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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der optischen Eigenschaften einer bewegten Probe in einer Beschichtungsanlage.
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In der Druckschrift
DE 19739794 A1 wird ein Verfahren zur Regelung eines Beschichtungsvorgangs beschrieben, bei dem während der Beschichtung die Intensität oder Intensitätsänderung eines auf das beschichtete Substrat auftreffenden Lichtstrahls nach seiner Reflexion und/oder Transmission ermittelt und als Ist- oder Regelgröße für die Schichtdicke herangezogen wird.
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Die Druckschrift
DE 4117086 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Phasenverschiebung bei Reflexions- oder Transmissionsmessungen mit elektromagnetischen Wellen, insbesondere Mikrowellen, bei dem eine erste Referenzmessung (Leermessung) und eine zweite Referenzmessung mit einer Repräsentativprobe durchgeführt werden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2005 010 681 A1 ist eine Messanordnung zum optischen Monitoring von Beschichtungsprozessen bekannt. Darin wird eine Messanordnung beschrieben, die eine Lichtquelle und einen Detektor zur Messung der Transmission einer im Lichtstrahl der Lichtquelle angeordneten Probe umfasst. Die Messanordnung ist in eine Beschichtungsanlage integriert, die einen rotierbaren Substrathalter aufweist. Die Lichtquelle und der Transmissionsdetektor sind derart angeordnet, dass die Probe während der Rotation des Substrathalters bei einem Beschichtungsvorgang den Lichtstrahl zwischen der Lichtquelle und dem Transmissionsdetektor durchquert. Auf diese Weise ist es möglich, die Transmission der Probe einschließlich der beim Beschichtungsvorgang aufgebrachten Schichten zum Beispiel bei jeder Rotation des Substrathalters einmal zu messen.
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Eine derartige in situ-Messung an einer Probe während des Beschichtungsprozesses ermöglicht es, die optischen Konstanten und/oder die Schichtdicken einer oder mehrerer auf ein Substrat aufgebrachter Schichten während des Beschichtungsprozesses zu bestimmen und auf diese Weise den Beschichtungsprozess zu steuern.
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Derartige spektralphotometrische Messungen an einer bewegten Probe sind bislang nur in Transmission möglich. Bei der numerischen Auswertung so erhaltener Transmissionsspektren von Proben, die ein Substrat mit einem darauf aufgebrachten Schichtsystem aufweisen, treten oftmals Mehrdeutigkeiten auf, die zu einer fehlerhaften Interpretation der Spektren führen können. Insbesondere ist bei der numerischen Auswertung von Transmissionsspektren oftmals schwierig zu unterscheiden, ob Absorptionsverluste oder Inhomogenitäten in der Brechzahl in dem Schichtsystem vorliegen.
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Weiterhin ist die optische Charakterisierung von Proben allein mittels Transmissionsmessungen nicht möglich, wenn die zu beschichtenden Substrate im Messbereich intransparent sind oder aufgrund einer komplizierten Substratgeometrie eine Transmissionsmessung ausschließen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Messung der optischen Eigenschaften einer bewegten Probe in einer Beschichtungsanlage anzugeben, das eine zuverlässige Ermittlung der optischen Konstanten der Probe während des Beschichtungsprozesses ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei dem Verfahren werden die optischen Eigenschaften einer Probe in einer Beschichtungsanlage gemessen. Die Probe ist beweglich in der Beschichtungsanlage auf einem rotierbaren Substrathalter angeordnet.
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Die Beschichtungsanlage weist eine Messanordnung auf, die eine Lichtquelle, einen Transmissionsdetektor zur Messung der Transmission eines im Lichtstrahl der Lichtquelle angeordneten Objekts, und einen Reflexionsdetektor zur Messung der Reflexion eines im Lichtstrahl der Lichtquelle angeordneten Objekts umfasst.
