DE102012201061B4

DE102012201061B4 - Verfahren und Anordnung zur Kalibrierung eines Pyrometers

Info

Publication number: DE102012201061B4
Application number: DE102012201061A
Authority: DE
Inventors: Iordan Kossev; Thomas Meyer
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2012-01-25
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2032-01-26
Also published as: DE102012201061A1

Abstract

Verfahren zur Kalibrierung eines Pyrometers, bei dem mit einem in Messrichtung (17) auf eine Objektaufnahme (13) eines zu messenden Objektes (11) in einem Prozessbereich gerichteten Pyrometer (9) die von dem zu messenden Objekt (11) in Messrichtung (17) ausgehende Wärmestrahlung erfasst und daraus die Temperatur des Objektes (11) ermittelt wird, wobei in Zeitabständen eine von einem Referenzstrahler (1) mit einer bekannten Referenztemperatur ausgesandte Wärmestrahlung in die Messrichtung (17) eingebracht und daraus mit dem Pyrometer (9) eine Temperatur ermittelt wird, die mit der Referenztemperatur verglichen und daraus ein Kalibrierwert für das Pyrometer (9) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstrahler als eine als schwarzer Strahler wirkende beheizte Referenz (1) in Messrichtung (17) vom Pyrometer (9) aus gesehen hinter der Objektaufnahme (13) relativ zum Pyrometer (9) ortsfest im Prozessbereich angeordnet wird, dass die Referenztemperatur mit einer Heizungssteuerung einer Heizung (5) eingestellt und dass die Messung der Referenztemperatur zu einem Zeitpunkt einer Objektfreien Sichtverbindung zwischen dem außerhalb des Prozessbereiches befindlichen Pyrometer (9) und der beheizten Referenz (1) mit fest stehendem Messstrahl durch die Objektaufnahme (13) während des Durchlaufes von Substratlücken vorgenommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Pyrometers, bei dem mit einem in Messrichtung auf eine Objektaufnahme eines zu messenden Objektes in einem Prozessbereich gerichteten Pyrometer die von dem zu messenden Objekt in Messrichtung ausgehende Wärmestrahlung erfasst und daraus die Temperatur des Objektes ermittelt wird. Dabei wird in Zeitabständen eine von einem Referenzstrahler mit einer bekannten Referenztemperatur ausgesandte Wärmestrahlung in die Messrichtung eingebracht und daraus mit dem Pyrometer eine Temperatur ermittelt, die mit der Referenztemperatur verglichen und daraus ein Kalibrierwert für das Pyrometer ermittelt wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Kalibrierung eines Pyrometers mit einem in Messrichtung auf eine Objektaufnahme gerichteten Pyrometer, auf der ein zu messendes Objekt in einem Prozessbereich aufliegt, einem Referenzstrahler und einer Auswerteeinrichtung.
Pyrometer sind Strahlungsthermometer, die der berührungslosen Temperaturmessung von Objekten verschiedenster Art dienen. Diese Objekte haben zu der Objektaufnahme einen klaren räumlichen Bezug. Beispielsweise liegen die Objekte auf der Objektaufnahme auf. Somit wird es möglich, Pyrometer relativ zu dieser Objektaufnahme ortsfest anzuordnen. Somit kann jedes Mal, wenn sich das Objekt auf der Objektaufnahme befindet die Temperatur desselben gemessen werden. Die berührungslose Messung empfiehlt sich insbesondere dort wo eine direkte Temperaturmessung nicht möglich ist, beispielsweise bei sehr hohen Temperaturen des Objektes, unter besonderen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise im Vakuum oder an schwer zugänglichen Stellen, oder bei bewegten Objekten.
In jedem Falle kann die Umgebung um das Pyrometer dessen Messgenauigkeit, etwa durch Verunreinigung der messtechnisch aktiven Komponenten, negativ beeinträchtigen.
Ein spezieller Einsatzfall ist in der Temperaturmessung bei Vakuumbehandlungsanlagen zu sehen, in denen die zu messenden Objekte die zu behandelnden, beispielsweise zu beschichteten Substrate sind.
Es ist bekannt, derartige Substrate in Vakuumbehandlungsanlagen zu bearbeiten. Insbesondere können die Substrate in Substratbehandlungsanlagen mit einer Beschichtung versehen werden. Diese Substratbehandlungsanlagen können nach einem Inline-Verfahren arbeiten, bei dem die Substrate ständig von Umgebungsatmosphäre eingebracht und wieder aus der Vakuumbehandlungsanlage in die Umgebungsatmosphäre ausgebracht werden. Diese Vakuumbehandlungsanlagen können aber auch als Chargenanlagen, sogenannte Batchanlagen, ausgeführt werden, bei denen eine Menge eines behandelnden Substrats bei belüfteter Anlage eingebracht wird, die Anlage sodann evakuiert wird, die Substratbehandlung ausgeführt wird und danach unter Belüftung der Vakuumbehandlungsanlage das behandelte Substrat wieder entnommen wird.
