CH722016A2 - Kalibrierung einer optischen sensoranordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zum Kalibrieren einer optischen Sensoreinrichtung gerichtet.

Description

[0001] Die hier angesprochene Erfindung betrifft eine Kalibriervorrichtung zum Kalibrieren der Empfindlichkeit einer optischen Sensoranordnung. Unter weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren einer optischen Sensoranordnung.

[0002] Beim Kalibrieren der Empfindlichkeit einer optischen Sensoranordnung kann nicht nur die tatsächliche Empfindlichkeit eines Sensorelements eine Rolle spielen, sondern auch die gesamte Anordnung der beteiligten Elemente und in Verbindung damit die möglichen Lichtwege. Als illustratives Beispiel wird im Folgenden der Fall einer Remote Plasma Source (RPS) an einer Vakuumkammer diskutiert. Von Interesse kann die Intensität des vom Plasma emittierten Lichts sein oder sogar die spektrale Verteilung der Intensitäten sein. Um den Zustand einer RPS an einer Vakuumkammer zu charakterisieren, wird typischerweise das erzeugte Licht an einem Viewport ausgekoppelt und zu einem optischen Spektrometer auf der Atmosphärenseite (ATM) geleitet und dort hinsichtlich der Lichtintensität als Funktion der Wellenlänge analysiert. Oder ein spezifischer Vakuumsensor, der einen Kaltkathodendruckmesser und ein internes Spektrometer kombiniert, wird direkt an der Vakuumkammer montiert, um das Licht in das interne optische Spektrometer einzufangen. Die gemessene Rohemissionsintensität kann verwendet werden, um die tatsächliche RPS-Lichtqualität und Drift im Laufe der Zeit zu überwachen. Wenn zwei oder mehr RPS miteinander verglichen werden sollten, muss entweder die gleiche Vorrichtung für verschiedene Kammern als Referenz-„Sensor“ oder als Referenz-Spektrometer verwendet werden. Alternativ kann ein Referenz-RPS-Aufbau verwendet werden, um jede Sensoreinheit oder jede Spektrometereinheit zu kalibrieren. Wenn in dem Aufbau keine optische Faser verwendet wird, bedeutet dies, dass der OES-Sensor innerhalb einer Vakuumkammer platziert werden muss, in der eine RPS läuft, oder dass mindestens eine Oberfläche einer Sensoranordnung dem Vakuum ausgesetzt ist. Dies kann zu einer Vorkontamination von Teilen der Sensoranordnung führen. Darüber hinaus kann für mit und ohne optische Fasern verwandte optische Emissionsspektroskopie(OES)-Sensoren die Verwendung einer RPS einen hohen Stromverbrauch aufweisen.

[0003] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Vorrichtung oder ein alternatives Verfahren bereitzustellen, vorzugsweise die Probleme des Stands der Technik zu reduzieren oder zu vermeiden.

[0004] Diese Aufgabe wird durch eine Kalibriervorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Es handelt sich um eine Kalibriervorrichtung zum Kalibrieren der Empfindlichkeit einer optischen Sensoranordnung. Die Kalibriervorrichtung umfasst

–

ein reflektierendes Element mit einem reflektierenden Bereich, wobei der reflektierende Bereich eine Vielzahl von reflektierenden Flächen umfasst, die in ihrer Ausrichtung variieren,

–

eine Lichtquelle, die Licht bereitstellen kann und so angeordnet ist, dass das Licht von der Lichtquelle den reflektierenden Bereich beleuchten kann,

–

die zu kalibrierende optische Sensoranordnung, wobei die optische Sensoranordnung eine Eintrittsöffnung zum Empfangen von eingehendem Licht aufweist und mindestens einen Sensor zum Detektieren von Licht aufweist, das durch die Eintrittsöffnung empfangen wird, und wobei die Eintrittsöffnung zu dem reflektierenden Bereich ausgerichtet ist, und

–

ein lichtdichtes Gehäuse, das verhindert, dass Licht mit Ursprung außerhalb der Kalibriervorrichtung in die Eintrittsöffnung eintritt.

