混合式微波和辐射加热熔炉系统.pdf

一种用于制品和材料的热处理的熔炉系统被公开，所述熔炉系统特别适于处理用于平板电脑的触控屏和用于构造太阳能电池的硅晶圆。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。多个接收器置于熔炉腔室中。多个微波源设置成在腔室中提供微波辐射以均匀地加热腔室中的工件并且提供接收器的均匀加热。接收器在由微波源进行微波加热之后起作用以为腔室中的工件提供均匀辐射加热。

权利要求书1.  一种用于被运送通过熔炉腔室的工件的混合微波和辐射加热的熔炉 系统，所述系统包括： 外壳，其具有入口端和出口端； 腔室，其在外壳中置于入口端与出口端之间并且具有一个或多个区域； 传送器，其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，其每个由高温微波吸收材料构成，所述接收器以隔开的 关系跨过腔室宽度置于所述腔室的至少一个区域中，并且定位在传送器的 上方以限定工件被运送通过的腔室空间； 多个微波源，其设置成在腔室中提供均匀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； 所述多个接收器在由所述多个微波源进行微波加热之后提供由传送器 运送通过腔室的工件的均匀辐射加热；以及 控制器，其能够操作以控制所述多个微波源的功率以在腔室中提供预 期热曲线。 2.  如权利要求1所述的熔炉系统，其中所述多个接收器是高温复合陶瓷 材料的棒。 3.  如权利要求1所述的熔炉系统，其中所述多个接收器每个具有： 高微波吸收性； 高机械强度； 高抗热冲击性； 在升高的温度中的低氧化性；以及 低化学降解性。 4.  如权利要求2所述的熔炉系统，其中所述多个接收器棒中的每个本质 上由属于以SiC、SiO2、Fe2O3、Si3N4、Al2O3、MgO和Y2O3组成的组的陶 瓷材料构成。 5.  如权利要求1所述的熔炉系统，其中所述多个微波源提供在所述多个 接收器中约50％的穿透深度。 6.  如权利要求1所述的熔炉系统，其包括在熔炉腔室的入口端处的微波 阻断器和在熔炉腔室的出口端处的微波阻断器，所述微波阻断器能够操作 以最小化从熔炉腔室的微波泄漏。 7.  如权利要求1所述的熔炉系统，其在腔室中包括至少一个模式搅拌 器。 8.  如权利要求1所述的熔炉系统，其中所述多个微波源中的每个能够扭 转以与所述多个微波源中的其它微波源呼应地在腔室中提供预期电场。 9.  如权利要求8所述的熔炉系统，其中所述多个微波源中的每个包括磁 控管。 10.  如权利要求2所述的熔炉系统，其中所述多个接收器是以彼此隔开 的关系沿腔室的长度放置的棒，并且每个棒基本上跨过腔室的宽度延伸。 11.  如权利要求10所述的熔炉系统，其包括多个透微波元件，每个透微 波元件置于间隔开的接收器棒之间。 12.  如权利要求1所述的熔炉系统，其包括用于感测腔室中的温度并且 将温度信号提供到控制器的至少一个温度传感器。 13.  如权利要求1所述的熔炉系统，其中控制器还能够操作以控制传送 器的速度。 14.  一种混合式加热组件，其包括： 其中具有腔体的隔热外壳，一个或多个工件能够在所述腔体中受到热 处理，隔热外壳由透微波的材料构成； 在隔热外壳中置于腔室的上方的多个接收器棒，每个棒跨过腔室的宽 度延伸，并且所述多个棒以隔开的关系沿腔室的长度放置，每个接收器由 高温微波吸收材料构成；以及 多个微波源，其设置成在隔热外壳的腔室中提供均匀微波辐射以均匀 地加热腔室中的所述多个接收器棒并且均匀地加热腔室中的工件。 15.  用于在微波熔炉中使用的设备，包括： 隔热和微波透射材料的外壳，其包围用于包含至少一个工件的腔室； 多个接收器棒，每个接收器棒由高温微波吸收材料构成，棒跨过腔室 的宽度放置并且沿腔室的长度间隔开；以及 多个透微波元件，每个透微波元件跨过腔室的宽度置于相邻接收器棒 之间。

说明书混合式微波和辐射加热熔炉系统
与联邦资助的研究或开发有关的声明
不适用。
相关申请的交叉引用