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Der Transmissionsdetektor und der Reflexionsdetektor müssen nicht notwendigerweise in die Beschichtungsanlage integriert sein, sondern können beispielsweise auch über Lichtleitfasern mit jeweils einem Messpunkt in der Beschichtungsanlage verbunden sein. An den Messpunkten, an denen in der Beschichtungsanlage die reflektierte oder die transmittierte Intensität eines Objekts gemessen werden soll, befindet sich in diesem Fall bevorzugt eine Einkoppeloptik, mit der der zu messende Lichtstrahl in eine Lichtleitfaser eingekoppelt wird, wobei die Lichtleitfaser zu dem jeweils außerhalb der Beschichtungsanlage angeordneten Detektor geführt wird. Wenn der Reflexionsdetektor und/oder der Transmissionsdetektor außerhalb der Beschichtungsanlage angeordnet sind, ist im Rahmen dieser Anmeldung unter der „Intensität an dem Reflexionsdetektor” oder der „Intensität an dem Transmissionsdetektor” die Intensität an dem Messpunkt gemeint, der mit dem jeweiligen Detektor verbunden ist.
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Das Messverfahren umfasst mindestens folgende Verfahrensschritte:
- – Messung der Intensität IT3 der von der Probe transmittierten Strahlung an dem Transmissionsdetektor,
- – Messung der Intensität IR3 der von der Probe reflektierten Strahlung an dem Reflexionsdetektor,
- – Messung der Intensität IT2 an dem Transmissionsdetektor ohne Objekt im Lichtstrahl,
- – Messung der Intensität IR2 an dem Reflexionsdetektor ohne Objekt im Lichtstrahl, und
- – Messung der Intensität IT1 an dem Transmissionsdetektor bei blockiertem Lichtstrahl, wobei
- – die Reflexion RC einer Referenzprobe vor dem Beschichtungsvorgang außerhalb der Beschichtungsanlage gemessen wird,
- – vor dem Beschichtungsvorgang die Intensität IR1 der von der Referenzprobe reflektierten Strahlung in der Beschichtungsanlage mit dem Reflexionsdetektor gemessen wird, und vor dem Beschichtungsvorgang die Intensitäten IT1, IT2, und IR2 zur Berechnung eines Kalibrierfaktors K0 = RC(IT1 – IT2)/(IR1 – IR2) gemessen werden,
- – die Intensitäten IT1, IT2, IR2, IT3 und IR3 mehrfach gemessen werden, während in der Beschichtungsanlage ein Beschichtungsvorgang durchgeführt wird, bei dem die Probe beschichtet wird, und
- – aus den gemessenen Intensitäten IT1, IT2, IR2, IT3 und IR3 während des Beschichtungsvorgangs wiederholt die Reflexion R und die Transmission T der Probe rechnerisch bestimmt werden.
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Insgesamt werden also bei einem Messvorgang mindestens fünf Intensitätsmessungen durchgeführt.
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Die Intensität IT3 der von der Probe transmittierten Strahlung und die Intensität IR3 der von der Probe reflektierten Strahlung sind Messgrößen, die zur Berechnung der Reflexion R und der Transmission T der Probe herangezogen werden.
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Die Messung der Intensität IT2 an dem Transmissionsdetektor ohne Objekt im Lichtstrahl dient dazu, die Intensität der Lichtquelle zu ermitteln. Dazu wird die zu vermessende Probe vollständig aus dem Lichtstrahl entfernt, so dass der Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Detektor frei ist. Die Messung der Intensität IR2 an dem Reflexionsdetektor ohne Objekt im Lichtstrahl dient dazu, ein Dunkelsignal an dem Reflexionsdetektor zu bestimmen.
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Weiterhin dient die Messung der Intensität IT1 an dem Transmissionsdetektor bei blockiertem Lichtstrahl dazu, ein Dunkelsignal an dem Transmissionsdetektor zu bestimmen. Für diese Messung wird der Lichtstrahl durch ein nicht transparentes Objekt zwischen der Lichtquelle und dem Transmissionsdetektor blockiert.
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Die Dunkelsignale IR2 an dem Reflexionsdetektor ohne Objekt im Lichtstrahl und IT1 an dem Transmissionsdetektor bei blockiertem Lichtstrahl können beispielsweise durch Detektorrauschen, Streulicht oder andere in der Beschichtungsanlage vorhandene Lichtquellen, beispielsweise Verdampfungs- oder Plasmaquellen, entstehen.
