DE202012101675U1 - Arrangement for measuring the temperature of substrates in a vacuum treatment plant - Google Patents
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Abstract
Anordnung zur Temperaturmessung von Substraten in einer Vakuumbehandlungsanlage, die einen Vakuumraum (2), der durch eine Kammerwandung (3) von der Atmosphäre getrennt ist, und eine Substratauflage (5) aufweist, wobei die Anordnung ein Pyrometer (14) außerhalb des Vakuumraumes (2) umfasst, das über ein Tubusrohr (15) mit der Kammerwandung (3) derart verbunden ist, dass seine Messachse (13) durch das Rohrinnere auf einen Messort (12) an der Substratauflage (5) gerichtet ist, wobei das Tubusrohr (15) die Kammerwandung (3) durch eine Wandungsöffnung durchdringt und mit seiner Tubusrohröffnung (19) in dem Vakuumraum (2) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Vakuumraum (2) mündende Teil (17) des Tubusrohres (15) mit der Kammerwandung (3) in wärmeleitender Verbindung steht und dass konzentrisch um den in den Vakuumraum (2) mündenden Teil (17) des Tubusrohres (15) ein erstes Abschirmelement (20), das zu dem Mantel des Tubusrohres (15) einen Abstand (21) aufweist, zu dem Tubusrohr (15) thermisch isoliert angeordnet ist.Arrangement for measuring the temperature of substrates in a vacuum treatment system, which has a vacuum space (2), which is separated from the atmosphere by a chamber wall (3), and a substrate support (5), the arrangement having a pyrometer (14) outside the vacuum space (2 ), which is connected to the chamber wall (3) via a tube tube (15) in such a way that its measuring axis (13) is directed through the inside of the tube to a measuring location (12) on the substrate support (5), the tube tube (15) the chamber wall (3) penetrates through a wall opening and opens with its tube tube opening (19) in the vacuum space (2), characterized in that the part (17) of the tube tube (15) opening into the vacuum space (2) with the chamber wall (3 ) is in a thermally conductive connection and that concentrically around the part (17) of the tube tube (15) opening into the vacuum space (2) a first shielding element (20) which is at a distance (21) from the jacket of the tube tube (15) is to the tube (1 5) is arranged thermally insulated.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Temperaturmessung von Substraten in einer Vakuumbehandlungsanlage, die einen Vakuumraum, der durch eine Kammerwandung von der Atmosphäre getrennt ist, und eine Substratauflage aufweist, wobei die Anordnung ein Pyrometer außerhalb des Vakuumraumes umfasst, das über ein Tubusrohr mit der Kammerwandung derart verbunden ist, dass seine Messachse durch das Rohrinnere auf einen Messort an der Substratauflage gerichtet ist, wobei das Tubusrohr die Kammerwandung durch eine Wandungsöffnung durchdringt und mit seiner Tubusrohröffnung in dem Vakuumraum mündet.The invention relates to an arrangement for measuring the temperature of substrates in a vacuum treatment plant, which has a vacuum space which is separated from the atmosphere by a chamber wall, and a substrate support, wherein the arrangement comprises a pyrometer outside the vacuum space, which via a tube tube with the chamber wall in such a way is connected, that its measuring axis is directed through the tube interior to a measuring location on the substrate support, wherein the Tubusrohr penetrates the chamber wall through a wall opening and opens with its Tubusrohröffnung in the vacuum space.
Es ist bekannt, Substrate in Vakuumbehandlungsanlagen Verfahren zu unterziehen, die die Substratoberfläche oder die Substratbeschaffenheit gezielt beeinflussen. So ist es möglich, Substrate im Vakuum zu beschichten, Schichten von Substraten zu entfernen oder Substrate zu tempern. In aller Regel werden die Substrate auf eine Substratauflage gelegt oder in dem Vakuumraum fixiert.It is known to subject substrates in vacuum treatment plants to processes which specifically influence the substrate surface or the substrate texture. It is thus possible to coat substrates in a vacuum, to remove layers of substrates or to temper substrates. As a rule, the substrates are placed on a substrate support or fixed in the vacuum space.
Es sind aber auch kontinuierlich arbeitende Vakuumbehandlungsanlagen bekannt, bei denen das Substrat auf der Substratauflage durch die Vakuumbehandlungsanlage hindurch bewegt wird. Dabei ist in aller Regel die Substratauflage als eine Substrattransporteinrichtung ausgebildet, beispielsweise mit Transportrollen, von denen zumindest einige als angetriebene Transportrollen ausgebildet sind.However, continuously operating vacuum treatment plants are known in which the substrate is moved on the substrate support through the vacuum treatment system. As a rule, the substrate support is designed as a substrate transport device, for example with transport rollers, of which at least some are designed as driven transport rollers.
