TWI299515B - An infrared heating element and a substrate heater type vacuum chamber, particularly for vacuum coating facilities - Google Patents

Description

1299515 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 種基板加熱 ，相對於申 本發明財_於-種、红外線加熱元件與一 型真空艘室，且特別有關於-種真空塗佈設備 請專利範圍第1項與第項的前言（preamble 【先前技術】 熱可以熱傳導、熱輻射與熱對流等方式在空間裡傳 遞，其中熱傳導係藉由分子的碰撞產生，因此需要一溫度 梯度，熱對流係與液體或氣體中的微觀移動相關，其熱含 里係以其它方式傳遞；而熱輻射本質上為一電磁現象。 在某些製程中，基板無法直接以熱傳導的方式進行加 熱，例如基板置於可移動基板支架（置放架）上以使基板在 各製程艙室中移動時，難於其上加裝如βΝ電阻基板加熱器 等加熱板；在這種情況下，需要可承載電流的電性滑動接 觸點且不會產生剝落的顆粒的設計。在濺鍍陰極中，接觸 點上可能會有從濺鍍陰極上所產生的電漿與產生飛弧的二 級電聚，使沈積在基板上的顆粒於基板上產生孔洞，在塗 佈處理後，可能會有顆粒從基板上掉下來，或是留在基板 上，开> 成功能缺陷層；再者，還需要花很多時間和精力製 造出平滑的加熱板接觸表面，以確保熱可以傳遞至整個基 板表面區域，如果有一小塊基板表面沒被加熱到，對於敏 感的基板而& ’可Sb就會因為熱應力而損壞，因為在真空 環境不像在大氣環境’並沒有任何接觸媒介可以傳遞熱； 3055-7033-PF;Ahddub 5 1299515 此外尚而要針對各式基板訂做合適的加熱面 面上做防到或防污處理。 在加熱 I板切可以水平或垂直（即直立的）的方式運 板’其中基板會插人框架或支架裡且藉由彈 」 使基板支架（置放竿）在节於μ孩A ，、 4，精以 甘"置放木)在/袞輪上移向下端且可利用磁力夾住 一’此基板運輸工具如已於CH 691咖a中揭露。 特別是在以包括滾輪的運輪 板經過真空單元時，不能以熱傳導的方式加熱基板^ 基板會爆裂。 I U為 若在真空中不能執行熱傳導’則只能藉由熱輻射方式 來進打熱傳遞，熱輕射的能量分佈可利用黑體輻射與 Planck s輻射定律來描述，此定律描述黑體光譜能量分 佈之最高與低輻射能量所顯現的非常低與非常高波長的輕 射。 對其較長波長（又>0.75“）而言，紅外線輻射會比可 見光範圍（〇々m<又<0.75/zm)的輕射更有效率地被材料 所吸收。紅外線光譜範圍的吸收度與材料中的離子的振動 有^熱輻射常用來產生紅外線輻射，因此當熱於其上作 用時’紅外線加熱元件會在紅外線光譜範圍發出熱輻射。 :種熱輻射器的問題在於其所發出的輻射離紅外線輻 射太退’常是在可見光與紫外線的範圍發出輻射，所以其 加熱轉換力小，效率不好。根據Planck輻射定律所述，，里 體輻射的最大能量分佈與整體能量密度只與其溫度有關， 可以Wien位移疋律（hax〜T)或 3055-7033-PF；Ahddub 6 1299515 .σ。㈣h-P略）定律（R〜r，其中。為一常數）描述；而 介於真實情況與黑體輕射間的熱輕射現象可以發射率£來 描述（0 S ε $ 1，1為理想的里躺 0黑體輻射），其符合R=e σΤ4。 【發明内容】 本發明的目的就是製造_種紅外線加熱元件，以熱輕 射的方式，常有效地傳遞熱，特別是在真空中。本發明的 另目的就疋提供-種基板加熱器，特別可用於真空塗佈 >設備’以使基板可以熱輕射的方式非常有效地被加熱。在 上下文中，「有效」一詞表示最佳化所發射的整體能量與 用來加熱的熱輻射能It b里的比’換句話說，就是能量損失減

