专利名称：一种红外加热元件及衬底加热器型真空腔的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1和权利要求10前序部分所述的红外加热元件及衬底加热器型真空腔，特别用于真空涂层设施。
背景技术：
热量可以通过热传导、热辐射和热对流进行空间传递。其中热传导以分子碰撞的方式发生，因此需要物质中存在温度梯度；热对流取决于液体或气体的宏观运动，这些气体或液体的热量转义到另一点。热辐射本质上是电磁的。
在某些工艺中衬底不能通过热传导直接加热。例如，衬底可以放在一可移动的衬底固定器(载体)上，该固定器将衬底移动穿过不同的处理腔。很难装配这种具有加热板的载体，例如BN电阻衬底加热器。这里所需要的是可能因摩擦产生的可运载电流和产生颗粒的电滑动触点。在溅射阴极领域中，可能在实际接触时产生辅助等离子体，该辅助等离子体可以干扰从溅射阴极发出的等离子体或是引起闪弧。沉积在衬底上的颗粒可能导致“小孔”，这是因为这些颗粒在被涂覆后从衬底剥落，或是作为功能层的缺陷残留在衬底。此外，对于具有光滑且水平的表面以保证传递到衬底的热量覆盖整个表面区域的加热板，需要大量时间和努力来产生接触表面。如果衬底上只有局部点位于加热表面，敏感的衬底可能被热应力毁坏，这是因为真空中不含有任何产生热传递的媒介，如空气。另外，每种衬底需要有特定的加热表面；既然这样，此加热表面还必须能耐划或防尘。
衬底既可以在衬底固定器上水平运输也可以在垂直(例如向上)位置运输。衬底插入到结构或台架中，以弹簧方式支撑，因此该衬底固定器(载体)在其底端的轮子上移动，在其顶端位置磁性固定。这种衬底运输方式在例如瑞士专利CH 691 680A中有描述。
另一方面，此外可以想象，特别是大面积衬底的情况，通过包含例如轮子的运输系统运输衬底穿过该真空单元。还是这种情况，因为衬底是暴露的，不可能通过热传导的方式加热衬底。
如果热传导在真空中不可能进行，只能选择热辐射来传递热量。热辐射的能量分布可以以理想黑体辐射体方式描述和并可以应用普朗克辐射定律。这一定律描述了黑体在很低和很高辐射波长的能量最大值和低辐射能的光谱能量分布。
考虑到红外辐射的较长的波长(λ＞0.75μm)，材料对红外辐射比对可见光范围(0.4μm＜λ＜0.75μm＝的辐射的吸收更有效。在红外谱范围的吸收可归于材料中离子的振动。热辐射体经常用于产生红外辐射。所以红外加热元件是热激活时在红外光谱范围放射热辐射的器件。
这种热辐射体的问题在于除了红外辐射，在可见和紫外范围始终放射辐射。所以，传递的热值相比于辐射的整体是有限的。根据普朗克辐射定律，黑体的最大能量分布和总能量密度只取决于它的温度，遵循维恩转移定律(vmax～T)或斯蒂芬-玻耳兹曼(第四能量)定律(R＝σT4，σ为常量)。辐射度ε(0≤ε≤1，1相应于理想黑体)描述了真实的热辐射体和黑体之间的关系，所以符合公式R＝εσT4。
本发明的目的是提供一种通过热辐射有效传递热量的红外加热元件，特别是在真空中。本发明更深层的目的是提供一种衬底加热器，特别是用于真空涂层设施，该衬底加热器可使衬底以热辐射的方式有效加热。这里的“有效”是指一方面放射出的总能量和用于加热的热辐射能量的比值最佳，换句话说，减少了损失。而另一方面，目的还在于相对于加热物体达到的温度将加热元件的温度降到最小。
发明内容
如本发明所详述的那样，上述目的可以通过根据权利要求1的红外加热元件和根据权利要求10的衬底加热器实现。本发明的优选实施例的特征是从属权利要求中描述的特征。
根据本发明的红外加热元件包括由管状金属套环绕保护的一加热源。该管状套至少一定程度涂有红外辐射层。管状金属套形式的加热源护套不仅保护加热源，还可以在管状套内进行热传导获得均匀的热量分布。在管状套上至少部分涂有红外辐射层可以增加热辐射的效率并使得套的温度降低而仍维持辐射热能。
