DE102010009794A1 - Coating heated substrates in a continuous vacuum coating systems, comprises moving substrate in transport direction continuously through functional process chamber, in which coating particle stream is produced by using the coating sources - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von beheizten Substraten in Durchlauf-Vakuumbeschichtungsanlagen, bei dem ein Substrat in einer Transportrichtung kontinuierlich durch eine funktionale Prozesskammer bewegt wird. Dabei wird mittels Beschichtungsquellen in der Prozesskammer ein Beschichtungsteilchenstrom erzeugt, mittels dem das Substrat in dieser Prozesskammer beschichtet wird.The invention relates to a method for coating heated substrates in continuous vacuum coating systems, in which a substrate is moved continuously in a transport direction through a functional process chamber. In this case, a coating particle stream is generated by means of coating sources in the process chamber, by means of which the substrate is coated in this process chamber.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Beschichtung von beheizten Substraten in Durchlauf-Vakuumbeschichtungsanlagen, mit einer funktionalen Prozesskammer, einer Transporteinrichtung zum kontinuierlichen Transport eines Substrats in einer Transportrichtung innerhalb der Prozesskammer, und mit Beschichtungsquellen in der Prozesskammer.The invention also relates to an arrangement for coating heated substrates in continuous vacuum coating systems, comprising a functional process chamber, a transport device for the continuous transport of a substrate in a transport direction within the process chamber, and coating sources in the process chamber.
Die hier angegebenen Beschichtungsquellen können verschieden ausgestaltet sein. So können diese als thermische Verdampfer ausgebildet sein, bei denen sich der Beschichtungsteilchenstrom als Dampf darstellt. Solche thermische Verdampfer können als reine Dampftiegel ausgebildet sein, in denen das zu verdampfende Material durch verschiedenartige Beheizung, wie Direktbeheizung oder Elektronenstrahlbeheizung erwärmt wird, so dass in dem Vakuum der Prozesskammer eine Dampfphase entsteht.The coating sources given here can be designed differently. Thus, these may be formed as thermal evaporator, in which the coating particle stream is a vapor. Such thermal evaporators can be designed as pure steam crucibles in which the material to be evaporated is heated by various types of heating, such as direct heating or electron beam heating, so that a vapor phase is created in the vacuum of the process chamber.
Die Beschichtungsquellen können aber auch als Kathodenzerstäubungseinrichtungen in Form von Sputterquellen, auch Magnetrons genannt, bestehen. In diesen Fällen ist das Magnetron immer als Kathode geschaltet. Bei diesen Beschichtungsquellen wird ein Plasma vorrangig des Prozessgases erzeugt, welches dafür sorgt, dass das Targetmaterial zerstäubt wird und dieses zerstäubte Material als Beschichtungsteilchenstrom auf dem Substrat abgeschieden werden kann. Ein Magnetron weist ein Target eines zu zerstäubenden Materiales und ein Magnetsystem auf, mittels dem ein das Target durchdringendes Magnetfeld erzeugt wird.However, the coating sources can also be called sputtering devices in the form of sputtering sources, also called magnetrons. In these cases, the magnetron is always connected as a cathode. In these coating sources, a plasma is generated primarily of the process gas, which ensures that the target material is atomized and this atomized material can be deposited as a coating particle stream on the substrate. A magnetron comprises a target of a material to be sputtered and a magnet system by means of which a magnetic field penetrating the target is generated.
Die Beschichtung selbst kann nichtreaktiv erfolgen, wobei das aus dem Target oder dem Tiegel herausgelöste Material sich unverändert auf dem Substrat abscheidet. Die Beschichtung kann aber auch reaktiv erfolgen, wobei ein zweites Material, in der Regel ist dies ein Reaktivgas, in die Prozesskammer geführt wird, welches dann mit dem Beschichtungsteilchenstrom des Targetmaterials in Reaktion tritt, beispielsweise bei Zugabe von Sauerstoff oxidiert. Das so chemisch veränderte Material wird auf dem Substrat abgeschieden. Bei einer reaktiven Beschichtung mit einem Magnetron wird das Reaktivgas im Plasma ionisiert und reagiert mit dem zerstäubten Targetmaterial.The coating itself can be non-reactive, with the material dissolved out of the target or crucible depositing unchanged on the substrate. However, the coating can also take place in a reactive manner, with a second material, as a rule this is a reactive gas, being conducted into the process chamber, which then reacts with the coating particle stream of the target material, for example oxidized upon addition of oxygen. The so chemically altered material is deposited on the substrate. In a reactive coating with a magnetron, the reactive gas is ionized in the plasma and reacts with the atomized target material.
Es sind hier auch teilreaktive Prozesse möglich, bei denen teilweise reaktiv verändertes Material und unverändertes Material oder unterstöchiometrisch verändertes Material abgeschieden wird.Partly reactive processes are also possible in which partially reactively modified material and unaltered material or substoichiometrically changed material are deposited.
Die Erfindung kann für alle möglichen Beschichtungsarten eingesetzt werden. Hier ist nicht die Art der Beschichtung wichtig sondern vielmehr die Tatsache, dass jeder Beschichtungsquelle in dem o. g. Verständnis eine Wärmequelle darstellt, die eine Störgröße erzeugt, wie dies nachfolgend näher erläutert wird.The invention can be used for all possible types of coatings. Here, it is not the type of coating that is important, but rather the fact that each coating source in the above-mentioned o. Understanding represents a heat source that generates a disturbance, as will be explained in more detail below.
Es ist bekannt, längserstreckte Substrate, wie beispielsweise bandförmige Substrate, oder plattenförmige Substrate, die in einer Längserstreckung hintereinander liegend angeordnet sind, in sogenannten Durchlauf-Vakuumbeschichtungsanlagen zu beschichten. Die Substrate werden in einer Transportrichtung, die in der Längserstreckung der Substrate liegt, durch die Vakuumbeschichtungsanlage bewegt. Diese Vakuumbeschichtungsanlage weist ebenfalls in einer Längserstreckung, die in der Transportrichtung liegt, mehrere funktionale Kammern auf. Beispielsweise werden die Vakuumbeschichtungsanlagen als 3-Kammer-Anlagen oder als 5-Kammer-Anlagen konzipiert.It is known to coat longitudinally extended substrates, such as band-shaped substrates, or plate-shaped substrates, which are arranged one behind the other in a longitudinal extension, in so-called continuous vacuum coating systems. The substrates are moved in a transport direction, which lies in the longitudinal extent of the substrates, through the vacuum coating system. This vacuum coating system also has a plurality of functional chambers in a longitudinal extent which lies in the transport direction. For example, the vacuum coating systems are designed as 3-chamber systems or as 5-chamber systems.
