DE102011085799B4

DE102011085799B4 - Verfahren zum Schutz einer Substratbehandlungsanlage vor Überhitzung

Info

Publication number: DE102011085799B4
Application number: DE201110085799
Authority: DE
Inventors: Dr. Smolke Matthias; Steffen Mosshammer; Michael Hofmann; Torsten Dsaak; Reinhardt BAUER; Thomas Meyer
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2031-11-05
Also published as: DE102011085799A1

Abstract

Verfahren zum Schutz einer beheizten Substratbehandlungsanlage (8) vor Überhitzung, wobei die Substratbehandlungsanlage (8) aus mehreren Anlagenbereichen (1, 7) besteht, in denen sich jeweils eine Behandlungskammer (2) befindet, an der mit einer Heizersteuerung (6) verbundene Heizer (3) angeordnet sind, welche an der Beheizung der Behandlungskammer (2) teilhaben, wobei eine Schutzvorrichtung mit wenigstens einem eine Abschaltung der Heizer (3) bei Überhitzung bewirkenden Temperaturschalter (9), bestehend aus einem Temperatursensor (4) und einer Auswerteeinheit (5), vorgesehen ist, dessen Temperatursensor (4) in der zu überwachenden Behandlungskammer (2) befestigt wird, wobei unabhängig von der Regel- und Steuerung der Substratbehandlungsanlage (8), eine repräsentative Kammertemperatur in der Behandlungskammer (2) durch den Temperatursensor (4) ermittelt wird und die Heizer (3) bei Überschreiten einer kritischen Temperatur abgeschaltet werden, wobei der Schaltpunkt der Auswerteeinheit (5) durch einen Schwellwert bestimmt wird, welcher über der typischen Arbeitstemperatur der Heizer (3) und unterhalb einer für den jeweiligen Anlagebereich (1) oder Behandlungskammer (2) kritischen Temperatur liegt, und bei Überschreitung des Schwellwerts die Heizer (3) abgeschaltet werden und nach Unterschreitung des Schwellwerts die Heizer (3) automatisch wieder freigegeben werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz einer Substratbehandlungsanlage vor Überhitzung, wobei die Substratbehandlungsanlage aus mehreren Anlagenbereichen besteht, in denen sich jeweils eine Behandlungskammer befindet, an der jeweils mindestens ein mit einer Heizersteuerung verbundener Heizer angeordnet ist, welcher an der Beheizung der Behandlungskammer teilhat. Dabei ist eine Schutzvorrichtung mit wenigstens einem eine Abschaltung der Heizer bei Überhitzung bewirkenden Temperaturschalter, bestehend aus einem Temperatursensor und einer Auswerteeinheit, vorgesehen, dessen Temperatursensor in der zu überwachenden Behandlungskammer befestigt wird.
Es ist bekannt, dass die Herstellung von dünnen Schichten oder die thermische Nachbehandlung solcher Schichten durch einen Abscheidungsprozess oder eine Wärmebehandlung bei einer bestimmten Temperatur in einer Substratbehandlungsanlage, insbesondere in einer Vakuum-Substratbehandlungsanlage, erfolgt. Eine solche Substratbehandlungsanlage besteht üblicherweise aus einem oder mehreren Anlagebereichen bzw. Behandlungskammern, wie beispielsweise Vakuum-Behandlungskammern in denen sich jeweils zumindest ein Heizer befindet. In den meisten Fällen wird eine Kammer mit mehreren Heizern beheizt. Die gewünschte Prozesstemperatur wird normalerweise durch die Heizersteuerung der Heizer geregelt. Wird beispielsweise durch eine Störung die Wärmeableitung verringert, so tritt eine Temperatursteigerung der Heizer ein, die zu dessen eigener Zerstörung und einer Überhitzung in der Substratbehandlungsanlage führen kann.
