DE102007047330A1

DE102007047330A1 - Heizeinrichtung für eine Vakuumanlage

Info

Publication number: DE102007047330A1
Application number: DE200710047330
Authority: DE
Inventors: Reinhardt Bauer; Thomas Pünsch; Matthias Dr. Smolke; Frank Hupka; Andreas Heisig
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2009-04-09

Abstract

Es wird eine verbesserte Heizeinrichtung für eine Vakuumanlage beschrieben. Vakuumanlagen dienen der Behandlung von Substraten im Vakuum, beispielsweise zur Beschichtung der Substratoberfläche mit Beschichtungsmaterial in einem Beschichtungsverfahren oder/und zur Reinigung und Aktivierung der Substratoberfläche in einem Ätzverfahren. Die vorgeschlagene Heizeinrichtung mit einer Wärme abstrahlenden Oberfläche ist dadurch gekennzeichnet, dass die flächenbezogene Wärmeleistung an mindestens einem Randbereich der Oberfläche gegenüber dem Rest der Oberfläche erhöht ist.

Description

Nachfolgend wird eine verbesserte Heizeinrichtung für eine Vakuumanlage beschrieben. Vakuumanlagen dienen der Behandlung von Substraten im Vakuum, beispielsweise zur Beschichtung der Substratoberfläche mit Beschichtungsmaterial in einem Beschichtungsverfahren oder/und zur Reinigung und Aktivierung der Substratoberfläche in einem Ätzverfahren.
Zur Beeinflussung der Temperatur von Substraten in Vakuumanlagen werden im Innern derartiger Anlagen, beispielsweise an der Kammerdecke der Vakuumkammer einer Durchlaufanlage zur Beschichtung flacher Substrate, flächenhafte Strahlungsheizeinrichtungen installiert. Die Substrate durchlaufen die Vakuumkammer, üblicherweise auf einer darin angeordneten Transporteinrichtung liegend, wobei die von der Heizeinrichtung abgestrahlte Wärme die Temperatur der Substrate hebt. Um die Wartung der Heizeinrichtung zu erleichtern, kann die Kammerdecke entfernbar, beispielsweise als aufklappbarer Deckel, gestaltet sein. In diesem Fall können Wartungs- und Reparaturarbeiten an der Heizeinrichtung, aber auch an der gegebenenfalls darunter befindlichen Transporteinrichtung, mit geringem Aufwand vorgenommen werden.
Die vorgeschlagene Heizeinrichtung mit einer Wärme abstrahlenden Oberfläche ist dadurch gekennzeichnet, dass die flächenbezogene Wärmeleistung an mindestens einem Randbereich der Oberfläche gegenüber dem Rest der Oberfläche erhöht ist. Die Wärmeleistung der Heizeinrichtung bezeichnet die pro Zeiteinheit abgegebene Wärmemenge. Bei herkömmlichen Heizeinrichtungen ist man bestrebt, die Wärmeleistung pro Flächeneinheit über die gesamte Oberfläche möglichst konstant zu halten.
Dieser Idealzustand wird hingegen selten erreicht, so dass reale Heizeinrichtungen im allgemeinen in Randbereichen der Oberfläche eine geringere flächenbezogene Heizleistung aufweisen als in Bereichen der Oberfläche, die näher zum Zentrum der Oberfläche angeordnet sind. Dieser Effekt ist im Allgemeinen auf eine ungünstige Anordnung oder Wirkungsweise der verwendeten Heizelemente oder/und den höheren Wärmeverlust zurückzuführen, der dadurch zustande kommt, dass in diesen Bereichen die Abstrahlrichtung nicht nur der Flächennormalen der Oberfläche entspricht, sondern ein Teil der Wärme auch seitlich oder gar nach hinten abgestrahlt wird.
Demgegenüber ist bei der hierin beschriebenen Heizeinrichtung vorgesehen, gerade in den Randbereichen die flächenbezogene Wärmeleistung, oder Heizleistung, bewusst zu erhöhen. Dadurch können bei der vorgeschlagenen Heizeinrichtung die in den Randbereichen auftretenden höheren Wärmeverluste ausgeglichen werden, so dass eine gleichmäßige Aufheizung der an der Heizeinrichtung vorbei geführten Substrate in einer Vakuumanlage erzielt werden kann.
Von der vorgeschlagenen Heizeinrichtung umfasst sind jegliche Ausführungsformen, bei denen in mindestens einem Randbereich der Oberfläche eine größere Wärmemenge pro Zeiteinheit bereitgestellt wird als im Rest der Oberfläche. Nachfolgend werden beispielhaft einige mögliche Ausgestaltungen einer flächenhaften Heizeinrichtung angegeben, bei denen die flächenbezogene Wärmeleistung von Randbereichen der Oberfläche erhöht ist.
Derartige Strahlungsheizungen können beispielsweise eine Wärmespeichereinrichtung und eine Anzahl von auf der Oberfläche der Wärmespeichereinrichtung angeordneten Heizelementen umfassen. Innerhalb der Vakuumkammer kann die Heizein richtung beispielsweise so angeordnet sein, dass die Heizelemente den durch die Vakuumkammer transportierten, zu beschichtenden Substraten zugewandt sind. Die Heizelemente geben Strahlungswärme an die Umgebung ab. Dabei wird ein erster Teil der abgegebenen Wärme in der Richtung der Substrate abgestrahlt, so dass dieser Teil der Wärme auf die Substrate trifft und sie erwärmt.
Ein zweiter Teil der abgegebenen Wärme wird in der entgegengesetzten Richtung abgestrahlt und erwärmt daher die Wärmespeichereinrichtung. Die Wärmespeichereinrichtung gibt ihrerseits die aufgenommene und gespeicherte Wärme in Form von Strahlung in der Richtung der Substrate wieder ab. Das Vorhandensein der Wärmespeichereinrichtung hat dabei den Effekt, dass die in der Richtung auf die Substrate zu abgestrahlte Wärme über die Fläche der Heizeinrichtung gleichmäßiger ist, als dies bei einer diskreten Anordnung einer Mehrzahl von Heizelementen der Fall wäre.
