DE102005054193A1

DE102005054193A1 - Spannungsmessung von Beschichtungen mit einem Piezoaktuator

Info

Publication number: DE102005054193A1
Application number: DE102005054193A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Dr. Scherschlicht
Original assignee: Rodenstock GmbH
Current assignee: Rodenstock GmbH
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2025-11-15
Also published as: DE102005054193B4; WO2007054374A1; JP2009515690A; US20090217767A1; EP1952089A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen mechanischer Spannungen in einer Beschichtung eines Substrats (12, 12'). Dabei umfasst das Verfahren die Schritte: DOLLAR A - Anordnen des Substrats (12) an zumindest eine Halterung (10) und an zumindest ein Betätigungselement (14), das zumindest teilweise relativ zur Halterung (10) bewegbar ist, wobei das Betätigungselement (14) einen Piezoaktuator (16) umfasst; DOLLAR A - mechanisches Vorspannen des Substrates (12, 12') mittels des Betätigungselements (14) durch Anlegen einer elektrischen Anfangsspannung (V¶0¶) an den Piezoaktuator (16), derart, dass der Piezoaktuator (16) eine teilweise Auslenkung des Betätigungselements (14) relativ zur Halterung (10) um eine vorbestimmte bzw. bestimmbare Anfangsauslenkung (L¶0¶) bewirkt; DOLLAR A - Aufbringen zumindest eines Teils der Beschichtung auf zumindest eine Abscheidefläche (13') des Substrats (12'); DOLLAR A - Bestimmen einer Veränderung (DELTAL) der Auslenkung des Betätigungselements (14) mittels eines Sensorelements (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen mechanischer Spannungen in einer Beschichtung eines Substrats.
Insbesondere bei der Herstellung optischer Gläser und dabei vor allem bei der Vergütung von Brillengläsern spielen Beschichtungen eine entscheidende Rolle. Durch geeignete funktionelle Beschichtungen von Brillengläsern können sowohl deren optische als auch deren mechanische Eigenschaften deutlich verbessert bzw. an die Bedürfnisse angepasst werden. Insbesondere können damit Reflexionseigenschaften an den Oberflächen bzw. Grenzflächen von Gläsern optimiert werden. Aber auch die mechanischen Eigenschaften und insbesondere die Kratzfestigkeit von Glasoberflächen können damit verbessert werden.
Charakteristisch für solche Beschichtungen ist, dass das Material der Beschichtung sich typischerweise vom Material des Substrats, also insbesondere vom Material des Linsenhauptkörpers unterscheidet. Damit unterscheiden sich oft auch deren mechanische, thermische und optische Eigenschaften so stark, dass nicht von Anfang an sichergestellt ist, dass eine derartige Beschichtung ohne die Bildung unerwünschter Risse auf dem Substrat abgeschieden werden kann. Solche Risse können jedoch unter Umständen die optischen Eigenschaften oder die Schutzwirkung der Beschichtung deutlich verschlechtern. Es ist daher erforderlich, die Abscheidung solche Beschichtungen so steuern zu können, dass solche unerwünschten Effekte vermieden werden.
Zur Steuerung und zur Kontrolle der Abscheidung solcher Beschichtungen ist es somit oft unentbehrlich oder zumindest sehr hilfreich, Kenntnisse über interne mechanische Spannungen innerhalb einer Beschichtung zu erlangen. Dabei ist es besonders wünschenswert, mechanische Spannungen und insbesondere laterale Spannungen innerhalb der Beschichtung bereits während des Abscheideprozesses (in-situ) messen zu können.

Die bisher gebräuchlichste Methode ist das Vermessen der Verbiegung von Spannungsplättchen. Die Vermessung der Verbiegung erfolgt dabei nach dem Aufbringen der gesamten Beschichtung (ex-situ). Aufgrund von Relaxationsprozessen und Einflüssen des Messprozesses auf das Ergebnis ist diese Methode oft fehlerbehaftet und ungenau.

