用于感應(yīng)加熱的保護(hù)系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】用于感應(yīng)加熱的保護(hù)系統(tǒng) 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及用于物質(zhì)（例如金屬）的感應(yīng)加熱的部件以防止電火花和電弧放電以 及防止等離子體攻擊和輻射熱造成的磨損的保護(hù)系統(tǒng)。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 物質(zhì)的感應(yīng)加熱、更特別是金屬的加熱，如物理氣相沉積（PVD)法中一種或多種 金屬或金屬合金的加熱與熔融，可能在具有不同電勢(shì)的設(shè)備部件之間產(chǎn)生不期望的火花和 電弧放電。火花和電弧放電的出現(xiàn)取決于感應(yīng)加熱中使用的電壓和電流、工藝部件的幾何 形狀、工藝氣體壓力與組成、以及與揮發(fā)性體系組分相關(guān)的氣體分壓和組成?；鸹ㄖ傅氖前l(fā) 生在具有大的電勢(shì)差的兩個(gè)位置之間的破壞性放電?；鸹ㄖ笆锹窂降碾婋x。電弧放電指 的是具有高電流密度和低電勢(shì)梯度的發(fā)光的氣體放電。主要通過(guò)在其之間發(fā)生電弧放電的 設(shè)備部件的某些材料的蒸發(fā)來(lái)提供保持大電流所必需的電離。就PVD而言，火花和電弧放 電均可破壞設(shè)備，將造成停工并由此對(duì)產(chǎn)率不利。
[0004] 可能造成對(duì)設(shè)備部件的破壞的另一因素是產(chǎn)生等離子體。在其中存在電勢(shì)差并由 此產(chǎn)生電場(chǎng)的點(diǎn)之間發(fā)生等離子體形成。電場(chǎng)強(qiáng)度、氣體的導(dǎo)電性和氣體對(duì)電離作用的敏 感性越高，越容易形成等離子體。氣體導(dǎo)電性及其對(duì)電離作用的敏感性取決于氣體組成、氣 體的壓力和存在電勢(shì)差的點(diǎn)之間的距離。等離子體可磨損為了防止火花或電弧放電而施加 的保護(hù)涂層，由此提高它們發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。
[0005] 最后，用感應(yīng)加熱實(shí)現(xiàn)的溫度，例如坩堝中的熔融金屬的溫度，會(huì)產(chǎn)生由輻射造成 的破壞。此類破壞可例如是對(duì)為了防止火花或電弧放電而施加的保護(hù)涂層的破壞。
[0006] 盡量減少感應(yīng)線圈的火花風(fēng)險(xiǎn)的一種方法是將坩堝和感應(yīng)線圈放置在真空 室外，在大氣條件下。在這種情況下，火花將僅發(fā)生在數(shù)千伏特的極高電勢(shì)差下，參見(jiàn) F.Paschen,aUeberdiezumFunkenilberganginLuft,ffasserstoffundKohienSaure beiverschiedenenDruckenerforderlichePotentialdifferenz，AnnalenderPhys ik273(5) :69-75"。但是，由于引入了對(duì)可以處理坩堝隔室與真空室其余部分的高溫差的 真空密封的要求，將感應(yīng)線圈與坩堝放置在真空室外部使該方法顯著復(fù)雜化。由此產(chǎn)生的 設(shè)置與采用改進(jìn)的線圈系統(tǒng)相比需要更大的投資。
[0007] 發(fā)明目的
[0008] 本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供用于物質(zhì)的感應(yīng)加熱中所用部件的保護(hù)系統(tǒng)以防止 火花。
[0009] 本發(fā)明的另一目的在于提供用于物質(zhì)的感應(yīng)加熱中使用的部件的保護(hù)系統(tǒng)，其防 止電弧放電。
[0010] 本發(fā)明的另一目的在于提供用于物質(zhì)的感應(yīng)加熱中使用的部件的保護(hù)系統(tǒng)以防 止或盡量減少等離子體的形成。
[0011] 本發(fā)明的另一目的在于提供用于物質(zhì)的感應(yīng)加熱中使用的部件的保護(hù)系統(tǒng)，其防 止由輻射熱造成的破壞。
[0012] 本發(fā)明的另一目的在于提供用于物質(zhì)的感應(yīng)加熱中使用的部件的保護(hù)系統(tǒng)，其可 以容易地施加。
[0013] 本發(fā)明的再一目的在于提供用于物質(zhì)的感應(yīng)加熱中使用的部件的低成本保護(hù)系 統(tǒng)。
[0014] 發(fā)明詳述
[0015] 在一系列實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)確定，發(fā)生火花時(shí)的擊穿電壓取決于用于PVD的室中的壓 力、感應(yīng)加熱系統(tǒng)的設(shè)置、加熱部件的形狀與尺寸以及材料類型和電場(chǎng)類型（AC/DC)。在將 鋅物理氣相沉積到基材上的試驗(yàn)中進(jìn)一步確定了在室中發(fā)生火花時(shí)的擊穿電壓是因?yàn)檎?發(fā)過(guò)程中真空室內(nèi)的小的壓力升高。然而，為了產(chǎn)生足夠大的金屬蒸氣的連續(xù)供應(yīng)，粉末需 要處于在沒(méi)有任何保護(hù)措施的情況下容易發(fā)生火花和電弧放電的水平下。