Eine 3-Kammer-Anlage besteht aus
- – einer ersten funktionalen Kammer, nämlich der Eingangsschleuse, die auch eine physische Anlagenkammer darstellt,
- – einer zweiten funktionalen Kammer, bestehend häufig aus mehreren physischen Anlagenkammern, nämlich
- • einer ersten Transferkammer (in einer physischen Anlagenkammer),
- • einer Prozesskammer (zumeist in mehreren physischen Anlagenkammern) und
- • einer zweiten Transferkammer (in einer physischen Anlagenkammer), und
- – einer dritten (funktionalen) Kammer, nämlich der Ausgangsschleuse die wiederum eine physische Anlagenkammer darstellt.
- A first functional chamber, namely the entrance lock, which also constitutes a physical installation chamber,
- - a second functional chamber, often consisting of several physical enclosures, namely
- A first transfer chamber (in a physical plant chamber),
- • a process chamber (usually in several physical enclosures) and
- • a second transfer chamber (in a physical investment room), and
- - a third (functional) chamber, namely the exit lock, which in turn constitutes a physical installation chamber.
Eine 5-Kammer-Anlage besteht aus
- – einer ersten funktionalen Kammer, nämlich der Eingangsschleuse, die auch eine physische Anlagenkammer darstellt,
- – einer zweiten funktionalen Kammer, nämlich einer ersten Pufferkammer, die auch eine physische Anlagenkammer darstellt,
- – einer dritten funktionalen Kammer, bestehend aus mehreren physischen Anlagenkammern, nämlich
- • einer ersten Transferkammer (in einer physischen Anlagenkammer),
- • einer Prozesskammer (zumeist in mehreren physischen Anlagenkammern) und
- • einer zweiten Transferkammer (in einer physischen Anlagenkammer),
- – einer vierten funktionalen Kammer, nämlich einer zweiten Pufferkammer, die auch eine physische Anlagenkammer darstellt, und
- – einer fünften (funktionalen) Kammer, nämlich der Ausgangsschleuse die wiederum eine physische Anlagenkammer darstellt.
- A first functional chamber, namely the entrance lock, which also constitutes a physical installation chamber,
- A second functional chamber, namely a first buffer chamber, which also constitutes a physical plant chamber,
- - a third functional chamber, consisting of several physical enclosures, namely
- A first transfer chamber (in a physical plant chamber),
- • a process chamber (usually in several physical enclosures) and
- A second transfer chamber (in a physical plant chamber),
- A fourth functional chamber, namely a second buffer chamber, which also constitutes a physical plant chamber, and
- - a fifth (functional) chamber, namely the exit lock, which in turn constitutes a physical installation chamber.
Die Erfindung bezieht sich nun auf eine Gestaltung der Prozesskammer, in der die Beschichtung des Substrates erfolgt.The invention now relates to a design of the process chamber in which the coating of the substrate takes place.
Für verschiedene Beschichtungsaufgaben, beispielsweise bei der Herstellung photovoltaischer Schichten, ist es erforderlich, das Substrat auf einer bestimmten Temperatur zu halten. Zwar ist in der Vergangenheit stets Wert darauf gelegt worden, dass die Substrattemperatur einen bestimmten Betrag nicht überschreitet, also überhitzt, wofür Maßnahmen zur Substratkühlung ergriffen wurden. Allerdings ist es nach dem Stand der Technik nicht bekannt, Substrate in der oben geschilderten Form in der Prozesskammer von Durchlauf-Vakuumbeschichtungsanlagen auf eine Temperatur, insbesondere auf Temperaturen in der Größenordnung von 400°C aufzuheizen und auf dieser Temperatur zu halten.For various coating tasks, for example in the production of photovoltaic layers, it is necessary to keep the substrate at a certain temperature. Although it has always been important in the past that the substrate temperature does not exceed a certain amount, that is superheated, for which measures for substrate cooling were taken. However, it is not known in the prior art, substrates in the above-described form in the process chamber of continuous vacuum deposition systems to a temperature, in particular to temperatures of the order of 400 ° C to heat and maintain at this temperature.
Bekannt sind Heizungseinrichtungen in Durchlauf-Vakuumbeschichtungsanlagen, die ein Temperaturverhalten der Substrate einstellen. Insbesondere sorgen die für ein gezieltes Aufheizen vor oder ein gezieltes Abkühlen (Tempern) nach Vakuumbehandlungsprozessen.Heating devices are known in continuous vacuum coating systems that adjust a temperature behavior of the substrates. In particular, they ensure targeted heating or targeted cooling (tempering) after vacuum treatment processes.
So wird bei einer Beschichtung mit einem beheizten Substrat in Transportrichtung vor der Prozesskammer an dem Substrat eine Temperatur von ca. 200°C durch ein Vorheizen eingestellt. Hierbei ist es bekannt, mehrere Heizer oder Heizergruppen über oder unter dem Substrattransportsystem in Transportrichtung hintereinander liegend anzuordnen. Jeder dieser Heizer oder dieser Heizergruppen sind mit einem eigenen Regelkreis zur Regelung der Heizertemperatur versehen. Dabei kann jeder Heizer oder jede Heizergruppe so geregelt werden, dass sie eine konstante Wärmestrahlung aussenden.Thus, in the case of a coating with a heated substrate in the transport direction in front of the process chamber, a temperature of about 200 ° C. is set by preheating on the substrate. It is known to arrange several heaters or heater groups above or below the substrate transport system in the transport direction one behind the other. Each of these heaters or heater groups are provided with their own control circuit for controlling the heater temperature. Each heater or each heater group can be controlled so that they emit a constant heat radiation.