[0005] Die reflektierenden Flächen können Flächennormalen aufweisen, die über einen Winkelbereich von mindestens 20° variieren. Dies kann durch eine raue Oberfläche realisiert werden, wobei lokale Flächennormalen in ihrem Winkel von einer durchschnittlichen Oberflächengeometrie des reflektierenden Elements abweichen, was zu einer diffusen Lichtreflexion führt. Alternativ kann eine durchschnittliche Oberflächengeometrie eine Variation von Flächennormalen über einen weiten Bereich aufweisen, z. B. durch eine gekrümmte Oberfläche realisiert, die einen Winkelbereich von 20° oder mehr abdeckt. Eine solche im Mittelwert gekrümmte Oberfläche kann zusätzlich eine Rauheit aufweisen, wie zuvor beschrieben.

[0006] Die Lichtquelle kann divergentes Licht bereitstellen. Die Lichtquelle kann im Vergleich zum reflektierenden Bereich klein sein und das Licht kann stark genug divergieren, um den reflektierenden Bereich zu beleuchten. Alternativ kann die Lichtquelle eine Ausdehnung aufweisen, die groß genug ist, um den reflektierenden Bereich zu beleuchten. In diesem Fall kann paralleles Licht in Richtung des reflektierenden Bereichs gesendet werden.

[0007] Die Lichtquelle kann zum Beispiel eine Quelle elektromagnetischer Strahlung sein, die im Wesentlichen den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums abdeckt und optional angrenzende Ultraviolett- und Infrarotbereiche des elektromagnetischen Spektrums abdeckt. Als ein Beispiel kann die Lichtquelle im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 950 nm emittieren. Die Lichtquelle kann eine breitbandige Lichtquelle sein, sie kann monochromatische Strahlung emittieren oder Strahlung in einem Satz von einigen schmalbandigen Bereichen emittieren. Die Lichtquelle kann z. B. durch eine Leuchtdiode realisiert werden.

[0008] Diese Kalibriervorrichtung ermöglicht eine Einheit-zu-Einheit-Kalibrierung ohne die Verwendung einer externen RPS. Ohne RPS ist es möglich, die Lichtbedingungen zu simulieren, wie durch eine RPS, die durch Tausende einzelner punktartiger Strahlungsquellen beschrieben wird, die im Raum verteilt sind.

[0009] Die optische Sensoranordnung kann z. B. ein optisches Spektrometer sein. Genauer gesagt kann das optische Spektrometer in einen Kaltkathodendruckmesser eingebaut sein. In einer solchen Anordnung führt die erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung dadurch, dass die Lichtquelle die Form einer wolkenartig verteilten Quelle haben kann und dass mehrere verschiedene Lichtwege über den Kaltkathodendruckmesserteil der Anordnung möglich sind, mit einfachen Mitteln zu einer Situation, die in vergleichbaren Kalibrierergebnissen resultiert, selbst wenn geringfügige Abweichungen in der Geometrie oder Ausrichtung der einzelnen Elemente auftreten.

[0010] Ausführungsformen der Vorrichtung ergeben sich aus Merkmalen der Ansprüche 2 bis 4.

[0011] In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung, die mit einer der noch angesprochenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst die optische Sensoranordnung ein optisches Spektrometer. Das optische Spektrometer kann insbesondere ein Photodioden-Array oder ein Array von CCD-CMOS-Sensoren umfassen.

[0012] Mit einer derartigen Kalibriervorrichtung kann eine Kalibrierung eines optischen Emissionsspektrometers durchgeführt werden.

[0013] In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung, die mit einer der vorangesprochenen Ausführungsformen und einer der noch angesprochenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst die optische Sensoranordnung ferner einen Kaltkathodendruckmesser, wobei Elemente des Kaltkathodenmessers in einem Bereich zwischen der Eintrittsöffnung und dem mindestens einen Sensor angeordnet sind.

[0014] Im Fall eines Spektrometers mit einem Array von Sensoren wären die Elemente des Kaltkathodenmessers typischerweise in einem Bereich zwischen der Eintrittsöffnung und dem Spektrometer angeordnet, d. h. die Elemente des Kaltkathodenmessers befinden sich in einem Bereich zwischen der Eintrittsöffnung und allen Sensoren des Arrays von Sensoren.

[0015] In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung, die mit einer der vorangesprochenen Ausführungsformen und einer der noch angesprochenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist das reflektierende Element ein gekrümmtes 90°-Ellenbogenelement mit einer reflektierenden Innenfläche, wobei die Lichtquelle an einem ersten Ende des Ellenbogenelements positioniert ist, wobei divergentes Licht auf eine Seite mit größerem Radius der Innenfläche gerichtet ist und wobei die Eintrittsöffnung der optischen Sensoranordnung an dem zweiten Ende des Ellenbogenelements angeordnet ist.

