-
Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsanlage zur Abscheidung einer Schicht auf einem Substrat mit einem optischen Sensor zum Empfang optischer Signale in der Beschichtungsanlage, welcher zumindest einen optischen Empfänger zur Aufnahme eines optischen Signals umfasst und in möglichen Ausführungsformen alternativ oder ergänzend einen optischen Sender zur Aussendung eines optischen Signals. In der hier betrachteten Beschichtungsanlage wird mittels einer flächig verteilten Gasströmung das Substrat temperiert, so dass die Beschichtungsanlage eine geeignete Vorrichtung aufweist, mit welcher ein solcher flächig verteilt auf das Substrat gerichteter Gasstrom erzeugt und zur Temperierung des Substrats verwendet werden kann. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Reinigung eines optischen Sensors, der in einer Beschichtungsanlage angeordnet ist.
-
Derartige optische Sensoren werden in Beschichtungsanlagen, z. B. PVD-Anlagen zur Charakterisierung des Zustandes oder der Position des Substrats oder des Zustandes der auf einem Substrat herzustellenden Schicht verwendet. Entsprechend der Aufgabenstellung des optischen Sensors wird er in verschiedenen Prozessabschnitten einer Beschichtungsanlage eingesetzt und ist den verschiedensten Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Z. B. werden zur Charakterisierung der Schicht mittels In-situ-Messverfahren optische Sensoren innerhalb der Beschichtungskammer eingesetzt. Die Positionserfassung der Substrate mittels optischer Sensoren, z. B. in einem Durchlaufverfahren, dient hauptsächlich der präzisen Steuerung des Verfahrensablaufs in einer Beschichtungsanlage. Sowohl die Charakterisierung von Schicht und Substrat als auch die Positionserfassung des Substrats kann in der Beschichtungskammer und ebenso in einer der vor- oder nachgelagerten Prozesseinheiten der Beschichtungsanlage, z. B. Transferkammern, Pufferkammern, Schleusen oder anderen Prozesseinheiten zur Vor- oder Nachbehandlung des Substrats erfolgen.
-
In einer Beschichtungskammer beeinflussen hauptsächlich die Beschichtungsparameter direkt die Funktionsfähigkeit eines optischen Sensors. Insbesondere durch hohe Temperaturen oder durch sich am Sensor anlagerndes Beschichtungsmaterial kann die Funktionsfähigkeit des optischen Sensors beeinträchtigt werden. Aber auch in den anderen Prozesseinheiten einer Beschichtungsanlage können Einflüsse, die von benachbarten Einheiten oder vom Substrat herrühren, wie Restgase oder Beschichtungsmaterialien, Staub, hohe Temperaturen des Substrats oder der Kammerwandung, Temperaturwechselprozesse oder ähnliches, Ausfälle, Störungen oder zumindest Verfälschungen der Messergebnisse des optischen Sensors bewirken. Solche Effekte verkürzen die Wartungsintervalle der optischen Sensoren in Beschichtungsanlagen beträchtlich und erfordern insbesondere bei Wartungen oder Austausch im Vakuumbereich einen hohen Zeit- und Energieaufwand.
-
Aus verschiedenen Technikbereichen sind Lösungen bekannt, optische Sensoren von jeweils anfallenden Verschmutzungen zu befreien oder Ablagerungen zu verhindern. So werden in der
DE 10 2004 015 333 A1 und der
US 3 970 394 Überwachungseinheiten und Messgeräte von Druckanlagen beschrieben, in denen Sensoren und Beleuchtungsmittel unter verschiedener Gasführung angeblasen werden, um deren Verstaubung zu vermeiden. Auch in einer Anlage zur Verarbeitung von Holzchips gemäß der
US 6 490 040 B1 wird ein optischer Sensor freigeblasen. Darüber hinaus wird dessen Gehäuse durch den Gasstrom gekühlt. Auch in der
US 6 175 676 B1 erfolgt eine Kühlung durch eine im Gehäuse des Sensors und dessen Lichtleiters geführte Gasströmung. Zum Fernhalten größerer Partikel werden auch Verwirbelungen des Gasstromes genutzt, so in der
US 4 784 491 . In der
JP 08 261 836 AA wird ein Temperatursensor in einer Beschichtungsanlage von einem Säuberungsgas umspült. Die besonderen thermischen Anforderungen von Beschichtungsanlagen, in denen mit der Beschichtung ein hoher Energieeintrag in die Substrate erfolgen kann, werden mit den beschriebenen Lösungen jedoch nicht berücksichtigt.
