專利名稱：一種紅外加熱元件及襯底加熱器型真空腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求10前序部分所述的紅外加熱元件及襯底加熱器型真空腔，特別用于真空涂層設(shè)施。
背景技術(shù)：
熱量可以通過熱傳導、熱輻射和熱對流進行空間傳遞。其中熱傳導以分子碰撞的方式發(fā)生，因此需要物質(zhì)中存在溫度梯度；熱對流取決于液體或氣體的宏觀運動，這些氣體或液體的熱量轉(zhuǎn)義到另一點。熱輻射本質(zhì)上是電磁的。
在某些工藝中襯底不能通過熱傳導直接加熱。例如，襯底可以放在一可移動的襯底固定器(載體)上，該固定器將襯底移動穿過不同的處理腔。很難裝配這種具有加熱板的載體，例如BN電阻襯底加熱器。這里所需要的是可能因摩擦產(chǎn)生的可運載電流和產(chǎn)生顆粒的電滑動觸點。在濺射陰極領(lǐng)域中，可能在實際接觸時產(chǎn)生輔助等離子體，該輔助等離子體可以干擾從濺射陰極發(fā)出的等離子體或是引起閃弧。沉積在襯底上的顆粒可能導致“小孔”，這是因為這些顆粒在被涂覆后從襯底剝落，或是作為功能層的缺陷殘留在襯底。此外，對于具有光滑且水平的表面以保證傳遞到襯底的熱量覆蓋整個表面區(qū)域的加熱板，需要大量時間和努力來產(chǎn)生接觸表面。如果襯底上只有局部點位于加熱表面，敏感的襯底可能被熱應(yīng)力毀壞，這是因為真空中不含有任何產(chǎn)生熱傳遞的媒介，如空氣。另外，每種襯底需要有特定的加熱表面；既然這樣，此加熱表面還必須能耐劃或防塵。
襯底既可以在襯底固定器上水平運輸也可以在垂直(例如向上)位置運輸。襯底插入到結(jié)構(gòu)或臺架中，以彈簧方式支撐，因此該襯底固定器(載體)在其底端的輪子上移動，在其頂端位置磁性固定。這種襯底運輸方式在例如瑞士專利CH 691 680A中有描述。
另一方面，此外可以想象，特別是大面積襯底的情況，通過包含例如輪子的運輸系統(tǒng)運輸襯底穿過該真空單元。還是這種情況，因為襯底是暴露的，不可能通過熱傳導的方式加熱襯底。
如果熱傳導在真空中不可能進行，只能選擇熱輻射來傳遞熱量。熱輻射的能量分布可以以理想黑體輻射體方式描述和并可以應(yīng)用普朗克輻射定律。這一定律描述了黑體在很低和很高輻射波長的能量最大值和低輻射能的光譜能量分布。
考慮到紅外輻射的較長的波長(λ＞0.75μm)，材料對紅外輻射比對可見光范圍(0.4μm＜λ＜0.75μm＝的輻射的吸收更有效。在紅外譜范圍的吸收可歸于材料中離子的振動。熱輻射體經(jīng)常用于產(chǎn)生紅外輻射。所以紅外加熱元件是熱激活時在紅外光譜范圍放射熱輻射的器件。
這種熱輻射體的問題在于除了紅外輻射，在可見和紫外范圍始終放射輻射。所以，傳遞的熱值相比于輻射的整體是有限的。根據(jù)普朗克輻射定律，黑體的最大能量分布和總能量密度只取決于它的溫度，遵循維恩轉(zhuǎn)移定律(vmax～T)或斯蒂芬-玻耳茲曼(第四能量)定律(R＝σT4，σ為常量)。輻射度ε(0≤ε≤1，1相應(yīng)于理想黑體)描述了真實的熱輻射體和黑體之間的關(guān)系，所以符合公式R＝εσT4。
