. 결론적으로 일정한 입체각은 강렬한 적외선 복사에 노출되는 것이 아니라, 단지 상기 적외선 스펙트럼 범위에 있어서, 상기 적외선-발산층의 그것보다 더 낮은 적외선 스펙트럼 범위를 가지는 튜브형 재킷의 복사에만 노출된다. 상기 튜브형 재킷은 이러한 입체각 범위로 향한 가열원의 직접적인 에너지 복사를 방지하고 이 에너지의 일부분은 상기 튜브형 재킷 내에서의 열전도의 결과로 상기 적외선-발산층을 가열하는데 사용되어진다. 그러므로 상기 적외선 가열기구의 효율은 훨씬 더 증가할 수 있다.

본 발명에 따른 상기 기지 가열기 형식 진공 챔버는 기지와 이에 인접하여 위치하는 최소한 하나의 적외선 가열기구로 형성된 가열기구를 포함하고, 이는 본 발명에 따른 상기 적외선 가열기구로서 형성되고 상기 기지와 적외선 가열기구는 열적으로 단절 되어진다. 상기 기술한 열적으로 단절된다는 의미는 최대 가능한 한도내에서 열전도나 대류가 일어나지 않는다는 의미이다. 이와 같은 열적 단절은 따라서 상기 적외선 가열기구에 의하여 발산되어지는 열복사의 방법에 의하여서만 가열이 되도록 한다. 이와 같은 이유로 인하여 상기 기지는 상기 적외선 가열기구의 수단에 의하여 적외선 복사를 통하여 매우 효과적으로 가열된다. 더욱이, 상기 기지 온도는 상기 적외선 가열기의 열용량을 통하여 직접적으로 조절이 가능하기 때문에 가열이 매우 선택적으로 이루어질 수 있다.

상기 기지 가열기는 열적으로 단절시키는 것과 같은 단열수단을 이용하여 상 기 진공 챔버의 벽으로부터 단열되어지는 것이 좋다. 이와 같은 방법으로 열손실을 피할 수 있으며, 원하지 않는 가열이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 특히 진공 코팅 장비의 벽이 가열되는 것을 방지할 수 있다.

상기 최소한 하나의 적외선 가열기구는 바람직하게는 그 세로방향 축이 상기 기지 표면과 평행하게 정렬되는 것이 좋다. 이를 통하여 상기 기지는 매우 효과적으로 가열되어질 수 있다.

상기 최소한 하나의 적외선 가열기구의 튜브형 금속재킷은 원주형상 세로방향 부분(cylindrical longitudinal segment)으로 형성된 적외선-발산층을 포함하는 것이 좋고, 이러한 부분은 상기 기지를 향하여 대면하도록 위치하는 것이 좋다. 이를 통하여 단지 상기 기지만이 강렬한 적외선 복사에 노출되므로, 이러한 가열은 손실을 줄이는 방식으로 이루어진다.

상기 적외선 가열기구의 수는 가능한 모든 방식의 적외선 복사에 노출되어지는 기지에 따라 선택되는 것이 바람직하다. 즉, 가열되어지는 기지, 상기 적외선 가열기구와의 거리 및 크기 등의 함수가 된다. 따라서 상기 기지는 균일하게 가열되어지고 따라서 대면적에 대하여 가열에 따른 응력의 발생이 없이 가열되어진다.

일정한 공정이 고려되는 범위에서, 상기 기지는 다양한 공정 챔버를 지나도록 기지를 이동시키는 이동 가능한 기지 홀더(캐리어)에 부착되어져야 한다. 상기 기지는 공지의 방식으로 상기 기지 홀더에 연결된다. 예를 들면, 상기 기지는 열복사에 의하여 직접적으로 상기 적외선 가열기구에 의하여 유사한 방법으로 가열되어진다. 이것은 예를 들면 상기 기지 홀더상에 수직(즉 상부로) 위치로 이송되어 지는 기지에 있어서 발생할 수 있다. 이 경우에 있어서, 장비내에서 기지가 이송되어지듯이, 상기 기지는 균일한 가열을 확신하기 위하여 양쪽으로부터 가열되어진다. 단, 코팅 스테이션 구역에서는 상기 기지는 코팅면으로부터 떨어져 대면하는 뒤쪽으로부터 가열되어 1면에만 가열되는데, 이는 상기 기지 온도가 코팅과정 중에 너무 많이 떨어지지 않도록 하기 위한 것이다.