-
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, anlagen- und verfahrenstechnische Möglichkeiten anzugeben, so dass die Zuverlässigkeit optischer Sensoren in einer Beschichtungsanlage, in denen eine Temperierung der Substrate mittels eines flächig auf das Substrat gerichteten Gasstromes erfolgt, verbessert und deren Wartungsintervalle verlängert werden können.
-
Mit dem unten beschriebenen optischen Sensor einer Beschichtungsanlage, der erfindungsgemäß eine Düse aufweist, ist es möglich auf den optischen Empfänger eine Gasströmung zu richten, die diesen anbläst oder vollständig umspült. Erfindungsgemäß steht diese Düse mit einer Vorrichtung der Beschichtungsanlage in Verbindung, welche der Erzeugung eines flächig verteilten, auf das Substrat gerichteten Gasstromes zur Temperierung des Substrats dient und von dem ein Teilstrom abzweigbar ist. Dieser Teilstrom kann mittels der Düse auf den optischen Empfänger gerichtet werden.
-
Indem ein Teilstrom des auf das Substrat gerichteten Gasstromes, meist ein Kühlgas, für die auf den optischen Empfänger gerichtete Gasströmung abgezweigt wird, können thermische Einflüsse zwischen dem Substrat und der auf den optischen Sensor gerichteten Gasströmung vermieden werden, insbesondere wenn der optische Sensor in der Umgebung des Substrats angeordnet ist.
-
So ist z. B. häufig eine sehr gleichmäßige Substrattemperatur für die homogenen Eigenschaften der auf dem Substrat abzuscheidenden oder bereits abgeschiedenen Schicht erforderlich. Um die Einstellung der Substrattemperatur nicht lokal begrenzt zu ändern, kann die Gasströmung auf den optischen Sensor so ausgerichtet, dass er nicht direkt auf das Substrat auftrifft. Z. B. kann er vom Substrat weg gerichtet sein oder ungefähr parallel zum Substrat verlaufen. Dabei ist es selbstverständlich, dass Abweichungen von wenigen Grad von der Parallelität durchaus akzeptabel sind, da ohnehin durch Verwirbelungen meist ein Teil der Gasströmung auf das Substrat trifft. Eine solche auf das Substrat auftreffende anteilige Strömung ist meist jedoch unschädlich, da sie großflächiger erfolgt als bei einer Strömung direkt zum Substrat hin.
-
Durch eine Temperierung des auf den optischen Empfänger strömenden Gases können auch die Temperatur des Empfängers stabilisiert werden. Entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Reinigung eines optischen Sensors mittels einer gerichteten Gasströmung ist das strömende Gas gekühlt. Insbesondere bei hohen, auf den optischen Sensor einwirkenden Temperaturen ist damit ein Ausfall aufgrund dieser Temperaturen zu vermeiden oder zumindest zu verzögern. Auch wenn sonst eine Kühlung eines Bauteils die Anlagerung von dampfförmigen Beschichtungsmaterial begünstigt, ist das Anblasen oder Umspülen des optischen Sensors mit gekühltem Gas unschädlich, da die Strömung des Gases das Beschichtungsmaterial erfindungsgemäß wegtransportiert.
-
Je nach Umgebungs- oder Prozessbedingungen kann die Adaption der auf den Sensor gerichteten Gasströmung und der dafür verwendeten Düse an die verschiedenen Einsatzgebiete des optischen Sensors z. B. durch die Gestaltung, Dimensionierung, Lage und Ausrichtung der Düse vorgenommen werden.