少，此外，加熱元半的、、w # $ # X 仵的酿度希望會比被加熱的物體所欲達 到的溫度要低。 如本發明所述，上述目的可藉由申請專利範圍第1項 2外線加熱元件與第10項之基板加熱器來達成。本發明 ，實施例的優點係以其附屬項所界定。 — '月的、’工外線加熱兀件包括加熱源，此加熱源由設 :成管狀金屬罩狀的保護裝置所圍繞，此管狀罩至少一部 份塗:了紅外線發射層，遮蔽加熱源的管狀金屬罩不只可 、保漢加熱源’也可均句分佈熱傳導所帶來的熱；管狀罩 上之至少-部份塗佈的紅外線發射層可增加熱輕射的效 率’且在相同輻射熱能時，金屬罩的溫度得以下降。 上述金屬較佳具有0· 1〜0· 4間的發射率。紅外線的發 射率約大於〇. 7，較佳者約大於0.8,更佳者約大於〇·9。 3055-7033-PF;Ahddub 7 1299515 、外線發射層的光譜能量分佈相當接近黑體輕射，在此 例中，官狀罩自己不會發熱，但會以熱傳導的方式献 給紅外線發射層。 …專 “加熱源較佳設計成線型加熱之電阻型加㉟器，如用鶴 來代同等級鋼或耐鬲溫合金Inc〇nei@很適合用來作為管 狀金屬罩的材料。金屬氧化物可用來作為紅外線發射芦， 這些金屬氧化物如Tl〇2可發射良好的紅外線，且可使用電 漿噴霧形成於管狀罩上，也可利用濺鍍方式形成，且此層 的厚度約為1 〇〜數個毫米。 &紅外線加㉟兀件的輻射特性只會影冑塗佈在管狀罩 上、、產生紅外線輻射的紅外線發射層。有某些固體角度不 會被強紅外線輻射照到，但會被管狀罩的輻射照到，：管 狀罩的幸畐射較紅外線發射層的輻射位於紅外線光譜的較低 2圍’所以管狀罩可預防加熱源的能量輕射直接照到固體 =，且有部分的能量可以熱傳導的方式來加熱紅外線 毛射層，因此本發明的紅外線加熱元件的效率可大幅提高。 、本發明的基板加熱型真空艙室包括基底與設置田於：底 附=的至少了加熱元件’且此加熱元件為本發明的紅二線 U件’以使基底與紅外線加熱元件為熱非對稱裁合， 此熱非對稱耦合意謂熱傳導和對流不會上升，此熱非： 搞所產生的熱只有紅外線加熱元件所發射的熱輻射，所以 基材可藉由紅外線加熱元件所發出的紅外線輻射 :加熱’再者’因為基板溫度直接與紅外線加熱元件的加 熱力相關，所以此加熱方式非常具有選擇性。 3055-7033-PF；Ahddub 8 1299515 基板加熱器較佳以使壯 熱絕緣裝置的真空艙室的外壁 作熱絕緣，且作熱非對 心a ”冉耦合，以避免損失熱且防止產生 何不舄要的熱，特別可P 亩 方止真二塗佈設備的外壁被加熱。 車父佳者，至少_ M L Α ^ 、外線加熱元件之縱軸與基板表面平 仃，以使基板有效地被加熱。 較佳者，至少_紅々k ☆ 、，工外線加熱元件的管狀金屬罩所包括 的紅外線發射層設計成圓知 T珉®柱縱向切片，且此切片朝向基 板，由於只有基板暴露在 xr琛輻射下，所以可減少埶 的損失。 ' 紅外線加熱元件數目的 于数目的選擇較佳與暴露且被加熱的基 板表面、紅外線加熱元件的 旧此離與尺寸相關，且暴露至基 底的紅外線輻射越均勻越好，以使基底均句地加孰， 大應力產生的現象。 在實際製程中’基板必須附在可移動的基板支架（置放 架）上’以將基板移至各製程艘室卜在此例中，基板係利 用紅外線加熱元件直接做熱輻射加熱，且基板可能是以垂 直方向在基板支架上作傳遞，所以在設備中傳遞的基板需 從兩端加熱’以確保加熱均勻。由於只有在基板被塗佈的 部分被加熱’而另一面不會，所以基板溫度在塗佈時不會 掉得太多。 然而，也可將基板加熱器置於相對於基板之基板支架 另一側，或是具有大面積開口或設計成圍籬狀的基板2 架，以使基板兩面皆暴露在平坦且大面積的熱輻射下。 綜上所述，本發明的基板加熱型真空艙室易於用來作 3055-7033-PF/Ahddub 9 .1299515

基板支架難以藉由 ’即可利用本發明 基板的退火處理，例如在塗佈製程中， 一般製程參數以熱傳導方式直接加熱時 解決。 【實施方式】 下列為本發明之實施例，將配合圖示作更詳細的說 明。此圖示係描繪本發明之基板加熱器。 在本發明之-實施例中，基板加熱器包括基板卜3個 紅外線加熱元件2與熱絕緣裝置3。其中紅外線加熱元件2 位於基板1與熱絕緣裝置3間，且以大約2公分的距離熱 非對稱輕合；用來對真空艙室作熱絕緣的熱絕緣裝置3包 2-套3個依序設置的反射發射台，此反射發射台的發射 系數ε小於〇· ;ι，此反射發射台不經熱接觸即可在真空中 以熱輻射的方式作熱交換，然而因為反射發射台的發射常 數J所以反射發射台的熱輕射相對而言為低，例如，熱 _絕緣裝置3的第一發射台被紅外線加熱元件2加熱至約5〇〇 c，則第二發射台的溫度只約為4〇(rc，而艙室壁另一側 的最後一個發射台的溫度會只剩下3 〇 〇。〇。 鎢加熱線圈4可用來作為紅外線加熱元件2的加熱 源，當提供電流至線圈時，這些由控制迴路所控制的電流 可控制基板的溫度。每條鎢加熱線圈4都被緊密的石英砂 填充物7以及管狀Inc〇lei^| 5所密封，此管狀罩5係對 各鎢加熱線圈4做絕緣。將Ti〇2層6形成於管狀罩5表面 上，且面對著基板1，以作為紅外線發射層，此Ti〇2層6 3 055-7033-PF;Aliddub 10 1299515 、旱又為100/zm，且可利用電漿喷霧的方式形成於管狀罩 5上’也可利用濺鍍方式塗佈成約i 0⑽以上的較薄層。 '"本卷月的、、工外線加熱元件2跟基板的距離相距2〜5 。刀r罩的，里度需要約600°c即可使基板溫度超過400 。。，而早純使用金屬罩加熱器時，罩的溫度需要超過㈣ C才會使基板超過4Q()t：，這些罩溫度都遠低於其溶點 11GG C )。所以本發明的基板加熱器可用來降低罩的溫度、， 且降低基板以熱輻射方式加熱時的熱損失。 又 【圖式簡單說明】 第1圖為本發明一實施例之示意圖。 【主要元件符號說明】 1〜基板； 3〜熱絕緣裝置； 5〜管狀金屬罩； 2 4' 6- k外線加熱元件； 加熱源； 7〜緊密的石英砂填充物 紅外線發射層； 3055-7033-PF;Ahddub 11

