混合式微波和輻射加熱熔爐系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】混合式微波和輻射加熱熔爐系統(tǒng)
[0001]與聯(lián)邦資助的研究或開發(fā)有關的聲明
[0002]不適用。
[0003]相關申請的交叉引用
[0004]本申請依據(jù)35U.S.C.§ 119(3)要求享有于2012年十月11日提交的標題為“具有混合式微波和輻射加熱的熔爐系統(tǒng)”的美國臨時專利申請61/712444的權益，所述美國臨時專利申請對于所有目的而言以其全文通過引用結合在本文中。
【背景技術】
[0005]對于制品和材料的熱處理而言，需要在不引起熱應力的情況下對制品或材料進行迅速且均勻地加熱，所述熱應力能夠損傷受到處理的制品或材料。制品(諸如用于平板電腦的觸控屏，用于構造太陽能電池和燒結陶瓷的硅晶圓)在以管理不當?shù)姆绞郊訜岬那闆r下特別容易出現(xiàn)熱應力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一種用于制品和材料的熱處理的熔爐系統(tǒng)和方法被公開。所述系統(tǒng)和方法例如在處理用于平板電腦的觸控屏和用于構造太陽能電池、玻璃涂層、燒結陶瓷以及碳纖維結構的硅晶圓中特別有效。另一個示例性應用是作為太陽能電池或板的構造過程的一部分而使磷或硼擴散到半導體晶圓中。本發(fā)明不限于所述應用，而是能夠更廣泛地應用于工件和材料的熱處理，期望的是在所述熱處理中以受控方式進行迅速且均勻的加熱。
[0007]所述系統(tǒng)利用工件的微波和輻射加熱的混合以提供工件的受控加熱。在一個實施方式中，所述系統(tǒng)包括隔熱熔爐外殼，所述隔熱熔爐外殼具有入口端和出口端并且在外殼內(nèi)具有熔爐腔室，所述熔爐腔室可以分隔成一個或多個區(qū)域。傳送器組件配置成用于將工件通過熔爐腔室從入口端運送到出口端。多個接收器在腔室中置于所述腔室的至少一個區(qū)域中，接收器定位在傳送器的上方以限定工件被運送通過的腔室。多個微波源設置成在腔室中提供微波輻射以均勻地加熱由傳送器運送通過腔室的工件并且提供所述多個接收器的均勻加熱。在大于約600°C的溫度中，接收器在由所述多個微波源進行微波加熱之后起作用以提供被運送通過腔室的工件的均勻輻射加熱。
[0008]接收器在優(yōu)選實施方式中包括多個棒，每個棒由高溫高純度復合陶瓷材料構成，棒以隔開的關系跨過腔室的寬度置于腔室的至少一個區(qū)域中并且定位以接收來自所述多個微波源的微波輻射并且將輻射能量提供到被運送通過腔室的工件。接收器棒能夠在數(shù)量和間隔方面改變，以便調(diào)節(jié)適合于在熔爐中處理的具體工件的功率級別和加熱曲線。
[0009]接收器的單位體積功率被確定以由接收器提供預期微波吸收量，以便吸收足夠的微波能量，用于接收器的加熱以及將輻射能量發(fā)射到工件或制品上。
[0010]對于通常小于約600°C的較低操作溫度而言，接收器不產(chǎn)生工件的大量輻射加熱，而是通過控制微波場以提供工件的更均勻微波加熱。
[0011]每個微波源由相對較低功率和較低損耗的磁控管構成并且可操作以將微波能量引入到腔室中，所述磁控管耦連到圍繞腔室壁中的孔口安裝的號角件。多個所述源置于陣列中，所述陣列可操作以將微波能量通過壁中的相應孔口引入到腔室中。磁控管由相應電源或替代地由一個或多個共享的電源提供動力以將所需電功率提供到磁控管。提供到磁控管的功率能夠由相關聯(lián)的功率控制器控制，用于改變由相應源提供的功率并且用于切換相應源開啟和關閉。微波陣列內(nèi)的源的數(shù)量和間隔能夠被可選擇地確定，提供到陣列的每個源的功率也能夠被可選擇地確定，以便產(chǎn)生引入到熔爐腔室中的微波能量的預期功率級別和/或曲線。
