混合式微波和辐射加热熔炉系统的制作方法
【专利说明】混合式微波和辐射加热熔炉系统
[0001]与联邦资助的研究或开发有关的声明
[0002]不适用。
[0003]相关申请的交叉引用
[0004]本申请依据35U.S.C.§ 119(3)要求享有于2012年十月11日提交的标题为“具有混合式微波和辐射加热的熔炉系统”的美国临时专利申请61/712444的权益，所述美国临时专利申请对于所有目的而言以其全文通过引用结合在本文中。
【背景技术】
[0005]对于制品和材料的热处理而言，需要在不引起热应力的情况下对制品或材料进行迅速且均匀地加热，所述热应力能够损伤受到处理的制品或材料。制品(诸如用于平板电脑的触控屏，用于构造太阳能电池和烧结陶瓷的硅晶圆)在以管理不当的方式加热的情况下特别容易出现热应力。
【发明内容】
[0006]一种用于制品和材料的热处理的熔炉系统和方法被公开。所述系统和方法例如在处理用于平板电脑的触控屏和用于构造太阳能电池、玻璃涂层、烧结陶瓷以及碳纤维结构的硅晶圆中特别有效。另一个示例性应用是作为太阳能电池或板的构造过程的一部分而使磷或硼扩散到半导体晶圆中。本发明不限于所述应用，而是能够更广泛地应用于工件和材料的热处理，期望的是在所述热处理中以受控方式进行迅速且均匀的加热。
[0007]所述系统利用工件的微波和辐射加热的混合以提供工件的受控加热。在一个实施方式中，所述系统包括隔热熔炉外壳，所述隔热熔炉外壳具有入口端和出口端并且在外壳内具有熔炉腔室，所述熔炉腔室可以分隔成一个或多个区域。传送器组件配置成用于将工件通过熔炉腔室从入口端运送到出口端。多个接收器在腔室中置于所述腔室的至少一个区域中，接收器定位在传送器的上方以限定工件被运送通过的腔室。多个微波源设置成在腔室中提供微波辐射以均匀地加热由传送器运送通过腔室的工件并且提供所述多个接收器的均匀加热。在大于约600°C的温度中，接收器在由所述多个微波源进行微波加热之后起作用以提供被运送通过腔室的工件的均匀辐射加热。
[0008]接收器在优选实施方式中包括多个棒，每个棒由高温高纯度复合陶瓷材料构成，棒以隔开的关系跨过腔室的宽度置于腔室的至少一个区域中并且定位以接收来自所述多个微波源的微波辐射并且将辐射能量提供到被运送通过腔室的工件。接收器棒能够在数量和间隔方面改变，以便调节适合于在熔炉中处理的具体工件的功率级别和加热曲线。
[0009]接收器的单位体积功率被确定以由接收器提供预期微波吸收量，以便吸收足够的微波能量，用于接收器的加热以及将辐射能量发射到工件或制品上。
[0010]对于通常小于约600°C的较低操作温度而言，接收器不产生工件的大量辐射加热，而是通过控制微波场以提供工件的更均匀微波加热。
[0011]每个微波源由相对较低功率和较低损耗的磁控管构成并且可操作以将微波能量引入到腔室中，所述磁控管耦连到围绕腔室壁中的孔口安装的号角件。多个所述源置于阵列中，所述阵列可操作以将微波能量通过壁中的相应孔口引入到腔室中。磁控管由相应电源或替代地由一个或多个共享的电源提供动力以将所需电功率提供到磁控管。提供到磁控管的功率能够由相关联的功率控制器控制，用于改变由相应源提供的功率并且用于切换相应源开启和关闭。微波阵列内的源的数量和间隔能够被可选择地确定，提供到阵列的每个源的功率也能够被可选择地确定，以便产生引入到熔炉腔室中的微波能量的预期功率级别和/或曲线。
[0012]本身在本领域中已知的一个或多个模式搅拌器配置在熔炉腔室中并且可操作以将微波模式混合以在腔室内提供更均匀电场。在一个优选实施方式中，在腔室的相应侧壁上利用两个模式搅拌器。