Eine weitere Methode beruht auf einer optischen Weglängenmessung. Ein Laserstrahl trifft auf die Rückseite eines verspiegelten Testplättchens. Vorderseitig wird dieses Testplättchen beschichtet. Die Beschichtung verbiegt aufgrund von Schichtspannungen das Plättchen. Diese Verbiegung lenkt den Laserstrahl wie einen Zeiger aus und der Abstand zwischen Ruheposition und ausgelegter Position gibt die Spannung der Beschichtung auf dem Testplättchen wieder. Diese Methode ist technisch sehr aufwändig, nicht universell einsetzbar und unter Umständen fehleranfällig, hat aber im Gegensatz zur ersten beschriebenen Methode die Möglichkeit einer "in-situ"-Messung. Von Sigma-Physik wird eine entsprechende Messmethode kommerziell angeboten. Eine Implementierung in bestehende Schichtabscheidesysteme ist allerdings technisch aufwändig und nicht immer möglich.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine „in-situ"-Messung von mechanischen Spannungen in Beschichtungen ermöglichen und mit niedrigem technischen Aufwand in bestehende Schichtabscheidesysteme integriert werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die vorliegende Erfindung stellt somit ein Verfahren zum Bestimmen mechanischer Spannungen in einer Beschichtung eines Substrats bereit, welches folgende Schritte umfasst:

– Anordnen des Substrats an zumindest eine Halterung und an zumindest ein Betätigungselement, das zumindest teilweise relativ zur Halterung bewegbar ist, wobei das Betätigungselement einen Piezoaktuator umfasst,
– mechanisches Vorspannen des Substrates mittels des Betätigungselements durch Anlegen einer elektrischen Anfangsspannung V₀ an den Piezoaktuator derart, dass der Piezoaktuator eine teilweise Auslenkung des Betätigungselements relativ zur Halterung um eine vorbestimmte bzw. bestimmbare Anfangsauslenkung L₀ bewirkt;
– Aufbringen zumindest eines Teils der Beschichtung auf zumindest eine Abscheidefläche des Substrats;
– Bestimmen einer Veränderung ΔL der Auslenkung des Betätigungselements mittels eines Sensorelements, insbesondere eines Positionssensors.

Vorzugsweise wird als Substrat ein im wesentlichen flächiges Substrat und besonders bevorzugt ein im wesentlichen planares Substrat beispielsweise in Form Plättchen verwendet, d.h. die Ausdehnung des Substrats ist in eine Raumrichtung wesentlich kleiner als in die beiden anderen Raumrichtungen. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren allerdings auch auf dickere Substrate anwendbar.

Insbesondere bei der Verwendung eines dünnen, im wesentlichen flächigen Substrats, wie z. B. eines Plättchen, einer Scheibe oder einer Linse, wird das Substrat vorzugsweise im Bereich seines äußeren Randes an die Halterung und in einem zentralen Bereich an das Betätigungselement angeordnet. Besonders bevorzugt liegt das Betätigungselement an einem einzigen Anlagepunkt am Substrat an, während das Substrat an mehreren Punkten und/oder in einem größeren Bereich von der Halterung unterstützt wird. Das Substrat könnte dabei in die Halterung eingespannt oder vorzugsweise durch das Betätigungselement gegen die Halterung gedrückt werden.

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezoaktuator des Betätigungselements wird das Betätigungselement aufgrund des piezoelektrischen Effekts im Piezoaktuator zumindest teilweise relative zur Halterung bewegt. Das Betätigungselement und insbesondere der Anlagepunkt erfährt somit zumindest teilweise eine Auslenkung gegen seine Ruhelage relativ zur Halterung. Dabei wird auf das Substrat eine mechanische Spannung ausgeübt. Vorzugsweise wird dabei das Substrat und insbesondere eine zum Abschneiden einer Beschichtung vorgesehene Oberfläche des Substrats, die Abscheidefläche, verbogen bzw. verformt. Besonders bevorzugt wird das Betätigungselement und insbesondere der Anlagepunkt zumindest teilweise in einer Richtung senkrecht zur Abscheidefläche ausgelenkt. Dabei erhält am meisten bevorzugt eine zuvor im wesentlichen planare Abscheidefläche durch das Vorspannen eine im wesentlichen konvexe Krümmung.

