DE3904034C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Strahlungsheizvorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen, die aus der Veröffentlichung von G. Pensl et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Band 23 (1984), S. 347 bis 358, bekannt sind.The present invention is based on a radiant heating device with those listed in the preamble of claim 1 Features arising from the publication of G. Pensl et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Volume 23 (1984), Pp. 347 to 358 are known.

Schnell arbeitende Heizvorrichtungen werden in der Wissenschaft und Technik für die verschiedensten Zwecke benötigt. Aus der DE-OS 22 10 022 ist ein Stromregelungsgerät bekannt, das einen Thermistor, einen Wärmestrahler und eine die beiden miteinander koppelnde Steuereinrichtung mit deren Hilfe die Temperatur des Thermistors und damit der durch ihn fließende Strom geregelt wird. In diesem Fall dient jedoch die Temperaturregelung des Thermistors einem anderen Zweck, nämlich der Konstanthaltung eines Stromes. Ebenso betrifft die US-PS 26 11 855 einen Stromregelthermostaten, der die Temperatur z. B. einer Heizdecke in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur regeln soll. Die vorliegende Erfindung liegt dagegen in einem anderen sehr wichtigen Anwendungsgebiet schnell arbeitender Heizvorrichtungen, nämlich der Halbleitertechnologie. Halbleiterbauteile, wie IC-Wafer, müssen z. B. zur Ausheilung von Kristalldefekten, zur Durchführung von Diffusionsprozessen, zum Züchten von Schichten u. a. m. getempert oder geglüht werden, wobei häufig bestimmte Forderungen, wie eine möglichst kurze Aufheizzeit, eine exakt definierte, ggf. kurze Erhitzungsdauer und ein kontrollierter zeitlicher Temperaturverlauf, gestellt werden. Fast-working heaters are used in science and technology for a wide variety of purposes. A current control device is known from DE-OS 22 10 022, the one thermistor, one heat radiator and one the two coupling control device with their Help the temperature of the thermistor and thus that of it flowing electricity is regulated. In this case, however, serves the temperature control of the thermistor for another purpose, namely keeping a current constant. Also concerns the US-PS 26 11 855 a current control thermostat that the Temperature z. B. an electric blanket depending on the Should regulate ambient temperature. The present invention is in another very important area of application fast-working heaters, namely the Semiconductor technology. Semiconductor components, such as IC wafers, need z. B. for healing crystal defects, for implementation of diffusion processes, for growing layers u. a. m. annealed or annealed, often certain Requirements such as the shortest possible heating time, a exactly defined, possibly short heating time and a controlled temperature profile over time.  

Es ist bekannt, z. B. aus der bereits genannten Veröffentlichung von G. Pensl, zur Kurzzeittemperung (im englischen Sprachgebrauch Short Time Annealing (STA); Rapid Thermal Annealing (RTA); Thermal Pulse Annealing (TPA)) Korpuskularstrahlung, insbesondere Elektronen- und Ionenstrahlen, oder kohärente oder inkohärente optische Strahlung, ferner nahe bei dem zu erhitzenden Gegenstand angeordnete elektrische Widerstandsheizvorrichtungen, wie Graphitplatten, oder elektrische Widerstandsheizschichten, die an dem zu erhitzenden Körper angebracht sind, zu verwenden.It is known e.g. B. from the already mentioned Publication by G. Pensl, for short-term tempering (im English usage Short Time Annealing (STA); Rapid Thermal Annealing (RTA); Thermal Pulse Annealing (TPA)) Corpuscular radiation, especially electron and Ion beams, or coherent or incoherent optical Radiation, further close to the object to be heated arranged electrical resistance heaters, such as Graphite plates, or electrical resistance heating layers, attached to the body to be heated use.