Es ist weiterhin bekannt, flächenförmige Substrate, wie beispielsweise Glasscheiben, einer Inline-Vakuumbehandlung zu unterziehen.
Abhängig von der jeweiligen Behandlungsart, kann es notwendig werden, die Substrate einer Wärmebehandlung zu unterziehen. So können die Substrate beispielsweise beheizt werden, um in dem Substratgefüge Veränderungen vorzunehmen. Die Substrate können aber auch beispielsweise beheizt werden, um eine Beschichtung unter höherem Temperatureinfluss vorzunehmen.
Für eine derartige Wärmebehandlung ist es üblich, die Substrate entweder durch den Behandlungsprozess selbst auf eine höhere Temperatur zu bringen, oder aber auch zusätzlich oder ausschließlich zu beheizen. In jedem Falle ist es für eine kontrollierte Prozessführung unerlässlich, die Temperatur des Substrats zu ermitteln. Diese Ermittlung kann einerseits geschehen, um die Beschichtungsparameter zu kontrollieren. Diese Temperaturmessung kann aber auch benutzt werden, um die Einbringung der Wärmeenergie zu regeln, insbesondere etwaige Heizereinrichtungen zu regeln.
Die in einer Vakuumbehandlungsanlage eingebauten Heizer haben die Aufgabe, Solltemperaturprofile auf dem Substrat einzustellen. Stabile Substrattemperaturen sind dabei gewünscht, damit beispielsweise Schichten mit optimalen Eigenschaften abgeschieden werden können. Eine Kontrolle der Substrattemperaturen ist dabei zum Beispiel durch die Verwendung von einem oder mehreren Infrarot-Pyrometern, im Folgenden kurz Pyrometer genannt, üblich.
Die Pyrometer sind dabei oft an Flanschen an der Vakuumkammer befestigt und haben einen optischen Zugang an einer Stelle, wo die Substrate transportiert werden. Die Infrarot-Strahlung, die von den Substraten emittiert wird, gelangt über die Pyrometer-Optik auf einen optischen Sensor und ihre Intensität wird in einem engen Spektralbereich, der von dem Pyrometer-Typ abhängig ist, in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das elektrische Signal kann dann im Rahmen des Anlagensteuerungskonzeptes genutzt werden, um die Heiz- und/oder Kühleinrichtungen anzusteuern um eine gewünschte Substrattemperatur in bestimmten Prozess-Abschnitten der Anlage während des Betriebs aufrechtzuerhalten.
Oft stellt man jedoch fest, dass die Optik der Pyrometer verschmutzt wird und dadurch eine falsche Temperatur gemessen wird, was zu einer signifikanten Beeinträchtigung der Produktionsabläufe bis hin zum Ausfall von Komponenten und somit zu erheblichen zusätzlichen Kosten für die Instandhaltung und Wartung der Anlage führt. Das Problem der Verschmutzung ist in bestimmten Fällen auch nicht schnell detektierbar, da sie nur sehr langsam fortschreitet. Ein weiteres Problem ist das Ankratzen der oft relativ teuren Optik durch zufällig in die Optik fallende kleine Glaspartikeln, was insbesondere bei Glas-Beschichtungsanlagen nicht immer sicher vermieden werden kann. Durch die Kratzer der Optik verändert sich der Anteil der in die Pyrometer gelangten IR-Strahlung. Dadurch wird die Temperatur ebenfalls falsch gemessen.
In seltenen Fällen wird der optische Zugang des Pyrometers im Betrieb der Vakuumanlagen beeinträchtigt, indem der optische Zugang nicht mehr zu 100% gewährleistet wird. Das kann passieren, da die Vakuumkammer bei Evakuierung eine gewisse Deformation erfährt und dadurch die Orientierung des Pyrometer-Flansches sich leicht verändert.
Pyrometer sind bei horizontalen Vakuumbehandlungsanlagen, in denen die Substratoberseite beschichtet wird, meist an der Anlagenunterseite angeordnet, da die Emissionseigenschaften der unbeschichteten Substratunterseite sehr genau bekannt sind. Insbesondere wird dies dann deutlich, wenn als Behandlungssubstrate Glassubstrate zum Einsatz gelangen. Zur Herstellung einer ausreichenden Messgenauigkeit sind die eingesetzten Pyrometer mit einer Einstellmöglichkeit für den Emissionsgrad ε der Messstelle auf dem Substrat, auf die das Pyrometer mit seiner Messrichtung gerichtet ist, einstellbar. Durch die Anordnung eines Pyrometers an der Anlagenunterseite, mit der die Emissionseigenschaften der unbeschichteten Substratunterseite, insbesondere der Glasunterseite gemessen werden, sind deren Emissionseigenschaften sehr genau bekannt und damit auch die Einstellung des Emissionsgrades am Pyrometer sehr einfach. Zum Beispiel beträgt der Emissionsgrad ε für Glas 0,96, wenn die Messwellenlänge des Pyrometers 7,8 bis 8,2 μm beträgt.
