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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Bereich der Herstellung von optischen Dünnschichtsystemen im industriellen Maßstab auf einer Beschichtungsanlage und ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrates, welche anhand des gesamten Beschichtungsprozesses eine in-situ-Messung der Beschichtungseigenschaften zulassen.
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Die am weitesten verbreitete Technik zur Abscheidung von optischen Schichtsystemen im Bereich der Präzisionsoptik sind Batchanlagen. Zur Abscheidung von Multilagenschichtsystemen nutzen diese in der Regel Aufdampf- oder Sputterverfahren.
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Bei Aufdampfverfahren werden beispielsweise Beschichtungsanlagen, welche eine Kalotte als Substrathalter nutzen, verwendet. In solchen Beschichtungsanlagen erfolgt ein Verdampfen des Beschichtungsmaterials entweder thermisch oder mit Hilfe eines Elektronenstrahls aus einem Tiegel, der sich unterhalb der Kalotte befindet, auf der die zu beschichtenden Substrate angebracht sind. Die Kalotten können hierbei aus Durchsatzgründen einen Durchmesser von mehr als einem Meter haben. In Aufdampfprozessen wird oft eine zusätzliche Plasmaquelle eingesetzt, um die wachsende Schicht zu verdichten und bessere Schichteigenschaften zu erhalten.
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Neben Aufdampfprozessen werden auch Magnetron-Sputterprozesse zur Schichtherstellung verwendet. Für Sputterprozesse werden entweder zylindrische Anordnungen benutzt, bei denen die Substrate auf einer Trommel angebracht werden, oder auch Drehteller-Anordnungen mit liegenden oder hängenden Substraten. Hierbei erfolgt die Abtragung des Schichtmaterials von einem Target, welches einem Neutralgas-Plasma, z. B. aus Argon, ausgesetzt ist. In reaktiven Prozessen wird hierbei zudem noch ein Reaktivgas eingesetzt, beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff.
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Insbesondere für optische Beschichtungen und die damit verbundenen Ansprüche an Schichthomogenität und Partikelfreiheit scheinen Trommelbeschichtungsanlagen die beste Möglichkeit darzustellen, die geforderten Kriterien zu erfüllen, da diese im Gegensatz zu Drehtelleranlagen kein systematisch bedingtes Homogenitätsproblem aufweisen. Das Homogenitätsproblem der Drehtelleranlagen ist dadurch bedingt, dass auf dem radial äußeren Teil des Drehtellers die Beschichtungsrate stets größer ist als weiter innen, was in der Regel durch Subrotationen und Blenden ausgeglichen wird, die wiederum zu größeren Partikelbelastungen und damit zu schlechteren Filtereigenschaften führen.
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Üblicherweise eingesetzte Materialien in Aufdampf- oder Sputterprozessen, die zur Beschichtung von Substraten genutzt werden, sind z. B. SiO2, Ta2O5, TiO2, ZrO2, HfO2, Al2O3.
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Sowohl Sputterquellen, wie beispielsweise Magnetronsputterquellen, als auch Aufdampfquellen erzeugen eine bestimmte Schichtdickenverteilung in einer Achse längs und quer sowie als Funktion des Abstandes von der Quelle. Im Allgemeinen werden diese Inhomogenitäten durch gezielte periodische Bewegung der Substrate und/oder durch Blenden vor den Quellen kompensiert. Dabei entstehen mehrere Nachteile sowohl für eine in-situ-Messung als auch für die optischen Beschichtungen an sich. Blenden führen zu einer stärkeren Belastung durch Partikel, diese wirken sich dann als lokale Schichtdickeninhomogenitäten und Absorptionsquellen negativ auf die Filtercharakteristik aus.
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Darüber hinaus ist die Bewegung eines Substrats im Strahlengang kritisch, da sich gegebenenfalls der Messfleck auf dem Substrat bewegt und ein vergrößertes Rauschen des Messsignals zu erwarten ist. Darüber hinaus ist die gesamte Aufenthaltsdauer eines Substrats im Strahlengang i. d. R. sehr kurz und es bedarf starker Lichtquellen sowie kurzer Integrationszeiten, was sich wiederum negativ auf die Flexibilität bei der Wahl des Wellenlängenbereichs bzw. das Signal-Rauschverhältnis auswirkt. Hierbei ist zu beachten, dass typische Substratgrößen in der Präzisionsoptik im Bereich von einem bis einigen Zoll liegen. Die kleinen Abmessungen der Substrate bedingen oft das Nutzen eines gesonderten „Monitorierungssubstrates”. Dieses belegt zusätzlichen Platz in der Anlage und reduziert die eigentliche Batchgröße.
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Insgesamt ist festzustellen, dass sich eine in-situ Kontrolle in Trommel-Beschichtungsanlagen und auf rotierenden Kalotten auf Grund der oben genannten Probleme und Limitierungen als sehr schwierig darstellt. Daher wird in solchen Beschichtungsanlagen noch immer mit Raten- und/oder Zeitsteuerungen gearbeitet und es müssen große Anstrengungen unternommen werden, um den Prozess sehr stark zu stabilisieren.
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Für Drehtelleranordnungen steht die Möglichkeit einer senkrechten Messung durch fest fixierte Flansche bereits zur Verfügung. Allerdings sind die Zeitfenster für Messungen bei den typischen Rotationsgeschwindigkeiten von > 5 rpm (Umdrehungen pro Minute, rotation per minute) für die spektrale in-situ-Ellipsometrie zu kurz.
