(57)【要約】      （修正有）【課題】  本発明は、熱を効果的に伝達する赤外線加熱要素（２）および効果的な基板の加熱を可能にする真空コーティング設備用の基板加熱器型真空チャンバを提供する。【解決手段】赤外線加熱要素（２）は、管状の金属外皮（５）として設計された保護手段に囲まれた加熱源（４）を備えている。管状の金属外皮（５）は、少なくとも部分的に赤外線放射層（６）が施されている。真空チャンバは基板（１）と、赤外線加熱要素（２）として設計された少なくとも１つの加熱要素とを備えており、基板（１）と赤外線加熱要素（２）は、熱放射だけが加熱を引き起こすように熱的に隔離されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱源（４）および保護手段を備える、真空チャンバにおいて基板を加熱するための赤外線加熱要素（２）において、前記保護手段が、前記加熱源を覆い少なくとも部分的に赤外線放射層（６）が施された管状の金属外皮（５）として構成されていることを特徴とする赤外線加熱要素。
【請求項２】
前記金属の発散度が０．１〜０．４であり、前記赤外線放射層（６）の発散度が０．７を超え、特に０．８を超え、好ましくは０．９を超えることを特徴とする請求項１に記載の赤外線加熱要素（２）。
【請求項３】
前記加熱源（４）が抵抗加熱器の電熱線として構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線加熱要素（２）。
【請求項４】
前記赤外線放射層（６）が金属酸化物層を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外線加熱要素（２）。
【請求項５】
前記金属酸化物層がＴｉO２を有することを特徴とする請求項４に記載の赤外線加熱要素（２）。
【請求項６】
前記ＴｉO２層の厚さが１０ｎｍから最大数ミリメートル、好ましくは５０ｎｍ〜５００μｍ、特に好ましくは１００ｎｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項５に記載の赤外線加熱要素（２）。
【請求項７】
プラズマ溶射を用いて前記赤外線放射層（６）が管状の金属外皮（５）に塗付されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の赤外線加熱要素（２）。
【請求項８】
前記管状の金属外皮（５）が高級鋼またはＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の赤外線加熱要素（２）。
【請求項９】
前記管状の金属外皮（５）の、赤外線放射が提供される表面領域にのみ赤外線放射層（６）が施されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の赤外線加熱要素（２）。
【請求項１０】
基板（１）および前記基板の近傍に配置された少なくとも１つの加熱要素を備える、基板加熱器型の真空チャンバ、特に真空コーディング設備用の真空チャンバにおいて、前記加熱要素が、請求項１〜９のいずれか１項に記載の赤外線加熱要素（２）として設計されており、前記基板（１）と前記赤外線加熱要素（２）との間で熱伝導または熱対流が生じないように前記基板（１）から熱的に隔離されていることを特徴とする真空チャンバ。
【請求項１１】
前記真空チャンバが前記真空チャンバを断熱するための断熱手段（３）を含んでおり、その結果、前記少なくとも１つの赤外線加熱要素（２）が前記基板（１）と前記断熱手段（３）との間で熱的に隔離されるように配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の真空チャンバ。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの赤外線加熱要素（２）がその長手軸線において基板表面と平行になるように配置されていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の真空チャンバ。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの赤外線加熱要素（２）の前記管状の金属外皮（５）が円筒形の長手方向の部分として設計された赤外線放射層（６）を備えており、前記部分が前記基板（１）の方に向くように配置されていることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の真空チャンバ。
【請求項１４】