Bei allen Vakuumbehandlungsprozessen spielt die Substrattemperatur eine entscheidende Rolle. So werden beispielsweise bei einer Substratbeschichtung die Schichteigenschaften erheblich von der Substrattemperatur beeinflusst. Insbesondere bei großflächigen flachen Substraten, die in einer Vakuumbehandlungsanlage beschichtet werden und zu diesem Zecke durch die Vakuumbehandlungsanlage hindurch transportiert werden, spielt die Homogenität der Schichteigenschaften sowohl in Längsrichtung, das heißt in Transportrichtung der Substrate, als auch in Querrichtung eine entscheidende Rolle. Um zur Gewährleistung homogener Schichteigenschaften zu gelangen, ist eine gezielte Beeinflussung der Substrattemperatur zwingend erforderlich. Dies betrifft sowohl die Temperatur selbst als auch deren laterale Homogenität.In all vacuum treatment processes, the substrate temperature plays a crucial role. For example, in the case of a substrate coating, the layer properties are significantly influenced by the substrate temperature. In particular, in the case of large flat substrates which are coated in a vacuum treatment plant and transported to this tick through the vacuum treatment plant, the homogeneity of the layer properties both in the longitudinal direction, that is in the transport direction of the substrates, as well as in the transverse direction plays a crucial role. In order to achieve a homogeneous layer properties, a targeted influence on the substrate temperature is absolutely necessary. This affects both the temperature itself and its lateral homogeneity.
Zur Messung der Substrattemperatur und in der Folge zu deren gezielter Beeinflussung ist der Einsatz von Pyrometern bekannt.The use of pyrometers is known for measuring the substrate temperature and, consequently, for influencing them in a targeted manner.
Das Prinzip der Temperaturmessung mittels Pyrometern besteht darin, dass die von einem Körper, in diesem Falle von dem Substrat, ausgehende Wärmestrahlung gemessen wird und von dem Messsignal auf die Temperatur des Substrates geschlossen wird. Dieses Verfahren setzt die Kenntnis des Emissionsvermögens des zu messenden, das heißt des emittierenden Körpers voraus. Weiterhin ist zur Erzielung eines ausreichenden Messsignals im Pyrometer eine Mindestemission des zu messenden Körpers erforderlich. Hochreflektierende Schichten, wie zum Beispiel gesputterte Metallschichten, sind dafür ungeeignet.The principle of temperature measurement by means of pyrometers is that the thermal radiation emanating from a body, in this case from the substrate, is measured and is closed by the measuring signal to the temperature of the substrate. This method requires knowledge of the emissivity of the body to be measured, that is to say of the emissive body. Furthermore, in order to obtain a sufficient measuring signal in the pyrometer, a minimum emission of the body to be measured is required. Highly reflective layers, such as sputtered metal layers, are unsuitable for this.
Das Verfahren der pyrometrischen Temperaturmessung erfordert es daher, dass die Messung der Temperatur eines Substrates in einer Vakuumbehandlungsanlage so erfolgt, dass das Messergebnis durch die Vakuumbehandlung selbst nicht beeinflusst wird, beispielsweise durch eine Veränderung des Emissionsvermögens infolge des Aufbringens von Schichten. So ändert nämlich die Oberfläche des Substrates seine Emissivität während der Beschichtung von Substraten und/oder deren Modifizierung, etwa der Selenisierung oder Sulfurisierung, in Abhängigkeit vom Ort, an dem sich das Substrat in Vakuumbehandlungsanlage befindet. Damit sind nur ungenügende Kenntnisse der örtlich variierenden Emissivität vorhanden, was eine zuverlässige und genaue Temperaturmessung des Substrates verhindert. Bei einer derartigen Temperaturmessung von Substraten behilft man sich damit, dass an Oberflächenteilen des Substrates gemessen wird, das heißt die Strahlung von Oberflächenteilen des Substrates empfangen wird, die nicht durch Vakuumbehandlungsprozesse beeinflusst werden. So wird beispielsweise bei einer Temperaturmessung bei einer Beschichtung eines Substrates mit einer Funktionsschicht die Temperatur des Substrates durch eine Messung von der Substratrückseite erfasst, da sehr oft, beispielsweise durch eine Magnetronzerstäubung, das Substrat nur von einer Seite beschichtet wird. Die Temperaturdifferenzen zwischen der Substratrückseite und der aufzubringenden Schicht sind zumeist vernachlässigbar, insbesondere bei dünnen Gläsern von nur einigen Millimetern.The method of pyrometric temperature measurement therefore requires that the measurement of the temperature of a substrate in a vacuum treatment plant be such that the measurement result is not affected by the vacuum treatment itself, for example by a change in the emissivity due to the application of layers. Namely, the surface of the substrate changes its emissivity during the coating of substrates and / or their modification, such as the selenization or sulfurization, depending on the location in which the substrate is in vacuum treatment plant. Thus, there is insufficient knowledge of the locally varying emissivity, which prevents a reliable and accurate temperature measurement of the substrate. With such a temperature measurement of substrates, it is possible to measure on surface parts of the substrate, that is to say receive the radiation from surface parts of the substrate which are not influenced by vacuum treatment processes. Thus, for example, in a temperature measurement in a coating of a substrate having a functional layer, the temperature of the substrate is detected by a measurement of the substrate back, since very often, for example, by a magnetron sputtering, the substrate is coated only from one side. The temperature differences between the substrate back and the applied layer are usually negligible, especially with thin glasses of only a few millimeters.
