DE19702140A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Temperatur eines rotierenden Trägers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Ver­ fahren zur Messung der Temperatur eines mit vorbestimmter Winkelgeschwindigkeit um eine Drehachse rotierenden Trägers, mit wenigstens einem thermisch mit dem Träger gekoppelten Temperaturfühler und einer dem wenigstens einen Temperatur­ fühler zugeordneten Meßanordnung, die an eine elektronische Auswerteschaltung ankoppelbar ist.

Bei der epitaktischen Beschichtung von Halbleiterscheiben ist für die Kontrolle des Epitaxiewachstumsprozesses die genaue Steuerung oder wenigstens die Kenntnis der Temperatur des Trägertellers, auf welchem die Halbleiterscheibe abgelegt ist, erforderlich. Zur Messung der Temperatur des rotierenden Epitaxiescheibenträgertellers sind pyrometrische Meßverfah­ ren üblich, welche allerdings aufgrund des veränderlichen Farbbeiwertes der Oberfläche des Trägers bzw. der epitaktisch aufgebrachten Schichten oftmals verfälschte Meßergebnisse liefert. Nachdem für den Wachstumsprozeß der Epitaxiescheibe deren Temperatur maßgebend ist, die Scheibentemperatur weit­ gehend über das beim Epitaxieverfahren verwendete Gas mit der Temperatur des Trägertellers gekoppelt und lediglich zu einem geringeren Anteil über den Austausch von Strahlungsenergie erfolgt, kann vermittels pyrometrischer Messungen die wirkli­ che Temperatur des Trägertellers nur mittelbar erfaßt wer­ den. Genauere Meßergebnisse liefern direkte Temperaturmeß­ verfahren, bei denen ein Thermowiderstand (beispielsweise ein 1 kOhm-Platindrahtwiderstand) im Trägerteller eingebettet ist, dessen Anschlüsse über einen keramisch isolierten Draht zu einem Schleifring auf der Drehwelle geführt werden. Bei einer solchen Meßanordnung ergeben sich jedoch aufgrund der vergleichsweise hohen zu messenden Temperaturen Schwierigkei­ ten bei dem Versuch, eine dauerhaft sichere elektrische Kon­ taktierung zu bewerkstelligen. Generell gilt als weitere Ne­ benbedingung bei derartigen Anlagen, daß mit den Mitteln zur Messung der Temperatur des Scheibenträgertellers keinerlei Materialien in den Reaktorraum eingebracht werden dürfen, die bei den hohen üblichen Betriebstemperaturen von in der Regel über 500° Celsius auch nur geringfügig Gase freisetzen. Das bedeutet, daß der Gasdruck der zum Einsatz gelangenden Meß­ mittel auch bei hohen Temperaturen äußerst gering sein muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturmessung eines rotierenden Trägertellers in der Halbleiterbeschichtungstechnologie zur Verfügung zu stellen, welche bzw. welches bei einfachster konstruktiver Ausbildung, verbunden mit der Möglichkeit der einfachen Nachrüstung bereits vorhandener Anlagen eine hin­ reichend genaue Messung der wirklichen Temperatur des Träger­ tellers gestattet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt vorrichtungstechnisch mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, verfahrens­ technisch mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 21.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der wenigstens eine, thermisch mit dem Träger gekoppelte Temperaturfühler einen ferro- oder paramagnetischen und/oder ferroelektrischen Werk­ stoff aufweist, dessen magnetische bzw. elektrische Suszepti­ bilität nach dem Curieschen bzw. Curie-Weißschen Gesetz von der Temperatur abhängt, und die Meßanordnung eine dem wenig­ stens einen Temperaturfühler zugeordnete Polarisierungsein­ richtung und eine gegenüber dem rotierenden Träger festste­ hende Detektoreinrichtung aufweist, welche beim Vorbeilaufen des wenigstens einen Temperaturfühlers ein der Temperatur des Trägers entsprechendes Meß-Signal liefert.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darin, zur be­ rührungslosen Temperaturmessung eines rotierenden Trägers ei­ nen magnetischen (oder ferroelektrischen) Temperaturfühler aus einem Material vorzusehen, welches im technologisch in­ teressierenden Temperaturbereich des Trägers eine Änderung der Polarisierung mit der Temperatur zeigt. Der Temperatur­ fühler ist hierbei im Wärmeleitungskontakt mit dem Träger verbunden oder in diesen eingearbeitet, oder ist durch den Träger selbst oder einen Teil hiervon ausgebildet. Beim Vor­ beilaufen des aus magnetisierbaren oder elektrisierbaren Ma­ terial bestehenden Temperaturfühlers an der Meßanordnung än­ dert sich die magnetische (oder elektrische) Polarisierung abhängig von der Polarisierbarkeit des Temperaturfühlers, und es wird ein kurzer Wechselspannungsimpuls erzeugt, welcher phasenrichtig in Relation zur Winkelgeschwindigkeit des Trä­ gers bei konstanter Drehung und exakter Achslagerführung des Trägers ein Nutzsignal ergibt, dessen Höhe empfindlich und in der Regel monoton von der Temperatur des Temperaturfühlers und damit des Trägers abhängt.

