DE102011086974A1

DE102011086974A1 - Temperaturmesssonde und Verfahren zur Messung einer Oberflächentemperatur

Info

Publication number: DE102011086974A1
Application number: DE201110086974
Authority: DE
Inventors: Reinhard Goder
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2031-11-24
Also published as: DE102011086974B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperaturmesssonde mit einem ersten Temperatursensor 1 zur Messung der Oberflächentemperatur von Messobjekten, mit einem zweiten Temperatursensor 2, der benachbart zum ersten Temperatursensor 1 angeordnet ist, und mit einer Haltvorrichtung 3 zum Halten beider Temperatursensoren 1, 2. Um große und schnelle Temperaturänderungen eines Messobjekts 20 unter Vakuumbedingungen schneller und genauer zu messen, werden beide Temperatursensoren 1, 2 mit einem Abstand zueinander und nur mit dem ersten Temperatursensor 1 in Kontakt zur zu messenden Oberfläche angeordnet. Des Weiteren wird eine Heizvorrichtung 4 und/oder eine Kühlvorrichtung 7 angeordnet zur Heizung und/oder Kühlung der Haltervorrichtung 3, die eine Steuerung umfassen, so dass die Temperatur der Haltevorrichtung 3 auf eine von der ermittelten Temperaturdifferenz beider Temperatursensoren 1, 2 abhängige Temperatur einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturmesssonde mit einem ersten Temperatursensor zur Messung der Oberflächentemperatur von Messobjekten, mit einem zweiten Temperatursensor, der benachbart zum ersten Temperatursensor angeordnet ist, und mit einer Haltvorrichtung zum Halten beider Temperatursensoren.
Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Messung der Oberflächentemperatur von Messobjekten mittels solcher Temperaturmesssonden, wobei mittels des Temperatursensors das Messobjekt kontaktiert wird.
Bei der Messung der Oberflächentemperatur von Messobjekten, bei denen die Messobjekte durch die Messsonde kontaktiert werden, kommt es insbesondere bei häufigen oder schnellen Temperaturänderungen am Messobjekt zu Messfehlern durch die Messsonde, da diese selbst durch den Kontakt Wärmeenergie aufnimmt oder abgibt. Dies macht eine Temperaturmessung jedoch sehr träge, da die Einstellung des thermischen Gleichgewichts abzuwarten wäre, um derartige Messfehler zu vermeiden. Die daraus resultierenden Messfehler sind besonders erheblich, wenn der Kontakt nur kleinflächig ist und die Temperaturdifferenz zwischen Messobjekt und Messsonde sehr groß ist. Hinzu kommt, dass über die Haltevorrichtung der Messsonde, je nach Wärmeleitfähigkeit dessen Materials auch Wärmeenergie dem System aus Messobjekt und Messsonde zu- oder abgeführt wird. Diese Effekte wirken sich unter Vakuumbedingungen besonders auf das Messergebnis aus, da zur Einstellung eines Temperaturgleichgewichts lediglich die Wärmeleitung über die Kontakte und Wärmestrahlung zur Verfügung stehen. Selbst nach Einstellung des Temperaturgleichgewichtes stimmen reale Temperatur und gemessene Temperatur nicht überein, wenn über die Sonde ein stetiger Wärmefluss stattfindet.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturmesssonde und ein Verfahren zur Temperaturmessung anzugeben, so dass auch unter Vakuumbedingungen große und schnelle Temperaturänderungen eines Messobjekts schneller und genauer messbar sind.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Temperaturmesssonde gemäß Anspruch 1 und einem Messverfahren nach Anspruch 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den zugehörigen Ansprüchen beschrieben.
