DD257843A1

DD257843A1 - Fotometeranordnung zur optischen schichtdickenmessung

Info

Publication number: DD257843A1
Application number: DD30010487A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Richter; Uwe Bender
Original assignee: Univ Schiller Jena
Priority date: 1987-02-23
Filing date: 1987-02-23
Publication date: 1988-06-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fotometeranordnung zur optischen Schichtdickenmessung waehrend der Erzeugung duenner Schichten auf bewegten Objekten in Beschichtungsanlagen. Die Fotometeranordnung kann zur Prozesskontrolle bei der Herstellung optischer Schichten eingesetzt werden. Sie ermoeglicht die Bestimmung der Schichtdicke und der Beschichtungsrate. Die Fotometeranordnung besteht aus einer Lichtquelle, einem Objekthalter, einer Lichtempfaengereinrichtung und Lock-in-Verstaerkern. Der Objekthalter ist so beschaffen, dass die Objekte nacheinander in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Lichtempfaengereinrichtung geschwenkt werden koennen. Die Lichtempfaengereinrichtung besteht aus einem oder mehreren Schmalbandempfaengern unterschiedlicher Empfangswellenlaenge, deren Signal von zugehoerigen Lock-in-Verstaerkern verstaerkt wird, und einem Breitbandempfaenger, der das Referenzsignal liefert.

Description

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine Fotometeranordnung zur optischen Schichtdickenmessung, direkt an den zu beschichtenden, bewegten Objekten zu realisieren, ohne mechanisch bewegte Teile sowie Anordnungen von Umlenkspiegeln in der Vakkumkammer einzubauen. Dadurch kann bei verringertem technischen Aufwand gegenüber bekannten Fotometeranordnungen eine höhere Meßgenauigkeit der Fotometeranordnung erzielt werden. Infolge dessen können die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Beschichtung der Objekte verbessert und Fehlbeschichtungen vermieden werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fotometeranordnung ohne zusätzliche Modulatorscheibe und Umlenkspiegel zu realisieren, die die infolge der Bewegung der Objekte hervorgerufenen Signale in der Lichtempfängereinrichtung fehlerfrei verarbeiten kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Fotometeranordnung zur optischen Schichtdickenmessung aus einer Lichtquelle, einem beweglichen Objekthalter, einer Lichtempfängereinrichtung und Lock-in-Verstärkern besteht, wobei der Objekthalter so beschaffen ist, daß die auf ihm angebrachten zu beschichtenden Objekte nacheinander in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Lichtempfängereinrichtung geschwenkt werden können und daß durch den Objekthalter selbst dieser Strahlengang unterbrochen ist. Die Lichtempfängereinrichtung besteht aus einem Breitbandempfänger und einem oder mehreren Schmalbandempfängern unterschiedlicher Empfangswellenlänge. Die Ausgänge der Schmalbandempfänger sind mit den Signaleingängen zugehöriger Lock-in-Verstärker verbunden und der Ausgang des Breitbandempfängers ist mit den Referenzeingängen dieser Lock-in-Verstärker verbunden.

Immer dann, wenn sich ein Objekt im Strahlengang der Fotometeranordnung befindet, entsteht am Ausgang der Empfänger ein Signal, dessen Amplitude am Ausgang des Breitbandempfängers wesentlich größer als an den Ausgängen der Schmalbandempfänger ist, da der Breitbandempfänger mehr Energie empfängt. Deshalb kann das Ausgangssignal des Breitbandempfängers als Referenzsignal zur phasenempfindlichen Gleichrichtung der Ausgangssignale der Schmalbandempfänger verwendet werden.

Zur Unterdrückung des Einflusses von Intensitätsschwankungen der Lichtquelle und zur Bestimmung der Beschichtungsrate ist es vorteilhaft, wenn die Lichtempfängereinrichtung des Fotometers aus einem Breitbandempfänger und drei Schmalbandempfängern besteht. Zur weiteren Signalverarbeitung ist es auch vorteilhaft, wenn die Ausgänge der drei zu den Schmalbandempfängern gehörigen Lock-in-Verstärker über Analog-Digital-Konverter mit einer Recheneinheit verbunden sind.

In der Recheneinheit können drei Quotienten Q₁, Q₂ und Q₃ der Ausgangssignale S₁, S₂ und S₃ der drei Lock-in-Verstärker folgendermaßen gebildet werden:

η - Si _n

U₁ - —— U₂ =

S₃

Diese Quotienten sind unabhängig von Intensitätsschwankungen der Lichtquelle. Bei geeigneter Wahl der Wellenlängen der drei Schmalbandempfänger kann gesichert werden, daß während der Beschichtung der Objekte bei jeder Schichtdicke die Änderung einer der Quotienten Q, bis Q₃ mit der Schichtdicke die Änderung einer der Quotienten Q₁ bis Q₃ mit der Schichtdicke von Null verschieden ist. Durch Vergleich der aus der optischen Schichtdickenmessung ermittelten Quotienten Q₁ bis Q₃ mit den vorausberechneten Werten kann die Schichtdicke und aus dem jeweiligen Schichtdickenzuwachs die Beschichtungsrate bestimmt werden.