Eine wesentliche Forderung bei der Nutzung von Pyrometern zur Temperaturmessung besteht darin, dass Kontaminationen des Linsensystems des Pyrometers ausgeschlossen werden müssen. Insbesondere Vakuumbeschichtungsprozesse führen immer wieder zu derartigen Kontaminationen. Abscheidungen auf dem Linsensystem des Pyrometers von nur wenigen Nanometern Schichtdicke können das Signal am Strahlungsempfänger des Pyrometers bereits so stark schwächen, dass eine genaue Temperaturerfassung nicht mehr möglich ist.An essential requirement in the use of pyrometers for temperature measurement is that contamination of the lens system of the pyrometer must be excluded. In particular, vacuum coating processes repeatedly lead to such contamination. Deposits on the lens system of the pyrometer only a few nanometers thick layer can already weaken the signal at the radiation receiver of the pyrometer so much that an accurate temperature detection is no longer possible.
Es ist bekannt, dass die Pyrometerhersteller zum Schutz der Pyrometeroptik ein Schutzglas oder Schutzfenster vorsehen. Da diese Schutzgläser immer auch eine Signalschwächung verursachen, wird beim Hersteller das Pyrometer zusammen mit dem Schutzglas kalibriert. Mit einem derartigen Schutzglas werden aber nur Kontaminationen vom Linsensystem des Pyrometers ferngehalten. Das Schutzglas selber kontaminiert weiterhin, wenn keine weiteren Maßnahmen getroffen werden. Damit führt die Kontaminierung des Schutzglases wiederum zu einer Beeinträchtigung des Messergebnisses. Die Schutzgläser können zwar ausgetauscht oder gereinigt werden, dies kann jedoch nur in Zeitabständigen, beispielsweise im Rahmen einer Anlagenwartung geschehen.It is known that the pyrometer manufacturers provide a protective glass or protective window to protect the pyrometer optics. Since these protective glasses always cause a signal attenuation, the manufacturer of the pyrometer together with the Protective glass calibrated. With such a protective glass but only contaminants are kept away from the lens system of the pyrometer. The protective glass itself will continue to contaminate if no further measures are taken. Thus, the contamination of the protective glass again leads to an impairment of the measurement result. Although the protective glasses can be replaced or cleaned, but this can only happen in time, for example in the context of a plant maintenance.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Messgenauigkeit von Pyrometern mit einfachen Mitteln dadurch zu gewährleisten, dass eine Kontamination des Linsensystems oder eines Schutzglases vor dem Linsensystem eines Pyrometers beim Einsatz in Vakuumbehandlungsanlagen minimiert und Fremdeinstrahlungen vermieden werden.It is therefore an object of the invention to ensure the accuracy of measurement of pyrometers by simple means that minimizes contamination of the lens system or a protective glass in front of the lens system of a pyrometer when used in vacuum processing systems and foreign radiation is avoided.
Die erfindungsgemäße Aufgabenstellung wird durch eine Anordnung zur Temperaturmessung von Substraten gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 8 geben Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösungen an.The object of the invention is achieved by an arrangement for measuring the temperature of substrates according to the features of claim 1.
Insbesondere sieht die Erfindung vor, eine Anordnung zur Temperaturmessung von Substraten der eingangs genannten Art dadurch auszubilden, dass der in den Vakuumraum mündende Teil des Tubusrohres mit der Kammerwandung in wärmeleitender Verbindung steht. Konzentrisch um den in den Vakuumraum mündenden Teil des Tubusrohres ist ein erstes Abschirmelement angeordnet, das zu dem Mantel des Tubusrohres einen Abstand aufweist und zu den Tubusrohren thermisch isoliert ist.In particular, the invention provides an arrangement for measuring the temperature of substrates of the type mentioned in that the opening into the vacuum space part of the tube tube is in heat-conducting connection with the chamber wall. A first shielding element is arranged concentrically around the part of the tube tube opening into the vacuum space, which has a spacing from the jacket of the tube tube and is thermally insulated from the tube tubes.