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Aus den gemessenen Intensitäten IT1, IT2, IR2, IT3 und IR3 können die Transmission T und die Reflexion R der Probe wie folgt ermittelt werden: T = (IT3 – IT1)/(IT2 – IT1), und R = K0(IR3 – IR2)/(IT2 – IT1).
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Die Transmission T der Probe wird also aus dem Quotienten der Intensität IT3 der von der Probe transmittierten Strahlung abzüglich des Dunkelsignals IT1 an dem Transmissionsdetektor, und der gemessenen Intensität IT2 der Lichtquelle abzüglich des Dunkelsignals IT1 an dem Transmissionsdetektor bestimmt.
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Zur Berechnung der Reflexion R der Probe wird der Quotient aus der Intensität IR3 der von der Probe reflektierten Strahlung abzüglich des Dunkelsignals IR2 an dem Reflexionsdetektor, und der gemessenen Intensität IT2 der Lichtquelle abzüglich des Dunkelsignals IT1 verwendet. Dieser Quotient ist mit einem Kalibrierfaktor K0 zu multiplizieren, um die Reflexion R der Probe zu berechnen.
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Die Einführung des Kalibrierfaktors K0 ist notwendig, da bei der Berechnung der Reflexion R die Messgröße IR3 – IR2 durch das Referenzsignal ITref = IT2 – IT1, also die gemessene Maximalintensität am Transmissionsdetektor abzüglich des Dunkelsignals, dividiert wird. Ein derartiges Referenzsignal, das die Intensität der Lichtquelle an dem Transmissionsdetektor angibt, kann für den Reflexionsdetektor nicht ohne weiteres gemessen werden, da sich der Reflexionsdetektor nicht direkt im Lichtstrahl der Lichtquelle befindet. Aus diesem Grund wird das Referenzsignal ITref = IT2 – IT1 am Transmissionsdetektor auch als Referenzsignal für die Reflexionsmessung genutzt. Es wird dabei angenommen, dass sich das nicht messbare Referenzsignal IRref an dem Reflexionsdetektor durch den Kalibrierfaktor K0 von dem Referenzsignal ITref unterscheidet, d. h. ITref = IT2 – IT1 = K0IRref.
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Somit folgt aus R = (IR3 – IR2)/IRref durch Einsetzen die bereits zuvor genannte Gleichung R = K0(IR3 – IR2)/(IT2 – IT1).
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Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, wird der Kalibrierfaktor K0 zur Berechnung der Reflexion R durch Messungen an einer Probe mit bekannter Reflexion vor dem Beschichtungsvorgang ermittelt.
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Aus den zuvor genannten Intensitätsmessungen können sowohl die Transmission T als auch die Reflexion R der Probe während des Beschichtungsvorgangs bestimmt werden. Die gleichzeitige Messung der Transmission und der Reflexion hat gegenüber reinen Transmissionsmessungen den Vorteil, dass die optischen Konstanten und Schichtparameter des auf die Probe bei der Beschichtung aufgebrachten Schichtsystems durch eine numerische Auswertung zuverlässiger bestimmt werden können. Insbesondere können Inhomogenitäten der Brechzahl und Absorptionsverluste des Schichtsystems bei der Auswertung der Messkurven besser unterschieden werden, als wenn nur die Transmissionsdaten vorliegen würden.
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Bei dem Verfahren ist die Probe auf einem rotierbaren Substrathalter angeordnet. Der rotierbare Substrathalter weist mindestens drei zur Aufnahme von Proben geeignete Ausnehmungen auf, die jeweils in den Lichtstrahl der Lichtquelle rotierbar sind.
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Dabei ist in der ersten Ausnehmung eine nicht transparente Probe zum Blockieren des Lichtstrahls angeordnet, zum Beispiel eine hochreflektierende Metallschicht. Die zweite Ausnehmung des rotierbaren Substrathalters ist vorteilhaft frei von jeglichem Objekt und ermöglicht so eine Freigabe des Lichtstrahls zur Messung der Referenzintensität der Lichtquelle mit dem Transmissionsdetektor oder des Dunkelsignals mit dem Reflexionsdetektor. Weiterhin ist in der dritten Ausnehmung des rotierbaren Substrathalters die Probe angeordnet, so dass die Reflexions- und/oder Transmissionsintensität der Probe gemessen werden kann, wenn die dritte Ausnehmung des Substrathalters in den Lichtstrahl der Lichtquelle rotiert ist.