Nach dem mechanischen Vorspannen wird auf zumindest einen Teil der Abscheidefläche des Substrats zumindest ein Teil der Beschichtung aufgebracht. Je nach Art der Beschichtung erfolgt das Abscheiden vorzugsweise in einem herkömmlichen Verfahrensschritt, z.B. durch Aufdampfen bzw. durch ein spezielles Epitaxieverfahren. Besonders bevorzugt erfolgt der Schritt des Abscheidens zumindest eines Teils der Beschichtung bei niedrigem, also insbesondere gegenüber dem Atmosphärendruck reduziertem Umgebungsdruck, am meisten bevorzugt im Hochvakuum oder im Ultrahochvakuum.

Eventuell in der Beschichtung auftretende mechanische Spannungen und insbesondere laterale Zug- und/oder Druckspannungen werden über die Abscheidefläche auf das Substrat übertragen. Dadurch ändert sich die gesamte mechanische Spannung in dem System aus Substrat und Beschichtung gegenüber der mechanischen Vorspannung des Substrats. Insbesondere ändert sich die zwischen dem Betätigungselement und dem Substrat wirkende Kraft. Je nach Art der mechanische Spannung in der Beschichtung wird somit die Kraft zwischen Betätigungselement und Substrat, also insbesondere die im Anlagepunkt wirkende Druckkraft, entweder größer oder kleiner als vor dem Aufbringen der Beschichtung. Dadurch ändert sich aufgrund elastischer Effekte, die in jedem Material und insbesondere auch im Betätigungselement und dem Piezoaktuator auftreten, die Auslenkung des Betätigungselementes. Diese Veränderung der Auslenkung wird mittels des Sensorelementes registriert. Je nachdem ob eine positive oder negative Veränderung ΔL der Auslenkung registriert wird, lässt sich darauf schließen, ob in der Beschichtung eine Zug- oder Druckspannung vorliegt. Wird keine Veränderung der Auslenkung registriert (ΔL = 0) so weist dies vorzugsweise auf eine im wesentlichen spannungsfreie Beschichtung hin.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird nicht nur das Vorzeichen der Veränderung der Auslenkung sondern auch ihr numerischer Wert bestimmt. Diese Vorgehensweise entspricht einem ersten bevorzugten Verfahrensmodus, bei dem bei konstanter elektrischer Spannung am Piezoaktuator die mechanische Spannung in der Beschichtung auf Basis der Veränderung ΔL der Auslenkung bestimmt wird.

Um bereits sehr geringe mechanische Spannungen in der Beschichtung registrieren zu können, ist das Sensorelement vorzugsweise empfindlich genug, um bereits kleine Veränderungen ΔL der Auslenkung registrieren zu können. Vorzugsweise kann das Sensorelement Veränderungen ΔL kleiner als 100 nm, noch mehr bevorzugt kleiner als 10 nm, am meisten bevorzugt kleiner als 1 nm registrieren.

Vorzugsweise ist das Sensorelement im Betätigungselement integriert. Dabei ist besonders bevorzugt das Sensorelement zusammen mit dem Piezoaktuator als eine Einheit ausgebildet. Insbesondere lässt sich hierbei ein handelsüblicher Piezoaktuator mit integriertem Sensorelement einsetzen. Vorzugsweise umfasst das Sensorelement einen kapazitiven Sensor und/oder einen induktiven Sensor und/oder einen resistiven Sensor. Solche elektrisch auslesbaren Sensoren erlauben eine besonders einfache elektronische Auswertung der Messwerte. Als resistive Sensoren eignen sich in diesem Zusammenhang insbesondere Dehnungsmessstreifen sehr gut, deren elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von ihrer mechanischen Dehnung bzw. Spannung ändert. Solche Sensoren erlauben vorzugsweise eine Messgenauigkeit von ΔL < 1 nm. Noch höhere Messgenauigkeiten von vorzugsweise ΔL < 0,1 nm lassen sich insbesondere über kapazitive Positionssensoren erreichen.

