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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung eines Arbeitspunktes
von reaktiven, plasmagestützten
Vakuumbeschichtungsprozessen bei dem in einem geschlossenen, schnellen
Regelkreis eine den Arbeitspunkt eindeutig charakterisierende Kenngröße des Plasmas,
insbesondere eine charakteristische optische Emissionslinie des
Plasmas, die Entladungsspannung oder der Reaktivgaspartialdruck,
als Ist-Größe fortlaufend
gemessen, mit einer Soll-Größe verglichen
und der Reaktivgaszufluss in den Beschichtungsraum als Stellgröße in Abhängigkeit
von einer ermittelten Soll-Ist-Abweichung stetig geregelt wird.
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Die
Erfindung betrifft ebenso eine Anordnung zur Stabilisierung eines
Arbeitspunktes von reaktiven, plasmagestützten Vakuumbeschichtungsprozessen,
bestehend aus einem geschlossenen, schnellen Regelkreis, der aus
dem Beschichtungsraum als erste Regelstrecke, aus einem ersten,
die charakteristische Kenngröße des Plasmas
bestimmenden Messglied, aus einem ersten elektronischen Regler und
aus einem, die Reaktivgaszufuhr einstellendem ersten Stellglied
gebildet ist.
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Zur
Erzielung hoher Beschichtungsraten und in einem breiten Variationsbereich
einstellbarer, stöchiometrischer
Verhältnisse
der auf ein Substrat mittels reaktiven, plasmagestützten Vakuumbeschichtungsprozess
aufgebrachten Schichten ist es notwen dig, einen Arbeitspunkt in
einem Übergangsbereich,
einem so genannten „transition
mode", dem Übergang
zwischen den beiden Zweigen der Prozesskennlinie (metal mode und
reactive mode), stabil einzustellen. Es ist allgemein bekannt, dass
eine stabile und gezielte Einstellung eines Arbeitspunktes im transition
mode nicht direkt über
die Reaktivgaszufuhr möglich
ist. Vielmehr stellt sich bei einem bestimmten Reaktivgaszufluss
entsprechend der z-förmigen
Kennlinie der Beschichtungsrate in Abhängigkeit von dem Reaktivgaszufluss
willkürlich
einer der drei möglichen
Arbeitspunkte entweder im metal mode oder im reactive mode oder
im transition mode ein.
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Die
gezielte Einstellung eines Arbeitspunktes im transition mode ist
hingegen durch die Stabilisierung der Entladungsspannung, durch
die Stabilisierung des Reaktivgaspartialdruckes oder durch die Stabilisierung
charakteristischer optischer Emissionslinien des Beschichtungsplasmas
ausführbar. Welche
dieser Möglichkeiten
zur Anwendung kommt, hängt
zum einen von den Beschichtungsmaterialien und zum anderen von anlagentechnischen Überlegungen
ab, beispielsweise den Anforderungen hinsichtlich der Langzeitstabilität oder dem
messtechnischen Aufwand.
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Für viele
Materialien und Prozesse hat sich die Einstellung des Arbeitspunktes
mittels der Stabilisierung einer oder mehrerer optischer Emissionslinien
des Beschichtungsplasmas, das Plasma-Emissions-Monitoring (PEM), bewährt, da
dieses Verfahren sowohl das sehr schnelle Regeln des Prozesses als auch,
durch mehrere, parallele Regelkreise, eine lokale Steuerung einzelner
Kathodenbereiche erlaubt. Zu diesem Zweck werden eine oder mehrere
Spektrallinien der Teilchenstrahlung insbesondere des Beschichtungsmaterials
und gegebenenfalls zusätzlich des
Reaktivgases ausgefiltert und deren Intensität mit Hilfe der optischen Spektroskopie
gemessen.
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Die
Intensitäten
der Spektrallinien hängen u.a.
von der Teilchenkonzentration der Materialien im Plasma ab und stellen
somit ein Maß der
Beschichtungsrate dar. Diese wiederum ist ab hängig von dem Arbeitspunkt der
Prozessparameter, der durch den Partialdruck des Reaktivgases in
der Vakuumkammer wesentlich bestimmt wird. Die Intensität einer Spektrallinie
des Beschichtungsmaterials ist damit auch ein Ausdruck des Reaktivgasdruckes
in der Vakuumkammer. Mit Hilfe des Plasma-Emissions-Monitoring (PEM)
wird somit der aktive Reaktivgasfluss als Funktion der Intensität der Spektrallinie
derart geregelt, dass ein definierter Arbeitspunkt im transition mode
fixiert und stabilisiert wird.
