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Die Erfindung betrifft eine Warmeschutzkassette für elektronische Bauelemente, insbesondere zur Temperaturmessung in Substratbehandlungsanlagen mit geringer Durchfahrtshöhe.
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In Substratbehandlungsanlagen, beispielsweise sogenannten Durchlaufanlagen, in denen Substrate, beispielsweise plattenförmige Substrate wie Glasscheiben, bandformige Substrate wie Metallbänder oder dergleichen einer Oberflächenbehandlung, beispielsweise durch Auf- oder Abtragen einer Oberflächenschicht ausgesetzt werden, gibt es oftmals verschiedene Prozesszonen, in denen unterschiedliche Bedingungen aufrechterhalten werden müssen oder/und der Austausch von Bestandteilen der jeweils herrschenden Atmosphären zwischen unterschiedlichen Prozesszonen verhindert werden muss. Hierzu können zwischen verschiedenen Prozesszonen geeignete Maßnahmen, wie zwischengeschaltete Pumpsektionen, Transferkammern oder/und Druckseparationselemente vorgesehen sein.
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Zur Sicherung der Prozessqualität besteht die Aufgabe, Soll-Temperaturprofile auf dem Substrat einzustellen. Eine Kontrolle der Substrattemperaturen ist dabei auf zwei Wegen möglich, nämlich der Verwendung einer ausreichenden Anzahl von Temperaturmessgeräten, beispielsweise Pyrometern, mit dem Nachteil, dass Temperaturmessungen nur an ausgewählten Positionen möglich sind, und dem Einsatz von Temperaturmessgeräten, beispielsweise Thermoelementen und Thermoelement-Datenloggern direkt auf dem Substrat, mit dem Nachteil, dass bei Durchlaufanlagen, in denen eine kontinuierliche Behandlung von Substraten während des Transports durch die Substratbehandlungsanlage stattfindet, durch zwischen unterschiedlichen Beschichtungsbereichen angeordnete Gasseparationselemente, beispielsweise sogenannte Spaltventile, häufig nur sehr kleine Durchfahrtshöhen für das Substrat zur Verfügung stehen, woraus sich die Gefahr einer Kollision des Temperaturmessgeräts mit dem Gasseparationselement ergibt.
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In
DE 10 2009 059 093 A1 wurde zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen, dass in Durchlaufanlagen das Gasseparationselement in seinem oberen Bereich um eine quer zur Transportrichtung verlaufende Achse schwenkbar gelagert ist.
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Für einige Anwendungen ist eine lückenlose Aufzeichnung der Substrattemperatur gewünscht, um z. B. das Einhalten von Temperatur-Obergrenzen (insbesondere in Sputterkompartments) kontrollieren zu können. Deshalb ist in diesen Fällen eine In situ-Messung von Substrattemperaturen während des Durchlaufes durch eine Vakuumbeschichtungsanlage erforderlich. Die Durchlaufzeit eines Substrats durch die Anlage kann beispielsweise 15 bis 30 Minuten benötigen, wobei eine Substrattemperatur von beispielsweise 350°C bei Heizertemperaturen von 350 bis 550°C erreicht werden soll. Die Gesamtdurchfahrtshöhe des Substrats kann an einigen Stellen beispielsweise nur 20 mm betragen.
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Die zur Temperaturmessung auf dem Substrat verwendete Messtechnik kann beispielsweise auf dem Substrat befestigte Thermoelemente sowie einen oder mehrere elektronische Thermoelement-Datenlogger umfassen, welche die gemessenen Temperaturen aufzeichnen.
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Als Problem kann sich dabei erweisen, dass die obere Einsatztemperatur der Thermoelement-Datenlogger nur ca. 90°C beträgt.
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Daraus ergibt sich die Aufgabe, einen vakuumgeeigneten Wärmeschutz für die elektronischen Bauelemente mit dem Ziel der Platzierung auf dem Substrat unter Beachtung der geringen Gesamtdurchfahrtshöhe und der Bauhöhe der Thermoelement-Datenlogger von beispielsweise 9,5 mm anzugeben.