对于金属，辐射度最好在在0.1和0.4之间，而对于红外辐射层，辐射度大于0.7，优选为大于0.8，更优选为大于0.9。这种红外辐射层在其光谱能量分布方面非常接近黑体。在这种情况下，管状套本身并不用于辐射热量，但是通过热传导的方式加热红外辐射层。
加热源最好设计为加热丝形式的电阻加热器，例如采用钨丝制成。而高等级钢或耐高温合金Inconel更适宜用作管状金属套，推荐采用金属氧化物作为红外辐射层。这些金属氧化物是公知的良好的红外辐射体。最好使用TiO2作为金属氧化物。如果采用等离子体喷射，这种氧化物层特别适合用于管状套，但是溅射也可以。以这种方式可涂敷厚度从10纳米到几毫米的薄均匀层。
红外加热元件展示出的辐射特征可以被影响，因为只有管状套区域涂有可能产生红外辐射的红外辐射层。所以某些立体角没有暴露在强红外辐射下，而只暴露在红外光谱范围比红外辐射层低的管状套的辐射下。管状套避免了加热源的直接能量辐射指向这些立体角区域，由于在管状套内的热传导，部分能量用于加热红外辐射层。红外加热元件的效率因此可以进一步提高。
根据本发明的衬底加热器型真空腔包括衬底和至少一个加热元件，该加热元件邻近放置并根据本发明设计为一个红外加热元件，衬底和红外加热元件热分离。这里，热分离是指最大可能程度上不出现热传导或热对流。这种热分离使得只通过红外加热元件发射热辐射进行加热。由于此原因，通过红外加热元件的方式进行红外辐射来加热衬底非常有效。而且，可以选择性加热，这是因为衬底温度可以通过红外加热元件的热容直接调整。
衬底加热器最好用与热分离相似的隔热方式与真空腔壁隔离。以这种方式，可以避免热损失，还可以避免任何不必要的加热；特别是可以避免真空涂层设施壁被加热。
该至少一个红外加热元件最好定位，以使其纵轴排列为与衬底表面平行。因此该衬底可以非常有效地被加热。
该至少一个红外加热元件的管状金属套最好包括一红外辐射层，该红外辐射层设计为筒状纵向片段，此片段指向衬底放置。因此，由于只有衬底暴露在强红外辐射中，加热出现的方式可减少热损失。
红外加热元件的数量最好这样选定以使得衬底以尽可能均匀的方式暴露在红外辐射中，该数量是要加热衬底表面的函数、是红外加热元件的距离和其尺寸的函数。所以衬底加热均匀而且因此基本没有应力。
关于某些处理，衬底必须与移动穿过不同处理腔的可移动衬底固定器(载体)相连。衬底以公知方式连接到衬底固定器。在这种情况下，衬底直接通过热辐射同样被红外加热元件加热。这可能由于例如衬底在衬底固定器垂直(即向上)位置上运输而发生。既然这样，在衬底运输穿过设施时，衬底在两侧都被加热以确保均匀的加热。只有在涂覆站区域对衬底背离涂层侧的背面一侧进行加热，以使得在涂覆时衬底温度不会下降很多。
然而，也可以在衬底对面的衬底固定器一例放置衬底加热器，或者衬底固定器可以具有大面积的开口或相似结构或者将衬底固定器设计为一个框架，从而使衬底两侧以均匀且覆盖大面积的方式暴露在热辐射中。
根据本发明的衬底加热器型真空腔因此可用于使衬底容易退火，例如在涂层处理时如果衬底固定器由于某些处理参数不能通过热传导直接加热的情况。
示范实施例将基于附图进行更详细的说明，附图示出了穿过本发明的衬底加热器的一个部分。
具体实施例方式
在本发明实施例中，衬底加热器包括衬底1、三个红外加热元件2和隔热机构3。红外加热元件2以热分离方式放置在衬底1和隔热机构3之间，间距大约为2厘米。与真空腔隔热的隔热机构3包括一套三个连续排列的反射板。反射板的辐射系数ε＜0.1。通过在真空中利用这些没有热接触的板，热能的交换只可以以热辐射的方式发生。可是由于其小辐射系数，板的热辐射相对低。例如，如果隔热机构3的第一个板被红外加热器2加热到约500℃，第二个辐射板的温度只有大约400℃，而相对于腔壁的最后一个板的温度只有300℃。
公知的钨加热丝4用作红外加热元件2的加热源；这些金属丝以已知的方式提供电流且所提供电流根据所设定的衬底温度通过控制回路控制。每个钨加热丝4由压实的石英砂填充物7和管状Inconel套5包裹。管状套5相对于分别的钨加热丝4电绝缘。管状套5在面向衬底1的表面提供有作为红外辐射层的TiO2(二氧化钛)层6。TiO2层6为100微米厚且以等离子体喷射的方式涂敷在管状套5上。然而，10纳米和大于10纳米范围的薄涂层也可以溅射的方式涂敷。