[0016] Das Ellenbogenelement kann durch eine Standardvakuumkomponente realisiert werden. Das Ellenbogenelement weist einen hohlen Innenraum auf, der dazu ausgelegt ist, eine Fluidverbindung zwischen seinem ersten und zweiten Ende herzustellen. Es kann Vakuumflansche an dem ersten und zweiten Ende aufweisen, um vakuumdichte Verbindungen zu benachbarten Elementen eines Vakuumsystems herzustellen.

[0017] Das Ellenbogenelement kann einen hohlen Innenraum in Form eines Torussektors aufweisen. Sein Querschnitt kann die gleiche Form und Abmessung von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende aufweisen. Alternativ kann der Querschnitt variieren, wie etwa in Form eines Horns.

[0018] Ferner liegt im Rahmen der Erfindung das Verfahren gemäß Anspruch 5. Es handelt sich um ein Verfahren zum Kalibrieren einer optischen Sensoranordnung, wobei die optische Sensoranordnung eine Eintrittsöffnung zum Empfangen von eingehendem Licht aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte:

–

Bereitstellen eines reflektierenden Elements mit einem reflektierenden Bereich, wobei der reflektierende Bereich eine Vielzahl von reflektierenden Flächen umfasst, die in ihrer Ausrichtung variieren,

–

Bereitstellen der zu kalibrierenden optischen Sensoranordnung,

–

Beleuchten des reflektierenden Bereichs mit Licht von einer Lichtquelle, Zulassen, dass reflektiertes Licht von dem reflektierenden Bereich durch die Eintrittsöffnung auf einen Sensor der optischen Sensoranordnung eintritt,

–

Messen eines Signals, das die Lichtintensität des am Sensor empfangenen Lichts angibt, und

–

Vergleichen des gemessenen Signals mit vorherigen Referenzmessungen an einer anderen optischen Sensoranordnung, um einen Kalibrierungswert zu berechnen.

[0019] Die reflektierenden Flächen können in ihrer Ausrichtung über einen Winkelbereich von mindestens 20° variieren.

[0020] Die Erfindung ist ferner auf ein Kalibrierverfahren gerichtet, bei dem die Kalibriervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 verwendet wird.

[0021] Das Verfahren kann durch Schritte weiter erweitert werden, nachdem die Kalibrierung des optischen Sensors abgeschlossen ist. Die kalibrierte optische Sensoranordnung kann in einem weiteren Schritt an einer Vakuumkammer an einer Position montiert werden, die zum Überwachen einer optischen Emission eines Plasmas mittels der optischen Sensoranordnung geeignet ist.

[0022] Die Erfindung wird nun anhand von Figuren weiter veranschaulicht. Die Figuren zeigen:

Fig. 1

eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Kalibriervorrichtung;

Fig. 2

in Fig. 2.a) und Fig. 2.b) zwei Anordnungen von Elementen von zu kalibrierenden Vakuum-Druckmessern;

Fig. 3

schematisch eine Anordnung einer optischen Emissionsspektroskopie(OES)-Vorrichtung in Bezug auf eine Vakuumkammer und eine Remote-Plasmaquelle;

Fig. 4

schematisch die Kalibriervorrichtung, in der die OES-Vorrichtung kalibriert werden kann.

[0023] Fig. 1 zeigt schematisch und vereinfacht eine erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung 10.

[0024] Hier wird eine externe Weißlichtquelle 17 in eine optische Faser geleitet. Die optische Faser ist an einer Vakuumkomponente angebracht, die um 90° (Ellenbogen) „gekrümmt“ ist. (hier verwendet ein CF40-90°-Ellenbogen). Das divergente Licht wird aus der optischen Faser ausgekoppelt und strahlt in die Ellenbogenkomponente, die hier die Rolle des reflektierenden Elements 13 hat. Da das Licht divergent ist und die Oberfläche des Ellenbogens rau ist, wird das Licht an verschiedenen Stellen mit verschiedenen Einfallswinkeln reflektiert. Dies führt dazu, dass eine stark unkollimierte und räumlich verteilte Lichtquelle auf der anderen Seite des Ellenbogens dann schließlich in den Sensor eintritt, der ein OES-Sensor sein kann, der an dem Ellenbogen angebracht ist.

