DE10154404C1

DE10154404C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung physikalischer Kenngrößen von dünnen, optisch transparenten Schichten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10154404C1
Application number: DE2001154404
Authority: DE
Inventors: Peter Gehr; Rene Staub
Original assignee: OVD Kinegram AG
Current assignee: OVD Kinegram AG
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: WO2003040649A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Messung der Dicke einer dünnen, auf einem sich relativ zu einem Sensor bewegenden Träger aufgebrachten transparenten oder semitransparenten Schicht oder Schichtfolge vorgeschlagen, wobei durch entsprechende Belichtung oder Messung über einen großen Raumwinkelbereich und entsprechende Messung bzw. Belichtung über einen kleinen Raumwinkelbereich dafür gesorgt wird, dass auch bei unterschiedlich strukturierter Oberfläche des Trägers oder der Schicht(en) sich Lichtverhältnisse ergeben, die den Verhältnissen bei glatter Oberfläche angenähert sind. Weiterhin erfolgt die Bestimmung der Dicke der transparenten Schicht(en) durch einen Vergleich der tatsächlich ermittelten spektralen Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes mit der in Abhängigkeit von den Kennwerten der vorhandenen Materialien theoretisch im Wege der Berechnung ermittelten spektralen Intensitätsverteilung. Zur Beleuchtung dient vorteilhafterweise eine Ulbricht-Kugel (8), die über einen Sensor (16) mit einer Recheneinrichtung (23) verbunden ist, die mittels erster und zweiter Recheneinheiten (24, 25) und einer Vergleichereinheit (26) eine Kenngröße erzeugt, die über einen Regler (28) die aufgebrachte Schichtdicke steuert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Dicke von dünnen, auf einem sich relativ zu einem Sensor bewegenden Träger aufgebrachten, optisch vollständig oder teilweise transparenten Schichten, bei dem die Intensität von von den transparenten Schichten reflektierter oder durch diese hindurchtretender Lichtstrahlung in Abhängigkeit von der Licht- Wellenlänge gemessen und daraus im Vergleich mit Rechnungen und unter Berücksichtigung der physikalischen Kennwerte, insbesondere des Brechungsindex, der Schichten die Dicke der transparenten Schichten ermittelt wird, wobei die Erfindung die Messung der Dicke nur einer einzigen Schicht wie von mehreren Schichten und Schichtfolgen umfasst.

Ausserdem ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Messung der Dicke von dünnen, auf einem sich relativ zu einem Sensor bewegenden Träger aufgebrachten, optisch vollständig oder teilweise transparenten Schichten, welche eine spektral breitbandige Lichtquelle, den Sensor zur Messung der Intensität der von den transparenten Schichten reflektierten oder durch diese hindurchtretenden Lichtstrahlung in Abhängigkeit von der Licht-Wellenlänge und eine Recheneinrichtung zur Auswertung der spektralen Intensität der reflektierten Lichtstrahlung aufweist.

Es ist allgemein bekannt, dass sich die Dicke einer vergleichsweise dünnen, transparenten, dielektrischen Schicht rechnerisch aus der spektralen Intensitätsverteilung des bei Bestrahlung der Schicht mit spektral breitbandigem Licht reflektierten Lichtes ermitteln lässt. Hier gilt, dass die Schichtdicke einer hochbrechenden Schicht direkt proportional der Wellenlänge des Maximums der spektralen Reflexionskurve ist, und zwar nach der Formel:

wobei
d = Dicke der dielektrischen Schicht
n = Brechungsindex der dielektrischen Schicht
Peak-Wellenlänge = Wellenlänge des langwelligsten Reflexions- Maximums (allgemein in nm)

Beispielsweise gilt bei einem häufig für entsprechend dünne, dielektrische Schichten verwendeten Material, nämlich ZnS, das einen Brechungsindex von 2,3 hat, für eine Schichtdicke von 60 nm eine Peak-Wellenlänge von 550 nm.

Diese Art der Bestimmung der Schichtdicke einer transparenten oder semitransparenten Schicht, bei der nur die tatsächlich spektrale Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes gemessen wird, lässt sich gut verwenden, wenn es um stationäre Messungen geht und für die Messung und Auswertung hinreichend Zeit zur Verfügung steht.

Es ist bereits bekannt, das spektrale Verhalten von dünnen Beschichtungen bei Aufbringung der dünnen Schichten auf ein Substrat On-Line zu messen, wobei allerdings nur Farb- oder Reflexions-Messgrössen ermittelt werden (sh. M. Nofi/J. Matteucci "On-Line Evaluation of Web Coatings for Color Applications" in 41^st Annual Technical Conference Proceedings (1998), Seiten 392 bis 396, ISSN 0737-5921 der Society of Vacuum Coaters). Weiterhin wurde bereits bezüglich der Dünnfilmtechnik ein Verfahren beschrieben (J. Struempfel et al., "In-Situ Optical Measurements of Transmittance, and Reflectance by Ellipsometry on Glass, Strips and Webs in Large Area Coating Plants" in 42^nd Annual Technical Conference Proceedings (1999), Seiten 280 bis 285, ISSN 0737-5921 der Society of Vacuum Coaters), bei dem unter Verwendung von Ulbricht-Kugel und Spektral-Photometer die Schichteigenschaften von Dünnfilmen auf Glas ex-situ bestimmt werden. Auch hier geht es jedoch nur um die optischen Eigenschaften (Durchlässigkeit und Reflexionsvermögen), nicht aber um die Messung der Dicke der Schichten, wobei zudem als Substrat eine Glasplatte verwendet wird, so dass von vergleichsweise glatten Oberflächen des Substrats auszugehen ist. Bei diesem Verfahren wird eine Ulbricht-Kugel deswegen eingesetzt, um Probleme mit der Sensor-Justage zu vermeiden.