[0012]本身在本領域中已知的一個或多個模式攪拌器配置在熔爐腔室中并且可操作以將微波模式混合以在腔室內(nèi)提供更均勻電場。在一個優(yōu)選實施方式中，在腔室的相應側壁上利用兩個模式攪拌器。
[0013]微波阻斷器配置在熔爐的入口端和出口端處以防止微波能量從熔爐泄漏到外部環(huán)境。能夠圍繞突伸通過熔爐壁的任何軸(諸如模式攪拌器的軸)利用隔熱件以防止微波能量的泄漏。
[0014]所述系統(tǒng)包括用于每個微波源的獨立控制和熔爐腔室中的溫度的閉環(huán)控制的控制系統(tǒng)。熱電偶或其它溫度傳感器配置在熔爐腔室中，用于監(jiān)控腔室溫度，以及紅外測溫儀或其它傳感器被利用以測量被運送通過腔室的工件的溫度。來自這些傳感器的信號提供到控制系統(tǒng)并且被利用以控制溫度以維持預期工件溫度和處理溫度。不同溫度能夠配置在多區(qū)域熔爐的相應區(qū)域中以在工件被傳送通過區(qū)域時提供預期熱曲線。
[0015]必須考慮到工件的介電特性，以便實現(xiàn)預期處理曲線和控制程度。
[0016]傳送器由帶材料和適合于在微波場中使用的構造制成。例如，傳送器能夠利用對于微波而言透明的石英輥子。傳送帶還能夠由金屬制成并且能夠電接地，因為加熱的金屬具有較小微波反射性并且能夠在微波腔室中使用。能夠取決于制品的本質(zhì)和重量利用其它傳送器(諸如輥子或推桿機構)。
[0017]本發(fā)明還能夠在批處理熔爐中實施，在這種情況下傳送帶和阻斷器將通常是沒有必要的。在批處理系統(tǒng)中，熔爐腔室配置在適當外殼內(nèi)，并且密封門能夠配置成用于訪問腔室，以裝載和去除將在腔室中受到處理的制品。門被熱密封以最小化加熱損失并且還被微波密封以最小化微波能量的泄漏。
【附圖說明】
[0018]本發(fā)明將從以下詳細描述并且結合附圖而被更充分地理解，其中:
[0019]圖1是依照本發(fā)明的熔爐系統(tǒng)的示意圖；
[0020]圖2A是依照本發(fā)明的微波源的立體圖；
[0021]圖2B是沿圖2A的A-A線取得的剖視圖；
[0022]圖3是用于磁控管陣列的監(jiān)控設備的示意圖；
[0023]圖4是微波源陣列的電場圖案的示意圖；
[0024]圖5是用于熔爐系統(tǒng)的控制器的框圖；
[0025]圖6是熱箱的俯視圖；
[0026]圖7是沿圖6的A-A線取得的立面剖視圖；
[0027]圖8是熱箱的立體圖；
[0028]圖9是沿圖7的B-B線取得的剖視圖；
[0029]圖10是依照本發(fā)明的阻斷器的立體圖；以及
[0030]圖11是圖10的阻斷器的立面剖視圖。
【具體實施方式】
[0031]本申請依據(jù)35U.S.C.§ 119(3)要求享有于2012年十月11日提交的標題為“具有混合式微波和輻射加熱的熔爐系統(tǒng)”的美國臨時專利申請61/712444的權益，所述美國臨時專利申請對于所有目的而言以其全文通過引用結合在本文中。
[0032]總體系統(tǒng)
[0033]依照本發(fā)明的連續(xù)式熔爐系統(tǒng)的實施方式在圖1中示意性地展示。所述系統(tǒng)包括熔爐外殼100，所述熔爐外殼具有入口或進入端102和出口或退出端104。微波阻斷器106配置在熔爐的進入端處，并且微波阻斷器108配置在熔爐的退出端處。各阻斷器在構造方面是相同的，并且在所展示的實施方式中是將在下文中進一步描述的兩階段阻斷器。熔爐腔室111配置在熔爐外殼中，并且所述熔爐腔室可以分隔成一個或多個加熱區(qū)域。傳送帶110延伸通過熔爐并且進入和退出阻斷器，用于將工件通過熔爐腔室從進入端運送到退出端。傳送帶是例如置于鏈輪112上的連續(xù)式帶，所述鏈輪連接到適當傳送器驅(qū)動機構，用于使帶110以預期速度移動通過熔爐。將在下文中描述的熱箱101在熔爐腔室中置于傳送器的上方并且包含沿腔室的長度和寬度設置的多個接收器棒。
[0034]磁控管陣列114置于熔爐外殼的頂部上并且可操作以將微波能量從陣