本發(fā)明的目的是提供一種通過熱輻射有效傳遞熱量的紅外加熱元件，特別是在真空中。本發(fā)明更深層的目的是提供一種襯底加熱器，特別是用于真空涂層設(shè)施，該襯底加熱器可使襯底以熱輻射的方式有效加熱。這里的“有效”是指一方面放射出的總能量和用于加熱的熱輻射能量的比值最佳，換句話說，減少了損失。而另一方面，目的還在于相對于加熱物體達到的溫度將加熱元件的溫度降到最小。

發(fā)明內(nèi)容
如本發(fā)明所詳述的那樣，上述目的可以通過根據(jù)權(quán)利要求1的紅外加熱元件和根據(jù)權(quán)利要求10的襯底加熱器實現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選實施例的特征是從屬權(quán)利要求中描述的特征。
根據(jù)本發(fā)明的紅外加熱元件包括由管狀金屬套環(huán)繞保護的一加熱源。該管狀套至少一定程度涂有紅外輻射層。管狀金屬套形式的加熱源護套不僅保護加熱源，還可以在管狀套內(nèi)進行熱傳導獲得均勻的熱量分布。在管狀套上至少部分涂有紅外輻射層可以增加熱輻射的效率并使得套的溫度降低而仍維持輻射熱能。
對于金屬，輻射度最好在在0.1和0.4之間，而對于紅外輻射層，輻射度大于0.7，優(yōu)選為大于0.8，更優(yōu)選為大于0.9。這種紅外輻射層在其光譜能量分布方面非常接近黑體。在這種情況下，管狀套本身并不用于輻射熱量，但是通過熱傳導的方式加熱紅外輻射層。
加熱源最好設(shè)計為加熱絲形式的電阻加熱器，例如采用鎢絲制成。而高等級鋼或耐高溫合金Inconel更適宜用作管狀金屬套，推薦采用金屬氧化物作為紅外輻射層。這些金屬氧化物是公知的良好的紅外輻射體。最好使用TiO2作為金屬氧化物。如果采用等離子體噴射，這種氧化物層特別適合用于管狀套，但是濺射也可以。以這種方式可涂敷厚度從10納米到幾毫米的薄均勻?qū)印?br> 紅外加熱元件展示出的輻射特征可以被影響，因為只有管狀套區(qū)域涂有可能產(chǎn)生紅外輻射的紅外輻射層。所以某些立體角沒有暴露在強紅外輻射下，而只暴露在紅外光譜范圍比紅外輻射層低的管狀套的輻射下。管狀套避免了加熱源的直接能量輻射指向這些立體角區(qū)域，由于在管狀套內(nèi)的熱傳導，部分能量用于加熱紅外輻射層。紅外加熱元件的效率因此可以進一步提高。
根據(jù)本發(fā)明的襯底加熱器型真空腔包括襯底和至少一個加熱元件，該加熱元件鄰近放置并根據(jù)本發(fā)明設(shè)計為一個紅外加熱元件，襯底和紅外加熱元件熱分離。這里，熱分離是指最大可能程度上不出現(xiàn)熱傳導或熱對流。這種熱分離使得只通過紅外加熱元件發(fā)射熱輻射進行加熱。由于此原因，通過紅外加熱元件的方式進行紅外輻射來加熱襯底非常有效。而且，可以選擇性加熱，這是因為襯底溫度可以通過紅外加熱元件的熱容直接調(diào)整。
襯底加熱器最好用與熱分離相似的隔熱方式與真空腔壁隔離。以這種方式，可以避免熱損失，還可以避免任何不必要的加熱；特別是可以避免真空涂層設(shè)施壁被加熱。
該至少一個紅外加熱元件最好定位，以使其縱軸排列為與襯底表面平行。因此該襯底可以非常有效地被加熱。
該至少一個紅外加熱元件的管狀金屬套最好包括一紅外輻射層，該紅外輻射層設(shè)計為筒狀縱向片段，此片段指向襯底放置。因此，由于只有襯底暴露在強紅外輻射中，加熱出現(xiàn)的方式可減少熱損失。
紅外加熱元件的數(shù)量最好這樣選定以使得襯底以盡可能均勻的方式暴露在紅外輻射中，該數(shù)量是要加熱襯底表面的函數(shù)、是紅外加熱元件的距離和其尺寸的函數(shù)。所以襯底加熱均勻而且因此基本沒有應(yīng)力。
