专利名称：用来提高材料的发射率的系统和方法
用来提髙材料的发射率的系统和方法发明背景本发明涉及改良材料以提高它们的发射率，具体涉及提高用于诸如吸热或 放热的金属的发射率的方法。具有高发射率表面的材料可发挥许多有用的功效，包括有效地吸热和放 热。具体来说，在工业反应器和加热炉之类的大量装置中使用电加热元件。施加到这些加热元件上的电能在所述加热元件中被转化为热，热从所述加热元件 传送到其它的对象处，例如转移到所述装置的一部分，或被该装置加工的工件。 在许多装置中，辐射是传热的一种重要形式。例如，在用来处理半导体晶 片的反应器中，加热元件与固定晶片的支架隔开，通过辐射传热向该支架传送 热量。在辐射传热中，从加热元件传送的热量随加热元件的温度升高而增加，也 会直接随着加热元件发射率变化。被加热部件的吸热量或吸收辐射量也符合这 种关系。在下文中将进一步讨论，发射率是指在相同温度下，某一表面所发射的辐射量与被称为"黑体"的理论上完美的发射表面发射的辐射量之比。某一 表面的发射率可表示为黑体发射率的百分率。具有较高发射率的加热元件在特定温度下能够辐射出更多的能量。不幸的是，许多具有其它用作加热元件所需 性质的材料也具有较低的发射率。目前最广泛采用的提高表面发射率的方法是对表面进行机械处理，以增大 表面积，以及用高发射率材料涂敷所述表面。表面机械处理包括各种凹槽切割、刻纹以及不同形式的喷砂处理。这些方 法有时难以控制，有时在单独使用的时候会造成无法接受的结果，对于某些电 阻加热元件之类的很薄的部件尤为如此。最重要的是，它们提高发射率的能力非常有限。例如，进行喷砂处理或喷丸处理之后，钼片材的发射率仅从14-15 %增大到20-25%。另一种提高表面发射率的方法是在第一材料的表面涂敷具有高发射率的 第二材料。这通常使得表面发射率等于涂层的发射率。这可在室温下达到所需 的较高发射率，但是涂层在高温下以及在严酷的加热、加压或反应环境下的可
靠性通常很低。造成这种情况的一个原因是例如基材和涂层之间的线性膨胀系 数的差异。在几个热循环之后，涂层可能会开始产生裂纹和剥落。许多涂层的 机械强度很低，很容易在安装和运作过程中被刮掉或者由于其它原因从表面上 脱落。最后，对于半导体、医学、食品、药物等之类的工业应用，涂层的材料 在与工艺环境的化学相容性以及对工艺的污染方面也存在问题。另一种可提高表面发射率的方法是采用化学气相沉积(CVD)之类的涂敷 方法涂敷与基材组成相同的涂层，对涂敷方法进行调节，以形成非常规整的表 面形态。这种涂层的主要缺点在于机械强度极低，而且对基材表面的附着性很 低。因此，尽管本领域已进行了所有的这些努力，但是人们仍然需要进一步改 进的方法，以提高加热元件之类的元件的发射率。发明概述本发明一个方面提供了一种显著提高加热元件或其它材料的表面发射率 的方法，该方法包括在微观层面进行表面改良。根据本发明该方面的某些方法 在实施的时候可以不需向所述材料本身引入任何另外的化学元素，也不需进行 宏观的再成形。根据本发明该方面最优选的方法提供了一种或多种具有高发射 率的材料的表面，这种材料的表面在长时间使用过程中保持高发射率。这些方 法通过改良克服了与工艺的相容性和造成污染的问题。根据本发明该方面的一种方法包括首先对材料的表面进行机械处理，然后 对经过机械处理的表面进行蚀刻。机械处理过程可包括许多种机械方法，例如 用某种器械或颗粒介质接触表面，例如对表面进行喷砂或喷丸处理，或者用一 种或多种喷射的液体接触表面。蚀刻步骤包括使所述表面与能够侵蚀该元件材 料的蚀刻剂接触(例如使所述表面与硝酸之类的液体接触)，或者使所述表面 跟能够与该表面材料反应或溶解该材料的等离子体相接触。最佳的是，通过机 械处理在微观层面使表面粗糙化，蚀刻步骤进一步进行粗糙化。尽管本发明并不限于任何操作理论，但是认为机械处理步骤使得表面发生 局部变形，从而在表面上的材料晶体结构中引入微观缺陷，蚀刻步骤优选侵蚀 这些缺陷处的材料。不考虑操作理论，根据本发明这个方面的优选方法能够提 供长时间具有高发射率的材料。在一个方面中，本发明可特别有效地制造具有辐射加热装置元件的加热装 置。本发明还可用来制造用于其它目的的其它元件。本发明可应用于例如用来
加热工件的基座，用来调节热环境的吸收表面等。本发明另一方面提供了一种通过上述方法制造的辐射元件。本发明另一方 面提供了包括这种元件的加热装置，以及安装了这种加热装置的系统。根据本 发明优选方面得到提高的加热元件发射率可以提供一些优点，这些优点包括更 高的传热效率，更低的能耗。在一个方面中，本发明有益地降低了要求保持特 定工件温度的工件加热设备中加热元件的操作温度，使得加热元件具有更长的 使用寿命。附图
