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Die Erfindung betrifft eine Vakuumsubstratbehandlungsanlage gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Vakuumsubstratbehandlungsanlagen dienen der Vakuumbehandlung von Substraten, insbesondere zur Durchführung von Beschichtungs- oder/und Ätzprozessen an flächigen Substraten wie Architekturglas, Solarzellen und so weiter.
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Derartige Prozesse finden in der Regel bei unteratmosphärischem Druck, gegebenenfalls im Beisein eines Prozessgases, beispielsweise eines Inertgases oder eines Reaktivgases, und in einigen Fällen unter hohen Temperaturen, beispielsweise 600 oder 800 °C, in einer Anlagenkammer einer Vakuumsubstratbehandlungsanlage statt.
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Zum Transport insbesondere flächiger Substrate durch Anlagenkammern derartiger Vakuumsubstratbehandlungsanlagen, in denen diese Prozesse stattfinden, sind Transporteinrichtungen bekannt, die in der Anlagenkammer eine Anordnung von quer zur Transportrichtung der Substrate hintereinander angeordneten, an ihren Enden drehbar gelagerten Transportwalzen umfassen, wobei mindestens ein Teil der Transportwalzen antreibbar ist. Die Substrate werden mit oder ohne Substratträger auf die von den Transportwalzen gebildete Transportebene gelegt und durch Drehung der Transportwalzen in der Transportrichtung durch die Vakuumsubstratbehandlungsanlage bewegt. Dabei werden die Substrate an Behandlungseinrichtungen, beispielsweise Einrichtungen zur Abtragung einer Oberflächenschicht von den Substraten oder Einrichtungen zur Abscheidung eines Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche der Substrate, vorbeibewegt, so dass die gewünschten Behandlungsprozesse durchgeführt werden.
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In
DE 20 2012 100 763 U1 ist eine Temperiereinrichtung für Vakuumprozessanlagen beschrieben, die eine hohe Temperierwirkung auf die Substrate ausübt, wobei jedoch andere Anlagenkomponenten dieser Temperierwirkung nur in möglichst geringem Maße ausgesetzt sind, und die gut zugänglich ist, um Wartungsarbeiten zu erleichtern. Die vorgeschlagene Temperiereinrichtung, die ein von Gehäusewänden begrenztes Gehäuse mit einer darin angeordneten Wärmequelle oder/und einer darin angeordneten Wärmesenke umfasst, wobei das Gehäuse mindestens eine ebene Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit zur Aufnahme oder Abgabe von Wärme aufweist und die anderen Gehäusewände eine geringe Wärmedurchlässigkeit zur thermischen Isolation besitzen, ist eine kassettenartig aufgebaute Temperiereinrichtung, die die Abgabe oder Aufnahme von Wärme oder die wahlweise Abgabe oder Aufnahme von Wärme ermöglicht, und zwar erfolgen sowohl die Abgabe wie auch die Aufnahme von Wärme nur in einer Richtung, nämlich durch die Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit. Nachteilig an einer derartigen Lösung ist es, dass die Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit eben ausgeführt ist, so dass die wärmeübertragende Fläche sehr klein ist.
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DE 92 08 888 U1 offenbart ein als Flachband ausgebildetes Wärmetauschelement, welches wenigstens einen Kanal für die Durchleitung eines wärmeaufnehmenden und wärmetransportierenden Fluides sowie Anschlüsse für Zulauf und Ablauf des Fluides aufweist. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten kann eine Isolation, beispielsweise aus Kunststoff vorgesehen sein, während die wärmeübertragende Fläche als Kupferblech ausgeführt ist. Diese wärmeübertragende Fläche kann beidseits Metallborsten aufweisen. Der Zweck der Metallborsten besteht darin, dass sie sich auch an Abwärme abgebende Flächen anschmiegen können, die Unebenheiten aufweisen, um selbst von derartigen Flächen effizient Wärme abführen zu können. Die in den Kanal hineinreichenden Enden der Borsten verursachen Turbulenzen in dem strömenden Fluid. Die Wärmeübertragung basiert hierbei im Wesentlichen auf Wärmeleitung, da die Metallborsten eine wärmeabgebende Fläche berühren.