Um wahlweise eine Transmissions- oder Reflexionsmessung durchführen zu können, sollte vorteilhafterweise je eine Lichtquelle fürTransmissionsmessung und Reflexionsmessung vorhanden sein. Die beiden Lichtquellen sind dabei so angeordnet, daß das Licht der einen Lichtquelle nach der Transmission und das Licht der anderen Lichtquelle nach der Reflexion an den zu beschichtenden Objekten auf die Lichtempfängereinrichtung fällt. Bei der optischen Schichtdickenmessung wird jeweils eine der beiden Lichtquellen eingeschaltet.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehenden Hand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Eine Fotometeranordnung für Transmissionsmessung bei drei verschiedenen Wellenlängen mit angeschlossener Recheneinheit und

Fig. 2: eine Fotometeranordnung für Transmissions- und Reflexionsmessung bei zwei verschiedenen Wellenlängen. Das erste Ausführungsbeispiel ist die in Fig. 1 dargestellte Fotometeranordnung fürTransmissionsmessung bei drei Wellenlängen mit angeschlossener Recheneinheit. In einer Vakuumkammer 1 einer Beschichtungsanlage sind die zu beschichtenden Objekte 2 auf einem drehbar gelagerten Objekthalter 3 angebracht. Sie werden von einer Beschichtungsquelle 4 beschichtet, während sich der Objekthalter 3 dreht. In der Fig. 1 ist der Zustand dargestellt, in dem sich ein transparentes Objekt 2 zwischen der Lichtquelle 5 und der Lichtempfängereinrichtung befindet, so daß die Empfänger beleuchtet werden. Bei der weiteren Drehung des Objekthalters 3 wird durch diesen der Strahlgang zwischen Lichtquelle und Empfängereinrichtung unterbrochen, bis das nächste Objekt in den Strahlengang eingeschwenkt ist. Die Lichtempfängereinrichtung besteht aus einem Breitbandempfänger 6 und drei Schmalbandempfängern 7, deren Empfangswellenlängen verschieden sind und sich wie 1:1,5:2 verhalten. Die Ausgangssignale der Schmalbandempfänger 7 werden mit drei zugehörigen Lock-in-Verstärkern 8, deren Referenzsignal vom Breitbandempfänger 6 geliefert wird, verstärkt und gleichgerichtet. Die Ausgänge der drei Lock-in-Verstärker 8 sind über Analog-Digital-Wandler 8 mit einer Recheneinheit 10 verbunden. In der Recheneinheit 10 werden die drei Quotienten der Ausgangssignale der drei Lock-in-Verstärker 8 gebildet. Da diese Quotienten von Intensitätsschwankungen der Lichtquelle unabhängig sind, sind sie für die weitere Signalauswertung sehr zweckmäßig. Durch Vergleich der aus den drei

Transmissionswerten ermittelten Quotienten mit vorausberechneten theoretischen Werten wird in der Recheneinheit die jeweilige Schichtdicke und aus dem Schichtdickenzuwachs die Beschichtungsrate bestimmt und angezeigt. Im zweiten Beispiel, das in Fig. 2 dargestellt ist, befinden sich die zu beschichtenden Objekte 2 ebenfalls auf einem drehbaren Objekthalter 3. Außer der für Transmissionsmessung vorgesehenen Lichtquelle 5 ist noch eine für Reflexionsmessung bestimmte Lichtquelle 11 vorhanden. In Fig. 2 ist der Zustand dargestellt, daß ein Objekt 2 in den Strahlengang zwischen einer der beiden Lichtquellen 5 oder 11 und den Empfängern 6 und 7 eingeschwenkt ist. In Abhängigkeit davon, ob eine Transmissions- beziehungsweise Reflexionsmessung für die optische Schichtdickenbestimmung vorteilhaft ist, ist die Lichtquelle 5 beziehungsweise die Lichtquelle 11 eingeschaltet. Der Objekthalter ist an seiner Unterseite so gestaltet, daß das von der Lichtquelle 11 an seiner Unterseite reflektierte Licht nicht in die Lichtempfängereinrichtung gelangt. Die Lichtempfängereinrichtung besteht aus einem Breitbandempfänger 6 und zwei Schmalbandempfängern 7, deren Empfangswellenlängen sich voneinander unterscheiden. Der Breitbandempfänger 6 liefert das Referenzsignal für die Lock-in-Verstärker 8, deren Eingangssignale von den beiden Schmalbandempfängern kommen. Am Ausgang der Lock-in-Verstärker stehen zwei Signale zur Verfügung, die zur Bestimmung der Schichtdicke und der Beschichtungsrate verwendet werden können.