Heizvorrichtungen, die mit Korpuskularstrahlung und kohärenter optischer Strahlung (Laserstrahlung) arbeiten, ermöglichen zwar sehr kurze Aufheizzeiten bis herunter zu Millisekunden, sie sind jedoch apparativ sehr aufwendig, wenn höhere Leistungen gefordert werden. Korpuskularstrahlen können außerdem Kristallschäden sowie eine unerwünschte Aufladung der Probe verursachen und schädliche Röntgenstrahlung erzeugen. Elektrische Widerstandsheizvorrichtungen ermöglichen nur Aufheizzeiten in der Größenordnung von einigen Sekunden, sie sind außerdem nicht sehr anpassungsfähig. Am weitesten verbreitet sind derzeit Strahlungsheizvorrichtungen, die mit inkohärenter optischer (thermischer) Strahlung arbeiten und als Strahlungserzeuger Wolfram-Halogen-Glühlampen, wassergekühlte Bogenlampen u. dgl. enthalten. In der Praxis sind diese bekannten Stahlungsheizvorrichtungen jedoch nur für Temper- bzw. Glühzeiten über etwa 10 s brauchbar. Aus der Veröffentlichung von K. Yokota et al. ist eine Vorrichtung bekannt, bei der eine Siliziumscheibe, die sich in einem Quarzschiffchen befindet, durch zwei beidseitig des Schiffchens angeordnete Halogenlampen erhitzt wird. Zwischen den Lampen und dem Schiffchen sind mechanische Verschlüsse angeordnet, die zur Steuerung der Erhitzungsdauer dienen. Die Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, daß zum einen die Aufheizzeiten zu lang (im Sekundenbereich) sind und daß weiterhin die Temperatur der Siliziumscheibe nicht auf einen vorgegebenen Wert eingestellt und konstant gehalten werden kann. Ein Überblick über industrielle Geräte zur Kurzzeittemperung von Halbleitereinrichtungen findet sich in der Veröffentlichung von S. R. Wilson et al., Mat. Res. Soc., Pittsburg 1986, S. 181-189.Heaters with corpuscular radiation and work with coherent optical radiation (laser radiation), allow very short heating times down to Milliseconds, but they are very expensive in terms of equipment, if higher performance is required. Corpuscular rays can also cause crystal damage as well as an undesirable Charge the sample and cause harmful x-rays produce. Electric resistance heaters only allow heating times of the order of a few seconds, they are also not very adaptable. At the Radiant heaters are currently the most common, those with incoherent optical (thermal) Radiation work and as a radiation generator tungsten halogen incandescent lamps, water-cooled arc lamps u. the like contain. In practice, these are known steel heating devices however only for tempering or annealing times usable for about 10 s. From the publication by K. Yokota et al. a device is known in which a Silicon wafer, which is in a quartz boat, by two halogen lamps arranged on both sides of the boat is heated. Between the lamps and the boat are mechanical closures arranged for control serve the duration of the heating. However, the device has the Disadvantage that the heating times are too long (in Seconds range) and that the temperature of the  Silicon wafer not set to a predetermined value and can be kept constant. An overview of industrial devices for short-term tempering of semiconductor devices can be found in the publication of S.R. Wilson et al., Mat. Res. Soc., Pittsburg 1986, Pp. 181-189.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit inkohärenter elektromagnetischer Strahlung arbeitende Strahlungsheizvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dahingehend weiterzubilden, daß kürzere Aufheizzeiten und eine genauere sowie schnellere Temperatursteuerung möglich sind.The present invention has for its object a working with incoherent electromagnetic radiation Radiant heating device with the features of the preamble of claim 1 to the extent that shorter Warm-up times and more precise and faster temperature control possible are.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die in den Patentansprüchen gekennzeichnete und im folgenden näher erläuterte Strahlungsheizvorrichtung sehr kurze Aufheizzeiten ermöglicht, die bei bestimmten Ausführungsformen bis zu etwa 10⁶°C/s erreichen können. Man dringt damit in Bereiche vor, in denen die Wärme sehr viel schneller zugeführt wird, als sie in der Probe weitergeleitet werden kann, so daß z. B. eine dünne Oberflächenschicht stark erhitzt und ggf. geschmolzen werden kann, während der Rest der Probe nahe der Ausgangstemperatur verbleibt. Die Erhitzungsdauer kann sehr kurz sein und ist nach oben nicht beschränkt, so daß die vorliegende Strahlungsheizvorrichtun auch anstelle der bisher für lange Glühzeiten (Stunden, Tage und Wochen) benutzten Rohröfen verwendet werden kann. Im Gegensatz zu diesen zeichnet sich die vorliegende Strahlungsheizvorrichtung jedoch durch eine viel geringere thermische Trägheit aus, so daß die Temperaturbehandlung schnell abgebrochen werden kann, z. B. wenn ein Nothalt erforderlich ist (z. B. bei Glühlampen in technischen Grenzbereichen).The solution to this problem is that the radiant heating device characterized in the claims and explained in more detail below enables very short heating times, which in certain embodiments can reach up to about 10 ⁶ ° C / s. It penetrates into areas in which the heat is supplied much faster than it can be passed on in the sample, so that, for. B. a thin surface layer can be strongly heated and possibly melted, while the rest of the sample remains close to the initial temperature. The heating time can be very short and there is no upper limit, so that the present radiant heating device can also be used instead of the tube furnaces previously used for long annealing times (hours, days and weeks). In contrast to these, the present radiant heating device is characterized by a much lower thermal inertia, so that the temperature treatment can be stopped quickly, e.g. B. when an emergency stop is required (e.g. with incandescent lamps in technical limit areas).

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtIn the following, embodiments of the invention are described with reference to FIG Drawings explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Strahlungsheizvorrichtung, Fig. 1 a schematic diagram of a radiation heater,

Fig. 2 ein Probentemperatur/Zeit-Diagramm, auf das bei der Erläuterung Bezug genommen wird; Fig. 2 is a sample temperature / time diagram, is made to in the explanation of reference;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform und Fig. 3 is a schematic representation of an embodiment and

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Abwandlung der Strahlungsheizvorrichtung gemäß Fig. 3. FIG. 4 shows a schematic illustration of a modification of the radiation heating device according to FIG. 3.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Strahlungsheizvorrichtung enthält als Energiequelle eine Strahlungsquelle (10) mit einer nur schematisch dargestellten Wolfram-Halogen-Glühlampe, die z. B. mit einem innen vergoldeten ellipsoidförmigen Reflektor aus Kunststoff versehen ist. Die Strahlungsquelle (10) kann einen nicht dargestellten Kollimator enthalten und liefert ein Bündel inkohärenter Strahlung, welches sich längs eines Strahlenganges (12) zu einem Bestrahlungsort ausbreitet, bei dem sich eine Halterung (14) für einen zu bestrahlenden Gegenstand (Probe) (16), z. B. eine Silizium-Scheibe für integrierte Schaltungen, befindet. Zur Messung der Temperatur des zu erhitzenden Gegenstandes (16), im folgenden kurz "Probe", ist ein Temperaturfühler (18), z. B. ein Pyrometer, vorgesehen, der ein die Temperatur der Probe (16) anzeigendes Temperatur­ signal auf einer Leitung (20) liefert. The radiant heating device shown schematically in Fig. 1 contains as energy source a radiation source ( 10 ) with a tungsten-halogen incandescent lamp shown only schematically, the z. B. is provided with a gold-plated ellipsoidal reflector made of plastic. The radiation source ( 10 ) can contain a collimator (not shown) and supplies a bundle of incoherent radiation, which spreads along a beam path ( 12 ) to an irradiation location, at which a holder ( 14 ) for an object (sample) ( 16 ) to be irradiated , e.g. B. is a silicon wafer for integrated circuits. To measure the temperature of the object to be heated ( 16 ), hereinafter briefly "sample", a temperature sensor ( 18 ), z. B. a pyrometer is provided, which provides a temperature signal of the sample ( 16 ) indicating temperature signal on a line ( 20 ).