-
Verfahrensseitig ist die Aufgabe durch ein Reinigungsverfahren des optischen Sensors, insbesondere seines optischen Empfängers gelöst, das während des laufenden Betriebes der Beschichtungsanlage Ablagerungen am optischen Empfänger wie Staub oder dampf- oder partikelförmiges Beschichtungsmaterial verhindert, indem eine auf den Empfänger gerichtete Gasströmung, welche als Teilstrom von dem der Temperierung des Substrats dienenden Gasstroms abgezweigt wird, derartige Verschmutzungen noch vor deren Ablagerung entfernt. Gleichzeitig kann durch gezielten Verlauf der Gasströmung die Temperatur des optischen Sensors gezielt beeinflusst werden.
-
Über die Variation einer Düse, welche die Gasströmung am optischen Sensor erzeugt, ist, je nach dem am optischen Empfänger zu erwartenden Materialanfall insbesondere die Stärke der Gasströmung und deren Richtung einstellbar. Hierbei hat zum einen das Beschichtungsverfahren selbst als auch die Lage des optischen Sensors Einfluss. Z. B. ist es bekannt, dass in einer Bedampfungskammer ein höherer Anfall an dampfförmigem Material und bei einer offenen Verdampfungsquelle auch an partikelförmigem Material auftritt, als beispielsweise in einer Magnetronsputteranlage. Diese Verschmutzung ist insbesondere in einer Bedampfungsanlage auch außerhalb der Bedampfungskammer, in den benachbarten Prozesseinheiten festzustellen, da bei der Öffnung der Bedampfungskammer ein hoher Anteil der Verschmutzung in die benachbarten Kammern eindringt oder mit dem Substrat in die benachbarten Kammern geschleppt wird.
-
Aufgrund der Gasströmung kann der optische Empfänger auch unter solchen besonderen Belastungen lange Zeit nahezu frei von Verschmutzungen gehalten werden. Darüber hinaus ist eine solche Gasströmung mit einfachen Regelkreisen zeitlich zu variieren, um besonderen Verschmutzungsspitzen zu begegnen.
-
Die Ausrichtung der Düse ist insbesondere entsprechend der Lage des optischen Sensors relativ zu dem Substrat und/oder relativ zu Absaugungen, Heiz- oder Kühleinrichtungen oder anderen anlagentechnischen Parametern so zu optimieren, dass Ablagerung von Materialien am optischen Sensor verhindert wird. Durch eine geeignete Wahl der Richtung der Gasströmung ist es beispielsweise auch möglich das vom optischen Empfänger fernzuhaltende Beschichtungsmaterial auf eine Fläche oder in ein Volumen zu befördern, wo es sich gezielt, z. B. an gekühlten Flächen ablagern kann. Gleichzeitig ist durch die geeignet ausgerichtete Gasströmung eine Verschmutzung oder thermische Beeinflussung eines in der Umgebung des optischen Sensors befindlichen Substrats oder einer auf dem Substrat bereits abgeschiedenen Schicht zu vermeiden.