Claims

Patentansprüche:

1. Fotometeranordnung zur optischen Schichtdickenmessung während der Erzeugung dünner Schichten auf bewegten Objekten in Beschichtungsanlagen, bestehend aus mindestens einer Lichtquelle, einem Objekthalter mit den zu beschichtenden Objekten, einer Lichtempfängereinrichtung und Lock-in-Verstärkern, dadurch gekennzeichnet, daß der ObjekthalteV so gelagert ist, daß die zu beschichtenden Objekte nacheinander in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Lichtempfängereinrichtung schwenkbar sind und daß durch den Objekthalter selbst dieser Strahlengang unterbrochen ist, daß die Lichtempfängereinrichtung aus einem Breitbandempfänger und einem oder mehreren Schmalbandempfängern unterschiedlicher Empfangswellenlänge besteht, daß die Ausgänge der Schmalbandempfänger mit den Signaleingängen zugehöriger Lock-in-Verstärker verbunden sind und daß der Ausgang des Breitbandempfängers mit den Referenzeingängen dieser Lock-in-Verstärker verbunden ist.
2. Fotometeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfängereinrichtung aus einem Breitbandempfänger und drei Schmalbandempfängern besteht und daß die Ausgänge der drei zu den Schmalbandempfängern gehörigen Lock-in-Verstärker über Analog-Digital-Wandler mit einer Recheneinheit verbunden sind.
3. Fotometeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Lichtquelle für Transmissionsmessung und Reflexionsmessung vorhanden ist.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Fotometeranordnung zur optischen Schichtdickenmessung während der Erzeugung dünner Schichten auf bewegten Objekten in Beschichtungsanlagen. Die Fotometeranordnung kann zur Prozeßkontrolle bei der Herstellung optischer Schichten eingesetzt werden. Sie ermöglicht die Bestimmung der Schichtdicke und der Beschichtungsrate.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt sind Fotometeranordnungen zur optischen Schichtdickenmessung während der Erzeugung dünner Schichten auf Objekten in Beschichtungsanlagen, die die Reflexion oder Transmissionen an mitbeschichteten ortsfest positionierten Testgläsern bei einer oder mehreren Wellenlängen zu messen gestatten (Schrift US 4531838). Die Fotometeranordnungen zur Messung bei einer Wellenlänge bestehen aus einer Lichtquelle mit einem Chopper, einem orstfesten Testglashalter und einem Schmalbandempfänger mit einem zugehörigen Lock-in-Verstärker, dessen Referenzsignal vom Chopper geliefert wird. Fotometer mit einem solchen Aufbau werden zum Beispiel von den Firmen Balzers AG Liechtenstein (Optical Thin Film Monitor GSM 210) und VEB Hochvakuum Dresden (Gerät bmo O) produziert.

Ein Spektralfotometer zur Messung bei mehreren Wellenlängen wird von der Firma Leybold-Heraeus GmbH Köln produziert und ist in der Schrift DE 2655272 beschrieben. Es besteht aus einer Lichtquelle, einem ortsfesten Testglashalter, einer spektralen Lichtzerlegungseinrichtung, einer Lichtempfängereinrichtung und einer elektronischen Auswerteeinrichtung. Der Nachteil dieser Fotometer besteht darin, daß die optische Schichtdickenmessung nicht an den zu beschichtenden bewegten Objekten, sondern an Testgläsern erfolgt. Über einen durch die Beschichtungsgeometrie bestimmten Umrechnungsfaktor wird die Schichtdicke auf den Objekten aus der Schichtdicke auf dem Testglas bestimmt. Infolge nicht zu vermeidender Schwankungen der Strahlverteilung der Beschichtungsquellen ist dieser Umrechnungsfaktor jedoch nicht konstant. Deshalb entstehen auf den Objekten Abweichungen von der Sollschichtdicke selbst dann, wenn die optische Schichtdickenmessung am Testglas sehr genau realisiert werden kann. Der Grund, weshalb die optische Schichtdickenmessung an einem ortsfesten Testglas und nicht an den zu beschichtenden Objekten selbst vorgenommen wird, liegt in der Bewegung der Objekte während der Beschichtung. Diese Bewegung ist jedoch erforderlich, um eine gleichmäßige Beschichtung der Objekte zu erreichen. In der Schrift DE OS 3234534 wird eine optische Schichtdickenmeßeinrichtung vorgeschlagen, die die Transmission oder Reflexion an bewegten Objekten während der Beschichtung bei einer Wellenlänge zu messen gestattet. Nachteilig an dieser Meßeinrichtung ist jedoch, daß zur Erzeugung der erforderlichen Referenzsignale eine sich mit dem Objekthalter synchron drehende Modulatorscheibe in der Vakuumkammer angebracht werden muß, so daß ein Teil der Vakuumkammer nicht für die Beschickungseinrichtung genutzt werden kann. Ein weiterer Nachteil dieser Fotometeranordnung besteht darin, daß es im Betrieb der Anlage infolge des komplizierten, über zahlreiche Umlenkspiegel verlaufenden Meßstrahlungsganges sehr leicht zu Strahlverkippungen kommt, die die Meßgenauigkeit des Fotometers vermindern.