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Optische Dünnschichtsysteme, die das Prinzip der Interferenz nutzen, z. B. für optische Filter und Architekturglasbeschichtungen, erfordern hierbei das möglichst präzise Einhalten der spezifizierten Filtereigenschaften. Um einzelne Schichtdicken sowie Dispersionen möglichst genau einzuhalten, ist es üblich, in-situ-Kontrollen durchzuführen. Neben der Reflektometrie, bei der es in dieser Anlagenanordnung erforderlich ist, mit äußerst lichtstarken Lampen zu arbeiten, um kurze Messzeiten realisieren zu können, kommt auch der Spektralellipsometrie eine besondere Bedeutung zu, da hier nicht nur die optischen Schichtdicken, sondern auch die Dispersionen bestimmt werden können. Damit liegen bereits während des Prozesses detailliertere Informationen zur Kompensation von Prozessschwankungen vor. Im Gegensatz zur Photometrie benötigt die Spektralellipsometrie größere Messzeiten. Bei konventionellen Messsystemen ist ein Anhalten der Hauptrotation für eine Messung notwendig, das zu längeren Beschichtungszeiten und gegebenenfalls zu weiteren Prozessinstabilitäten führt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, Beschichtungsanlagen, in denen das Substrat permanent bewegt wird, mit einem Kontrollsystem zur stabilen in-situ-Kontrolle der Schichteigenschaften u. a. in Form von Reflektometrie und auch in Form von Ellipsometrie sowie ein entsprechendes Verfahren zur Beschichtung eines Substrates mit gleichzeitiger Messung von Schichteigenschaften zur Verfügung zu stellen und damit die oben genannten Probleme des Standes der Technik auf einfache und kostengünstige Art und Weise zu beseitigen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Beschichtungsanlage nach Anspruch 1 sowie das Verfahren zur Beschichtung eines Substrates nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.
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Erfindungsgemäß enthält eine Beschichtungsanlage zur Beschichtung eines Substrates bei gleichzeitiger Schichtüberwachung eine Vakuumkammer, in deren durch eine Wandung begrenztem Innenraum mindestens eine Beschichtungseinrichtung und mindestens ein Substrathalter angeordnet sind. Der Substrathalter ist derart im Innenraum der Vakuumkammer angeordnet, dass er um eine Drehachse im geometrischen Sinne, welche durch das Innere der Vakuumkammer bzw. den Innenraum der Vakuumkammer verläuft, drehbar ist.
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Nachfolgend wird zwischen Innenraum und einem Beschichtungsraum unterschieden. Als Innenraum ist das gesamte Innenvolumen der Vakuumkammer zu verstehen, wobei im gesamten Innenraum oder zumindest in einem Bereich des Innenraums Vakuum herrscht. Der Beschichtungsraum dagegen ist als der Bereich definiert, in welchem das Substrat angeordnet ist und in welchem Vakuum herrscht. Je nach Ausführungsform der Beschichtungsanlage kann der Innenraum dem Beschichtungsraum entsprechen oder der außerhalb des Beschichtungsraums liegende Teil des Innenraums durch ein Fenster vom Beschichtungsraum getrennt sein, wobei gegebenenfalls im außerhalb des Beschichtungsraums liegenden Teil des Innenraums ein anderer Druck als im Beschichtungsraum herrscht.
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Erfindungsgemäß weist die Beschichtungsanlage weiterhin eine außerhalb der Vakuumkammer angeordnete Messvorrichtung, welche eine Anregungslichtquelle zur Einstrahlung von Anregungslicht auf ein durch den Substrathalter gehaltenes Substrat und einen Detektor zur Erfassung von Messlicht, das von dem Substrat ausgeht, enthält. Das Anregungslicht kann Licht einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereiches ausgewählt aus einem Bereich zwischen extrem ultraviolettem Licht und extrem infrarotem Licht sein. Das Anregungslicht kann gegebenenfalls auch polarisiertes Licht sein. Das Messlicht, welches von dem Substrat ausgeht, kann beispielsweise reflektiertes Licht, Streulicht, Fluoreszenzlicht, Durchlicht oder ähnliches sein.
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Weiterhin verfügt die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage über mindestens ein Mittel zum Leiten des Anregungslichts und/oder über mindestens ein Mittel zum Leiten des Messlichts zwischen der Messvorrichtung und dem Substrat. Das mindestens eine Mittel zum Leiten des Anregungslicht ist so ausgebildet, dass das Anregungslicht dem drehbaren Substrathalter und/oder dem Substrat folgt, während das mindestens eine Mittel zum Leiten des Messlichts derart ausgebildet ist, dass das Messlicht unabhängig von einer sich durch Drehung des Substrathalters veränderbaren Stellung des Substrathalters auf den Detektor einstrahlbar ist, d. h. das Messlicht einem zumindest teilweise mit dem Substrathalter um die Drehachse rotierenden Strahlengang in Richtung des Detektors folgt. Als Mittel zum Leiten von Anregungslicht und/oder als Mittel zum Leiten von Messlicht bieten sich beispielsweise mindestens eine Lichtleitfaser, ein Prisma, ein Spiegel, eine Spiegelanordnung oder ähnliches an. In Einzelfällen können mindestens eines der Mittel zum Leiten des Anregungslichts und mindestens eines der Mittel zum Leiten des Messlichts einteilig ausgebildet sein.
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Aus der Möglichkeit, das von dem Substrat ausgehende Messlicht ohne Unterbrechung an jeder möglichen, aktuellen Position des Substrats zu erfassen, ergibt sich eine Erhöhung der Integrationszeit einer photometrischen Messung und die Möglichkeit, verschiedene Polarisatorpositionen bei der ellipsometrischen Messung nacheinander durchzuschalten. Durch die Geometrie der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage bzw. die Anbringung der Messvorrichtung, der Mittel zum Leiten des Anregungslichts und der Mittel zum Leiten des Messlichts wird außerdem sichergestellt, dass auch bei einer schnellen Rotation des Substrats durchgehend ein und dieselbe Position auf dem Substrat vermessen wird.
