WO2010146151A1 - Einrichtung zur temperaturführung von substraten - Google Patents

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WO2010146151A1
WO2010146151A1 PCT/EP2010/058627 EP2010058627W WO2010146151A1 WO 2010146151 A1 WO2010146151 A1 WO 2010146151A1 EP 2010058627 W EP2010058627 W EP 2010058627W WO 2010146151 A1 WO2010146151 A1 WO 2010146151A1
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WO
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substrate
transport plane
substrate transport
insulation
coolant
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PCT/EP2010/058627
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English (en)
French (fr)
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Hubertus Von Der Waydbrink
Thomas Meyer
Michael Hentschel
Reinhardt Bauer
Andrej Wolf
Hans-Christian Hecht
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Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh
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Publication date
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Priority to US13/376,465 priority Critical patent/US8911231B2/en
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54—Controlling or regulating the coating process
    • C23C14/541—Heating or cooling of the substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/56—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks

Definitions

  • the invention relates to a device for temperature control of substrates in a substrate treatment plant, in which a substrate in the longitudinal extension of the substrate treatment plant in a substrate transport plane within a vacuum chamber at a treatment facility isaffix Quartzbar.
  • Treatment devices are understood as coating devices, such as vapor deposition or magnetron devices, but also temperature treatment devices, sputtering and etching devices and the like.
  • heating means are employed both for heating substrates to the temperature required for the process to achieve the desired properties and for maintaining the substrate temperature as the substrate passes through the process at the processing equipment.
  • the known devices for heating substrates in substrate treatment plants consist essentially of
  • the base plate can be cooled.
  • Tempering compliance with a certain temperature / time regime) in a vacuum or under defined process gas conditions.
  • Coating equipment Maintaining the temperature required for the coating, in particular at the processing location, but possibly also in the area between different processing locations, e.g. a designed as Autolaufanläge substrate treatment plant when necessary to achieve layer properties.
  • a problem with the design of the heating is that the treatment facilities themselves can be significant sources of heat. This is the case, for example, in processing locations such as magnetron sputtering, vapor deposition, etc. This can result in unwanted heating of the substrate in substrate processing systems designed as continuous systems, depending on the specific heat capacity of the substrate, transport speed and heat input. In principle, this can be counteracted by reducing the heating devices behind the substrate in terms of performance or switching them off.
  • substrate treatment plants which operate at higher process gas pressures
  • the heat conduction through the process gas is becoming increasingly important. This can be exploited by placing the substrate backside in thermal contact with components such as e.g. Roll is brought.
  • the thermal contact is accomplished by the heat-conducting process gas.
  • Substrate and temperature-controlled component may be in mechanical contact, although depending on the desired heat dissipation of the mechanical contact is not necessary, provided that the gap between the substrate back and component is adjusted accordingly.
  • the object is achieved in that a heat-absorbing coolant is arranged on one side of the substrate transport plane.
  • the heating device is switched off, since the substrate has reached or exceeded a setpoint temperature, which may result from the heat input from the treatment device, the heating effect will as a rule persist for a time due to the thermal inertia. During this time, the cooling device can take effect.
  • an insulating means is arranged, with which the coolant relative to the Subtrattransportebene at least partially shieldable. With this isolation means, the cooling effect of the coolant can be selectively influenced.
  • Heat absorbing coolant and insulation means can be used interactively. Thus, it is possible to switch on or off the effect of the coolant relative to the substrate or the heating device by adjusting the insulating means such that it does not shield the cooling device. If then lower cooling effect is needed, the intensity of the cooling can be controlled with the shielding function of the insulating means.
  • the insulating effect of the insulating means is adjustable.
  • the coolant is provided with a tempering agent.
  • This tempering agent is able to influence the temperature of the coolant and thus its cooling intensity targeted.
  • a heating counteracting the cooling can act as a tempering agent.
  • Substrate treatment plants which are designed as continuous plants, have a longitudinal extent, in the direction, ie the longitudinal direction, of the substrate is moved on the substrate transport plane.
  • An embodiment of the invention provides that the coolant consists of a cooling element extending in the direction of the longitudinal direction.
  • the coolant consists of a transverse to the direction of the longitudinal direction extending cooling element.
  • the coolant may also have an extension in the longitudinal and transverse directions.
  • the cooling effect can thus be extended over a whole range.
  • the coolant is designed as a plate-shaped cooling element lying parallel to the substrate transport plane.
  • the coolant consists of a plurality of cooling elements arranged one behind the other in the longitudinal direction.
  • a production-favorable form represents an embodiment of the cooling elements as cooling tubes for a cooling medium.
  • water can be used, for which the cooling tubes are designed to flow through water in one embodiment.
  • the insulation means consists of a plurality of longitudinally successively arranged insulation elements.
  • each cooling element is associated with an insulating element.
  • the influencing of the intensity of the cooling effect can be realized in one embodiment by an insulating element between a position on a side of a cooling element facing away from the substrate plane and a position on a side facing the substrate plane the cooling element is adjustable.
  • the insulation means can also be designed as Isolationsj alousie with insulation elements as blind slats, which are individually adjustable in groups or together.
  • the isolation element is expedient for the isolation element to have the shape of a cylinder segment in cross section. This allows the insulating element surround the cooling element like a shell.
  • the insulating means consists of two parallel and arranged parallel to the substrate transport plane opposite and movable grid-shaped insulation elements. Due to the lattice-shaped design and the relative displacement is a stepless adjustment of
  • a heating element is arranged between the substrate plane and the coolant.
  • the heating element may be arranged on the side of the substrate transport plane facing away from the coolant.
  • heating elements in the longitudinal extent of the substrate treatment system can be arranged side by side, which are expediently individually or in groups individually switchable.
