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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit optischem Durchlass in ein Vakuumgehäuse. Sie ist anwendbar in der Vakuumbehandlung, beispielsweise in Gehäusen oder Kammern von Anlagen zur Glasbeschichtung, und sie ermöglicht optischen Zugang zu produktionskritischen und auch zu schwer einsehbaren verdeckten Bauteilen oder Bereichen. Störungen sind damit frühzeitig erkennbar und optisch messbare technische Daten sowie Bildinformationen umfassend erhebbar.
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Das Anwendungsgebiet zielt allgemein auf die Vakuumtechnologie und, soweit gewerblich anwendbar, auf die Vakuumbehandlung, was die Vakuumbeschichtung wie Sputtern und Elektronenstrahlverdampfen sowie Ätzverfahren wie Plasmaätzen mit einbezieht, ab.
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Unter Vakuumgehäuse ist eine Art Behälter zu verstehen, der sowohl umseitig dicht und ausreichend stabil ist, um dem atmosphärischen Druck der Umgebung Stand zu halten. Begrifflich ist anstatt Vakuumgehäuse auch Vakuumkammer geläufig, die je nach Funktion und Anordnung in größeren Vakuum-Anlagen als Schleusen-, Transfer-, Puffer- oder Prozesskammern spezialisiert und benannt sind.
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Moderne und leistungsfähige Anlagen ermöglichen eine sogenannte Durchlaufbeschichtung. Eine Durchlaufbeschichtungsanlage nimmt Substrate wie Glasscheiben an einer Eingangsschleuse auf und gibt sie an einer Ausgangsschleuse im beschichteten Zustand an die Umgebung unter Normaldruck heraus („air-to-air”-Verfahren). Daraus, dass in den Kammern zwischen den Schleusen zum Beschichten mit Vakuum gearbeitet wird, ergeben sich vielfältige technische Herausforderungen beispielsweise an den Substrattransport, an jegliche Abdichtungen und Durchführungen, an die Pumptechnik und an die Beschichtungsmittel. Für große Substrate mit seitlichen Abmessungen im einstelligen Meter-Bereich sind in-line-Anlagen, solche mit in gerader Reihe aufgestellten Kammern, im praktischen Einsatz. Nach dem stehenden oder liegenden Transport der Substrate durch eine Anlage werden vertikale beziehungsweise horizontale Anlagentypen unterschieden.
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In Vakuumbeschichtungsprozessen führen technologisch anspruchsvolle Verfahren wie beispielsweise Elektronenstrahlverdampfen und Gasphasendampfabscheidung zur Substratbeschichtung. Um homogene und defektfreie Schichten auf den Endprodukten zu erhalten, bedarf es einwandfrei und kontinuierlich funktionierender Beschichtungs- und auch Transportmittel. Nachteilig sind beispielsweise inhomogene Plasmen, ungewollte Bogenentladungen (Arcing), Partikelablagerungen sowie Fehlpositionierung und Bruch von Substraten.
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Für stabile Sputter-Prozesse oder thermische Behandlungen wie Tempern sind Messdaten für Regelungen und Steuerungen zu erheben. Berührungen mit dem Substrat sind unerwünscht und die Prozessbedingungen (Dampf, Temperatur, Vakuum) lassen zumeist keine Anordnung von Detektoren, Messsonden, Sensoren oder ähnlichen Messmitteln innerhalb der Kammern zu. Etabliert haben sich berührungslos arbeitende Messmittel und -verfahren wie Pyrometer und Spektrometer. Über Kollimatoren und Lichtwellenleiter lassen sich optische Signale durch die Kammerwand hindurch übertragen.
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Aus
DD 239 810 ist zu Zerstäubungsprozessen bekannt, Signale zu Plasmaemission in der Nähe des Plasmas über Metallröhren aufzunehmen, diese über Lichtleitkabel aus der Kammer zu führen und die Signale an eine Mess- und Regeleinrichtung weiterzugeben.
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Sichtfenster haben sich bewährt, um den Prozessverlauf visuell zu bewerten, denn eine Reihe von Störungen lassen sich mit bloßem Auge erkennen. Da Sichtfenster wie die Kammerwand dicht und druckstabil gegenüber Vakuum sein müssen, kommen sie in Größe und Anzahl sehr sparsam zum Einsatz. Runde Sichtfernster mit Durchmessern von wenigen Zentimetern sind üblich. Diese sind meist so zentral in der Kammerwand angeordnet, dass ein möglichst großer Teil des Kammerinneren von außen beobachtet werden kann. Unvorteilhafterweise sind durch das Sichtfenster nicht alle Bereiche der Kammer einsehbar. Im Bedarfsfall helfen Spiegel, um innerhalb der Kammer optischen Zugang zu verdeckten Bereichen zu erhalten. Sichtfenster und Spiegel beschlagen in Beschichtungskammern bei fehlendem Schutz und müssen folglich regelmäßig getauscht werden. Auch sind Spiegel und Fenster selten gekühlt beziehungsweise nicht auf optimalen Temperaturen gehalten und unterliegen entweder thermischem Verschleiß oder beschlagen infolge kondensierenden Dampfes.