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Vorteilhafterweise ist mindestens eines der Mittel zum Leiten des Anregungslichts und/oder mindestens eines der Mittel zum Leiten des Messlichts derart ausgebildet, dass sie synchron mit dem Substrathalter und/oder dem Substrat um die Drehachse, welche durch den Innenraum der Vakuumkammer verläuft, rotierbar sind. Dabei kann mindestens eines der Mittel zum Leiten von Anregungslicht und/oder mindestens eines der Mittel zum Leiten Messlicht innerhalb und/oder außerhalb des Innenraums und/oder des Beschichtungsraums der Vakuumkammer angeordnet sein. Im Falle einer Spiegelanordnung kann beispielsweise mindestens ein Spiegel außerhalb der Vakuumkammer und/oder mindestens ein weiterer Spiegel innerhalb des Innenraums oder des Beschichtungsraums der Vakuumkammer angeordnet sein, wobei bevorzugt zumindest der innerhalb der Vakuumkammer angeordnete Spiegel um die Drehachse rotierbar ist. Im Falle einer Lichtleitfaser oder eines Prismas als Mittel zum Leiten des Anregungslichts und/oder als Mittel zum Leiten des Messlichts können diese teilweise außerhalb und teilweise innerhalb der Vakuumkammer oder vollständig innerhalb oder außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein und auf der oder um die Drehachse rotierbar sein.
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Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage derart ausgebildet, dass das Anregungslicht ausgehend von der Anregungslichtquelle so umgelenkt wird, dass das Anregungslicht entlang der Drehachse in den Innenraum und gegebenenfalls in den Beschichtungsraum der Vakuumkammer einstrahlbar ist. Gleichzeitig ist die Beschichtungsanlage bevorzugt derart ausgestaltet, dass das Messlicht, welches von dem Substrat ausgeht, entlang der Drehachse aus dem Inneren und gegebenenfalls aus dem Beschichtungsraum der Vakuumkammer ausstrahlbar ist und in Richtung des Detektors umlenkbar ist. Verläuft die Drehachse vertikal durch den Innenraum der Vakuumkammer, so kann das Anregungslicht von oben und/oder von unten in den Innenraum bzw. den Beschichtungsraum der Vakuumkammer einstrahlbar sein und dass das Messlicht nach unten und/oder nach oben aus dem Innenraum der Vakuumkammer ausstrahlbar sein.
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Die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage kann zusätzlich mindestens einen Zylinder aufweisen, welcher bevorzugt derart angeordnet ist, dass er um die Drehachse, welche durch den Innenraum der Vakuumkammer verläuft, drehbar ist und mit dem Substrathalter gekoppelt ist, wobei die Rotationsachse des Zylinders mit der Drehachse übereinstimmt. Der Zylinder ist vorzugsweise derart angeordnet, dass er in den Innenraum der Vakuumkammer hineinragt oder den Innenraum der Vakuumkammer durchdringt. In Einzelfällen kann zumindest einer der Zylinder aber auch fest mit der Wandung der Vakuumkammer verbunden sein. Als Zylinder kann beispielsweise ein Hohlzylinder, insbesondere ein innen verspiegelter Hohlzylinder und/oder ein in seinem Inneren mindestens einen Lichtleiter und/oder mindestens eine Lichtleitfaser aufweisender Zylinder verwendet werden.
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Weist die Beschichtungsanlage mindestens einen Zylinder auf, so ist der Beschichtungsraum der Bereich des Innenraums, welcher außerhalb des Zylinderinneren liegt.
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Vorzugsweise wird Anregungslicht in den Hohlzylinder eingekoppelt und im Inneren der Vakuumkammer aus dem Zylinder in den Beschichtungsraum ausgekoppelt. Entsprechend wird Messlicht im Inneren der Vakuumkammer in den Zylinder eingekoppelt und außerhalb der Vakuumkammer aus dem Zylinder ausgekoppelt. Das Einkoppeln des Anregungslichts und das Auskoppeln des Messlichts erfolgt vorzugsweise über eine geöffnete Stirnseite im Bereich der Wandung der Vakuumkammer oder außerhalb der Vakuumkammer. Das Auskoppeln des Anregungslichts sowie das Einkoppeln des Messlichts kann im Falle eines lediglich teilweise in den Innenraum der Vakuumkammer hinein ragenden Zylinders über eine geöffnete Stirnseite, d. h. eine für das Anregungslicht und/oder das Messlicht transparente Stirnseite, oder ein seitliches Fenster in der Mantelfläche des Zylinders gegebenenfalls in Kombination mit einer geschlossenen Stirnseite innerhalb des Innenraums der Vakuumkammer erfolgen. Im Falle eines die Vakuumkammer durchdringenden Zylinders weist dieser vorzugsweise ein seitliches Fenster in seiner Mantelfläche in einem im Innenraum der Vakuumkammer liegenden Bereich auf. Alternativ kann der Hohlzylinder unabhängig von seiner Anordnungsweise im Innenraum der Vakuumkammer transparent für das Anregungs- und/oder Messlicht ausgebildet sein.
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Zur Gewährleistung des Vakuums im Beschichtungsraum, der Vakuumkammer kann mindestens ein Fenster und/oder mindestens eine der Stirnseiten mit einer dichtenden Verglasung versehen sein, welche für das verwendete Anregungs- und/oder das vom Substrat ausgehende Messlicht transparent ist und beispielsweise Kunststoff oder Glaskeramik enthält oder daraus besteht. Alternativ kann innerhalb des Zylinders an einer Stelle zwischen dem außerhalb der Vakuumkammer liegenden Endes und der Position, an der Anregungslicht aus dem Zylinder ausgekoppelt und/oder Messlicht in den Zylinder eingekoppelt wird, vorzugsweise im Bereich der Wandung der Vakuumkammer, eine für das Anregungslicht und/oder das Messlicht transparente Vakuumdichtung, beispielsweise eine Verglasung, angebracht sein.
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Ist die Beschichtungsanlage derart gestaltet, dass sie einen Zylinder mit seitlichen Fenstern in der Mantelfläche des Zylinders aufweist, so erfolgt die Auskopplung des Anregungslichts aus dem Zylinder und die Einkopplung des Messlichts in den Zylinder entweder mit Hilfe eines entsprechend angewinkelten Lichtleiters oder einer entsprechend angewinkelten Lichtleitfaser oder mit Hilfe mindestens eines im Bereich des Fensters angeordneten Spiegels oder optischen Prismas.