[0025] Das Licht strahlt auf eine reflektierende Fläche 14. Aufgrund der gekrümmten Form des Ellenbogens ist eine Vielzahl von reflektierenden Oberflächen mit verschiedenen Ausrichtungen in der reflektierenden Fläche vorhanden. Zwei Extremfälle von Ausrichtungen sind mit hohlen Pfeilen markiert, die in Richtung der Ausrichtungen 15 und 15' zeigen. Der Winkel zwischen diesen Extremausrichtungen ist (, in diesem Fall größer als 30°. Dieser Winkel kann im vorliegenden Fall auf bis zu 90° erhöht werden, indem ein größerer Bruchteil des Ellenbogens beleuchtet wird.

[0026] Hier wird das Licht durch eine Linse 19 in den Sensor 12 eingekoppelt.

[0027] Bevor das Licht an der Linse ankommt, tritt es durch eine Eintrittsöffnung 24 der optischen Sensoranordnung ein und kann an verschiedenen Oberflächen der optischen Sensoranordnung 11 reflektiert werden.

[0028] Fig. 2.a) veranschaulicht in einem Beispiel die komplexe Situation, die auftritt, wenn Elemente eines Kaltkathodenmessers, hier im mittleren Teil der Figur, mit einem optischen Sensor 12 kombiniert werden, wobei die Position symbolisch angegeben ist und ohne Details des Sensors auf der rechten Seite der Figur zu zeigen. Der optische Sensor in einer solchen Konfiguration kann alternativ verwendet werden, um Strahlung zu analysieren, die von einem Plasma emittiert wird, das um den zentralen Anodenstab des Kaltkathodenmessers erzeugt wird, und um Strahlung zu analysieren, die von einem Remote-Plasma stammt, das sich außerhalb der vorliegenden Figur in Richtung der linken Seite befindet. Es ist die letztere Verwendung, die von dem Kalibrierverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung profitiert. In dieser Situation tritt Licht von dem Remote-Plasma durch die Eintrittsöffnung 24 ein. Es kann an mehreren Oberflächen reflektiert werden, bevor es durch die Linse austritt, die in dem in Fig. 2.a) gezeigten Fall gleichzeitig als eine Durchführung für die zentrale Anode wirkt, und bevor es schließlich in dem Sensor 12 detektiert wird. Der Kaltkathodenmesser kann weitere Elemente umfassen, die hier nicht gezeigt sind, um die Darstellung nicht zu überlasten.

[0029] Ein solches zusätzliches Element kann eine zusätzliche innere Kammer und ferromagnetische Elemente beinhalten, die außerhalb des hier gezeigten Gehäuses angeordnet sind.

[0030] Fig. 2.b) zeigt eine modifizierte Version der in Fig. 2.b) gezeigten optischen Sensoranordnung, die ein ähnliches Element verwendet, wobei jedoch der Anodenstab, der Strahlung auf seinem Weg von der Eintrittsöffnung zu dem Sensor 12 behindert, entfernt wird.

[0031] Fig. 3 veranschaulicht schematisch eine mögliche Anordnung einer Vakuumkammer (Kammer), einer Remote-Plasmaquelle (RPS), die in Fluidverbindung mit der Vakuumkammer steht, und eine mögliche Position eines optischen Emissionsspektrometers (OES), das verwendet werden kann, um den Zustand der Remote-Plasmaquelle zu überwachen. Die optischen Sensoren des OES können durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kalibriert werden.

[0032] Fig. 4 veranschaulicht schematisch die Anordnung, die verwendet werden kann, um das OES zu kalibrieren, das in einer Konfiguration verwendet werden soll, wie in Fig. 3 gezeigt. In der hier gezeigten Ausführungsform wird eine Strahlung von einer Lichtquelle (LS) durch eine optische Faser zu dem ersten Ende eines Ellenbogenelements geleitet, das in diesem Fall durch eine gekrümmte, hohle Vakuumkomponente realisiert wird, die eine Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Ende bereitstellt, die in 90° zueinander ausgerichtet sind. Die optische Faser leitet Licht zu dem ersten Ende und beleuchtet den reflektierenden Bereich im Inneren des Ellenbogenelements, wie in Fig. 1 detaillierter gezeigt. Die zu kalibrierende optische Sensoranordnung, in diesem Fall das OES, ist an dem zweiten Ende des Ellenbogenelements positioniert. Der Erfinder hat erkannt, dass eine Anordnung, wie in Fig. 4 veranschaulicht, überraschenderweise in der Lage ist, wesentliche Merkmale der in Fig. 3 gezeigten unterschiedlichen Anordnung zumindest in Bezug auf ihre Auswirkung auf die Kalibrierung des optischen Sensors darzustellen.