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
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
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。
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℃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。
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。
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。
对于通常小于约600℃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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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
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：
图1是依照本发明的熔炉系统的示意图；
图2A是依照本发明的微波源的立体图；
图2B是沿图2A的A-A线取得的剖视图；
图3是用于磁控管阵列的监控设备的示意图；
图4是微波源阵列的电场图案的示意图；
图5是用于熔炉系统的控制器的框图；
图6是热箱的俯视图；
图7是沿图6的A-A线取得的立面剖视图；
图8是热箱的立体图；
图9是沿图7的B-B线取得的剖视图；
图10是依照本发明的阻断器的立体图；以及
图11是图10的阻断器的立面剖视图。
具体实施方式
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。
总体系统
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。
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 列中的每个磁控管引入到熔炉腔室中，用于在传送带上经过腔室的工件的 微波加热。来自磁控管阵列的微波能量还可操作以加热接收器，所述接收 器在箱101中置于熔炉腔室中，并且所述接收器在受到微波加热之后产生 导引到工件的辐射能量。接收器将会在下文中更详细地描述。依照本发明， 被传送通过熔炉的工件由来自接收器的辐射能量和来自磁控管阵列的微波 能量的受控组合加热。
根据本发明的熔炉通常在约600℃与1050℃之间的温度范围中操作， 但是本发明能够在以较高或较低的温度可操作的熔炉构造中实施。
磁控管阵列
多个微波源设置成提供腔室中的均匀微波辐射以均匀地加热由传送器 运送通过腔室工件并且提供所述多个接收器棒的均匀加热。经由可扭转波 导耦连到号角件的每个低损耗磁控管围绕熔炉壁中的孔口安装并且可操作 以将微波能量引入到腔室中。多个所述源成阵列地放置，所述阵列可操作 以将微波能量通过熔炉壁中的相应孔口引入。在所展示的实施方式中，包 括九个微波源的阵列配置成以矩形3x3阵列的方式设置。磁控管以及相关 联的波导和号角件的数量和布置被确定以产生腔室中的均匀微波场和接收 器的均匀加热。作为替代例，磁控管的相对功率以及所述磁控管在磁控管 阵列内的间隔和位置能够调节以产生腔室中的微波能量的期望的非均匀分 布或曲线。