Eine solche Regelung herkömmlicher Art ist in
Die Regelgröße x, d. h. die zu regelnde Größe, stellt in diesem Falle die Temperatur des Heizers dar. Diese wird gemessen und im Regelkreis
Durch diese Regelung kann zwar die Temperatur des Heizers und damit auch die Wärmestrahlung auf das Substrat konstant gehalten werden. Die Temperatur des Substrates wird dabei allerdings nur eingestellt und nicht geregelt. Da das Heizen vor der eigentlichen Prozesskammer geschieht, bleibt sich darüber hinaus das Substrat nach dem Vorheizen temperaturseitig selbst überlassen, dass heißt etwaige weitere Aufheiz- oder Abkühlprozesse bleiben außer Betracht.By this regulation, although the temperature of the heater and thus the heat radiation to the substrate can be kept constant. However, the temperature of the substrate is only adjusted and not regulated. Since the heating takes place before the actual process chamber, beyond the substrate remains left after preheating temperature side itself, that is, any further heating or cooling processes remain out of consideration.
Außerdem wird jeder Heizer auf eine Strahlungsintensität oder eine Temperatur und auf dieser durch die Regelung konstant gehalten. Dadurch ist es nur möglich, ein bestimmtes ”Rezept” zu fahren, d. h. bestimmte Temperaturverhältnisse der Heizer zueinander können nicht dynamisch verändert werden.In addition, each heater is kept constant at a radiation intensity or temperature and thereafter by the control. Thus it is only possible to drive a certain "recipe", d. H. certain temperature ratios of the heaters to each other can not be changed dynamically.
In der
In der
Aus
Eine solche Kaskadenregelung geht also davon aus, dass eine Gesamtregelstrecke
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung von Substraten in Durchlauf-Vakuumbeschichtungsanlagen zu ermöglichen, bei der die Substrattemperatur innerhalb der funktionalen Prozesskammer beeinflusst wird.The invention is now based on the object of enabling a coating of substrates in continuous vacuum coating systems, in which the substrate temperature is influenced within the functional process chamber.
Die Aufgabe wird gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass das Substrat innerhalb der Prozesskammer an zumindest einem Heizer vorbei geführt wird, wobei die Substrattemperatur, d. h. die Temperatur des Substrates in Transportrichtung nach dem Heizer, mittels einer Kaskadenregelung, bestehend aus einer Führungs- und einer Folgeregelung, bei der das Substrat als Regelstrecke der Führungsregelung und dem Heizer als Regelstrecke der Folgeregelung geregelt wird, wobei auf die eingangs eingeführte Definition der Regelstrecke verwiesen wird. Somit ist es möglich, Beschichtungsprozesse mit einem beheizten Substrat durchzuführen, wobei die Temperatur des Substrats innerhalb der funktionalen Prozesskammer die ja durch zumindest die Störgröße des Wärmeeintrages über die Beschichtungsquellen beeinflusst wird, nicht unkontrolliert gelassen wird. Insbesondere wird es dadurch möglich, Substrate innerhalb der Prozesskammer zu beheizen, ohne dass infolge der thermischen Störgrößen eine unzulässige thermische Belastung des Substrats eintreten kann.The object is achieved according to a method according to the invention in that the substrate is guided past at least one heater within the process chamber, wherein the substrate temperature, d. H. the temperature of the substrate in the direction of transport after the heater, by means of a cascade control, consisting of a guidance and a follow-up control, in which the substrate is controlled as a controlled system of the command control and the heater as a controlled system of the sequence control, referring to the definition of the controlled system introduced at the outset becomes. Thus, it is possible to perform coating processes with a heated substrate, wherein the temperature of the substrate within the functional process chamber which is indeed influenced by at least the disturbance of the heat input via the coating sources is not left uncontrolled. In particular, this makes it possible to heat substrates within the process chamber, without the result that an inadmissible thermal stress of the substrate can occur due to the thermal disturbances.
In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass einerseits die Temperatur (Tist1) des Heizers über die Folgeregelung geregelt wird. Diese Folgeregelung ist dadurch charakterisiert, dass sie die Temperatur (Tist1) des Heizers als Regelgröße, einer Energiezufuhr (Y1) zu dem Heizer als Stellgröße, einer Solltemperatur (Tsoll intern) als Führungsgröße und einer Regelabweichung (ΔTsoll-ist Heizer) als Differenz aus Führungsgröße (Tsoll intern) der Folgeregelung und Regelgröße (Tist1) der Folgeregelung aufweist. Andererseits wird die Substrattemperatur (Tist Substrat) über die Führungsregelung geregelt. Diese Führungsregelung ist dadurch charakterisiert, dass sie Substrattemperatur (Tist Substrat) als Regelgröße, eine Soll-Substrattemperatur (Tsoll Substrat) als Führungsgröße, eine die Regelabweichung (ΔTsoll-ist Heizer) der Folgeregelung steuernde Stellgröße (Yü) und eine Regelabweichung (ΔTsoll-ist Substrat) als Differenz aus Führungsgröße (Tsoll Substrat) der Führungsregelung und Regelgröße (Tist Substrat) der Führungsregelung aufweist. Hier wird auf die aus dem oben geschilderten Stand der Technik bekannten Begriffe zur Definition der Erfindung verwiesen. Die betrifft auch die nachfolgend beschriebene Anordnung.In one embodiment variant of the method according to the invention, it is provided that, on the one hand, the temperature (T ist1 ) of the heater is regulated via the follow-up control. This follow-up control is characterized in that it is the temperature (T ist1 ) of the heater as a controlled variable, a power supply (Y 1 ) to the heater as a control variable, a setpoint temperature (T set internally ) as a reference variable and a control deviation (ΔT soll-ist Heizer ) as a difference from the reference variable (T internally ) of the follow-up control and controlled variable (T ist1 ) of the follow-up control. On the other hand, the substrate temperature (T is substrate ) is controlled by the lead control. These guide control being characterized in that they substrate temperature (T is the substrate) as a control variable, a desired substrate temperature (T soll substrate) as a reference variable, a control deviation (.DELTA.T target-heater) of the sequence control controlling the manipulated variable (Y u), and a control deviation (ΔT should-is substrate ) as the difference between the reference variable (T soll substrate ) of the command control and controlled variable (T is substrate ) of the command control. Reference is made here to the terms known from the above-described prior art for defining the invention. This also applies to the arrangement described below.