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Weist die Beschichtungsanlage einen oben beschriebenen Zylinder auf, so ist vorzugsweise der Substrathalter sowie gegebenenfalls mindestens ein Mittel zum Leiten von Anregungslicht und/oder mindestens ein Mittel zum Leiten von Messlicht mit dem Zylinder verbunden, so dass der Substrathalter synchron mit dem Zylinder um die Drehachse gedreht werden kann. Um eine ausreichende Stabilität der Verbindung zwischen dem Hohlzylinder und dem Substrathalter und gegebenenfalls den Mitteln zum Leiten von Anregungslicht und/oder den Mitteln zum Leiten von Messlicht zu gewährleisten, enthält der Zylinder vorzugsweise mindestens ein Metall, insbesondere Edelstahl, Aluminium oder Titan, oder besteht aus einem dieser Materialien. Alternativ kann der Zylinder jedoch auch Kunststoff oder Glaskeramik enthalten oder daraus bestehen.
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Die Beschichtungsanlage ist vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass das Anregungslicht von oben und/oder von unten, vorzugsweise durch den mindestens einen drehbaren Zylinder, in den Innenraum der Vakuumkammer einstrahlbar ist und dass das Messlicht nach unten und/oder nach oben, vorzugsweise durch den mindestens einen drehbaren Zylinder, aus dem Innenraum der Vakuumkammer ausstrahlbar ist.
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Anstelle des Zylinders, welcher in den Innenraum der Vakuumkammer hineinragt oder diesen durchläuft, kann auch ein beliebiger anderer Körper verwendet werden. Dabei bietet sich beispielsweise ein gerades Prisma, ein Kegelstumpf oder ein Pyramidenstumpf an, wobei der Körper derart angebracht ist, dass eine senkrecht im Schwerpunkt der Grundfläche des Körpers stehende Achse mit der Drehachse übereinstimmt.
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Die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage kann als Mittel zum Leiten des Anregungslichts mindestens ein Mittel zum Einkoppeln von Anregungslicht in den Innenraum bzw. in den Beschichtungsraum der Vakuumkammer, insbesondere mindestens ein Fenster, insbesondere ein bezüglich der Drehachse verkippbares Glas, und/oder mindestens einen Lichtleiter und/oder mindestens eine Lichtleitfaser und/oder mindestens ein optisches Prisma aufweisen. Das Mittel zum Einkoppeln von Anregungslicht in den Beschichtungsraum der Vakuumkammer bildet somit einen Übergang zwischen dem Beschichtungsraum der Vakuumkammer und der Umgebung bzw. einem Bereich, in dem ein anderer Druck als im Beschichtungsraum herrscht, d. h. einem Bereich des Innenraums, welcher außerhalb des Beschichtungsraums liegt.
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Die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage kann weiterhin als Mittel zum Leiten des Anregungslichts mindestens ein Mittel zum Umlenken von Anregungslicht zum Substrat enthalten. Das Mittel zum Umlenken kann beispielsweise ein Spiegel, insbesondere ein planarer Spiegel, ein Parabolspiegel, ein Hohlspiegel, ein halbdurchlässiger Spiegel und/oder ein Frontseitenspiegel, welcher als metallischer Spiegel oder als dielektrischer Spiegel ausgebildet sein kann, und/oder mindestens ein Lichtleiter und/oder mindestens eine Lichtleitfaser, insbesondere eine Glasfaser, und/oder ein Prisma sein. Das mindestens eine Mittel zum Umlenken von Anregungslicht kann innerhalb und/oder außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein. Vorzugsweise kann das mindestens eine Mittel zum Umlenken von Anregungslicht, beispielsweise als Spiegelanordnung, im Inneren der Vakuumkammer angeordnet sein. Zusätzlich kann auch außerhalb der Vakuumkammer mindestens ein Mittel zum Umlenken von Anregungslicht angeordnet sein. Alternativ kann das Mittel zum Umlenken von Anregungslicht teils innerhalb, teils außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein, beispielsweise eine Lichtleitfaser.
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Die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage weist vorzugsweise als Mittel zum Leiten des Messlichtes mindestens ein Mittel zum Umlenken von Messlicht zum Detektor auf. Als Mittel zum Umlenken des Messlichts kann beispielsweise mindestens ein Spiegel, insbesondere ein planarer Spiegel, ein Parabolspiegel, ein Hohlspiegel, ein halbdurchlässiger Spiegel und/oder ein Frontseitenspiegel, und/oder mindestens ein Lichtleiter und/oder mindestens eine Lichtleitfaser, insbesondere eine Glasfaser, und/oder ein Prisma eingesetzt werden. Auch das Mittel zum Umlenken von Messlicht kann innerhalb und/oder außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein. Je nach Anordnung der Mittel zum Leiten des Anregungslichts und der Mittel zum Leiten des Messlichts kann mindestens eines der Mittel zum Leiten von Messlicht auch als Mittel zum Leiten von Anregungslicht und umgekehrt verwendet werden. In diesem Fall folgen Anregungslicht und Messlicht demselben Lichtpfad.
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Weiterhin weist die Beschichtungsanlage als Mittel zum Leiten von Messlicht vorzugsweise mindestens ein Mittel zum Auskoppeln von Messlicht aus dem Beschichtungsraum der Vakuumkammer auf. Als Mittel zum Auskoppeln von Messlicht kann beispielsweise ein Fenster, insbesondere ein bezüglich der Drehachse verkippbares Glas, und/oder mindestens ein Lichtleiter und/oder mindestens eine Lichtleitfaser eingesetzt werden. Vorzugsweise kann auch mindestens eines der Mittel zum Einkoppeln von Anregungslicht als Mittel zum Auskoppeln von Messlicht eingesetzt werden, d. h. das Mittel zum Einkoppeln von Anregungslicht und das Mittel zum Auskoppeln von Messlicht können als ein einziges Bauteil ausgebildet sein.