Die Heizelemente können beispielsweise elektrisch betriebene Widerstandsheizstäbe sein. Die Widerstandsheizstäbe können beispielsweise gerade, wellenlinienförmig, spiralförmig, mäandrisch oder ähnlich ausgebildet sein, um eine möglichst gute und gleichmäßige Flächenabdeckung zu erzielen. Beispielsweise kann ein einzelnes spiralförmiges Heizelement vorgesehen sein, dessen Windungen sich zum Rand der Oberfläche der Wärmespeichereinrichtung hin verengen, das heißt bei der sich der Abstand der Windungen zum Rand hin verringert. In einer Ausgestaltung ist das Material der Widerstandsheizstäbe kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff (engl. "Carbon Fiber reinforced Carbon" = CFC). Die Wärmespeichereinrichtung kann beispielsweise plattenförmig ausgebildet sein und aus Graphit oder einem anderen Material mit guter Wärmespeicherfähigkeit bestehen.
Die Grundform der Wärmespeichereinrichtung kann, abhängig von der beabsichtigten Anwendung, rechteckig, kreisförmig, elliptisch und so weiter sein. Für Vakuumanlagen der oben beschriebenen Art, die nach dem Durchlauf Prinzip arbeiten, wird in den meisten Fällen eine rechteckige Grundform zweckmäßig sein, insbesondere auch deshalb, weil in den lang gestreckten Vakuumkammern derartiger Vakuumanlagen mehrere gleichartige Heizeinrichtungen rechteckiger Grundform leicht hintereinander montierbar sind. Die Heizelemente können auf der Oberfläche oder mit einem Abstand vor der Oberfläche der Wärmespeichereinrichtung oder in das Material der Wärmespeichereinrichtung eingebettet angeordnet sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der beschriebenen Heizeinrichtung anhand von Zeichnungen näher erläutert, worin
1 ein erstes Ausführungsbeispiel, und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Heizeinrichtung zeigt.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf der rechteckigen Oberfläche einer Graphitplatte 1 mehrere Widerstandsheizstäbe 21, 22 aus CFC angeordnet. Die Widerstandsheizstäbe 21, 22 verlaufen parallel zur Oberfläche und parallel zueinander. Die Heizeinrichtung ist zum Einbau in die Vakuumkammer einer Vakuumanlage vorgesehen, wobei die Heizeinrichtung an der Kammerdecke angeordnet wird und der Pfeil 3 die Transportrichtung der Substrate bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die Heizeinrichtung so in der Vakuumanlage zu installieren, dass die in diesem Beispiel geraden Widerstandsheizstäbe 21, 22 in der Transportrichtung 3 der Substrate verlaufen.
Im zentralen Bereich 11 der Oberfläche der Wärmespeichereinrichtung 1 weisen die dort angeordneten Widerstandsheizstäbe 21 gleiche Abstände zueinander auf. In den Randbereichen 12 der Oberfläche hingegen sind die Abstände der Widerstandsheizstäbe 22 zueinander unterschiedlich, und zwar in der Weise, dass der Abstand um so geringer wird, je näher die beabstandeten Widerstandsheizstäbe 22 am Rand der Oberfläche angeordnet sind. Wie oben bereits erwähnt, ist die Heizeinrichtung zur Montage an der Kammerdecke vorgesehen, so dass die Randbereiche 12 direkt an die seitlichen Kammerwände grenzen.
Die Kammerwände nehmen einen Teil der von der Heizeinrichtung abgestrahlten Wärme auf, so dass in den Randbereichen 12 weniger Wärme zur Aufheizung der Substrate zur Verfügung stünde, wenn die Heizelemente 21, 22 gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Wärmespeichereinrichtung 1 verteilt wären. Die Art der Anordnung der Heizelemente 22 in den Randbereichen 12 kompensiert diesen erhöhten Wärmebedarf an den Rändern der Wärmespeichereinrichtung, so dass die Wärmeabgabe je Flächeneinheit über die gesamte Oberfläche der Heizeinrichtung annähernd konstant ist.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf einer ebenfalls rechteckigen Oberfläche einer Graphitplatte 1 Widerstandsheizstäbe 21, 22 angeordnet. Dabei bilden die quer zur Transportrichtung 3 der Substrate angeordneten Widerstandsheizstäbe 21 eine erste Gruppe von Heizelementen, die mit gleichbleibendem Abstand über die gesamte Oberfläche der Graphitplatte 1 verteilt sind.
Zum Ausgleich von höheren Wärmeverlusten entlang der Ränder der Oberfläche der Graphitplatte 1 ist in jedem Randbereich 12 eine zweite Gruppe von Heizelementen 22 so angeordnet, dass die Abstände zwischen benachbarten Widerstandsheizstäben 22 zum Rand der Graphitplatte 1 hin abnehmen. Die Heizelemente 22 der zweiten Gruppe verlaufen dabei rechtwinklig zu den Heizelementen 21 der ersten Gruppe, das heißt in der Transportrichtung 3 der Substrate. Wie bei der Heizeinrichtung gemäß 1 wird der höhere Wärmebedarf entlang der Ränder der Graphitplatte 1 kompensiert.
Der Aufbau ist etwas komplizierter, da die Heizelemente 21 der ersten Gruppe und die Heizelemente 22 der zweiten Gruppe sich kreuzen. Dafür ist jedoch die Anbringung mehrerer gleichartiger Heizeinrichtungen hintereinander dadurch erleichtert, dass zwischen dem letzten Heizelement 21 der einen und dem ersten Heizelement 21 der anderen Heizeinrich tung derselbe Abstand wie zwischen benachbarten Heizelementen 21 ein und derselben Heizeinrichtung realisierbar ist.