Neben dem Vorteil des Temperaturmessens über Pyrometer bei einem bekannten Emissionsgrad an der Substratunterseite bringt jedoch die Anordnung der Pyrometer unter den Substraten oder besser gesagt unter der Lage der Substrate oder Substratlage Nachteile mit sich. So kann der Messweg des Pyrometers beeinträchtigt werden und zwar beispielsweise bei staubigen Prozessen durch Ablagerungen von Schichtmaterialien oder Flitter auf den Schutzscheiben des Pyrometers oder beim Bruch von Substraten, insbesondere von Glassubstraten, wobei hier der Messweg vollständig verstellt werden kann. In beiden Fällen liefert ein Pyrometer keine zuverlässigen Messwerte mehr, so dass eine Kontrolle der Substrattemperatur oder eine Regelung der Heizer nicht mehr zuverlässig möglich ist, worunter die Qualität der abgeschiedenen Schichten leiden kann.
In der DE 698 12 117 T2 sind bereits Lösungen beschrieben, wie die Temperaturmessung eines Pyrometers mittels Referenzobjekten verifiziert werden kann. So ist in dieser Druckschrift ein Referenzobjekt außerhalb eines Prozessbereiches angegeben, wobei ein Spiegelsystem angeordnet ist, welches die Messrichtung des Pyrometers dahingehend beeinflusst, dass entweder eine Messstelle auf dem Objekt innerhalb des Prozesses gemessen wird, oder das Referenzobjekt. Bei dem Referenzobjekt sind dessen Emissionsgrad und dessen Temperatur bekannt, so dass mit dem Pyrometer eine an sich bekannte Temperatur gemessen wird und somit ein Vergleich vorgenommen werden kann zwischen der von dem Pyrometer gemessenen Temperatur und der von dem Referenzobjekt bereit gestellten Temperatur. Problematisch ist an dieser Lösung, dass hier ein zusätzliches Spiegelsystem verwendet werden muss, welches einerseits in die Messung des Pyrometers selbst eingreift und welches andererseits wiederum seinerseits keine 100 prozentige Reflexion bereitstellen kann, wenn es durch den Prozess selbst verschmutzt ist. Daher ist bei dieser vorgestellten Lösung zum Einen der gerätetechnische Aufwand relativ hoch und zum Anderen die Funktionssicherheit beeinträchtigt.
Weiterhin wird in dieser Druckschrift ein Stand der Technik angegeben, bei der in einem speziellen Prozess, hier ein Halbleiterprozess, ein Testobjekt, das heißt ein Testwafer durch den Prozess geschickt wird, der mit Thermoelementen versehen ist, so dass dessen Temperatur bekannt ist. Von diesem Testwafer wird sodann mittels des Pyrometers die Temperatur gemessen und kann dann mit der bekannten Temperatur des Testwafers verglichen werden, woraus dann entsprechende Kalibrierungswerte ermittelt werden können. Problematisch ist dabei, dass der Testwafer direkt in den Prozess eingeschleust werden muss, was einerseits eine Verunreinigung durch den Testwafer im Prozess selbst bewirken kann und zum anderen der Prozess natürlich damit eine entsprechende Beeinträchtigung erfährt. Zudem wird es problematisch sein, die konkreten Temperaturergebnisse direkt aus dem Prozess auszulesen. Im Allgemeinen wird dann dafür ein sogenannter Datenlogger verwendet, mit dem der Temperaturverlauf nach dem Prozess ausgelesen werden kann. Es findet also keine Echtzeitmessung statt, sondern der Prozess wird nachträglich ausgemessen und kann dann nachträglich mit dem gemessenen Temperaturverlauf durch das Pyrometer verglichen werden. Nachträglich kann dann entsprechend kalibriert werden, jedoch nicht in Echtzeit.