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Mit
einer kurz ausgebildeten Regelstrecke in der Vakuumkammer und einem
schnell reagierenden Reaktivgasventil als Stellglied können PEM-Regelkreise
eine niedrige Zeitkonstante verwirklichen, um auch Arbeitspunkte
für die
reaktive Beschichtung besonders dünner Schichten stabilisieren
zu können.
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Es
hat sich jedoch heraus gestellt, dass insbesondere bei Beschichtungsprozessen,
welche mittels der Stabilisierung der Entladungsspannung oder der
Stabilisierung der Intensität
charakteristischer Plasmaemissionslinien oder einer Kombination
beider Möglichkeiten
geregelt werden, unerwünschte Drifterscheinungen
und Instabilitäten
der Beschichtungsrate und damit verbunden der Schichteigenschaften
auftreten. Die Ursache dieser Erscheinungen sind Drifterscheinungen
und Instabilitäten
in der gemessenen Intensität
der Plasmaemissionslinien, die zwar zeitnah mit einem der genannten
Regelkreise stabilisiert werden, aber nicht mit einer Veränderung
der Beschichtungsrate verbunden sind. Die Kompensation dieser Abweichungen
führt deshalb zu
der zu beobachtenden Verschiebung des Arbeitspunktes des Prozesses,
welche wiederum in einer Verschiebung der Beschichtungsrate und
damit der Schichteigenschaften führt.
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Derartige
Drifterscheinungen und Instabilitäten sind temporäre und im
Vergleich zu den mit dem PEM auszugleichenden Vorgängen langsam
verlaufende Erscheinungen, welche insbesondere nach Belüftungen
der Beschichtungsanlage oder bei stark erodierten und ganz neuen
Targets festgestellt werden. Ebenso führen Magnet feldfluktuationen
infolge von nicht exakt konzentrisch rotierenden Rohrmagnetrons
oder infolge von bewegten, Restmagnetismus aufweisenden Bauteilen
der Beschichtungsanlage zu einer Reaktion der schnellen Prozessregelung des
PEM und somit zur unerwünschten
Verschiebung des Arbeitspunktes.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anordnung zur
Stabilisierung eines Arbeitspunktes für reaktive, plasmagestützte Vakuumbeschichtungsprozesse
darzustellen, mit deren Hilfe die dargestellten Stabilitätsprobleme
bei der Stabilisierung des Arbeitspunktes des Beschichtungsprozesses
vermieden werden und die für
die verschiedensten Formen von Beschichtungsanordnungen und Leistungseinspeisung
der Beschichtungsquellen anwendbar sind.
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Verfahrensseitig
wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
dass die Soll-Größe des schnellen
Regelkreises in einem übergeordneten,
langsameren Regelkreis derart einer Drift des Ist-Wertes nachgeführt wird,
so dass der Reaktivgaszufluss in den Beschichtungsraum im zeitlichen
Mittel konstant gehalten wird und dass der langsame Regelkreis derart
mit einer Zeitverzögerung
zu dem schnellen Regelkreis aktiviert wird, dass der schnelle Regelkreis
vor der Aktivierung des langsamen Regelkreises einen Arbeitspunkt
fixiert hat.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es möglich,
diejenige Größe als Regelgröße zu nutzen, die
den Beschichtungsprozess primär
und direkt beeinflusst, aber selbst für die direkte Regelung ungeeignet
ist: den Reaktivgaszufluss. Die benannten Probleme bei der Einstellung
eines definierten Arbeitspunktes, welche bei der Nutzung des Reaktivgaszuflusses
als Regelgröße auftreten,
werden vermieden, indem der Regelkreis, welcher den Reaktivgasfluss
als Regelgröße nutzt,
mit den bekannten verfahren der Fixierung eines Arbeitspunktes in
einem schnellen geschlossenen Regelkreis kombiniert wird. Um jedoch
zu verhindern, dass bei gleichzeitigem Einschalten der verknüpften Regelkreise
ein anderer Arbeitspunkt als der im transition mode fixiert wird,
ist es außerdem
erforderlich, den übergeordneten,
den Reaktivgasfluss als Regelgröße nutzenden, langsamen
Regelkreises, im Vergleich zu dem schnellen Regelkreis, zeitlich
verzögert
zu aktivieren. Dadurch wird erst der gewünschten Arbeitspunkt sicher
zu fixiert, dessen Reaktivgasfluss dann im zeitlichen Mittel konstant
zu halten ist.