  • the heating device is the same early than the tempering of the coolant works, that acts as the counter-heating shown above.
  • a thermal insulation is arranged parallel to the substrate transport plane on the side facing away from the treatment device of the substrate transport plane, which is interrupted in the region opposite to the heat source. This makes it possible for the substrate, via its side remote from the treatment device, to emit heat, which is to be introduced into the substrate by the coating device acting as a heat source, by thermal radiation. This is supported by the fact that in the interruption, the heat-absorbing coolant is arranged with the insulating means.
  • the object according to the invention is also achieved in that a thermal insulation is arranged parallel to the substrate transport plane on the side of the substrate transport plane facing away from the treatment device, which is interrupted in the region opposite to the heat source. Detached from a heat absorbing coolant is provided in this solution that an allowable temperature in the substrate is achieved by blasting in the region of the interruption.
  • the interruption can also extend to other areas in the transport direction behind the area which is opposite to the heat source, if this is necessary for a sufficient cooling.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a heating device according to the prior art
  • Fig. 2 is a schematic diagram of a first solution according to the invention
  • Fig. 3 is a schematic diagram of a second solution according to the invention.
  • Fig. 1 is a device for temperature control of
  • the treatment device 4 may, for example, a magnetron or an evaporation device o.a. represent, which in turn represents a heat source. Only by passing the substrate 1 past the treatment device 4 does this heat up, possibly beyond an admissible maximum temperature.
  • thermal insulation 5 is arranged parallel to the substrate transport plane 3. This thermal insulation 5 serves to minimize the effect of heat radiation emanating from the warm substrate 1 on the remaining vacuum chamber.
  • the thermal insulation 5 may consist of an insulating material, which substantially prevents heat conduction, or else be designed as a radiation shield, which keeps a heat radiation away from the remaining vacuum chamber by a back-reflection.
  • FIG. 1 a conventional in practice heating device 7 is shown.
  • the substrate 1, which passes by the treatment device 4 is heated.
  • the reduction or switching off the heater 8 does not lead to the desired result of a constant temperature in the transport direction.
  • the increase in temperature can be very different.
  • the heating of the substrate 1 according to the invention and as shown in Fig. 2, depending on the transferred heat output, substrate heat capacity, emission ratios can be prevented by the fact that the insulation is weakened or completely dispensed with in the heat source.
  • the area of the heat source which is shown very simplified in the image, even has shields whose thermal equilibrium adjusts only during operation of the substrate treatment plant.
  • FIG. 2 shows how the described problems and disadvantages of an arrangement according to the prior art according to FIG. 1 can be overcome.
  • the thermal insulation 5 on the side of the substrate transport plane 3 facing away from the treatment device 4 is interrupted in the region which is opposite the treatment device 4 as a heat source.
  • this interruption 6 should be possible depending on the requirements, a maximum heat transfer, so the insulation effect should be considerably reduced or eliminated.
  • a heat-absorbing coolant 9 and an insulation means 10 are arranged in the interruption 6 on one side of the substrate transport plane 3, with which the coolant 9 can be at least partially shielded from the substrate transport plane 3.
  • the coolant 9 consists of a plurality of cooling elements 11 arranged one behind the other in the longitudinal direction 2, which are designed as cooling tubes.
  • each cooling element 11 is associated with an insulating element 12.
  • Each insulation element 12 is designed to be adjustable between a position on a side of a cooling element 11 facing away from the substrate transport plane 3 and a position on a side of the cooling element 11 facing the substrate transport plane 3.
  • Matching to the cooling tubes 11, the isolation elements 12 have the shape of a cylinder segment.
  • thermo insulation ON all insulation elements 12 are pushed over the cooling elements 11, so that they cover the cooling elements 11 on their side facing the treatment device 4 side. This corresponds to the heating in the usual arrangement, as shown in Fig. 1. Behind the heaters 8 are to reduce the thermal losses insulation elements 12 in the form of radiation shield packages or insulating caps on the cooling elements 11, designed here as cooling tubes.
  • the insulation elements 12 In the switching state "thermal insulation off" the insulation elements 12, ie the screen packages or Insulating caps rotated on the side facing away from the substrate 1 or the substrate transport plane 3 side.
  • the insulation elements 12 may also be an extended cold plate, for example.
  • the back of the substrate 1 can radiate on the cold surfaces.
  • cold surfaces means that these surfaces must have a temperature that allows the emission of heat at all, so that depending on the specific conditions, these surfaces could have temperatures of several 100 0 C in high temperature applications ,
  • the adaptation of the isolation effect can be changed by the arrangement within wide limits by the isolation elements 12 ', i. the Strahlungstalkonge or Isolierstoffkappen be brought by turning the cooling elements 11 in the corresponding angular position. At an intermediate position set in this way, depending on the angle, part of the substrate radiation is absorbed or largely thrown back in the region of a shielding insulation element 12.
  • the adjacent in the transport direction means for weakening the thermal insulation as they are here designed as a cooling element 11 with insulating member 12 may be individually adjustable in order to adjust the heat flow locally with the aim to keep the substrate heating at each location constant, since the heat load of the substrate 1 hardly varies under a heat source along the transport direction 2.
  • the heat input by the treatment device 4 can vary over the length in the transport direction 2 of this treatment device 4.
  • cooling elements 11 are individually adjustable.
  • the devices for changing the thermal insulation can be performed in addition to the training shown here as a cooling element 11 with insulation element 12 also very different.
  • a cooling element 11 with insulation element 12 also very different.
  • FIG. 2 shows by way of example in the lower diagram how a practically measured temperature profile could occur, in which case the thermal
  • FIG. 3 a second embodiment of the invention with a heating / cooling device is shown schematically. This allows controlled substrate cooling.