그럼에도 불구하고, 상기 기지 가열기를 상기 기지의 맞은편인 기지 홀더의 그쪽에 위치시키는 것도 가능하며, 또는 상기 기지 홀더가 대면적 개구부 또는 그와 동등한 것을 가지거나 프레임으로 제작되는 것이 가능하고 이를 통하여 상기 기지는 열복사에 대하여 양쪽에서 노출되어 균일하게 대면적을 처리하도록 할 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 기지 가열기 형식의 진공 챔버는 용이하게 상기 기지를 소둔 처리 또는 균질화 처리를 할 수 있으며, 예를 들어 코팅공정 중에, 상기 기지홀더가 일정한 공정 파라미터를 고려할 때, 열전달에 의하여 직접적으로 가열되어질 수 없다면 이와 같은 것이 가능하다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 첨부의 도면은 본 발명에 의하여 특정되어지는 기지 가열기의 단면도를 도시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예에서, 기지 가열기는 기지(1), 3개의 적외선 가열기구(2) 및 단열수단(3)을 포함한다. 상기 적외선 가열기구(2)는 대략 2 ㎝의 거리로 상기 기지(1)와 상기 단열수단(3) 사이에 열적으로 단절된 형식으로 위치되어진다. 진공 챔버를 열적으로 단열하기 위한 상기 단열수단(3)은 3개의 연속적으로 배열되는 반사형 복사판의 세트로 이루어진다. 상기 판은 ε < 0.1의 발산 계수(emission coefficient)를 갖는다. 열적으로 접촉하지 않는 이러한 진공상의 판들을 이용하여, 열에너지의 교환이 단지 열복사에 의해서만 이루어진다. 그러나 상기 판의 열 복사는 이들의 낮은 발산계수를 고려할 때 비교적 낮다. 예를 들어, 상기 단열수단(3)의 첫 번째 판은 상기 적외선 가열기(2)에 의하여 약 500 ℃까지 가열되어진다면, 두 번째 복사판은 단지 약 400 ℃의 온도를 가지며, 상기 챔버벽의 맞은편인 마지막 판은 단지 300 ℃의 온도를 가진다.

공지의 텅스텐 가열선(4)이 상기 적외선 가열기구의 가열원으로 사용되어진다. ; 이들 선들은 공지의 방법에서와 같이 전류가 공급되어지고 이러한 전류의 공급은 설정되어진 기지온도를 함수하는 제어 루프에 의하여 제어되어진다. 상기 텅스텐 가열선(4)은 각각 빽빽하게 채워진 퀄츠 샌드(quartz sand) 충진층(7)과 튜브형 인코넬^® 재킷(5)에 의하여 싸여진다. 상기 튜브형 재킷(5)은 상기 각 텅스텐 가열선(4)과의 관계에서 전기적으로 절연되어진다. 상기 튜브형 재킷(5)은 상기 기지(1)를 향하고 있는 이의 표면에 적외선-발산층으로서 TiO₂층(6)이 제공되어진다. 상기 TiO₂층(6)의 두께는 100 ㎛이고, 상기 튜브형 재킷(5)에 플라즈마 스프레이법에 의하여 적용되어졌다. 그러나 상기 코팅은 또한 스퍼터링의 방법에 의하여 적용될 수 있으며 이 경우에 두께는 10 ㎚ 또는 그 이상인 것이 바람직하다.

상기 본 발명에 따른 적외선 가열기구(2)가 상기 기지(1)로부터 2 내지 5 ㎝떨어져 위치한다면, 400 ℃이상의 기지온도를 얻기 위해서는 대략 600 ℃의 재킷 온도가 요구되어진다. 이는 순수하게 금속으로만 된 재킷 가열기가 400 ℃이상의 기지온도를 얻기 위해서는 850 ℃의 온도가 필요한 것과 비교하면, 이와 같은 재킷의 온도는 상기 금속재킷(5)의 녹는점(약 1,100 ℃)보다 훨씬 낮은 온도이다. 그러므로 본 발명에 따른 상기 기지 가열기는 상기 재킷온도를 임계온도보다 훨씬 낮은 온도로 낮추며, 상기 기지가 열복사에 의하여 가열되는 경우에 손실을 최소화한다.