Die erfindungsgemäße Lösung besitzt insbesondere folgende Vorteile:

• - Sie ermöglicht eine ausreichend genaue und reproduzierbare Messung der wirklichen Trägertemperatur, ohne daß wesent­ liche bauliche Veränderungen am Träger vorgenommen werden müssen, so daß sich die Erfindung insbesondere auch zur einfachen Nachrüstung bereits vorhandener Anlagen bestens eignet.
• - Wegen des berührungslosen Meßprinzips sind störanfällige Schleifkontakte überflüssig.
• - Die Temperaturmessung kann unabhängig von auf dem Träger­ teller aufwachsenden Belägen erfolgen.
• - Ferromagnetische und/oder -elektrische Materialien sind in der Regel Kristalle oder kompakt gesinterte Kristallitge­ menge mit niederem Dampfdruck auch bei hohen Temperaturen. Damit sind störende Beiträge der Temperaturfühler aufgrund freigesetzter Gase im Beschichtungsprozeß der Anlagen weitgehend ausgeschlossen.

Bei einer einfachen Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die dem wenigstens einen Temperaturfühler zugeord­ nete Polarisierungseinrichtung einen gegenüber dem rotieren­ den Träger feststehend angeordneten Dauer- oder Elektromagne­ ten besitzt, und die Detektoreinrichtung durch eine mit der Auswerteschaltung elektrisch gekoppelte Induktivität, insbe­ sondere Spule ausgebildet ist. Die im Wesentlichen innerhalb der Trägerebene angeordnete, gegenüber dem rotierenden Träger feststehende Spule der Detektoreinrichtung nimmt elektroma­ gnetische Signale des vorbeilaufenden Temperaturfühlers auf, der durch die Polarisierungseinrichtung magnetisiert worden ist. Die Polarisierungseinrichtung kann hierbei durch eine ebenfalls in der Trägerebene angeordnete zusätzliche Spule, durch welche ein Dauer- oder Wechselstrom aus einer Strom­ quelle fließt, oder in Form eines feststehenden Dauermagneten in der Trägerebene in der Nähe der Detektoreinrichtung ausge­ bildet sein.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung kann vorgesehen sein, daß sowohl die Polarisierungseinrichtung, als auch die Detektoreinrichtung durch eine mit der Auswerteschaltung elektrisch gekoppelte Spule ausgebildet ist, welche zur Er­ zeugung eines Polarisierungsfeldes mit einem elektrischen Dauer- oder Wechselstrom beaufschlagt ist. Bei dieser Ausfüh­ rung ist die das elektromagnetische Signal des Temperaturfüh­ lers aufnehmende Spule gleichzeitig die magnetfelderregende Spule.

Bei einer weiterhin bevorzugten Ausführung kann vorgesehen sein, daß zwei oder mehrere Temperaturfühler vorgesehen sind, die rotationssymmetrisch am oder im Träger angeordnet sind. Beispielsweise können die Temperaturfühler in Form von zwei Bolzen von jeweils etwa 5 mm Durchmesser und etwa 10 mm Länge im Sinne eines Unwuchtausgleiches des Trägers genau ro­ tationssymmetrisch in geeignete Bohrungen am äußeren Umfang des Trägers bzw. Drehtellers formschlüssig eingesetzt sein.

Hierbei können die Bolzen für einen einfachsten Austausch auch mit einem Gewinde versehen sein.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß für den wenigstens einen Temperaturfühler nicht nur ein (Zahlwort) ferromagnetisches Material mit einer festen Curie-Temperatur verwendet wird, sondern daß entweder rotationssymmetrisch verteilt am Umfang des Trägers wenigstens zwei unterschiedliche ferro- oder pa­ ramagnetische Materialien angeordnet oder daß jeder Tempera­ turfühler aus einer konstruktiven Einheit mehrerer ferro- oder paramagnetischer Materialien unterschiedlicher, im Sinne einer Temperaturmeßbereichserweiterung geeignet gewählter Curie-Temperaturen besteht, beispielsweise in der Form mehre­ rer nebeneinanderliegender quaderförmiger Stäbe oder in Form von ineinandergeschobener Rohre.