In einer weiteren Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Substrat innerhalb der Prozesskammer an zumindest zwei Heizern vorbei geführt wird, wobei die Substrattemperatur, d. h. die Temperatur des Substrates in Transportrichtung nach dem letzten Heizer, mittels einer Kaskadenregelung, bestehend aus einer Führungs- und einer Folgeregelung, bei der das Substrat als Regelstrecke der Führungsregelung und den Heizern als Regelstrecken der Folgeregelung geregelt wird. Das heißt, dass jeder Heizer mit einem eigenen Folgeregelkreis versehen wird, wohingegen jeder Folgeregelkreis von ein und derselben Führungsregelung in seiner jeweiligen Führungsgröße beeinflusst wird. Somit wird es möglich, über die Heizer die thermischen Störgrößen, die die Temperatur des Substrats beeinflussen, in ihrer thermischen Wirkung auf das Substrat zu eliminieren. Beispielsweise kann damit eine Anordnung gewählt werden, bei der eine Beschichtungsquelle, z. B. ein Magnetron zwischen zwei Heizern angeordnet ist.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the substrate is guided past at least two heaters within the process chamber, wherein the substrate temperature, ie. H. the temperature of the substrate in the transport direction after the last heater, by means of a cascade control, consisting of a management and a follow-up control, in which the substrate is controlled as a controlled system of the control and the heaters control systems of the sequence control. This means that each heater is provided with its own follower loop, whereas each follower loop is influenced by one and the same guide control in its respective reference variable. Thus, it becomes possible to eliminate, via the heaters, the thermal disturbances which influence the temperature of the substrate in their thermal effect on the substrate. For example, an arrangement can be selected in which a coating source, for. B. a magnetron is arranged between two heaters.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das sowohl auf einen Heizer als auch auf die Anordnung zweier oder mehrerer Heizer Anwendung finden kann, ist vorgesehen, dass die Temperaturen (Tist1, Tist2 ... Tistn) des oder der Heizers über jeweils eine Folgeregelung mit jeweils der Temperatur (Tist1, Tist2 ... Tistn) des jeweiligen Heizers als Regelgröße, einer jeweiligen Energiezufuhr (Y1, Y2 ... Yn) zu dem jeweiligen Heizer als Stellgröße, einer jeweiligen Solltemperatur (Tsoll1 intern, Tsoll2 intern ... Tsolln intern) als Führungsgröße und einer jeweiligen Regelabweichung (ΔTsoll-ist Heizer1, ΔTsoll-ist Heizer2 ... ΔTsoll-ist Heizern) als Differenz aus der jeweiligen Führungsgröße (Tsoll1 intern, Tsoll2 intern ... Tsolln intern) der Folgeregelung und der jeweiligen Regelgröße (Tist1, Tist2 ... Tistn) der Folgeregelung geregelt wird. Dabei wird die Substrattemperatur (Tist Substrat) über die Führungsregelung mit der Substrattemperatur (Tist Substrat) als Regelgröße, einer Soll-Substrattemperatur (Tsoll Substrat) als Führungsgröße, der die jeweiligen Regelabweichungen (ΔTsoll-ist Heizer1, ΔTsoll-ist Heizer2 ... ΔTsoll-ist Heizern) der Folgeregelungen steuernden Stellgröße (Yü) und der Regelabweichung (ΔTsoll-ist Substrat) als Differenz aus Führungsgröße (Tsoll Substrat) der Führungsregelung und Regelgröße (Tist Substrat) der Führungsregelung geregelt.In a further embodiment of the method according to the invention, which can be applied both to a heater and to the arrangement of two or more heaters, it is provided that the temperatures (T ist1 , T ist2 ... T istn ) of the heater or heaters respectively a sequence control with in each case the temperature (T ist1 , T ist2 ... T istn ) of the respective heater as controlled variable, of a respective energy supply (Y 1 , Y 2 ... Y n ) to the respective heater as manipulated variable, of a respective setpoint temperature ( T soll1 internally , T soll2 internally ... T solln internally ) as a reference variable and a respective control deviation (ΔT soll-ist Heater1 , ΔT should-is heater2 ... ΔT should-is heater ) as a difference from the respective reference variable (T set1 internal , T set2 internal ... T set internal ) of the following control and the respective control variable (T ist1 , T ist2 . .. T istn ) of the follow-up regulation is regulated. In this case, the substrate temperature (T is substrate ) via the guide control with the substrate temperature (T is substrate ) as a controlled variable, a target substrate temperature (T substrate ) as a reference variable , the respective control deviations (.DELTA.T should-is Heizer1 , .DELTA.T is-is Heizer2 ... ΔT is-is heaters ) of the follow-up controls controlling variable (Y ü ) and the control deviation (.DELTA.T should-is substrate ) as the difference between the reference variable (T substrate ) of the control and controlled variable (T is substrate ) of the control loop regulated.
Es können auch bestimmte Wärmeprofile über das Substrat eingestellt werden, wobei beispielsweise das Substrat einen besonders schnellen oder besonders langsamen Aufheizprozess durchfährt, wo an bestimmten Orten innerhalb der Prozesskammer bestimmte Temperaturen gehalten werden müssen oder dergleichen. Dies kann mit einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch realisiert werden, dass die jeweilige Solltemperatur (Tsoll1 intern, Tsoll2 intern ... Tsolln intern) als Führungsgröße der Folgeregelung aus einer mit der Stellgröße (Yü) der Folgeregelung gewichteten jeweiligen Führungsgröße (Tsoll1, Tsoll2 ... Tsolln), die einer jeweiligen Grundeinstellung der Heizertemperatur ohne eine Führungsregelung entspricht, ermittelt wird.Certain heat profiles can also be set via the substrate, with the substrate, for example, passing through a particularly fast or particularly slow heating process, where certain temperatures must be maintained at certain locations within the process chamber, or the like. This can be realized with an embodiment of the method according to the invention in that the respective setpoint temperature (T soll1 internally , T soll2 internally ... T solln internally ) as a reference variable of the follow-up control from a respective reference variable weighted with the manipulated variable (Y u ) of the sequence control ( T soll1 , T soll2 ... T solln ), which corresponds to a respective basic setting of the heater temperature without a master control.