Generell ist es bekannt, die sog. "Ulbricht-Kugel" zur Farbmessung mit dem Ziel, einen Farbwert, d. h. die Koordinaten in einem Farbraum, zu bestimmen, einzusetzen. Der Einsatz der Ulbricht-Kugel gestattet es dabei, auch glänzende oder streuende Oberflächen zu beurteilen, weshalb ein entsprechendes Vorgehen auch in Normen zur Farbmessung beschrieben ist. Speziell kann hier verwiesen werden auf Brock/Groteklaes/Mischke "European Coatings Handbook", ISBN 3-87870-559-X, Seite 373.

In der DE 198 14 956 A1 ist beispielsweise zum Messen der Schichtdicke von transparenten Schichten bereits die Möglichkeit beschrieben, die zu vermessende Schicht mit Strahlen zu beleuchten, die aus einem grösseren Raumwinkelbereich einfallen, wobei Licht mit Anteilen unterschiedlicher Wellenlänge zum Einsatz kommen kann. In diesem Zusammenhang ist auch die Möglichkeit einer wellenlängenselektiven Auswertung angedeutet. Die Möglichkeit einer richtungsaufgelösten Auswertung ist in dieser Druckschrift nicht angesprochen.

Die US 4 873 430 sowie EP 0 314 892 A1 beschreiben Verfahren und Vorrichtungen, bei denen eine zu messende Schicht mit gerichtetem Licht beleuchtet und gestreut reflektiertes Licht erfasst wird. Ein Hinweis auf die Möglichkeit einer spektralen Auswertung des Streulichts ist diesen beiden Druckschriften jedoch nicht zu entnehmen.

Schliesslich beschreibt die US 5 604 581 die spektrale Analyse reflektierten Lichts zur Messung der Dicke von Schichten im Vergleich mit Modellrechnungen. Die Möglichkeit einer Raumwinkelintegration über Streulicht wird dabei jedoch nicht angesprochen.

Die Erfindung befasst sich nun mit der Messung der Dicke oder anderer physikalischer Kenngrössen, z. B. der Peak-Wellenlänge, entsprechend dünner, transparenter oder semitransparenter Schichten oder Schichtfolgen (die auch absorbierende Schichten wie Metalle oder Halbleiter aufweisen können), wobei diese Messung während der oder anschliessend an die Aufbringung der dünnen Schichten auf einen sich bewegenden Träger erfolgen und eine Messung auch dann möglich sein soll, wenn die die transparenten Schichten aufnehmende Oberfläche mikroskopisch oder makroskopisch strukturiert ist. Diese Konstellation ergibt sich beispielsweise dann, wenn auf einen Trägerfilm mit einer z. B. durch Replikation eingebrachten, beugungsoptisch wirksamen Struktur, beispielsweise einer Gitterstruktur, einem mittels Strukturierung erzeugten Hologramm, usw., eine die Erkennbarkeit der Struktur verbessernde, transparente, dünne, dielektrische Schicht aufgebracht werden soll. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass die in diesem Zusammenhang verwendeten hochbrechenden dünnen Schichten oder Folgen aus dünnen Schichten normalerweise Brechzahlen zwischen 1,7 und 4,5 aufweisen. Unter Berücksichtigung der üblicherweise verwendeten Substrate kann unterstellt werden, dass ein Brechungsindex-Unterschied von mindestens 0,1 bis 0,3 zwischen der Trägerbahn bzw. der Schicht, auf die die dünne, transparente Schicht aufgebracht werden soll, und der Schicht respektive der dünnen, transparenten Schicht und der Luft gegeben ist. Die zu charakterisierende Schicht kann hier auch zwischen anderen, eventuell dielektrischen Schichten, beispielsweise zwischen einer Replizierschicht und einem Kleber, eingebettet sein, wenn nicht unmittelbar bei Aufbringung der zu messenden Schicht die Messung erfolgt. Bei Vorhandensein einer Schichtfolge ist ebenfalls ein Brechungsindex-Unterschied von mindestens 0,1 bis 0,3 zwischen benachbarten Schichten wesentlich.

Um hier eine Verfälschung der von der Beugungsstruktur od. dgl. erzeugten Effekte weitgehend zu verhindern, muss die reflexionserhöhende, dünne dielektrische Schicht mit sehr guter Dickenkonstanz aufgebracht werden, wobei anzustreben ist, dass sich die Dicke der dielektrischen Schicht mit einer Genauigkeit von bis zu 1 nm messen und auch entsprechend einstellen lässt. Meist werden derartige dünne, dielektrische Schichten im Vakuum aufgebracht, wobei sich die Trägerbahn mit verhältnismässig hoher Geschwindigkeit von bis zu 300 m/Min. gegenüber der Quelle, die zur Aufdampfung der dünnen Schicht dient, und damit auch gegenüber einem möglichen Messpunkt bzw. Sensor bewegt. Aufgrund der vergleichsweise schnellen Bewegung der Trägerbahn muss selbst bei sauberster Führung doch mit einem gewissen Flattern gerechnet werden, wodurch sich die geometrischen Verhältnisse zwischen der Trägerbahn bzw. der dünnen Schicht einerseits und der Messeinrichtung andererseits laufend verändern. Ein weiteres Problem stellt die sich ständig verändernde Oberflächengestaltung der die beugungsoptisch wirksame Struktur aufweisenden Oberfläche dar, auf die eine entsprechende Messeinrichtung nicht ständig eingestellt werden kann. Schliesslich ist zu berücksichtigen, dass die Messung ebenfalls innerhalb der Vakuumkammer erfolgen muss, in der die dünne, dielektrische Schicht aufgebracht wird, weshalb zu befürchten ist, dass auch die verwendete Messeinrichtung relativ rasch mit einem die Messung verfälschenden Überzug aus dem zur Herstellung der dünnen Schicht dienenden Material bedeckt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung vorzuschlagen, die geeignet sind, rasch die Dicke von transparenten oder semitransparenten, dünnen Schichten bzw. Schichtfolgen zu messen, ohne dass ein eventuelles Flattern einer Trägerbahn oder das Vorhandensein von Strukturen an der Oberfläche eines Trägers, auf den die transparenten Schichten aufgebracht werden sollen, das Messergebnis wesentlich beeinflussen, um so ausgehend von der gemessenen Dicke der transparenten Schichten die zur Aufbringung der Schichten dienende Vorrichtung zwecks Erzielung einer vorgegebenen, eventuell sogar örtlich variierenden Schichtdicke regelungsmässig ansteuern zu können.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäss Anspruch 1 gelöst, wobei die Ansprüche 2 bis 5 vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zum Gegenstand haben.

Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist eine Vorrichtung gemäss Anspruch 6 besonders geeignet, die zweckmässig mit den Merkmalen der Ansprüche 7 bis 20 weitergebildet sein kann.

Für das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung sind zwei Faktoren wesentlich. Zum einen muss entweder die Beleuchtung oder die Erfassung des von dem Träger mit der dünnen, transparenten Schicht bzw. den Schichten reflektierten oder hindurchgelassenen Lichtes über einen sehr grossen Raumwinkelbereich erfolgen. Dies ist deswegen notwendig, um auch bei Vorhandensein unterschiedlichster Oberflächenstrukturen im Bereich der dünnen, transparenten Schichten zu gewährleisten, dass entweder die in unterschiedlichste Richtungen weisenden kleinen Oberflächen-Abschnitte sämtlich in etwa gleichmässig beleuchtet werden oder bei stark gerichteter Beleuchtung im Rahmen der Auswertung der reflektierten Strahlung die in unterschiedlichste Raumwinkelbereiche reflektierten oder hindurchtretenden Teilstrahlen mit einbezogen werden. Wenn die Beleuchtung über einen grossen Raumwinkelbereich erfolgt, d. h. quasi eine integrale Beleuchtung vorgenommen wird, erfolgt dann entsprechend die Auswertung der resultierenden Strahlung nur über einen vergleichsweise engen Raumwinkelbereich. Entsprechend wäre in Verbindung mit einer integralen Auswertung der reflektierten oder hindurchtretenden Strahlung über einen grossen Raumwinkelbereich eine Beleuchtung vorzusehen, die nur einen vergleichsweise engen Raumwinkelbereich erfasst. Unter "enger Raumwinkelbereich" in diesem Sinne ist im wesentlichen ein paralleler Strahlenverlauf oder ein Strahlenverlauf zu verstehen, dessen Divergenz weniger als etwa 5° um die Mittelachse des Bestrahlungs- bzw. Erfassungsbereichs beträgt.

Für den Erfolg des Erfindungsvorschlages ist weiterhin massgeblich, dass nicht nur die tatsächlich reflektierte oder hindurchtretende Strahlungsintensität gemessen wird, sondern dass die aus der über einen bestimmten Licht- Wellenlängenbereich reflektierten oder hindurchtretenden Strahlung ermittelte Ist-Intensitätskurve der Strahlung (in Abhängigkeit von der Wellenlänge) mit einer vorgegebenen Anzahl von Soll-Intensitätskurven verglichen wird. Die Soll- Intensitätskurven sind berechnete Kurven, wobei in die Berechnung die physikalischen Kennwerte sowohl der dünnen, transparenten Schichten als auch des Trägers sowie etwa vorhandener zusätzlicher Schichten eingehen. Es ist hierbei z. B. möglich, wellenlängenabhängige Veränderungen des Brechungsindex zu berücksichtigen. Auch die unterschiedlichen Brechzahlen der verschiedenen Materialien sowie die Dicken eventuell zusätzlich neben den transparenten Schichten vorhandener Schichten können Berücksichtigung finden. Auch kann das Absorptionsvermögen, das ja ebenfalls wellenlängenabhängig sein kann, in der Berechnung berücksichtigt werden. Auf diese Art und Weise wird eine Schar von Soll-Intensitätskurven berechnet, wobei sich die einzelnen Kurven der Schar lediglich dadurch unterscheiden, dass jeweils eine unterschiedliche theoretische Dicke der transparenten Schichten zugrunde gelegt wird. Verfahren zur Durchführung entsprechender Berechnungen sind allgemein bekannt und können beispielsweise dem Lehrbuch "Principles of Optics": ISBN 0-08-026481-6, 1980 von Born & Wolf entnommen werden. Die tatsächliche Dicke der aufgebrachten transparenten Schichten wird dann durch einen Vergleich der Ist-Intensitätskurve mit der Schar der für unterschiedliche Dicken der transparenten Schicht(en) berechneten Soll-Intensitätskurven ermittelt, wobei davon auszugehen ist, dass die am besten mit der Ist-Intensitätskurve übereinstimmende Soll- Intensitätskurve auch hinsichtlich der bei der Berechnung zugrunde gelegten Dicke der Dicke der tatsächlich aufgebrachten transparenten Schichten proportional ist.

Ein wesentlicher Vorzug des erfindungsgemässen Vorgehens ist auch darin zu sehen, dass Soll-Intensitätskurven über einen Wellenlängenbereich berechnet werden können, der über den Wellenlängenbereich des zur Messung verwendeten Lichtes hinaus reicht. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise durch Vergleich der Intensitätskurven auch Eigenschaften, z. B. Peakwellenlänge, der transparenten Schichten bestimmen, die deutlich unter bzw. über dem sich an sich aufgrund des verwendeten Lichtes ergebenden Messbereich liegen, was gerade bei hochbrechenden, reflexionserhöhenden Schichten einen beachtlichen Vorzug darstellt.