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Bekannt sind Sichtfenster für Vakuumanlagen aus
US 699,921 , aus
JP 05070947 , aus
DE 38 08 682 sowie aus
DE 10 2008 048 586 mit Lösungen, die auf den Schutz vor ungewollter Beschichtung des Sichtglases abzielen. Ein Sichtfenster, dessen Lage indirekt durch die Kammerwand vorgegeben wird, scheidet als Lösungsansatz für Einblicke in verborgene Kammerbereiche insbesondere dann aus, wenn auch auf Spiegel verzichtet werden soll.
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Neben solchen Sichtfenstern zur visuellen Kontrolle sind zur Überwachung der Anlage beispielsweise des Prozess- oder Transportverhaltens Detektoren, Messsonden, Sensoren oder ähnliche Messmittel notwendig und bekannt. Sie liefern unter anderem die Signale für Steuerungen oder Regelungen, um die Anlagen- oder Prozesstechnik unter Kontrolle zu halten. Außerhalb des anlageninternen Vakuums positionierte berührungslos arbeitende Messmittel und -verfahren sind geeignet und es kommen nachfolgend solche näher in Betracht, die das Signal bezüglich einer Quelle aus optischen Informationen erheben.
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Gemäß
US 2007/0068495 kann ein in einem Brennraum verwendeter optischer Sensor so ausgeführt sein, dass dessen den Brennraum zugewandte Spitze mit Linse beheizbar ist. Zum Vermeiden von Rußablagerungen erzeugt das Heizelement zwischen 400°C und 600°C, um ein sofortiges Verbrennen des Rußes zu bewirken. Was für Brennräume in Dieselmotoren geeignet erscheint, lässt sich insofern nicht auf die Vakuumbeschichtung übertragen, da es für die Verbrennung an sich am notwendigen Sauerstoff fehlt und die schichtbildenden Materialien selten brennbar sind.
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Auch
DE 39 21 402 regt an, in der Nähe von Glasabdeckungen, die hier an Enden von in einen Meßkopf eingebetteten Lichtleitfasern, diese optisch durchlässig in der Gehäusewandung des Meßkopfes terminieren, Heizelemente vorzusehen. So ist im Meßkopf gegenüberstehend der optische Übertragungsaus dem -eingang von Lichtsender beziehungsweise -empfänger für das Kalibrieren eines Kunststofffertigungsprozesses angeordnet. Das optisch vermessene Merkstück passiert zumindest anteilig den Meßkopf. Aufschluss über Zustände eines Gas- oder Prozessraumes lassen sich damit nur in dessen unmittelbarer Nähe und über kurze Distanzen bestimmen, was thermisch ausgewogene und materialverträgliche Messbedingungen voraussetzt und eine Zustandserhebung in heißer oder aggressiver Prozessumgebung ausschließt.
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Ein optischer Sensor nach
DE 10 2008 017 412 eignet sich für die Vakuumbeschichtung. Ein in den Prozessraum in unmittelbarer Nähe des Sensorkopfes eingeleiteter Gasfluss verhindert messverfälschende Ablagerungen am Sensor. Die Messung findet nah der Substratoberfläche statt, was zu einer lokalen begrenzten Strömung des Gases auf das Substrat führt. Derartiges muss thermisch auf das Substrat abgestimmt sein, um mechanische Spannungen am Substrat sowie folglich Schäden an Schicht oder Substrat auszuschließen. Zudem erfordert die permanente Gaszufur den permanenten Betrieb der Vakuumpumpen. Zudem lässt sich damit zwar eine Spülwirkung jedoch keine Kühlwirkung erzielen.
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Es ist aus
DE 10 2010 003 413 ein Positionsmesssystem für eine Beschichtungsanlage bekannt, das mit einem Heiz- und Kühlelement sowie mit einem Temperatursensor ausgestattet ist. So lassen sich der Sensor und insbesondere dessen Kopf auf einstelligen-°C über dessen Umgebungswärme halten. Im Effekt reduziert sich am Sensorkopf die Kondensation von Beschichtungsmaterialien. Diese Art der Positionsmessung mit einem gebündelten Strahl zeigt noch keine Lösung für räumlich zu erfassende optische Informationen auf.