-
Entsprechend des Einsatzes des optischen Sensors ist auch das zuzuführende Gas so zu wählen, dass die Beeinflussung des Teilprozesses durch die Art des Gases minimiert wird. So ist es z. B. in Schleusenkammern, Kühlkammern oder dergleichen, in denen Normaldruck herrscht, ausreichend, gefilterte Umgebungsluft auf den optischen Sensor zu blasen. Alternativ sind auch andere Gase, auch inerte Gase, z. B. Arbeitsgas der Beschichtungsanlage verwendbar.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der optische Empfänger der Eingang eines Lichtleiters, der zur Verminderung von Koppelverlusten des einzukoppelnden optischen Signals einen Kollimator umfassen kann. Diese Ausführung gestattet es den optischen Sensor flexibel in der Beschichtungsanlage zu positionieren und die gesamte Messanordnung, einschließlich z. B. Signalverstärker oder Signalvorverarbeitung außerhalb der Anlage anzuordnen und so für die Bedienung einfach zugänglich zu machen. Da auch die Lichtleiter in der Anlage den eingangs beschriebenen schädigenden Einflüssen innerhalb der Beschichtungsanlage ausgesetzt sind und insbesondere bei hohen thermischen Belastung ausfallen, ist in dieser Ausführungsform die Düse des optischen Sensors so platziert und ausgerichtet, dass der Gasströmung entlang des Lichtleiters verläuft. Dies wird zumindest in den Bereichen erfolgen, in denen die Umgebungsbedingungen zu einer Schädigung des Lichtleiters führen können. Sofern der Lichtleiter innerhalb einer Kammer der Beschichtungsanlage ungeschützt verläuft, erfolgt dies vorzugsweise entlang der gesamten Strecke vom Eintritt des Lichtleiters in eine Kammer bis zum optischen Empfänger.
-
Die entlang des Lichtleiters verlaufende Gasströmung hat auch auf den Lichtleiter in der beströmten Länge den oben beschriebenen reinigenden und thermisch stabilisierenden Einfluss, so dass auch die Funktionsfähigkeit des Lichtleiters verbessert und verlängert werden kann. Insbesondere die Kühlung des Lichtleiters mittels einer Umspülung von gekühlten, strömenden Gas erweist sich als Vorteil.
-
Die Umspülung des optischen Empfängers und gegebenenfalls auch des Lichtleiters mit strömendem Gas kann durch die Anordnung eines Gehäuses, das einen optischen Signaleingang umfasst, noch verbessert werden. Dazu wird die Gasströmung mittels einer Gaszuleitung in das Gehäuse hinein geleitet und breitet sich darin aus. Durch die Gestaltung des Gehäuses und die Lage der Zuleitung, die in diesem Fall am Eintritt in das Gehäuse als Düse fungiert und so eine bevorzugte Strömungsrichtung innerhalb des Gehäuses definiert, kann die Strömung im Gehäuse gezielt eingestellt und z. B. direkt auf den optischen Empfänger oder auf dessen Zuleitung oder Lichtleiter gelenkt werden. Darüber hinaus dient das Gehäuse dem Schutz des Sensors vor schädigenden Umgebungsbedingungen oder vor Beschädigung bei Wartungsarbeiten in der Anlage.
-
Das Gehäuse kann entsprechend der erforderlichen Funktionen alternativ nur den optischen Empfänger umschließen oder auch alle innerhalb der Beschichtungsanlage befindlichen Komponenten, gegebenenfalls den Lichtleiter. Es kann auch verschieden gestaltet sein, z. B. vollständig geschlossen oder zu einer oder zwei Seiten hin offen. Ein teilweise offenes Gehäuse kann der einfacheren Montage oder der gezielten Ableitung der Gasströmung, z. B. weg vom Substrat oder in Richtung zu geeigneten Prallflächen dienen.
-
Der optische Signaleingang kann eine einfache Öffnung im Gehäuse sein oder ebenso optische Komponenten wie Linsen oder Filter umfassen. In letzterem Fall können Koppelverluste des Signals vermieden oder spezielle Wellenlängen für die Auswertung gefiltert werden.
-
Bisher sind der erfindungsmäße optische Sensor und das Verfahren zu dessen Reinigung nur in Bezug auf einen optischen Empfänger des optischen Sensors beschrieben. Der optische Sender, der zur Emission eines optischen Signals meist Teil eines optischen Sensors ist, ist zunächst nicht betrachtet. Denn dieser ist häufig aufgrund seiner Lage in der jeweiligen Prozesseinheit der Beschichtungsanlage besser vor Verschmutzungen geschützt oder Verschmutzungen haben einen geringeren Einfluss auf das emittierte als auf das empfangene Signal. Sofern es die an einem optischen Sender anfallenden Verschmutzungen erfordern, kann entsprechend besonderer Ausführungsformen ebenso der optischer Sender eines optischen Sensors von einer gerichteten Gasströmung angeblasen oder vollständig umspült werden. Das ist z. B. dann der Fall, wenn Intensitätsmessungen erfolgen und eine Änderung der Intensität des emittierten Signals aufgrund von Ablagerungen zur Verfälschung der Messungen führen können.