Mittels der erfindungsgemäßen Temperaturmesssonde wird die Temperatur zumindest der Teile der Messapparatur, die das Messobjekt am meisten beeinflussen können, regelmäßig zumindest der Haltevorrichtung der Temperaturmesssonde, der Temperatur des Messobjekts nachgeführt. Als Referenz wird dabei die Temperatur verwendet, die mittels des zweiten, die Oberfläche des Messobjekts nicht kontaktierenden Temperatursensors in der unmittelbaren Umgebung des Messobjekts gemessen wird. Um die Temperatur bis auf eine definierte Differenz nachzuführen, wird der zweite Temperatursensor benachbart zum ersten, jedoch ohne Kontakt zum Messobjekt positioniert, so dass er sich in unmittelbarer Nähe zum Messkontakt befindet.
Die Regelung der Heiz- und/oder Kühlvorrichtung erfolgt in Abhängigkeit von der gemessenen Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren zur Einstellung einer definierten Differenz. Damit kann gezielt der Wärmeaustausch zwischen der Temperaturmesssonde und dem Substrat über die Temperatursensoren beeinflusst werden. Erst wenn die gewünschte Temperaturdifferenz eingestellt ist, erfolgt die eigentliche Messung der Oberfläche des Messobjekts.
Entsprechend einer Ausgestaltung des Messverfahrens wird die minimal mögliche, bevorzugte keine Temperaturdifferenz eingestellt. In letzterem Fall haben die Komponenten der Temperaturmesssonde, die geheizt und/oder gekühlt werden die Temperatur des Messobjekts angenommen, so dass kein Wärmeaustausch zwischen Messobjekt und Temperaturmesssonde erfolgt.
Welche Komponenten in die Heizung und/oder Kühlung einbezogen werden, hängt von der jeweiligen Gestaltung des Messobjekts und der Temperaturmesssonde sowie von den Umgebungsbedingungen und damit von den möglichen Wegen des Wärmeaustauschs ab. Erfolgt dieser z.B. hauptsächlich über Wärmeleitung, dann sind insbesondere die dafür infrage kommenden thermisch miteinander und den Temperatursensoren verbundenen Komponenten zu berücksichtigen. Liegt, z.B. in Vakuumanlagen, hauptsächlich Wärmestrahlung vor, können auch Strahlungsschirme angeordnet und in die aktive Kühlung und Heizung einbezogen werden.
Die aktive Kühlung und/oder Heizung der verschiedenen Komponenten der Temperaturmesssonde gestattet eine schnelle Temperaturnachführung, wobei es insbesondere von den zu erwartenden Temperaturbereichen des Messobjekts und der Messumgebung abhängt, Heizung und Kühlung oder nur eines von beidem erforderlich ist.
Die Nachführung der Temperatur zumindest von Teilen der Temperaturmesssonde unterstützt zudem den bevorzugten kleinflächigen Kontakt der Messspitze der Sonde.
Die Verwendung eines Mantelthermoelements zumindest für den ersten Temperatursensor entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht aufgrund des möglichen mechanischen, thermischen und elektromagnetischen Schutzes die Verwendung der Temperaturmesssonde in den verschiedensten Anwendungs- und Temperaturbereichen. In dieser Ausgestaltung wird auch der Mantel des einen oder beider Temperatursensoren in die beschriebene Temperaturnachführung einbezogen. Aufgrund des regelmäßig direkten Kontakts zwischen Mantel und Haltevorrichtung der Temperaturmesssonde bevorzugt, jedoch nicht zwangsläufig mittels der Heiz- und Kühlvorrichtung, die auch die Haltevorrichtung temperiert.
Die Temperaturnachführung wird in einer Ausgestaltung der Temperaturmesssonde unterstützt, wenn die Temperaturmesssonde einen oder mehrere Strahlungsschirme umfasst, welche derart ausgebildet sind, dass die Messstellen beider Temperatursensoren zumindest gegenüber den übrigen Bauteilen der Temperaturmesssonde thermisch abschirmt sind. Dies gestattet es, Beeinflussungen der Umgebungstemperatur des Messkontakts des ersten Temperatursensors durch umgebende, kältere oder wärmere Komponenten der gesamten Messeinrichtung zu minimieren, so dass die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Messstellen beider Temperatursensoren verringert werden kann.