Um die unerwünschte Überhitzung in der Substratbehandlungsanlage zu vermeiden, wird eine Schutzvorrichtung zum Schutz der Substratbehandlungsanlage vorgesehen, in der üblicherweise eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) eingesetzt ist. Dieser Steuerungstyp besteht im Prinzip aus einem Prozessor mit Speichern, wobei eine spezielle Software die Beschreibung von Steuerungsproblemen in einer anwenderorientierten Programmiersprache erlaubt. Eine SPS hat im einfachsten Fall Eingänge, Ausgänge, ein Betriebssystem und eine Schnittstelle, über die das Anwenderprogramm geladen werden kann. Die Anbindung der SPS an die Substratbehandlungsanlage erfolgt mit Sensoren und Aktoren. Während als Eingang der SPS ein Sensor bzw. Temperaturfühler an das Kühlwasser für die gesamte Substratbehandlungsanlage geschaltet ist, werden Ausgänge zur Steuerung der Substratbehandlungsanlage von Aktoren z.B. Schütze zur Einschaltung/Abschaltung genutzt. Der Überhitzungsschutz erfolgt dabei über die Auswertung der Erwärmung des Kühlwassers für die gesamte Substratbehandlungsanlage und führt in der Regel bei Überhitzung zur Abschaltung der gesamten Anlage.
Eine derartige Schutzvorrichtung mittels einer SPS mit der Auswertung der Temperatur des Kühlwassers führt oft bei unzulässiger Überhitzung, die möglicherweise durch Fehlfunktionen oder Fehlbedienungen hervorgerufen wurde, zur trägen und fehlerbehafteten Abschaltung. Solche unzuverlässige Abschaltung tritt insbesondere in einer aus mehreren Anlagebereichen bzw. Behandlungskammern bestehenden Substratbehandlungsanlage aufgrund der mangelhaften Überwachung der Temperatur in jeder einzelnen Behandlungskammer auf.
Im Stand der Technik sind unterschiedliche Schutzvorrichtungen zum Schutz von Anlagen oder Steuer- und Regelsystemen bekannt. In der DD 235 141 A1 ist ein Verfahren zum Schutz vor Überhitzung an Induktionserwärmungsanlagen beschrieben, mit dessen Hilfe ein Überhitzen oder Abschmelzen von induktiv zu erwärmenden Metallwerkstücken vermieden wird. Hierbei wird in Werkstücknähe ein von einem konstanten Strom durchflossener Temperatursensor mit temperaturabhängigem spezifischem elektrischem Widerstand angeordnet, der durch die vom erhitzten Werkstück emittierende Temperaturstrahlung selbst erwärmt wird. Dadurch ändert sich der Spannungsabfall über dem Temperatursensor, wobei der Spannungsabfall von einem Komparator mit einem Schwellwert verglichen wird. Dabei wird bei Über- bzw. Unterschreitung des Schwellwertes ein Signal abgegeben, das zur Störungsmeldung führt. Somit ist es möglich Material- oder Energieverluste durch Überhitzung zu vermeiden sowie die Verfügbarkeit der Induktionserwärmungsanlagen zu erhöhen.
In der DD 223 027 A1 ist eine Schutzeinrichtung zum permanenten Abschalten von Steuer- und Regelsystemen bei unerwünschten Betriebszuständen beschrieben, die durch eine Schaltungskombination von einem Schaltelement, einem Widerstand und einem Schmelzeinsatz erfolgt. Dabei wird infolge von Störungen das Schaltelement aktiviert, so dass im Zusammenwirken mit dem nachgelagerten Widerstand eine elektrische Unterbrechung der Stromversorgung des Steuer- und Regelsystems mit Hilfe eines Schmelzeinsatzes erreicht wird. Somit ist es möglich eine sofortige Abschaltung in bestimmten Situationen vorzunehmen.