關(guān)于某些處理，襯底必須與移動穿過不同處理腔的可移動襯底固定器(載體)相連。襯底以公知方式連接到襯底固定器。在這種情況下，襯底直接通過熱輻射同樣被紅外加熱元件加熱。這可能由于例如襯底在襯底固定器垂直(即向上)位置上運輸而發(fā)生。既然這樣，在襯底運輸穿過設(shè)施時，襯底在兩側(cè)都被加熱以確保均勻的加熱。只有在涂覆站區(qū)域?qū)σr底背離涂層側(cè)的背面一側(cè)進行加熱，以使得在涂覆時襯底溫度不會下降很多。
然而，也可以在襯底對面的襯底固定器一例放置襯底加熱器，或者襯底固定器可以具有大面積的開口或相似結(jié)構(gòu)或者將襯底固定器設(shè)計為一個框架，從而使襯底兩側(cè)以均勻且覆蓋大面積的方式暴露在熱輻射中。
根據(jù)本發(fā)明的襯底加熱器型真空腔因此可用于使襯底容易退火，例如在涂層處理時如果襯底固定器由于某些處理參數(shù)不能通過熱傳導直接加熱的情況。


示范實施例將基于附圖進行更詳細的說明，附圖示出了穿過本發(fā)明的襯底加熱器的一個部分。
具體實施例方式
在本發(fā)明實施例中，襯底加熱器包括襯底1、三個紅外加熱元件2和隔熱機構(gòu)3。紅外加熱元件2以熱分離方式放置在襯底1和隔熱機構(gòu)3之間，間距大約為2厘米。與真空腔隔熱的隔熱機構(gòu)3包括一套三個連續(xù)排列的反射板。反射板的輻射系數(shù)ε＜0.1。通過在真空中利用這些沒有熱接觸的板，熱能的交換只可以以熱輻射的方式發(fā)生?？墒怯捎谄湫≥椛湎禂?shù)，板的熱輻射相對低。例如，如果隔熱機構(gòu)3的第一個板被紅外加熱器2加熱到約500℃，第二個輻射板的溫度只有大約400℃，而相對于腔壁的最后一個板的溫度只有300℃。
公知的鎢加熱絲4用作紅外加熱元件2的加熱源；這些金屬絲以已知的方式提供電流且所提供電流根據(jù)所設(shè)定的襯底溫度通過控制回路控制。每個鎢加熱絲4由壓實的石英砂填充物7和管狀I(lǐng)nconel套5包裹。管狀套5相對于分別的鎢加熱絲4電絕緣。管狀套5在面向襯底1的表面提供有作為紅外輻射層的TiO2(二氧化鈦)層6。TiO2層6為100微米厚且以等離子體噴射的方式涂敷在管狀套5上。然而，10納米和大于10納米范圍的薄涂層也可以濺射的方式涂敷。
如果根據(jù)本發(fā)明的紅外加熱元件2距離襯底12至5厘米，襯底溫度超過400℃將需要套的溫度接近600℃。相比于純的金屬套加熱器，襯底溫度超過400℃將需要套的溫度接近850℃，這些套溫度遠低于金屬套5的熔點(大約1100℃)。所以，根據(jù)本發(fā)明的襯底加熱器可用來降低套的溫度到非臨界溫度，當襯底以熱輻射方式加熱時損失最小。
權(quán)利要求
1.一種在真空腔中加熱襯底的紅外加熱元件(2)，包括一加熱源(4)和一保護機構(gòu)，其特征在于，所述的保護機構(gòu)為保護所述加熱源的一管狀金屬套(5)并提供至少一定范圍的紅外輻射層(6)。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外加熱元件(2)，其特征在于，所述金屬的輻射率在0.1和0.4之間，所述的紅外輻射層(6)具有的輻射率大于0.7，優(yōu)選大于0.8，更優(yōu)選大于0.9。