如果根据本发明的红外加热元件2距离衬底12至5厘米，衬底温度超过400℃将需要套的温度接近600℃。相比于纯的金属套加热器，衬底温度超过400℃将需要套的温度接近850℃，这些套温度远低于金属套5的熔点(大约1100℃)。所以，根据本发明的衬底加热器可用来降低套的温度到非临界温度，当衬底以热辐射方式加热时损失最小。
权利要求
1.一种在真空腔中加热衬底的红外加热元件(2)，包括一加热源(4)和一保护机构，其特征在于，所述的保护机构为保护所述加热源的一管状金属套(5)并提供至少一定范围的红外辐射层(6)。
2.如权利要求1所述的红外加热元件(2)，其特征在于，所述金属的辐射率在0.1和0.4之间，所述的红外辐射层(6)具有的辐射率大于0.7，优选大于0.8，更优选大于0.9。
3.如权利要求1或2所述的红外加热元件(2)，其特征在于，所述加热源(4)为电阻加热器的加热丝。
4.如权利要求1至3中的任一所述的红外加热元件(2)，其特征在于，所述红外辐射层(6)包括一金属氧化物层。
5.如权利要求4所述的红外加热元件(2)，其特征在于，所述金属氧化物层包括TiO2。
6.如权利要求5所述的红外加热元件(2)，其特征在于，所述TiO2层的厚度从10纳米到几毫米，优选为为50纳米至500微米，更优选为100纳米至100微米。
7.如前述的任一权利要求所述的红外加热元件(2)，其特征在于，所述红外辐射层(6)通过等离子体喷射的方式涂敷在所述管状金属套(5)。
8.如前述的任一权利要求所述的红外加热元件(2)，其特征在于，所述管状金属套(5)包括高级钢或Inconel。
9.如前述的任一权利要求所述的红外加热元件(2)，其特征在于，所述管状金属套(5)只在提供热辐射的那些表面区域提供红外辐射层(6)。
10.一种衬底加热器型真空腔，特别用于真空涂层设备，包括一衬底(1)和至少一个近邻其放置的加热元件，其特征在于，所述的加热元件为如权利要求1至9任一所述的红外加热元件(2)且与衬底(1)热分离，以使得在所述衬底(1)和所述红外加热元件(2)之间不出现热传导或热对流。
11.如权利要求10所述的真空腔，其特征在于，所述真空腔包括隔热机构(3)对所述真空腔隔热，以使得至少一个红外加热元件(2)以热分离的方式位于所述衬底(1)和所述隔热机构(3)之间。
12.如权利要求10或11所述的真空腔，其特征在于，所述的至少一个红外加热元件(2)放置为其纵轴平行于衬底表面。
13.如权利要求10至12任一所述的真空腔，其特征在于，所述的至少一个红外加热元件(2)的所述管状金属套(5)包括一筒状纵向片段的红外辐射层(6)，该片段面向所述衬底(1)放置。
14.如权利要求10至13任一所述的真空腔，其特征在于，所述红外加热元件的数量根据要加热衬底的表面进行选择，所选的数量使得所述衬底(1)以尽可能均匀的方式暴露在红外辐射中。
15.如权利要求10至14任一所述的真空腔，其特征在于，设有一个衬底固定器，所述衬底(1)放置在该衬底固定器上。
全文摘要
本发明涉及一种红外加热元件(2)和一种衬底加热器型真空腔，特别用于真空涂层设施。该红外加热元件(2)包括由设计为管状金属套(5)作为保护机构围绕的加热源(4)。管状金属套(5)至少提供有一定范围的红外辐射层(6)。真空腔包括衬底(1)和至少一个设计为红外加热元件(2)的加热元件，该衬底(1)和该红外加热元件(2)热分离，使得只有热辐射对加热有贡献。
文档编号H05B3/50GK1738494SQ20051008713
公开日2006年2月22日 申请日期2005年7月27日 优先权日2004年7月27日
发明者迪特尔·哈斯 申请人:应用薄膜有限责任与两合公司