Der oder die Strahlungsschirme können in Abhängigkeit vom Anwendungsfall und den dort vorliegenden Wärme- und Kältequellen ausgestaltet sein. Im einfachsten Fall kann ein Schirm in Form einer ebenen Platte ausgebildet sein. Aber auch mehrteilige, sich an verschiedene Komponenten der gesamten Apparatur anpassende Schirme sind möglich.
Für eine solche Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn auch der Strahlungsschirm in die Temperaturnachführung einbezogen wird, so dass die Abschirmung den gleichen Effekt hat, wie die Temperaturnachführung der Haltevorrichtung und gegebenenfalls des Mantels. Dabei kann es sich z.B. verfahrens- oder anlagentechnisch als vorteilhaft erweisen, wenn der Strahlungsschirm nur eine der beiden Vorrichtungen zum Heizen oder Kühlen aufweist.
Eine einfache und kostengünstige Variante der Kühlung zumindest des Strahlungsschirmes, in vergleichbarer Weise aber auch der anderen Komponenten, ist die Kühlung mittels eines gasförmigen Kühlmediums. In vielen Anwendungsfällen ist bereits Pressluft als Kühlmedium einsetzbar. Hierfür genügen die Anordnung von Kühlleitungen, d.h. Leitungen aus wärmeleitendem Material, die an den betreffenden Komponenten der Temperaturmesssonde wärmeleitend montiert sind.
Das beschriebene Verfahren ist auch aufgrund der oben beschriebenen variablen Konfiguration für die verschiedensten Anwendungsgebiete, Temperaturbereiche und hohe, schnelle Temperatursprünge verwendbar und dennoch einfach im Aufbau. Die Temperaturnachführung einer oder mehrerer Komponenten der Temperaturmesssonde, gegebenenfalls kombiniert mit einem temperierbaren Strahlungsschirm, über die Messung der Temperaturdifferenz zur Umgebung des Messpunktes ist sehr dynamisch. Es reduziert die Messzeit erheblich, da nur ein sehr geringer Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche des Messobjekts und Sensorspitze besteht und vermindert zudem den Messfehler deutlich.
Darüber hinaus ist es auch möglich, wenn entsprechend einer Ausgestaltung des Messverfahrens mittels der Heizvorrichtung eine Grobeinstellung in einem Bereich um die gewünschte einzustellende Temperatur und mittels der Kühlvorrichtung eine Feineinstellung auf die gewünschte Temperaturdifferenz erfolgt. Hierfür können verschiedene Komponenten für die verschiedenen Phasen der Temperatureinstellung verwendet werden. Dazu wäre die Konfiguration der einen oder mehrerer Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen oder deren Steuerung entsprechend anzupassen.
Aufgrund der beschriebenen Vorteile und Konfigurationsvarianten ist die erfindungsgemäße Temperaturmesssonde auch für die Messung der Oberflächentemperatur von Substraten anwendbar, die in einem Vakuumbehandlungsprozess bearbeitet, z.B. beschichtet oder wärmebehandelt, werden. Bekanntermaßen werden die Substrate dabei häufig hohen Temperatureinträgen ausgesetzt, während die umgebende Behandlungseinrichtung mitunter gekühlt wird. Es sind Temperaturen in der Einrichtung im Bereich von bis zu 1000°C möglich. Der Einfluss dieser auf das Messergebnis verfälschend einwirkenden Umgebungsbedingungen ist mit der beschriebenen Sonde und dem Verfahren wesentlich zu reduzieren.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. Die zugehörige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Temperaturmesssonde innerhalb einer Behandlungskammer einer Vakuumanlage, in der ein Substrat 20 Temperaturen im Bereich von über 100°C aufweist.