DD 258 108 A1 gibt ebenfalls ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Schutz einer Funktionseinheit an, die bei unerwünschten Betriebszuständen in einem beliebigen Steuer- und Regelsystem für die verschiedensten Prozesse eine Endabschaltung desselben bewirken. Hierbei besteht der elektronische Endabschalter aus einem Schwellwertschalter und einer entsprechenden Beschaltung desselben, wobei als Kontrollgröße lediglich eine aus der Betriebsspannung der Funktionseinheit abgeleitete Spannung zur Versorgung des elektronischen Endabschalters benutzt wird. Dabei tritt bei Störungen im Steuer- und Regelsystem nach Ablauf der Haltezeit der monostabilen Kippschaltung der Endausschalter in Funktion und bewirkt eine Abschaltung der Funktionseinheit über ein Stellglied mit Selbstschaltung.
Die US 2006 0127 699 A1 offenbart eine Anlage zum Herstellen einer Schutzschicht auf einem Substrat. In der Anlage befinden sich Behandlungskammern, in denen Heizelemente angeordnet sind. Das Substrat wird mittels der Heizelemente erhitzt und auf einer gewünschten Prozesstemperatur gehalten und kann bis zu 800°C erhitzt werden.
Ein System zum Überhitzungsschutz einer CVD-Anlage ist aus der US 6 183 562 B1 bekannt. Darin ist vorgesehen, dass in einem Regelkreis zur Regelung der Temperatur einer Heizlampe eine Sicherheitsschaltung integriert ist. Dabei wird der Temperaturmessfühler, der die Regelgröße misst, sowohl mit dem Regler des Regelkreises als auch mit einem Schwellwertschalter verbunden. In der Steuerleitung von dem Regler zu der Heizlampe ist ein Unterbrecher angeordnet, der von dem Schwellwertschalter gesteuert wird. Wird nun von dem Temperaturmessfühler eine Temperatur gemessen, die einen in dem Schwellwertschalter eingestellte Temperatur überschreitet, so schaltet dieser die Steuerungsleitung der Heizlampe mittels des Unterbrechers ab.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schutz einer Substratbehandlungsanlage vor Überhitzung mit einer Schutzvorrichtung zu schaffen, welche unabhängig von der Regel- und Steuerung der Substratbehandlungsanlage nach einer möglicherweise durch Fehlfunktionen oder Fehlerbedienungen hervorgerufenen Überhitzung eine zuverlässige Abschaltung für die gesamte Substratbehandlungsanlage vornimmt. Des Weiteren ist die Überwachung der Temperatur in jedem einzelnen Anlagenbereich oder in jeder Behandlungskammer zu ermöglichen.
Die Lösung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass in einer Substratbehandlungsanlage mit mehreren Anlagebereichen bzw. Behandlungskammern, an denen jeweils mindestens ein mit einer Heizersteuerung verbundener Heizer angeordnet ist, welcher an der Beheizung der Kammer teilhat, wenigstens in jedem einzelnen Anlagenbereich ein eine Abschaltung des Heizers bei Überhitzung bewirkender Temperaturschalter, bestehend aus einem Temperatursensor und einer Auswerteeinheit vorgesehen ist, dessen Temperatursensor in der zu überwachenden Behandlungskammer angeordnet ist. Dabei kann die Auswerteeinheit mit einem handelsüblichen Auswertegerät z.B. Grenzwertschalter mit einstellbarem Schaltpunkt versehen sein, wobei der Schaltpunkt des Auswertegeräts durch einen Schwellwert bestimmt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass unabhängig von der Regel- und Steuerung der Substratbehandlungsanlage, eine repräsentativen Kammertemperatur in der Behandlungskammer durch wenigstens einen in der zu überwachenden Behandlungskammer befestigten Temperatursensor ermittelt und der Heizer bei Überschreiten einer kritischen Temperatur abgeschaltet wird. Damit können Überhitzungen, die von der üblichen Steuerungs- und Regelungseinrichtung nicht mit hinreichender Sicherheit behandelt werden, vermieden werden.
In einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Schaltpunkt des Auswertegeräts durch einen Schwellwert bestimmt wird, welcher über der typischen Arbeitstemperatur der Heizer und unterhalb einer für den jeweiligen Anlagebereich oder Behandlungskammer kritischen Temperatur liegt.