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Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen mindestens eines Substrates bei einem Substratbearbeitungsprozess wird in
EP 1 674 591 A1 offenbart. Hierbei wird die Wärmeenergie des Substrates durch Wärmeleitung zu einem Kühlkörper abgeführt, wobei zwischen Substrat und Kühlkörper eine Vielzahl metallischer Borsten derart angeordnet ist, dass die Borsten an einem Ende das Substrat und am anderen Ende den Kühlkörper berühren und dadurch eine Wärmeleitstrecke zwischen Substrat und Kühlkörper ausbilden. Nachteilig ist hierbei vor allem die Berührung des Substrates durch die Borsten, wodurch die Substratoberfläche während des Substratbearbeitungsprozesses beschädigt werden kann.
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Die in
DE 10 2010 028 734 A1 offenbarte Gasseparationsanordnung einer Vakuumbeschichtungsanlage weist eine, hinter einer wärmeübertragenden Gehäusewand angeordnete, Temperiereinrichtung auf. Mittels der Temperiereinrichtung kann ein Substrat, welches auf der anderen Seite der wärmeübertragenden Gehäusewand in einer Transportebene angeordnet ist, durch die wärmeübertragende Gehäusewand hindurch beheizt werden. Die Beheizung des Substrates erfolgt im Wesentlichen durch Wärmestrahlung, da kein direkter Kontakt zwischen der Temperiereinrichtung und dem Substrat vorhanden ist
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Es soll daher eine Vakuumsubstratbehandlungsanlage mit einer Temperiereinrichtung angegeben werden, die eine erhöhte Temperierwirkung auf die Substrate ausübt. Gleichzeit soll die Herstellung sowie die Reinigung der Temperiereinrichtung möglichst einfach sein.
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Diese und andere Aufgaben werden gelöst durch eine Vakuumsubstratbehandlungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Es wird daher eine Vakuumsubstratbehandlungsanlage vorgeschlagen, mit einer Vakuumkammer mit Kammerwänden und einer in der Vakuumkammer angeordneten Transporteinrichtung, die eine Mehrzahl von horizontal oder vertikal angeordneten Transportwalzen umfasst, deren oberste bzw. vorderste Mantellinien eine Transportebene für Substrate definieren, wobei mindestens eine Temperiereinrichtung, die ein von Gehäusewänden begrenztes Gehäuse mit einer darin angeordneten Wärmequelle oder/und einer darin angeordneten Wärmesenke umfasst, wobei das Gehäuse mindestens eine ebene sowie Metallbürsten aufweisende Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit zur Aufnahme oder Abgabe von Wärme aufweist und die anderen Gehäusewände eine geringe Wärmedurchlässigkeit zur thermischen Isolation besitzen, wobei die Temperiereinrichtung in der Vakuumkammer mit geringem Abstand zur Transportebene der Substrate so angeordnet ist, dass die Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit der Transportebene der Substrate zugewandt ist.
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Erfindungsgemäß wird durch die Anordnung von Metallbürsten an der Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit die wärmeübertragende Oberfläche erhöht, wobei die Metallbürsten eine unregelmäßig geformte geometrische Oberfläche bilden. Durch die direkte Proportionalität der wärmeübertragenden Fläche zum abgegebenen oder aufgenommen Wärmestrom, bei Vakuumsubstratbehandlungsanlagen insbesondere der Wärmestrom der Wärmestrahlung, ist dieser bei einer Ausführung der Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit mit Metallbürsten höher als bei der Ausführung der Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit ohne Metallbürsten bei gleicher Oberflächentemperatur oder Temperatur der Wärmequelle und bei gleichem Emissionsgrad.
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Besonders vorteilhaft hierbei ist ebenfalls, dass die Metallbürsten durch ihre große Oberfläche ein unbeabsichtigtes Abscheiden von Beschichtungsmaterial auf der den Transportwalzen zugewandten Seite der Transportebene weitestgehend verhindern.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen die Metallbürsten auf einer Seite der ebenen Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit anzuordnen. Bei der besonders vorteilhaften Anordnung von Metallbürsten auf beiden Seiten der ebenen Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit kann die wärmeübertragende Oberfläche sowohl auf der Seite der Wärmeabgabe als auch auf der Seite der Wärmeaufnahme erhöht werden.