Die Erfindung lässt sich nicht nur zur Dickenmessung einer oder mehrerer Schichten oder einer aus mehreren Schichten bestehenden Schichtfolge sondern auf dem gleichen Prinzip aufbauend auch zur Messung anderer physikalischer Kenngrössen, z. B. der Peak-Wellenlänge, einsetzen. Wenn daher in der Beschreibung und den Ansprüchen von der "Messung oder Ermittlung der Dicke der Schichten" gesprochen ist, soll dies auch die analoge Messung oder Erfassung anderer physikalischer Kenngrössen der Schichten erfassen.

Die Erfindung ist weiter nicht nur auf Messungen an auf eine Trägerbahn aufgebrachten dünnen Schichten beschränkt. Sie befasst sich generell mit der Aufbringung dünner, teilweise oder vollständig transparenter Schichten (auch sehr dünner Metallschichten) auf flächige Träger, z. B. auf rotierende CD- Rohlinge, oder auf geformte Körper, z. B. Flaschen, wobei hier beispielsweise an die Beschichtung von PET-Flaschen zu denken ist, um deren Gasdichtheit zu verbessern. Denkbar wäre auch die Messung der Schichtdicke an koextrudierten Folien aus Kunststoffen mit hinreichend unterschiedlichem Brechungsindex.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des Verfahrens sowie eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung anhand der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Anlage zur Aufbringung einer dünnen, transparenten dielektrischen Schicht auf ein Substrat in einer Vakuumkammer einschliesslich der Vorrichtung zur Dickenmessung bei Verwendung in einem Regelkreis für die Anlage;

Fig. 2 schematisch einen Schnitt durch einen Teil der die Messvorrichtung bildenden Ulbricht-Kugel samt zu vermessender Bahn und Gegenlager;

Fig. 3 ein Blockdiagramm der Vorrichtung zur Schichtdicken-Messung und

Fig. 4 beispielhaft die Darstellung einer sich bei einer entsprechenden Messung ergebenden Ist-Intensitätskurve im Vergleich mit der passenden Soll-Intensitätskurve.

Die Anlage in Fig. 1 ist nur äusserst schematisch dargestellt. Entsprechende Vakuumanlagen zur Aufbringung dünner Schichten auf ein Substrat, beispielsweise durch Aufdampfung oder Sputterung sind allgemein bekannt, weshalb hier auf eine nähere Erläuterung verzichtet werden soll.

Auf jeden Fall umfasst die Anlage der Fig. 1 einen Vakuumbehälter 1, in welchem sich eine Trägerbahn 2, beispielsweise in Pfeilrichtung, zwischen einer Abwickelrolle 3 und eine Aufwickelrolle 4 bewegt. Auf dem Weg von der Abwickelrolle 3 zur Aufwickelrolle 4 ist die Trägerbahn 2 selbstverständlich mittels entsprechender Walzen geführt und gestützt, wobei in Fig. 1 lediglich schematisch eine Stützwalze 5 im Bereich der zur Messung der Schichtdicke dienenden Station angedeutet ist. Während der Bewegung der Trägerbahn 2 von der Abwickelrolle 3 zur Aufwickelrolle 4 wird die Trägerbahn 2 auf einer Seite (in Fig. 1 oben) mit einer dünnen, dielektrischen Schicht bedeckt, zu deren Erzeugung beispielsweise eine Verdampfungsstation 6 vorgesehen sein kann, die über ein entsprechendes Steuergerät 7 in Abhängigkeit von den jeweils herrschenden Arbeitsbedingungen und der gewünschten Schichtdicke gesteuert wird. Auf diese Weise ist es z. B. möglich, hochbrechende Substanzen wie ZnS, TiO₂ etc. oder niedrig brechende Substanzen (wie MgF₂ oder SiO_x) in einem Schichtverbund in Schichtdicken von einigen nm bis einige hundert nm auf die Trägerbahn 2 aufzubringen.

Bei der Trägerbahn kann es sich um unterschiedlichste Materialien handeln. Das Verfahren gemäss vorliegender Erfindung wird jedoch insbesondere dann angewendet, wenn die mit der dünnen, dielektrischen Schicht zu versehende Oberfläche der Trägerbahn strukturiert ist, insbesondere in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Struktur hat. Die Oberfläche der Trägerbahn kann beispielsweise spiegelglatt sein, eine stochastische Mattstruktur oder eine Gitterstruktur aufweisen, wobei es sich häufig um solche Strukturen handelt, wie sie bei beugungsoptisch wirksamen Elementen, beispielsweise Sicherheitselementen für Wertpapiere wie Banknoten od. dgl., verwendet werden und allgemein geläufig sind. Diese Strukturen haben z. B. Gitterfrequenzen von über 1.000/mm und Gittertiefen von einigen hundert nm und einen wesentlichen Einfluss auf die Messung irgendwelcher Kenngrössen der dielektrischen Schicht. Bei der Herstellung von beugungsoptisch wirksamen Elementen, z. B. Gitterstrukturen etc., wird meist so vorgegangen, dass auf eine Trägerbahn eine verformbare Schicht, z. B. eine thermoplastische Lackschicht, aufgebracht wird, in welche dann die beugungsoptische wirksame Struktur im Wege der Replikation eingebracht wird. Es ist auch denkbar, dass zwischen der Replikationsschicht und der Trägerbahn weitere Schichten vorhanden sind, die ebenfalls Einfluss auf die Messung der reflektierten Intensität haben können.

Der Stützwalze 5 gegenüberliegend ist in der Vakuumkammer 1 eine sogenannte "Ulbricht-Kugel" 8 angeordnet, wobei die Grössenverhältnisse in Fig. 1 absolut nicht zutreffend dargestellt sind. Die Ulbricht-Kugel 8 kann beispielsweise einen Innendurchmesser von unter 50 mm haben, während der Gesamtdurchmesser einer Vakuumkammer 1 durchaus in der Grössenordnung von 1 m oder deutlich mehr liegt.