Dabei ist es auch möglich, dass bei einer Anordnung von Schutzvorrichtungen in mindestens zwei Anlagenbereichen für jeden Anlagenbereich gesonderte Abschaltkriterien, wie gesonderte Schwellwerte festgelegt werden.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass bei Überschreitung des Schwellwerts die Heizer abgeschaltet werden und nach Unterschreitung des Schwellwerts die Heizer automatisch wieder freigegeben werden. Damit wird vermieden, dass die Anlage übermäßig lange außer Betrieb bleibt, insbesondere, wenn nur kurze Überhitzungen aufgetreten sind.
Dies kann dadurch ergänzt werden, dass bei Überschreitung des Schwellwerts eine Signalisierung einer Überhitzung an die Anlagensteuerung erfolgt und nach Unterschreitung des Schwellwerts eine Signalisierung einer Wiederfreigabe an die Anlagensteuerung erfolgt. Damit bleibt eine Überhitzung nicht unbemerkt. Dies kann von Vorteil sein, um beispielsweise die Ursache von häufig auftretenden Überhitzungen zu suchen.
Eine weitere Verfahrensvariante gibt die Möglichkeit an, dass eine lokale oder kurzzeitige Überhitzung in einer Behandlungskammer nicht zur Abschaltung der gesamten Substratbehandlungsanlage führt, wodurch große Produktionsausfälle vermieden werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert, die in einer vereinfachten schematischen Darstellung die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung bzw. deren schematischen Aufbau zeigt.
Die Zeichnung zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung eine Substratbehandlungsanlage 8, die für die Herstellung von dünnen Schichten oder die thermische Nachbehandlung solcher Schichten vorgesehen ist. Diese Substratbehandlungsanlage 8 besteht üblicherweise aus einem oder mehreren Anlagenbereichen 1 oder 7, in denen sich jeweils eine Behandlungskammer 2 befindet, an der jeweils mindestens ein mit einer Heizersteuerung 6 verbundener Heizer 3 angeordnet ist, welcher an der Beheizung der Kammer teilhat. In den meisten Fällen wird die Kammer 2 von mehreren Heizern 3 erwärmt. Zum Schutz der Substratbehandlungsanlage 8 vor Überhitzung wird in jedem einzelnen Anlagenbereich 1 und 7 ein Temperaturschalter 9 eingesetzt, der aus einem Temperatursensor 4 und einer Auswerteeinheit 5 besteht und dessen Temperatursensor 4 in der zu überwachenden Behandlungskammer 2 angeordnet ist, vorzugsweise zentral zwischen allen an der Beheizung der Kammer 2 teilhabenden Heizern 3. Die Auswerteeinheit 5 ist mit einem handelsüblichen Auswertegerät z.B. mit einem Grenzwertschalter mit einstellbarem Schaltpunkt versehen. Der Schaltpunkt des Grenzwertschalters wird durch einen Schwellwert bestimmt, welcher deutlich über der typischen Arbeitstemperatur der Heizer 3 und unterhalb einer für den jeweiligen Anlagebereich 1 bzw. Behandlungskammer 2 kritischen Temperatur liegt.
Wird beispielsweise die Wärmeableitung durch Störungen oder Fehler verringert, so tritt eine Temperatursteigerung der Heizer 3 ein, die möglicherweise zu einer Überhitzung in der Substratbehandlungsanlage 8 führt. Mit der Hilfe des Temperatursensors 4 wird die Temperatursteigerung im Auswertegerät 5 z.B. Grenzwertschalter ausgewertet und bei Überschreitung des Schwellwerts werden die betreffenden Heizer 3 über die Heizersteuerung 6 abgeschaltet und gleichzeitig erfolgt eine Signalisierung einer Überhitzung an die Anlagensteuerung. Nach Unterschreitung des Schwellwerts werden die Heizer 3 automatisch an der Heizersteuerung 6 wieder freigegeben und es erfolgt eine Signalisierung der Wiederfreigabe an die Anlagensteuerung. Somit führt eine lokale Überhitzung in der zu überwachenden Behandlungskammer 2 nicht zur Abschaltung der gesamten Substratbehandlungsanlage 8.