Obzwar der Träger wie bei den bisher zum Einsatz gelangenden Beschichtungsanlagen in der Regel aus einem unmagnetischen Material wie bespielsweise Graphit oder Molybdän besteht, kann erfindungsgemäß des weiteren auch vorgesehen sein, daß der gesamte Träger selbst gezielt aus einem geeigneten ferro­ magnetischen Material mit geeigneter Temperaturabhängigkeit seiner magnetischen Suszeptibilität gefertigt ist und selbst als Temperaturfühler wirkt. In diesem Fall sind vorzugsweise am Umfangsbereich des magnetischen Trägers magnetische Inho­ mogenitäten bzw. magnetische Ungleichmäßigkeiten beispiels­ weise in Form von randseitig eingefräster Nuten oder Vertie­ fungen oder sonstiger Unterbrechungen vorgesehen, um die zur Temperaturmessung notwendigen Wechselspannungsimpulse in der Meßanordnung zu erzeugen. Die Wände der Beschichtungsanla­ gen, welche den Reaktorraum umschließen, sollen dabei in der Nähe der Temperaturfühler möglichst aus nicht oder nur gering ferromagnetisch wirksamen Material bestehen, beispielsweise aus Aluminium oder austenitischem Stahl (Edelstahl), wie dies bei bestehenden Anlagen in der Regel der Fall ist.

Als Material für den wenigstens einen Temperaturfühler eignen sich insbesondere ferromagnetische Werkstoffe bzw. Legierun­ gen, die in der Regel unterhalb der Curie-Temperatur Tc eine etwa konstante, hohe Magnetisierbarkeit µ << 1 und einen oberhalb der Curie-Temperatur Tc abfallende Magnetisierung nach dem Curie-Weißschem Gesetz µ = 1 + C/(T-T_C) besitzen, wobei C die Curie-Konstante darstellt. Bekanntlich besitzen ferromagnetische Materialien einen Curie-Punkt, d. h. eine Temperatur, bei der in Ferromagneten die spontane Magnetisie­ rung verschwindet und die magnetische Ordnung sich auflöst. Bei der Curie-Temperatur erfolgt eine Phasenumwandlung zwi­ schen polarem und nichtpolarem Zustand. Oberhalb der Curie-Temperatur verhalten sich ferromagnetische Stoffe wie para­ magnetische Stoffe. Allgemein bezeichnet Paramagnetismus die Erscheinung, daß ein Stoff in einem äußeren Magnetfeld H ei­ ne Magnetisierung M in Richtung dieses Feldes erfährt. Bei kleinen Feldern ist die Magnetisierung µ proportional zu H: M = X . H, wobei der Proportionalitätsfaktor, die Suszeptibi­ lität X, positiv ist. X und damit auch die magnetische Per­ mittivität (Magnetisierbarkeit) µ = 1 + X hängt im Allgemei­ nen von der Temperatur T ab (Curiesches Gesetz).

Bei einer vorgegebenen Temperaturabhängigkeit der magneti­ schen Permittivität bzw. Magnetisierbarkeit besonders geeig­ net ist ein ferro- bzw. paramagnetisches Material mit einer vergleichsweise geringen Koerzitivfeldstärke (weichmagneti­ sches Material).

In besonders bevorzugter Weise ist daher vorgesehen, daß der magnetische Werkstoff des wenigstens einen Temperaturfühlers Eisen mit einer Curie-Temperatur von etwa 780° Celsius, Ko­ balt mit einer Curie-Temperatur von etwa 1130° Celsius, Nickel mit einer Curie-Temperatur von etwa 375° Celsius, oder eine Nickel-Legierung, insbesondere 78 Permalloy mit 78,5% Nickel und einer Curie-Temperatur von etwa 600° Celsius auf­ weist. Beispielsweise ist für einen zu messenden Temperatur­ bereich von etwa 650° Celsius bis 750° Celsius ein Werkstoff mit einer Curie-Temperatur Tc knapp unterhalb 650° Celsius bevorzugt. Es ist allerdings nicht unbedingt erforderlich, daß die Curie-Temperatur genau im interessierenden Tempera­ tur-Arbeitsbereich liegt. Vielmehr kann die Curie-Temperatur des gewählten Materials für den Temperaturfühler beispiels­ weise auch unterhalb des interessierenden Temperaturbereichs liegen, und beispielsweise nur während eines Aufheizvorganges durchfahren werden. Während dieses Temperaturaufheizvorganges besteht darüber hinaus die Möglichkeit, weitere Temperatur­ sensoren, welche in thermischer Verbindung mit dem zu regeln­ den Träger stehen (beispielsweise Thermoelemente oder Pyrode­ tektoren im Wärmestrahlungsfeld der Heizeinrichtung oder des Trägers oder beider) indirekt zu kalibrieren, wobei ein dies­ bezüglicher funktioneller Zusammenhang entweder theoretisch oder praktisch aus Versuchen ermittelt und angesetzt werden kann.

