DE102008026002B9

DE102008026002B9 - Verfahren zur Temperaturmessung an Substraten und Vakuumbeschichtungsanlage

Info

Publication number: DE102008026002B9
Application number: DE200810026002
Authority: DE
Inventors: Bernd-Dieter Wenzel; Manfred Kammer; Martin Sens; Christoph Steuer
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: DE102008026002A1; DE102008026002B4

Abstract

Verfahren zur Temperaturmessung an Substraten (13), wobei die Substrate (13) durch eine Vakuumkammer an mindestens einer Wärmequelle vorbei bewegt werden und die Substrattemperatur an mindestens zwei Positionen, die das Substrat (13) bei seiner Bewegung durch die Vakuumkammer nacheinander einnimmt, durch je ein Pyrometer (9, 10, 11, 12) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Pyrometer (9, 10, 11, 12) durch Vergleich von gemessener und berechneter Abkühlung der Substrate (13) im Vakuum kalibriert wird.

Description

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren und die zugehörige Einrichtung zur Temperaturmessung beim kontinuierlichen Beschichten von ebenen Substraten oder Bahnen unter Vakuumbedingungen.
Aus DE 699 30 649 T2 ist ein Verfahren zur Messwertkorrektur von Pyrometern bekannt, die an verschiedenen Positionen desselben Substrats die Substrattemperatur bestimmen, indem ein simuliertes Temperaturprofil und ein Ist-Profil für das Substrat so lange arithmetisch kombiniert werden, bis das geschätzte Profil im wesentlichen gleichförmig ist.
In DE 40 92 221 C2 wird eine Vakuumverarbeitungsapparatur beschrieben mit einer Temperaturkalibrierungsplattform, einem ersten Infrarotstrahlungsthermometer, einer Einrichtung zum Erhalten eines Emissionsvermögens, einer Vakuumverarbeitungskammer, einer Einrichtung zum Erwärmen oder Kühlen des Substrats, einem zweiten Infrarotstrahlungsthermometer, einer Einrichtung zum Berechnen einer wahren Temperatur und einer Substrattemperatureinstellkammer, die zwischen der Temperaturkalibrierungsplattform und der Vakuumverarbeitungskammer installiert ist und die eine Substrattemperatureinstellplattform und ein drittes Infrarotstrahlungsthermometer aufweist.
DE 695 23 424 T2 offenbart ein Verfahren zum Korrigieren eines Temperaturfühler-Messwerts in einer Wärmebearbeitungskammer zum Erhitzen eines Substrats, wobei das Verfahren umfasst: Anordnen eines Substrats in einer Wärmebearbeitungskammer benachbart zu einer Reflexionsplatte, um einen Reflexionshohlraum zwischen diesen zu bilden; Erhitzen des Substrats auf eine Prozesstemperatur; Verwenden eines ersten Fühlers und eines zweiten Fühlers, um eine Strahlung von dem Reflexionshohlraum abzutasten, wobei dem ersten Fühler ein erstes effektives Reflexionsvermögen für den Hohlraum zugeordnet ist und dem zweiten Fühler ein zweites effektives Reflexionsvermögen für den Hohlraum zugeordnet ist, wobei die abgetastete Strahlung von dem ersten Fühler eine erste Temperaturangabe erzeugt und die abgetastete Strahlung von dem zweiten Fühler eine zweite Temperaturangabe erzeugt, und wobei das erste und das zweite effektive Reflexionsvermögen unterschiedlich sind; und Ableiten eines korrigierten Temperaturmesswerts von der ersten und der zweiten Temperaturangabe, für den ersten Fühler, wobei der korrigierte Temperaturmesswert eine genauere Angabe einer tatsächlichen Temperatur des Teils des Substrats ist, der durch den ersten Fühler gemessen wird, als unkorrigierte Messwerte, die durch sowohl den ersten als auch den zweiten Fühler erzeugt werden.