Es kann vorgesehen werden, dass die Wichtung durch Multiplikation erfolgt. Damit wird die jeweilige für den Heizer vorgegebene Solltemperatur (Tsoll1, Tsoll2 ... Tsolln) mit dem Wert der Stellgröße (Yü) verringert oder erhöht.It can be provided that the weighting is done by multiplication. Thus, the respective setpoint temperature (T setpoint 1 , T setpoint 2 ... T setpoint ) predetermined for the heater is reduced or increased with the value of the manipulated variable (Y u ).
In einer weiteren Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Regelabweichung (ΔTsoll-ist Substrat) der Führungsregelung mit einem einstellbaren Maximalwert (max ΔTsoll-ist Substrat) verglichen wird und solange die Regelabweichung (ΔTsoll-ist Substrat) der Führungsregelung den Maximalwert (max ΔTsoll-ist Substrat) überschreitet, die jeweilige Führungsgröße (Tsoll1, Tsoll2 ... Tsolln) unabhängig von der Stellgröße (Yü) der Folgeregelung mit einem Festwert gewichtet wird. Eine besondere Gestaltung besteht dabei darin, dass die jeweilige Führungsgröße (Tsoll1, Tsoll2 ... Tsolln) unabhängig von der Stellgröße (Yü) der Folgeregelung neutral gewichtet, d. h. gleich der jeweiligen Solltemperatur (Tsoll1 intern, Tsoll2 intern ... Tsolln intern) gewählt wird. Damit wird erreicht, dass die Führungsregelung für bestimmte Prozessabschnitte sozusagen ausgeschaltet oder unwirksam gemacht wird. Dies kann insbesondere bei Aufheizprozessen, bei einem neu angefahrenen Prozess der Fall sein. Durch diese Maßnahme können die Heizer so eingestellt werden (entweder durch Vorgabe ihrer jeweiligen Sollwerte (Tsoll1, Tsoll2 ... Tsolln) und/oder durch eine Erhöhung der jeweiligen Führungsgrößen (Tsoll1 intern, Tsoll2 intern ... Tsolln intern) durch die Stellgröße (Yü)) dass ein eingefahrener Prozessstatus besonders schnell erreicht werden kann.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that the control deviation (.DELTA.T should-is substrate ) of the control is compared with an adjustable maximum value (max .DELTA.T is-is substrate ) and as long as the control deviation (.DELTA.T is-is substrate ) of the control Maximum value (max ΔT should-is substrate ), the respective reference variable (T soll1 , T soll2 ... T solln ) is weighted independently of the manipulated variable (Y ü ) of the follow-up control with a fixed value. A special configuration consists in the fact that the respective reference variable (T soll1 , T soll2 ... T solln ) is weighted neutral, irrespective of the manipulated variable (Y ü ), ie equal to the respective setpoint temperature (T soll1 intern , T soll2 intern . .. T solln internally ) is selected. This ensures that the control of certain process sections is, so to speak, eliminated or rendered ineffective. This can be the case, in particular in heating processes, in a newly started process. By this measure, the heaters can be set (either by specifying their respective setpoints (T soll1 , T soll2 ... T solln ) and / or by increasing the respective reference variables (T soll1 intern , T soll2 intern ... T solln internally ) by the manipulated variable (Y ü )) that a retracted process status can be reached very quickly.
Der Prozess der von der Führungsregelung unabhängigen Wichtung kann auch ein- oder ausgeschaltet werden, indem die Wahl der Wichtung in Abhängigkeit von einem einstellbaren Freigabesignal erfolgt.The process of weighting independent of the master control can also be turned on or off by selecting the weighting in response to an adjustable enable signal.
Die anordnungsseitige Lösung der Aufgabenstellung besteht darin, dass innerhalb der Prozesskammer zumindest ein das Substrat heizbarer Heizer angeordnet ist. In Transportrichtung nach dem Heizer ist ein die Substrattemperatur messender Sensor angeordnet. Ein Führungsregler, der mit dem Substrat als Regelstrecke und dem Sensor zu einem Führungsregelkreis zusammengeschaltet ist, und ein Folgeregler, der mit dem Heizer als Regelstrecke zu einem Folgeregelkreis zusammengeschaltet ist, sind beide Bestandteil einer Kaskadenregelung derart, dass der Führungsregelkreis die Führungsgröße des Folgeregelkreises vorgibt. Durch die Merkmale dieser Anordnung wird es überhaupt möglich, zusätzlich zu den Beschichtungsquellen, die einen unkontrollierten Wärmeeintrag in das Substrat einbringen, noch Heizer einzubringen. So ist die Einstellung von Substrattemperaturen über 400°C möglich, was den Bereich der Beschichtungsanwendung erheblich erhöht. Die Erfindung kann dabei einzelne Heizer genauso umfassen, wie Heizergruppen, die aus Einzelheizern bestehen und hier als ein Heizer betrachtet werden.The arrangement-side solution of the task is that within the process chamber at least one heater which can be heated by the substrate is arranged. In the transport direction after the heater, a substrate temperature measuring sensor is arranged. A master controller, which is connected to the substrate as a controlled system and the sensor to a master control loop, and a slave controller, which is connected together with the heater as a controlled system to a follower loop, are both part of a cascade control such that the master control circuit sets the reference variable of the sequence control circuit. Due to the features of this arrangement, it is even possible, in addition to the coating sources, which introduce an uncontrolled heat input into the substrate, still bring in heaters. Thus, the setting of substrate temperatures above 400 ° C is possible, which significantly increases the range of coating application. The invention may include individual heaters as well as groups of heaters, which consist of individual heaters and are considered here as a heater.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine die Isttemperatur (Tist1) des Heizers messende erste Messstelle mit einem Regelgrößeneingang eines ersten Vergleichers verbunden ist, dessen Führungsgrößeneingang über eine Wichtungsstelle mit einem Sollwertgeber zur Vorgabe der Heizersolltemperatur (Tsoll1) und dessen Regelabweichungsausgang mit einem die Energiezufuhr zum Heizer stellenden Folgeregler verbunden ist. Eine die Isttemperatur (Tist Substrat) des Substrats messende zweite Messstelle ist mit einem Regelgrößeneingang eines zweiten Vergleichers verbunden, dessen Führungsgrößeneingang mit einem Sollwertgeber zur Vorgabe der Substratsolltemperatur (Tsoll Substrat) und dessen Regelabweichungsausgang mit einem die Wichtung der Wichtungsstelle einstellenden Führungsregler verbunden ist.In one embodiment of the invention, it is provided that a first measuring point measuring the actual temperature (T ist1 ) of the heater is connected to a control variable input of a first comparator whose reference variable input via a weighting point with a setpoint generator for specifying the Heizersolltemperatur (T soll1 ) and its control deviation output connected to a power supply to the heater subsequent slave controller. A second measuring point which measures the actual temperature (T is substrate ) of the substrate is connected to a controlled variable input of a second comparator whose command variable input is connected to a setpoint generator for specifying the substrate target temperature (T soll substrate ) and whose control deviation output is connected to a master controller adjusting the weighting of the weighting point.