  • the upper controllable thermal insulation 14 in this example consists, for example, of rotatably mounted insulation elements 15 such as radiation protection screens or of insulating plates.
  • the lower controllable thermal insulation 5 corresponds to the device described above.
  • the concrete mechanical design is irrelevant, provided the controllability of the thermal insulation is ensured.
  • the controlled cooling can proceed as follows.
  • the thermal insulation is initially in the "Thermal insulation ON" state.
  • the upper insulation elements 15 are horizontal, the lower insulation elements 12 are turned upwards.
  • the heaters 8 are turned on and tempered so that the now retracting substrate 1 is first held at its temperature.
  • the heaters 8 are switched off, the entire thermal insulation is adjusted in their effect so that the substrate 1 is cooled at a defined rate.
  • the rollers 13 impede the heat flow down, but the substrate 1 is subjected to a pendulum motion, so that the rollers 13 can radiate down and thus cool down.
  • the heat flow down can be increased if the distance of the rollers 13 is selected to be larger each other.
  • the heat flow can be increased if a roller 13, e.g. is designed as a thin-walled cylinder.
  • the cylindrical surface areas which can radiate each to the cold surface, cooled more and can, after they are exposed to the substrate heat radiation by the rotational movement again, absorb more heat.
  • cylinder wall thickness / diameter, material and pendulum speed should be selected to achieve the desired thermal behavior.
  • the substrate 1 is moved out of the chamber, subjected to a further cooling, for example convection cooling or brought out directly from the substrate treatment plant in the ambient atmosphere.
  • a further cooling for example convection cooling or brought out directly from the substrate treatment plant in the ambient atmosphere.
  • heating cycles are also possible, for example to subject the substrate 1 to a treatment in a defined process gas atmosphere at an elevated temperature.
  • the thermal insulation is switched on at the top 14 and at the bottom 5, Likewise, the heaters 8 to temper the substrate 1 to the desired temperature.
  • the cooling can be carried out as described above.

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Abstract

Der Erfindung, die eine Einrichtung zur Temperaturführung von Substraten in einer Substratbehandlungsanlage betrifft, in der ein Substrat (1) in Längserstreckung (2) der Substratbehandlungsanlage in einer Substrattransportebene (3) innerhalb einer Vakuumkammer an einer Behandlungseinrichtung (7) vorbeiführbar ist, liegt die Aufgabe zugrunde, in eine dynamische Änderung der thermischen Isolation zur Steuerung des Wärmedurchgangs im Substrat (1) dynamisch zu gestalten und dabei insbesondere thermische Trägheiten zu verringern. Dies wird dadurch gelöst, dass auf einer Seite der Substrattransportebene (3) ein wärmeabsorbierendes Kühlmittel (9) vorgesehen ist, dass in einer Ausgestaltung mit einem Isolationsmittel (10) gegenüber der Substrattransportebene (3) zumindest partiell abschirmbar ist.

Description

Einrichtung zur Temperaturführung von Substraten
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Temperaturführung von Substraten in einer Substratbehandlungsanlage, in der ein Substrat in Längserstreckung der Substrat- behandlungsanlage in einer Substrattransportebene innerhalb einer Vakuumkammer an einer Behandlungseinrichtung vorbeiführbar ist.
Behandlungseinrichtungen sind dabei als Beschichtungs- einrichtungen, wie Bedampfungs- oder Magnetroneinrichtungen, aber auch Temperaturbehandlungseinrichtungen, Sputter- und Ätzeinrichtungen und ähnliches verstanden.
Bei der Behandlung von Substraten in derartigen Substratbehandlungsanlagen werden Beheizungseinrichtungen sowohl für die Aufheizung von Substraten auf die für den Prozess erforderlichen Temperatur zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften als auch für das Halten der Substrattemperatur, während das Substrat den Prozess an der Behandlungseinrichtung durchläuft, eingesetzt.
Die bekannten Einrichtungen zur Beheizung von Substraten in Substratbehandlungsanlagen bestehen im Wesentlichen aus
Heizelementen, Strahlungsschutzschirmen sowie einer Grundplatte, auf der die Heizelemente und Strahlungsschirme montiert sind. Die Grundplatte kann gekühlt ausgeführt werden .
Neben dem Aufheizen des Substrates kann es erforderlich sein, die Temperatur des Substrates zwischen 2 Prozessorten zu halten oder auch die Substrattemperatur zu erhöhen.
Das können sehr verschiedenartige Prozesse sein: Temperungen: Einhalten einer bestimmten Temperatur- /Zeitregimes) im Vakuum oder unter definierten Prozessgasbedingungen .
Beschichtungseinrichtungen : Einhalten der für die Beschichtung erforderlichen Temperatur insbesondere am Prozessort, evtl. aber auch im Bereich zwischen verschiedenen Prozessorten z.B. einer als Durchlaufanläge konzipierten Substratbehandlungsanlage, wenn zur Erzielung von Schichteigenschaften notwendig.
Ein Problem bei der Auslegung der Beheizung besteht darin, dass die Behandlungseinrichtungen selbst erhebliche Wärmequellen darstellen können. Dies ist beispielsweise an Prozessorten wie Magnetronsputtern, Bedampfen, etc der Fall Damit kann in als Durchlaufanlagen konzipierten Substrat- behandlungsanlagen je nach spezifischer Wärmekapazität des Substrates, Transportgeschwindigkeit und Wärmeleistungseintrag von den Substratbehandlungseinrichtungen zu unerwünschten Aufheizungen des Substrates kommen. Grundsätzlich kann dem begegnet werden, indem die Beheizungs- einrichtungen hinter dem Substrat in der Leistung reduziert werden oder ausgeschaltet werden.