Im Strahlengang (12) zwischen der Strahlungsquelle (10) und dem Bestrahlungsort, an dem sich die Probe (16) befindet, ist eine Strahlungssteuervorrichtung (22) angeordnet, die den Betrag der Strahlungsenergie zu steuern gestattet, der von der Strahlungsquelle (10) zur Probe (16) am Bestrahlungsort gelangt. In Fig. 1 ist die Strahlungssteuervorrichtung als mechanischer Verschluß darge­ stellt, der eine Platte (24) aus Metall und einen Aktuator oder eine Stellvorrichtung (26) enthält, durch den die Platte (24) zwischen einer Ruhestellung, in der sie den Strahlengang (12) unterbricht, und einer Arbeitsstellung, in der sie den Strahlengang freigibt, bewegt, z. B. geschwenkt, werden kann.A radiation control device ( 22 ) is arranged in the beam path ( 12 ) between the radiation source ( 10 ) and the irradiation location at which the sample ( 16 ) is located, said radiation control device ( 22 ) being able to control the amount of radiation energy that is provided by the radiation source ( 10 ) Sample ( 16 ) arrived at the radiation site. In Fig. 1, the radiation control device is a mechanical shutter Darge, which contains a plate ( 24 ) made of metal and an actuator or actuator ( 26 ) through which the plate ( 24 ) between a rest position in which it the beam path ( 12th ) interrupts, and moves to a working position in which it releases the beam path, z. B. can be pivoted.

Die Temperatursignal-Leitung (20) vom Temperaturfühler (18) ist mit einem Istwert-Eingang eines ersten Reglers (28) verbun­ den. Der Regler (28) hat ferner einen Sollwert-Eingang, der mit einer ein Temperatur-Sollwertsignal liefernden Einrichtung (30) gekoppelt ist. Der Regler (28) hat schließlich noch einen Ausgang, der mit der Stellvorrichtung (26) gekoppelt ist und ein Stellsignal an diese liefert.The temperature signal line ( 20 ) from the temperature sensor ( 18 ) is connected to an actual value input of a first controller ( 28 ). The controller ( 28 ) also has a setpoint input which is coupled to a device ( 30 ) which supplies a temperature setpoint signal. Finally, the controller ( 28 ) also has an output which is coupled to the actuating device ( 26 ) and supplies an actuating signal to the latter.

Die Strahlungsquelle (10) ist mit einer Energieversorgung (32), wie einem geregelten Netzgerät mit veränderbarer Ausgangs­ leistung, verbunden.The radiation source ( 10 ) is connected to a power supply ( 32 ), such as a regulated power supply with variable output.

Die Temperatursignal-Leitung (20) ist außerdem mit einem Istwert-Eingang eines zweiten Reglers (34) gekoppelt. Der Regler (34) hat ferner einen Sollwert-Eingang, der mit der Sollwertsignalerzeugungseinrichtung (30) gekoppelt ist, und einen Stellsignalausgang, der ein Stellsignal zur Steuerung der Ausgangsleistung der Energieversorgung (32) an diese liefert.The temperature signal line ( 20 ) is also coupled to an actual value input of a second controller ( 34 ). The controller ( 34 ) also has a setpoint input which is coupled to the setpoint signal generating device ( 30 ) and an actuating signal output which supplies an actuating signal for controlling the output power of the energy supply ( 32 ) to the latter.

Die Zeitkonstante des ersten Reglers (28) und die Ansprechzeit der durch diesen Regler gesteuerten Strahlungssteuervorrichtung (22) sind möglichst kurz. Der zweite Regler (34) hat eine im Vergleich hierzu wesentlich größere (z. B. mindestens doppelt so große) Zeitkonstante.The time constant of the first controller ( 28 ) and the response time of the radiation control device ( 22 ) controlled by this controller are as short as possible. The second controller ( 34 ) has a substantially larger (for example at least twice as large) time constant in comparison to this.

Der schnelle erste Regler (28) und vorzugsweise auch der langsamere zweite Regler (34) werden vorteilhafterweise durch einen Regelprozessor, wie einen PC mit geeigneten Zusatzein­ richtungen gebildet. Hiermit lassen sich Reaktionszeiten unter 60 µs erreichen. Die Temperaturmessung erfolgt dabei zweckmäßigerweise mit einem Thermoelement mit kleiner Wärme­ kapazität und mit Hilfe eines elektronischen Temperaturnull­ punktes.The fast first controller ( 28 ) and preferably also the slower second controller ( 34 ) are advantageously formed by a control processor, such as a PC, with suitable additional devices. This enables response times of less than 60 µs to be achieved. The temperature measurement is advantageously carried out with a thermocouple with a small heat capacity and with the help of an electronic zero temperature point.

Die Zeitkonstante des zweiten Reglers (34) kann in der kon­ ventionellen Größenordnung 0,1 bis 10 s liegen.The time constant of the second controller ( 34 ) can be in the conventional order of 0.1 to 10 s.