Die Erfindung umfasst auch die Anordnung mehrerer Heizer, die beispielsweise nebeneinander oder hintereinander liegend, möglicherweise zwischen mehreren Beschichtungsquellen, angeordnet sind, indem innerhalb der Prozesskammer mindestens zwei das Substrat heizbare Heizer angeordnet sind. In Transportrichtung ist dabei nach dem letzten Heizer ein die Substrattemperatur messender Sensor angeordnet. Ein Führungsregler, der mit dem Substrat als Regelstrecke und dem Sensor zu einem Führungsregelkreis zusammengeschaltet ist, und je ein Folgeregler, der mit den jeweiligen Heizern als Regelstrecken zu je einem Folgeregelkreis zusammengeschaltet sind, sind Bestandteil einer Kaskadenregelung derart, dass der Führungsregelkreis die Führungsgröße der Folgeregelkreise vorgibt.The invention also encompasses the arrangement of a plurality of heaters, which are arranged, for example, next to one another or behind one another, possibly between a plurality of coating sources, in that at least two heaters which can be heated by the substrate are arranged within the process chamber. In the transport direction is after the last heater a substrate temperature measuring sensor arranged. A master controller, which is interconnected with the substrate as a controlled system and the sensor to a master control loop, and one slave controller, which are connected together with the respective heaters as controlled systems, each a follower loop, are part of a cascade control such that the master control loop, the reference variable of the sequence control circuits pretends.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jedem Folgeregelkreis eine Wichtungsstelle zugeordnet ist, die mit einem Sollwertgeber zur Vorgabe der jeweiligen Heizersolltemperatur (Tsoll1, Tsoll2 ... Tsolln) verbunden ist. Somit wird es möglich, jedem Heizer seine Solltemperatur zuzuweisen, also unterschiedliche Temperaturprofile einzustellen. Hierbei ist es selbstverständlich möglich, bei mehreren Heizern Temperaturprofilmuster einzustellen, entweder manuell oder über entsprechende Einstellmittel.In a further embodiment, it is provided that each sequence control loop is assigned a weighting point, which is connected to a setpoint generator for specifying the respective desired heater temperature (T soll1 , T soll2 ... T solln ). This makes it possible to assign each setter to its setpoint temperature, ie to set different temperature profiles. It is of course possible to set temperature profile pattern with several heaters, either manually or via appropriate adjustment.
Der Führungsregelkreis kann bedarfsweise aus seiner Wirkung genommen werden, beispielsweise bei Prozessen, die mit der Führungsregelung nicht notwendiger Weise langsamer ablaufen würden, indem der Führungsregelkreis mit einem Komparator versehen ist, dessen einer Vergleichseingang mit dem Ausgang des zweiten Vergleichers, d. h. dem Ausgang der Regelabweichung des Führungsregelkreises, und dessen zweiter Vergleichseingang mit einem einen Maximalwert (max ΔTsoll-ist Substrat) für die Regelabweichung der Führungsregelung vorgebenden Sollwertgeber verbunden ist. Der digitale Ausgang des Komparators ist mit einem Steuereingang eines Umschalters verbunden, wobei der Umschalter den Eingang der Wichtungsstelle entweder mit dem Ausgang des Führungsreglers oder mit einem Festwertgenerator verbindet.The master control loop can be taken out of action as needed, for example, in processes that would not necessarily slow down with the guide control by the master control loop is provided with a comparator whose one comparison input with the output of the second comparator, ie the output of the control deviation Guiding control loop, and the second comparison input is connected to a maximum value (max ΔT is-is substrate ) for the control deviation of the command control predetermining setpoint generator. The digital output of the comparator is connected to a control input of a switch, the switch connects the input of the weighting point either to the output of the master controller or to a fixed value generator.
Das zeitweise Ausschalten des Führungsregelkreises kann gesteuert werden, indem zwischen dem Komparatorausgang und dem Steuereingang des Umschalters ein UND-Glied geschaltet ist, wobei ein UND-Eingang mit dem Komparatorausgang und der andere UND-Eingang mit einem ein Freigabesignal erzeugenden Mittel verbunden ist.The temporary switching off of the master control loop can be controlled by an AND gate connected between the comparator output and the control input of the switch, wherein an AND input to the comparator output and the other AND input is connected to an enable signal generating means.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Möglichkeit eröffnet, dass die Führungsregelung und die Stellgröße der Führungsregelung steuernden Mittel in einem Prozessor implementiert sind. Der erfindungsgemäße Aufbau und das Verfahren lassen eine solche Implementierung zu, wodurch der Herstellungsaufwand erheblich sinkt.In a further embodiment of the invention, the possibility is opened up that the command control and the manipulated variable of the command control means are implemented in a processor. The construction according to the invention and the method allow for such an implementation, whereby the production costs decrease considerably.
Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass die Wichtungsstelle als Multiplikator ausgebildet ist.Another possibility of the embodiment of the arrangement according to the invention is that the weighting point is designed as a multiplier.
Wie oben bereits dargelegt, kann sich die Erfindung auf Einzelheizer oder auch auf Gruppen von Einzelheizern beziehen, die hier als Heizer verstanden werden. Es ist aber auch möglich, die Erfindung auf Einzelheizer innerhalb einer Heizergruppe, wobei dann die Einzelheizer der Heizergruppe als Heizer im Sinne der Erfindung verstanden werden, anzuwenden. Auch ist es möglich, die Erfindung zur Einstellung eines Temperaturprofils längs der Transportrichtung zu verwenden, indem die Heizer in Transportrichtung hintereinander liegend angeordnet sind, oder quer zur Transportrichtung, indem die Heizer quer zur Transportrichtung nebeneinander angeordnet sind. Selbstverständlich ist es möglich, sowohl eine Längs- wie auch eine Querverteilung einzustellen, indem ein ganzes Heizerfeld, bestehend aus quer und längs angeordneten Einzelheizern erfindungsgemäß geregelt wird.As already explained above, the invention can refer to individual heaters or to groups of individual heaters, which are understood here as heaters. However, it is also possible to apply the invention to individual heaters within a heater group, in which case the individual heaters of the heater group are understood as heaters in the sense of the invention. It is also possible to use the invention for setting a temperature profile along the transport direction by the heaters are arranged one behind the other in the transport direction, or transversely to the transport direction by the heaters are arranged side by side transversely to the transport direction. Of course, it is possible to set both a longitudinal and a transverse distribution by controlling an entire heater field, consisting of transversely and longitudinally arranged individual heaters according to the invention.
Zur berührungslosen Messung der Substrattemperatur, was insbesondere infolge der Substratbewegung sinnvoll ist, ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der die Substrattemperatur messende Sensor als Pyrometer ausgebildet ist.For non-contact measurement of the substrate temperature, which is useful in particular as a result of the substrate movement, it is provided in one embodiment of the invention that the sensor measuring the substrate temperature is designed as a pyrometer.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the accompanying drawings shows
Wie in
Ein Führungsregler
Der Führungsregelkreis gibt dabei die Führungsgröße Tsoll intern des Folgeregelkreises, hier als Heizregelkreis
Im einzelnen ist eine die Isttemperatur Tist1 des Heizers
In
Die Temperaturen Tist1, Tist2 ... Tistn der Heizer
Wie in
In dieser Ausführung wird die Regelabweichung ΔTsoll-ist Substrat der Führungsregelung mit einem einstellbaren Maximalwert max ΔTsoll-ist Substrat verglichen. Solange die Regelabweichung ΔTsoll-ist Substrat der Führungsregelung den Maximalwert max ΔTsoll-ist Substrat überschreitet, solange also beispielsweise das Substrat
Das zeitweise Ausschalten des Führungsregelkreises kann gesteuert werden, indem zwischen dem Komparatorausgang
Wie in
Nachfolgend wird die Funktion der in
Die Abweichungen der Solltemperatur Tsoll Substrat von der Ist-Temperatur Tist Substrat des Substrats
In bestimmten Fällen muss der übergeordnete PI-Regler
Damit die Pyrometer-Regelschleife
Nachfolgend wird die in
Mit diesem Aufbau liegt eine Form der Kaskadierung von PI-Reglern vor, wenn eine Pyrometer-Regelschleife (Master) eine Freigabe der Nachfolger-Pyrometer-Regelschleife (Slawe) erteilt. Die Temperatur des Substrats am Ausgang des Wirkungsbereichs einer Pyrometer-Regelschleife ist gleichzeitig die Eingangstemperatur in den Wirkungsbereich der Nachfolger-Pyrometer-Regelschleife. Das Ergebnis der Arbeit der Slave-Pyrometer-Regelschleife hängt von dem Fehler der Master-Pyrometer-Regelschleife ab. Aus technologischen und Sicherheits-Gründen darf dieser Fehler jedoch nur in bestimmten Grenzen liegen, bzw. eine technologisch und sicherheits- bedingte maximale/minimale zulässige Temperatur des Substrats muss nicht über-/unterschritten werden. Als notwendige Maßnahme gegen unzulässige Störungen der Temperatur wird hier diese Form der Kaskadierung vorgeschlagen – die Freigabe durch den Master. Sie gewährleistet die technologisch und sicherheitsbedingt geforderte Eingangstemperatur in der Slave-Pyrometer-Regelschleife. Eine Slave-Pyrometer-Regelschleife kann nur dann aktiv sein (d. h. Solltemperaturen ändern können), wenn sie von der Software/Bediener und vom Master eine Freigabe bekommt. Darüber hinaus ist jeder übergeordnete PI-Regler im maximalen und minimalen Wert der Stellgröße Yü begrenzt, so dass die Ist- und Soll-Temperaturen des Substrats am Ausgang der jeweiligen Pyrometer-Regelschleifen eine kleinere Differenz als der entsprechenden max. ΔTsubstrate aufweisen sollen, damit die Pyrometer-Regelschleife regeln kann.With this setup, there is a form of cascading PI controllers when a pyrometer control loop (master) issues a release of the successor pyrometer control loop (Slawe). The temperature of the substrate at the exit of the effective range of a pyrometer control loop is at the same time the input temperature into the range of action of the follower pyrometer control loop. The result of the work of the slave pyrometer control loop depends on the error of the master pyrometer control loop. For technological and safety reasons, however, this error may only be within certain limits, or a technologically and safety-related maximum / minimum permissible temperature of the substrate need not be exceeded or fallen below. As a necessary measure against impermissible disturbances of the temperature, this form of cascading is proposed here - the release by the master. It guarantees the technologically and safety-related required input temperature in the slave pyrometer control loop. A slave pyrometer control loop can only be active (ie, can change setpoint temperatures) if it receives clearance from the software / operator and the master. In addition, each higher-level PI controller in the maximum and minimum value of the manipulated variable Y ü limited so that the actual and target temperatures of the substrate at the output of the respective pyrometer control loops smaller difference than the corresponding max. ΔT substrate e should have, so that the pyrometer control loop can regulate.