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Bei einem Messvorgang werden vorzugsweise die erste Ausnehmung zur Messung der Intensität IT1, die zweite Ausnehmung zur Messung der Intensitäten IT2 und IR2, und die dritte Ausnehmung zur Messung der Intensitäten IT3 und IR3 jeweils mindestens einmal in den Lichtstrahl rotiert.
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Der rotierbare Substrathalter kann insbesondere die Form einer Kugelkalotte aufweisen, wobei die drei Ausnehmungen derart auf der Kugelkalotte angeordnet sind, dass die Ausnehmungen bei einer Umdrehung des rotierbaren Substrathalters jeweils einmal den Strahlenvorgang der Messvorrichtung durchqueren. Auf diese Weise ist es möglich, dass die zuvor genannten fünf Intensitätsmessungen, aus denen die Transmission und die Reflexion der Probe bestimmt werden können, bei jeder Umdrehung des Substrathalters einmal gemessen werden können.
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Bei dem Verfahren werden die Intensitäten IT1, IT2, IR2, IT3 und IR3 mehrfach gemessen, während in der Beschichtungsanlage ein Beschichtungsvorgang durchgeführt wird, bei dem die Probe mit einer oder mehreren Schichten beschichtet wird. Da aus jeweils einer Messung der fünf Intensitätswerte die Reflexion R und die Transmission T der Probe bestimmt werden können, können die optischen Eigenschaften und die aus den Messgrößen ableitbaren Schichtparameter und optischen Konstanten der auf die Probe aufgebrachten Schicht oder Schichten während des Beschichtungsvorgangs verfolgt werden. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, bei Abweichungen der bestimmten Schichtparameter von Sollwerten Einfluss auf den laufenden Beschichtungsvorgang zu nehmen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Reflexion RSub eines unbeschichteten Substrats der Probe vor dem Beschichtungsvorgang gemessen. Die Messung der Reflexion RSub des unbeschichteten Substrats kann vorteilhaft außerhalb der Beschichtungsanlage an einem herkömmlichen Spektralphotometer erfolgen. Die auf diese Weise ermittelte Reflexion RSub des unbeschichteten Substrats kann zur Bestimmung des Kalibrierfaktors K0 verwendet werden.
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Vor dem Beschichtungsvorgang werden die Intensitäten IT1, IT2, IR2 und IR3 gemessen. Aus der zuvor bestimmten bekannten Reflexion RSub und den gemessenen Intensitäten IT1, IT2, IR2 und IR3 kann der Kalibrierfaktor K0 = RSub(IT1 – IT2)/(IR3 – IR2) bestimmt werden.
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Der auf diese Weise bestimmte Kalibrierfaktor K0 kann mit einer vergleichsweise großen Ungenauigkeit behaftet sein, wenn das unbeschichtete Substrat nur eine geringe Reflexion aufweist, weil in diesem Fall die Differenz der gemessenen Intensitäten IR3 und IR2 sehr gering ist.
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Es ist daher vorteilhaft, wenn anstelle des unbeschichteten Substrats eine Referenzprobe mit bekannter Reflexion RC zur Bestimmung des Kalibrierfaktors K0 herangezogen wird. Vorzugsweise wird die Reflexion RC einer Referenzprobe, insbesondere einer hochreflektierenden Probe, die beispielsweise eine Metallschicht aufweist, vor dem Beschichtungsvorgang gemessen. Wie bei dem unbeschichteten Substrat kann die Reflexion RC der Referenzprobe vor dem Beschichtungsvorgang außerhalb der Beschichtungsanlage, beispielsweise in einem herkömmlichen Spektralphotometer gemessen werden.