前記基板（１）が可能な限り均一に赤外線放射にさらされるように、前記赤外線加熱要素（２）の数が加熱される基板表面に応じて選択されることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の真空チャンバ。
【請求項１５】
前記基板（１）が配置される基板ホルダが設けられていることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の真空チャンバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプリアンブル部に記載の赤外線加熱要素と、請求項１０のプリアンブル部に記載の、特に真空コーティング設備用の基板加熱器型真空チャンバに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱は、熱伝導、熱放射、および熱対流の結果として空間的に伝達することができる。熱伝導は分子衝突により発生するため、物質に温度勾配が必要であるが、熱対流は液体または気体の巨視的な移動に依存し、熱自体が他の地点に伝えられる。熱放射は、電磁気的性質を有している。
【０００３】
特定のプロセスにおいては、熱伝導により基板を直接加熱することはできない。例えば、様々なプロセスチャンバ間で基板を移動させる可動基板ホルダ（搬送装置）に基板を取り付けることができる。ＢＮ抵抗基板加熱器などの加熱板をこの種の搬送装置に据え付けることは困難である。ここで必要とされるのは、電流を伝え、場合によっては摩耗の結果として粒子を生成する電気摺動接点である。スパッタカソードの分野において、スパッタカソードからのプラズマ放電を妨げたりフラッシュオーバーを引き起こすことがある二次プラズマが、導電中の接点で生成されることがある。基板上に堆積した粒子がコーティング後に基板からはがれ落ちて「ピンホール」が生じたり、基板上に残って機能層の欠陥となることがある。さらに、基板の表面領域全体に熱が確実に伝達されるように平滑かつ水平な表面を有する加熱板の接触面を作成するには多くの時間と労力を費やさなければならない。基板上の限られた箇所だけが加熱面上にある場合、大気など熱伝達を引き起こす接触媒体が真空中には含まれないため、敏感な基板が熱応力により破損することがある。さらに、あらゆる種類の基板に適合する加熱面を作成しなければならない。この場合、かかる加熱面を、傷がつきにくく汚れを寄せ付けないようにする必要もある。
【０００４】
基板は、基板ホルダ上で水平にするか垂直にして（すなわち、直立させて）搬送することができる。基板はフレームまたは台の中に挿入され、バネを用いて保持される。これにより、基板ホルダ（搬送装置）が下端においてローラ上を移動し、上端において所定の位置に磁気によって保持される。この基板搬送方法は、例えばスイス特許公報ＣＨ  ６９１  ６８０  Ａに記載されている。
【０００５】
一方、面積が広い基板の場合は特に、ローラなどからなる搬送システムを用いて真空ユニット内で基板を搬送することがさらに考えられる。この場合も、基板が露出されるため、熱伝導により基板を加熱することはできない。
【０００６】
真空内で熱伝導が不可能である場合、唯一の選択肢は熱放射により熱を伝達することとなる。熱放射のエネルギー分布は理想黒体放射体を用いて記述され、プランクの放射法則が当てはまる。この法則は、黒体のスペクトルエネルギー分布を、非常に短い波長と非常に長い波長の放射の最大エネルギーと低い放射エネルギーで記述するものである。
【０００７】
赤外線放射は、波長が長い（λ＞０．７５μｍ）ため、可視光の波長範囲（０．４μｍ＜λ＜０．７５μｍ）における放射よりもはるかに効果的に物質に吸収される。赤外スペクトル域におけるこの吸収は、物質内のイオンの振動に起因する。赤外線放射を生成するために、熱放射体が用いられることが多い。このため、赤外線加熱要素は、熱が作用すると赤外スペクトル域における熱放射を発生させる装置である。
【０００８】
このような熱放射体には、赤外線放射の他に、可視光域と紫外線域における放射が常に発生するという問題がある。その結果、伝達される熱容量が、放射される全熱容量に比べ限られたものとなる。プランクの放射法則によれば、黒体の最大エネルギー分布と合計エネルギー密度は黒体の温度にのみ依存し、ウィーンの変位則（νｍａｘ〜Ｔ）またはシュテファン−ボルツマンの（４乗）法則（Ｒ ＝ σＴ４、σは定数）により記述できる。実際の熱放射体と黒体との関係は発散度ε（０≦ε≦１、１は理想黒体に相当）により記述されるため、Ｒ ＝ εσT４となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、特に真空内での熱放射の結果として、熱を非常に効果的に伝達する赤外線加熱要素を提供することである。