Die Ulbricht-Kugel 8 weist auf ihrer der Trägerbahn 2 und damit der dünnen Schicht, deren Dicke gemessen werden soll, zugekehrten Seite eine Messöffnung 9 auf, durch die sowohl Licht auf die Trägerbahn 2 austritt als auch von der Trägerbahn 2 reflektiertes Licht eintritt, wie dies durch den Doppelpfeil 10 angedeutet ist.

Zur Beleuchtung des Messbereichs auf der Trägerbahn 2 dient eine spektral breitbandige Lampe 11, beispielsweise eine im wesentlichen weisses Licht erzeugende Glühlampe, die über einen Lichtleiter 12 an die Ulbricht-Kugel 8 gekoppelt ist, und zwar derart, dass die Licht-Austrittsstelle 13 etwa um 90° gegenüber der Messöffnung 9 versetzt ist. Das an der Licht-Austrittsstelle 13 in das Innere 14 der Ulbricht-Kugel 8 austretende Licht wird an der entsprechend beschichteten Innenfläche des Hohlraums 14 der Ulbricht-Kugel 8 mehrfach in allen möglichen Richtungen reflektiert, so dass das aus der Messöffnung 9 austretende Licht gleichmässig aus einem grossen Raumwinkelbereich kommt.

Etwa gegenüber der Messöffnung 9 ist an den Hohlraum 14 der Ulbricht-Kugel 8 an der Stelle 15, ebenfalls über einen Lichtleiter 12a, ein Sensor 16, beispielsweise ein Spektral-Photometer, angekoppelt. Die Austrittsstelle 15 für die zur Messung verwendete Strahlung liegt, wie Fig. 1, insbesondere aber Fig. 2 erkennen lassen, nicht auf dem Lot 17 auf die Trägerbahn 2 sondern ist gegenüber diesem Lot 17 um einen kleinen Winkel α, im allgemeinen etwa 8°, versetzt. An der Stelle 15 kann zweckmässig eine Sammellinse vorgesehen sein, die bewirkt, dass nur ein Fleck mit begrenztem Durchmesser, beispielsweise ein Fleck mit ca. 3 mm Durchmesser, auf der Oberfläche der Trägerbahn 2 in den Lichtleiter 12a abgebildet und entsprechend auch nur Strahlung aus diesem Flächenbereich über den Lichtleiter 12a an den Sensor 16 weitergeleitet wird.

Eine nähere Darstellung der Ulbricht-Kugel 8 ist aus Fig. 2 ersichtlich. Durch die an sich bekannte Gestaltung des Hohlraums 14 der Ulbricht-Kugel 8 wird erreicht, dass das zur Beleuchtung verwendete Licht aus einem grossen Raumwinkelbereich auf die auf der Stützwalze 5 liegende Trägerbahn 2 mit der dielektrischen Schicht auftrifft.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel wird Sorge dafür getragen, dass nicht Licht nach nur einer Reflexion an der Innenwand 20 des Hohlraums 14 der Ulbricht-Kugel 8 durch die Messöffnung 9 austritt. Zu diesem Zweck ist zwischen dem Auftreffbereich 21 des an der Lichtaustrittsstelle 13 austretenden Lichtes auf die Wand 20 des Hohlraums 14 der Ulbricht-Kugel 8 und der Messöffnung 9 eine Blende 22 in Form einer radial von der Wand 20 nach innen weisenden, teilkreisförmigen Scheibe vorgesehen.

Der Sensor 16 der Anlage gemäss Fig. 1 ist mit dem Steuergerät 7 über die in Fig. 3 näher skizzierte Anordnung verbunden. Diese Anordnung umfasst eine Recheneinrichtung 23 mit einer ersten Recheneinheit 24, einer zweiten Recheneinheit 25 und einer Vergleichereinheit 26, eine Anzeigeeinrichtung 27 sowie einen zur direkten Ansteuerung des Steuergeräts 7 dienenden Regler 28.

In die erste Recheneinheit 24 der Recheneinrichtung 23 werden, wie durch den Pfeil 29 angedeutet, beispielsweise über eine Tastatur oder sonstige Eingabeeinrichtungen, entsprechende Kennwerte bezüglich der bei der Messung der Schichtdicke zu berücksichtigenden Substanzen eingegeben. Als Kennwerte kommen hier insbesondere in Betracht die Dicken, Brechungsindizes und Absorptionsfaktoren der verschiedenen vorhandenen Schichten, wobei z. B. die Trägerbahn selbst, wenn sie transparent oder durchscheinend ist, in die Berechnung eingehen kann. Gleiches gilt für auf der Trägerbahn vorhandene Schichten, beispielsweise eine Replizierschicht, in welche die beugungsoptisch wirksamen Strukturen repliziert werden, oder bereits vorgängig aufgebrachte dünne Schichten. Auf jeden Fall berücksichtigt die erste Recheneinheit 24 auch die Daten der aufzubringenden dielektrischen Schicht, wobei jeweils eine bestimmte Dicke vorgegeben wird. Hinsichtlich der Brechzahlen und Absorption ist es auch möglich, die Wellenlängen- Abhängigkeit zu berücksichtigen.