微波源中的一个在图2A和2B中展示。磁控管10附着到波导12，所 述波导经由耦连件16附着到波导14。波导14附着到号角件18，所述号角 件具有安装凸缘20能够通过与凸缘20中的孔和熔炉壁中的对准的孔配合 的适当紧固件附着到熔炉的壁。调整桩22附着到波导14的较宽壁，并且 第二调整桩24附着到波导14的较窄壁。每个调整桩的长度是5λ/4。调整 桩22和24沿波导14的相应横向轴线放置并且彼此正交。每个调整桩包括 沿相应波导桩部段的长度可移动的活塞。如图3所示，活塞26附着到棒28， 所述棒延伸通过端板30中的开口，并且在所述棒的外部端上是中心旋钮 32。旋钮32和连接棒28能够向内和向外推动以调节活塞26沿桩24的长 度的位置。每个桩被调整以最大化从号角件18发出到熔炉腔室中的正向功 率并且最小化回到磁控管的反向或反射功率。活塞能够在调整之后锁定在 位。波导和号角件由铝或其它适当金属构成。活塞26也由铝或其它适当金 属构成。用于在图2B中展示的桩24的活塞布置对于桩22而言相同。
用于桩22和24的相应活塞沿相应波导内表面可滑动，并且每个活塞 包括围绕其外周的沟槽，金属或其它导电网格垫片在图2B中展示地配置在 所述沟槽中，所述金属或其它导电网格垫片与桩的对面内壁接触以消除或 最小化能够跨过壁与对面活塞表面之间的缝隙产生的电弧放电。
号角件18配置为提供高增益、低电压驻波比(VSWR)以及相对较宽 的带宽，并且用作波导与腔室的自由空间之间的阻抗匹配件。正向场通过 由号角件提供的匹配终端器而最大化，并且将反射波最小化。在使用WR430 波导的一个实施方式中，磁控管以2.45GHz操作，并且号角件具有20度 的波束宽度、至少15dB的增益以及<-10dB的回波损耗。每个号角件的辐 射图案叠加在图4中展示的微波阵列的其它号角件的辐射图案以产生在熔 炉腔室的整个容积中的基本上均匀辐射图案。
微波辐射在腔室中是多模的，并且利用一个或多个模式搅拌器以提供 改变的模式图案以维持腔室中的电场的均匀性。模式搅拌器103在图1中 示出。
所展示的实施方式中的磁控管每个具有1.1千瓦的输出功率并且由能 够独立地受控的电源驱动。包括九个源的阵列的最大功率在所述实施方式 中是约10.8千瓦。磁控管的阵列通过将空气以高速度导引到磁控管的冷却 管上来风冷，以在100％功率下维持磁控管低于60℃。冷却空气还能够导 引到电源以维持安全操作温度。冷却空气通过配置在熔炉外壳中的一个或 多个管道排出。
磁控管阵列不限于九个磁控管。磁控管的数量和功率输出能够改变以 实现具有高度均匀性和功率级别的预期功率分布，用于受到处理的工件。
用于磁控管阵列的控制系统在图5中展示。与计算机32配合的控制器 30接收来自熔炉中的温度传感器36的温度信号并且将控制信号提供到磁 控管阵列34的磁控管电源。控制器还能够将控制信号提供到传送器38以 管理传送器的速度。阵列中的每个磁控管的功率输出能够独立地受控，以 使得磁控管阵列的功率级别能够定制以提供腔室中的均匀辐射或预期辐射 曲线。作为所述控制的结果，预期温度或预期温度曲线能够在熔炉中在操 作循环期间维持。控制器依照一个或多个控制算法、诸如PID(比例积分 微分)控制来操作。
磁控管阵列中的每个磁控管的功率输出能够由在图3中示出的设备监 控和/或记录。双向耦合件11配置在每个磁控管组件中，例如在波导12与 14之间。耦合件将信号经由开关箱14提供到功率计15。用于每个磁控管 的耦合件以类似的方式经由开关箱13连接到功率计15。功率计可操作以显 示和/或记录阵列中的每个磁控管的功率输出读数，如通过使用开关箱13 来选择。磁控管输出可以通过手动操作开关箱来手动选择。替代地，切换 操作可以是自动的以依次读取和/或记录阵列中的磁控管的功率输出。切换 能够例如由控制系统的控制器30管理。
热箱和接收器
热箱和接收器棒布置在图6-9中展示。热箱由高纯度高温铝土或在所 利用的频率中对于微波能量而言可透或透射并且对于热能量而言不可透的 其它材料构成。典型材料是铝土绝缘板。所展示的实施方式中的箱具有上 部40和下部42，所述上部和下部中的每个由在图6和7中展示的互相配合 的部段24制成。通道46配置成通过箱从第一端48到第二端50，用于将工 件运送通过所述通道。
多个接收器棒51沿热箱的长度置于第一与第二端之间。棒彼此间隔开， 并且石英棒53置于相邻接收器棒之间以维持沿由通道46限定的腔室长度 的接收器棒间隔。接收器棒和石英棒被支撑在沿腔室相应侧配置的支架区 域32上。石英棒对于微波能量而言是可透的。接收器棒可吸收微波能量并 且由微波能量加热并且将热量辐射到被运送通过腔室的工件。一般而言， 微波功率属于提供在接收器棒中约50％的穿透深度的级别。