3.如權(quán)利要求1或2所述的紅外加熱元件(2)，其特征在于，所述加熱源(4)為電阻加熱器的加熱絲。
4.如權(quán)利要求1至3中的任一所述的紅外加熱元件(2)，其特征在于，所述紅外輻射層(6)包括一金屬氧化物層。
5.如權(quán)利要求4所述的紅外加熱元件(2)，其特征在于，所述金屬氧化物層包括TiO2。
6.如權(quán)利要求5所述的紅外加熱元件(2)，其特征在于，所述TiO2層的厚度從10納米到幾毫米，優(yōu)選為為50納米至500微米，更優(yōu)選為100納米至100微米。
7.如前述的任一權(quán)利要求所述的紅外加熱元件(2)，其特征在于，所述紅外輻射層(6)通過等離子體噴射的方式涂敷在所述管狀金屬套(5)。
8.如前述的任一權(quán)利要求所述的紅外加熱元件(2)，其特征在于，所述管狀金屬套(5)包括高級鋼或Inconel。
9.如前述的任一權(quán)利要求所述的紅外加熱元件(2)，其特征在于，所述管狀金屬套(5)只在提供熱輻射的那些表面區(qū)域提供紅外輻射層(6)。
10.一種襯底加熱器型真空腔，特別用于真空涂層設(shè)備，包括一襯底(1)和至少一個近鄰其放置的加熱元件，其特征在于，所述的加熱元件為如權(quán)利要求1至9任一所述的紅外加熱元件(2)且與襯底(1)熱分離，以使得在所述襯底(1)和所述紅外加熱元件(2)之間不出現(xiàn)熱傳導或熱對流。
11.如權(quán)利要求10所述的真空腔，其特征在于，所述真空腔包括隔熱機構(gòu)(3)對所述真空腔隔熱，以使得至少一個紅外加熱元件(2)以熱分離的方式位于所述襯底(1)和所述隔熱機構(gòu)(3)之間。
12.如權(quán)利要求10或11所述的真空腔，其特征在于，所述的至少一個紅外加熱元件(2)放置為其縱軸平行于襯底表面。
13.如權(quán)利要求10至12任一所述的真空腔，其特征在于，所述的至少一個紅外加熱元件(2)的所述管狀金屬套(5)包括一筒狀縱向片段的紅外輻射層(6)，該片段面向所述襯底(1)放置。
14.如權(quán)利要求10至13任一所述的真空腔，其特征在于，所述紅外加熱元件的數(shù)量根據(jù)要加熱襯底的表面進行選擇，所選的數(shù)量使得所述襯底(1)以盡可能均勻的方式暴露在紅外輻射中。
15.如權(quán)利要求10至14任一所述的真空腔，其特征在于，設(shè)有一個襯底固定器，所述襯底(1)放置在該襯底固定器上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種紅外加熱元件(2)和一種襯底加熱器型真空腔，特別用于真空涂層設(shè)施。該紅外加熱元件(2)包括由設(shè)計為管狀金屬套(5)作為保護機構(gòu)圍繞的加熱源(4)。管狀金屬套(5)至少提供有一定范圍的紅外輻射層(6)。真空腔包括襯底(1)和至少一個設(shè)計為紅外加熱元件(2)的加熱元件，該襯底(1)和該紅外加熱元件(2)熱分離，使得只有熱輻射對加熱有貢獻。
文檔編號H05B3/50GK1738494SQ20051008713
公開日2006年2月22日 申請日期2005年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月27日
發(fā)明者迪特爾·哈斯 申請人:應(yīng)用薄膜有限責任與兩合公司