In der DE 10 2007 042 779 A1 wird ein Kalibrationssubstrat zum Kalibrieren einer Temperaturmessvorrichtung in einer Referenzkammer beschrieben. Als Temperaturmessvorrichtung wird ein Pyrometer außerhalb der Referenzkammer verwendet, dessen Messstrahl von unten auf einem Messfleck auf dem Kalibriersubstrat gerichtet ist. Für die Kalibrierung der Temperaturmessvorrichtung wird ein Kalibrationssubstrat verwendet, das auf einer Drehvorrichtung in der Referenzkammer gelagert ist. Um das Kalibrationssubstrat zum Kalibrieren einsetzen zu können, wird zunächst dessen Transmission bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt. Das erfolgt mit einer Anordnung aus einem weiteren Pyrometer unter dem Kalibrationssubstrat und einer Lichtquelle, wie eine Laservorrichtung oder eine Halogenlichtquelle, auf der anderen Seite des Kalibrationssubstrates. Die Kalibrierung der Temperaturmessvorrichtung erfolgt nun dadurch, dass das Kalibrationssubstrat erwärmt wird und die zugehörige Wärmestrahlung mit der Temperaturmessvorrichtung gemessen und mit der vorbestimmten Transmissivität verglichen wird. Auf diese Weise lassen sich Korrekturwerte für die Temperaturmessvorrichtung bestimmen.
Das Kalibrieren einer Temperaturmessvorrichtung gestaltet sich sehr aufwändig und erfordert ein spezielles Kalibrationssubstrat. Darüber hinaus muss der Behandlungsprozess zum Kalibrieren der Temperaturmessvorrichtung stets unterbrochen werden.
Aus der US 7 866 882 B2 geht eine Standardstrahlungsquelle in Form eines schwarzen Strahlers mit einem Hohlraum und einer Öffnung für den Strahlungsaustritt hervor. Die Standardstrahlungsquelle wird von einer elektrischen Heizung und einer Wärmeisolierung umgeben.
Schließlich wird in der US 4,480,372 B ein Verfahren zum Herstellen eines speziellen Targets zum Kalibrieren eines Infrarotsensors beschrieben. Dieses Target besteht aus einem Substrat mit einer Heizvorrichtung auf der Rückseite und dielektrischen Schichten auf der Vorderseite, von denen eine definierte Infrarotstrahlung ausgesandt wird. Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, womit das Pyrometer, ohne in den Prozessablauf eigreifen zu müssen, in Zeitabständen neu kalibriert werden kann, oder die Notwendigkeit einer Wartung zu erkennen, um somit unnötige Wartungen oder auch Nachteile durch fehlerhafte Messungen zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, wobei Ausgestaltungen in den Ansprüchen 2 bis 5 beschrieben sind. Die Aufgabe wird auch durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Die Ansprüche 7 bis 15 geben Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung an.
Die verfahrensseitige Lösung mit dem eingangs genannten Verfahren sieht nunmehr vor, dass der Referenzstrahler als eine als schwarzer Strahler wirkende beheizte Referenz in Messrichtung vom Pyrometer aus gesehen hinter der Objektaufnahme relativ zum Pyrometer ortsfest im Prozessbereich angeordnet wird. Die Referenztemperatur wird mit einer Heizungssteuerung einer Heizung eingestellt. Die Messung der Referenztemperatur wird zu einem Zeitpunkt einer Objekt-freien Sichtverbindung zwischen dem außerhalb des Prozessbereiches befindlichen Pyrometer und beheizter Referenz mit fest stehendem Messstrahl durch die Objektaufnahme während des Durchlaufes von Substratlücken vorgenommen. Ein schwarzer Strahler ist dadurch definiert, dass seine emittierte Strahlung nicht von der Größe abhängig ist. Vielmehr absorbiert die Oberfläche eines schwarzen Strahlers so viel Strahlung, wie sie emittiert. Damit ist der schwarze Strahler eine ideale Referenz. Durch die Anordnung des schwarzen Strahlers als beheizte Referenz hinter der Objektaufnahme wird es möglich, durch die Objektaufnahme hindurch zu messen, wenn sich in dem Messstrahlengang kein Objekt befindet, was regelmäßig dann der Fall ist, wenn der Prozess entweder ohne Objekt gefahren wird oder aber zwischen den Objekten Lücken bestehen. Damit kann die Referenzmessung erfolgen, ohne dass eine Bewegung des Messstrahles erfolgen muss oder dass ein als Referenz ausgebildetes Objekt in den Prozess eingeführt werden muss.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Temperaturmessung an einem Substrat als Objekt in einem Vakuum einer Vakuumbehandlungsanlage vorgenommen wird. Damit wird es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Messung der Temperatur von Substraten in Vakuumbehandlungsanlagen vorzunehmen.
Im Falle, dass die Messung der Temperatur eines Substrats in einer Vakuumbehandlungsanlage erfolgen soll, wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Substrat während des Messens der Temperatur auf der Objektaufnahme, das heißt bei dem sich das Substrat auf der Objektaufnahme befindet bzw. bewegt, vorgenommen. Die Messung der Referenztemperatur erfolgt dann entweder im Zustand ohne Substrat, oder am Anfang oder Ende eines langen Substrats, beispielsweise eines bandförmigen Substrats oder während des Durchlaufs von Substratlücken, für den Fall, dass die Substrate beispielsweise scheibenförmige Objekte sind, die aneinandergereiht den Prozess durchlaufen, wobei bei der Aneinanderreihung entsprechende Substratlücken auftreten.