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Mittels der Messvorrichtung in der Beschichtungsanlage wird vor dem Beschichtungsvorgang die Intensität IR1 der von der Referenzprobe reflektierten Strahlung mit dem Reflexionsdetektor gemessen. Weiterhin werden vor dem Beschichtungsvorgang auch die Intensitäten IT1, IT2 und IR2 gemessen. In diesem Fall berechnet sich der Kalibrierfaktor aus der Gleichung K0 = RC(IT1 – IT2)/(IR1 – IR2).
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Insbesondere bei Verwendung einer stark reflektierenden Referenzprobe ist der auf diese Weise bestimmte Kalibrierfaktor mit einer nur geringen Ungenauigkeit behaftet, da das im Nenner der zuvor genannten Gleichung stehende Messsignal IR1 abzüglich des Dunkelsignals IR2 vergleichsweise groß ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Referenzprobe, die zur Bestimmung des Kalibrierfaktors verwendet wird, bei der Messung der Intensität IT1 zum Blockieren des Lichtstrahls verwendet. Dies ist dann möglich, wenn die Referenzprobe nicht transparent ist, was insbesondere der Fall ist, wenn die Referenzprobe eine hochreflektierende Schicht wie zum Beispiel eine Metallschicht enthält. Wenn die Referenzprobe zum Blockieren des Lichtstrahls verwendet wird, wird vorteilhaft die Referenzprobe in eine erste Ausnehmung des Substrathalters eingesetzt, eine zweite Ausnehmung des Substrathalters freigelassen, und eine dritte Ausnehmung des Substrathalters mit dem zu beschichtenden Substrat der Probe bestückt.
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Die Intensitätsmessungen mit dem Transmissions- und Reflexionsdetektor erfolgen werden vorteilhaft in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ in einem Wellenlängenbereich λ1 ≤ λ ≤ λ2. Die Intensitätsmessungen umfassen vorzugsweise mindestens den Wellenlängenbereich 400 nm ≤ λ ≤ 800 nm. In diesem Fall deckt der Messbereich vorteilhaft den gesamten sichtbaren Spektralbereich ab. Selbstverständlich ist es bei der Auswahl einer geeigneten Lichtquelle und geeigneter Detektoren auch möglich, größere oder andere Wellenlängenbereiche für die Messung heranzuziehen.
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Als Lichtquelle für die Reflexions- und Transmissionsmessungen kann beispielsweise eine Halogenlampe verwendet werden.
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Das Verfahren wird im Folgenden anhand 1 bis 3 näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Teilbereich einer Beschichtungsanlage, die eine Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aufweist,
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2 eine schematische Darstellung des rotierbaren Substrathalters der Beschichtungsanlage, und
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3 schematische Darstellungen der Intensitätsmessungen bei blockiertem Lichtstrahl (a), ohne Objekt im Lichtstrahl (b) und mit der Probe im Lichtstrahl (c).
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Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente sowie die Größenverhältnisse der Elemente untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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In 1 ist ein Teil einer Beschichtungsanlage 1 im Querschnitt dargestellt. Die Beschichtungsanlage 1 ist mit einer Messanordnung ausgerüstet, die eine Lichtquelle 3 und einen Transmissionsdetektor 4 zur Messung der transmittierten Strahlung 10 eines im Lichtstrahl 9 der Lichtquelle 3 angeordneten Objekts 2 enthält.
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Weiterhin enthält die Messanordnung einen Reflexionsdetektor 5 zur Messung der reflektierten Strahlung 11 eines in Lichtstrahl 9 der Lichtquelle 3 angeordneten Objekts 2. Die Messanordnung, die die Lichtquelle 3, den Transmissionsdetektor 4 und den Reflexionsdetektor 11 umfasst, kann beispielsweise mittels einer Befestigungsvorrichtung 7 in der Beschichtungsanlage 1 befestigt sein.
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Die Beschichtungsanlage 1 kann insbesondere eine Beschichtungsanlage sein, in der Beschichtungen, insbesondere optische Beschichtungen wie beispielsweise Antireflexionsbeschichtungen, mittels eines PVD(Physical Vapor Deposition)-Verfahrens auf Substrate aufgebracht werden. Bei den Substraten handelt es sich bevorzugt um transparente Glas- Oder Kunststoffsubstrate. Die Beschichtungsanlage ist vorteilhaft als Hochvakuum- oder Ultrahochvakuumanlage ausgeführt, in der die Schichten beispielsweise mittels thermischer Verdampfung, Elektronenstrahlverdampfung oder Plasma-Ionen-gestützter Verdampfung (PIAD) aufgebracht werden.