Unter der Voraussetzung, daß die Probe (16) möglichst rasch auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt, eine bestimmte Zeit­ spanne möglichst genau auf dieser Temperatur gehalten und dann wieder abkühlen gelassen werden soll, arbeitet die Strah­ lungsheizvorrichtung gemäß Fig. 1 wie folgt: Zuerst wird die Strahlungsquelle mit voller Leistung eingeschaltet. Dies kann bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 dadurch geschehen, daß die Sollwertsignalerzeugungseinrichtung (30), die beispiels­ weise eine programmierte Datenverarbeitungsanlage, wie einen Mikrocomputer, PC oder dergleichen enthalten kann, zuerst nur an den zweiten Regler (34) ein der gewünschten Proben­ temperatur entsprechendes Temperatursollwertsignal liefert. Da der Strahlengang (12) daher nach wie vor durch die Strahlungs­ steuervorrichtung (22) unterbrochen bleibt, wird die Probe nicht aufgeheizt und der Regler (34) veranlaßt die Energie­ versorgung (32), die Strahlungsquelle (10) mit der maximal zulässigen Eingangsleistung zu speisen. Nachdem die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlungsleistung ihren Gleich­ gewichtszustand erreicht hat, legt die Einrichtung (30) das Temperatur-Sollwertsignal auch an den ersten Regler (28) an. Da die Probe (16) noch kalt ist, hat dies zur Folge, daß die Strahlungssteuervorrichtung den Strahlengang (12) abrupt freigibt (Zeitpunkt t₁ in Fig. 2). Die Probe (16) wird also vom Zeitpunkt t₁ an mit der maximal verfügbaren Strahlungsleistung beaufschlagt, so daß sich ihre Temperatur von einer Anfangstemperatur T₁ mit der maximal möglichen Geschwindigkeit auf die Soll-Temperatur T₂ erhöht. Beim Erreichen der Soll-Temperatur T₂ im Zeitpunkt t₂ bewirkt der Regler (28), daß die Strahlungssteuervorrichtung (22) den Strahlengang wieder unterbricht, so daß die Temperatur der Probe wieder absinkt. Die Strahlungssteuervorrichtung (22) gibt dann den Strahlengang wieder frei und dieses Regel­ spiel, das einer Zweipunktregelung entspricht, wiederholt sich wegen der kurzen Zeitkonstante des Reglers (28) und der schnellen Ansprechgeschwindigkeit der Strahlungssteuer­ vorrichtung (22) in sehr kurzen Abständen, so daß eine sehr genaue Regelung der Probentemperatur auf den Sollwert gewähr­ leistet ist. Selbstverständlich könnten der Regler und die Stellvorrichtung auch kontinuierlich (proportional) arbeiten.Provided that the sample ( 16 ) is heated as quickly as possible to a predetermined temperature, is kept at this temperature as precisely as possible for a certain period of time and is then allowed to cool again, the radiation heating device according to FIG. 1 operates as follows: First, the Radiation source switched on at full power. This can in the apparatus of FIG. 1, be done by the target signal generating means (30), which may include a programmed data processing system, such as a microcomputer, PC, or the like embodiment example, at first only to the second controller (34) to the desired sample temperature delivers the corresponding temperature setpoint signal. Since the beam path ( 12 ) is therefore still interrupted by the radiation control device ( 22 ), the sample is not heated and the controller ( 34 ) causes the energy supply ( 32 ), the radiation source ( 10 ) with the maximum permissible input power Food. After the radiation power emitted by the radiation source has reached its equilibrium state, the device ( 30 ) also applies the temperature setpoint signal to the first controller ( 28 ). Since the sample ( 16 ) is still cold, this has the consequence that the radiation control device abruptly releases the beam path ( 12 ) (time t ₁ in FIG. 2). The sample ( 16 ) is thus subjected to the maximum available radiation power from time t ₁ , so that its temperature increases from an initial temperature T ₁ to the target temperature T ₂ at the maximum possible speed. When the target temperature T _{2 is reached} at time t ₂ , the controller ( 28 ) causes the radiation control device ( 22 ) to interrupt the beam path again, so that the temperature of the sample drops again. The radiation control device (22) then enters the beam path free again and playing this rule which corresponds to a two-point control, is repeated due to the short time constant of the regulator (28) and the quick response speed of the radiation control device (22) at very short intervals, so that a very precise control of the sample temperature to the setpoint is guaranteed. Of course, the controller and the adjusting device could also work continuously (proportionally).

Ohne die im Strahlengang (12) angeordnete Strahlungssteuer­ vorrichtung (22) wäre erstens der Temperaturanstieg wegen der Anheizzeit des Strahlungserzeugers wesentlich flacher und zweitens wäre wegen der thermischen Trägheit des Strahlungs­ erzeugers entweder ein viel stärkeres Überschwingen der Temperatur oder ein späteres Erreichen der Solltemperatur unvermeidbar, wie in Fig. 2 durch gestrichelte Kurven angedeutet ist.Without the radiation control device ( 22 ) arranged in the beam path ( 12 ), the temperature rise would be much flatter because of the heating time of the radiation generator, and secondly, because of the thermal inertia of the radiation generator, either a much greater overshoot of the temperature or a later reaching of the target temperature would be unavoidable, as is indicated in Fig. 2 by dashed curves.