[0013]微波阻断器配置在熔炉的入口端和出口端处以防止微波能量从熔炉泄漏到外部环境。能够围绕突伸通过熔炉壁的任何轴(诸如模式搅拌器的轴)利用隔热件以防止微波能量的泄漏。
[0014]所述系统包括用于每个微波源的独立控制和熔炉腔室中的温度的闭环控制的控制系统。热电偶或其它温度传感器配置在熔炉腔室中，用于监控腔室温度，以及红外测温仪或其它传感器被利用以测量被运送通过腔室的工件的温度。来自这些传感器的信号提供到控制系统并且被利用以控制温度以维持预期工件温度和处理温度。不同温度能够配置在多区域熔炉的相应区域中以在工件被传送通过区域时提供预期热曲线。
[0015]必须考虑到工件的介电特性，以便实现预期处理曲线和控制程度。
[0016]传送器由带材料和适合于在微波场中使用的构造制成。例如，传送器能够利用对于微波而言透明的石英辊子。传送带还能够由金属制成并且能够电接地，因为加热的金属具有较小微波反射性并且能够在微波腔室中使用。能够取决于制品的本质和重量利用其它传送器(诸如辊子或推杆机构)。
[0017]本发明还能够在批处理熔炉中实施，在这种情况下传送带和阻断器将通常是没有必要的。在批处理系统中，熔炉腔室配置在适当外壳内，并且密封门能够配置成用于访问腔室，以装载和去除将在腔室中受到处理的制品。门被热密封以最小化加热损失并且还被微波密封以最小化微波能量的泄漏。
【附图说明】
[0018]本发明将从以下详细描述并且结合附图而被更充分地理解，其中:
[0019]图1是依照本发明的熔炉系统的示意图；
[0020]图2A是依照本发明的微波源的立体图；
[0021]图2B是沿图2A的A-A线取得的剖视图；
[0022]图3是用于磁控管阵列的监控设备的示意图；
[0023]图4是微波源阵列的电场图案的示意图；
[0024]图5是用于熔炉系统的控制器的框图；
[0025]图6是热箱的俯视图；
[0026]图7是沿图6的A-A线取得的立面剖视图；
[0027]图8是热箱的立体图；
[0028]图9是沿图7的B-B线取得的剖视图；
[0029]图10是依照本发明的阻断器的立体图；以及
[0030]图11是图10的阻断器的立面剖视图。
【具体实施方式】
[0031]本申请依据35U.S.C.§ 119(3)要求享有于2012年十月11日提交的标题为“具有混合式微波和辐射加热的熔炉系统”的美国临时专利申请61/712444的权益，所述美国临时专利申请对于所有目的而言以其全文通过引用结合在本文中。
[0032]总体系统
[0033]依照本发明的连续式熔炉系统的实施方式在图1中示意性地展示。所述系统包括熔炉外壳100，所述熔炉外壳具有入口或进入端102和出口或退出端104。微波阻断器106配置在熔炉的进入端处，并且微波阻断器108配置在熔炉的退出端处。各阻断器在构造方面是相同的，并且在所展示的实施方式中是将在下文中进一步描述的两阶段阻断器。熔炉腔室111配置在熔炉外壳中，并且所述熔炉腔室可以分隔成一个或多个加热区域。传送带110延伸通过熔炉并且进入和退出阻断器，用于将工件通过熔炉腔室从进入端运送到退出端。传送带是例如置于链轮112上的连续式带，所述链轮连接到适当传送器驱动机构，用于使带110以预期速度移动通过熔炉。将在下文中描述的热箱101在熔炉腔室中置于传送器的上方并且包含沿腔室的长度和宽度设置的多个接收器棒。
[0034]磁控管阵列114置于熔炉外壳的顶部上并且可操作以将微波能量从阵