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Die Beschichtungsanlage enthält vorzugsweise einen rotierbaren Substrathalter
6, der um eine Drehachse
8 rotierbar ist. Durch die Rotation des Substrathalters
6 während des Beschichtunpsvorgangs wird die Homogenität der aufgebrachten Schichten verbessert. Der Substrathalter
6 kann insbesondere die Form einer Kalotte aufweisen, die eine Vielzahl von Ausnehmungen zur Aufnahme von Substraten
2 aufweist. Ein derartiger kalottenförmiger Substrathalter
6 ist an sich beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2005 010 681 A1 bekannt.
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Ein Ausführungsbeispiel eines kalottenförmien Substrathalters ist in 2 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Der kalottenförmige Substrathalter 6 ist um eine Drehachse 8 rotierbar. Beider Kalotte muss es sich nicht notwendigerweise um eine Kugelkalotte handeln, sondern sie kann beispielsweise auch eine asphärische Form aufweisen. Die Kalotte kann eine Vielzahl von Ausnehmungen 13, 14, 15 aufweisen, die zur Aufnahme von Substraten 2 dienen. Die in 2 dargestellten Ausnenmungen 13, 14, 15 sind auf dem gleichen Kleinkreis der Kalotte angeordnet, das heißt sie sind so auf der Kalotte angeordnet, dass ihre Mittelpunkte auf einer Schnittlinie zwischen einer senkrecht zur Drehachse des Substrathalters verlaufenden Ebene und der Kalotte liegen. Die Ausnehmungen 13, 14, 15 weisen daher den gleichen Abstand von der Drehachse 8 auf.
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Durch eine Rotation des Substrathalters 6 um die Drehachse 8 ist es möglich, die verschiedenen Ausnehmungen 13, 14, 15 des Substrathalters 6 in den Lichtstrahl 9 der Lichtquelle 3 zu bewegen. So ist es beispielsweise möglich, verschiedene Proben 2, die in unterschiedlichen Ausnehmungen 15 angeordnet sind, nacheinander in die Messanordnung zu rotieren. Weiterhin ist es auch möglich, eine Ausnehmung 13, die kein Objekt und somit eine freie Öffnung 12 aufweist, oder eine zum Blockieren des Lichtstrahls vorgesehene Ausnehmung 14, in die beispielsweise eine nicht transparente Referenzprobe 16 eingelegt ist, in die Messanordnung zu rotieren.
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Wie in 1 dargestellt, ist die Messanordnung bevorzugt derart zu dem rotierbaren Substrathalter 6 ausgerichtet, dass der Lichtstrahl 9 der Lichtquelle 3 bei der Rotation des Substrathalters 6 nacheinander jeweils auf eine der Ausnehmungen 13, 14, 15 in dem Substrathalter trifft. Im Beispiel der 1 befindet sich gerade die in einer Ausnehmung 15 angeordnete Probe 2 in dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle 3 und dem Transmissionsdetektor 4. Der Transmissionsdetektor 4 ist auf einer von der Lichtquelle 3 abgewandten Seite des Substrathalters 6 angeordnet und der Reflexionsdetektor 5 ist auf einer der Lichtquelle 3 zugewandten Seite des Substrathalters 6 angeordnet.
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Mit der beschriebenen Messanordnung ist es möglich, die optischen Eigenschaften an einer mittels des rotierenden Substrathalters 6 bewegten Probe 2 während eines Beschichtungsvorgangs zu messen. Da die Probe 2 bei jeder vollen Umdrehung des rotierenden Substrathalters 6 jeweils einmal in den Lichtstrahl der Lichtquelle 9 gelangt, kann bei jeder Umdrehung eine Charakterisierung der optischen Eigenschaften der Probe 2 erfolgen. Neon die bei dem Messvorgang ermittelten optischen Eigenschaften von Sollwerten abweichen, kann insbesondere Einfluss auf den laufenden Beschichtungsvorgang genommen werden.