Zur Erweiterung des Temperaturmeßbereiches sind folgende Maßnahmen möglich:

• a) Es werden am Umfang des Trägers rotationssymmetrisch zy­ klisch alternierend wenigstens zwei verschiedene ferro- bzw. paramagnetische Temperaturfühler angebracht bzw. ein­ gearbeitet, deren Temperaturbereiche sich sinnvoll ergän­ zen.
• b) Jeder der Temperaturfühler besteht konstruktiv aus mehre­ ren dieser Materialien oder
• c) die Mischung geeigneter ferro- bzw. paramagnetischer Mate­ rialien mit erweitertem Temperaturmeßbereich erfolgt durch Legieren oder Sintern auf technologischem Wege.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß die Meßanordnung eine in unmittelbarer Nähe der Detek­ toreinrichtung angeordnete und gleichfalls mit der Auswerte­ schaltung elektrisch gekoppelte Störsignalerfassungseinrich­ tung, insbesondere eine Hilfsspule besitzt, welche elektroma­ gnetische Störsignale aufnimmt, die nicht von dem wenigstens einen Temperaturfühler herrühren. Hierbei können die Detek­ toreinrichtung und die Störsignalerfassungseinrichtung von Vorteil in Reihe geschaltet sein, um die Störsignale vor dem Empfangssignalverstärker zu unterdrücken. Eine weitestgehende Unterdrückung von Störsignalen kann von Vorteil auch dann ge­ währleistet werden, wenn die elektronische Auswerteschaltung ein Brückenschaltungsnetzwerk und einen dem Brückenschal­ tungsnetzwerk zugeordneten Empfangssignalverstärker für den Abgleich des von der Störsignalerfassungseinrichtung empfan­ genen Störsignales und des von der Detektoreinrichtung emp­ fangenen Nutzsignales aufweist.

Bei einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform kann vorgese­ hen sein, daß der wenigstens eine Temperaturfühler und die diesem zugeordnete Meßanordnung durch einen Resonanzkreis ausgebildet sind, dessen Resonanzfrequenz und/oder Dämpfung wenigstens in der Nähe des interessierenden Temperaturberei­ ches stark temperaturabhängig ist. Der Resonanzkreis kann hierbei aus einer Induktivität und einer Kapazität oder einem Hohlraumresonator mit einer Ein/Auskoppelantenne bestehen, dessen Resonanzfrequenz aufgrund der Kombination eines ferro­ magnetischen und/oder ferroelektrischen Materials mit Curie-Temperaturen in der Nähe des interessierenden Temperaturbe­ reiches-stark temperaturabhängig ist. Hierbei kann des weite­ ren eine Resonanzfrequenzsuchschaltung vorgesehen sein, wel­ che aus einem Phasenvergleich zwischen einem eingespeisten Hochfrequenzsignal und dem vermittels der Detektoreinrichtung empfangenen Nutzsignals selbsttätig die Resonanzfrequenz des wenigstens einen Temperaturfühlers ermittelt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Meß­ anordnung eine Phasenvergleichsschaltung bzw. Lock-In-Schal­ tung besitzen, welche das von der Detektoreinrichtung gelie­ ferte Nutzsignal in phasenrichtige bzw. abgleichbare Bezie­ hung zur Rotationsfrequenz des Trägers setzt. Auf diese Weise können Störsignale ebenfalls weitgehend ausgeblendet werden.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß der in der Meßanordnung vorgesehenen elektronischen Auswerteschaltung eine Korrektur­ schaltung zugeordnet ist, welche die gemessene Temperatur in Abhängigkeit einer erfaßten Veränderung des Magnetisierungs­ verhaltens des Temperaturfühlers selbsttätig korrigiert.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine einfache Nach­ rüstbarkeit bereits vorhandener Anlagen durch einen Bausatz, welcher als wesentliche Bestandteile neben den Temperaturfüh­ lern die Magnetisierungseinrichtung und Detektoreinrichtung sowie zugehörender Elektronik zur Signalverstärkung und Um­ formung in ein analoges oder digitales Temperatursignal ent­ hält. Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn die Temperatur­ fühler durch am Umfang des Trägers lösbar angebrachte Einsät­ ze ausgebildet sind, beispielsweise in der Form von kopflosen Schraubenbolzen oder dergleichen. Die Ausführung der Tempera­ turfühler als leicht auswechselbare Einsätze bieten zudem den Vorteil, daß die Temperaturfühler nach einer bestimmten An­ zahl von Fahrten des Drehtellers bzw. nach einer bestimmten Einsatzperiode wieder entfernt werden und gegebenenfalls auf Veränderungen der Magnetisierungs-Temperatur-Abhängigkeit un­ tersucht werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeich­ nung dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Tem­ peraturmessung eines rotierenden Epitaxiescheibenträ­ gertellers;

Fig. 2 einen schematischen Schaltplan einer elektronischen Auswerteschaltung mit einem Brückenschaltungsnetzwerk und einem Empfangssignalverstärker einer Vorrichtung zur Temperaturmessung eines rotierenden Epitaxie­ scheibenträgertellers;

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild der Vorrichtung zur Tem­ peraturmessung, bei der der Temperaturfühler als Be­ standteil eines Resonanzkreises ausgebildet ist;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung, bei dem die Temperatur­ fühlerankopplung im Sinne eines möglichst geschlosse­ nen Magnetkreises ausgeführt ist; und

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungs­ beispiels der Erfindung, bei dem die elektronische Auswerteschaltung eine Phasenvergleichsschaltung (Lock-In-Schaltung) besitzt.