Es ist bekannt, ebene Substrate oder Bahnen im Vakuum mit metallischen und nichtmetallischen Schichten durch thermisches Verdampfen oder Sputtern der Auftragwerkstoffe zu beschichten. In der Regel müssen die zu beschichtenden Flächen für bestimmte Schichteigenschaften vorbehandelt werden. Beispielsweise müssen die Substrate für eine notwendige Haftfestigkeit der aufgebrachten Schicht auf dem Substrat eine Temperatur aufweisen, die in der Regel durch Beheizen des Substrats oder in einer Plasmabehandlung hergestellt werden kann. Die Temperatur des Substrats muss innerhalb bestimmter Grenzen eingestellt werden. Beispielsweise werden für haftfeste Aluminium-Schichten auf Stahlband Substrattemperaturen von 280°C bis 320°C eingestellt. Beim Beschichten von Wafern mit Aluminium für Solarzellen sollen 400°C nicht überschritten werden. In beiden Fällen darf das Einlegieren von Al in das Grundmaterial nicht erfolgen. Oft erfolgt das Beschichten bei veränderten Substratgeschwindigkeiten. Der Prozess muss an die Substratdicke, die Substratgeschwindigkeit und die Dicke der aufgebrachten Schicht angepasst werden. Zur Einstellung der Prozessparameter muss die Temperatur des Substrats vor und nach der Beschichtung gemessen werden. Beispielsweise kann aus der Temperatur nach der Beschichtung auf die Dicke der aufgebrachten Schicht geschlossen werden, die durch ihre Kondensationswärme zu einer weiteren Erwärmung des Substrates führt.
Temperaturmessungen am Substrat im Vakuum werden vorwiegend berührungslos mit Pyrometern durchgeführt. Diese müssen mit den thermischen Emissionswerten der Substrate bzw. der aufgebrachten Schichten kalibriert werden. Die Emissionswerte hängen empfindlich von den Oberflächeneigenschaften der Substrate oder Schichten ab. Der Emissionsgrad ε kann in Kalibriereinrichtungen bestimmt werden. Es wird die Temperatur einer aufgeheizten Probe mit einem aufgesetzten oder einem angepunkteten Thermoelement und einem Pyrometer gemessen und der Emissionsgrad ε des Pyrometers so eingestellt, dass beide Temperaturwerte gleich groß sind. Bei einer anderen Methode wird mit einem Pyrometer die Temperatur einer aufgeheizten Probe auf einem geschwärzten Bereich der Probe mit Emissionsgrad ε = 1 und einem nicht geschwärzten Bereich gemessen und der Emissionsgrad ε so eingestellt, dass die Temperaturangabe auf dem geschwärzten mit der auf dem ungeschwärzten Substrat übereinstimmt. Beide Methoden sind nicht gut angepasst an die Kalibrierung von Proben mit veränderlichen Eigenschaften, die im Durchlauf beschichtet werden. Ein durchlaufendes Substrat kann nicht geschwärzt werden. Es hat sich auch gezeigt, dass eine Kalibrierung der Pyrometer im Vakuum mit aufgesetzten Thermoelementen sehr fehlerhaft ist insbesondere wenn das Substrat bewegt wird. Die thermische Ankopplung des Thermoelements an das Substrat ist im Vakuum sehr gering, da Luft als Wärmevermittler fehlt. Das Thermoelement mit seiner Auswerteeinheit selbst muss kalibriert werden, so dass eine zweifache Kalibrierung notwendig ist. Quotientenpyrometer werden erst ab einer Temperatur ca. 500°C eingesetzt. Die Temperaturen der hier genannten Beschichtungen liegen unter dieser Temperatur.
Vorstehende Nachteile sollen mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren sowie der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vermieden werden.
Es wurde gefunden, dass die Kalibrierung der Pyrometer durch ein Pyrometer selbst durchgeführt werden kann. Ein Pyrometer misst ursächlich die Strahlungsleistung eines zu messenden Objektes und ordnet der Strahlungsleistung durch ein Rechenverfahren eine Temperatur zu. Grundlage des Rechenverfahrens ist das Planck'sche Gesetz für die Emission von Strahlung durch Festkörper. Oberflächeneigenschaften des Objektes werden durch einen Emissionsfaktor ε in der Rechnung berücksichtigt. Beispielsweise strahlen die wenigsten Körper als schwarze Körper. Sie haben ein Emissionsvermögen ε < 1. Ein zu beschichtendes Stahlblech hat zum Beispiel den Wert ε = 0,2. Grundlage des vorgestellten Verfahrens ist die Tatsache, dass sich ein durchlaufendes Substrat nach der Erwärmung bei der Bewegung durch nachfolgend angeordnete kalte Vakuumkammern durch Strahlung wieder abkühlt. Die Temperatur T10 des Substrats