Die Temperaturmesssonde umfasst zwei Mantelthermoelemente als ersten Temperatursensor 1 und zweiten Temperatursensor 2. Beide Temperatursensoren 1, 2 sind parallel zueinander und mit einem Abstand von wenigen Millimetern durch eine Haltevorrichtung 3 angeordnet. Die Haltevorrichtung 3 ist als Zylinder ausgeführt, mit axial angeordneten Temperatursensoren. Der zweite Temperatursensor 2 ragt neben dem ersten soweit aus der Grundfläche der Haltevorrichtung 3, dass er wenige Millimeter kürzer ist als der erste Temperatursensor 1.
Die Haltevorrichtung 3 ist über ihre gesamte Länge von einer spiralförmigen Heizvorrichtung 4 umwickelt.
Der Grundfläche der zylinderförmigen Haltevorrichtung 3 gegenüber liegend, aus welcher die Temperatursensoren ragen, ist ein erster platten- und kreisförmiger Strahlungsschirm 5 angeordnet, dessen Durchmesser größer ist als jener der Halterungsvorrichtung 3.
Ein zweiter, zylinderförmiger, Strahlungsschirm 6 umhüllt vollständig die Haltevorrichtung 3 mit der Heizvorrichtung 4. Er ist zur Heizvorrichtung 4 hin reflektierend ausgeführt, so dass eine direkte Beeinflussung der Umgebungstemperatur durch die Heizvorrichtung 4 vermieden wird. Alternativ kann der zweite Strahlungsschirm 6 auch doppelwandig ausgeführt sein.
Auf der der Haltevorrichtung 3 zugewandten Seite des ersten Strahlungsschirms 5 ist eine Kühlvorrichtung 7 angeordnet. Diese besteht aus Kühlleitungen 8 für Pressluft, die spiralförmig und wärmeleitend am ersten Strahlungsschirm 5 montiert sind.
Die Kühlleitungen 8, die Zuleitungen der Heizung (Heizleitungen 9) und die Anschlussleitungen 10 der Temperatursensoren 1, 2 werden durch einen Flansch 11 durch die Wandung 12 der Behandlungskammer geführt. Die Erfassung und Auswertung der Messsignale und Steuerung der Heiz- und Kühlvorrichtungen (nicht dargestellt) erfolgt außerhalb der Behandlungskammer.
Zur Messung der Oberflächentemperatur eines Substrats 20 wird die Temperaturmesssonde mit dem zumindest temporär unbewegten Substrat 20 in Kontakt gebracht, so dass nur der erste Temperatursensor 1 das Substrat 20 berührt. Der Kontakt wird mittels einer Messspitze ausgebildeten Temperatursensors 1 kleinflächig, d.h. punktförmig realisiert. Mittels des zweiten Temperatursensors 2 wird die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung der Kontaktstelle gemessen und die Temperatur der Haltevorrichtung 3, der Mantel der Temperatursensoren 1, 2 und indirekt beider Strahlungsschirme 5, 6 auf die gemessene Temperatur eingestellt, so dass die Differenz der mit beiden Temperatursensoren 1, 2 gemessenen Temperaturen minimal, bevorzugt Null wird. Damit ist ein Wärmeaustausch zwischen dem kontaktierenden ersten Temperatursensor 1 und dem Substrat 20 und damit eine Änderung der Substratoberflächentemperatur minimiert oder, bei gleichen Temperaturen an beiden Temperatursensoren 1, 2, verhindert. Im letzteren Fall stimmt die Substratoberflächentemperatur mit der Temperatur beider Temperatursensoren 1, 2 überein.
Mit der bevorzugten Regelung auf eine Temperaturdifferenz von Null wird die Haltevorrichtung 3 auf die Substratoberflächentemperatur geregelt.
Liegt bei einer nachfolgenden Messung eine Änderung der Temperaturdifferenz in der Art vor, dass die Temperatur der Temperaturmesssonde höher ist als die des Substrats 20, kann mittels der Kühlvorrichtung 7 die Temperatur des ersten Strahlungsschirms 5 direkt, und indirekt über Wärmeleitung oder alternativ auch aktiv über eine geeignete Kühlvorrichtung auch der Haltevorrichtung 3, schnell und gezielt abgesenkt werden.
