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Die Erfindung betrifft Vorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit eines Schutz einer beheizten Substratbehandlungsanlage vor Überhitzung, wobei eine bestimmungsgemäße 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 umfasst die Vorrichtung wenigstens einen eine Abschaltung des Heizers bei Überhitzung bewirkenden Temperaturschalter, bestehend aus einem Temperatursensor und einer Auswerteeinheit, dessen Temperatursensor in der zu überwachenden Behandlungskammer angeordnet ist.
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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 Anlagenbereichen 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 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese Schaltung ist jedoch nicht unabhängig von der eigentlichen Regelung der Heizlampe. Bei einem Defekt der Regelung, etwa bei einer Unterbrechung des Temperaturmessfühlers, würde die Regelung eine zu geringe Temperatur detektieren und die Heizlampe ständig einschalten, was zu einer Temperaturüberhöhung führen würde, die jedoch von dem Temperaturmessfühler für den Schwellwertschalter nicht festgestellt würde, da ja dem Temperaturmessfühler unterbrochen ist. Folglich wäre der Überhitzungsschutz nach diesem Stand der Technik wirkungslos.
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Aus der
US 2009/0254226 A1 ist eine Anordnung zur Einstellung einer Temperatur an Halbleiterscheiben bekannt. Das Ziel dieser Lösung ist es, eine möglichst homogene Temperatur auf der Halbleiterscheibe zu erzeugen. Dies wird erreicht, indem die Umgebungstemperatur so eingestellt wird, dass eben diese homogene Temperaturverteilung auf der Halbleiterscheibe entsteht. Hierzu sind mehrere Temperatursensoren vorgesehen, die beispielsweise am Deckel einer Prozesskammer räumlich getrennt angeordnet sein können. Aber auch eine Anordnung auf dem Scheibentisch oder an anderen Orten der Umgebung der Halbleiterscheibe ist möglich. Mittels dieser Mehrzahl von Temperatursensoren wird die Temperatur der Halbleiterscheibe bestimmt und die Temperatur vorzugsweise der Heizplatte so eingestellt, dass eine einheitliche Aufheizung der Halbleiterscheibe erfolgt.
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Der Erhöhung der Genauigkeit der Temperatureinstellung an Halbleiterscheiben dient die
US 2009/0159000 A1 . Hier wird mittels mehrerer räumlich getrennter Thermomessfühler, die mit einem Prozessor verbunden sind, die Temperatur desselben Teiles der Halbleiterscheibe gemessen. Aus dieser redundanten Messung werden die erhaltenen Messwerte zu einem Messwert interpoliert, wodurch Fehler bei der Messung selbst weitgehend eliminiert werden können.
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Mit der
DE 10 2011 085 799 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schutz einer Substratbehandlungsanlage vor Überhitzung bekannt geworden. Dabei ist in einer Substratbehandlungsanlage mit mehreren Anlagebereichen bzw. Behandlungskammern, jeweils mindestens ein mit einer Heizersteuerung verbundener Heizer angeordnet. Für einen Überhitzungsschutz ist in jedem einzelnen Anlagenbereich ein eine Abschaltung des Heizers bei Überhitzung bewirkender Temperaturschalter vorgesehen, der aus einem Temperatursensor und einer Auswerteeinheit besteht. Dabei ist der Temperatursensor in der zu überwachenden Behandlungskammer angeordnet. Die Auswerteeinheit kann mit einem handelsüblichen Auswertegerät z.B. Grenzwertschalter mit einstellbarem Schaltpunkt versehen sein, wobei der Schaltpunkt des Auswertegeräts durch eine Schaltschwelle bestimmt wird. Hierbei arbeitet der Überhitzungsschutz getrennt von der Heizersteuerung. Ein Defekt in der Heizersteuerung hat also keine Auswirkung auf die Wirksamkeit des Überhitzungsschutzes. Auch kann dadurch ein Abschalten nicht nur eines Heizers, sondern auch der Gesamten Anlage bewirkt werden. Problematisch ist allerdings die Erfassung solcher Überhitzungen, die lokal oder außerhalb des Erfassungsbereiches des Temperatursensors des Temperaturschalters auftreten. Diese können eine erhebliche negative Wirkung auf das Substrat ausüben, ohne dass ein Abschalten eines Heizers oder der Anlage bewirkt wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit des Schutzes einer Substratbehandlungsanlage vor Überhitzung dadurch zu erhöhen, dass auch lokal auftretende Überhitzungen vermieden werden können.
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Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass der Temperatursensor aus mindestens zwei Teilsensoren besteht, die räumlich getrennt in der Behandlungskammer angeordnet sind. Die Teilsensoren sind in Bereichen der Behandlungskammer angeordnet, die die geringste thermische Kontrolle, aufweisen. Die Teilsensoren sind als Thermoelemente ausgebildet, die parallel geschaltet sind.
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Damit wird die Temperatur an verschiedenen Stellen ermittelt und der Auswerteeinheit zugeführt. Tritt an einem der Temperatursensoren eine Temperatur auf, die den Schwellwert überschreitet, führt das zu einem Abschalten des oder der Heizer.