1: Wärmespeichereinrichtung, Oberfläche
11: zentraler Bereich der Oberfläche
12: Randbereich der Oberfläche
21: Heizelement
22: Heizelement
3: Transportrichtung

Claims

Heizeinrichtung für eine Vakuumanlage, umfassend eine Wärme abstrahlende Oberfläche (1), dadurch gekennzeichnet, dass die flächenbezogene Wärmeleistung an mindestens einem Randbereich (12) der Oberfläche (1) größer ist als am Rest der Oberfläche (1).
Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Wärmespeichereinrichtung (1) sowie eine Anordnung von parallel zur Oberfläche der Wärmespeichereinrichtung (1) angeordneten Heizelementen (21, 22) umfasst, wobei der Abstand benachbarter Heizelemente (21, 22) in mindestens einem Randbereich (12) der Oberfläche (1) geringer ist als am Rest der Oberfläche (1).
Heizeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand benachbarter Heizelemente (21, 22) mit abnehmender Entfernung vom Rand abnimmt.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe lang gestreckter Heizelemente (21) parallel zur Oberfläche der Wärmespeichereinrichtung (1) und parallel zueinander angeordnet ist und weiterhin mindestens ein zusätzliches lang gestrecktes Heizelement (22) vorgesehen ist, das parallel zur Oberfläche der Wärmespeichereinrichtung (1), aber nicht parallel zu den Heizelementen (21) der ersten Gruppe angeordnet ist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Heizelement (22) rechtwinklig zu den Heizelementen (21) der ersten Gruppe angeordnet ist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Heizelement (22) Teil einer zweiten Gruppe lang gestreckter Heizelemente (22) ist, die parallel zueinander angeordnet sind.
Heizeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zweite Gruppen lang gestreckter Heizelemente (22) vorgesehen sind, wobei je eine zweite Gruppe an je einem Ende der Heizelemente (21) der ersten Gruppe angeordnet ist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen je zwei benachbarten Heizelementen der zweiten Gruppe unterschiedlich groß sind.
Heizeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zweier benachbarter Heizelemente (22) der zweiten Gruppe umso kleiner ist, je geringer ihr Abstand zu einem Ende der Heizelemente (21) der ersten Gruppe ist.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (21, 22) stabförmige elektrische Widerstandsheizelemente sind.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (21, 22) aus CFC gefertigt sind.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichereinrichtung (1) eine Graphitplatte ist.