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In der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage kann außerdem das Mittel zum Einkoppeln von Anregungslicht und das Mittel zum Umlenken von Anregungslicht und/oder das Mittel zum Auskoppeln von Messlicht und das Mittel zum Umlenken von Messlicht als ein einziges Bauteil ausgebildet sein.
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Bei der Wahl der Anregungslichtquelle, des Detektors sowie des mindestens einen Mittels zum Leiten von Anregungslicht und/oder des mindestens einen Mittels zum Leiten von Messlicht sollte die Wellenlänge oder der Wellenlängenbereich des Anregungslichts und des Messlichts beachtet werden. Demnach müssen Ausgangslichtquelle, Detektor und das mindestens eine Mittel zum Leiten von Anregungslicht und/oder das mindestens eine Mittel zum Leiten von Messlicht aufeinander abgestimmt und für Messungen im gewählten Wellenlängenbereich geeignet sein.
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In der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage sind die Mittel zum Leiten von Anregungslicht und die Mittel zum Leiten von Messlicht sowie der Substrathalter bzw. das Substrat derart zueinander angeordnet, dass Anregungslicht auf die Rückseite des vom Substrathalter gehaltenen Substrates einstrahlbar ist und/oder dass das Messlicht auf der Rückseite des Substrats aus dem Substrat austritt. Unter der Rückseite des Substrates ist die Seite zu Verstehen, welche der zu beschichtenden Seite des Substrats gegenüberliegt bzw. welche von der Beschichtung abgewandt ist.
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Bei der Auswahl der Substratmaterialien ist daher zu beachten, dass diese für die Kopplung des Messlichts über die Rückseite des Substrats geeignet sind. Dies bedeutet, dass weder optische Streuung an der Rückseite noch Absorption in einem signifikanten, die Messung störenden Umfang auftreten sollten.
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Typische Substrate sind Glas und Polymer-Substrate, die für fein- und präzisionsoptische Instrumente eingesetzt werden. Ebenso können Saphir oder fluoridische Gläser, die auch im UV-Bereich transparent sind, als Substrate eingesetzt werden. Aber auch IR-Optiken auf der Basis von Materialien, wie Si und Ge, können beschichtet werden, wobei dann die Messung über Anregung im jeweiligen optischen Fenster, in diesem Fall also im IR, durchzuführen ist.
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Die erfindungsgemäße Beschichtungsanordnung, insbesondere auch eine auf einer Rückseiteneinstrahlung des Anregungslichts basierende Beschichtungsanlage, eignet sich auch für die Beschichtung nicht transparenter Substrate. Dazu können Testgläser, welche transparent sind, eingesetzt und parallel zu nicht-transparenten Substraten beschichtet werden. Aus den Schichteigenschaften auf den Testgläsern lassen sich Rückschlüsse auf die Schicht auf den nicht transparenten Substraten machen und die Schicht auf den nicht transparenten Substraten entsprechend kontrollieren.
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Die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage enthält vorzugsweise einen Substrathalter in Form einer Trommel, d. h. in Form eines Hohlzylinders, in Form einer Kalotte, d. h. in Form eines Kugelabschnitts einer Hohlkugel, in Form eines Drehkorbs und/oder eines Drehtellers. Der Substrathalter weist vorzugsweise Öffnungen auf, in die das Substrat einsetzbar ist. Alternativ können auch transparente Substrathalter zum Einsatz kommen, wobei das Substrat auf der der Eintrittsseite des Anregungslichts entgegen gesetzten Seite des Substrathalters angeordnet ist.
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Im Falle eines Substrathalters in Form eines Drehtellers kann ein auf dem Drehteller angeordnetes Substrat zusätzlich zur Tellerdrehung rotiert werden.
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Damit ein auf einem Substrathalter angeordnetes Substrat unbehindert in der Vakuumkammer um eine Drehachse rotiert werden kann, wobei vorzugsweise eine Platzersparnis beachtet werden soll, ist die Vakuumkammer vorzugsweise zylindrisch ausgebildet, wobei die Drehachse, welche durch das Innere der Vakuumkammer verläuft, mit der Symmetrieachse der Vakuumkammer übereinstimmt.
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Die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage ist vorzugsweise als Anlage zum Aufdampfen von Schichten auf ein Substrat oder als eine Anlage zum Beschichten eines Substrates mittels Sputtern ausgebildet. Die Beschichtungsanlage weist daher Beschichtungseinheit, beispielsweise eine Sputterquelle, eine Magnetronsputterquelle und/oder einen Verdampfer, insbesondere zum thermischen Verdampfen eines Beschichtungsmaterials oder zum Verdampfen eines Beschichtungsmaterials mit Hilfe eines Elektronenstrahls. Insbesondere im Fall einer Anlage, welche auf dem Aufdampfverfahren beruht, kann die Beschichtungsanlage eine zusätzliche Plasmaquelle aufweisen.
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Als Anregungslichtquelle kann eine beliebige Lichtquelle, welche Licht mit einer Wellenlänge oder in einem Wellenlängenbereich zwischen Infrarot- und UV-Licht aufweist, eingesetzt werden. Alternativ kann auch eine optische Faser als Anregungslichtquelle dienen. Der Detektor der Messvorrichtung der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage ist vorzugsweise auf die Lichtquelle abgestimmt und in der Lage, durch das Anregungslicht angeregtes Messlicht zu registrieren, vorzugsweise Licht derselben Wellenlänge oder desselben Wellenlängenbereichs, wie sie von der Anregungslichtquelle ausgesandt wird.
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Die Messvorrichtung kann neben der Anregungslichtquelle und dem Detektor eine Auswerteeinheit aufweisen, welche für Ellipsometrie und/oder Reflektometrie geeignet ist und die Berechnung der Schichteigenschaften ermöglicht.