接收器棒和间隔元件能够是任何形状和大小以产生期望的微波吸收和 透射。棒共同地提供预期热质量以由微波加热并且在腔室中辐射以在腔室 中加热工件。接收器棒尺寸和相邻棒之间的间隔被确定以产生熔炉腔室中 的预期温度均匀性并且实现可接受的加热效率。效率被限定为对于由磁控 管阵列消耗的最小功率量而言完成的加热量。
在图7和9中示出的石英盘54置于通道46的底面上并且通常与底面 齐平以保护置于相应盘底下的热电偶不直接暴露于电磁场。热电偶稍部被 保持在每个石英板的沟槽中，热电偶将温度信号提供到所述系统控制器。 盘54可以置于石英或提供传送带能够搭乘的平滑表面的其它适当板中。
接收器棒的尺寸和间隔被设定以实现加热的均匀性和工件的微波与辐 射加热之间的平衡。
接收器由具有高微波吸收性、高机械强度和抗热冲击性、在高操作温 度中的低氧化性和低化学降解性的高纯度高温复合陶瓷材料构成。适当材 料是属于由SiC，SiO2，Fe2O3、Si3N4、和Al2O3组成的组的陶瓷材料。
较低温操作
对于通常小于约600℃的较低操作温度而言，接收器可操作以主要控制 或调制微波场以产生熔炉腔室中的工件的较均匀微波加热。在这些较低温 中，接收器不贡献工件的大量辐射加热。
接收器在这些较低温中将加热贡献到熔炉腔室中的空气的体积，所述 空气通过由传送带移动引起的对流来搅拌或移动，以及加热的对流空气提 供工件的一些加热。
两阶段阻断器
两阶段微波阻断器106和108(图1)在图10和11中展示。每个阻断 器包括反射性部段60和吸收性部段62。通道64配置成通过阻断器的长度 从经由凸缘68附着到熔炉外壳的一端66到对于大气开放的相反端70。通 道64与熔炉腔室111对准。传送带110(图1)延伸通过每个阻断器的通 道64和熔炉腔室，用于将工件传送通过熔炉。
反射性部段60可操作以通过破坏性干扰来减弱微波场。通道72配置 成正交于通道65并且被设定尺寸和配置以将来自通道64的微波能量与入 射能量成180°地反射回到所述通道中从而抵消或基本上减弱通道64中的 微波场。在所展示的实施方式中，反射性通道72由壶形元件74之间的空 间形成，但是反射性通道能够由许多其它构造提供。
吸收性部段62可操作以进一步减弱微波场，并且在所展示的实施方式 中包括延伸跨过通道64的宽度并且置于通道的顶部和底部处的矩形棒或栅 76。栅76由可以与在接收器棒中使用的材料相同的微波吸收材料或具有所 需特性的其它复合或纯粹材料构成。间隔件78配置在底部吸收性栅76之 间并且用作间隔件或填充件以提供阻断器的部段62中的基本上连续底部。 间隔件78通常由石英制成。基本上连续底部提供对于被驱动通过阻断器的 通道64的传送带而言的平滑支撑。安装凸缘68包括沟槽80，金属或其它 导电垫圈置于所述沟槽中以防止通过附着到熔炉壁安装凸缘的微波泄漏， 如本身在微波领域中已知的。与用于典型实施方式的波长有关的尺寸在图 11中示出。
辐射在反射阶段的结束处减少约90％。微波能量在吸收阶段中进一步 减弱，导致从阻断器的端部70的约5mw/cm2的EMI泄漏，这是非常少的 泄漏并且远低于对于来自微波源的泄漏而言的适用标准。
阻断阶段的长度以及反射阶段中的反射性通道和吸收阶段中的吸收元 件的数量被确定以导致来自阻断器的退出端的EMI泄漏的期望的减弱。
传送带
所展示的实施方式中的传送带是自身能够属于已知构造的编织金属 带。带的金属线提供微波腔室中的足够小表面积以不会不利地干扰微波性 能。在调整微波阵列方面考虑到金属带的存在以将无用反射最小化，所述 无用反射能够干扰预期加热性能并且所述无用反射能够干扰或损伤磁控管 源。在替代实施方式中，能够利用非金属传送带以将工件运送通过熔炉。 非金属传送带例如在共同未决美国专利申请BTU-197XX中示出。能够利 用(诸如辊子或推杆类型)其它传送器系统以适应不同制品配置和制品重 量。
本发明不限于已具体示出和描述的内容，而是预期包含所附权利要求 的精神和真正保护范围。