Während der schnellen Regelung der Strahlungsleistung durch die auf den Strahlengang (12) wirkende Strahlungssteuer­ vorrichtung (22) beginnt bei t₂ auch der langsam arbeitende zweite Regler (34) anzusprechen und die Eingangsleistung der Strahlungsquelle herabzuregeln. Nach einer gewissen Zeit (Zeitpunkt t₃ in Fig. 2) übernimmt dann der zweite Regler allein die Temperaturregelung durch Steuerung der Lampenleistung. Die Verhältnisse sind zweckmäßigerweise so gewählt, daß die Strahlungssteuervorrichtung (22) dann den Strahlengang (12) vollständig freigibt. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß der Temperatursollwert für den schnellen ersten Regler (28) geringfügig höher gewählt wird, als der Temperatur-Sollwert für den langsamen zweiten Regler (34). Alternativ kann auch die Stellvorrichtung (26) im Arbeitszustand (Strahlengang frei) gehalten werden, wenn das Fehlersignal im zweiten Regler (34) eine gewisse Zeitspanne lang unter einen vorgegeben Wert abgesunken ist. Selbstverständlich sind auch irgendwelche anderen Regelprogramme möglich.During the rapid regulation of the radiation power by the radiation control device ( 22 ) acting on the beam path ( 12 ), the slowly operating second controller ( 34 ) also begins to respond at t ₂ and regulates the input power of the radiation source. After a certain time (time t ₃ in FIG. 2), the second controller then takes over the temperature control alone by controlling the lamp power. The conditions are expediently chosen so that the radiation control device ( 22 ) then completely clears the beam path ( 12 ). This can e.g. B. can be achieved in that the temperature setpoint for the fast first controller ( 28 ) is selected slightly higher than the temperature setpoint for the slow second controller ( 34 ). Alternatively, the actuating device ( 26 ) can also be kept in the working state (beam path free) when the error signal in the second controller ( 34 ) has dropped below a predetermined value for a certain period of time. Any other control programs are of course also possible.

Wenn die Erhitzung der Probe (16) beendet werden soll, schaltet die Einrichtung (30) das Temperatur-Sollwertsignal auf Null. Der Strahlengang (12) wird dann durch die Strahlungssteuer­ vorrichtung (22) sofort unterbrochen, so daß sich die Probe dann vom Zeitpunkt t₄ an abzukühlen beginnt. Wenn eine schnellere Abkühlgeschwindigkeit gewünscht wird, kann eine Kühlvorrichtung vorgesehen sein, wie noch erläutert werden wird. Vom Einschalten der Kühlvorrichtung an (Zeitpunkt t₅) wird die Probe dann zwangsweise schnell gekühlt.When the heating of the sample ( 16 ) is to be ended, the device ( 30 ) switches the temperature setpoint signal to zero. The beam path ( 12 ) is then immediately interrupted by the radiation control device ( 22 ), so that the sample then begins to cool from time t ₄ . If a faster cooling rate is desired, a cooling device can be provided, as will be explained. From the time the cooling device is switched on (time t ₅ ), the sample is then forced to be rapidly cooled.

Die Komponenten der vorliegenden Strahlungsheizvorrichtung können in der Praxis in der verschiedensten Weise ausgebildet sein.The components of the present radiant heater can be practiced in a variety of ways be.

Die inkohärente Strahlungsquelle kann als Strahlungserzeuger einzelne oder mehrere Quarz-Halogen-Glühlampen, Bogenlampen, Ultraviolett- oder Infrarot-Lampen usw. enthalten. Es können mehrere inkohärente Strahlungerzeuger gleicher oder unter­ schiedlicher Art vorgesehen sein. Man kann insbesondere Strah­ lungserzeuger auf einander entgegengesetzten Seiten der Probe anordnen. Es können Strahlungserzeuger unterschiedlicher Leistung miteinander kombiniert werden. Der oder die Strahlungs­ erzeuger werden, wie erwähnt, vorzugsweise in den Regelprozeß mit einbezogen. Bei Verwendung mehrerer Strahlungserzeuger können diese einzeln oder nur zum Teil geregelt werden, ins­ besondere dann, wenn sie unterschiedliche Leistungen aufweisen. Man kann zum Beispiel zum schnellen Aufheizen mit voller Leistung aller Strahlungserzeuger fahren und zur Aufrechter­ haltung der Temperatur dann nur noch einen Strahlungserzeuger relativ niedriger Leistung in Betrieb halten. Wenn mehrere Strahlungserzeuger vorhanden sind, kann jedem Strahlungserzeuger eine eigene Strahlungssteuervorrichtung zugeordnet sein oder eine Strahlungssteuervorrichtung kann zur Steuerung der Strahlung mehrerer oder aller Strahlungserzeuger dienen.The incoherent radiation source can act as a radiation generator single or multiple quartz halogen incandescent lamps, arc lamps, Ultraviolet or infrared lamps, etc. included. It can  several incoherent radiation generators of the same or below be of different types. One can especially Strah Generation generator on opposite sides of the sample arrange. Radiation generators can be different Performance can be combined. The radiation or radiation As mentioned, producers are preferably in the control process involved. When using multiple radiation generators can these be regulated individually or only in part, ins especially if they have different performances. For example, you can use the full to heat up quickly Performance of all radiation generators drive and upright maintenance of the temperature then only one radiation generator keep relatively low power in operation. If several Radiation generators are present, any radiation generator a dedicated radiation control device can be assigned or a radiation control device can be used to control the radiation serve several or all radiation generators.

Die Strahlungssteuervorrichtungen sind im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem zu erhitzenden Gegenstand (Probe) angeordnet. Sie reflektieren und/oder absorbieren und/oder lenken die Strahlung ganz oder zum Teil ab. Sie können die Strahlungsleistung kontinuierlich oder diskontinuierlich (Zweipunktbetrieb), periodisch oder aperiodisch steuern. Die Strahlungssteuervorrichtungen können mit einer Kühl­ vorrichtung versehen sein.The radiation control devices are in the beam path between the radiation source and the object to be heated (sample) arranged. They reflect and / or absorb and / or deflect the radiation in whole or in part. You can the Radiant power continuously or discontinuously Control (two-point operation), periodically or aperiodically. The radiation control devices can be cooled be provided.