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Die Messanordnung ist insbesondere dazu ausgelegt, gleichzeitig die Transmission und die Reflexion an einer in der Beschichtungsanlage 1 bewegten Probe 2 zu bestimmen.
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Die für die Bestimmung der Transmission T und der Reflexion R einer Probe 2 erforderlichen Messungen werden im Folgenden anhand der 3(a) bis (c) näher erläutert.
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Wie in 3(a) dargestellt, wird mit dem Transmissionsdetektor 4 die Intensität IT3 der von der Probe transmittierten Strahlung 10 gemessen, während die Probe 2 auf dem rotierenden Substrathalter 6 den Lichtstrahl 9 der Lichtquelle 3 durchquert. Weiterhin wird in dieser Position des Substrathalters 6 mit dem Reflexionsdetektor 5 die Intensität IR3 der von der Probe 2 reflektierten Strahlung 11 gemessen.
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Wie in 3(b) dargestellt, werden zwei weitere Messungen durchgeführt, während sich eine Ausnehmung des Substrathalters ohne Objekt, also eine freie Öffnung 12, im Strahl der Lichtquelle 9 befindet. Da sich in dieser Position des Substrathalters kein Objekt im Lichtstral zwischen der Lichtquelle 3 und dem Transmissionsdetektor 4 befindet, kann die Intensität IT2 des Lichtstrahls 9 der Lichtquelle 3 gemessen werden. Weiterhin wird in dieser Position des Substrathalters die Intensität IR2 an dem Reflexionsdetektor 5 gemessen. Die ohne Objekt im Lichtstrahl gemessene Intensität IR2 an dem Reflexionsdetektor 5 stellt das Dunkelsignal an dem Reflexionsdetektor dar, das beispielsweise von außen in die Beschichtungsanlage eintretendes Fremdlicht und/oder von Beschichtungsquellen in der Beschichtungsanlage erzeugtes Licht enthalten kann.
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Wie in 3(c) dargestellt, wird weiterhin die Intensität IT1 an dem Transmissionsdetektor 4 gemessen, wenn der Lichtstrahl 9 zwischen der Lichtquelle 3 und dem Transmissionsdetektor 4 durch ein nicht transparentes Objekt blockiert ist. Dazu kann beispielsweise eine stark reflektierende Probe 16 in eine Ausnehmung des Substrathalters eingesetzt sein. Die Intensität IT1, die gemessen wird, während sich das nicht transparente Objekt 16 zwischen der Lichtquelle 9 und dem Transmissionsdetektor 4 befindet, stellt das Dunkelsignal an dem Transmissionsdetektor 4 dar, das beispielsweise von außen in die Beschichtungsanlage eintretendes Fremdlicht und/oder von den Beschichtungsquellen erzeugtes Licht enthalten kann.
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Aus den auf diese Weise gemessenen Intensitäten IT1, IT2, IT3, IR2 und IR3 können die Transmission T und die Reflexion R der Probe 2 wie folgt berechnet werden: T = (IT3 – IT1)/(IT2 – IT1), und R = K0(IR3 – IR2)/(IT2 – IT1).
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Der in die Gleichung für die Reflexion R enthaltene Kalibrierfaktor K0 wird vor der Durchführung des Beschichtungsvorgangs bestimmt. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung des Kalibrierfaktors K0 dadurch, dass eine Referenzprobe 16, die eine bekannte Reflexion RC aufweist, in die zum Blockieren des Lichtstrahls vorgesehene Ausnehmung 14 des Substrathalters 6 eingesetzt wird. Die Reflexion RC der Referenzprobe 16 kann vor dem Beschichtungsvorgang außerhalb der Beschichtungsanlage 1 in einem Spektralphotometer gemessen werden. Vor der Durchführung des Beschichtungsvorgangs werden in der Beschichtungsanlage 1 die Intensität IT2 an dem Transmissionsdetektor 4 ohne Objekt im Lichtstrahl, die Intensität IT1 an dem Transmissionsdetektor 4 bei dem mit der Referenzprobe 16 blockierten Lichtstrahl, die Intensität IR1 an dem Reflexionsdetektor 5 mit der Referenzprobe 16 im Lichtstrahl und die Intensität IR2 an dem Reflexionsdetektor 5 ohne Objekt im Lichtstrahl gemessen. Aus diesen gemessenen Intensitätswerten IT1, IT2, IR1 und IR2 und der bekannten Reflexion RC der Referenzprobe 16 kann der Kalibrierfaktor K0 wie folgt berechnet werden: K0 = RC(IT1 – IT2)/(IR1 – IR2).