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Nach
der anfänglichen
Einstellung des Arbeitspunktes gestattet es das erfindungsgemäße Verfahren,
die diesen Arbeitspunkt zu diesem Anfangszeitpunkt charakterisierende
Kenngröße des Plasmas,
Intensität
einer oder mehrerer Emissionslinien oder Entladungsspannung, jenen Änderungen anzupassen,
die durch verschiedene temporäre
und langsam ablaufende Prozesse bestimmt werden, ohne diese Prozesse
selbst zu kennen. Dies wiederum gewährleistet die Konstanthaltung
des nicht direkt regelbaren Reaktivgaszuflusses, kann jedoch nur
eine Konstanthaltung im zeitlichen Mittel sein, da im schnellen
Regelkreis ständig
die bekannte, schnelle Stabilisierung des Arbeitspunktes erfolgen muss.
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Mit
der Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es nicht erforderlich, die viele Betriebsstunden andauernde
Stabilisierung des Beschichtungsprozesses nach der Belüftung der
Vakuumbeschichtungsanlage oder insbesondere nach dem Einsatz neuer
Targets abzuwarten, sondern es ist möglich den nach derartigen Ereignissen
stets auftretenden Drifterscheinungen aktiv gegen zu wirken, so dass
bereits kurze Zeit nach der Aktivierung der verknüpften Regelkreise
eine stabile Beschichtung mit definierten Schichteigenschaften gewährleistet
werden kann. Gleiches trifft auch auf Vorgänge während des laufenden Beschichtungsprozesses
zu, wie beispielsweise auf die im targetfernen Bereich langsam rotierenden
Kühlwalzen,
die bei der Kunststofffolienbeschichtung eingesetzt werden und unvermeidbar einen
lokal schwankenden Restmagnetismus in ihrer Mantelfläche aufweisen.
Die langsame Rotation dieser Walzen führt zu rhythmischen Magnetfeldfluktuationen,
welche die charakteristische Plasmakenngröße verschieben und deren Folgen
im schnellen Regelkreis ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Konstanthalten
des Reaktiv gasflusses entgegengewirkt wird.
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Überraschenderweise
hat sich auch gezeigt, dass bereits die Konstanthaltung des mittleren
Reaktivgasflusses mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer drastischen
Verbesserung der zeitlichen Stabilität sowohl der Beschichtungsrate
als auch der optischen Eigenschaften der abgeschiednen Schichten
führt.
Offenbar kann mit dieser Methode der Regelung des Reaktivgaspartialdruckes
eine um ein Vielfaches höhere
Gasverzehrrate der Magnetron-Beschichtungsanordnung gewährleistet
werden.
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Die
Nachführung
des Sollwertes des schnellen Regelkreises erfolgt entsprechend einer
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung, indem die Soll-Größe des schnellen
Regelkreises in einem, dem schnellen Regelkreis übergeordneten, langsamen Regelkreis
der Reaktivgaszufluss als Ist-Größe fortlaufend
bestimmt, mit einer Soll-Größe verglichen und
die Sollgröße des schnellen
Regelkreises mit der im langsamen Regelkreis ermittelten Soll-Ist-Abweichung beaufschlagt
wird.
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Wie
oben dargestellt, wird die Soll-Größe des Reaktivgasflusses im
langsamen Regelkreis vorzugsweise jener Reaktivgasfluss in den Beschichtungsraum
sein, der sich nach der anfänglichen
Stabilisierung des definierten Arbeitspunktes mittels des schnellen
Regelkreises eingestellt hat. Es ist grundsätzlich aber auch ein davon
abweichender Reaktivgasfluss denkbar, der beispielsweise durch bekannte Kennlinien
oder andere geeignete verfahren ermittelt wurde.
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Anordnungsseitig
wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung dadurch
gelöst, dass
dem schnellen Regelkreis ein langsamer Regelkreis übergeordnet
ist, gebildet aus dem schnellen Regelkreis als zweite Regelstrecke,
aus einem zweiten, die Reaktivgaszufuhr bestimmenden Messglied und
aus einem zweiten elektronischen Regler.
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In
der erfindungsgemäßen Anordnung
weist der übergeordnete,
langsame Regelkreis kein eigenes Stellglied auf. Vielmehr wird in
dem übergeordneten,
zweiten Regler ein Vergleich des aktuellen Reaktivgasflusses mit
dem den langfristig zu stabilisierenden Arbeitspunkt kennzeichnenden
Reaktivgasfluss vorgenommen und bei vorliegender Abweichung das
daraus ermittelte Resultat anhand bekannter Kennlinien derart umgeformt,
dass es auf den Soll-Wert der charakteristischen Plasmakenngröße aufschlagbar
ist. Je nach Vorzeichen der Abweichung ist damit die Basis für den Vergleich
im ersten Regler des schnellen Regelkreises größer oder kleiner als der bisherige
Sollwert und stellt die erfindungsgemäße Anpassung des Sollwertes
an die Drifterscheinungen oder Instabilitäten dar.