Der ungehinderte Strahlengang zwischen einem Pyrometer und der beheizten Referenz kann auch detektiert werden. Dabei wird in einer Ausgestaltung der Erfindung die Objektfreiheit zwischen Pyrometer und beheizter Referenz detektiert und bei Feststellung der Objektfreiheit eine Referenzmessung ausgelöst.
Neben der Ermittlung eines entsprechenden Kalibrierwertes ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass bei Überschreitung eines determinierten Wertes des Kalibrierwertes eine Wartungsnotwendigkeit signalisiert wird. Eine derartige Signalisierung einer Wartungsnotwendigkeit kann unter Umständen auch damit einhergehen, dass der Prozess angehalten wird, wenn sodann nicht mehr sicher gestellt werden kann, dass das Pyrometer eine plausible Temperatur angibt bzw. eine Temperatur angibt, die in vertretbarem Maße kalibriert werden kann.
Die Aufgabe wird auch durch eine Anordnung zur Kalibrierung eines Pyrometers mit einem in Messrichtung auf eine Objektaufnahme gerichteten Pyrometers, auf der ein Objekt in einem Prozessbereich aufliegt, einer Wärmereferenz und einer Auswerteeinrichtung gelöst, wobei die Wärmereferenz als eine als schwarzer Strahler wirkende und mit einer Heizungssteuerung verbundene beheizte Referenz ausgebildet und in Messrichtung vom Pyrometer aus gesehen im Prozessbereich hinter der Objektaufnahme relativ zum Pyrometer ortsfest angeordnet ist und mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist, wobei das Pyrometer außerhalb des Prozessbereiches angeordnet ist und wobei der Messstrahl vom Pyrometer durch die Objektaufnahme verläuft.
Durch die Ausbildung als schwarzer Strahler wird sichergestellt, dass die an der beheizten Referenz durch eine entsprechende Heizungssteuerung eingestellte Temperatur auch über die Strahlungsmessung direkt am Pyrometer gemessen werden kann, ohne dass die Emissivität ε in erheblichem Maße korrigiert werden muss. Die räumliche Anordnung der beheizten Referenz hinter der Objektaufnahme gewährleistet es, dass die Anordnung Zustände, in denen sich kein Objekt in der Messrichtung befindet oder bei hintereinander transportierten Objekten eine Objektlücke eintritt, zu nutzen, eine Referenzmessung durchzuführen und gegebenenfalls das Pyrometer erneut zu kalibrieren.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, dass der Referenzstrahler als Hohlkörper ausgebildet ist, der eine Wandung aufweist, die mit einer Heizung und einem Thermoelement versehen ist. Diese Wandung schließt einen Hohlraum ein. Weiterhin ist in die Wandung in Messrichtung zwischen Pyrometer und Hohlraum eine Öffnung eingebracht, deren Querschnittsfläche mindestens eine Größenordnung kleiner ist als die Oberfläche der Innenseite des Hohlraumes. Durch diese Gestaltung mit der Öffnung zu dem Hohlraum wird gewährleistet, dass prozessbedingte Verschmutzungen der Innenseite des Hohlraumes nur in geringem Maße zu einer Veränderung der Emissivität und damit zu einer Veränderung der gemessenen Temperatur des Referenzstrahlers führen.
Zweckmäßigerweise wird die Wandung aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt und dabei weist die Oberfläche A der Innenseite des Hohlraumes eine Emissivität ε auf. Über den Querschnitt A' der Öffnung in der Wandung steht die Oberfläche A der Innenseite des Hohlraumes mit der Umgebung in Verbindung. Die dabei auftretende effektive Emissivität des Referenzstrahlers ε_eff errechnet sich wie folgt:
Damit wird der verringerte Einfluss einer eventuell prozessbedingten verschmutzenden Beschichtung der Oberfläche der Innenseite des Hohlraumes deutlich. Wenn nämlich zum Beispiel die Emissivität der inneren Fläche gleich 0,6 ist und A' zu A gleich 0,01 gewählt wurde, dann ist die Emissivität ε_eff der beheizten Referenz gleich 0,99. Wenn dann die Emissivität der inneren Fläche mit einer vom Prozess stammenden Verschmutzung beispielsweise von 0,6 auf 0,2 verringert wird, dann ergibt sich eine neue effektive Emissivität ε_eff der geheizten Referenz zu 0,96. Bei einer Temperatur von 350°C der geheizten Referenz würde das zu einem Temperaturmessfehler des Pyrometers von 5 K führen. Dieser Messfehler ist jedoch im Vergleich zu Messfehlern, die infolge einer Verschmutzung des Pyrometers selbst hervorgerufen werden, vernachlässigbar. Diese können nämlich bei dem Betrieb der Anlage zu Abweichungen um Größenordnungen führen.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch in dem Prozessbereich in einer Vakuumbehandlungsanlage der eingangs Art eingesetzt werden, bei der das Objekt in Form eines zu behandelnden Substrats auf der Objektaufnahme aufliegt. Dabei ist es auch möglich, dass das Substrat in der Vakuumbehandlungsanlage beweglich ist und damit auf der Objektaufnahme beweglich aufliegt. Die Messung der Temperatur des Substrates erfolgt dann bei einer Bewegung des Substrats. Die Referenzmessung kann zum Beispiel bei auftretenden Substratlücken durchgeführt werden.