본 발명에 따른 진공 챔버에서 기지를 가열하기 위한 적외선 가열기구 및 기지 가열기 형식의 진공 챔버에 따르면 열복사의 결과로 특히, 진공에서 매우 효과적으로 열을 전달할 수 있으며, 열복사의 수단을 통하여 매우 효과적으로 기지가 가열되어지도록 하여, 특히 진공 코팅장비에 대하여 매우 효과적으로 기지가 가열되어지도록 하며 이를 통하여 열손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 가열되어지는 대상에 의하여 도달하는 온도에 비하여 가열기구의 온도를 최소로 하는 것이 가능하므로, 상기 재킷온도를 임계온도보다 훨씬 낮은 온도로 낮추며, 이에 따라 상기 기지가 열복사에 의하여 가열되는 경우에 손실을 최소화하는 효과가 있다.

Claims

가열원(4); 및

상기 가열원을 덮고, 최소한 일정정도의 적외선-발산층(6)이 형성되어지는 튜브형 금속 재킷(5)으로 이루어진 보호수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 챔버에서 기지를 가열하기 위한 적외선 가열기구.
제1항에 있어서,

상기 적외선-발산층(6)은 상기 튜브형 금속 재킷(5)에 플라즈마 스프레이 방법으로 적용되는 것을 특징으로 하는 적외선 가열기구.
제1항에 있어서,

상기 가열원(4)은 저항 가열기의 가열선으로 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 가열기구.
제1항에 있어서,

상기 적외선-발산층(6)은 금속산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 가열기구.
제4항에 있어서,

상기 금속산화물층은 TiO₂로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적외선 가열기구.
제5항에 있어서,

상기 TiO₂층은 10 ㎚ 내지 수 ㎜의 두께, 바람직하게는 50 ㎚ 내지 500 ㎛, 특히 100 ㎚ 내지 100 ㎛를 가지는 것을 특징으로 하는 적외선 가열기구.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 튜브형 금속 재킷(5)은 적외선 복사를 위해 형성되어지는 표면에서만 적외선-발산층(6)이 형성되어지는 것을 특징으로 하는 적외선 가열기구.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 금속은 0.1 내지 0.4의 발산도를 가지고, 상기 적외선-발산층은 최소한 0.7의 발산도를 가지고, 특히 최소한 0.8의 발산도를 가지며, 바람직하게는 최소한 0.9의 발산도를 가지는 것을 특징으로 하는 적외선 가열기구.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 튜브형 금속 재킷(5)은 고급 스틸 또는 인코넬^®로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적외선 가열기구.
기지(1); 및,

상기 기지에 인접하여 위치하고, 상기 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 적외선 가열기구(2)로 형성되며, 상기 기지(1)와 상기 적외선 가열기구(2)간에 열전도나 대류가 발생하지 않도록 상기 기지(1)로부터 열적으로 단절된 최소한 하나의 가열기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지 가열기 형식의 진공 챔버.
제10항에 있어서,

상기 진공챔버는 상기 진공챔버가 단열되도록 하기 위한 단열수단(3)을 더 포함하고, 상기 최소한 하나의 적외선 가열기구(2)가 열적으로 단절된 형식으로 상기 기지(1)와 상기 단열수단(3)사이에 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 진공 챔버.
제10항에 있어서,

상기 최소한 하나의 적외선 가열기구(2)는 이의 세로방향 축이 상기 기지표면에 평행하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 진공 챔버.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 최소한 하나의 적외선 가열기구(2)의 상기 튜브형 금속 재킷(5)은 원주형상 세로방향 부분으로 형성된 적외선-발산층(6)을 포함하고, 상기 부분은 상기 기지(1)를 향하여 대면하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 진공 챔버.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 적외선 가열기구(2)의 수는 가열되어질 기지표면의 함수로서 선택되어져, 가능한 균일한 방식으로 상기 기지(1)가 적외선 복사에 노출되도록 하는 것을 특징으로 하는 진공 챔버.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 기지(1)가 그 위에 배치되는 기지홀더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 챔버.