DE10204075B4

DE10204075B4 - Vorrichtung für Einrichtungen zur Bestimmung von Eigenschaften aufgebrachter Schichten

Info

Publication number: DE10204075B4
Application number: DE10204075A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dipl.-Ing. Wirth
Original assignee: Leybold Optics GmbH
Current assignee: Buehler Alzenau GmbH
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2022-02-02
Also published as: US20030147084A1; JP5038579B2; US6982797B2; DE10204075A1; JP2003240535A

Abstract

Vorrichtung für Einrichtungen zur Bestimmung von Eigenschaften aufgebrachter Schichten, gekennzeichnet durch
1.1 ein drehbares Testglasmagazin (30) mit mehreren diskreten Testgläsern;
1.2 ein drehbares Schwingquarzmagazin (31) mit mehreren Schwingquarzen,
1.3 wobei das eine Magazin (z. B. 31) innerhalb des anderen Magazins (z. B. 30) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei der Beschichtung von Substraten, beispielsweise von optischen Linsen und Gläsern, ist es wichtig, die Eigenschaften der aufgebrachten Schichten zu erfassen, z. B. um feststellen zu können, wann die Beschichtung zu beenden ist. Insbesondere Mehrfachbeschichtungen, die bei der Herstellung optischer hochwertiger Gegenstände wie Strahlenteiler, Farbkonversionsfilter, Kaltlicht- und Laserspiegel zum Einsatz kommen, erfordern hochpräzise Messeinrichtungen, um die Qualität und die Wiederholbarkeit der Beschichtungen zu gewährleisten. Die physikalischen Eigenschaften, welche die Qualität dünner Schichten definieren, sind im Wesentlichen die Transmission, die Reflexion, die Absorption, die Streuung, die thermische Stabilität und die Feuchtigkeitsfestigkeit sowie die Abriebfestigkeit und die Haftfähigkeit.

Zur Dickenbestimmung und zur Messung der Beschichtungsrate, d. h. der pro Zeiteinheit aufgebrachten Schichtmasse, sind bereits Quarzoszillatoren bekannt, deren Quarz in ähnlicher Weise beschichtet wird wie das Substrat ( DE 31 20 443 C2 ). Durch die Beschichtung des Quarzes wird dessen Masse verändert, was wiederum einen Einfluss auf die Frequenz des Quarzoszillators hat. Die Frequenzänderung des Quarzoszillators ist somit ein Maß für die Dicke der niedergeschlagenen Schicht, während die Frequenzänderung pro Zeiteinheit als Maß für die Beschichtungsrate dienen kann.

Während die Beschichtungsrate relativ genau mittels eines Quarzoszillators ermittelt werden kann, ist die Messung der absoluten Schichtdicke mit Ungenauigkeiten behaftet, sodass hierfür andere Messmethoden, z. B. optische, bevorzugt werden. Bei den optischen Messmethoden wird die aufgetragene dünne Schicht mit einem Licht strahl angestrahlt und der reflektierte Strahl mit dem ein gestrahlten Strahl verglichen. Aus dem Verhältnis zwischen eingestrahltem und ausgestrahltem Lichtstrahl kann u. a. die Dicke der Schicht ermittelt werden.

Es ist auch eine Einrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften aufgebrachter Schichten bekannt, bei der eine optische Messung an einem Testglas ebenso wie eine Schwingquarz-Schichtdickenmessung erfolgt ( DE 43 14 251 A1 ). Die beiden Messvorrichtungen sind hierbei an ganz verschiedenen Orten angeordnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine platzsparende Vorrichtung zu schaffen, mit welcher die Bestimmung der Eigenschaften einer Schicht mittels eines Quarzoszillators und einer zusätzlichen optischen Methode erfolgt.

Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen nach Patentanspruch, 1 gelöst.

Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung für Einrichtungen zur Bestimmung von Eigenschaften von dünnen Schichten, die auf Substrate aufgebracht werden. Diese Vorrichtung enthält zwei Wechselmagazine, wobei ein Magazin für Schwingquarze und das andere Magazin für Testgläser vorgesehen ist. Das Wechselmagazin für Schwingquarze hat die Form einer Scheibe und ist von dem ringförmigen Magazin für Testgläser umgeben. Beide können unabhängig voneinander gedreht werden. Mit Hilfe von Sensoren und Auswerteeinrichtungen kann jede Position der Magazine reproduziert werden. Somit ist es möglich, Mehrfachbeschichtungen vorzunehmen.

Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, dass sie bei einer Online-Prozessregelung oder bei der präzisen Ermittlung von Abschaltbedingungen während des Aufwachsens dünner Schichten zum Einsatz gelangen kann, um die Reflexion oder Transmission an Testgläsern oder am Substrat selbst zu messen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mehrere Testgläser und mehrere Schwingquarze vorgesehen und in bestimmte Positionen gebracht werden können. Weiterhin ist von Vorteil, dass die Testgläser und die Schwingquarze leicht ausgetauscht werden können. Wird ein Testglasring statt mehrerer Einzeltestgläser eingesetzt, können die verschiedenen Positionen dieses Testglasrings reproduzierbar und wiederholt angefahren werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Beschichtungsanlage mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Seitenansicht der Vorrichtung;
3 eine Ansicht auf die Unterseite der Vorrichtung;
4 die Vorrichtung in einer perspektivischen Darstellung;
5 eine Ansicht auf die Unterseite der Vorrichtung bei abgenommener Blende;
6 eine vergrößerte Darstellung eines Lichtsenders und eines Lichtempfängers;
7 einen Schnitt durch den unteren Bereich der Vorrichtung gemäß 4;
8 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Vorrichtung gemäß 8;
9 eine Explosionsdarstellung der Vorrichtung gemäß 4 zur Erläuterung des Wechselns von Testgläsern;
10 eine Explosionsdarstellung eines Teils der Vorrichtung gemäß 9 zur Erläuterung des Wechselns von Schwingquarzen.
In der 1 ist eine Beschichtungsanlage 1 dargestellt, die ein Gehäuse 2 aufweist, in dem sich zwei Elektronenstrahlverdampfer 3, 4 und eine Plasmaquelle 5 befinden. Die Elektronenstrahlen 6, 7 kommen aus nicht dargestellten Elektronenstrahlquellen und werden durch Magnetfelder so gekrümmt, dass sie auf das zu verdampfende Material in den Elektronenstrahlverdampfern 3, 4 treffen.
Das verdampfte Material gelangt nach oben und beschichtet Substrate, die sich auf Substratträgern 8 bis 10 und 55 befinden. Diese Substratträger 8 bis 10 und 55 werden durch spezielle Vorrichtungen 11, 12 gehalten. In der Mitte der Substratträger 8 bis 10 bzw. 55 befindet sich das untere Ende der Vorrichtung 13 für Einrichtungen zur Bestimmung von Eigenschaften aufgedampfter Schichten. Dies bedeutet, dass gleichzeitig mit dem Substrat auch der untere Bereich der Vorrichtung 13 beschichtet wird. Da der Ort, an dem sich dieser Bereich befindet, nicht identisch mit den Orten der Substrate ist, muss ein Umrechnungsfaktor herangezogen werden, um von der Dicke der auf der Vorrichtung befindlichen Schicht auf die Dicke der Schicht auf den Substraten zu schließen.
Die 2 zeigt die Vorrichtung 13 noch einmal in Alleinstellung. Die Vorrichtung 13 weist eine zylindrische Hülse 14, einen optischen Sender 15, einen optischen Empfänger 16 sowie vier Verstärker 17 bis 20 für vier in 2 nicht dargestellte Sensoren und eine Blendenscheibe 21 auf.
Die Blendenscheibe 21 ist in einer Ansicht von unten in 3 noch einmal dargestellt. Man erkennt hierbei, dass die Blendenscheibe 21 zwei Durchbohrungen 22, 23 aufweist, wobei die Durchbohrung 22 eine Glasplatte und die Durchbohrung 23 einen Schwingquarz freigibt. Glasplatte und Schwingquarz sind in 3 nicht zu erkennen.
Die 4 zeigt die Vorrichtung 13 noch einmal in einer perspektivischen Ansicht und von der Seite. Man erkennt hierbei wieder die Blendenscheibe 21 mit den zwei Durchbohrungen 22, 23, der zylindrischen Hülse 14, dem optischen Sender 15, dem optischen Empfänger 16 sowie den Verstärkern 17 bis 20. Weiterhin erkennt man zwei Messverschiebevorrichtungen 24, 25 mit jeweils zwei Verstellschrauben zur x-y-Verstellung von Lichtleitern, von denen in der 4 nur jeweils eine Verstellschraube 26, 27 dargestellt ist. Mit 28, 29 sind Wasseranschlüsse für den Hin- und Rücklauf von Kühlwasser bezeichnet. Mit Hilfe des Kühlwassers werden die Schwingquarze gekühlt. Das Testglas hat im Wesentlichen Substrattemperatur (max. 300°C). Es besteht eine weitgehende Isolation der Testgläser zu den Schwingquarzbereichen.