Aus diesen Kennwerten berechnet dann die erste Recheneinheit für unterschiedliche Dicken der dielektrischen Schicht, deren Dicke gemessen werden soll, die theoretischen Soll-Intensitätskurven 30 für das bei entsprechender Beleuchtung mit Weisslicht reflektierte Licht, wobei sich bei vorgegebener Beleuchtung und Zusammensetzung sowie Schichtaufbau der verschiedenen Schichten der Trägerbahn für jeden Dickenwert der dielektrischen Schicht eine bestimmte Soll-Intensitätskurve für das reflektierte Licht abhängig von der jeweiligen Wellenlänge ergibt. Entsprechend der gewünschten Messgenauigkeit wird für jeden vorgegebenen Dickenwert der dielektrischen Schicht die Soll-Intensitätskurve bestimmt. Sämtliche so erhaltenen Soll-Intensitätskurven bilden eine Schar. Sie werden beispielsweise in einem Speicher der ersten Recheneinheit, einem sog. "Look Up Table", gespeichert, um besonders rasch auf die diversen Soll-Intensitätskurven zugreifen zu können.

Es wäre allerdings auch denkbar, über bekannte Algorithmen die Soll- Intensitätskurven laufend zu berechnen, wodurch allerdings die Zugriffszeiten möglicherweise vergrössert würden, was jedoch für bestimmte Anwendungsgebiete notwendig werden kann. Diese Vorgehensweise ist sowohl für Zweischicht- als auch für Mehrschicht-Systeme möglich.

Die zweite Recheneinheit 25 steht über die Leitung 31 mit dem Sensor 16 in Verbindung und erhält von diesem entsprechende Informationen über die tatsächlich gemessene Intensität des reflektierten Lichtes über den verwendeten Wellenlängenbereich. Hiervon ausgehend ermittelt die zweite Recheneinheit die jeweilige Ist-Intensitätskurve 32.

Die Recheneinrichtung 23 weist ausserdem eine Vergleichereinheit 26 auf, die sowohl mit der ersten Recheneinheit 24 als auch mit der zweiten Recheneinheit 25 kommuniziert und die Aufgabe hat, die in der zweiten Recheneinheit 25 erzeugte Ist-Intensitätskurve mit den von der ersten Recheneinheit 24 erzeugten Soll-Intensitätskurven 30 zu vergleichen und die Soll-Intensitätskurve 30 auszuwählen, die am besten mit der Ist-Intensitätskurve 32 übereinstimmt. Jeder Soll-Intensitätskurve ist dabei eine bestimmte Kenngrösse zugeordnet, die der gemessenen und bei Berechnung der Soll-Intensitätskurve zugrunde gelegten Dicke der dielektrischen Schicht entspricht. Diese Kenngrösse wird von der Vergleichereinheit 26 über die Leitung 33 an den Regler 28 weitergegeben. Der Regler 28 vergleicht die über die Leitung 33 ankommende Kenngrösse mit dem an der Leitung 34 angelegten, der Solldicke entsprechenden Signal und gibt dann an der Leitung 35 ein als Regelgrösse verwendetes Signal ab, das zur Ansteuerung des Steuergeräts 7 für die Verdampfungsstation 6 dient und - abhängig von der vom Vergleicher 26 ermittelten Kenngrösse - dafür sorgt, dass die Dicke der abgelagerten Schicht grösser oder kleiner wird.

An die Recheneinrichtung 23 ist weiterhin, wie Fig. 3 zeigt, eine Anzeigeeinrichtung 27 angeschlossen, die beispielsweise auf einem Monitor 36 die Soll- und Ist-Intensitätskurven 30, 32 anzeigt, wobei üblicherweise nur die Soll-Intensitätskurve 30 am Monitor 36 erscheint, die am besten mit der gerade ermittelten Ist-Intensitätskurve 32 übereinstimmt, um so dem Bedienungspersonal auch persönlich die Möglichkeit zu geben, das korrekte Arbeiten der Vorrichtung zu überwachen.

Die Anzeigeeinrichtung 27 kann selbstverständlich auch zur Anzeige weiterer Daten eingerichtet sein. Besonders zweckmässig ist es, wenn die Anzeigeeinrichtung 27 beispielsweise in einem alphanumerischen Feld 37 die gerade ermittelte Schichtdicke oder andere physikalische Kenngrösse anzeigt.

Weiterhin kann die Anzeigeeinrichtung 27 in Verbindung mit der Recheneinrichtung 23 auch in der Lage sein, auf dem Monitor 36 den zeitlichen Verlauf der jeweils ermittelten Dicke der dielektrischen Schicht zu veranschaulichen.

Eine weitere Möglichkeit ist die, die Anzeigeeinrichtung 27 - ebenso wie die Recheneinrichtung 23 - derart auszubilden, dass die Dicke der dielektrischen Schicht gleichzeitig an unterschiedlichen Positionen der Trägerbahn gemessen werden kann, wobei dann auch eine entsprechende Anzahl von Ulbricht-Kugeln oder sonstigen Messeinheiten vorgesehen sein muss. In diesem Fall hat üblicherweise die Anzeigeeinrichtung 27 eine entsprechende Möglichkeit zur Anwahl der entsprechenden Mess-Stellen.

Selbstverständlich ist die Vorrichtung gemäss der Erfindung auch mit der Möglichkeit einer Eichung versehen. Dies ist erforderlich, weil die verwendeten Lampen 11 unter Umständen verschiedene Spektralbereiche abdecken bzw. das erzeugte Licht unterschiedlichen spektralen Verlauf haben kann. Hier kann eine Eichung z. B. dadurch erfolgen, dass in einem speziellen Eichschritt vor die Messöffnung 9 der Ulbricht-Kugel 8 eine schwarze bzw. graue Fläche bewegt wird, deren Reflexionsverhalten genau bekannt ist und infolgedessen zur Eichung der Recheneinrichtung verwendet werden kann. Vorteilhaft ist, wenn deren Reflektionswert in etwa dem des Messobjektes entspricht.