Die Anfangsauslenkung L₀ wird vorzugsweise so gewählt, dass zum einen eine möglichst sensitive Erfassung der Änderung ΔL der Auslenkung und damit der mechanischen Spannung in der Beschichtung möglich ist und zum anderen die mechanischen Eigenschaften und insbesondere die elastischen Kräfte und die Oberflächeneigenschaften des Substrats durch das mechanische Vorspannen nicht wesentlich geändert werden. Insbesondere soll vermieden werden, dass sich das Abscheide- und insbesondere das mechanische Spannungsverhalten der Beschichtung durch den Vorspannprozess des Substrats wesentlich verändern. Das mechanische Vorspannen des Substrats soll zumindest soweit erfolgen, dass auch bei einer mittels des Sensorelements detektierbaren Veränderung ΔL der Auslenkung noch ein sicherer Kontakt zwischen dem Betätigungselement und dem Substrat aufrechterhalten bleibt. Besonders bevorzugt wird das Substrat insbesondere am Anlagepunkt um einige 10 μm bis etwa 100 μm ausgelenkt.

Somit erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren ein Bestimmen mechanischer Spannungen in einer Beschichtung eines Substrats während des Abscheideprozesses der Beschichtung (in-situ). Außerdem lässt sich dieses Verfahren sehr leicht in bestehende Prozessabläufe von herkömmlichen Abscheideverfahren integrieren.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren nach dem Schritt des Bestimmens einer Veränderung der Auslenkung außerdem die Schritte:

– Nachregeln der elektrischen Spannung am Piezoaktuator derart, dass die Auslenkung des Betätigungselements wieder der Anfangsauslenkung L₀ entspricht;
– Bestimmen einer elektrischen Spannungsdifferenz ΔV zwischen der nachgeregelten elektrischen Spannung und der elektrischen Ausgangsspannung V₀.

Somit wird die elektrische Spannung am Piezoaktuator vorzugsweise derart nachgeregelt, dass danach im wesentlichen gilt: ΔL = 0. Die ermittelt elektrische Spannungsdifferenz ΔV ist dabei ein Maß für die mechanische Spannung in der Beschichtung. In einer bevorzugten Ausführungsform wird nicht nur das Vorzeichen der Spannungsdifferenz sondern auch ihr numerischer Wert bestimmt. Diese Vorgehensweise entspricht somit einem zweiten bevorzugten Verfahrensmodus, bei dem bei im wesentlichen konstanter Auslenkung L₀ des Betätigungselements die mechanische Spannung in der Beschichtung auf Basis der Veränderung ΔV der am Piezoaktuator anliegenden elektrischen Spannung bestimmt wird.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren außerdem einen Schritt des Bestimmens eines Wertes der mechanischen Spannung in der aufgebrachten Beschichtung

– aus dem ermittelten Wert der Veränderung ΔL der Auslenkung des Betätigungselements und/oder
– aus dem ermittelten Wert der elektrischen Spannungsdifferenz ΔV.

Weiter bevorzugt wird während des Schritts des Aufbringens der Beschichtung

– die Veränderung ΔL der Auslenkung des Betätigungselements und/oder
– die elektrische Spannungsdifferenz ΔV und/oder
– der ermittelte Werte der mechanischen Spannung in der Beschichtung mehrfach hintereinander bestimmt.

Dazu kann während der Messung bzw. Bestimmung des entsprechenden Wertes der Prozess des Aufbringens der Beschichtung vorübergehend unterbrochen werden. Vorzugsweise erfolgt die Messung bzw. Bestimmung des jeweiligen Wertes aber ohne Unterbrechung eines im wesentlichen kontinuierlichen Abscheideverfahrens. Besonders bevorzugt erfolgt auch die Messung bzw. Bestimmung der Auslenkungs- bzw. Spannungswerte im wesentlichen kontinuierlich.

Vorzugsweise wird die elektrische Spannung am Piezoaktuator mittels einer Regeleinheit derart nachgeregelt, dass die Auslenkung des Betätigungselements, und damit vorzugsweise die Auslenkung des Substrates im Anlagepunkt während des Aufbringens der Beschichtung im wesentlichen konstant bei dem Wert der Anfangsauslenkung L₀ bleibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Verlauf

– der Veränderung ΔL der Auslenkung des Betätigungselements und/oder
– der elektrischen Spannungsdifferenz ΔV und/oder
– des ermittelten Wertes der mechanischen Spannung in der Beschichtung

in Abhängigkeit von der Zeit und/oder der aufgebrachten Dicke der Beschichtung erfasst und vorzugsweise auf einem Datenträger gespeichert.

