WO2010003511A2

WO2010003511A2 - Kompaktes uv bestrahlungsmodul

Info

Publication number: WO2010003511A2
Application number: PCT/EP2009/004296
Authority: WO
Inventors: Sven Linow; Ralf Pretsch; Thomas Arnold
Original assignee: Heraeus Noblelight Gmbh
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2009-06-15
Publication date: 2010-01-14
Also published as: DE102008028233A1; US20110163651A1; US8330341B2; CN102084454B; JP2011524616A; CA2727170A1; WO2010003511A3; KR20110030455A; MX2010014141A; CN102084454A; BRPI0914786B1; EP2289091A2; BRPI0914786A2; CA2727170C

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Bestrahlung von zumindest einem Substrat, auffassend eine Bestrahlungseinheit zur Bestrahlung des Substrates mit UV-Licht, wobei die Bestrahlungseinheit eine Entladungslampe mit einem integrierten Reflektor umfasst sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bestrahlungsmoduls zum Bestrahlen eines Substrates mittels UV- Licht.

Description

Patentanmeldung

Heraeus Noblelight GmbH

Kompaktes UV Bestrahlungsmodul

Die Erfindung betrifft eine Modul zur Erzeugung von UV-Licht zur Bestrahlung eines Substrates.

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 beeinf- lusst.

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.

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.

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 speku- lare 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.

Da einfache Materialgrenzflächen anders als im sichtbaren (Ag, AI) 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.

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..

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.

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.

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 300⁰C 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.

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.

Die oben genannten Module sind alle in ihrer Aufbauweise recht komplex und aufwändig, oder können nur geringe Leistung / Vorrichtungsvolumen aussenden.

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.

Diese Aufgabe wird bereits mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Modul zur Erzeugung von UV-Strahlung für die Bestrahlung eines Substrates, umfassend eine Bestrahlungseinrichtung, wobei die Bestrahlungseinrichtung eine Entladungslampe mit einem integrierten Reflektor aus Quarzglas aufweist, sieht vor, dass der Reflektor innerhalb der Entladungslampe angeordnet ist.

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.

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.

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 Konvekti- on auf einfachere Weise und führt dazu, dass letztendlich auch der Bauraum reduziert wird und eine Reduzierung auf ein minimales und kompaktes Modul erfolgt. Sollte ein weiterer externer Reflektors angebracht werde, so trifft dort ebenfalls wesentlich weniger Strahlungsleistung auf.

In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform sieht die Erfindung vor, dass der Reflektor eine Be- schichtung 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.

Vorteilhafterweise umfasst die Beschichtung synthetisches Quarzglas, welches aufgrund seiner verringerten UV Absorption eine besonders effektive UV-Reflektion erreicht.

Auch ist es denkbar für UV-generierende Systeme ein solarisationsresistentes Quarzglas sowohl für das Strahlerrohr wie auch für den opaken Reflektor einzusetzen.

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. 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.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt in schematischer Darstellung:

Figur 1 ein kompaktes Modul ohne Filter;

Figur 2 eine Entladungslampe mit einem zusätzlichen Filter;

Figur 3 einen Strahler zur direkten Einkopplung in einen Lichtleiter.

Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Modul mit passiver konvektiver Kühlung des Strahlers im Längsschnitt. Innerhalb des Moduls ist der UV Strahler (10) mit seinen Quetschungen (1 1) 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 konvekti- ve 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.

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.

In Figur 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 Modulge- häuse (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.a. - 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 Reflektions- schicht nur bestimmte Teile der Strahlung transmittieren lässt. Die Funktionsschicht (26) kann aber auch weggelassen werden. Das Fenster (25) ist bevorzugt aus einem UV transmittieren- den Material, wie Quarzglas, der Reflektor kann auch mehreren dielektrischen oder metallischen Schichten aufgebaut sein.

Die dargestellte Konstruktion soll das erfinderische Prinzip verdeutlichen. Es sind jedoch auch andere Anordnungen von Kanälen und Ventilatoren sinnvoll und abgedeckt.

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.

Figur 3 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.

Claims

1. Modul zur Erzeugung von UV-Strahlung für die Bestrahlung eines Substrates, umfassend eine Bestrahlungseinrichtung, wobei die Bestrahlungseinrichtung eine Entladungslampe mit einem integrierten Reflektor aus Quarzglas aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor innerhalb der Entladungslampe angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 für die Bestrahlung eines Substrates, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor eine Beschichtung aus opakem Quarzglas umfasst.

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung synthetisches Quarzglas umfasst.

4. Vorrichtung einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor ein breitbandiger Reflektor ist.

5. Vorrichtung einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungslampe eine UV-Lampe ist.

6. Vorrichtung einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungslampe ein Quecksilbermitteldruckstrahler ist.

7. Vorrichtung einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungslampe ein Niederdruckstrahler ist.

8. Vorrichtung einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungslampe ein Hochdruckstrahler ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Moduls nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Entladungslampe des Bestrahlungsmodules ein Reflektor aufgebracht wird.