In Fig. 4 ist der Vollständigkeit halber ein Beispiel für die Anzeige am Monitor 36 dargestellt. In dem gezeigten Fall liegt der sichtbare, für die Messung verwendete Wellenlängenbereich etwa zwischen 380 nm und 780 nm.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäss dem Ausführungsbeispiel sind geeignet, die Dicke dielektrischer Schichten oder Schichtfolgen mit Brechzahlen zwischen 1,7 und 4,5 auf eine Genauigkeit von etwa 1 nm zu messen. Hierzu ist allerdings ein Brechungsindex-Unterschied von wenigstens 0,1 bis 0,2 zwischen der dielektrischen Schicht, deren Dicke gemessen werden soll, und den benachbarten Schichten, d. h. z. B. der Trägerbahn, evtl. Zwischenschichten oder Luft, erforderlich. Der spektrale Messbereich kann z. B. der visuelle Bereiche (380 nm bis 780 nm) sein. Es ist aber auch möglich, in anderen Wellenlängen-Bereichen zu messen, wobei der jeweils ausgewählte Wellenlängen-Bereich von dem aufgebrachten, die dielektrische Schicht bildenden Material abhängig ist. Ein Vorteil der Vorgehensweise gemäss der Erfindung ist dabei darin zu sehen, dass die angewendete Vergleichsmethode es auch gestattet, in gewissem Umfang zu extrapolieren, d. h. auch Ist- Intensitätskurven auszuwerten, die in dem gemessenen Bereich kein Maximum haben. Infolge der Übereinstimmung der Ist-Intensitätskurve mit den berechneten Soll-Intensitätskurven kann auf den Bereich, wo das Maximum liegen müsste, im Wege der Extrapolation geschlossen werden. Weiter kann es auch ausreichen, nur wenige Wellenlängen für die Bestimmung der Ist- Intensitätskurve heranzuziehen, wodurch der apparative Aufwand vermindert werden kann.

Schliesslich sei darauf hingewiesen, dass das beschriebene Verfahren primär zur Messung unter Reflexion vorgesehen ist, weshalb in der Beschreibung im allgemeinen auch nur von der reflektierten Lichtstrahlung die Rede ist. Es ist jedoch durchaus möglich, ein grundsätzlich übereinstimmendes Verfahren mit Vergleich der jeweiligen Intensitätskurven auch bei Messung in Transmission einzusetzen, weshalb diese Vorgehensweise ebenfalls von vorliegender Anmeldung erfasst werden soll.

Wenn nicht die Schichtdicke sondern andere physikalische Kenngrössen gemessen werden sollen, muss im wesentlichen nur die Auswertung der Ist- Intensitätskurven, zweckmässig durch Anpassung der gerechneten oder ermittelten Sollkurven oder der Anzeigeeinrichtung, angepasst werden.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Dicke von dünnen, auf einem sich relativ zu einem Sensor bewegenden Träger aufgebrachten, optisch vollständig oder teilweise transparenten Schichten, bei dem die Intensität reflektierter oder durch die Schichten hindurchtretender Lichtstrahlung in Abhängigkeit von der Licht-Wellenlänge gemessen und daraus im Vergleich mit Rechnungen und unter Berücksichtigung der physikalischen Kennwerte der Schichten die Dicke der transparenten Schichten ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
entweder ein zu vermessender Bereich der Schichten mit spektral breitbandigem Licht, das aus einem grossen Raumwinkelbereich auffällt, beleuchtet und die reflektierte oder hindurchtretende Lichtstrahlung in nur einem engen Raumwinkelbereich gemessen wird,
oder ein zu vermessender Bereich der Schichten mit spektral breitbandigem Licht, das aus einem engen Raumwinkelbereich auffällt, beleuchtet und gestreut reflektierte oder beim Durchtritt gestreute Lichtstrahlung über einen grossen Raumwinkelbereich integrierend gemessen wird,
dass zu vorgegebenen Dickenwerten für die zu vermessenden transparenten Schichten und bekannten physikalischen Kennwerten der beteiligten Schichten die relative Intensität der reflektierten oder hindurchtretenden Lichtstrahlung wellenlängenabhängig berechnet und hieraus bei Variation der Dickenwerte eine Schar von Soll-Intensitätskurven bestimmt wird, die jeweils zu unterschiedlichen Dicken gehören,
und dass eine gemessene Ist-Intensitätskurve der reflektierten oder hindurchtretenden Lichtstrahlung mit der Schar der berechneten Soll- Intensitätskurven verglichen wird und die Dickenwerte als Messergebnis ausgewählt werden, bei denen die zugehörige Soll-Intensitätskurve beste Übereinstimmung mit der Ist-Intensitätskurve zeigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung jeder Soll-Intensitätskurve die optischen Kennwerte (z. B. Brechungsindex, Absorption, spektrale Durchlässigkeit) der dünnen transparenten Schichten des Trägers sowie ggf. weiterer vorhandener Schichten in Abhängigkeit von der Wellenlänge sowie die durchschnittlichen Dicken des Trägers sowie ggf. weiterer vorhandener Schichten, jedoch nur eine ausgewählte Dicke der transparenten Schichten, zugrundegelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Dicken der transparenten Schichten zugeordneten Soll-Intensitätskurven vorgängig berechnet und vor Beginn der Messung in einer entsprechenden Tabelle ("Look-Up Table") gespeichert werden, um so die Rechenzeiten einer den Vergleich der jeweiligen Ist-Intensitätskurve mit der Schar der Soll-Intensitätskurven durchführenden Recheneinrichtung zu verkürzen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung des zu vermessenden Bereichs aus einem Raumwinkelbereich von nahezu 180° erfolgt, während die Messung der Intensität der reflektierten oder hindurchtretenden Lichtstrahlung über einen Raumwinkelbereich von ca. 5° um die Mittelachse des Erfassungsbereichs des zur Messung verwendeten Sensors erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse des Erfassungsbereichs des Sensors um etwa 8° gegenüber dem Lot auf die dünnen dielektrischen Schichten geneigt ist.