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Außerdem kann das Messsystem im Strahlengang zwischen Lichtquelle und Substrat und/oder zwischen Substrat und Detektor eine Reihe weiterer optischer Komponenten aufweisen, wie beispielsweise mindestens eine Polarisator, mindestens einen Analysator, mindestens einen Phasenschieber und/oder mindestens ein Gitter.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrates mit einer Schicht bei gleichzeitiger Schichtüberwachung. Erfindungsgemäß wird ein Substrat in einer Vakuumkammer einer Beschichtungsanlage um eine Drehachse gedreht, während das Substrat beschichtet wird. Währenddessen wird außerhalb der Vakuumkammer Anregungslicht erzeugt, das auf das Substrat geleitet wird, und Messlicht, das von dem Substrat ausgeht, außerhalb der Vakuumkammer erfasst. Das Anregungslicht wird derart auf das Substrat geleitet, dass das Anregungslicht dem sich drehenden Substrat folgt. Das Messlicht dagegen wird derart vom Substrat weggeleitet, dass das Messlicht, während das Substrat beschichtet wird, ohne unbeabsichtigte Unterbrechung erfasst wird, d. h. das Messlicht folgt einem zumindest teilweise mit dem Substrathalter um die Drehachse rotierenden Strahlengang, bevor es auf der Vakuumkammer austritt und erfasst wird.
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Dabei wird das Anregungslicht vorzugsweise auf eine Rückseite des Substrates, d. h. die von der zu beschichtenden Seite abgewandten Seite des Substrates, gestrahlt und/oder das Messlicht von der Rückseite des Substrats weg gestrahlt.
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Vorzugsweise werden das Anregungslicht und/oder das Messlicht mit Hilfe mindestens eines Mittels zum Leiten des Anregungslichts und/oder mindestens eines Mittels zum Leiten des Messlichts geleitet, wobei das Mittel zum Leiten des Anregungslichts und/oder das Mittel zum Leiten des Messlichts und das Substrat synchron um die Drehachse gedreht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in einer Beschichtungsanlage, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, durchgeführt.
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Die Beschichtungsanlage sowie das Beschichtungsverfahren der vorliegenden Erfindung finden insbesondere bei der Herstellung von Dünnschichtsystemen, insbesondere im Bereich der optischen Industrie, bei der Beurteilung von Bauteilvergütung und Linsenvergütung und bei der Fertigung optischer Filter, beispielsweise Kantenfilter, Bandpassfilter, Filter mit hohen Ansprüchen an die Fertigungsqualität, z. B. für Fluoreszenzmikroskopie, Raman-Spektroskopie, für Femtosekundenlaser, für die Telekommunikation für CCD-Chips (UV-IR-Cutfilter) sowie in der Brillenindustrie Verwendung. Weiterhin finden die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage und das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren in der Display-Technik, insbesondere beim Bau von Projektoren, in der Automobiltechnik, insbesondere bei der Herstellung von Head-Up-Displays, in der Solartechnik, bei der Herstellung von solarthermischen Receivern, im Solarienbau, insbesondere bei der Fertigung von Filtern, sowie in der Lasertechnik, bei der Herstellung von Laseroptiken, Verwendung.
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Nachfolgend werden einige Beispiele für erfindungsgemäße Beschichtungsanlagen beschrieben. Es zeigt
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1 einen schematischen Aufbau einer Beschichtungsanlage mit einem Substrathalter in Form einer Trommel;
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2 einen schematischen Aufbau einer Verdampfungsanlage mit einem Substrathalter in Form einer Kalotte; und
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3 einen schematischen Aufbau einer Drehtelleranlage.
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1 zeigt eine Vakuumkammer 1 einer erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage. Die Vakuumkammer 1 weist eine zylindrische Form mit einer Symmetrieachse 10 auf, wobei die Vakuumkammer durch eine Wandung 11 und einen Innenraum 12 definiert ist. In 1 ist weiterhin ein Hohlzylinder 2 dargestellt, welcher den Innenraum 12 der Vakuumkammer 1 durchdringt und derart relativ zur Vakuumkammer angeordnet ist, dass eine Symmetrieachse des Hohlzylinders 2 mit der Symmetrieachse 10 der Vakuumkammer übereinstimmt. Der Hohlzylinder 2, dessen Durchmesser um ein Vielfaches kleiner ist als der Durchmesser der Vakuumkammer 1, ist relativ zur Vakuumkammer 1 um eine Rotationsachse bzw. Drehachse, welche wiederum mit der Symmetrieachse 10 der Vakuumkammer 1 übereinstimmt, rotierbar, wie der Pfeil 20 im oberen Abschnitt des Hohlzylinders 2 zeigt.
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Der Hohlzylinder 2 weist im Bereich einer oberen Stirnseitenwandung 11a der Vakuumkammer 1 ein Mittel zum Einkoppeln von Anregungslicht in den Innenraum der Vakuumkammer 1 in Form einer Vakuumabtrennung 31a mittels bezüglich der Rotationsachse verkippbarem Glas auf. Entsprechend weist der Hohlzylinder 2 im Bereich einer unteren Stirnseitenwandung 11b der Vakuumkammer 1 ein Mittel zum Auskoppeln von Messlicht aus der Vakuumkammer 1 in Form einer Vakuumabtrennung 31b mittels bezüglich der Rotationsachse verkippbarem Glas auf. Der Zylinder 2 weist weiterhin in seinem Inneren benachbart zur Vakuumabtrennung 31a ein Mittel zum Umlenken des Anregungslichts in Form eines Spiegels 32a auf. Benachbart zur Vakuumabtrennung 31b weist der Hohlzylinder 2 ein Mittel zum Umlenken von Messlicht in Form eines Spiegels 32b auf. Die beiden Spiegel 32a und 32b sind fest mit dem Hohlzylinder 2 verbunden und rotieren gemeinsam mit diesem um die Rotationsachse bzw. Symmetrieachse 10.