Bei großem Wärmeeintrag in das Substrat durch die - Behandlungeinrichtungen kann es sich darüber hinaus erforderlich machen, überschüssige Wärme über die Substrat- rückseite über Abstrahlung abzuführen. Im Vakuum ist dieses Vorgehen nur in den Grenzen möglich, die die Abstrahlungs- leistung aufgrund der starken Abhängigkeit von der Temperatur setzt. Wenn z.B. die gewünschte Substrattemperatur 3000C beträgt, kann unter entsprechenden Voraus- Setzungen eine AbStrahlungsleistung von ca. 5kW/m2 nicht überschritten werden. Wenn die Wärmeeinträge der - Behandlungseinrichtungen diese Leistung überschreiten, muss eine Substraterwärmung in Kauf genommen werden. Je nach Substrattemperatur liegen die theoretisch möglichen AbStrahlungsleistungen bei höheren Substrattemperaturen erheblich darüber.
In Substratbehandlungsanlagen, die bei höheren Prozess- gasdrücken arbeiten, kommt zunehmend die Wärmeleitung durch das Prozessgas zum Tragen. Das kann man sich zunutze machen, indem die Substratrückseite in thermischen Kontakt zu Komponenten wie z.B. Rollen gebracht wird. Der thermische Kontakt wird durch das wärmeleitende Prozessgas bewerkstelligt. Substrat und temperierbare Komponente können in mechanischen Kontakt stehen, wenngleich je nach gewünschter Wärmeableitung der mechanische Kontakt nicht notwendig ist, sofern das Spaltmaß zwischen Substratrückseite und Komponente entsprechend angepasst wird.
Bei der stationären Beheizung eines Substrates ist z. T. ein schnelles Aufheizen auf die für den nachfolgenden Prozess erforderliche Temperatur erwünscht. Eine entsprechend dimensionierte Beheizung kann diese Aufgabe lösen. Bei Durchlaufanlagen steht im Allgemeinen dafür fast die gesamte Taktzeit zu Verfügung. Substrat für Substrat wird auf diese Weise auf Prozesstemperatur gebracht, das aufgeheizte Substrat wir abgezogen und in Richtung Prozess bewegt, die freigewordene Kammer nimmt das nächste Substrat zur Beheizung auf.
Es kann jedoch auch das Erfordernis bestehen, etwa für die
Bearbeitung von einzelnen Substraten, das Substrat nicht aus der Heizkammer mit hoher Geschwindigkeit abzuziehen und dem Prozess zuzuführen. Vielmehr kann es z.B. für den Fall, dass die Prozesskammer unmittelbar an die Heizerkammer angrenzt, erforderlich sein, das Substrat nicht mit hoher
Geschwindigkeit aus der Heizkammer abzuziehen sondern mit vergleichsweise geringer Prozessgeschwindigkeit herauszufahren. Für diesen Betriebsfall kann eine Beheizung wie oben beschrieben, zwar ein schnelles Aufheizen des Substrates ermöglichen. Jedoch hat die Art der Beheizung den Nachteil, dass die Heizung selbst über vergleichsweise beträchtliche Wärmekapazitäten verfügen kann, sodass die Temperatur des Substrates nach Abschalten der Heizung nach Erreichen der gewünschten Substrattemperatur je nach den konkreten Verhältnissen erheblich überschwingen kann. Durch das geeignete Drosseln bzw. auch Abschalten der Beheizung vor Erreichen der gewünschten Substrattemperatur kann die in den Heizern und Strahlungsschirmen gespeicherte Wärme zwar zur Nachheizung genutzt werden, sodass die Substrattemperatur ohne Überschwingen erreicht wird. Jedoch können diese Ausgleichsvorgänge erhebliche Zeiten in Anspruch nehmen und sind damit nicht akzeptabel.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, in der thermisch unterstützten Vakuumprozesstechnik, eine Steuerung des
Wärmedurchgangs im Substrat dynamisch zu gestalten und dabei insbesondere thermische Trägheiten zu verringern. Somit - können die thermischen Bedingungen so eingestellt werden, dass den Erfordernissen des Prozesses besser Rechnung getragen werden kann.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass auf einer Seite der Substrattransportebene ein wärmeabsorbierendes Kühlmittel angeordnet ist.
Wird die Beheizungseinrichtung ausgeschaltet, da das Substrat eine Solltemperatur erreicht oder überschritten hat, was durch den Wärmeeintrag aus der Behandlungseinrichtung resultieren kann, wird die Heizungswirkung in aller Regel infolge der thermischen Trägheit noch eine Zeitlang fortbestehen. Während dieser Zeit kann die Kühlein- richtung wirksam werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Isolationsmittel angeordnet ist, mit dem das Kühlmittel gegenüber der Subtrattransportebene zumindest partiell abschirmbar ist. Mit diesem Isolationsmittel kann die Kühlwirkung des Kühlmittels gezielt beeinflusst werden.
Wärmeabsorbierendes Kühlmittel und Isolationsmittel können wechselwirkend eingesetzt werden. So ist es möglich, die Wirkung des Kühlmittels gegenüber dem Substrat oder der Beheizungseinrichtung ein- oder auszuschalten oder zu verringern, indem das Isolationsmittel so eingestellt wird, dass es die Kühleinrichtung nicht abschirmt. Wenn dann geringere Kühlwirkung benötigt wird, kann mit der Abschirmfunktion des Isolationsmittels die Intensität der Kühlung gesteuert werden.
Insbesondere zur Steuerung der Intensität der Kühlung ist in einer Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass die Isolationswirkung des Isolationsmittels einstellbar ist.