wird nach der Erwärmung oder der Beschichtung mit einem Pyrometer P1 und nach Durchlauf einer kalten Kammer die Temperatur T20 mit einem zweiten Pyrometer P2 gemessen. Beiden Pyrometer ist das gleiche ε = ε₀ zugeordnet. Parallel wird mit Hilfe der Planck'schen Strahlungsformel eine Temperatur T30 aufgrund der Abkühlung des Substrats in der kalten Kammer durch reine Wärmeabstrahlung berechnet, da im Vakuum keine Wärmeabfuhr durch Konvektion erfolgt. Wenn die gemessene Temperatur T20 und die berechnete Temperatur T30 nicht übereinstimmen, wird der Emissionsgrad auf ε = ε₁ korrigiert bis die gemessene Temperatur T21 = T31 ist. Mit der Korrektur von ε₀ auf ε₁ ändert sich naturgemäß auch die gemessene Temperatur T10 auf T11, da beide Pyrometer P1 und P2 mit gleichem Emissionsgrad ε = ε₁ zu kalibrieren sind. Es zeigt sich, dass eine genaue Bestimmung des Emissionsgrads und damit eine Kalibrierung der Pyrometer P1 und P2 möglich ist. Diese Genauigkeit steigt mit der Erwärmungstemperatur T1, der Durchlaufzeit durch die kalte Kammer und mit abnehmender Dicke des Substrats.
Nachfolgendes Beispiel wurde bei einer Stahlbandbeschichtung ermittelt. Stahlband wurde bei einer Bandgeschwindigkeit von 20 m/min durch eine Plasmabehandlung auf T10 = 165°C erwärmt. Nach dem Durchgang durch eine kalte Kammer wurde eine Temperatur von T20 = 150°C gemessen. Beide Pyrometer waren mit Emissionsgrad ε = ε₀ = 0,2 eingestellt. Die Berechnung der Abkühlung ergab für T30 = 145°C. Der Emissionsgrad war auf Emissionsgrad auf ε = ε₁ = 0,22 zu korrigieren und als Werte für die Temperaturen ergaben sich dann T11 = 160°C und T21 = 148°C. Mit diesem Wert für den Emissionsgrad konnte dann die Plasmaleistung korrigiert werden, um die geforderte Substrattemperatur zu erreichen.
Nachfolgend wird eine mögliche Anwendung des beschriebenen Verfahrens erläutert. In einer getakteten Anlage zum Beschichten von Wafern werden die Wafer in aufeinander folgenden Kammern vorbehandelt und beschichtet. Am Ausgang jeder Kammer sind Pyrometer angeordnet. Beim Einfahren des Prozesses wird in jeder Kammer die Temperatur nach der Behandlung gemessen und in der nachfolgenden, noch kalten Kammer nach einer angepassten Zeitspanne erneut gemessen. Die Abkühlung der Substrate innerhalb dieser Zeitspanne wird rechnerisch ermittelt. Anschließend werden die berechnete und die gemessene Temperatur verglichen und der Emissionsgrad so eingestellt, dass beide Ergebnisse übereinstimmen.
Nachfolgend wird die beschriebene Vorrichtung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Dabei zeigt 1 einen Längsschnitt durch die Vakuumbeschichtungsanlage.
In einer Vakuumanlage, s. Bild 1, wird im Durchlauf von Luft zu Luft ein bandförmiges Substrat, nämlich Stahlband 13 beschichtet. Das Substrat 13 tritt durch Eingangsschleusen 1 in die Anlage ein. Es wird in einer ersten Prozesskammer 2 zunächst mit Plasmaätzern 3 gereinigt und erwärmt. In einer nachfolgenden Kammer 4 wird mittels Elektronenstrahl 7 aus einem Tiegel 5 Metall verdampft. Zwischen Substrat 13 und Tiegel 5 befindet sich eine schwenkbare gekühlte Blende 6, die beim Bedampfen geöffnet wird. Das Substrat 13 verlässt die Anlage durch mehre Schleusenkammern 8. Am Ausgang der Eingangsschleuse 1, der Ätzkammer 2, der Bedampfungskammer 4 und in der folgenden ersten Kammer der Ausgangsschleuse 8 sind Pyrometer 9, 10, 11 und 12 angeordnet, so dass die Emissionswerte von unbeschichtetem und beschichtetem Substrat 13 durch Temperaturmessungen und Modellierung der Abkühlung in jeweils aufeinander folgenden Kammern bestimmt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Eingangsschleuse
2: Ätzerkammer mit drei Ätzern 3
3: Ätzer
4: Bedampfungskammer
5: Verdampfertiegel
6: bewegliche Blende
7: Elektronenkanone und Elektronenstrahl
8: Ausgangsschleuse
9: Pyrometer
10: Pyrometer
11: Pyrometer
12: Pyrometer
13: Substrat