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Die Metallbürsten sind einzeln und/ oder in Gruppen mehrerer Metallbürsten an der Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit angeordnet. Durch die Anordnung in Gruppen kann der Herstellungsprozess der Temperiereinrichtung wesentlich vereinfacht werden. Dazu kann die Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit beispielsweise mit einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Lochmuster ausgeführt sein, wobei durch die Löcher Gruppen von Metallbürsten gesteckt und fixiert werden, so dass sie entweder auf beiden Seiten der ebenen Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit oder nur auf einer Seite der ebenen Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit angeordnet sind.
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Die Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit kann beispielsweise aus metallischem Werkstoff, aber auch aus keramischem Werkstoff oder Glaskeramik bestehen.
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Sofern die Temperiereinrichtung eine Wärmequelle aufweist, so kann diese beispielsweise mindestens einen Heizstab umfassen. Sofern die Temperiereinrichtung eine Wärmesenke aufweist, so kann diese beispielsweise mindestens eine Kühlmittelleitung umfassen. Von der Erfindung ebenfalls umfasst sind Temperiereinrichtungen die sowohl eine Wärmequelle als auch eine Wärmesenke umfassen, so dass die Temperiereinrichtung wahlweise zum Heizen oder Kühlen dienen kann.
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Der besagte Heizstab kann ebenso wie die besagte Kühlmittelleitung beispielsweise mäanderförmig oder spiralförmig gestaltet sein, so dass die Wärmequelle bzw. die Wärmesenke eine größere wirksame Fläche aufweisen. Dabei kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Heizstab oder/und die Kühlmittelleitung mindestens einen näher an der Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit angeordneten Abschnitt und mindestens einen entfernter von der Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit angeordneten Abschnitt aufweist. Mit anderen Worten können der Heizstab oder/und die Kühlmittelleitung so geführt sein, dass einige Abschnitte in einer ersten Ebene liegen und andere Abschnitte in einer zweiten parallelen Ebene liegen. Dadurch wird die Leistungsdichte der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke auf einfache Weise erhöht.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Temperiereinrichtung eine Länge aufweist, die in etwa der Länge einer Transportwalze entspricht und eine Breite aufweist, die in etwa dem Abstand der Mantelflächen zweier benachbarter Transportwalzen entspricht, und die Temperiereinrichtung mit geringem Abstand unterhalb bzw. hinter der Substrattransportebene zwischen zwei benachbarten Transportwalzen angeordnet ist. Der kleinste Abstand zwischen den Mantelflächen zweier benachbarter Transportwalzen ist die lichte Weite zwischen diesen Transportwalzen, und die wie beschrieben ausgeführte Temperiereinrichtung füllt damit diesen Zwischenraum annähernd vollständig aus.
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Die Beheizungseinrichtung kann ebenso der Vorder- bzw. Oberseite des Substrates gegenübergestellt werden (beidseitiges Heizen).
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Durch die Anordnung der Temperiereinrichtung zwischen den Transportwalzen sind diese nur in geringstmöglichem Maße der Temperierwirkung, und dabei insbesondere der Heizwirkung einer Wärmequelle, ausgesetzt. Gleichzeitig wird durch diese Anordnung der Temperiereinrichtung zwischen den Transportwalzen eine Gasseparation erreicht, indem die Temperiereinrichtung den Raum zwischen den Transportwalzen, der ansonsten evakuiert werden müsste, stark verringert. Der Gasseparationseffekt kann noch dadurch verstärkt werden, dass unter der Temperiereinrichtung zum Kammerboden hin eine Schottwand angeordnet wird.
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Die vorgeschlagene Temperiereinrichtung ist durch die mögliche Vereinigung von Heizung, Kühlung und Gasseparation in einer Baugruppe auf engem Raum platzsparend und kann durch die mehrfache Funktionalität zu einer kostengünstigen Herstellung der Vakuumsubstratbehandlungsanlage beitragen.