Es kann sich darüber hinaus als vorteilhaft erweisen, wenn das Kühlmittel mit einem Temperierungsmittel versehen wird. Dieses Temperierungsmittel ist in der Lage, die Temperatur des Kühlmittels und somit seine Kühlintensität gezielt zu beeinflussen. Wie im weiteren ausgeführt, kann beispielsweise eine der Kühlung entgegenwirkende Heizung als Temperierungsmittel wirken. Auch beim Einsatz eines fluiden Kühlmittel kann dessen Temperatur, beispielsweise ebenfalls durch eine Gegenheizung eingestellt werden. In diesen Fällen wären in dem Kühlfluid und/oder der Gegenheizung die Temperierungsmittel zu sehen.
Substratbehandlungsanlagen, die als Durchlaufanlagen konzipiert sind, weisen eine Längserstreckung auf, in deren Richtung, d.h. der Längsrichtung, das Substrat auf der Substrattransportebene bewegt wird. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Kühlmittel aus einem sich in Richtung der Längsrichtung erstreckenden Kühlelement besteht . Zur Vergrößerung des Wirkungsbereiches kann auch vorgesehen werden, dass das Kühlmittel aus einem sich quer zur Richtung der Längsrichtung erstreckenden Kühlelement besteht.
Damit kann das Kühlmittel auch eine Erstreckung in Längs- und Querrichtung aufweisen.
In jedem Falle kann die Kühlwirkung somit über einen ganzen Bereich ausgedehnt werden.
Eine Ausgestaltung sieht dabei vor, dass das Kühlmittel als parallel zur Substrattransportebene liegendes platten- förmiges Kühlelement ausgebildet ist.
Bei einer anderen Lösungsvariante besteht das Kühlmittel aus mehreren in Längsrichtung hintereinander angeordneten Kühlelementen. Hierbei stellt eine herstellungsgünstige Form eine Ausgestaltung der Kühlelemente als Kühlrohre für ein Kühlmedium dar.
Als einfaches Kühlmedium kann Wasser zum Einsatz gelangen, wofür die Kühlrohre in einer Ausführung wasserdurchströmt gestaltet sind.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass das Isolationsmittel aus mehreren in Längsrichtung hintereinander angeordneten Isolationselementen besteht.
Insbesondere bei einer Gestaltung mit mehreren in Längsrichtung hintereinander angeordneten Kühlelementen ist in einer weiteren Variante vorgesehen, dass jedem Kühlelement ein Isolationselement zugeordnet ist.
Die Beeinflussung der Intensität der Kühlwirkung kann in einer Ausführung dadurch realisiert werden, dass ein Isolationselement zwischen einer Position auf einer der Substratebene abgewandten Seite eines Kühlelementes und einer Position auf einer der Substratebene zugewandten Seite des Kühlelementes verstellbar ausgebildet ist.
Das Isolationsmittel kann aber auch als Isolationsj alousie mit Isolationselementen als Jalousielamellen ausgebildet sein, die einzeln in Gruppen oder gemeinsam verstellbar sind.
Werden die Kühlelemente als Kühlrohre ausgebildet, ist es zweckmäßig, dass das Isolationselement im Querschnitt die Form eines Zylindersegmentes aufweist. Dadurch kann das Isolationselement das Kühlelement schalenartig umgreifen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Isolationsmittel aus zwei parallel zur Substrattransportebene angeordneten gegenüberliegenden und verschiebbaren gitterförmigen Isolationselementen besteht. Durch die gitterförmige Gestaltung und die relative Verschiebbarkeit wird eine stufenlose Einstellung der
Isolationswirkung erreicht, da in einer Endstellung beide Gitter kongruent übereinander liegen oder in einer anderen Endstellung beide Gitter einander überdecken und dazwischen viele andere Zwischenstellungen möglich sind.
Für den Fall, dass das Substrat nicht gekühlt werden soll, sondern auch beheizt werden sollte, ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass zwischen Substratebene und Kühlmittel ein Heizelement angeordnet ist.
Alternativ kann das Heizelement auf der dem Kühlmittel abgewandeten Seite der Substrattransportebene angeordnet sein .
In beiden Fällen können auch mehrere Heizelemente in Längserstreckung der Substratbehandlungsanlage nebeneinander angeordnet werden, die zweckmäßiger Weise einzeln oder gruppenweise individuell schaltbar sind.
Dabei ist es möglich, dass die Beheizungseinrichtung gleich- zeitig als die Temperiereinrichtung für das Kühlmittel funktioniert, also als die oben dargestellte Gegenheizung wirkt .
In einer weiteren Ausgestaltung ist auf der der Behandlungs- einrichtung abgewandten Seite der Substrattransportebene parallel zu der Substrattransportebene eine thermische Isolation angeordnet, die in dem Bereich, der der Wärmequelle gegenüber liegt, unterbrochen ist. Dadurch wird es möglich, dass das Substrat über seine von der Behandlungs- einrichtung abgewandten Seite die Wärme, die durch die als Wärmequelle wirkende Beschichtungseinrichtung in das Substrat eintragen wird, durch Wärmestrahlung abzugeben. Unterstützt wird dies dadurch, dass in der Unterbrechung das wärmeabsorbierende Kühlmittel mit dem Isolationsmittel angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabenstellung wird aber auch dadurch gelöst, dass auf der der Behandlungseinrichtung abgewandten Seite der Substrattransportebene parallel zu der Substrattransportebene eine thermische Isolation angeordnet ist, die in dem Bereich, der der Wärmequelle gegenüber liegt, unterbrochen ist. Losgelöst von einem wärmeabsorbierende Kühlmittel ist in dieser Lösung vorgesehen, dass eine zulässige Temperatur in dem Substrat durch ein Abstrahlen im Bereich der Unterbrechung erreicht wird. Dabei kann sich die Unterbrechung auch auf weitere Bereiche die in Transportrichtung hinter dem Bereich, der der Wärmequelle gegenüber liegt, erstrecken, wenn dies für eine ausreichende Abkühlung erforderlich ist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungs- beispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Beheizungseinrichtung nach dem Stand der Technik, Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer ersten erfindungsgemäßen Lösung, und
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Lösung.