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Durch das Messen an verschiedenen Stellen in der Behandlungskammer wird damit die Wahrscheinlichkeit erhöht, auch das Auftreten lokaler Temperaturmaxima zu ermitteln. Dies ist insofern von Bedeutung, da sich im Vakuum Wärmemaxima deutlich schlechter ausgleichen, als unter atmosphärischen Bedingungen, da ein Wärmetransport mittels Wärmeleitung oder Konvektion der Luft fehlt.
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Dadurch, dass die Teilsensoren in Bereichen der Behandlungskammer angeordnet sind, die die geringste thermische Kontrolle, aufweisen. Eine thermische Kontrolle wird dadurch erreicht, dass die Wärme aus der Behandlungskammer abgeführt wird, wie dies beispielsweise über die Kammerwandung geschehen kann. Damit wird möglicherweise bereits allein durch diese Wärmeableitung eine Überhitzung von wandnahen Bereichen erreicht. Aber auch durch die Regelung, die die Heizer erfahren, wird, zumindest im Bereich, in dem die durch die Heizer bewirkte Temperatur als Regelgröße gemessen wird, eine Überhitzung durch die Regelung vermieden, sofern diese ordnungsgemäß funktioniert. Aus diesem Grunde soll unter dem Begriff der geringsten thermischen Kontrolle die Bereiche in der Behandlungskammer verstanden werden, die beispielsweise den größtmöglichen Abstand zu wärmeabführenden oder temperaturgeregelten Bauteilen aufweisen. Dies sind die Bereiche, in denen keine direkte oder indirekte Beeinflussung der Temperatur stattfinden kann und die folglich die größte Wahrscheinlichkeit aufweisen, dass eine Überhitzung, so sie denn entsteht lokal auftritt.
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Die als Thermoelemente ausgebildeten Teilsensoren bewirken an ihren Anschlüssen eine die Temperatur repräsentierende elektrische Spannung. Dieser Spannungswert kann detektiert und in der Auswerteeinheit mit dem Sollwert verglichen werden.
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Der Spannungshub den die Thermoelemente hervorrufen, wird dadurch erhöht, dass die Thermoelemente parallel geschaltet sind. Damit wird auch bewirkt, dass die Summe der temperaturproportionalen Spannungen der Teilsensoren der Auswerteeinheit zugeführt wird. Damit wird auch erst das Überschreiten der Summe der gemessenen Temperaturen zu einen Abschalten führen, was durchaus gewünscht sein kann, um das kurzzeitige lokale Auftreten von Übertemperaturen, die vielleicht keinen negativen Prozesseinfluss haben, auszumitteln.
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Um eine gegenseitige Beeinflussung der Thermoelemente bei einer Parallelschaltung zu verhindern, kann es vorteilhaft sein, dass die Thermoelemente voneinander z. B. mittels Dioden entkoppelt sind.
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In einer einfachen Ausführungsform ist die Auswerteeinheit als Schwellwertschalter ausgebildet.
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Um zu verhindern, dass die Auswerteeinheit durch die Umgebungsbedingungen der Behandlungskammer belastet wird, kann es vorteilhaft sein, dass die Auswerteeinheit außerhalb der Behandlungskammer angeordnet ist.
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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.
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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 eine Schaltschwelle bestimmt, welche deutlich über der typischen Arbeitstemperatur der Heizer 3 und unterhalb einer für den jeweiligen Anlagebereich 1 bzw. Behandlungskammer 2 kritischen Temperatur liegt.
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Wird beispielsweise die Wärmeableitung durch Störungen oder Fehler verringert, so tritt eine Temperatursteigerung der Heizer 3 ein, die möglicherweise zu einer Überhitzung 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.
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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.
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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.
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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.
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Um zu einer weiteren Erhöhung der Sicherheit des Überhitzungsschutzes zu gelangen, ist der Temperatursensor 4 in der in der Mitte dargestellten Behandlungskammer so ausgebildet, dass er aus drei Teilsensoren 10, 11 und 12 besteht. Diese Teilsensoren 10, 11 und 12 sind als Thermoelemente ausgebildet und jeweils an dieselbe Auswerteeinheit 5 geschaltet. Dabei sind sie so gestaltet, dass ihre Anordnung in der Behandlungskammer 2 frei wählbar ist. Dadurch wird es möglich, dass sie in einem möglichst großen Abstand zu dem oder den Heizern 3 und in einem möglichst großen Abstand zu der Kammerwandung angeordnet werden.
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Zeigt einer dieser Teilsensoren 10, 11, oder 12 eine Temperatur, d.h. gibt eine einer Temperatur entsprechende Spannung ab, die über der in der Auswerteeinheit 5 eingestellten Temperatur oder dem entsprechenden Spannungswert liegt, werden alle Heizer 3 in der mittleren Behandlungskammer 2 abgeschaltet. Damit wird es möglich, Überhitzungen, die insbesondere an den Stellen auftreten können, an den die Teilsensoren 10, 11 oder 12, wie oben beschrieben, angeordnet sind, zu detektieren, wozu ein einzelner Temperatursensor 4 nicht in der Lage wäre.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anlagenbereich
- 2
- Vakuum-Behandlungskammer
- 3
- Heizer
- 4
- Temperatursensor
- 5
- Auswerteeinheit
- 6
- Heizersteuerung mit Freigabe
- 7
- Anlagenbereich
- 8
- Anlage
- 9
- Temperaturschalter
- 10
- Teilsensor
- 11
- Teilsensor
- 12
- Teilsensor