Mit der beschriebenen Schutzvorrichtung ist es möglich, dass im Fall einer kurzzeitigen Überhitzung in einer einzelnen Behandlungskammer 2 nicht die gesamte Substratbehandlungsanlage 8 abgeschaltet wird. Für den Fall, dass die Temperatursteigerung oder die Verringerung der Wärmeableitung in einer Kammer 2 nicht beseitigt werden kann, kann durch Auswertung der Signalisierung der Überhitzung die gesamte Substratbehandlungsanlage 8 über die Anlagesteuerung abgeschaltet werden.
Besonders vorteilhaft ist, dass diese Schutzvorrichtung modular ausbaubar ist. Jeder beheizte Anlagenbereich 7 wird durch eine separate Schutzvorrichtung bzw. einem separaten Temperatursensor 4 im Zusammenwirken mit der zugeordneten Auswerteeinheit 5 gesichert.
Eine weitere Möglichkeit besteht auch darin, dass der Temperatursensor 4, der in der zu überwachenden Behandlungskammer 2 befestigt ist, vorzugsweise zentral zwischen allen an der Beheizung der Kammer 2 teilhabenden Heizern 3 angeordnet ist. Dabei wird das Signal des Temperatursensors 4 auch zur Erfassung einer von der Regelung und Steuerung der Substratbehandlungsanlage 8 unabhängigen, repräsentativen Kammertemperatur genutzt.
Bezugszeichenliste

1: Anlagenbereich
2: Vakuum-Behandlungskammer
3: Heizer
4: Temperatursensor
5: Auswerteeinheit, Auswertegerät
6: Heizersteuerung mit Freigabe
7: Anlagenbereich
8: Anlage
9: Temperaturschalter

Claims

Verfahren zum Schutz einer beheizten Substratbehandlungsanlage (8) vor Überhitzung, wobei die Substratbehandlungsanlage (8) aus mehreren Anlagenbereichen (1, 7) besteht, in denen sich jeweils eine Behandlungskammer (2) befindet, an der mit einer Heizersteuerung (6) verbundene Heizer (3) angeordnet sind, welche an der Beheizung der Behandlungskammer (2) teilhaben, wobei eine Schutzvorrichtung mit wenigstens einem eine Abschaltung der Heizer (3) bei Überhitzung bewirkenden Temperaturschalter (9), bestehend aus einem Temperatursensor (4) und einer Auswerteeinheit (5), vorgesehen ist, dessen Temperatursensor (4) in der zu überwachenden Behandlungskammer (2) befestigt wird, wobei unabhängig von der Regel- und Steuerung der Substratbehandlungsanlage (8), eine repräsentative Kammertemperatur in der Behandlungskammer (2) durch den Temperatursensor (4) ermittelt wird und die Heizer (3) bei Überschreiten einer kritischen Temperatur abgeschaltet werden, wobei der Schaltpunkt der Auswerteeinheit (5) durch einen Schwellwert bestimmt wird, welcher über der typischen Arbeitstemperatur der Heizer (3) und unterhalb einer für den jeweiligen Anlagebereich (1) oder Behandlungskammer (2) kritischen Temperatur liegt, und bei Überschreitung des Schwellwerts die Heizer (3) abgeschaltet werden und nach Unterschreitung des Schwellwerts die Heizer (3) automatisch wieder freigegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung von Schutzvorrichtungen in mindestens zwei Anlagenbereichen (1, 7) für jeden Anlagenbereich (1, 7) gesonderte Abschaltkriterien festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung des Schwellwerts eine Signalisierung einer Überhitzung an die Anlagensteuerung erfolgt und nach Unterschreitung des Schwellwerts eine Signalisierung einer Wiederfreigabe an die Anlagensteuerung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine lokale oder kurzzeitige Überhitzung in einer Behandlungskammer (2) nicht zur Abschaltung der gesamten Substratbehandlungsanlage (8) führt.