本発明のさらなる目的は、熱放射による非常に効果的な基板の加熱を可能にする、特に真空コーティング設備用の基板加熱器を提供することである。この明細書において、「効果的」という言葉は一方において、発せられる全エネルギーに対する、加熱に用いられる熱放射エネルギーの比率が最大化されること、すなわち熱損失が低減されることを意味する。ただし他方において、加熱される物体が達する温度に比べて加熱要素の温度を最低限に抑えることも意味する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の前述の目的は、請求項１に記載の赤外線加熱要素と請求項１０に記載の基板加熱器により達成される。本発明の有利な実施態様は、従属請求項に記述された機能を特徴とする。
【００１１】
本発明による赤外線加熱要素は、管状の金属外皮として設計された保護手段に囲まれた加熱源を備えている。管状の外皮は、少なくとも部分的に赤外線放射層でコーティングされている。管状の金属外皮の形をとった加熱源外装は加熱源を保護するだけでなく、管状の外皮内の熱伝導の結果として熱の均一な分布をもたらす。管状の外皮が少なくとも部分的に赤外線放射層でコーティングされているため、熱放射の効果が高まり、放射された熱エネルギーを維持しつつ外皮の温度を下げることができる。
【００１２】
金属の発散度が０．１〜０．４であり、赤外線放射層の発散度が０．７を超え、好ましくは０．８を超え、特に０．９を超えれば有益である。このような赤外線放射層は、スペクトルエネルギー分布の面で黒体と非常に似ている。この場合、管状の外皮自体は熱を放射することはなく、熱伝導により赤外線放射層を加熱する。
【００１３】
加熱源を、例えばタングステン電熱線の形をとった抵抗加熱器として設計すれば好都合である。管状の金属外皮の材料としては高級鋼または耐高温性合金Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）を用いることが好ましいが、赤外線放射層には金属酸化物を用いることが推奨される。これらの金属酸化物は、優れた赤外線放射体として知られている。金属酸化物としてＴｉO２を用いれば好都合である。このような金属酸化物は、プラズマ溶射を用いた場合に特に良好に管状の外皮に塗付されるが、スパッタリングを用いることもできる。この方法では、厚さが約１０ｎｍから最大数ミリメートルの薄い均一な層を塗付することができる。
【００１４】
管状の外皮のこれらの領域だけが、赤外線放射を発生させるための赤外線放射層でコーティングされているため、赤外線加熱要素が示す放射特性に影響を与えることができる。その結果、特定の立体角については激しい赤外線放射にさらされるのではなく、赤外スペクトル域が赤外線放射層よりも低い管状の外皮の放射だけにさらされる。管状の外皮は、これらの立体角領域に加熱源のエネルギーが直接放射されるのを防止し、このエネルギーの一部は、管状の外皮内の熱伝導の結果として赤外線放射層を加熱するのに用いられる。このため、赤外線加熱要素の効率をさらに高めることができる。
【００１５】
本発明による基板加熱器型真空チャンバは、基板と少なくとも１つの加熱要素とを備えている。加熱要素は基板に隣接して配置され、本発明による赤外線加熱要素として設計されている。基板と赤外線加熱要素は、熱的に隔離されている。この明細書において、熱的な隔離とは、できる限り熱伝導または熱対流が生じないようにすることを意味する。このように熱的に隔離されているため、赤外線加熱要素による熱放射によってのみ加熱が起こる。このため、赤外線加熱要素を用いた赤外線放射により基板が非常に効果的に加熱されるのである。さらに、赤外線加熱要素の熱容量により基板温度が直接調節されるため、加熱を非常に選択的に生じさせることができる。
【００１６】
同様に熱的に隔離された断熱手段を用いて、基板加熱器を真空チャンバの壁から断熱すれば好都合である。この方法では、熱損失を避けることができ、望ましくない加熱を防止することもできる。特に、真空コーティング設備の壁の加熱を防止することができる。
【００１７】
長手軸線が基板表面に対して平行になるように、少なくとも１つの赤外線加熱要素を配置することが好ましい。このようにすれば、基板を非常に効果的に加熱することができる。
【００１８】
少なくとも１つの赤外線加熱要素の管状の金属外皮が、円筒形の長手方向の部分として設計された赤外線放射層を有するとともに、基板の方に向くようにこの部分を配置すれば好都合である。このようにすれば、基板だけが強い赤外線放射にさらされるため、熱損失を低減するような方法で加熱が行われる。
【００１９】