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Nach der Erfindung leitet sich aus dem Ziel, langzeitstabiles optisches Kontrollieren oder Erfassen schwierig einsehbarer Kammerbereiche zu ermöglichen, die Aufgabe des Schaffens einer dafür geeigneten Vorrichtung ab.
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Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zudem stellen die Ansprüche 2 bis 12 günstige Ausführungsformen dar.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Art eines Sichtfensters zwischen atmosphärischen Druck und Vakuum zur optischen Kontrolle an einem Gehäuse zur Vakuumbehandlung, kennzeichnet sich dadurch, dass das Sichtfenster innerhalb des durch die Gehäusewand vorgegebenen Gehäuseraumes in einem Kanal angeordnet dicht befestigt ist. Der an einer Durchlassöffnung mit der Gehäusewand außen fest verbundene Kanal ist in das Gehäuseinnere führen geformt sowie angeordnet. Innerhalb des Kanals herrscht atmosphärischer Druck sowie außerhalb des Kanals wie auch innerhalb des Gehäuses Vakuum vor. Sowohl anstatt einer Linse ein Sichtfenster in das Gehäuse hinein zu verlegen als auch die Verbindung zur Gehäusewand mit einem Kanal herzustellen schafft erstmalig Flexibilität hinsichtlich einer vielfältigen Verwendung, die sich eben nicht von vornherein auf das Messverfahren oder auf eine speziell ausgeformtes Messmittel festlegt.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die Sichtfensterfläche zur Durchlassöffnungsfläche seitlich versetzt angeordnet ist. Der seitliche Versatz ist wie der, bei einem Periskop zu verstehen. Das Sichtfenster ist dadurch nahe dem beabsichtigten Beobachtungsort platziert.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die Sichtfensterfläche zur Durchlassöffnungsfläche winklig verstellt angeordnet ist. So lässt sich die Sichtfensterfläche nach dem Beobachtungsort ausrichten und es erschließen sich verdeckte Bereiche im Gehäuseinneren optisch besser.
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Vorteilhafterweise ist der Kanal mindestens einmal gebogen geführt. Das konkretisiert das vorhergehende in einer sehr einfachen aber wirksamen Art und Weise.
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Darauf aufbauend ist es von Vorteil, dass der Kanal innerhalb des Gehäuses nacheinander in Eintrittsrichtung senkrecht, um 90° gebogen parallel zur Gehäusewand geführt und um 90° gebogen parallel zur Eintrittsrichtung geführt ist.
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In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung der Erfindung weist der Kanal einen runden Querschnitt auf und es sind gebogene und gerade Teile des Kanals als über Schellen verbindbare Einzelteile ausgeführt. Mit Schellen lässt sich auch das Sichtfenster am Kanal befestigen und der Kanal selbst an einem Flanschdurchlass der Kammerwand. Das spart konstruktiven Aufwand und soll die Verwendung von handelsüblichen Bauteilen anregen.
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Zweckmäßigerweise ist der Kanal innen durch eine Gasströmung gekühlt. Eine konstruktiv leichter als Wasserkühlung zu bewerkstelligende Luftkühlung sollte ausreichen, um die im Kanal anzuordnenden Messmittel thermisch unkritisch zu betreiben. Damit lässt sich die Vorrichtung in vergleichsweise heißer Umgebung (über 100°C) einsetzen.
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Vorteilhafterweise ist der Kanal außen durch Heizmittel erwärmt und temperiert. Das vermeidet beispielsweise erhöhte Kondensation des Beschichtungsmaterials beim Sputtern auf dem Kanal selbst.
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Es bietet sich weiter an, dass der Kanal außen und/oder innen mindestens einen Temperatursensor aufweist. Kühlung innen und Heizung lassen sich besser geregelt ausführen, wenn zur Ist-Temperatur am und im Kanal genaue Daten vorliegen.
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Darauf aufbauend ist es von Vorteil, dass der Kanal an der befestigten Scheibe sowie diese indirekt durch Heizmittel bis zu 10°C über der vakuumseitigen Umgebungstemperatur erwärmt und temperiert ist. Der Effekt der reduzierten Kondensation ist hier insofern nachhaltig, dass die Scheibe selbst möglichst lange ungetrübt bleibt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind optische Mess- und/oder Bilderfassungsmittel im Kanal angeordnet. Einfache (USB-)Kameras, Thermoelemente und Ähnliches lassen sich bedarfsweise zum Einsatz bringen.