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Die Temperiereinrichtung kann als selbsttragende konstruktive Einheit ausgeführt werden, die im Wartungsfall direkt, komplett und ohne Demontage der Transportwalzen aus der Vakuumkammer entnommen werden kann, weil sie auf gleicher Höhe zu den Transportwalzen zwischen diesen angeordnet und damit direkt zugänglich ist.
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Selbst bei Beschichtung der Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit mit Targetmaterial (Einsputterzeit der Magnetrons ohne Glas) bleibt die wärmeübertragende Oberfläche noch ausreichend groß, da das Beschichtungsmaterial zwar die einzelnen Borstenbüschel zusetzen kann, nicht aber die Lücken zwischen den Büscheln. Es bleibt auch bei stärkerer Beschichtung immer eine Art Grabenstruktur erhalten, die für eine ausreichend große wärmeübertragende Fläche sorgt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
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1 und 2 jeweils einen Teil-Längsschnitt durch die Vakuumkammer einer Vakuum-Prozessanlage zur Durchlaufbehandlung plattenförmiger Substrate in horizontaler Lage, und darin zwei verschiedene Ausgestaltungen der Temperiereinrichtung.
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Die Vakuumkammer ist durch Kammerwände 1 begrenzt. Darin ist eine Transporteinrichtung angeordnet, die eine Mehrzahl von horizontal angeordneten Transportwalzen 2 umfasst, auf denen in einer Substrattransportebene Substrate 3 liegend durch die Vakuumkammer bewegt werden.
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Zwischen je zwei benachbarten Transportwalzen 2 ist unterhalb der Transportebene der Substrate 3 eine Temperiereinrichtung 4 angeordnet, die ein Gehäuse aufweist. Die seitlichen und unteren Gehäusewände geringer Wärmedurchlässigkeit 5 sind durch ineinander gestapelte, auf Abstand zueinander gehaltene Gehäusewandschichten 51 gebildet, die im Ausführungsbeispiel aus dünnen Edelstahlblechen gefertigt sind. Nach oben ist das Gehäuse durch eine Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit 6 abgeschlossen, die der Substrattransportebene zugewandt und mit geringem Abstand zu dieser parallel angeordnet ist.
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Im Innern des Gehäuses ist eine Wärmequelle 7 angeordnet, die aus einem Heizstab gebildet ist, der mäanderförmig so gestaltet ist, dass er auf die gesamte Fläche der Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit 6 wirkt, wobei einige Abschnitte in einer ersten Ebene angeordnet sind, die relativ nahe an der Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit 6 liegt und andere Abschnitte in einer Ebene, die weiter entfernt von der Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit 6 liegt, angeordnet sind.
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Im Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse der Temperiereinrichtung 4 einen einfach zu fertigenden rechteckigen Querschnitt auf, d.h. die seitlichen Gehäusewände geringer Wärmedurchlässigkeit 5 sind senkrecht ausgerichtet. Zwischen den Gehäusewandschichten 51 sind wärmeisolierende Abstandhalter angeordnet und die Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit 6 ist wie ein Stülpdeckel auf die durch die untere und die seitlichen Gehäusewände geringer Wärmedurchlässigkeit 5 gebildete Grundform des Gehäuses aufgelegt.
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In 1 umfasst die Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit 6 in einem regelmäßigen Muster angeordnete Löcher, in welchen Metallbürsten 61 in Gruppen angeordnet und fixiert sind. Dabei sind die Metallbürsten nur auf der dem Substrat zugewandten Seite der Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit 6 angeordnet.
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In 2 umfasst die Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit 6 in einem regelmäßigen Muster angeordnete Löcher, in welchen Metallbürsten 61 in Gruppen angeordnet und fixiert sind. Dabei sind die Metallbürsten auf sowohl an der dem Substrat zugewandten Seite als auch an der der Wärmequelle zugewandten Seite der Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit 6 angeordnet, wodurch die wärmeübertragende Fläche vergrößert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kammerwand
- 2
- Transportwalze
- 3
- Substrat
- 4
- Temperiereinrichtung
- 5
- Gehäusewand geringer Wärmedurchlässigkeit
- 51
- Gehäusewandschicht
- 52
- wärmeisolierender Abstandhalter
- 6
- Gehäusewand hoher Wärmedurchlässigkeit
- 61
- Metallbürsten
- 7
- Wärmequelle