Zur Minimierung des Einflusses von Verschmutzungen auf der Oberfläche der Innenseite des Hohlraumes ist es zweckmäßig, dass das Verhältnis von Querschnittsfläche A' zu Oberfläche A 0,1 bis 0,001 beträgt. Weiterhin vorteilhaft ist es dabei, wenn das Verhältnis Oberfläche Querschnittsfläche A' zu Oberfläche A 0,02 bis 0,008, vorzugsweise 0,01 beträgt.
Wenn Bedarf besteht, kann die effektive Emissivität der geheizten Referenz durch eine Reinigung während der Wartung der Anlage wieder auf den Sollwert gebracht werden. Der Fehler der Temperatur der beheizten Referenz kann auch noch weiter minimiert werden, wenn das Flächenverhältnis noch kleiner als die angegebenen Grenzen gewählt wird. Der konstruktive Aufwand hierfür hält sich in Grenzen.
Je nach Material der Wandung der geheizten Referenz kann es zweckmäßig sein, die Oberfläche der Innenseite des Hohlraumes mit einer Beschichtung zu versehen, die eine zum Material der Wandung höhere Emissivität aufweist, beispielsweise eine schwarze Beschichtung.
Eine relativ einfache Realisierung des Referenzstrahlers besteht darin, dass dieser aus einem Rohrstück gefertigt ist, dessen eines Ende die Öffnung aufweist und dessen anderes Ende verschlossen ist.
Zweckmäßigerweise wird die Heizung der beheizten Referenz in Form einer auf der äußeren Mantelfläche angeordneten und diese umschlingenden elektrischen Widerstandsheizung ausgebildet. Eine derartige elektrische Widerstandsheizung lässt sich sehr leicht steuern und damit ist die Gewährleistung einer geregelten Temperatur mit einfachen Mitteln möglich.
Zweckmäßigerweise besteht die Wandung der beheizten Referenz aus Aluminium, Kupfer oder Baustahl. Für den Fall, dass die Stärke der Wandung der beheizten Referenz so gewählt ist, dass die von der Heizung eingebrachte Wärme gleichmäßig auf die innere Oberfläche der beheizten Referenz verteilt wird und der Körper aus Baustahl gefertigt ist, kann in diesem Falle ein Schwärzen der inneren Oberfläche entfallen, da Baustahl in Betrieb eine relativ hohe Emissivität von 0,9 allein durch die eigenen Oxidation erhält. In Prozessumgebungen mit hohem Reduktionspotenzial, beispielsweise in wasserstoffhaltigen Umgebungen, kann jedoch auch hier eine geeignete Schwärzung der inneren Oberfläche zweckmäßig sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigt:
1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Referenzstrahler und
2 die Anordnung eines Referenzstrahlers in einer Pyrometermessanordnung.
Wie aus 1 ersichtlich ist, besteht die beheizte Referenz 1 aus einer Wandung 2 aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit. Zweckmäßigerweise kann die Wandung 2 einen zylindrischen Hohlkörper bilden, der einen Hohlraum 3 aufweist. An der Außenseite 4 der Wandung 2 ist eine Heizung 5 in Form eines Heizwendels aus elektrischem Widerstandsdraht angeordnet. Zum Zwecke der Heizungsregelungen kann mit der Wandung 2 ein nicht näher dargestelltes Thermoelement verbunden werden, welches als Messfühler für eine entsprechende Regeleinrichtung, die beispielsweise in der Auswerteeinrichtung realisiert ist, dienen kann.
Die Innenseite 6 der Wandung 2 ist mit einer Beschichtung 7 versehen, die eine höhere Emissivität ε aufweist, als die Innenseite 6 der Wandung 2 selbst. Diese Beschichtung 7 bildet die Oberfläche A der Innenseite 6 der beheizten Referenz.
Wie ersichtlich, kann die beheizte Referenz 1 auch zweiteilig ausgeführt werden, was insbesondere zur Realisierung des Hohlraumes 3 aus fertigungstechnischen Gründen sehr zweckmäßig ist.