In den Fig. 1 bis 5 sind bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Tempera­ tur eines mit vorbestimmter Winkelgeschwindigkeit um eine Drehachse 1 rotierenden Trägers 2 dargestellt, der auf seiner Oberseite einen strichliert dargestellten Halbleiterwafer 3 trägt. Zur Beheizung des Trägers 2 sind Wärmequellen darge­ stellt, welche schematisch mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet sind. Diese Anordnung ist in einem evakuierbaren Reaktionsbe­ hälter untergebracht, dessen Reaktorwände 5 lediglich aus­ schnittsweise dargestellt sind. Die Anordnung gelangt bei­ spielsweise bei der epitaktischen Abscheidung von Halbleiter­ schichten auf dem Wafer 3 in der Beschichtungstechnologie zum Einsatz. Für die Kontrolle des Epitaxiewachstumsprozesses ist hierbei die Kenntnis der Temperatur des rotierenden Trägers 2 nötig, auf dem der Halbleiterwafer 3 liegt. Zu diesem Zweck sind thermisch mit dem Träger 2 gekoppelte Temperaturfühler 6 und 7 vorgesehen, die mit einer außerhalb des Reaktors ange­ ordneten Meßanordnung 8 mit einer elektronischen Auswerte­ schaltung 9 berührungslos in Verbindung stehen. Vorzugsweise stellt der Temperaturfühler 6 einen am Umfang des Trägers 2 lösbar angebrachten Einsatz beispielsweise in der Form eines mit einem Gewinde versehenen Bolzens dar. Alternativ kann der Temperaturfühler 9 auch in den Träger 2 eingearbeitet sein, wie dies beispielhaft anhand des Temperaturfühlers 7 darge­ stellt ist.

Der thermisch mit dem Träger 2 gekoppelte Temperaturfühler 6, 7 ist aus einem ferro- oder paramagnetischen Werkstoff herge­ stellt, dessen magnetische Suszeptibilität nach bekannten Ge­ setzmäßigkeiten von der Temperatur abhängt. Die Meßanordnung 8 besitzt eine den Temperaturfühlern 6, 7 zugeordnete Magne­ tisierungseinrichtung 10 und eine gegenüber dem rotierenden Träger 2 feststehende Detektoreinrichtung 11, welche beim Vorbeilaufen des Temperaturfühlers 6, 7 ein der Temperatur des Trägers entsprechendes Mess-Signal 12 liefert, welches in der elektronischen Auswerteschaltung 9 ausgewertet wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besitzt die Detek­ toreinrichtung 11 eine Spule 12 mit einem Kern 13. Die Magne­ tisierungsvorrichtung 10 umfaßt eine Stromquelle 14, die ei­ nen elektrischen Dauer- oder Wechselstrom liefert, der durch die Spule 12 fließt. Bei dieser Ausführung ist die das Nutz­ signal aufnehmende Spule 12 gleichzeitig die magnetfelderre­ gende Spule. Anstelle der Stromquelle 14 kann die Magnetisie­ rungseinrichtung 10 auch in Form eines feststehenden Dauer- oder Elektromagneten im Umkreis des Trägers 2 und in der Nähe der Spule 11 ausgebildet sein; diese Ausführung ist in den Figuren nicht explizit dargestellt. Weiterhin kann die Magne­ tisierungseinrichtung 10 auch in Form von Dauermagneten mit einer hohen Curie-Temperatur ausgebildet sein, die in der Nä­ he der Temperaturfühler 6, 7 unmittelbar am Trägerteller be­ festigt sind oder in diesen eingearbeitet sind, somit inner­ halb des Reaktors angeordnet sein kann. Auch diese Ausführung ist in den Figuren nicht explizit dargestellt.