简述图l显示了本发明一实施方式的工艺流程图。图2显示了在通过本发明一实施方式进行处理之前， 一加热元件表面的750 倍顶视图。图3显示了在通过本发明一实施方式进行机械粗糙化之后，加热元件表面 的750倍顶视图。图4显示了在通过本发明一实施方式进行机械粗糙化和蚀刻之后，加热元 件表面的750倍顶视图。图5是包括本发明一实施方式的加热元件的加热设备的截面示意图。详述图l显示了本发明一实施方式的工艺流程图。提供了一种材料(在此情况 下为未改良的加热元件IOO)，例如钼纤丝或铼纤丝。其它材料和其它加热元 件也可由其它的导电材料形成。较佳的是，所述材料是有折射能力的金属，例 如钼、铼、铌、钨等，但是所述材料也可以是合金，还可以是无折射能力的金 属或合金，例如不锈钢或铝。在图l的实施方式中，通过两步法提高了加热元件的发射率首先，对表面进行机械处理IIO，以产生微观缺陷，然后对表面进行蚀刻120。其结果是形成了改良的材料(在此情况下为改良的加热元件 140)。在机械处理步骤110中，通过例如喷砂处理、喷丸处理、或用器械对表面 进行机械处理之类的一种或多种方法，对加热元件的表面进行冷处理和粗糙 化，以形成微观缺陷。所述冷处理过程使钼或铼表面上的一些部分局部变形。 已发现喷水法可以有效地处理加热元件的表面。优选对冷处理过程的条件进行调节，在基材晶体结构的颗粒中形成高度的
微观缺陷，这些条件将根据所用的基材和粗糙化方法变化。高度需要位错和滑 移线之类的缺陷。在蚀刻步骤120中，通常通过使用等离子体或酸(例如硝酸)等的化学蚀 刻法对具有机械法形成的缺陷的表面进行蚀刻。通常可成功地使用在制备微型试样过程中用来展现晶体结构的同类蚀刻化合物。该蚀刻过程对缺陷的侵蚀程 度要比对基材的侵蚀更为剧烈。这使得表面缺陷加深，在微观层面上形成凹槽 的网络。应以一定的方式调节蚀刻过程中的浓度、温度和持续时间，在不会从 表面上显著除去基材的前提下得到最高的发射率。可以对处于最终可用形式(例如用于电阻加热装置的纤丝形式)的元件进 行机械处理和蚀刻步骤。或者可以在机械处理和蚀刻步骤之后，或者在这些步 骤之间，通过将所述元件切割或成形制成最终所需形状，对其进行进一步的处 理步骤。在一个例子中，所述基材是经过机械处理、清洁和蚀刻的钼板，在1.5微米 的初始整体光谱发射率约为10-12%。为进行机械粗糙化步骤，对表面进行钢丸喷射处理(丸料直径300微米)， 直至钼板上形成均匀灰色粗糙的表面层。在此步骤之后，发现发射率升高到大 约35%。然后在室温(约20'C)下，使喷丸处理后的表面与10%的硝酸(HN03) 水溶液接触30分钟，以进行蚀刻步骤，然后对改良后的钼板或铼板进行冲洗和 烘烤。发现蚀刻之后钼的发射率为50-55%，铼的发射率更高，为70-80°%。图2-4提供了上述例子中不同阶段的一些微结构的例子。图2显示了加热元 件表面200在进行处理之前的750倍放大的电子显微照片顶视图。此图中仅显示 出表示晶体颗粒边界的很小的表面特征210、 220，其通常具有较低的发射率。图3显示了加热元件表面300在进行了所述例子的喷丸处理步骤之后的750 倍放大的顶视图。在通过粗糙化在材料表面中产生微型缺陷之后，在材料表面 上除了可以观察到上述晶体颗粒边界以外，还可观察到由于喷丸处理和/或高度 变化造成的很小的表面特征310、 320。图4显示了进行喷丸处理和硝酸蚀刻之后的加热元件表面400的750倍放大 的顶视图。在进行喷丸处理和蚀刻之后，在材料上可以观察到大面积的"网线" 状表面缺陷(主要是材料晶体结构中的滑移线， 一部分是位错)410、 420，在 对应的晶体颗粒边界中也有这样的缺陷。结果该表面的发射率比未改变或机械 粗糙化的钼有所提高。图5是包括本发明一实施方式的半导体处理设备的截面示意图，在此情况 下该设备是用来处理晶片的半导体反应器，此图经过简化处理，而且不是按比 例绘制的。设备中除加热元件以外的元件可以是用来处理半导体晶片的常规基 座基旋转盘反应室，或者其它半导体或CVD反应器，例如Veeco Instruments, Inc.的TurboDisc分部销售的注册商标为TurboDisc⑧的反应器。在一个实施方式中，所述设备包括具有内表面504的反应室502。在该室的 顶部， 一组气体入口提供反应气和/或载气，例如在一组一个或多个晶片上沉 积外延层。同时用一组加热元件520对加热基座510进行恒定的加热，所述加热 元件520可分隔在多个加热区之内。所述加热元件520优选由具有折射能力的金 属制成，例如钼或更优选的铼。对该加热元件提供与电源(未显示)相连的电 流(未显示)。另外，通过上述方法处理所述加热元件520的顶面，以形成具 有高发射率的表面525。在所述加热元件520和基座510下方设置挡板530。所述加热元件520和反应 器500通常是通过外部控制器550来控制。通常在直接位于所述基座510上的晶 片支架560中固定一个或多个晶片570。在一旋转盘反应器中，晶片支架560在 马达580的驱动下，以高达例如1500rpm或更高的转速在轴540上旋转。在操作 中，电能在加热元件520中转化为热，并基本上通过辐射传热传送到基座510。 基座又对晶片支架560和晶片570进行加热。本发明的方法优选不限于加热元件，也不限于半导体反应器。暴露于来自 外源的辐射能的元件吸收的辐射量也与该元件的发生率直接相关。因此，本发 明可用于用来吸收辐射能的元件。例如，可以用本发明的方法处理基座510的 表面，以提高其吸收率，或者可类似地处理反应器的其它部件的表面。尽管已经结合具体实施方式