In der Wandung 2 ist eine Öffnung 8 eingebracht, die den Hohlraum 3 nach außen öffnet und die den strahlenden Querschnitt A' der beheizten Referenz 1 bildet. Die von der beheizten Referenz 1 erzeugten effektiven Emissivität ε_eff berechnet sich dabei wie folgt:
Um den Einfluss einer Verschmutzung auf der Beschichtung 7, wie sie durch den Prozess hervorgerufen werden kann, wenn durch die Öffnung 8 beispielsweise Prozessdampf in den Hohlraum 3 eindringt, zu verringern, ist unter Nutzung der genannten mathematischen Beziehungen der strahlende Querschnitt A' der beheizten Referenz 1 mit 0,01 der Innenfläche A der Innenseite 6 bzw. der Beschichtung 7 gewählt. In welchem Maße sich dadurch der Einfluss der Veränderung der Emissivität ε verringert, wurde bereits oben dargestellt.
Aus 2 ist nunmehr die Anordnung einer derartigen beheizten Referenz 1 in einer Pyrometermessanordnung dargestellt. Wie dabei ersichtlich ist, wurde hier die beheizte Referenz 1 aus einem Rohr gefertigt, wobei die Heizung 5 in die Außenseite 4 eingelassen wurde. Dieses Rohrstück ist an dem von dem Pyrometer 9 abgewandten Ende verschlossen. Auch dort ist die beheizte Referenz mit einer Heizung 5 versehen. Darüber hinaus ist dort die Anordnung eines Thermoelementes 10, welches in der dargestellten Art und Weise als Messfühler für eine Regeleinrichtung dienen kann, dargestellt. An der gegenüberliegenden Seite des Rohrstückes ist die beheizte Referenz 1 mit der Öffnung 8 versehen. Die von dem Pyrometer 9 zu messenden Objekte sind hier als Substrate 11 gebildet, die in einer Vakuumbehandlungsanlage, in der diese gesamte Anordnung angeordnet ist, in Transportrichtung 12 beweglich sind. Diese Substrate 11 sind mithin auf der Objektaufnahme 13 beweglich. Die Substrate 11 können beispielsweise auf einem nicht näher dargestellten Transportsystem, möglicherweise bestehend aus mehreren Transportrollen, durch den Prozessbereich der Vakuumbehandlungsanlage transportiert werden. Dabei stellt dann das Transportsystem die Objektaufnahme dar. Die Substrate können aber auch auf einem Carrier angeordnet sein. Dann stellt weiterhin das Transportsystem die Objektaufnahme dar und die Einheit Substrat-Carrier das Objekt.
Üblicherweise ist das Pyrometer 9 außerhalb der Vakuumkammer angeordnet und über einen Flansch 14 und eine Öffnung 15 in einer Kammerwandung 16 mit der Kammerwandung verbunden. Die Messrichtung 17 ist dabei auf die Objektaufnahme 13 gerichtet, wodurch die Temperatur der Substrate 11 gemessen werden kann, wenn sich diese in Messrichtung 17 auf der Objektaufnahme 13 befinden.
Die beheizte Referenz 1 ist nunmehr auf der dem Pyrometer 9 abgewandten Seite der Objektaufnahme 13 angeordnet. Dabei liegt die Öffnung 8 in der Messrichtung 17 des Pyrometers 9. Dies bewirkt, dass die aus der Öffnung 8 austretende Strahlung vom Pyrometer 9 gemessen wird, wenn beispielsweise eine Lücke zwischen zwei Substraten 11 auftritt. Da nun die Temperatur der beheizten Referenz 1 bekannt ist, kann festgestellt werden, welche Temperatur von dem Pyrometer 9 gemessen wird. Über eine nicht näher dargestellte Auswerteeinrichtung wird sodann aus dem Vergleich dieser Temperaturwerte ein Kalibrierwert für das Pyrometer 9 berechnet und an diesem eingestellt. Die Auswerteeinrichtung berücksichtigt dabei die bereits am Pyrometer 9 eingestellte Emissivität der Substrate 11 bei der Berechnung des Kalibrierwertes, denn die vom Pyrometer 9 gemessene Temperatur der beheizten Referenz 1 wird sowohl von der Temperatur der beheizten Referenz 1 als auch von der am Pyrometer 9 eingestellten Emissivität maßgeblich bestimmt.