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Aus
DE 25 09 787 A1 ist ein Temperatur-Schutzgefäß für Messeinrichtungen bekannt, bei dem ein Wassergefäß, das mit einer oder mehreren Dampfaustrittsöffnungen versehen ist, thermisch leitend mit einem Schutzraum verbunden und in einem wärmeisolierenden Behälter angeordnet ist, wobei der Schutzraum so dimensioniert ist, dass ein Dewar-Gefäß Aufnahme findet, in dessen Nutzraum eine Messeinrichtung eingebaut werden kann.
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Die Bauhöhe der Thermoelement-Datenlogger kann beispielsweise ca. 9,5 mm betragen. Bei Platzierung auf einem Substrat von beispielsweise 3,0 mm Dicke beträgt die zulässige Bauhöhe bei einer Gesamtdurchfahrtshöhe von beispielsweise 20 mm nach Abzug einer Sicherheit von 1,5 mm noch 15,5 mm.
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Es wird demnach eine Wärmeschutzeinrichtung benötigt, die bei sehr geringer Wandstärke dennoch einen effektiven Schutz der Messelektronik vor Überhitzung gewährleistet.
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Es wird daher eine Wärmeschutzeinrichtung für elektronische Baugruppen vorgeschlagen, die einen mit der Umgebung kommunizierenden Behälter mit mindestens zwei Wandschichten umfasst, deren Seitenflächen zueinander beabstandet sind, wobei die Dicke der Wandschichten von innen nach außen abnimmt.
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Die Wandschichten bilden eine Kaskade von Strahlungsschutzschirmen, die einen effektiven Wärmeschutz für die in dem Behälter angeordneten elektronischen Komponenten gewährleistet. Beim Einsatz unter subatmosphärischem Druck (technisches Vakuum) erfolgt der Wärmetransport in das Innere der Wärmeschutzeinrichtung nur durch Wärmestrahlung. Damit gelingt es, wärmeempfindliche Bauteile für längere Zeit in einer Hochtemperaturumgebung zu betreiben. Mit der vorgeschlagenen Lösung kann für die geplanten Anwendungsbereiche eine Wärmeschutzkassette geringer Bauhöhe hergestellt werden.
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Für Vakuumanwendungen ist es weiter wichtig, dass der Innenraum mit der Umgebung kommunizieren kann, so dass ein Druckausgleich stattfinden kann, wenn in der Umgebung der Wärmeschutzeinrichtung ein geringerer Druck herrscht als im Innenraum. Anderenfalls würde der im Innern herrschende atmosphärische Druck die Wärmeschutzeinrichtung zerstören, insbesondere, wenn sehr dünne Bleche oder Folien verwendet werden.
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Beim Verlassen der Vakuumbeschichtungsanlage dringt Umgebungsluft in die Wärmeschutzkassette ein. Dabei ergibt sich aus thermischer Sicht zwischen den Schutzschirmen eine Wärmebrücke (Wärmestrahlung und Wärmeleitung durch Luft). In der Folge wird ein sehr großer Wärmestrom von den zum Teil sehr heißen äußeren Schirmen in Richtung der beim bisherigen Anlagendurchlauf nur mäßig erwärmten inneren Wandschichten fließen.
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Aufgrund dieses Wärmestromes können die inneren Wandschichten sehr schnell sehr hohe Temperaturen annehmen. Die obere Grenztemperatur der elektronischen Bauelemente, die direkt von den inneren Schirmen umschlossen werden, kann überschritten werden mit der Gefahr der Zerstörung der Datenlogger und damit dem Verlust der Messwerte.
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Diesem Effekt wird durch eine Anordnung der Wandschichten entgegengewirkt, bei der die dünnsten Elemente (Edelstahlfolien) außen angeordnet sind. Beispielsweise können von innen nach außen Wandschichten mit abnehmender Dicke (z. B. 1,5 mm; 0,5 mm; 2 × 0,1 mm) aus elektropoliertem Edelstahlblech bzw. aus Edelstahlfolie angeordnet sein.