Als Strahlungssteuervorrichtung können die folgenden Einrich­ tungen einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet werden:The following devices can be used as the radiation control device can be used individually or in any combination:

• a) Im wesentlichen mechanische Komponenten, wie Schieber, kippende oder rotierende Blenden, Klappen, Membranen, Jalousien, Gitter, bewegliche Lochblenden, Spiegelsysteme usw., die durch elektrische, magnetische, elektromagnetische, pneumatische usw. Stellvorrichtungen oder über elektrische und/oder magnetische Felder oder eine Kombination hiervon betätigbar sind. Man kann z. B. Vorrichtungen verwenden, wie sie als Kamera-Verschlüsse üblich sind. Mit solchen mechanischen Strahlungssteuervorrichtungen dürfte man Schaltfrequenzen bis mindestens 1 kHz erreichen können, also Schaltzeiten bis zu 1 ms und darunter.a) Essentially mechanical components, such as slides, tilting or rotating screens, flaps, membranes, Blinds, grilles, movable pinholes, mirror systems  etc., which are caused by electrical, magnetic, electromagnetic, pneumatic etc. actuators or via electrical and / or magnetic fields or a combination thereof can be operated. You can e.g. B. use devices as they are common as camera closures. With such mechanical radiation control devices are likely Can achieve switching frequencies of at least 1 kHz, switching times up to 1 ms and below.
• b) Strahlungssteuervorrichtungen, die im wesentlichen nur durch elektrische und/oder magnetische Felder steuerbar sind. Hierzu zählen Einrichtungen, die auf dem Prinzip z. B. des Kerreffekts oder des Faradayeffekts arbeiten, wie etwa Kerrzellen, elektro-optische Schalter; ferner Einrichtungen, bei denen Phasenumwandlungen ausgenutzt werden, wie Flüssigkristallzellen und elektrisch polarisier­ bare oder magnetisierbare Verbundsysteme. Letztere können zum Beispiel magnetisierbare plättchen- oder stäbchenförmige Körper, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, enthalten, welche durch magnetische Felder so ausgerichtet werden können, daß der Transmissionskoeffizient für die Heizstrahlung nahezu beliebig zwischen 0 und 1 verändert werden kann. Die Suspensionsflüssigkeit kann gleichzeitig zur Kühlung dienen. Mit Strahlungssteuervorrichtungen der Gruppe b), insbesondere solchen, die ohne mechanisch bewegte makros­ kopische Teile arbeiten, dürften sich Schaltfrequenzen bis zu mindestens 100 MHz, also Schaltzeiten bis unter 10^-8 s erreichen lassen.b) radiation control devices which can essentially only be controlled by electrical and / or magnetic fields. These include facilities based on the principle of e.g. B. Kerre effect or Faraday effect work, such as Kerr cells, electro-optical switches; also facilities in which phase changes are used, such as liquid crystal cells and electrically polarizable or magnetizable composite systems. The latter can contain, for example, magnetizable platelet-shaped or rod-shaped bodies which are suspended in a liquid and which can be aligned by magnetic fields in such a way that the transmission coefficient for the heating radiation can be varied almost arbitrarily between 0 and 1. The suspension liquid can also be used for cooling. With radiation control devices of group b), in particular those that work without mechanically moving macroscopic parts, switching frequencies of up to at least 100 MHz, that is to say switching times of less than 10 ^-8 s, can be achieved.

Die Strahlungssteuervorrichtungen können gekühlt werden und nach Erreichen des stationären Zustandes der Probentemperatur einzeln oder alle im voll lichtdurchlässigen Zustand gehalten werden. Der Strahlengang kann auch einen oder mehrere Festkörper, z. B. eine Lichtleitfaser, enthalten, mit denen noch zusätzlich zu den Komponenten (10, 12) und (22) die Temperaturverteilung auf der Probe beeinflußt werden kann.The radiation control devices can be cooled and, once the sample temperature has reached the steady state, can be kept individually or all in the fully translucent state. The beam path can also one or more solids, for. B. contain an optical fiber with which the temperature distribution on the sample can be influenced in addition to the components ( 10 , 12 ) and ( 22 ).

Die Kühlung der Probe kann durch Strahlung, durch Konvektion oder durch Zwangskühlung mit einem gasförmigen oder flüssigen Kühlmittel, wie flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium erfolgen. Zur Kühlung kann die Verdampfungswärme von Flüssig­ keiten ausgenutzt werden. Die Probe kann in einer Probenkammer angeordnet sein, in die gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel eingeleitet oder durch Düsen eingespritzt werden kann. Die Kühlung kann in ähnlicher Weise geregelt werden wie die Heizung, so daß auch beim Abkühlen ein gewünschter Temperaturverlauf erreicht werden kann.The cooling of the sample can be done by radiation, by convection or by forced cooling with a gaseous or liquid Coolants such as liquid nitrogen or liquid helium respectively. The heat of vaporization of liquid can be used for cooling can be exploited. The sample can be in a sample chamber be arranged in the gaseous or liquid coolant can be introduced or injected through nozzles. The Cooling can be regulated in a similar way to heating, so that a desired temperature profile even when cooling can be reached.