In Fig. 1 ist eine Einrichtung zur Temperaturführung von
Substraten in einer Substratbehandlungsanlage nach dem Stand der Technik dargestellt. Hierbei ist ein Substrat 1 in Längserstreckung 2 der Substratbehandlungsanlage in einer Substrattransportebene 3 innerhalb einer nicht näher dargestellten Vakuumkammer an einer Behandlungseinrichtung 4 vorbeiführbar .
Die Behandlungseinrichtung 4 kann beispielweise ein Magnetron oder eine Verdampfungseinrichtung o.a. darstellen, die ihrerseits eine Wärmequelle darstellt. Allein durch das Vorbeiführen des Substrates 1 an der Behandlungseinrichtung 4 erwärmt sich dieses, möglicherweise über eine zulässige Maximaltemperatur hinaus.
Auf der Seite der Substrattransportebene 3, die von der Behandlungseinrichtung 4 abgewandt ist, ist parallel zur Substrattransportebene 3 eine thermische Isolation 5 angeordnet. Diese thermische Isolation 5 dient dazu, eine Auswirkung der von dem warmen Substrat 1 ausgehenden Wärmestrahlung auf die übrige Vakuumkammer zu minimieren.
Die thermische Isolation 5 kann aus einem Isolationsmaterial bestehen, das im Wesentlichen eine Wärmeleitung verhindert, oder auch als Strahlungsschirm ausgebildet sein, der eine Wärmestrahlung von der übrigen Vakuumkammer durch ein Zurück-Reflektieren fern hält.
Damit soll diese thermische Isolation 5 über eine thermische Isolationswirkung verfügen, wie sie auch bei statischen
Einrichtungen (z.B. Strahlungsschirmpaket oder Isolierstoff- Schicht) erreicht wird. In Fig. 1 ist eine in der Praxis übliche Beheizungseinrichtung 7 dargestellt. Das Substrat 1, das an der Behandlungseinrichtung 4 vorbeifährt, wird aufgeheizt. Das Reduzieren bzw. auch Abschalten der Heizer 8 führt nicht zum gewünschten Ergebnis einer konstanten Temperatur in Transportrichtung. Je nach übertragener Wärmeleistung, Substrat- Wärmekapazität, Emissionsverhältnissen kann die Erhöhung der Temperatur sehr verschieden sein.
Grundsätzlich kann die Aufheizung des Substrates 1 gemäß der Erfindung und wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, je nach übertragener Wärmeleistung, Substrat-Wärmekapazität, Emissionsverhältnissen dadurch unterbunden werden, dass die Isolation im Bereich der Wärmequelle geschwächt oder ganz darauf verzichtet wird. Darüber hinaus ist es möglich, dass der Bereich der Wärmequelle, der im Bild sehr stark vereinfacht dargestellt ist, selbst über Abschirmungen verfügt, deren thermisches Gleichgewicht sich erst bei laufendem Betrieb der Substratbehandlungsanlage einstellt.
In Fig. 2 ist angegeben, wie die geschilderten Probleme und Nachteile einer Anordnung nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 überwunden werden können.
Gemäß Fig. 2 ist die thermische Isolation 5 auf der der Behandlungseinrichtung 4 abgewandten Seite der Substrattransportebene 3 die in dem Bereich, der der Behandlungs- einrichtung 4 als Wärmequelle gegenüber liegt, unterbrochen. Durch diese Unterbrechung 6 soll je nach Anforderungen einen maximalen Wärmedurchgang ermöglicht werden, also die Isolationswirkung soll erheblich reduziert bzw. eliminiert werden. Es ist dabei erstrebenswert, die Unterbrechung mit gleitenden Übergängen zu versehen, in denen die Isolationswirkung langsam abnimmt. Damit kann eine möglichst stufenlose Einstellung der Isolationswirkung zwischen den genannten Extremwerten - Vollisolation und Nichtisolation - erreicht werden. Damit ergibt sich, eine Konditionierphase zu ermöglichen, während der zunächst die Isolationswirkung nur wenig geschwächt wird. Erst nach Durchlaufen dieser Phase ergeben sich stationäre Verhältnisse. Das ist mit einer steuerbaren thermischen Isolation weitaus schnell zu bewerkstelligen als mit einer nicht steuerbaren, die nur den stationären Fall berücksichtigen kann nicht jedoch ein zügiges thermisches Einschwingen unterstützt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist in der Unterbrechung 6 auf einer Seite der Substrattransportebene 3 ein wärmeabsorbierendes Kühlmittel 9 sowie ein Isolationsmittel 10 angeordnet, mit dem das Kühlmittel 9 gegenüber der Subtrattransportebene 3 zumindest partiell abschirmbar ist. Das Kühlmittel 9 besteht aus mehreren in Längsrichtung 2 hintereinander angeordneten Kühlelementen 11, die als Kühlrohre ausgebildet sind. Dabei ist jedem Kühlelement 11 ein Isolationselement 12 zugeordnet. Jedes Isolationselement 12 ist zwischen einer Position auf einer der Substrattransportebene 3 abgewandten Seite eines Kühlelementes 11 und einer Position auf einer der Substrattransportebene 3 zugewandten Seite des Kühlelementes 11 verstellbar ausgebildet. Zu den Kühlrohren 11 passend weisen die Isolationselemente 12 die Form eines Zylindersegmentes auf.