6. Vorrichtung zur Messung der Dicke von dünnen, auf einem sich relativ zu einem Sensor bewegenden Träger aufgebrachten, optisch vollständig oder teilweise transparenten Schichten nach dem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, welche eine spektral breitbandige Lichtquelle, einen Sensor zur Messung der Intensität der von den transparenten Schichten reflektierten oder durch diese hindurchtretenden Lichtstrahlung in Abhängigkeit von der Licht-Wellenlänge und eine Recheneinrichtung zur Auswertung der spektralen Intensität der gemessenen Lichtstrahlung aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass entweder die Lichtquelle (11-13) den zu vermessenden Bereich der transparenten Schichten aus einem grossen Raumwinkelbereich beleuchtet und der Erfassungsbereich des Sensors (16) nur einen kleinen Raumwinkelbereich abdeckt,
oder dass die Lichtquelle (11-13) den zu vermessenden Bereich der transparenten Schichten aus einem kleinen Raumwinkelbereich beleuchtet und der Erfassungsbereich des Sensors (16) einen grossen Raumwinkelbereich abdeckt, und
dass die Recheneinrichtung (23) aufweist
eine erste Recheneinheit (24), die in Abhängigkeit von unterschiedlichen angenommenen Werten der Dicke der transparenten Schichten sowie den physikalischen Kennwerten der transparenten Schichten, des Trägers (2) sowie eventuell weiterer, zwischen den transparenten Schichten und dem Träger vorhandener Schichten, über einen vorgewählten Licht- Wellenlängenbereich die theoretische spektrale Intensitätsverteilung der resultierenden Lichtstrahlung berechnet und hieraus eine Schar von Soll- Intensitätskurven (30) bestimmt, von denen jede Soll-Intensitätskurve (30) einer bestimmten Dicke (d) der transparenten Schichten entspricht,
eine zweite Recheneinheit (25), die aus der gemessenen Intensität die tatsächliche spektrale Intensitätsverteilung der gemessenen Lichtstrahlung ermittelt und hieraus eine Ist-Intensitätskurve (32) bestimmt,
sowie eine Vergleichereinheit (26), die die Ist-Intensitätskurve (32) mit der Soll-Intensitätskurve (30) vergleicht und die am besten mit der Ist- Intensitätskurve (32) übereinstimmende Soll-Intensitätskurve (30) auswählt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beleuchtung oder Messung über einen grossen Raumwinkelbereich eine sog. "Ulbricht-Kugel" (8) dient, deren Innenraum (14) entweder von der Weisslichtquelle (11-13) beleuchtet oder von einem Spektral-Photometer (16) abgefühlt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Beleuchtung oder Messung über einen kleinen Raumwinkelbereich die Anordnung derart ist, dass ein Bereich mit einem Divergenz-Winkel von etwa 5° gegenüber der Achse des Bereichs erfasst ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Beleuchtung oder Messung über einen kleinen Raumwinkelbereich die Anordnung derart ist, dass die Achse (L) des Raumwinkelbereichs gegenüber dem Lot (17) auf die transparenten Schichten, vorzugsweise um etwa 8°, geneigt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Beleuchtungsstrahlung und zur Messung verwendete reflektierte Strahlung die gleiche, den kleinen Raumwinkelbereich umschliessende, dem zu messenden Bereich der transparenten Schichten gegenüberliegende Messöffnung (9) in der Wand der Ulbricht-Kugel (8) durchsetzen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (11-13) und/oder der Sensor (16) für die zu messende Strahlung mittels Lichtleitern (12, 12a), die an der Innenfläche (20) der Ulbricht-Kugel (8) enden, mit dieser gekoppelt sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichteintritt (13) an der Ulbricht-Kugel (8) etwa senkrecht zu der dem zu messenden Bereich der transparenten Schichten gegenüberliegenden Messöffnung (9) der Ulbricht-Kugel (8) erfolgt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern (14) der Ulbricht-Kugel (8) eine Blende (22) angeordnet ist, die die Messöffnung (8) gegen direkt von der Innenwand (20) der Ulbricht- Kugel (8) reflektiertes Licht der Lichtquelle (11-13) abschirmt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) für die zu messende Lichtstrahlung an der Ulbricht- Kugel (8) etwa diagonal gegenüber der Messöffnung (9) und direkt auf diese hin ausgerichtet angekoppelt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankoppelungsstelle (15) für den Sensor (16) etwa 8° gegenüber dem Lot (17) auf die Ebene (19) der Messöffnung (9) versetzt ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Recheneinheit (23) einen Speicher für die Schar der jeweils unterschiedlicher Dicke der transparenten Schichten entsprechenden, spektralen Soll-Intensitätskurven (30) aufweist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung (27), die so ausgebildet ist, dass sie wenigstens die bei Berechnung der ausgewählten Soll-Intensitätskurve (30) zugrunde gelegte Dicke (d) der transparenten Schichten anzeigt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeeinrichtung (27) zur simultanen graphischen Darstellung der Ist-Intensitätskurve (32) und der am besten übereinstimmenden Soll- Intensitätskurve (30) unter gleichzeitiger Angabe der bei Berechnung dieser Soll-Intensitätskurve zugrundegelegten (theoretischen) Dicke (d) der transparenten Schichten ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeeinrichtung (27) zur graphischen Darstellung der über einen vorbestimmten Zeitraum ermittelten Werte der Dicke (d) der transparenten Schichten ausgebildet ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Messeinrichtungen zur Messung der Dicke (d) der transparenten Schichten in unterschiedlichen Bereichen umfasst.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass an die Recheneinrichtung (23) und/oder die Anzeigeeinrichtung (27) ein Regler (28) zur Veränderung der Dicke (d) der transparenten Schichten in Abhängigkeit von der gemessenen Dicke (d) angeschlossen ist.