Die Strahlungsheizvorrichtung kann für die Erhitzung oder das Kühlen von einzelnen Proben, vom Probenchargen oder für einen Durchlaufbetrieb ausgelegt sein.The radiant heater can be used for heating or the cooling of individual samples, from sample batches or for be designed for continuous operation.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Strahlungsheizvorrichtung gemäß einer praktischen Ausführungsform. Als Strahlungs­ erzeuger sind zwei Wolfram-Halogen-Glühlampen (10a, 10b) mit Metallreflektor vorgesehen, die auf entgegengesetzten Seiten der Probe (16) angeordnet sind und jeweils eine Nenn­ leistung von einigen hundert Watt bis zu einigen Kilowatt haben können. Die Probe (16) ist in einer Probenkammer (36) angeordnet, deren den Lampen (10a, 10b) zugewandte Seiten durch Quarzfenster gebildet sind. Mit der Probe (16) ist ein Temperaturfühler (18) in Form eines Thermoelements gekoppelt. Das Thermoelement ist über eine Einheit (38), die eine Tempe­ raturreferenz enthält, und einen Verstärker (39) mit einem Analog-Digital-Konverter (ADC) gekoppelt, der einen Teil eines Regelprozessors (40) in einem PC bildet. Fig. 3 schematically shows a radiation heater according to a practical embodiment. As a radiation generator, two tungsten-halogen light bulbs ( 10 a, 10 b) are provided with metal reflectors, which are arranged on opposite sides of the sample ( 16 ) and each have a nominal output of a few hundred watts to a few kilowatts. The sample ( 16 ) is arranged in a sample chamber ( 36 ), the sides of which face the lamps ( 10 a, 10 b) are formed by quartz windows. A temperature sensor ( 18 ) in the form of a thermocouple is coupled to the sample ( 16 ). The thermocouple is coupled via a unit ( 38 ), which contains a temperature reference, and an amplifier ( 39 ) to an analog-to-digital converter (ADC), which forms part of a control processor ( 40 ) in a PC.

Im Strahlengang zwischen den Lampen (10a) bzw. (10b) und der Probe (16) sind Strahlungssteuervorrichtungen (22a 1, 22a 2) bzw. (22b 1, 22b 2) angeordnet. Wie gestrichelt angedeutet ist, können noch weitere Strahlungssteuervorrichtungen vorgesehen sein. Die Strahlungssteuervorrichtungen haben unterschiedliche Ansprechgeschwindigkeiten. Die Strahlsteuervorrichtungen (22a 1, 22b 1) sind bei dem vorliegenden Beispiel mechanische Einrichtungen, die jeweils eine Metallplatte enthalten, die durch einen elektromagnetischen Aktuator aus dem Strahlengang schwenkbar ist. Die Strahlungssteuervorrichtungen (22a 2, 22b 2) sind sehr schnell arbeitende elektrisch gesteuerte Vorrichtungen, insbesondere Kerrzellen.Radiation control devices ( 22 a 1, 22 a 2) and ( 22 b 1, 22 b 2) are arranged in the beam path between the lamps ( 10 a) and ( 10 b) and the sample ( 16 ). As indicated by dashed lines, further radiation control devices can also be provided. The radiation control devices have different response speeds. The beam control devices ( 22 a 1, 22 b 1) in the present example are mechanical devices, each of which contains a metal plate that can be pivoted out of the beam path by an electromagnetic actuator. The radiation control devices ( 22 a 2, 22 b 2) are very fast-working, electrically controlled devices, in particular Kerr cells.

Die Strahlungssteuervorrichtungen (22a 1, 22a 2) und eine Energie­ versorgung (32a) für die Lampe (10a) werden durch Stellsignale von einer ersten Digital/Analog-Konverteranordnung (DAC1) im Regelprozessor (40) gesteuert. In entsprechender Weise werden die Strahlungssteuervorrichtungen (22b 1, 22b 2) und eine Energieversorgung (32b) für die Lampe (10b) durch Stell­ signale von einer zweiten Digital-Analog-Konverteranordnung (DAC2) im Regelprozessor (40) gesteuert. Die D/A-Konverter­ anordnungen (DAC1, DAC2) und der Analog/Digital-Konverter (DAC) für das Temperatursignal sind mit einer EDV-Anlage (42) gekoppelt, die zur Prozeßführung dient.The radiation control devices ( 22 a 1, 22 a 2) and a power supply ( 32 a) for the lamp ( 10 a) are controlled by control signals from a first digital / analog converter arrangement (DAC1) in the control processor ( 40 ). In a corresponding manner, the radiation control devices ( 22 b 1, 22 b 2) and a power supply ( 32 b) for the lamp ( 10 b) are controlled by control signals from a second digital-to-analog converter arrangement (DAC2) in the control processor ( 40 ). The D / A converter arrangements (DAC1, DAC2) and the analog / digital converter (DAC) for the temperature signal are coupled to an EDP system ( 42 ) which is used for process control.

Zur Kühlung der Lampen und der Strahlungssteuervorrichtungen dient eine nur schematisch angedeutete Kühlvorrichtung (44), die ein Kühlmittel an die zu kühlenden Komponenten liefert. Zur Probenkühlung dient eine Quelle (46) für ein gasförmiges oder flüssiges Kühlfluid, welches über ein Ventil (48) in die Probenkammer (36) eingespeist und über ein zweites Ventil (50) und eine Pumpe (52) abgesaugt wird. Die Steuerung der Kühlfluidquelle (46) der Ventile (48, 50) und der Pumpe (52) erfolgt durch Steuersignale von den D/A-Wandleranordnungen (DAC2) bzw. (DAC1), wie schematisch dargestellt ist.A cooling device ( 44 ), which is only indicated schematically and which supplies a coolant to the components to be cooled, is used to cool the lamps and the radiation control devices. A source ( 46 ) for a gaseous or liquid cooling fluid is used for sample cooling, which is fed into the sample chamber ( 36 ) via a valve ( 48 ) and is sucked off via a second valve ( 50 ) and a pump ( 52 ). The cooling fluid source ( 46 ) of the valves ( 48 , 50 ) and the pump ( 52 ) are controlled by control signals from the D / A converter arrangements (DAC2) and (DAC1), as shown schematically.