Da das Tubusrohr mit der Kammerwandung in wärmeleitender Verbindung steht, wird das Tubusrohr gekühlt. Diese Kühlung bewirkt bereits, dass Dampfteilchen, die von dem Vakuumbehandlungsprozess stammen, und die zu einer Kontamination des Pyrometers führen würden, auf dem Weg von der Mündungsöffnung zum Pyrometer an der Wandung des Tubusrohres kondensieren. Dementsprechend ist es sehr zweckmäßig, das Tubusrohr mit einer größtmöglichen Länge zwischen Kammerboden und Messort zu versehen, da durch diese Länge die Wahrscheinlichkeit der Partikelkondensation an dem Tubusrohr steigt. Andererseits ist es zweckmäßig, den Durchmesser des Tubusrohres im Verhältnis zur Länge viel kleiner zu wählen, da damit die Mündungsöffnung des Tubusrohres klein wird und somit die Wahrscheinlichkeit des Eintrittes von kontaminierenden Partikeln sinkt. Das Abschirmelement umschließt nun den in den Vakuumraum mündenden Teil des Tubusrohres, wobei es einen Abstand zu dem Tubusrohr selbst aufweist. Dieses Abschirmelement hat zunächst die Funktion der Verminderung der Wärmeeinstrahlung infolge eines beheizten Vakuumbehandlungsprozesses auf das Tubusrohr, die möglicherweise zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen könnte. Da im Vakuum die hauptsächliche Wärmeübertragung durch Strahlung stattfindet, stellt außerdem der Abstand zwischen dem ersten Abschirmelement und dem Tubusrohr, der ja ebenfalls Vakuum aufweist, eine isolierende Barriere dar. Dies wird dadurch unterstützt, dass das erste Abschirmelement von dem Tubusrohr auch thermisch isoliert ist.Since the tube tube is in heat-conducting connection with the chamber wall, the tube tube is cooled. This cooling already causes vapor particles originating from the vacuum treatment process, which would lead to contamination of the pyrometer, to condense on the wall of the tube tube on the way from the orifice to the pyrometer. Accordingly, it is very expedient to provide the tube tube with the greatest possible length between the chamber bottom and the measuring site, since the length of this tube increases the probability of particle condensation on the tube tube. On the other hand, it is expedient to choose the diameter of the Tubusrohres in relation to the length much smaller, since thus the mouth of the Tubusrohres becomes small and thus decreases the probability of the entry of contaminating particles. The shielding element now encloses the opening into the vacuum space part of the tube Tubus, wherein it has a distance from the Tubusrohr itself. This shielding element initially has the function of reducing the heat radiation as a result of a heated vacuum treatment process on the tube tube, which could possibly lead to a falsification of the measurement result. Moreover, since the main heat transfer by radiation takes place under vacuum, the distance between the first shielding element and the tube tube, which also has a vacuum, constitutes an insulating barrier. This is aided by the fact that the first shielding element is also thermally insulated from the tube tube.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass konzentrisch um das erste Abschirmelement ein zweites Abschirmelement angeordnet ist, das zu dem ersten Abschirmelement einen Abstand aufweist und zu dem ersten Abschirmelement thermisch isoliert ist. Durch die Anordnung zweier derartig beabstandeter Abschirmelemente wird der Einfluss von externer Wärmestrahlung auf das Tubusrohr zusätzlich in erheblichem Maße minimiert. So wird nämlich durch das zweite Abschirmelement eine direkte Einstrahlung auf das erste Abschirmelement verhindert. Eine Wärmeleitung zwischen dem ersten und dem zweiten Abschirmelement kann nicht stattfinden. Mithin verbleibt also nur die Wärmestrahlung, die infolge des Aufheizens des zweiten Abschirmelementes ausgesendet wird und die das erste Abschirmelement trifft. Diese Wärmestrahlung ist aber erheblich kleiner als die direkte Wärmestrahlung, die auf das zweite Abschirmelement einwirkt. Diese Wärmestrahlung des zweiten Abschirmelementes auf das erste Abschirmelement wird von dem ersten Abschirmelement reflektiert, so dass diese Strahlung von dem Tubusrohr ferngehalten wird. Auf das Tubusrohr wirkt mithin nur noch die durch das erste Abschirmelement infolge eines Aufheizens ausgesandte Wärmestrahlung. Diese Restwärmestrahlung ist jedoch erheblich kleiner als die direkte Wärmestrahlung.In one embodiment of the invention, it is provided that a second shielding element is arranged concentrically around the first shielding element, which has a spacing from the first shielding element and is thermally insulated from the first shielding element. The arrangement of two such spaced shielding the influence of external heat radiation is additionally minimized to the Tubusrohr to a considerable extent. Thus, direct radiation onto the first shielding element is prevented by the second shielding element. A heat conduction between the first and the second shielding element can not take place. Thus, only the thermal radiation which is emitted as a result of the heating of the second shielding element and which strikes the first shielding element thus remains. However, this heat radiation is considerably smaller than the direct heat radiation which acts on the second shielding element. This thermal radiation of the second shielding element on the first shielding element is reflected by the first shielding element, so that this radiation is kept away from the tube tube. Consequently, only the heat radiation emitted by the first shielding element as a result of heating up acts on the tube tube. However, this residual heat radiation is considerably smaller than the direct heat radiation.