[0016] 火花會(huì)從電源汲取大量能量，甚至使得電源的過(guò)載系統(tǒng)將斷開(kāi)，將電源一道關(guān)閉。 通過(guò)從加熱的部件表面發(fā)射熱電子（這會(huì)導(dǎo)致該點(diǎn)處氣體導(dǎo)電性的提高），提高了火花的 風(fēng)險(xiǎn)。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，通過(guò)提供用于保護(hù)感應(yīng)加熱部件的保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了本發(fā) 明的一個(gè)或多個(gè)目的，其中該感應(yīng)加熱部件包括感應(yīng)線圈和將該感應(yīng)線圈連接到電源的連 接元件，該保護(hù)系統(tǒng)包含施加到部件上的絕緣材料，其中該絕緣材料選自由聚酰亞胺絕緣 材料、硅橡膠絕緣材料、聚四氟乙烯（PTFE)絕緣材料和聚氯乙烯（PVC)絕緣材料組成的絕 緣材料組。
[0018] 在這些絕緣材料中，該聚酰亞胺絕緣材料能夠經(jīng)受最高的溫度。術(shù)語(yǔ)聚酰亞胺絕 緣材料指的是指包含聚酰亞胺或由聚酰亞胺組成的絕緣材料。對(duì)于其它提及的絕緣材料， 相同的表述適用于這些絕緣材料各自部分或完全地由特定材料組成。
[0019] 在使用真空室的感應(yīng)加熱系統(tǒng)中，如用于所考慮的PVD系統(tǒng)的感應(yīng)加熱系統(tǒng)，該 感應(yīng)加熱部件可以位于該真空室內(nèi)部或外部。當(dāng)感應(yīng)加熱部件位于真空室內(nèi)部時(shí)，提供通 孔裝置以便穿過(guò)真空室壁將該該真空室內(nèi)的感應(yīng)加熱部件連接到電源上。這些通孔裝置是 該連接元件的一部分。
[0020] 通過(guò)使用所述絕緣材料之一作為施加到部件表面上的絕緣材料，在很大程度上防 止了火花和電弧放電的發(fā)生。
[0021] 在試驗(yàn)中已經(jīng)表明，通過(guò)使用聚酰亞胺絕緣材料，獲得了非常好的結(jié)果。聚酰亞胺 絕緣材料的性質(zhì)使得其提供了：
[0022] -防止火花/電弧放電的低導(dǎo)電性，
[0023] _與上方的絕緣層相比的高導(dǎo)熱性，
[0024] _與該感應(yīng)加熱部件良好的熱接觸，
[0025] -防止絕緣材料開(kāi)裂或疲勞的柔性，和
[0026] -高擊穿電壓或介電強(qiáng)度。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，聚酰亞胺是熱固性聚酰亞胺。該聚酰亞胺絕緣材料可以 以絕緣膠帶形式施加，但是優(yōu)選該聚酰亞胺以熱固性涂層形式施加。以這種方式，獲得緊密 貼合該感應(yīng)加熱部件而不留下任何自由空間并具有與該感應(yīng)加熱部件的良好熱接觸的聚 酰亞胺絕緣涂層。
[0028] 涂有聚酰亞胺絕緣涂層的線圈已經(jīng)證實(shí)能夠承受在0? 001Pa_2KPa的空氣壓力范 圍內(nèi)1000VRMS的施加的AC電勢(shì)差和最高6kA的電流，并且具有8毫米的連接器的間距。 這超過(guò)了在線圈表面上沒(méi)有絕緣材料時(shí)能實(shí)現(xiàn)的電勢(shì)差的兩倍。
[0029] 由于該絕緣材料暴露于來(lái)自PVD法中所用金屬的熔融與蒸發(fā)的輻射熱，因此該絕 緣材料可能被磨損并可能最終開(kāi)裂。同樣由于高電勢(shì)差，將產(chǎn)生等離子體，該等離子體可能 是由感應(yīng)線圈的方位電場(chǎng)引起的電感耦合等離子體（ICP)或由感應(yīng)線圈的軸向電場(chǎng)引起 的電容耦合等離子體（CCP)。該等離子體，更特別為該ICP，最終將引起該絕緣材料的劣化， 再次導(dǎo)致火花/電弧放電。
[0030] 為了防止輻射熱和等離子攻擊造成的磨損，對(duì)該感應(yīng)加熱部件提供熱絕緣材料。 優(yōu)選地，至少在部件與被感應(yīng)加熱加熱的物體之間提供該熱絕緣材料。但是，該熱絕緣材料 優(yōu)選圍繞該絕緣材料作為第二層施加。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，該熱絕緣材料包括耐熱材料和用于該耐熱材料的載體。 用于該耐熱材料的載體并不是非常重要，只要其至少能夠承受提高的溫度。盡管感應(yīng)線圈 由中空管制成，冷卻液經(jīng)此循環(huán)，但在外部的溫度可以提高至充分高于該冷卻液溫度。該載 體可以包含礦物棉，其中該礦物棉可以是玻璃棉或巖棉。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，該耐熱材料是施加到載體的陶瓷材料。該陶瓷材料例如 是氧化鎂基陶瓷材料。此類氧化鎂基陶瓷材料的特性包括：
[0033] -高溫性能，和
[0034] -低導(dǎo)電性。
[0035] 該氧化鎂基陶瓷材料優(yōu)選以糊料形式施加到載體材料，這使得能夠容易地施加。
[0036] 已經(jīng)看出，即使采用具有絕緣材料的第一層和提供熱絕緣的第二層的層狀保護(hù)系 統(tǒng)，當(dāng)使用高電壓時(shí)，仍然可能產(chǎn)生電感耦合等離子體。
[0037] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，對(duì)感應(yīng)加熱部件提供用于自由載流子的捕集系統(tǒng)。此類 捕集系統(tǒng)可以是包含跟隨至