Als Substrat wird vorzugsweise ein Brillenglas verwendet. Alternativ kann auch ein Testsubstrat verwendet werden, das im wesentlichen aus demselben Material besteht wie das Substrat auf dem die Beschichtung im Endeffekt aufgebracht werden soll. Dabei kann das Testsubstrat insbesondere so geformt sein, dass damit eine besonders sensitive Detektion der auftretenden Spannungen in der Beschichtung erfolgen kann.

Durch die vorliegende Erfindung wird außerdem eine Vorrichtung zum Bestimmen mechanischer Spannungen in einer Beschichtung eines Substrats bereitgestellt, welche umfasst:

– zumindest eine Substrathalterung zum Anlegen des Substrats,
– ein Betätigungselement, welches einen Piezoaktuator umfasst, mittels dessen das Betätigungselement durch Anlegen einer vorbestimmten bzw. bestimmbaren elektrischen Spannung an den Piezoaktuator zumindest teilweise um eine Auslenkung relativ zur Substrathalterung derart bewegbar ist, dass dabei ein mechanisches Vorspannen bzw. Verbiegen bzw. Verformen des an der Substrathalterung angelegten Substrats bewirkt wird,
– ein Sensorelement, welches vorzugsweise im Betätigungselement integriert ist und das ausgelegt ist, eine Veränderung der Auslenkung des Betätigungselements zu erfassen und abhängig von der erfassten Auslenkungsänderung ein Sensorsignal auszugeben.

Vorzugsweise ist das Sensorelement zusammen mit dem Piezoaktuator als eine Einheit ausgebildet. Besonders bevorzugt lässt sich hierbei ein handelsüblicher Piezoaktuator mit integriertem Sensorelement einsetzen. Das Sensorelement umfasst vorzugsweise einen kapazitiven Sensor und/oder einen induktiven Sensor und/oder einen resistiven Sensor.

Außerdem umfasst die Vorrichtung vorzugsweise Spannungserfassungsmittel zum Erfassen der an den Piezoaktuator angelegten bzw. der am Piezoaktuator anliegenden elektrischen Spannung.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung außerdem eine Steuereinheit, die ausgelegt ist, das vom Sensorelement ausgegebene Sensorsignal zu empfangen und die an den Piezoaktuator angelegte elektrische Spannung abhängig vom empfangenen Sensorsignal zu steuern. Besonders bevorzugt umfasst die Steuereinheit eine Regeleinheit, die ausgelegt ist, abhängig vom empfangenen Sensorsignal die an den Piezoaktuator angelegte elektrische Spannung derart zu regeln, dass die Auslenkung des Betätigungselements im wesentlichen konstant bleibt, d.h. dass eine detektierte Veränderung der Auslenkung durch eine entsprechende Veränderung der elektrischen Spannung sofort wieder ausgeglichen wird.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung außerdem eine Spannungsauswerteeinrichtung, die ausgelegt ist,

– das Sensorsignal und/oder
– den Wert der am Piezoaktuator angelegten Spannung und/oder Spannungsänderung zu empfangen und abhängig davon einen Wert der mechanischen Spannung in der Beschichtung zu bestimmen.

Besonders bevorzugt umfasst die Vorrichtung außerdem eine Speichereinrichtung, die ausgelegt ist,

– das Sensorsignal und/oder die Auslenkung L und/oder die Auslenkungsänderung L₀ des Betätigungselements und/oder
– den Wert der am Piezoaktuator angelegten Spannung und/oder Spannungsänderung und/oder
– die Wert der mechanischen Spannung in der Beschichtung zu empfangen und dessen zeitlichen Verlauf in einem Speichermedium zu speichern.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung außerdem eine Schichtabscheideeinrichtung auf.