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Darauf aufbauend ist es von Vorteil, dass das Gehäuse zur Vakuumbehandlung Teil einer Anlage zur Vakuumbehandlung ist, die Anlage über eine zentrale Überwachungseinheit einen Anlagenleitstand gesteuert und überwacht ist und die Signale der Mess- und/oder Bilderfassungsmittel sowie die der Temperatursensoren über Leitungen dem Anlagenleitstand zugeführt sind. Auf den manuell besetzten Leitstand (Computer mit Bildschirmen) lassen sich so beispielweise Echtzeitbilder aus dem Innern der Anlage einblenden. Der gravierende Vorteil ist hier die Früherkennung von Problemfällen.
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Zweckmäßigerweise ist es mit in den Bögen angeordneten Spiegeln möglich, sehr sensible Sensor- oder Messtechnik nicht unmittelbar am Sichtfenster sondern beabstandet von diesem zu platzieren, um auch bei heißen Bedingungen im Gehäuse an die erforderlichen Mess- oder Bilddaten zu gelangen.
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Zweckmäßigerweise ist die Vorrichtung, mit Ausnahme des Sichtfensters, aus Metall wie beispielsweise Edelstahl gefertigt.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden. Dazu sind in den Zeichnungen wie folgt dargestellt:
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1 Schnittdarstellung der Vorrichtung im Teil eines Gehäuse
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2 vereinfachte Schnittdarstellung
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3 räumliche Darstellungen des Gehäuses mit Vorrichtung
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In der 1 ist das Gehäuse 1 in der Schnittdarstellung anteilig dargestellt. Es schließt die Gehäusewand 3 ein Gehäuseinneres 2 ein. Damit ist ein geschlossener Raum, der dicht gegen atmosphärischen Druck ist, gebildet. Im Gehäuseinneren 2 herrscht dagegen Vakuum vor. Das zumindest dann, wenn die Vakuumbehandlung aktiv vollzogen und die Anlage in Betrieb ist. Das optisch durchlässige Sichtfenster 4 ist durch den Kanal 5 gehalten, in diesem dicht befestigt und aufgrund der Kanalform in das Gehäuseinnere 2 hinein verlagert. Der Kanal integriert einen Bogen 7 als Einzelbauteil. Im Einzelnen besteht der Kanal 5 neben dem Bogen 7 aus weiteren gebogenen und geraden Segmenten, die mit unterschiedlichen Schrägschraffuren dargestellt sind. Zum Verbinden der Segmente sind Schellen vorgesehen. Der Kanal 5 ist mit der Gehäusewand 3 verbunden. Über die Durchlassöffnung 6 gelangen Leitungsmittel 9 in den Kanal 5. Zudem kann darüber eine Kühlung im Inneren des Kanals 5 durch Luftzufuhr im Bereich der Durchlassöffnung 6 geschaffen sein. Der Kanal 5, die Leitungsmittel 9 und insbesondere die Mess-/Bilderfassungsmittel 8 wären so vor Überhitzung geschützt. Anhand der Eintrittsrichtung 10 soll der Verlauf der Luftzufuhr gezeigt sowie die Führung des Kanals 5 erläutert sein.
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Die 2 zeigt vereinfacht die wesentlichen Bestandteile und den Aufbau der der Vorrichtung ohne die Mess-/Bilderfassungsmittel und ohne Leitungsmittel.
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So veranschaulicht auch die 3 in der räumlichen Darstellung schematisch beispielhaft die erfinderischen Lösung, wobei über einen Ausschnitt Einblick in das Gehäuse 1 oder vielmehr ins Gehäuseinnere 2 gewährt wird. Der Kanal 5 mit der Durchlassöffnung 6 durchdringt die Gehäusewand 3, in der er befestigt ist. Bis zum Sichtfenster 4 wird die in Eintrittsrichtung 10 in den Kanal 5 einströmende kühlende Luft vordringen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Gehäuseinneres
- 3
- Gehäusewand
- 4
- Sichtfenster
- 5
- Kanal
- 6
- Durchlassöffnung
- 7
- Bogen
- 8
- Mess-/Bilderfassungsmittel
- 9
- Leitungsmittel
- 10
- Eintrittsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 239810 [0007]
- US 699921 [0009]
- JP 05070947 [0009]
- DE 3808682 [0009]
- DE 102008048586 [0009]
- US 2007/0068495 [0011]
- DE 3921402 [0012]
- DE 102008017412 [0013]
- DE 102010003413 [0014]