-
Vergleichbar der oben beschriebenen Verwendung eines Eingangs eines Lichtleiters als optischen Empfänger kann in einer Ausführungsform des optischen Sensors alternativ oder ergänzend auch der optische Sender das Ende eines Lichtleiters sein, d. h. dessen Ausgang. Ist das der Fall, treffen die oben beschriebenen Ausführungen zum Verlauf einer Gasströmung entlang eines Lichtleiters und zu deren Funktion auch hier zu, so dass auf die obigen Darlegungen verwiesen werden kann.
-
Je nach Messaufgabe des optischen Sensors kann der optische Sender in unmittelbarer Umgebung des optischen Empfängers angeordnet sein, z. B. bei Reflexionsmessungen, oder in größerer Entfernung, z. B. bei Transmissionsmessungen. Entsprechend der Anordnung zueinander kann die Gasströmung alternativ durch eine gemeinsame Düse oder durch zwei getrennte Düsen erzeugt werden. Während bei einer gemeinsamen Düse und somit gemeinsamen Gasströmung für beide Lichtleiter der Montageaufwand verringert oder einheitliche Umgebungsbedingungen hergestellt werden können, sind bei getrennten Düsen voneinander abweichende Gasströmungen, z. B. mit unterschiedlicher Temperatur oder Strömungsgeschwindigkeit einzustellen. Alternativ kann auch nur eine Gasströmung entlang eines der Lichtleiter verlaufen und/oder auf den optischen Empfänger oder den optischen Sender gerichtet sein. Selbstverständlich können auch mehr als eine Gasströmung entlang des Lichtleiters verlaufen oder getrennte Gasströmungen auf Lichtleiter und optischen Empfänger bzw. Sender gerichtet sein.
-
In Kombinationen mit dieser variablen Gestaltung der Düsen und der variabel zu verwendenden Gasströme sind in weiteren Ausführungsformen auch Gehäuse variabel für Sender und Empfänger gemeinsam oder getrennt verwendbar, so dass für optischen Sender und optischen Empfänger eines optischen Sensors sehr gezielte Reinigungszustände und Umgebungsbedingungen einstellbar sind.
-
Unter Berücksichtigung der verschiedenen Möglichkeiten hinsichtlich der Anwendung, des Verlaufs und der Richtung einer oder mehrerer Gasströmungen, der Gestaltung und Anzahl der Düsen und hinsichtlich der Anordnung und der Gestaltung von einem oder mehr Gehäusen sind sehr variable erfindungsgemäße optische Sensoren entsprechend deren Anwendungsfälle realisierbar.
-
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt
-
1 einen optischen Sensor über einem Substrat mit einer auf den optischen Empfänger oder optischen Sender gerichteten Gasströmung,
-
2 die Positionierung eines optischen Sensors gemäß 1 in einer Beschichtungsanlage.
-
In 1 ist ein optischer Sensor 1 dargestellt der einen optischen Empfänger 2, z. B. eine Fotodiode, umfasst, die mit einem Kabel 3 mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit verbunden ist. Alternativ kann anstelle des optischen Empfängers 2 ein optischer Sender, z. B. eine Leuchtdiode, angeordnet sein. Im Folgenden werden die Ausführungsbeispiele stets mit einem optischen Empfänger 2 beschrieben, gleichermaßen sind alle dargestellten Ausführungsbeispiele auch mit einen optischer Sender oder mit einer Kombination von beiden realisierbar.