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1 zeigt weiterhin ein zweites Mittel zum Umlenken von Anregungslicht in Form eines Spiegels 33a, welcher über einen Ausleger 40a mit dem Hohlzylinder fest verbunden ist. Außerdem ist ein zweites Mittel zum Umlenken von Messlicht dargestellt, welches an einem Ausleger 40b befestigt ist, welcher wiederum fest mit dem Hohlzylinder 2 verbunden ist. Beide Spiegel 33a und 33b sind synchron mit den Spiegeln 32a und 32b sowie dem Hohlzylinder 2 um die Rotationsachse 10 (Drehachse) rotierbar. Eine Verlängerung 41 der Ausleger 40a und 40b dient als Stütze des Substrathalters 42, welcher eine Öffnung 43 zur Aufnahme des Substrates 4 aufweist. Das Substrat 4 ist in die Öffnung 43 so eingelassen, dass eine Rückseite 4a den Spiegeln 32a und 32b sowie 33a und 33b und dem Hohlzylinder 2 zugewandt ist, während die zu beschichtende Seite 4b des Substrates 4 in Richtung der Wandung 11c im Bereich der Mantelfläche der Vakuumkammer 1 zugewandt ist.
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Im Folgenden wird nun der Strahlengang des Anregungslichts sowie des Messlichts beschrieben.
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Ein von einer Anregungslichtquelle, welche hier als optische Faser 70 ausgebildet ist, ausgegebenes Anregungslicht 5 wird auf einen Parabolspiegel 71 gestrahlt und an diesem reflektiert. Das reflektierte Anregungslicht 5 wird durch die Vakuumabtrennung 31a in das Innere 12 der Vakuumkammer 1 eingekoppelt und auf den Spiegel 32a zum Umlenken des Anregungslichts eingestrahlt und dort reflektiert. Das am Spiegel 32a reflektierte Anregungslicht 5 wird durch eine Öffnung 21 im Hohlzylinder 2 auf den Spiegel 33a eingestrahlt, wo es erneut reflektiert wird. Das am Spiegel 33a reflektierte Anregungslicht 5 durchdringt die Rückseite 4a des Substrates 4 und wird an der Beschichtung des Substrates 4 reflektiert und als Messlicht 6 auf den Spiegel 33b gestrahlt, wo es reflektiert wird. Das reflektierte Messlicht 6 tritt durch eine Öffnung 22 im Hohlzylinder 2 und wird an dem Spiegel 32b reflektiert und als reflektiertes Messlicht 6 durch die Vakuumabtrennung 31b aus der Vakuumkammer 1 ausgekoppelt. Die Öffnungen 21 und 22 können verglast sein und den Übergang zum Beschichtungsraum bilden. In diesem Fall hat der Beschichtungsraum ein geringeres Volumen als der Innenraum 12, da der Innenraum des Hohlzylinders 2 nicht als Teil des Beschichtungsraums zu verstehen ist. Anschließend wird das reflektierte Messlicht 6 auf einen Detektor (nicht gezeigt) gestrahlt.
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2 zeigt wiederum eine Vakuumkammer 1 einer erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage. Die Vakuumkammer weist wiederum eine zylindrische Form mit einer Symmetrieachse 10 auf, wobei eine Wandung 11 der Vakuumkammer 1 den Innenraum 12 der Vakuumkammer 1 umgibt. 2 zeigt weiterhin einen Hohlzylinder 2, welcher eine obere Stirnseitenwandung 11a der Vakuumkammer 1 durchdringt und in den Innenraum 12 der Vakuumkammer 1 hinein ragt. Am Durchstoßpunkt des Hohlzylinders 2 durch die obere Stirnseitenwandung 11a weist der Hohlzylinder 2 ein Mittel zum Einkoppeln von Anregungslicht in die Vakuumkammer 1 und zum Auskoppeln von Messlicht aus der Vakuumkammer 1 in Form einer Vakuumabtrennung 31 auf. Wiederum ist auch in dem Beispiel der 2 der Hohlzylinder 2 gegenüber der Vakuumkammer 1 um eine Rotationsachse, welche mit der Symmetrieachse 10 der Vakuumkammer 1 identisch ist, drehbar, wie der Pfeil 20 zeigt. Im Inneren des Hohlzylinders 2 in dem in den Innenraum 12 der Vakuumkammer 1 hinein ragenden Bereich des Hohlzylinders 2 befindet sich ein halbdurchlässiger Spiegel 34, auf dessen der Vakuumabtrennung 31 abgewandten Seite ein einfacher Spiegel zum Umlenken von Messlicht 32b angebracht ist. Die beiden Spiegel 34 und 32b sind fest mit dem Hohlzylinder 2 verbunden und rotieren gemeinsam mit Hohlzylinder 2 um die Rotationsachse 10. Über Ausleger, welche fest mit dem Hohlzylinder 2 verbunden sind (nicht dargestellt), sind ein weiterer Spiegel 33a zum Umlenken des Anregungslichts und ein weiterer Spiegel 33b zum Umlenken des Messlichts synchron mit den Spiegeln 32b und 34 um die Symmetrieachse 10 rotierbar. Am unteren Ende des Hohlzylinders 2 ist ein als Kalotte 44 gestalteter Substrathalter fest mit dem Hohlzylinder 2 verbunden. Die Kalotte 44 weist eine Öffnung zur Aufnahme eines Substrates 4 auf, welche derart ausgebildet ist, dass eine Rückseite des Substrates 4 den Spiegeln 33a und 33b zugewandt ist, während eine zu beschichtende Seite in Richtung des Bodens (der unteren Stirnseitenwandung 11b) der Vakuumkammer 1, an dem eine Plasmaquelle 8 angeordnet ist, ausgerichtet ist.
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Über eine Glasfaser 70 wird Anregungslicht auf einen Parabolspiegel 71 gestrahlt und von dort aus als Anregungslicht 5 über die Vakuumabtrennung 31 in die Vakuumkammer 1 eingekoppelt und am Spiegel 34 reflektiert. Das reflektierte Anregungslicht 5 wird am Spiegel 33a erneut reflektiert und als reflektiertes Anregungslicht 5 auf das Substrat 4 eingestrahlt. Nach einer Reflexion an der Beschichtung des Substrates 4 auf der Seite 4b und gegebenenfalls einer Beugung im Substrat 4 wird Messlicht 6 in Richtung des Spiegels 33b gestrahlt und dort reflektiert. Das reflektierte Messlicht 6 wird erneut am Spiegel 32b reflektiert und tritt als reflektiertes Messlicht 6 durch den Spiegel 34 durch und wird über die Vakuumabtrennung 31 der Vakuumkammer 1 aus der Vakuumkammer 1 ausgekoppelt. Anschließend wird das Messlicht 6 am Parabolspiegel 71 reflektiert und in eine Glasfaser 72, welche das Messlicht 6 in Richtung Detektor (nicht gezeigt) leitet, eingekoppelt.