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Für eine stabile
Arbeit der verknüpften
Regelkreise, so dass der Reaktivgasfluss tatsächlich im Mittel konstant und
gleichzeitig eine zügige
Stabilisierung des Arbeitspunktes durch den schnellen Regelkreis
gewährleistet
bleibt, sieht eine besonders günstige
Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Zeitkonstante, welche
die Dynamik des langsamen Regelkreises definiert, ein Vielfaches
der Zeitkonstante beträgt,
welche die Dynamik des schnellen Regelkreises definiert.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
ist unabhängig
von der Art der Magnetron-Beschichtungsanordnung einsetzbar, sowohl
für planare
als auch für Rohr-Magnetrons
und ebenso für
einzelne als auch für
Doppelmagnetrons. Gleiches trifft auf die mögliche Leistungseinspeisung
der Beschichtungsquelle zu, mittels Gleichstrom, gepulstem Gleichstrom,
mittels Wechselstrom oder auch gepulster Wechselspannung. Ebenso
ist es bei einem entlang der Beschichtungsanordnung vorhandenen
Gaseinlasssystem mit mehreren Gaseinlassorten möglich, jeweils einem Gaseinlassort
ein eigenes verknüpftes
Regelkreissystem zuzuordnen, um auch die entlang der Beschichtungsanordnung
voneinander abweichend auftretenden Drifterscheinungen und Instabilitäten unabhängig voneinander
kompensieren zu können.
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Ergänzend dazu
ist es auch günstig,
wenn in einer weiteren Ausgestaltung das erste Messglied und der
erste Regler zumindest zwei separate Messkanäle aufweist und zumindest zwei
separate schnelle Regelkreise ausführbar sind, denen ein gemeinsamer
langsamer Regelkreis übergeordnet
ist. Mit dieser Anordnung ist eine Kontrolle und Regelung des Reaktivgaspartialdruckes
in einer Beschichtungsanlage an mehreren Orten gleichzeitig möglich, beispielsweise
für Extremwert-
oder Mittelwertbildung der Kanalmesswerte.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Die zugehörige
Zeichnung zeigt in
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1 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens und
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2 das
Blockschaltbild der erfindungsgemäß verknüpften Regelkreise.
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In 1 ist
eine Beschichtungskammer 1 einer Vakuumbeschichtungsanlage
als erste Regelstrecke 2 dargestellt, die eine mit Targets
bestückte Doppelmagnetronanordnung
als Beschichtungsquelle 3 mit den seinen Blenden 4,
die Energieversorgung 5, vorliegend als Mittelfrequenz-Stromversorgung
mit konstanter Pulsung, und ein Gaseinlasssystem 6 aufweist.
Der Beschichtungsquelle 3 gegenüberliegend wird ein Substrat 7 durch
die Beschichtungskammer 1 bewegt. Zwischen der Beschichtungsquelle 3 und dem
Substrat 7 wird unter Zufuhr eines Inertgases 8, z.B.
Argon, und eines Reaktivgases 9, z.B. Sauerstoff, ein Plasma 10 erzeugt.
Dem Inertgas wird außerhalb
der Beschichtungskammer 1 das Reaktivgas zugemischt, wobei
die Reaktivgaszufuhr 9 mit einem ersten Stellglied 11,
einem Piezo-Regelventil,
eingestellt wird.
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Mittels
eines ersten Messgliedes 12, bestehend aus einem Faser-Optik-Messsystem 13,
mit dessen Hilfe kollimierte und damit vor der Beschichtung geschützte Systeme
nutzbar sind, aus einem übertragenden
Lichtwellenleiter 14 und einem optischen Spektrometer 15 wird
die Intensität
der Plasmaemissionslinien des Sauerstoffs fortlaufend gemessen.
Sofern es für
eine stabile und reproduzierbare Prozessregelung erforderlich ist,
kann zusätzlich
auch die Intensitätsmessung
der Plasmaemissionslinie des Argons gemessen und eine geeignete Verknüpfung der
Messwerte vorgenommen werden, was im beschriebenen Ausführungsbeispiel
jedoch nicht erfolgen soll.
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Die
Messwerte der Intensitätsmessung
werden in einem ersten elektronischen Regler 16 erfasst und
mit der aus einer vorgegebenen Stöchiometrie rechnerisch gebildeten
ersten Führungsgröße 17 (Soll-Größe) verglichen.