Im Schaltzustand "Thermische Isolation EIN" werden alle Isolationselemente 12 über die Kühlelemente 11 geschoben, so dass sie die Kühlelemente 11 auf deren zu der Behandlungseinrichtung 4 weisenden Seite abdecken. Dies entspricht der Beheizung in der üblichen Anordnung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Hinter den Heizern 8 befinden sich zur Reduzierung der thermischen Verluste Isolationselemente 12 in Form von Strahlungsschirmpaketen bzw. Isolierstoffkappen auf den Kühlelementen 11, hier als Kühlrohre ausgebildet.
Im Schaltzustand "Thermische Isolation Aus" werden die Isolationselemente 12, d.h. die Schirmpakete bzw. Isolierstoffkappen auf die dem Substrat 1 oder der Substrattransportebene 3 abgewandten Seite gedreht. Die - Isolationselemente 12 können dabei auch z. b. eine ausgedehnte kalte Platte sein.
In diesem Schaltzustand kann die Rückseite des Substrates 1 auf die kalten Flächen abstrahlen. Je nach Anwendung kann es sinnvoll sein, für ein großes Absorptionsvermögen dieser kalten Fläche zu sorgen. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Bezeichnung "kalte Flächen" bedeutet, dass diese Flächen eine Temperatur haben müssen, die das Abstrahlen von Wärme überhaupt ermöglicht, sodass je nach den konkreten Verhältnissen diese Flächen bei Hochtemperaturanwendungen durchaus Temperaturen von mehreren 1000C haben könnten.
Die Anpassung der Isolationswirkung kann durch die Anordnung in weiten Grenzen geändert werden, indem die Isolationselemente 12', d.h. die Strahlungsschirmpakete bzw. Isolierstoffkappen durch Verdrehen der Kühlelemente 11 in die entsprechende Winkelstellung gebracht werden. Bei einer so eingestellten Zwischenposition wird je nach Winkel ein Teil der Substratstrahlung absorbiert bzw. im Bereich eines abschirmenden Isolationselementes 12 weitgehend zurückgeworfen .
Die in der Transportrichtung nebeneinander liegenden Einrichtungen zur Schwächung der thermischen Isolation, wie sie hier als Kühlelement 11 mit Isolationselement 12 ausgebildet sind, können einzeln einstellbar sein, um den Wärmeabfluss lokal einstellen zu können mit dem Ziel, die Substratbeheizung an jedem Ort konstant zu halten, da die Wärmebelastung des Substrats 1 kaum unter einer Wärmequelle entlang der Transportrichtung 2 variieren. Der Wärmeeintrag durch die Behandlungseinrichtung 4 kann über der Länge in Transportrichtung 2 dieser Behandlungseinrichtung 4 variieren. Wenn die Substrattemperatur konstant gehalten werden soll, ergibt sich die Notwendigkeit, den lokalen
Wärmeeintrag durch einen lokalen vom Betrag her gleichen
Wärmeabfluss zu kompensieren. Das gelingt, wenn die Kühlelemente 11 einzeln verstellbar sind.
Die Einrichtungen zur Veränderung der thermischen Isolation können neben der hier dargestellten Ausbildung als Kühlelement 11 mit Isolationselement 12 darüber hinaus sehr verschieden ausgeführt werden. Beispielsweise als Rohre mit drehbaren Schirmen oder Isolierstoffkappen oder auch als drehbare Schirme oder Isolierstoffkappen mit einer dahinter liegenden kalte Platte oder als Jalousie oder zwei gegeneinander verschiebbaren Gittern.
Im Fig. 2 ist in dem unteren Diagramm beispielhaft angegeben, wie sich ein praktisch gemessener Temperatur- verlauf einstellen könnte, wobei hier die thermische
Isolation im Bereich der Unterbrechung (insbesondere durch eine Stellung der Isolationselemente 12 relativ zu den Kühlelementen 11) quasi völlig unwirksam eingestellt wurde.
In Fig. 3 ist eine zweite erfindungsgemäße Ausführung mit einer Heiz-/Kühlvorrichtung schematisch dargestellt. Damit ist eine gesteuerte Substratabkühlung möglich.
Das Substrat 1, z.B. eine Glassplatte, liegt auf z.B. keramischen Transportrollen 13 auf und kann eine Pendelbewegung ausführen. Die obere steuerbare thermische Isolation 14 besteht in diesem Beispiel aus z.B. drehbar gelagerten Isolationselementen 15 wie Strahlungsschutzschirmen bzw. aus Isolierstoff-Platten. Die untere steuerbare thermische Isolation 5 entspricht der oben beschriebenen Einrichtung. Die konkrete mechanische Ausführung ist unerheblich, sofern die Steuerbarkeit der thermischen Isolierung gewährleistet ist. Die gesteuerte Abkühlung kann folgendermaßen ablaufen. Die thermische Isolierung befindet sich zunächst im Zustand "Thermische Isolation EIN". Die oberen Isolationselemente 15 liegen horizontal, die unteren Isolationselemente 12 sind nach oben gedreht. Die Heizer 8 sind eingeschaltet und so temperiert, dass das nun einfahrende Substrat 1 zunächst auf seiner Temperatur gehalten wird.
Die Heizer 8 werden abgeschaltet, die gesamte thermische Isolation wird in ihrer Wirkung so eingestellt, dass das Substrat 1 mit definierter Rate abgekühlt wird. Die Rollen 13 behindern den Wärmestrom nach unten, jedoch wird das Substrat 1 einer Pendelbewegung ausgesetzt, sodass die Rollen 13 nach unten abstrahlen können und sich somit abkühlen. Der Wärmestrom nach unten kann erhöht werden, wenn der Abstand der Rollen 13 zueinander größer gewählt wird. Des Weiteren kann durch eine entsprechende Gestaltung der Rollen 13 der Wärmefluss erhöht werden, wenn eine Rolle 13 z.B. als dünnwandiger Zylinder ausgebildet wird. In diesem Falle werden die Zylinderflächenbereiche, die jeweils zur kalten Fläche abstrahlen können, stärker gekühlt und können, nachdem sie durch die Drehbewegung wieder der Substratwärmestrahlung ausgesetzt werden, mehr Wärme aufnehmen. In Abhängigkeit von der Anwendung sind Zylinderwanddicke/- durchmesser, Material und Pendelgeschwindigkeit geeignet auszuwählen, um das gewünschte thermische Verhalten zu erzielen.