Bezugszeichenliste

1: erster Temperatursensor
2: zweiter Temperatursensor
3: Haltevorrichtung
4: Heizvorrichtung
5: erster Strahlungsschirm
6: zweiter Strahlungsschirm
7: Kühlvorrichtung
8: Kühlleitung
9: Heizleitungen
10: Anschlussleitungen
11: Flansch
12: Wandung
20: Messobjekt, Substrat

Claims

Temperaturmesssonde mit einem ersten Temperatursensor zur Messung der Oberflächentemperatur von Messobjekten, mit einem zweiten Temperatursensor, der benachbart zum ersten Temperatursensor angeordnet ist, und mit einer Haltvorrichtung zum Halten beider Temperatursensoren, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Temperatursensor (2) relativ zum ersten Temperatursensor (1) derart angeordnet ist, dass bei einem Kontakt des ersten Temperatursensors (1) auf einer Oberfläche der zweite Temperatursensor (2) keinen Kontakt zu der Oberfläche hat, dass eine Heizvorrichtung (4) und/oder eine Kühlvorrichtung (7) derart ausgebildet sind, dass die Haltervorrichtung (3) heizbar und/oder kühlbar ist, und dass eine Steuerung angeordnet ist, so dass die Temperatur der Haltevorrichtung (3) auf eine von der ermittelten Temperaturdifferenz beider Temperatursensoren (1, 2) abhängige Temperatur einstellbar ist.
Temperaturmesssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperatursensor (1) ein Mantelthermoelement ist und dass mittels der Heizvorrichtung (4) und/oder der Kühlvorrichtung (7) die Temperatur des Mantels des ersten Temperatursensors (1) einstellbar ist.
Temperaturmesssonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesssonde einen Strahlungsschirm (5, 6) umfasst, welcher derart ausgebildet ist, dass die Messstellen beider Temperatursensoren (1, 2) zumindest gegenüber den übrigen Bauteilen der Temperaturmesssonde thermisch abschirmt sind.
Temperaturmesssonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Strahlungsschirms (5, 6) mittels einer Heizvorrichtung (4) und/oder einer Kühlvorrichtung (7) einstellbar ist.
Temperaturmesssonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (7) Kühlleitungen (8) umfasst, die an der zu kühlenden Komponente der Temperaturmesssonde angeordnet sind und durch welche ein gasförmiges Kühlmedium fließt.
Verfahren zur Messung der Oberflächentemperatur von Messobjekten mittels einer Temperaturmesssonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mittels des ersten Temperatursensors (1) das Messobjekt kontaktiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Messung der Oberflächentemperatur des Messobjekts (20) mittels des ersten Temperatursensors (1) die Temperatur der Kontaktstelle zwischen erstem Temperatursensor (1) und Messobjekt (20) und mittels des zweiten Temperatursensors (2) die Temperatur in der Umgebung der Kontaktstelle gemessen werden und mittels der Heizvorrichtung (4) und/oder der Kühlvorrichtung (7) der Temperaturmesssonde zumindest die Haltevorrichtung (3) auf eine von der ermittelten Temperaturdifferenz beider Temperatursensoren (1, 2) abhängige Temperatur eingestellt wird.
Verfahren zur Messung der Oberflächentemperatur von Messobjekten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Haltevorrichtung (3) auf eine solche Temperatur eingestellt wird, dass besagte Temperaturdifferenz minimal oder Null wird.
Verfahren zur Messung der Oberflächentemperatur von Messobjekten nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Heizvorrichtung (4) und der Kühlvorrichtung (7) die Temperatur zumindest der Haltevorrichtung (3) einer Temperaturänderung des Messobjekts (20) nachgeführt wird.
Verfahren zur Messung der Oberflächentemperatur von Messobjekten nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung mittels Pressluft erfolgt.
Verfahren zur Messung der Oberflächentemperatur von Messobjekten nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentemperatur von Messobjekten (20) gemessen wird, während sie in einem Vakuumbehandlungsprozess behandelt werden.