Beim Vorbeidrehen der in dem Träger 2 angeordneten magneti­ sierbaren Temperaturfühler 6, 7 (der Träger selbst soll weit­ gehend unmagnetisch sein) an der Spule 11 mit der Ma­ gnet/Dauermagnetkernkombination 12, 13 ändert sich die Magne­ tisierung abhängig von der Magnetisierbarkeit der bolzenför­ migen Temperaturfühler 6, 7 und es wird ein kurzer Wechsel­ spannungsimpuls 27 erzeugt. Dieses Signal wird phasenrichtig mit der Drehung des Trägers 2 in einem in der Auswerteschal­ tung 9 vorhandenen phasenempfindlichen Verstärker auch zum Ausblenden von Störsignalen verstärkt, und ergibt bei kon­ stanter Drehung und exakter Achslagerführung des Trägers 2 ein Meß-Signal, dessen Höhe empfindlich und in der Regel mo­ noton von der Temperatur der Temperaturfühler 6, 7 und damit des Trägers 2 abhängt. Damit kann die Temperatur des Trägers 2 ohne wesentliche konstruktive Änderungen des Trägers 2 und ohne störanfällige Schleifkontakte, und weitgehend unabhängig von auf dem Träger 2 aufwachsenden Belägen gemessen werden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Er­ findung besitzt die Meßanordnung 8 eine in unmittelbarer Nä­ he der Detektoreinrichtung 11 angeordnete und gleichfalls mit der Auswerteschaltung 9 elektrisch gekoppelte Störsignaler­ fassungseinrichtung mit einer Hilfsspule 15, welche zur Auf­ nahme elektromagnetischer Störsignale dient, die nicht von den Temperaturfühlern 6, 7 herrühren. Die elektronische Aus­ werteschaltung 9 umfaßt bei diesem Ausführungsbeispiel ein Brückenschaltungsnetzwerk 17 mit Kapazitäten 18, 19, 20, 21 und elektrischen Widerständen 22, 23, 24, 25, die in der dar­ gestellten Weise miteinander verschaltet sind, und einen dem Brückenschaltungsnetzwerk 17 zugeordneten Empfangssignalver­ stärker 16 für den Abgleich des von der Störsignalerfassungs­ einrichtung 15 empfangenen Störsignales 26 und des von der Detektoreinrichtung 11 empfangenen Nutzsignales 27. Diese Schaltung ermöglicht eine weitestgehende Unterdrückung von Störsignalen.

Bei einer weiteren, nicht näher dargestellten Ausführung kann die Detektoreinrichtung 11 und die Störsignalerfassungsein­ richtung 15 unmittelbar in Reihe geschaltet sein, um die Störsignale vor dem Empfangssignalverstärker 16 zu unter­ drücken.

Fig. 3 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Temperaturfühler 6 bzw. 7 beste­ hend aus einer Induktivität 29 und einer ein Ferroelektrikum als temperaturunabhängigen Werkstoff aufweisenden Kapazität 30 als Bestandteil eines Resonanzkreises 28 ausgebildet ist, der darüber hinaus neben einem Hohlraumresonator mit Ein/Auskopplerantenne als Bestandteile insbesondere die De­ tektoreinrichtung 11 und eine weitere Spule 31, welche mit einem Hochfrequenzsignal 32 aus einem Hochfrequenzgenerator 33 gespeist wird, besitzt, wobei die Resonanzfrequenz und/oder die Dämpfung des Resonanzkreises 28 aufgrund einer geeignet gewählten Kombination von einem ferromagnetischen und/oder ferroelektrischen Material mit Curie-Temperaturen in der Nähe des interessierenden Temperaturbereiches stark tem­ peraturabhängig ist. Die Meßanordnung 8 besitzt bei diesem Ausführungsbeispiel des weiteren eine Resonanzfrequenzsuch­ schaltung 34 mit einem Phasenmischer 35, welche aus dem Pha­ senvergleich zwischen dem über die Spule 31 eingespeisten Hochfrequenzsignal 32 und dem vermittels der Detektorspule 11 empfangenen Nutzsignals 36 selbsttätig die Resonanzfrequenz des Temperaturfühlers 6, 7 ermittelt, woraus die tatsächliche Temperatur des Trägers abgeleitet werden kann.