Liste der Bezugszeichen

[0033] 10 Kalibriervorrichtung 11 optische Sensoranordnung 12 Sensor 13 reflektierendes Element 14 reflektierender Bereich 15, 15' Winkelausrichtung 16 lichtdichtes Gehäuse 17 Lichtquelle 18 Lichtwege 19 Linse 20 Ellenbogenelement 21 erstes Ende des Ellenbogenelements 22 zweites Ende des Ellenbogenelements 23 Elemente des Kaltkathodenmessers 24 Eintrittsöffnung α Winkelbereich RPS Remote Plasma Source LS Lichtquelle OES optisches Emissionsspektroskop

Claims (7)

1. Kalibriervorrichtung (10) zum Kalibrieren der Empfindlichkeit einer optischen Sensoranordnung (11), wobei die Kalibriervorrichtung umfasst – ein reflektierendes Element (13) mit einem reflektierenden Bereich (14), wobei der reflektierende Bereich eine Vielzahl von reflektierenden Flächen umfasst, die in ihrer Winkelausrichtung (15, 15') variieren, – eine Lichtquelle (17), die Licht bereitstellen kann und so angeordnet ist, dass das divergente Licht von der Lichtquelle den reflektierenden Bereich (14) beleuchten kann, – die zu kalibrierende optische Sensoranordnung (11), wobei die optische Sensoranordnung eine Eintrittsöffnung (24) zum Empfangen von eingehendem Licht aufweist und mindestens einen Sensor (12) zum Detektieren von Licht aufweist, das durch die Eintrittsöffnung empfangen wird, und wobei die Eintrittsöffnung zu dem reflektierenden Bereich ausgerichtet ist, und – ein lichtdichtes Gehäuse (16), das verhindert, dass Licht mit Ursprung außerhalb der Kalibriervorrichtung in die Eintrittsöffnung eintritt.

2. Kalibriervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die optische Sensoranordnung ein optisches Spektrometer umfasst, das insbesondere ein Photodioden-Array oder ein Array von CCD-CMOS-Sensoren umfasst.

3. Kalibriervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Sensoranordnung ferner einen Kaltkathodenmesser umfasst, wobei Elemente des Kaltkathodenmessers in einem Bereich zwischen der Eintrittsöffnung und dem mindestens einen Sensor angeordnet sind.

4. Kalibriervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das reflektierende Element ein gekrümmtes 90°-Ellenbogenelement mit einer reflektierenden Innenfläche ist, wobei die Lichtquelle an einem ersten Ende (21) des Ellenbogenelements positioniert ist, wobei divergentes Licht auf eine Seite mit größerem Radius der Innenfläche gerichtet ist und wobei die Eintrittsöffnung der optischen Sensoranordnung an einem zweiten Ende (22) des Ellenbogenelements angeordnet ist.

5. Verfahren zum Kalibrieren einer optischen Sensoranordnung, wobei die optische Sensoranordnung eine Eintrittsöffnung zum Empfangen von eingehendem Licht aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Bereitstellen eines reflektierenden Elements mit einem reflektierenden Bereich, wobei der reflektierende Bereich eine Vielzahl von reflektierenden Flächen umfasst, die in ihrer Ausrichtung variieren, – Bereitstellen der zu kalibrierenden optischen Sensoranordnung, – Beleuchten des reflektierenden Bereichs mit Licht von einer Lichtquelle, Zulassen, dass reflektiertes Licht von dem reflektierenden Bereich durch die Eintrittsöffnung auf einen Sensor der optischen Sensoranordnung eintritt, – Messen eines Signals, das die Lichtintensität des am Sensor empfangenen Lichts angibt, und – Vergleichen des gemessenen Signals mit vorherigen Referenzmessungen an einer anderen optischen Sensoranordnung, um einen Kalibrierungswert zu berechnen.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die Kalibriervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 verwendet wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, bei dem die kalibrierte optische Sensoranordnung in einem weiteren Schritt an einer Vakuumkammer an einer Position montiert wird, die zum Überwachen einer optischen Emission eines Plasmas mittels der optischen Sensoranordnung geeignet ist.