Claims

Verfahren zur Temperaturmessung an Substraten (13), wobei die Substrate (13) durch eine Vakuumkammer an mindestens einer Wärmequelle vorbei bewegt werden und die Substrattemperatur an mindestens zwei Positionen, die das Substrat (13) bei seiner Bewegung durch die Vakuumkammer nacheinander einnimmt, durch je ein Pyrometer (9, 10, 11, 12) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Pyrometer (9, 10, 11, 12) durch Vergleich von gemessener und berechneter Abkühlung der Substrate (13) im Vakuum kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit je einem der Pyrometer (9, 10, 11, 12) eine erste Substrattemperatur und eine zweite Substrattemperatur gemessen wird, die geringer ist als die erste Substrattemperatur, und wobei das mindestens eine Pyrometer (9, 10, 11, 12) fortlaufend kalibriert wird, indem die zweite Substrattemperatur zusätzlich berechnet wird, die berechnete und die gemessene zweite Substrattemperatur miteinander verglichen werden und der Emissionsgrad so eingestellt wird, dass die berechnete und gemessene zweite Substrattemperatur gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Beginn der Vakuumkammer mit einem der Pyrometer (9, 10, 11, 12) die Substrateingangstemperatur gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (13) zunächst erwärmt wird und anschließend der Emissionsgrad bei unterschiedlichen Temperaturen dadurch ermittelt wird, dass die Abkühlung des Substrats (13) durch mindestens zwei hintereinander angeordnete Pyrometer (9, 10, 11, 12) ermittelt wird.
Vakuumbeschichtungsanlage zum kontinuierlichen Vorbehandeln und Beschichten von Substraten (13) mit mindestens einer Wärmequelle und mit einer Einrichtung zur Temperaturmessung, umfassend mindestens zwei Pyrometer (9, 10, 11, 12), die hinter der Wärmequelle und in der Transportrichtung des Substrats (13) gesehen mit einem Abstand zueinander hintereinander angeordnet sind, wobei zwischen den Pyrometern (9, 10, 11, 12) ein von Wärmequellen freier Abstand ist.
Vakuumbeschichtungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Pyrometer (9, 10, 11, 12) vor einer Wärmequelle angeordnet ist.
Vakuumbeschichtungsanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der mindestens einen Wärmequelle eine Ätzeinrichtung (2, 3) ist.
Vakuumbeschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine der mindestens einen Wärmequelle eine Beschichtungseinrichtung (4, 5, 6, 7) ist.
Vakuumbeschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Vakuumkammer hintereinander eine Ätzeinrichtung (2, 3) und eine Beschichtungseinrichtung (4, 5, 6, 7) angeordnet sind und dass je ein Pyrometer (9, 10, 11, 12) vor der Ätzeinrichtung (2, 3), hinter der Ätzeinrichtung (2, 3), hinter der Beschichtungseinrichtung (4, 5, 6, 7) und hinter einer an die Beschichtungseinrichtung (4, 5, 6, 7) anschließenden Abkühlstrecke angeordnet ist.