Somit schlägt die vorliegende Erfindung in einem weiteren Aspekt die Verwendung eines Piezoaktuators mit einem Positionssensorelement zum Messen von mechanischen Spannungen in einer Beschichtung eines Substrats vor. Insbesondere wird der Piezoaktuator dabei vorzugsweise in einer gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Vorrichtung und bevorzugt gemäß einem durch die Erfindung bereitgestellten Verfahren verwendet.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf begleitende Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigt:
1: Bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Anhand der Vorrichtung wird ferner ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Halterung bzw. Substrathalterung 10, welche insbesondere vier Halteelemente umfasst. Ein Substrat 12 ist an die Halterung 10 angeordnet und wird insbesondere durch die Halteelemente der Halterung 10 am äußeren Rand festgehalten bzw. fixiert. Als Substrat 12 ist im vorliegenden Beispiel eine Scheibe bzw. ein Plättchen mit einer im wesentlichen konstanten Dicke gezeigt, das im entspannten Zustand zumindest zwei im wesentlichen planparallele Oberflächen aufweist. Das Substrat 12 weist im entspannten Zustand insbesondere eine im wesentlichen planare Abscheidefläche 13 auf.
Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung ein Betätigungselement 14, welches als spannungsgeregelter Druckaufnehmer dient. Als wesentlichen Bestandteil umfasst der spannungsgeregelte Druckaufnehmer 14 bzw. das Betätigungselement 14 einen Piezoaktuator 16. Als Piezoaktuator 16 wird insbesondere ein piezoelektrischer Kristall verwendet, der sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes bzw. einer elektrischen Spannung in zumindest einer Raumrichtungen ausdehnt oder zusammenzieht. Das Betätigungselement 14 und insbesondere der Piezoaktuator 16 stehen über einen Anlagepunkt 18 mit dem Substrat 12 in Kontakt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. eines elektrischen Feldes an den Piezoaktuator 16 bewirkt dessen räumliche Ausdehnung in Richtung des Substrats 12 eine Auslenkung L₀ des Anlagepunkt 18 zu einer neuen Position, die in 1 als Anlagepunkt 18' dargestellt ist. Diese Auslenkung des Betätigungselements 14 bewirkt dabei auch eine teilweise Auslenkung des Substrats 12, wodurch das Substrat 12 vorgespannt wird, was in 1 durch das vorgespannte Substrat 12' dargestellt ist (in 1 schraffiert dargestellt). Aus der im wesentlichen planaren Abscheidefläche 13 entsteht dadurch eine konvex gekrümmte Abscheidefläche 13'.
Außerdem umfasst die Vorrichtung ein Sensorelement 20. In der gezeigten Ausführungsform ist das Sensorelement 20 als Dehnungsmessstreifen im Betätigungselement 14 integriert und insbesondere zusammen mit dem Piezoaktuator 16 als eine Einheit ausgebildet. Dadurch dass sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. eines elektrischen Feldes der Piezoaktuator 16 ausdehnt, wird auch der Dehungsmessstreifen 20 gedehnt, wodurch sich dessen elektrischer Widerstand ändert. Diese Widerstandsänderung kann detektiert werden und stellt ein Maß für die Auslenkung L dar.
Eine Regeleinheit bzw. Steuereinheit 22 weist einen Sensorsignaleingang 24 auf, über den ein Sensorsignal 26 vom Sensorelement 20 empfangen wird. Dieses Sensorsignal könnte insbesondere ein Maß für den elektrischen Widerstand des Dehnungsmessstreifens 20 sein. Außerdem weist die Steuereinheit bzw. Regeleinheit 22 einen Spannungsausgang 28 auf, über den sie eine elektrische Spannung an den Piezoaktuator 16 ausgeben kann.
Die gezeigte Vorrichtung weist außerdem eine Abschirmung 32 auf, die ein Abscheidefenster 34 definiert. Dadurch wird ein Bereich der Abscheidefläche 13' festgelegt, auf den beispielsweise durch Aufdampfen oder epitaktisch eine Beschichtung auf das Substrat 12' aufgebracht werden kann. Treten nun in der auf der Abscheidefläche 13' abgeschiedenen Beschichtung insbesondere laterale Zug- und/oder Druckspannungen auf, so werden diese Spannungen auch auf das Substrat 12' übertragen und bewirken damit eine Änderung der Druckkraft im Anlagepunkt 18' auf den spannungsgeregelten Druckaufnehmer bzw. das Betätigungselement 14. Diese veränderte Druckkraft bewirkt eine Veränderung der Auslenkung des Betätigungselements 14. Das Sensorelement 20 detektiert diese Änderung und überträgt das entsprechende Sensorsignal 26 an die Steuereinheit 22. Die Steuereinheit bzw. Regeleinheit 22 ist vorzugsweise als Spannungsauswerteeinrichtung ausgelegt und ermittelt die tatsächliche mechanische Spannung in der Beschichtung auf Basis des empfangenen Sensorsignals 26. In diesem ersten Betriebsmodus kann die am Piezoaktuator 16 angelegte Spannung konstant gehalten werden.
In einem zweiten alternativen Betriebsmodus regelt die Regeleinheit 22 über die ausgegebene elektrische Spannung 30 das am Piezoaktuator 16 anliegende elektrische Feld bzw. die anliegende elektrische Spannung derart nach, dass die Auslenkung des Betätigungselements 14 wieder in die ursprüngliche Anfangsauslenkung L₀ zurückkehrt. Die dafür nötige Spannung V bzw. die nötige Spannungsänderung ΔV ist somit ein Maß für die in der Beschichtung auftretende mechanische Spannung. Vorzugsweise ist die Spannungsauswerteeinrichtung ausgelegt, auf Basis dieser Änderung der elektrischen Spannung die tatsächliche mechanische Spannung in der Beschichtung zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung lässt sich nicht nur im Zusammenhang mit Brillengläsern, sondern darüber hinaus zum Beschichten einer Vielzahl weiterer optischer Komponenten, wie Linsen, Spiegel oder Prismen, aber auch zum Beschichten bzw. lackieren von metallischen Substanzen, z.B. für Korrosionsschutz Beschichtungen verwenden. Das Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind auch nicht auf die explizit erwähnten Abscheideverfahren beschränkt, sondern lassen sich mit vielen weiteren dem Fachmann bekannten Abscheideverfahren anwenden.