-
Der optische Empfänger 2 ist mittels geeigneter Haltemittel an einem Träger 4 montiert und wird von diesem Träger 4 in einer definierten Position gehalten. Der Träger 4 kann z. B. ein flaches Bauteil sein, das den optischen Empfänger 2 in einer Richtung überdeckt. Um den optischen Empfänger 2 direkt gegenüber einem z. B. horizontal in einer Beschichtungsanlage transportierten Substrat (nicht dargestellt) zu positionieren, ist der Träger 4 an seinem Ende rechtwinklig abgeknickt. Auf diese Weise stellt der Träger 4 einen Schutz des optischen Empfängers 2 in zwei Richtungen dar.
-
In unmittelbarer Umgebung des optischen Empfängers 2 ist eine Gaszuleitung 6 derart am Träger 4 montiert, dass ein aus dem Ende der Gaszuleitung 6 austretendes Gas in Richtung des optischen Empfängers 2 strömt. Der Ausgang der Gaszuleitung 6 dient somit als Düse 8 und über den Druckunterschied zwischen Eingang (nicht dargestellt) der Gaszuleitung 6 und deren Ausgang ist die Stärke der Gasströmung 10 einstellbar.
-
Aufgrund des deutlich größeren Durchmessers der Düse 8 umspült im dargestellten Ausführungsbeispiel die Gasströmung 10 den optischen Empfänger 2 vollständig und verteilt sich dabei allseitig. Ein störender Einfluss der Gasströmung 10 auf ein Substrat 22, über dem der optische Sensor 1 angeordnet ist, kann auf diese Weise vermieden werden.
-
2 stellt einen optischen Sensor 1 dar, welcher einen Lichtleiter 12 umfasst, dessen Eingang als optischer Empfänger 2 dient. Der optische Sensor 1 umfasst des Weiteren ein rohrförmiges Gehäuse 14, in dessen Inneren der Lichtleiter 12 so verläuft, dass der optische Empfänger 2 einer Öffnung 16 im Gehäuse 14 gegenüber liegend angeordnet ist. Die Öffnung 16 dient als optischer Signaleingang des Gehäuses 14. Das Gehäuse 14 ist an einer, ausschnittsweise dargestellten, Wandung 18 einer Beschichtungsanlage montiert und folgt in seinem Verlauf dem Verlauf des Lichtleiters 12. Der Lichtleiter 12 wird durch einen Durchgang 20 in der Wandung 18 in die Anlage und dabei in das Gehäuse 14 geführt.
-
Neben dem Lichtleiter 12 wird eine Gaszuleitung 6 durch die Wandung 18 in das Gehäuse 14 geführt, so dass eine aus der Gaszuleitung 6 austretende Gasströmung 10 entlang des Lichtleiters 12 in Richtung des optischen Empfängers 2 verläuft. Das Gehäuse 14 dient neben seiner Schutzfunktion gleichzeitig als Mittel zur Leitung der Gasströmung 10 bis zum Ende des Lichtleiters 12, dem optischen Empfänger 2.
-
Somit kühlt die Gasströmung 10 den Lichtleiter 12. Aufgrund der Anordnung des optischen Empfängers 2 innerhalb des Gehäuses 14 umspült auch in dieser Ausführungsform die im Gehäuse 14 verlaufende und durch die Öffnung 16 austretende Gasströmung 10 den optischen Empfänger 2 vollständig und ebenso den Lichtleiter 12.
-
In den Ausführungsbeispielen gemäß der 1 und 2 ist ein optischer Sensor 1 über einem horizontalen, ebenen Substrat 22 angeordnet. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen des optischen Sensors 1 bei anders geformten und anders gelagerten Substraten 22 möglich.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- optischer Sensor
- 2
- optischer Empfänger
- 3
- Kabel
- 4
- Träger
- 6
- Gaszuleitung
- 8
- Düse
- 10
- Gasströmung
- 12
- Lichtleiter
- 14
- Gehäuse
- 16
- optischer Signaleingang, Öffnung
- 18
- Wandung einer Beschichtungsanlage
- 20
- Durchgang
- 22
- Substrat
- 24
- Transportrollen
- 26
- Kammer