Aus der Regelabweichung wird eine Stellgröße erzeugt und an das erste
Stellglied 11, das Regelventil der Reaktivgaszufuhr übermittelt,
welches die Einstellung des Reaktivgasflusses bewirkt. Der Gaseinlass
des Mischgases ist für das
reaktive Sputtern durch eine enge räumliche Kopplung zwischen Gaseinlasssystem 6 und
der Entladezone auf der Beschichtungsquelle 3 gekennzeichnet,
so dass der schnelle Regelkreis 18 mit einer minimalen
Zeitkonstante von einigen zehn Millisekunden arbeiten kann.
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Der
von dem ersten Stellglied 11 eingestellte Reaktivgasfluss
wird erfasst, einem zweiten elektronischen Regler 19 übermittelt
und von diesem mit einer zweiten Führungsgröße 20, dem für den zu
stabilisierenden Arbeitspunkt charakteristischen Reaktivgasfluss,
verglichen. Aus einer dabei ermittelten Regelabweichung wird wiederum
eine Stellgröße erzeugt,
welche an den ersten elektronischen Regler 16 übermittelt
und mit welcher die erste Führungsgröße 17 beaufschlagt
wird. Diese Beaufschlagung führt wiederum
zu einer Regelabweichung im ersten elektronischen Regler 16 und
somit zu einer Änderung der
Einstellung des Reaktivgasflusses.
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Das
erste Stellglied 11, das erste Messglied 12, der
erste elektronische Regler 16 und der Beschichtungsraum
als erste Regelstrecke 2 bilden den schnellen Regelkreis 18 des
Plasma-Emissions-Monitorings.
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Die
Erfassung des aktiven Reaktivgasflusses in einem zweiten Messglied 21,
der zweite elektronische Regler 19 und der schnelle Regelkreis 18 als
zweite Regelstrecke bilden den übergeordneten, langsamen
Regelkreis 1, dessen Zeitkonstante ein vielfaches der Zeitkonstante
des schnellen Regelkreises 18 beträgt.
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Das
Blockschaltbild in 2 zeigt den Wirkungsablauf der
erfindungsgemäß verknüpften Regelkreise.
Mit Beginn der Regelung des Reaktivgaspartialdruckes im Beschichtungsraum
als der eigentlichen, ersten Regelstrecke 2 der gesamten
Anordnung wird als erstes der schnelle Regelkreis 18 aktiviert.
Damit ist ein entsprechend den zu erzielenden Schichteigenschaften
und optimalen Beschichtungsrate definierter Arbeitspunkt im transition
mode einstellbar, indem kurzfristige Schwankungen der charakteristischen
Kenngröße des Plasmas 10,
im Ausführungsbeispiel
der Emissionslinie des Sauerstoffs, zur Regelung des Reaktivgasflusses
führen.
Der Reaktivgasfluss selbst wird in dem schnellen Regelkreis 18 nicht
gemessen. Nach stabiler Einstellung des Arbeitspunktes wird in einem
zweiten Schritt der übergeordnete,
langsame Regelkreis 1 aktiviert.
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In
dem oben dargestellten Regelablauf des langsamen Regelkreises 1 wird
eine Änderung
des Reaktivgasflusses, welche im Verlauf der zeitlich verzögerten Aktivierung
oder um ein vielfaches größeren Zeitkonstante
des langsamen Regelkreises 1 infolge einer driftenden oder
instabilen Plasmaemissionslinie des Sauerstoffs durch den schnellen
Regelkreis 18 bewirkt wurde, wieder ausgeglichen und so der
Reaktivgasfluss im zeitlichen Mittel bei dem Wert konstant gehalten,
welcher als zweite Führungsgröße 20 dem
langsamen Regelkreis 1 eingespeist ist und den gewünschten
Arbeitspunkt charakterisiert.
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- 1
- Beschichtungskammer
- 2
- erste
Regelstrecke
- 3
- Beschichtungsquelle
- 4
- Blende
- 5
- Energieversorgung
- 6
- Gaseinlasssystem
- 7
- Substrat
- 8
- Inertgaszufuhr
- 9
- Reaktivgaszufuhr
- 10
- Plasma
- 11
- erstes
Stellglied
- 12
- erstes
Messglied
- 13
- Faser-Optik-Messsystem
- 14
- Lichtwellenleiter
- 15
- optisches
Spektrometer
- 16
- erster
elektronischer Regler
- 17
- erste
Führungsgröße
- 18
- schneller
Regelkreis
- 19
- zweiter
elektronischer Regler
- 20
- zweite
Führungsgröße
- 21
- zweites
Messglied
- 22
- langsamer
Regelkreis