Die erste Pyrometer-Regelschleife bekommt eine Freigabe vom Bediener und/oder von der Software. Diese Freigabe kann technologisch bedingt sein (Aufheizen der Anlage bis auf Arbeitstemperatur, erst dann ist eine Pyrometer-Regelung sinnvoll) oder wenn Rezepte getestet werden, bei welchen die Arbeit der Pyrometer-Regelschleife nicht erwünscht ist.The first pyrometer control loop gets a release from the server and / or from the software. This release may be technologically conditioned (heating the system up to working temperature, only then does a pyrometer control make sense) or when testing recipes in which the work of the pyrometer control loop is not desired.
Bei der in
a) Grundfunktionen a) Basic functions
-
– Die Software wertet die Temperatur Tist Substrat des Substrats
9 aus den Pyrometern19 aus.- The software evaluates the temperature T is substrate of thesubstrate 9 from thepyrometers 19 out. -
– Das Fehlen eines Substrats
9 vor einem Pyrometer19 soll durch die Software erkannt werden und in dieser Zeit darf keine Auswertung von Temperaturen aus diesem Pyrometer stattfinden. In dieser Zeit gibt die Software dem übergeordneten PI-Regler34 den letzten gültigen Temperaturwert des Substrats aus.- The absence of asubstrate 9 in front of apyrometer 19 shall be recognized by the software and no evaluation of temperatures from this pyrometer shall take place during this time. During this time, the software gives the higher-level PI controller34 the last valid temperature value of the substrate. -
– Die Software gewährleistet mindestens eine Pyrometer-Regelschleife
33 und ist auf eine größere Anzahl von Pyrometer-Regelschleifen33 modular erweiterbar.- The software guarantees at least onepyrometer control loop 33 and is due to a larger number ofpyrometer control loops 33 modular expandable.
b) Funktionen zur Bedienbarkeitb) Functions for usability
- – Visualisierung der Steuerungsparameter sowie des Zustandes der übergeordneten Regler (aktiv/inaktiv) - Visualization of the control parameters as well as the state of the higher-level controller (active / inactive)
- – Konfigurierbarkeit der Freigabe-Verhältnisse ist für fortgeschrittenen Benutzer möglich.- Configurability of the release ratios is possible for advanced users.
- – Die Software ermöglicht dem Bediener das Ein- bzw.- The software allows the operator to
- Ausschalten der Steuerungslogik, damit Änderungen der Heizer-Parameter in den entsprechenden C4-Sektionen bei Bedarf vermieden werden.Turn off the control logic to avoid changes to the heater parameters in the appropriate C4 sections as necessary.
- – Die manuelle Änderung von Steuerungsgrößen sowie Ein- und Ausschalten der übergeordneten PI-Regler wird protokolliert.- The manual change of control parameters as well as switching on and off of the higher-level PI controllers is logged.
- – Für Service-Zwecke und für fortgeschrittene Service-Bediener erlaubt die Software einen direkten Zugriff auf die Regler-Parameter des jeweiligen übergeordneten Reglers.- For service purposes and for advanced service operators, the software allows direct access to the controller parameters of the respective higher level controller.
- – Die Parameter der übergeordneten Regler werden in Heizer-Rezepte aufgenommen.- The parameters of the higher-level controllers are recorded in heater recipes.
Wie oben bereits dargelegt, kann die Erfindung auf Einzelheizer oder auch auf Gruppen
Selbstverständlich ist es möglich, sowohl eine Längs- wie auch eine Querverteilung einzustellen, indem ein ganzes Heizerfeld, bestehend aus quer und längs angeordneten Heizern
Jeder von den Heizern, die quer zur Transportrichtung nebeneinander angeordnet sind (in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Regelstreckecontrolled system
- 22
- Regelkreisloop
- 33
- Reglerregulator
- 44
- erste Teilregelstreckefirst partial control section
- 55
- zweite Teilregelstreckesecond partial control section
- 66
- erster Reglerfirst controller
- 77
- zweiter Reglersecond controller
- 88th
- Prozesskammerprocess chamber
- 99
- Substratsubstratum
- 1010
- Heizerstoker
- 1111
- Transportrichtungtransport direction
- 1212
- erste Messstelle (im Heizregelkreis)first measuring point (in the heating control loop)
- 1313
- Führungsreglermaster controller
- 1414
- Folgereglerslave controller
- 1515
- Heizregelkreis (Folgeregelkreis)Heating control loop (follower loop)
- 1616
- erster Vergleicher (im Heizregelkreis)first comparator (in the heating loop)
- 1717
- WichtungsstelleWeighting place
- 1818
- SollwertgeberSetpoint generator
- 1919
- zweite Messstelle, Pyrometersecond measuring point, pyrometer
- 2020
- zweiter Vergleichersecond comparator
- 2121
- zweiter Sollwertgebersecond setpoint generator
- 2222
- Beschichtungsquellecoating source
- 2323
- Komparatorcomparator
- 2424
- erster Vergleichseingangfirst comparison input
- 2525
- zweiter Vergleichseingangsecond comparison input
- 2626
- Komparatorausgangcomparator output
- 2727
- Umschalterswitch
- 2828
- FestwertgeneratorFixed value generator
- 2929
- Steuereingangcontrol input
- 3030
- UND-GliedAND gate
- 3131
- Freigabesignalenable signal
- 3232
- zweiter Komparatorsecond comparator
- 3333
- Pyrometer-RegelschleifePyrometer control loop
- 3434
- übergeordneter PI-Reglerhigher-level PI controller
- 3535
- Heizergruppeheater group
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 2501895 B2 [0020] DE 2501895 B2 [0020]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Töpfer, H. und Besch, P.: Grundlagen der Automatisierungstechnik, Berlin 1989, S. 292 [0021] Töpfer, H. and Besch, P .: Fundamentals of Automation Technology , Berlin 1989, p. 292 [0021]
Claims (20)
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- 2010-03-01 DE DE102010009794A patent/DE102010009794A1/en not_active Ceased
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