10: Substrathalterung
12: Substrat
12': vorgespanntes Substrat
13, 13': Abscheidefläche
14: Betätigungselement; spannungsgeregelter Druckaufnehmer
16: Piezoaktuator
18, 18': Anlagepunkt
20: Sensorelement
22: Steuereinheit; Regeleinheit; Spannungsauswerteeinrichtung
24: Sensorsignaleingang
26: Sensorsignal
28: Spannungsausgang
30: elektrische Spannung
32: Abschirmung
34: Abscheidefenster
L₀: Anfangsauslenkung

Claims

Verfahren zum Bestimmen mechanischer Spannungen in einer Beschichtung eines Substrats (12, 12') umfassend die Schritte: – Anordnen des Substrats (12, 12') an zumindest eine Halterung (10) und an zumindest ein Betätigungselement (14), das zumindest teilweise relativ zur Halterung (10) bewegbar ist, wobei das Betätigungselement (10) einen Piezoaktuator (16) umfasst, – mechanisches Vorspannen des Substrates (12, 12') mittels des Betätigungselements (14) durch Anlegen einer elektrischen Anfangsspannung V₀ an den Piezoaktuator (16) derart, dass der Piezoaktuator (16) eine teilweise Auslenkung des Betätigungselements (14) relativ zur Halterung (10) um eine vorbestimmte bzw. bestimmbare Anfangsauslenkung L₀ bewirkt; – Aufbringen zumindest eines Teils der Beschichtung auf zumindest eine Abscheidefläche (13') des Substrats (12'); – Bestimmen einer Veränderung ΔL der Auslenkung des Betätigungselements (14) mittels eines Sensorelements (20).
Verfahren nach Anspruch 1, welches nach dem Schritt des Bestimmens einer Veränderung der Auslenkung außerdem die Schritte umfasst: – Nachregeln der elektrischen Spannung am Piezoaktuator (16) derart, dass die Auslenkung des Betätigungselements (14) wieder der Anfangsauslenkung L₀ entspricht; – Bestimmen einer elektrischen Spannungsdifferenz ΔV zwischen der nachgeregelten elektrischen Spannung und der elektrischen Ausgangsspannung V₀.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend einen Schritt des Bestimmens eines Wertes der mechanischen Spannung in der aufgebrachten Beschichtung – aus dem ermittelten Wert der Veränderung ΔL der Auslenkung des Betätigungselements (14) und/oder – aus dem ermittelten Wert der elektrischen Spannungsdifferenz ΔV.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei während des Schritts des Aufbringens der Beschichtung – die Veränderung ΔL der Auslenkung des Betätigungselements (14) und/oder – die elektrische Spannungsdifferenz ΔV und/oder – der ermittelte Wert der mechanischen Spannung in der Beschichtung mehrfach hintereinander bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verlauf – der Veränderung ΔL der Auslenkung des Betätigungselements (14) und/oder – der elektrischen Spannungsdifferenz ΔV und/oder – des ermittelten Wertes der mechanischen Spannung in der Beschichtung in Abhängigkeit von der Zeit und/oder der aufgebrachten Dicke der Beschichtung erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elektrische Spannung am Piezoaktuator (16) mittels einer Regeleinheit (22) derart nachgeregelt wird, dass die Auslenkung des Betätigungselements (14) während des Aufbringens der Beschichtung im wesentlichen konstant bei dem Wert der Anfangsauslenkung L₀ bleibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (12, 12') ein Brillenglas ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (20) im Betätigungselement (14) integriert ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (20) einen kapazitiven Sensor und/oder einen induktiven Sensor und/oder einen resistiven Sensor umfasst ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Abscheidens zumindest eines Teils der Beschichtung bei niedrigem Umgebungsdruck erfolgt.