Bei der in schematischer Draufsicht gemäß Fig. 4 dargestell­ ten Ausführungsform der Erfindung sind vier Temperaturfühler 37, 38, 39, 40 vorgesehen, welche wegen eines Unwuchtausglei­ ches genau achsensymmetrisch in Bohrungen am äußeren Umfang des Trägerdrehtellers 2 formschlüssig eingesetzt sind. Bei­ spielsweise sind die Temperaturfühler 37, 38, 39, 40 durch Gewindebolzen von etwa 5 mm Durchmesser und 10 mm Länge aus­ gebildet. Am Umfang der Reaktorwand 5 in möglichster Nähe zum Rand des Trägers 2 befindet sich die Detektorspule 11 mit ei­ nem ferromagnetischen U-Kern 10 konstanter Magnetisierbarkeit µverbunden mit einem Dauermagneten konstanter Magnetisierung und hoher Koerzitivkraft, beispielsweise aus CoSm-Material. Die Wandung 5 des Reaktorgehäuses selbst sollte nicht oder allenfalls nur gering magnetisch sein, kann beispielsweise aus einem austenitischen Stahl oder dergleichen gefertigt sein. Die Figuren zeigen die erfindungsgemäße Anordnung nur schematisch. Natürlich wird die Konstruktion im Einzelnen sinnvollerweise so ausgeführt, daß sich bei größter Annähe­ rung des U-Kernes 10 an die Temperaturfühler 37 bis 40 ein größtmöglicher Magnetfluß B zustande kommt, damit das Wech­ selspannungssignal der Spule 11 möglichst groß ist.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Meßanordnung 8 eine Phasenvergleichsschaltung oder sogenannte Lock-In-Schaltung 41 besitzt, welche das von der Detektoreinrichtung 11 gelieferte Nutzsignal 27 in pha­ senrichtige bzw. abgleichbare Beziehung zur Rotationsfrequenz des Trägers 2 setzt. Zu diesem Zweck ist ein mit der An­ triebswelle des Trägers 2 gekoppelter Drehzahlgeber 42 vorge­ sehen, der ein zur Winkelgeschwindigkeit des Trägers 2 ent­ sprechendes Signal 43 zur Auswertung in die Lock-In-Schaltung 41 liefert.

Bezugszeichenliste

1

Drehachse

2

Träger

3

Halbleiterwafer

4

Wärmequellen

5

Reaktorwand

6, 7

Temperaturfühler

8

Meßanordnung

9

Auswerteschaltung

10

Magnetisierungseinrichtung

11

Detektoreinrichtung

12

Spule

13

Kern

14

Stromquelle

15

Hilfsspule

16

Empfangssignalverstärker

17

Brückenschaltungsnetzwerk

18,

19

,

20

,

21

Kapazitäten

22,

23

,

24

,

25

elektrische Widerstände

26

Störsignal

27

Nutzsignal

28

Resonanzkreis

29

Induktivität

30

Kapazität

31

Spule

32

Hochfrequenzsignal

33

Hochfrequenzgenerator

34

Resonanzfrequenzsuchschaltung

35

Phasenmischer

36

Nutzsignal

37,

38

,

39

,

40

Temperaturfühler

41

Lock-In-Schaltung

42

Drehzahlgeber

43

Signal

Claims (23)

1. Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines mit vorbe­ stimmter Winkelgeschwindigkeit um eine Drehachse (1) rotie­ renden Trägers (2), mit wenigstens einem thermisch mit dem Träger (2) gekoppelten Temperaturfühler (6, 7) und einer dem wenigstens einen Temperaturfühler (6, 7) zugeordneten Meßan­ ordnung (8), dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine, thermisch mit dem Träger (2) gekop­ pelte Temperaturfühler (6, 7) einen ferro- oder paramagneti­ schen und/oder ferroelektrischen Werkstoff aufweist, dessen magnetische bzw. elektrische Suszeptibilität von der Tempera­ tur abhängt, und die Meßanordnung (8) eine dem wenigstens einen Temperaturfühler (6, 7) zugeordnete Polarisierungsein­ richtung (10) und eine gegenüber dem rotierenden Träger (2) feststehende Detektoreinrichtung (11) aufweist, welche beim Vorbeilaufen des wenigstens einen Temperaturfühlers (6, 7) ein der Temperatur des Trägers (2) entsprechendes Meß-Signal (12) liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem wenigstens einen Temperaturfühler (6, 7) zuge­ ordnete Polarisierungseinrichtung (10) einen gegenüber dem rotierenden Träger (2) feststehend angeordneten Dauer- oder Elektromagneten besitzt, und die Detektoreinrichtung (11) durch eine Induktivität (12), insbesondere Spule ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Polarisierungseinrichtung (10), als auch die Detektoreinrichtung (11) durch eine Spule (12) ausgebildet ist, welche zur Erzeugung eines Polarisierungsfeldes mit ei­ nem elektrischen Dauer- oder Wechselstrom beaufschlagt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Temperaturfühler (6, 7, 37, 38, 39, 40) vorgesehen sind, die am oder im Träger (2) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei oder mehreren Temperaturfühler (6, 7, 37, 38, 39, 40) rotationssymmetrisch am Umfang des Trägers (2) ange­ ordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Temperaturfühler mehrstückig mit mehreren ferro- oder paramagnetischen und/oder ferroelektri­ schen Werkstoffen unterschiedlicher Curie-Temperaturen ausge­ bildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Werkstoffe des Temperaturfühlers durch ne­ beneinanderliegende Stäbe oder durch ineinanderliegende Rohre ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Temperaturfühler durch den Träger (2) selbst ausgebildet ist, der am Randbereich mit magneti­ schen Inhomogenitäten ausgestattet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die am Randbereich des Trägers (2) ausgebildeten magne­ tischen Inhomogenitäten durch Unterbrechungen bzw. Nuten am Umfangsrand ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der ferro- oder paramagnetische Werkstoff des wenigstens einen Temperaturfühlers Eisen mit einer Curie-Temperatur von etwa 780° Celsius, Kobalt mit einer Curie-Temperatur von etwa 1130° Celsius, Nickel mit einer Curie-Temperatur von etwa 375° Celsius, oder eine Nickel-Legierung, insbesondere 78 Permalloy mit 78,5% Nickel und einer Curie-Temperatur von etwa 600° Celsius aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung (8) eine in unmittelbarer Nähe der De­ tektoreinrichtung (11) angeordnete Störsignalerfassungsein­ richtung (15), insbesondere eine Hilfsspule besitzt, welche elektromagnetische Störsignale aufnimmt, die nicht von dem wenigstens einen Temperaturfühler (6, 7) herrühren.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (11) und die Störsignalerfas­ sungseinrichtung (15) in Reihe geschaltet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Meßanordnung (8) zugeordnete, elektrisch an die Detektoreinrichtung (11) und die Störsignalerfassungsein­ richtung (15) gekoppelte elektronische Auswerteschaltung (9) vorgesehen ist, die ein Brückenschaltungsnetzwerk (17) und einen dem Brückenschaltungsnetzwerk (17) zugeordneten Emp­ fangssignalverstärker (16) für den Abgleich des von der Stör­ signalerfassungseinrichtung empfangenen Störsignales (26) und des von der Detektoreinrichtung (11) empfangenen Nutzsignales (27) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Temperaturfühler (6, 7) und die die­ sem zugeordnete Meßanordnung (8) durch einen Resonanzkreis (28) ausgebildet sind, dessen Resonanzfrequenz und/oder Dämp­ fung wenigstens in der Nähe des interessierenden Temperatur­ bereiches stark temperaturabhängig ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Resonanzfrequenzsuchschaltung (34) vorgesehen ist, welche aus einem Phasenvergleich zwischen einem eingespeisten Hochfrequenzsignal (32) und dem vermittels der Detektorein­ richtung (11) empfangenen Nutzsignals (36) selbsttätig die Resonanzfrequenz des wenigstens einen Temperaturfühlers (6, 7) ermittelt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine Phasenvergleichsschaltung bzw. Lock-In-Schaltung (41), welche das von der Detektoreinrichtung (11) gelieferte Nutzsignal (27) in phasenrichtige bzw. abgleichbare Beziehung zur Rotationsfrequenz des Trägers (2) setzt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Temperaturfühler (6, 7) durch einen am Umfang des Trägers (2) lösbar angebrachten Einsatz ausge­ bildet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (11) einen Hall-Sensor aufweist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der um eine Drehachse rotierende Träger (2) durch einen in der Halbleiterbeschichtungstechnologie verwendeten Dreh­ teller ausgebildet ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Meßanordnung (8) zugeordneten elektronischen Auswerteschaltung (9) eine Korrekturschaltung zugeordnet ist, welche die gemessene Temperatur in Abhängigkeit einer erfaß­ ten Veränderung des Magnetisierungsverhaltens des Temperatur­ fühlers (6, 7) selbsttätig korrigiert.

21. Verfahren zur Messung der Temperatur eines mit vorbe­ stimmter Winkelgeschwindigkeit um eine Drehachse rotierenden Trägers (2) mit wenigstens einem thermisch mit dem Träger (2) gekoppelten Temperaturfühler (6, 7) und einer dem wenigstens einen Temperaturfühler (6, 7) zugeordneten Meßanordnung (8), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschrit­ te:

• - Verwendung wenigstens eines thermisch mit dem Träger (2) gekoppelten Temperaturfühlers (6, 7) aus einem ferro- oder paramagnetischen und/oder ferroelektrischen Werkstoff, des­ sen magnetische bzw. elektrische Suszeptibilität nach dem Curieschen bzw. Curie-Weißschen Gesetz von der Temperatur abhängt, und
• - Erfassen eines beim Vorbeilaufen des wenigstens einen Tem­ peraturfühlers (6, 7) gelieferten Meß-Signales (12) ver­ mittels der Meßanordnung (8), welche eine dem wenigstens einen Temperaturfühler (6, 7) zugeordnete Magnetisierungs­ einrichtung (10) und eine gegenüber dem rotierenden Träger (2) feststehende Detektoreinrichtung (11) besitzt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Temperaturfühler (6, 7) vermittels einem gegenüber dem rotierenden Träger (2) feststehend ange­ ordneten Dauer- oder Elektromagneten magnetisiert wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Magnetisierungseinrichtung (10), als auch die Detektoreinrichtung (11) durch eine Spule (11) ausgebildet wird, welche zur Erzeugung eines Magnetisierungsfeldes mit einem elektrischen Dauer- oder Wechselstrom beaufschlagt wird.