加熱される基板表面、赤外線加熱要素の距離、および赤外線加熱要素の大きさの関係に応じて、基板ができるだけ均一に赤外線放射にさらされるように赤外線加熱要素の数を選択することが好ましい。このようにすれば、基板が均一かつ広範囲に変形されずに加熱される。
【００２０】
特定のプロセスに関しては、様々なプロセスチャンバ間で基板を移動させる可動基板ホルダ（搬送装置）に基板を取り付ける必要がある。基板は、既知の方法で基板ホルダに接続される。この場合には、基板は同様に赤外線加熱要素の熱放射により直接加熱される。この加熱は、例えば基板を基板ホルダ上で垂直にして（すなわち、直立させて）搬送しながら行ってもよい。この場合、基板が設備内で搬送されながら両側から加熱されるため、均一な加熱が保証される。コーティングされる領域だけは、コーティング中に基板温度が低下しすぎないように、コーティング側に面していない裏側である片側から加熱される。
【００２１】
それにもかかわらず、基板に向かい合っている基板ホルダ側に基板加熱器を配置することや、面積が広い開口部などを基板ホルダに設けることや、基板ホルダをフレームとして設計することも可能である。これにより、基板の両側を、均一にしかも広い領域において熱放射にさらすことができるようになる。
【００２２】
したがって、特定のプロセスパラメータが原因で熱伝導により基板ホルダを直接加熱することができない場合のコーティングプロセス時などに、本発明による基板加熱器型真空チャンバを用いて容易に基板をアニール処理することができる
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明による基板加熱器の断面を示す図面を基に具体的な実施態様を詳細に説明する。
【００２４】
本発明の実施態様において、基板加熱器は基板１、３つの赤外線加熱要素２、および断熱手段３とを備えている。赤外線加熱要素２は、基板１と断熱手段３との間で、互いに２ｃｍの距離で熱的に隔離されるように配置されている。真空チャンバを断熱するための断熱手段３は、連続して配置された３枚の反射型放射板を備えている。これらの放射板の放射係数は、ε＜０．１である。熱的に接触していないこれらの放射板を真空内で用いることにより、熱エネルギー交換を熱放射によってのみ行わせることができる。ただし、放射係数が低いため、放射板の熱放射は比較的少ない。例えば、断熱手段３の１番目の放射板が赤外線加熱器２により約５００℃に加熱された場合、２番目の放射板の温度は約４００℃に加熱されるにすぎず、チャンバ壁の向かい側にある最後の放射板は３００℃に加熱されるにすぎない。
【００２５】
赤外線加熱要素２の加熱源として、既知のタングステン電熱線４が用いられる。既知の方法でこれらの電熱線に電流が供給され、この電流供給は、設定される基板温度に応じて制御ループにより制御される。各タングステン電熱線４は、ケイ砂充填材７と管状のＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）外皮５で覆われている。管状の外皮５は、それぞれのタングステン電熱線４に対して電気的に絶縁されている。基板１に面している管状の外皮５の表面には、赤外線放射層としてＴｉO２層６が施されている。ＴｉO２層６は厚さ１００μｍであり、プラズマ溶射を用いて管状の外皮５に塗付されたものである。ただし、このコーティングはスパッタリングを用いて塗付することもできる。この場合には、１０ｎｍ以上の薄い層にすることが好ましい。
【００２６】
本発明による赤外線加熱要素２と基板１との間隔が２〜５ｃｍである場合、４００℃を超える基板温度を実現するために約６００℃の外皮温度が必要となる。４００℃を超える基板温度を実現するために８５０℃を超える外皮温度が必要とされる、純粋な金属外皮加熱器に比べ、これらの外皮温度は金属外皮５の融点（約１,１００℃）よりもはるかに低い。したがって、本発明による基板加熱器を用いれば、外皮温度を非臨界温度以内に抑えることができ、熱放射により基板を加熱する際の熱損失が最低限に抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による基板加熱器の断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１：基板
２：赤外線加熱要素
３：断熱手段
４：加熱源
５：外皮
６：赤外線放射層
７：ケイ砂充填材
【図１】
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【外国語明細書】
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