Claims (1)

1. 修正日期：90.12.12 /29綠(feSl 11982號φ文嘯猜_修正本 十、申請專利範圍： 1. 一種紅外線加熱元件（2)，用以加熱位於一真空艙室 中的一基板’包括·· 一加熱源（4);以及 一保護裝置，其中該保護裝置被設計成—管狀金屬罩 (5)，以遮蔽該加熱源且提供至少一紅外線發射層，其 中A金屬具有一 〇·丨〜〇· 4的發射率且該紅外線發射層（6) 具有一大於〇· 7的發射率。 2·如申請專利範圍第丨項所述之紅外線加熱元件 (2) ’其中該紅外線發射層（6)的發射率大於〇8。 3·如申請專利範圍第丨項所述之紅外線加熱元件 (2) ’其中該紅外線發射層（6)的發射率大於〇. 9。 4.如申明專利範圍第1或2項所述之紅外線加熱元件 (2)’其中該加熱源（4)被設計成一電阻型加熱器之一加熱 絲〇 5 ·如申睛專利範圍第1項所述之紅外線加熱元件 (2)其中5亥紅外線發射層（6)包括一金屬氧化層。 6·如申請專利範圍第1項所述之紅外線加熱元件 (2)，其中該金屬氧化層包括Ti〇2。 7·如申請專利範圍第1項所述之紅外線加熱元件 (2) ’其中該金屬氧化層包括Ti〇2層且具有i〇nm以上〜數 個毫米的厚度。 8·如申睛專利範圍第1項所述之紅外線加熱元件 (2)，其中該金屬氧化層包括Ti〇2層且具有5〇四〜5〇〇#爪 3055-7033-PF2 12 :伽 9515 的厚度。 9 ·如申請專利範圍第1項所述之紅外線加熱元件 (2)，其中該金屬氧化層包括Ti〇2層且具有1〇〇nm〜1〇〇以m 的厚度。 10 ·如申明專利範圍第1項所述之紅外線加熱元件 (2 )’其中邊紅外線發射層（6)係以電漿喷霧的方式形成於 該管狀金屬罩（5 )上。 11 ·如申請專利範圍第1項所述之紅外線加熱元件 (2)’其中該管狀金屬罩（5)包括高等級鋼或inc〇nel⑧。 12·如申請專利範圍第1項所述之紅外線加熱元件 (2)’其中該管狀金屬罩（5)上的該紅外線發射層（6)只位於 其表面區域，以提供紅外線輻射。 13· —種基板加熱型真空艙室，特別用於真空塗佈設 備，包括： 一基底（1);以及

   至少一加熱元件，設置於其附近，其中該加熱元件得 設計成如中請專利範圍第i至9項中任—項所述之該紅外 線加熱元件⑺且與該基底⑴為熱非對稱輕合，且在該基 底⑴與該紅外線加熱元件⑺間無熱傳導或熱對流影響。 14·如申凊專利範圍第13項所述之真空驗室，其中該 真空艙室包括一熱絕緣裳置(3)以對該真空艙室作熱： 緣’該至少-紅外線加熱元件⑺以熱非對稱搞合的方式設 置於该基底（1 )與該熱絕緣裝置（3 )。 15.如申請專利範圍第13或14項所述之真线室，其 3055-7033-pp2 1299515 中該至少-紅外線加熱元件⑵之縱軸與該基板表面平行。 16.如申請專利範圍第13項所述之真空艙室，其中該 至》'紅外線加執开杜「9、々斗 …、疋件（2)之该官狀金屬罩（5)包括一紅外 線發射層（6 )設計為一圓. 〇)〇 ®柱縱向切片，且該切片朝向該基板 17·如巾料㈣㈣13項所述之真m 紅外線加熱元件⑵之數目的選擇與需加熱“中; 關，且紅外線輻射以均勾的方式照射該基底⑴。相 18.如申請專利範圍第13項所述之真空驗 一基板支架，以將基板（1)置於其上。 尚包括 3055-7033-PF2 14