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Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung des Kalibrierfaktors K0 besteht darin, vor der Durchführung des Beschichtungsvorgangs Intensitätsmessungen an dem noch unbeschichteten Substrat der Probe 2 durchzuführen. In diesem Fall ist die Reflexion des noch unbeschichteten Substrats vor der Durchführung des Beschichtungsvorgangs zu bastimmen. Die Messung der Reflexion RSub kann außerhalb der Beschichtungsanlage 1 in einem Spektralphotometer erfolgen.
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In der Beschichtungsanlage werden vor der Durchführung des Beschichtungsvorgangs die Intensität IT2 am Transmissionsdetektor 4 ohne Objekt im Lichtstrahl, die Intensität IT1 am Transmissionsdetektor 4 bei blockiertem Lichtstrahl, die Intensität IR3 am Reflexionsdetektor 5, während sich das noch unbeschichtete Substrat 2 im Lichtstrahl befindet, und die Intensität IR2 an dem Reflexionsdetektor 5 ohne Objekt im Lichtstrahl gemessen.
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Aus der bekannten Reflexion RSub der Probe 2 und den vier gemessenen Intensitätswerten IT1, IT2, IR2 und IR3 wird der Kalibrierfaktor K0 wie folgt berechnet: K0 = RSub(IT1 – IT2)/(IR3 – IR2)
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Die gleichzeitige Bestimmung der Transmission T und der Reflexion R der Probe während des Beschichtungsvorgangs mit dem beschriebenen Messverfahren hat den Vorteil, dass die optischen Konstanten und die daraus ableitbaren Schichtparameter des aufwachsenden Schichtsystems mit einer größeren Genauigkeit bestimmt werden können als mit einer reinen Transmissionsmessung. Insbesondere ist es durch die gleichzeitige Auswertung der Transmissions- und Reflexionswerte der Probe möglich zu unterscheiden, ob in der Probe Absorptionsverluste auftreten oder Inhomogenitäten in der Brechzahl vorliegen.
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Die zuvor beschriebenen Intensitätsmessungen werden vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich durchgeführt. Beispielsweise können die Intensitätsmessungen IR1(λ), IR2(λ), IR3(λ), IT1(λ), IT2(λ) und IT3(λ) in einem Wellenlängenbereich λ1 ≤ λ λ2 erfolgen, der den gesamten sichtbaren Spektralbereich von etwa 400 nm bis etwa 800 nm umfasst.
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Die Messung der wellenlängenabhängigen Intensitäten IT1(λ), IT2(λ) und IT3(λ) an dem Transmissionsdetektor 4 sowie IR1(λ), IR2(λ) und IR3(λ) an dem Reflexionsdetektor 5 ist in einem Zeitraum von nur wenigen Millisekunden möglich. Beispielsweise kann ein Intensitätsspektrum in vier Millisekunden aufgenommen werden. Die Intensitätsmessungen können daher am bewegten Objekt durchgeführt werden, ohne dass der rotierende Substrathalter 6 für die Durchführung der Messungen angehalten werden muss.
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Bevorzugt werden die Intensitätsmessungen zur Bestimmung der Transmission T und der Reflexion R der Probe 2 bei jeder Umdrehung des Substrathalters einmal durchgeführt. Durch die wiederholte Messung der Transmission T, der Reflexion R und der rechnerischen Bestimmung der aus der Transmission T und der Reflexion R ableitbaren optischen Konstanten und Schichtparameter ist ein in situ-Monitoring des auf der Probe 2 aufwachsenden Schichtsystems während des Beschichtungsprozesses möglich.