Wie Fig. 4 zeigt, läßt sich die Vorrichtung gemäß Fig. 3 dadurch abwandeln, daß die Strahlungssteuervorrichtungen (22a 1, . . .) und die Probe in einer gemeinsamen Kühlkammer (36a) angeordnet sind, die dann von der einen Lampe (10a) bis zur anderen Lampe (10b) erreichen kann.As shown in FIG. 4, the device according to FIG. 3 can be modified in that the radiation control devices ( 22 a 1,...) And the sample are arranged in a common cooling chamber ( 36 a), which is then removed from the one lamp ( 10 a) can reach up to the other lamp ( 10 b).

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines abrupt zu erhitzenden Gegenstandes mit

• a) einer Strahlungsenergiequelle, die mindestens einen Strahlungserzeuger (10) zum Erzeugen von inkohärenter Strahlung enthält,
• b) einer Halterungsvorrichtung (14) zum Haltern des zu erhitzenden Gegenstandes (16) an einem vorgegebenen Bestrahlungsort,
• c) einem Strahlengang (12) zwischen der Strahlungsenergiequelle (10) und dem Bestrahlungsort,
• d) einem Temperaturfühler (18) zum Erzeugen eines Temperaturistwertsignals entsprechend der Temperatur des am Bestrahlungsort angeordneten, zu erhitzenden Gegenstandes,
• e) einem ersten Regler (34), der einen mit dem Temperaturfühler (18) gekoppelten Temperaturistwerteingang, einen mit einer Temperatursollwertsignal-Erzeugungsanordnung (30) gekoppelten Temperatursollwerteingang sowie einen Ausgang zur Regelung der von der Strahlungsenergiequelle (10) abgegebenen Strahlungsenergie in Abhängigkeit von der Temperatur des zu erhitzenden Gegenstandes (16) aufweist,

1. Device for the heat treatment of an object to be heated abruptly

• a) a radiation energy source which contains at least one radiation generator ( 10 ) for generating incoherent radiation,
• b) a holding device ( 14 ) for holding the object ( 16 ) to be heated at a predetermined irradiation location,
• c) a beam path ( 12 ) between the radiation energy source ( 10 ) and the radiation site,
• d) a temperature sensor ( 18 ) for generating a temperature actual value signal corresponding to the temperature of the object to be heated which is arranged at the irradiation site,
• e) a first controller ( 34 ) which has a temperature actual value input coupled to the temperature sensor ( 18 ), a temperature setpoint input coupled to a temperature setpoint signal generating arrangement ( 30 ) and an output for regulating the radiation energy emitted by the radiation energy source ( 10 ) as a function of the temperature of the object ( 16 ) to be heated,

gekennzeichnet durchmarked by

• f) einen zweiten Regler (28), der eine kürzere Zeitkonstante hat als der erste Regler (34) und der einen mit dem Temperaturfühler (18) gekoppelten Istwerteingang, einen mit der Temperatursollwertsignal-Erzeugungsanordnung (30) gekoppelten Temperatursollwerteingang sowie einen Stellsignalausgang aufweist, undf) a second controller ( 28 ) which has a shorter time constant than the first controller ( 34 ) and which has an actual value input coupled to the temperature sensor ( 18 ), a temperature setpoint signal input arrangement ( 30 ) coupled to the temperature setpoint signal generating arrangement and an actuating signal output, and
• g) eine mit dem Stellsignalausgang des zweiten Reglers gekoppelte, schnell ansprechende Einrichtung (22) zum Beeinflussen der von der Strahlungsenergiequelle (10) über den Strahlengang (12) zum Bestrahlungsort übertragenen Strahlungsenergie.g) a quickly responding device ( 22 ) coupled to the control signal output of the second controller for influencing the radiation energy transmitted from the radiation energy source ( 10 ) via the beam path ( 12 ) to the radiation site.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsenergiequelle mindestens zwei Strahlungserzeuger (10a, 10b) mit unterschiedlichen Nennleistungen enthält.2. Device according to claim 1, characterized in that the radiation energy source contains at least two radiation generators ( 10 a, 10 b) with different nominal powers. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beeinflussungseinrichtung mindestens zwei Vorrichtungen (22a1, 22a2, . . .) mit unterschiedlichen Ansprechgeschwindigkeiten enthält.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the influencing device contains at least two devices ( 22 a1, 22 a2, ...) with different response speeds. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beeinflussungseinrichtung (22) mindestens eine Vorrichtung mit einem mechanisch beweglichen Element (24) enthält.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the influencing device ( 22 ) contains at least one device with a mechanically movable element ( 24 ). 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beeinflussungseinrichtung mindestens eine Vorrichtung mit einem elektro-optischen oder magneto-optischen Element enthält.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the influencing device at least one device with an electro-optical or contains magneto-optical element. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (46, 48, 50, 52) zum zwangsweisen Kühlen des zu erhitzenden Gegenstandes.6. Device according to one of the preceding claims, characterized by a device ( 46, 48, 50, 52 ) for forcibly cooling the object to be heated.