Die 5 zeigt eine Ansicht von unten auf die Vorrichtung 13, wobei die Blendenscheibe 21 entfernt ist. Man erkennt hierbei einen äußeren Ring 30, der mit zwölf kreisrunden Öffnungen versehen ist, sowie eine innere, von dem Ring 30 umgebene Scheibe 31, die vier kreisrunde Öffnungen aufweist.
In die Öffnungen des Rings 30 werden Testgläser eingelegt, während in die Öffnungen der Scheibe 31 Schwingquarze eingelegt werden. Statt einzelner Testgläser kann auch ein geschlossener Testglasring eingesetzt werden, was weiter unten noch beschrieben ist. Der äußere Ring 30 enthält somit Testgläser für eine optische Messmethode, während die innere Scheibe 31 Schwingquarze für eine elektrische Messmethode enthält. Der äußere Ring 30 und die innere Scheibe 31 sind unabhängig voneinander drehbar. So kann jeder der vier Schwingquarze an die Durchbohrung 23 und jedes der zwölf Testgläser an die Durchbohrung 22 der Blendenscheibe 21 gebracht werden. Wie der Drehmechanismus aussieht, ist in den weiter unten beschriebenen 7 bis 10 näher dargestellt.
6 zeigt den optischen Sender 15 und den optischen Empfänger 16 in einer zum Vergleich mit 2 vergrößerten Schnittdarstellung. Mit 44 ist ein Lichtbündel bezeichnet, das aus Lichtleitfasern kommt, die in 6 nicht dargestellt sind. Die Lichtleitfasern treten durch die obere Öffnung ein, verlaufen parallel zu und zwischen den Elementen 33, 34 und enden am unteren Ende der Buchse 37. Das Lichtbündel 44 wird über eine Linse 42 auf eine dünne Schicht 46 auf einem Testglas 47 geworfen, das sich in einer der Ausnehmungen im Ring 30 befindet. Von dort wird das Lichtbündel 44 als Lichtbündel 45 reflektiert und gelangt über die Linse 43 zu einem in einer Aufnahmebuchse 38 befindlichen Lichtleiter, der es zu einer Auswerteeinrichtung weiterleitet, die nicht dargestellt ist.
Die 7 zeigt die Wechselvorrichtung 13 gemäß 4, jedoch ohne den optischen Sender 15 und Empfänger 16.
In der zylindrischen Hülse 14 befinden sich zwei elektrische Getriebemotoren 60, 61, von denen der Getriebemotor 61 über eine Aufnahmebuchse 62 für ein Nadellager mit Freilauf und eine Welle 63 das Schwingquarzmagazin 64 mit vier Schwingquarzen dreht. Der andere Getriebemotor 60 dreht über eine Welle 65, ein Antriebsrad 66 und eine Buchse 83 den Ring 30 mit dem Testglas 67. Die Buchse 83 und der Ring 30 sind Teil einer Hohlwelle. Mit 68 ist ein vakuumseitiger Stecker für vier Positionssensoren bezeichnet, von denen zwei Positionssensoren 71, 73 in der 7 zu erkennen sind. Der Stecker 68 wird in eine Vakuumdurchführung gesteckt. Atmosphärenseitig wird ein anderer Stecker in dieselbe Vakuumdurchführung gesteckt. Dieser Stecker stellt die Verbindung zwischen den Sensoren 71, 73 und den Verstärkern 17 bis 20 her.
Der untere Teil der 7 ist in der 8 noch einmal vergrößert dargestellt. Man erkennt hierbei außer den Sensoren 71, 73 noch zwei weitere Sensoren 70, 77. Die Sensoren 71, 73 dienen zur Erfassung der aktuellen Position und der Nullposition eines Testglases, während die Sensoren 70, 77 zur Erfassung der aktuellen Position und der Nullposition eines Schwingquarzes dienen. Bei den Sensoren 70 handelt es sich um Infrarotlichtsensoren, die als Mikro-Lichtschranke dienen.