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Werden die äußeren Strahlungsschutzschirme, welche beim Anlagendurchlauf die höchsten Temperaturen annehmen, aus dünnen Folien gefertigt, dann kühlen diese sich nach dem Verlassen der Anlage durch freie Konvektion schnell ab. Dadurch wird die Wärmemenge, welche von den äußeren Schirmen in Richtung der nur mäßig erwärmten inneren Wandschichten fließt, deutlich reduziert und die obere Grenztemperatur der Datenlogger nicht mehr überschritten. Damit kann im Vergleich zu einer umgekehrten Anordnung der Strahlungsschutzschirme die Wärmebelastung der Datenlogger und deren zu erwartende Maximaltemperatur deutlich gesenkt werden.
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Bei schlagartiger thermischer Belastung können sich dicke Bleche verwerfen (Gründe: Bimetall-Effekt aufgrund Temperaturgradient über Blechdicke, eingepragte Spannungen durch mechanische Bearbeitung). Bestehen dagegen die äußeren Schirme, welche der schlagartigen thermischen Belastung ausgesetzt sind, aus metallischen Folien, dann treten aufgrund deren geringer Dicke keine Verwerfungen auf.
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Die weiter innen liegenden dickeren Bleche werden nur langsam erwärmt (durch hohe Reflexionsgrade nur geringe Wärmeströme durch Wärmestrahlung) und neigen dadurch nicht mehr dazu, sich zu verwerfen.
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In einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mehrere einseitig offene Behälter wie Deckel und Boden einer Stülpschachtel ineinandergesteckt sind. Damit ist eine Konfiguration gemeint, wie sie beispielsweise im Internationalen Code für Versandverpackungen (http://www.fefco.org/fileadmin/fefco_files/fefcocodes/FEFCOESBO_code_of_designs.pdf), insbesondere unter der Codereihe 0300 dargestellt sind. Stülpschachteln bestehen aus zwei oder mehr Teilen. Ein Oberteil (Deckel) wird über ein Unterteil (Boden) gestülpt oder beide uber einen Rumpf.
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Der Abstand zwischen den einzelnen Wandschichten kann in diesem Fall beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass die senkrechten Teile einer solchen Wandschicht umso höher werden, je weiter außen das entsprechende Element angeordnet ist. Andere Ausgestaltungen, bei denen die Wände etwa durch eingeprägte Konturen wie Sicken oder dergleichen auf Abstand gehalten sind, sollen jedoch ausdrücklich mit umfasst sein.
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Die Anordnung von Wandschichten der oben beschrieben Art führt mangels fester Verbindung zwischen den einzelnen Wandschichten (offenen Behältern) gleichzeitig dazu, dass der Innenraum mit der Umgebung kommunizieren kann, so dass ein Druckausgleich stattfinden kann, wenn in der Umgebung der Wärmeschutzeinrichtung ein geringerer Druck herrscht als im Innenraum.
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In einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Wandschicht aus Edelstahl besteht. Hierfür können Edelstahlblech oder Edelstahlfolie geringer Dicke, beispielsweise zwischen 0,1 und 3 mm, verwendet werden. Auf Grund der guten Wärmespeichereigenschaften von Edelstahl wird die Umgebungswärme verzögert in den Innenraum der Schutzkassette weitergegeben.
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In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Edelstahl elektropoliert ist. Durch die hohen Reflexionsgrade der elektropolierten Bleche werden dabei generell nur kleine Strahlungswärmeströme übertragen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt einen Thermoelement-Datenlogger 1, der innerhalb einer Wärmeschutzeinrichtung angeordnet ist. Dieser besteht aus mehreren Wandschichten 2, die jeweils als einseitig offene Behälter ausgeführt und wie Deckel und Boden einer Stülpschachtel ineinandergesteckt sind, wobei ihre Größe von innen nach außen zunimmt. Die seitlichen Bereiche der einzelnen Wandschichten 2 bilden dadurch eine Art Labyrinthdichtung, die die elektronischen Komponenten im Innenraum vor eindringendem Streudampf schützt, gleichzeitig aber einen Druckausgleich mit der Umgebung ermöglicht.
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Die Wanddicken der Wandschichten 2, die aus elektropoliertem Edelstahl bestehen, nehmen von innen nach außen von 1,5 mm über 0,5 mm bis 0,1 mm ab.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektronische Komponenten
- 2
- Wandschicht