描述了本发明，但是应当理解这些实施例仅用 来说明本发明的原理和实施。因此应当理解可以在不背离所附权利要求书所限 定的本发明精神和范围的前提下，对所述的实施方式进行大量的改变，还可进 行其它的设计。
权利要求
1.一种提高材料的发射率的方法，该方法包括对所述材料的表面进行机械处理；对所述材料经过处理的表面进行蚀刻。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述机械处理包括对所述表面进行机械粗糙化。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述机械处理包括使所述表面与 器械接触。
4. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述机械处理包括使所述表面与 颗粒介质相接触。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述接触步骤包括对所述表面进 行喷丸处理。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述机械处理包括使所述表面与 一种或多种喷射的液体接触。
7. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，蚀刻是通过使所述处理过的表面 与活性酸接触来进行的。
8. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述材料包括具有折射能力的金属。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述具有折射能力的金属包括铼。
10. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述具有折射能力的金属包括钼。
11. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述具有折射能力的金属包括钨。
12. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述具有折射能力的金属包括含 有铼、钼、鸨和铌中至少一种的合金。
13. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述材料是辐射加热元件。
14. 一种辐射加热装置，包含由如权利要求l所述的方法制备的材料。
15. —种辐射加热装置，包含由如权利要求2所述的方法制备的材料。
16. —种辐射加热装置，包含由如权利要求3所述的方法制备的材料。
17. 如权利要求14所述的加热装置，其特征在于，所述材料是电阻加热纤 丝。
18. —种用来加热工件的系统，该系统包括如权利要求14所述的加热装置， 以及用来将工件固定在所述加热装置附近的结构。
19. 一种半导体处理反应器，该反应器包括反应室、位于所述反应室内的如权利要求17所述的加热装置、以及位于所述反应室内与所述加热装置靠近的位置的半导体晶片固定装置。
20. —种具有提高的发射率的元件，所述元件包括具有第一表面的材料，所述第一表面包括微结构缺陷和位错中的至少一种，所述微结构缺陷和位错是 通过对所述材料的第一表面进行机械处理和蚀刻形成的。
21. 如权利要求20所述的元件，其特征在于，所述元件包括辐射加热元件。
22. 如权利要求21所述的元件，其特征在于，所述辐射加热元件的材料包 含具有折射能力的金属，所含折射金属单独存在，或者为合金的形式。
23. 如权利要求22所述的元件，其特征在于，所述辐射加热元件的材料包 括铼、钼、钨和铌中的至少一种。
24. —种制备用于晶片支架的材料的方法，该方法包括 对材料的表面进行机械粗糙化； 对经过粗糙化的表面进行化学蚀刻。
25. —种晶片支架，该支架包含由权利要求24所述的方法制备的材料。
26. 如权利要求25所述的晶片支架，其特征在于，所述材料包括铼、钼、 钩和铌中的至少一种。
27. —种制备用于吸热表面的材料的方法，该方法包括 对一材料的表面进行机械粗糙化；对所述经粗糙化的表面进行化学蚀刻。
28. —种吸热表面，包含由如权利要求27所述的方法制备的材料。
29. 如权利要求28所述的吸热表面，其特征在于，所述材料包括铼、钼、 钨和铌中的至少一种。
全文摘要
本发明揭示了一种用来提高固体材料的发射率的系统和方法，首先对所述材料的表面进行机械处理，以形成微型缺陷，然后进行蚀刻，以形成深的微型粗糙表面结构。通过这种方式，当这些经改良的材料被用于加热元件的时候，可以获得较高的效率和较低的能耗。因此根据该方法制造的改进的加热元件在用于各种加热装置的时候，能够在较低温度下操作，具有较长的寿命。
文档编号H05B3/00GK101119859SQ200480043268
公开日2008年2月6日 申请日期2004年10月19日 优先权日2004年6月9日
发明者A·古拉里, V·博古斯拉夫斯基 申请人:维高仪器股份有限公司