Nachdem die gewünschte Temperatur erreicht wurde, wird das Substrat 1 aus der Kammer herausgefahren, einer weiteren Kühlung, z.B. einer Konvektionskühlung unterworfen oder unmittelbar aus der Substratbehandlungsanlage in die Umgebungsatmosphäre herausgefahren. Mit der Einrichtung sind auch Aufheizzyklen möglich, etwa um das Substrat 1 einer Behandlung in einer definierten Prozessgasatmosphäre bei einer erhöhten Temperatur zu unterziehen. Dazu wird die thermische Isolation oben 14 und unten 5 eingeschaltet, desgleichen die Heizer 8, um das Substrat 1 auf die gewünschte Temperatur zu temperieren. Nach erfolgter Behandlung des Substrates 1 kann die Abkühlung wie oben beschrieben erfolgen.
Einrichtung zur Temperaturführung von Substraten
Bezugszeichenliste
1 Substrat
2 Längserstreckung, Längsrichtung, Transportrichtung
3 Substrattransportebene
4 Behandlungseinrichtung
5 thermische Isolation 6 Unterbrechung
7 Beheizungseinrichtung
8 Heizelement, Heizer
9 Kühlmittel
10 Isolationsmittel 11 Kühlelement
12 Isolationselement
13 Transportrolle
14 obere thermische Isolation
15 Isolationselemente der oberen thermischen Isolation

Claims

Einrichtung zur Temperaturführung von SubstratenPatentansprüche
1. Einrichtung zur Temperaturführung von Substraten in einer Substratbehandlungsanlage, in der ein Substrat in
Längserstreckung der Substratbehandlungsanlage in einer Substrattransportebene innerhalb einer Vakuumkammer an einer Behandlungseinrichtung vorbeiführbar ist, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass auf einer Seite der Substrat- transportebene (3) ein wärmeabsorbierendes Kühlmittel (9) und dass ein Isolationsmittel (10) angeordnet ist, mit dem das Kühlmittel (9) gegenüber der Substrattransportebene (3) zumindest partiell abschirmbar ist
2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n - z e i c h n e t , dass die Isolationswirkung des Isolations¬ mittels (10) einstellbar ist.
3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Kühlmittel mit einem die Temperatur des Kühlmittels einstellenden Temperierungsmittel versehen ist.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Kühlmittel (9) aus mehreren in Längsrichtung (2) hintereinander angeordneten Kühlelementen (11) besteht.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kühlelemente (11) als Kühlrohre für ein Kühlmedium ausgebildet sind.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadu r ch ge ke nn z e i chne t , dass das Isolationsmittel (10) aus mehreren in Längsrichtung hintereinander angeordneten Isolationselementen (12) besteht.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadu r ch ge ke nn z e i chne t , dass jedem Kühlelement (11) ein Isolationselement (12) zugeordnet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadu r ch ge ke nn z e i chne t , dass ein Isolationselement (12) zwischen einer Position auf einer der Substrattransportebene (3) abgewandten Seite eines Kühlelementes (11) und einer Position auf einer der Substrattransportebene (3) zugewandten Seite des Kühlelementes (11) verstellbar ausgebildet ist .
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadu r ch ge ke nn z e i chne t , dass das Isolationselement (12) die Form eines Zylindersegmentes aufweist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadu r ch ge ke nn z e i chne t , dass zwischen Substrattransportebene (3) und Kühlmittel (9) eine Beheizungs- einrichtung (7) angeordnet ist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadu r ch ge ke nn z e i chne t , dass auf der dem Kühlmittel (9) abgewandeten Seite der Substrattransportebene
(3) eine Beheizungseinrichtung (7) angeordnet ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadu r ch ge ke nn z e i chne t , dass die Beheizungseinrichtung (7) aus mehreren Heizelementen (8) besteht, die in Längserstreckung der Substratbehandlungsanlage nebeneinander angeordnet sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 10 bis 11, dadu r ch ge ke nn z e i chne t , dass die Beheizungseinrichtung als die Temperiereinrichtung ausgebildet ist.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass auf der der Behandlungseinrichtung (4) abgewandten Seite der Substrattransportebene (3) parallel zu der Substrattransportebene (3) eine thermische Isolation (5) angeordnet ist, die in dem Bereich, der der Behandlungseinrichtung (4) gegenüber liegt, unterbrochen ist, und dass in der Unterbrechung das wärme- absorbierende Kühlmittel (9) mit dem Isolationsmittel (10) angeordnet ist.
15. Einrichtung zur Temperaturführung von Substraten in einer Substratbehandlungsanlage, in der ein Substrat in Längserstreckung der Substratbehandlungsanlage in einer Substrattransportebene innerhalb einer Vakuumkammer an einer Behandlungseinrichtung vorbeiführbar ist, dadu r ch ge ke nn z e i chne t , dass auf der der Behandlungseinrichtung (4) abgewandten Seite der Substrattransportebene (3) parallel zu der Substrattransportebene (3) eine thermische Isolation (5) angeordnet ist, die in dem Bereich, der der Behandlungseinrichtung (4) gegenüber liegt, unterbrochen ist.
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