Vorrichtung zum Bestimmen mechanischer Spannungen in einer Beschichtung eines Substrats (12, 12') umfassend: – zumindest eine Substrathalterung (10) zum Anlegen des Substrats (12, 12') – ein Betätigungselement (14), welches einen Piezoaktuator (16) umfasst, mittels dessen das Betätigungselement (14) durch Anlegen einer vorbestimmten bzw. bestimmbaren elektrischen Spannung an den Piezoaktuator (16) zumindest teilweise relativ zur Substrathalterung (10) derart um eine Auslenkung (L) bewegbar ist, dass dabei ein mechanisches Vorspannen des an der Substrathalterung (10) angelegten Substrats (12, 12') bewirkt wird, – ein Sensorelement (20), das ausgelegt ist, eine Veränderung (ΔL) der Auslenkung des Betätigungselements (14) zu erfassen und abhängig von der erfassten Auslenkungsänderung ΔL ein Sensorsignal (26) auszugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 11, welche außerdem Spannungserfassungsmittel zum Erfassen der an den Piezoaktuator (16) angelegten elektrischen Spannung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, welche außerdem eine Steuereinheit (22) umfasst, die ausgelegt ist, das vom Sensorelement (20) ausgegebene Sensorsignal (26) zu empfangen und die an den Piezoaktuator (16) angelegte elektrische Spannung abhängig vom empfangenen Sensorsignal (26) zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Steuereinheit (22) eine Regeleinheit umfasst, die ausgelegt ist, abhängig vom empfangenen Sensorsignal (26) die an den Piezoaktuator (16) angelegte elektrische Spannung derart zu regeln, dass die Auslenkung (L) des Betätigungselements (14) im wesentlichen konstant bleibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, welche außerdem eine Spannungsauswerteeinrichtung (22) umfasst, die ausgelegt ist, – das Sensorsignal (26) und/oder – den Wert der am Piezoaktuator (16) angelegten Spannung (V) und/oder Spannungsänderung (ΔV) zu empfangen und abhängig davon einen Wert der mechanische Spannung in der Beschichtung zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, welche außerdem eine Speichereinrichtung umfasst, die ausgelegt ist, – die Auslenkung (L) und/oder die Auslenkungsänderung (L₀) des Betätigungselements (14) und/oder – den Wert der am Piezoaktuator (16) angelegten Spannung (V) und/oder Spannungsänderung (ΔV) und/oder – die Wert der mechanischen Spannung in der Beschichtung zu empfangen und dessen zeitlichen Verlauf in einem Speichermedium zu speichern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das Sensorelement (20) im Betätigungselement (14) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, welche außerdem eine Schichtabscheidevorrichtung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei das Sensorelement (20) einen kapazitiven Sensor und/oder einen induktiven Sensor und/oder einen resistiven Sensor umfasst.