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3 zeigt wiederum eine zylindrische Vakuumkammer 1 mit einer Wandung 11 und einem Innenraum 12. Auf der Stirnseitenwandung 11a der Vakuumkammer 1 steht ein Hohlzylinder 2 auf der Vakuumkammer 1, welcher über eine Vakuumabtrennung 31a mittels bezüglich der Rotationsachse kippbarem Glas verbunden ist. Die untere Stirnseitenwandung 11b wird von einem weiteren Hohlzylinder 2b durchstoßen, welcher in den Innenraum 12 der Vakuumkammer 1 hinein ragt und mit einem Drehteller 45 verbunden ist. Im Bereich der unteren Stirnseitenwandung 11b ist eine Vakuumabtrennung 31b mittels bezüglich der Rotationsachse verkippbarem Glas eingebracht. Der Hohlzylinder 2b und der Drehteller 45 sind fest miteinander verbunden und rotieren relativ zur Vakuumkammer 1 um eine Drehachse 10, welche mit der Symmetrieachse der zylindrischen Vakuumkammer 1 übereinstimmt. Im Inneren des Hohlzylinders 2b sind zwischen der Vakuumabtrennung 31a und dem Drehteller 45 ein Spiegel 32a zum Umlenken von Anregungslicht und ein Spiegel 32b zum Umlenken von Messlicht angeordnet, wobei der Spiegel 32a zwischen der der Vakuumabtrennung 31a abgewandten Seite des Spiegels 32b und dem Drehteller 45 angeordnet ist. Über nicht dargestellte Arme sind zwei weitere Spiegel, nämlich der Spiegel 33a zum Umlenken von Anregungslicht und der Spiegel 33b zum Umlenken von Messlicht, fest mit dem Drehteller 45 bzw. dem Hohlzylinder 2b verbunden, so dass die beiden Spiegel 33a und 33b zusammen mit dem Drehteller 45 und den Spiegeln 32a und 32b um die Rotationsachse rotierbar sind. Im Bereich der Spiegel 33a und 33b ist auf einer Oberseite 45a des Drehtellers 45, welche von den Spiegeln 33a und 33b abgewandt ist, ein Substrat 4 angeordnet. Der Drehteller 45 ist zumindest im Bereich der Auflagefläche des Substrates 4 auf dem Drehteller 45 transparent, dass Licht durch die Rückseite 4a in das Substrat 4 eingestrahlt werden kann. Alternativ kann der Drehteller wie die Substrathalter in Form einer Trommel oder Kalotte der vorhergehenden Beispiele, Öffnungen zur Aufnahme von Substraten aufweisen.
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Über eine optische Faser 70 wird Licht in Richtung eines Parabolspiegels 71 ausgekoppelt und am Parabolspiegel 71 von oben als Anregungslicht 5 in Richtung der Vakuumabtrennung 31a im Bereich der oberen Stirnseitenwandung 11a eingestrahlt. Über die Vakuumabtrennung 31a wird das Anregungslicht 5 in den Innenraum 12 der Vakuumkammer 1 eingekoppelt und durch eine mittige Öffnung im Drehteller 45 in das Innere des Hohlzylinders 2b eingestrahlt und am Spiegel 32a reflektiert. Das reflektierte Anregungslicht 5 tritt durch eine Öffnung 21 im Hohlzylinder 2b und trifft auf den Spiegel 33a. Das dort reflektierte Anregungslicht 5 durchdringt die Rückseite 4a des Substrates 4 und wird an der Beschichtung, welche von oben auf das Substrat 4 abgeschieden wird, reflektiert. Das reflektierte und gegebenenfalls gebeugte Licht tritt aus dem Substrat 4 aus und trifft auf den Spiegel 33b, von wo es als reflektiertes Messlicht 6 durch eine Öffnung 22 im Hohlzylinder 2b auf den Spiegel 32b trifft und umgelenkt wird. Das am Spiegel 32b reflektierte Messlicht 6 wird über die Vakuumabtrennung 31b aus dem Innenraum 12 der Vakuumkammer 1 ausgekoppelt und in Richtung eines Detektors (nicht dargestellt) ausgestrahlt.
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Die in den 1 bis 3 dargestellten Beispiele für Beschichtungsanlagen gewährleisten trotz der Rotation der Trommel, der Kalotte und/oder des Drehtellers, welche als Substrathalter dienen, über den gesamten Beschichtungsprozess, dass sich immer das gleiche Substrat im Strahlengang befindet. Auf diese Art und Weise kann die Messzeit maximiert werden. Bei Trommelanlagen (1) und dem Kalottenaufbau (2) wird die Relativposition zwischen Glas und Strahlengang nicht geändert, da eine Eigenrotation, wie sie bei Drehtelleranordnungen (3) möglich ist, zusätzlich zur Rotation um die Hauptachse zur Homogenisierung überflüssig wird.
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Durch die erhöhte Messzeit wird der Einsatz von spektraler in-situ-Ellipsometrie trotz eines bewegten, um die Drehachse rotierenden Substrates im Batchbetrieb ermöglicht und darüber hinaus kann ein breiteres Spektrum an Lichtquellen für die Spektralreflektometrie verwendet werden. Für die in 1 gezeigte Anordnung ist es zudem möglich, die Vorteile eines senkrechten Beschichtungsprozesses, wie bessere Homogenität und weniger Partikelbelastung, mit einem in-situ-Kontrollmechanismus zu koppeln.