Bezugszeichenliste

1: beheizte Referenz
2: Wandung
3: Hohlraum
4: Außenseite
5: Heizung
6: Innenseite
7: Beschichtung
8: Öffnung
9: Pyrometer
10: Thermoelement
11: Substrat
12: Transportrichtung
13: Objektaufnahme
14: Flansch
15: Öffnung in der Kammerwandung
16: Kammerwandung
17: Messrichtung
A: Innenfläche
A': strahlender Querschnitt

Claims

Verfahren zur Kalibrierung eines Pyrometers, bei dem mit einem in Messrichtung (17) auf eine Objektaufnahme (13) eines zu messenden Objektes (11) in einem Prozessbereich gerichteten Pyrometer (9) die von dem zu messenden Objekt (11) in Messrichtung (17) ausgehende Wärmestrahlung erfasst und daraus die Temperatur des Objektes (11) ermittelt wird, wobei in Zeitabständen eine von einem Referenzstrahler (1) mit einer bekannten Referenztemperatur ausgesandte Wärmestrahlung in die Messrichtung (17) eingebracht und daraus mit dem Pyrometer (9) eine Temperatur ermittelt wird, die mit der Referenztemperatur verglichen und daraus ein Kalibrierwert für das Pyrometer (9) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstrahler als eine als schwarzer Strahler wirkende beheizte Referenz (1) in Messrichtung (17) vom Pyrometer (9) aus gesehen hinter der Objektaufnahme (13) relativ zum Pyrometer (9) ortsfest im Prozessbereich angeordnet wird, dass die Referenztemperatur mit einer Heizungssteuerung einer Heizung (5) eingestellt und dass die Messung der Referenztemperatur zu einem Zeitpunkt einer Objektfreien Sichtverbindung zwischen dem außerhalb des Prozessbereiches befindlichen Pyrometer (9) und der beheizten Referenz (1) mit fest stehendem Messstrahl durch die Objektaufnahme (13) während des Durchlaufes von Substratlücken vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung an einem Substrat (11) als Objekt im Prozessbereich in einem Vakuum einer Vakuumbehandlungsanlage vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (11) während des Messens der Temperatur auf der Objektaufnahme (13) bewegt und die Messung der Referenztemperatur ohne Substrat (11), am Anfang oder Ende eines Substrats (11) oder während des Durchlaufs von Substratlücken vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Objektfreiheit zwischen Pyrometer (9) und beheizter Referenz (1) detektiert wird und bei Feststellung der Objektfreiheit die Referenzmessung ausgelöst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines determinierten Wertes des Kalibrierwertes eine Wartungsnotwendigkeit signalisiert wird.
Anordnung zur Kalibrierung eines Pyrometers mit einem in Messrichtung (17) auf eine Objektaufnahme (13) gerichtetem Pyrometer (9), auf der ein zu messendes Objekt (11) in einem Prozessbereich aufliegt, einer Wärmereferenz und einer Auswerteeinrichtung, wobei die Wärmereferenz als eine als schwarzer Strahler wirkende und mit einer Heizungssteuerung verbundene beheizte Referenz (1) ausgebildet und in Messrichtung (17) vom Pyrometer (9) aus gesehen im Prozessbereich hinter der Objektaufnahme (13) relativ zum Pyrometer (9) ortsfest angeordnet und mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist, wobei das Pyrometer (9) außerhalb des Prozessbereiches angeordnet ist und wobei der Messstrahl (17) vom Pyrometer (9) durch die Objektaufnahme (13) verläuft.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstrahler als Hohlkörper ausgebildet ist, der eine Wandung (2) aufweist, die mit einer Heizung (5) und einem Thermoelement (10) versehen ist, und die einen Hohlraum (3) einschließt, und dass in die Wandung in Messrichtung (17) zwischen Pyrometer (9) und Hohlraum (3) eine Öffnung (8) eingebracht ist, deren Querschnittsfläche (A') mindestens eine Größenordnung kleiner ist, als die Oberfläche (A) der Innenseite (6) des Hohlraumes (3).
Anordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektaufnahme (13) in dem Prozessbereich in einer Vakuumbehandlungsanlage angeordnet ist und dass das Objekt in Form eines zu behandelnden Substrats (11) auf der Objektaufnahme (13) aufliegt.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (11) in der Vakuumbehandlungsanlage beweglich ist und auf der Objektaufnahme (13) beweglich aufliegt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Querschnittsfläche (A')/Oberfläche (A) 0,1 bis 0,001 beträgt.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Querschnittsfläche (A')/Oberfläche (A) 0,02 bis 0,008, vorzugsweise 0,01 beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (A) der Innenseite (6) des Hohlraumes (3) mit einer Beschichtung (7) versehen ist, die eine zum Material der Wandung (2) höhere Emissivität aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstrahler (1) aus einem Rohrstück besteht, dessen eines Ende die Öffnung (8) aufweist und dessen anderes Ende verschlossen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (5) in Form einer auf der äußeren Mantelfläche (4) angeordneten und diese umschlingenden elektrischen Widerstandsheizung angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (2) aus Aluminium, Kupfer oder Baustahl besteht.