Dieser geschilderte Effekt wird durch eine weitere Anordnung weiterer Abschirmelemente, die in der Art des zweiten Abschirmelementes um jeweils außen liegende weitere Abschirmelemente angeordnet sind, zusätzlich verstärkt.This described effect is additionally reinforced by a further arrangement of further shielding elements, which are arranged in the manner of the second shielding element around respective outer shielding elements.
Insbesondere ist es zweckmäßig, dass sich das erste oder die Abschirmelemente in axialer Richtung des Tubusrohres berührungsfrei von der Kammerwandung bis zur Höhe der Tubusrohrmündung erstrecken. Damit wird der in den Vakuumraumteil ragende Teil des Tubusrohres vollständig von dem Abschirmelement oder den Abschirmelementen umgeben.In particular, it is expedient that the first or the shielding elements extend in the axial direction of the tube tube without contact from the chamber wall to the height of the tube mouth. Thus, the protruding into the vacuum space part of the Tubusrohres is completely surrounded by the shielding or the shielding.
Es hat sich als sehr zweckmäßig erwiesen, dass das erste oder die Abschirmelemente aus Metallblech gefertigt werden.It has proved to be very useful that the first or the shielding elements are made of sheet metal.
Zur Erleichterung der Fertigung und der Montage ist es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das erste oder die Abschirmelemente aus zwei miteinander verbundenen Halbschalen bestehen. To facilitate the manufacture and assembly, it is provided in a further embodiment of the invention that the first or the shielding elements consist of two interconnected half-shells.
Zur Erhöhung der Strahlungsabschirmungen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass die Oberflächen der Abschirmelemente hoch reflektierend ausgebildet ist.To increase the radiation shields, it has proven to be expedient that the surfaces of the shielding is formed highly reflective.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the accompanying drawings shows
Wie in
Das Pyrometer
Um einen Beitrag zur Minimierung des Eintretens von Partikeln, insbesondere von Dampfpartikeln in das Tubusrohr und auf das Schutzglas zu leisten, weist das Tubusrohr einen Teil
Um die Funktion des Kondensierens auch aufzuhalten, aber auch für die genaue Erfassung der Temperatur des Substrates
Diese Isolation wird dadurch realisiert, dass der Teil
In ganz ähnlicher Weise wie das erste Abschirmelement
Durch das zweite Abschirmelement
Die Anordnungen von mehreren Abschirmelementen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- VakuumbehandlungsanlageVacuum treatment plant
- 22
- Vakuumraumvacuum space
- 33
- Kammerwandungchamber wall
- 44
- Vakuumkammervacuum chamber
- 55
- SubstrattransporteinrichtungSubstrate shuttle
- 66
- Transportrollentransport wheels
- 77
- Substratsubstratum
- 88th
- Längserstreckunglongitudinal extension
- 99
- Heizelementheating element
- 1010
- Wärmekammerheat chamber
- 1111
- Messöffnungmeasurement opening
- 1212
- MessortMeasuring location
- 1313
- Messachsemeasuring axis
- 1414
- Pyrometerpyrometer
- 1515
- TubusrohrTubusrohr
- 1616
- Schutzglasprotective glass
- 1717
- Teil des TubusrohresPart of the Tubusrohres
- 1818
- Fußpunktnadir
- 1919
- Mündungsöffnungmouth
- 2020
- erstes Abschirmelementfirst shielding element
- 2121
- Abstanddistance
- 2222
- zweites Abschirmelementsecond shielding element
- 2323
- Abstanddistance
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