Wie man aus 8 erkennt, sind die Testgläser und die Schwingquarze in einer Ebene angeordnet. Damit wird eine abschattungsfreie Anordnung des Schwingquarzmagazins 31 und des Rings 30 mit den Testgläsern erreicht. Durch die Sensoren 71, 73; 70, 77 in Verbindung mit einer nicht dargestellten Auswerteschaltung ist es möglich, die einzelnen Positionen der Testgläser und der Schwingquarze zu lokalisieren. Es kann also ein Testglas in einer bestimmten Position mehrfach beschichtet werden. Diese Mehrfachnutzung eines Testglases in einer bestimmten Position bringt Vorteile hinsichtlich der Prozessdauer, da der Prozess zum Wechseln des Rings 30 für Testgläser nicht unterbrochen werden muss.
Mit 75 ist eine Sechskantmutter bezeichnet, unter der sich fünf Tellerfedern 50 befinden, um einen definierten Druck auf die darunter liegende Keramikscheibe auszuüben. Über der Mutter 75 befindet sich eine weitere Mutter 51, welche die darüber liegende Kontaktmutter 52 kontert. Mit 76 ist eine Antriebswelle für das Schwingquarzmagazin 31 und mit 78 ein Testglas bezeichnet. An dem Testglas 78 wird ein Lichtstrahl reflektiert.
9 zeigt, wie die Testgläser ausgetauscht werden. Hierzu werden die Gewindestifte 90 gelockert, eine Scheibe 81 bis zum Ausklinken gedreht und dann abgehoben. Nun werden die Testgläser in den Bohrungen 91 bis 97 ausgetauscht. Die Scheibe 81 wird sodann wieder aufgesetzt und bis zur Fluchtung gedreht. Drei Gewindestifte – in der 9 ist nur ein Gewindestift 90 dargestellt – werden nun angezogen. Mit 82, 83 sind Teile der Antriebshülse 88 für das Testglasmagazin bezeichnet. Über dieser Antriebshülse 88 befindet sich ein Sensorhalter 84, wobei die in der 9 nicht sichtbaren Sensoren 71, 73 mittels Muttern 85, 86 mit dem Sensorhalter 84 in Verbindung stehen.
Bei einer Variante des Testglasmagazins ist eine Vorrichtung mit einem inneren rohrförmigen Teil und einem äußeren rohrförmigen Teil vorgesehen, wobei die Höhe des inneren Teils größer als die des äußeren Teils ist. Ein Aufnahmering für Testgläser wird dann zwischen die beiden rohrförmigen Teile gelegt. Dieser Aufnahmering weist mehrere kreisrunde und äquidistante Aussparungen über dem Umfang auf. Auf diesen Aufnahmering wird sodann ein Testglasring gelegt, d. h. es werden keine kreisrunden Einzeltestgläser verwendet, sondern ein geschlossener Testglasring. Auf diesen Testglasring wird dann noch ein Andruckring gesetzt.
In der 10 ist dargestellt, wie die Schwingquarze ausgetauscht werden. Es werden zwei Zylinderschrauben gelöst, von denen nur eine Zylinderschraube 103 dargestellt ist. Hierauf wird die als Schwingquarzhalter dienende Scheibe 31 abgezogen, die Quarze entfernt und neue Quarze eingelegt. Der Schwingquarzhalter 31 wird sodann mit einem Grundkörper 104 verschraubt.

Claims

Vorrichtung für Einrichtungen zur Bestimmung von Eigenschaften aufgebrachter Schichten, gekennzeichnet durch 1.1 ein drehbares Testglasmagazin (30) mit mehreren diskreten Testgläsern; 1.2 ein drehbares Schwingquarzmagazin (31) mit mehreren Schwingquarzen, 1.3 wobei das eine Magazin (z. B. 31) innerhalb des anderen Magazins (z. B. 30) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Testglasmagazin (30) ringförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Testglasmagazin (30) ein Kreisring ist, der zwölf äquidistant angeordnete Testgläser aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Testgläser durch einen geschlossenen Testglasring realisiert sind, der auf einer Blende mit entsprechenden Ausnehmungen liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Testgläser durch Einzelgläser realisiert sind, die in entsprechende Aufnahmen im Testglasmagazin (30) gelegt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Schwingquarzmagazin (31) eine Scheibe ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingquarzmagazin (31) vier äquidistant angeordnete Schwingquarze aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung physikalischer Eigenschaften der aufgebrachten Schicht ein optischer Sender (15) und ein optischer Empfänger (16) vorgesehen sind, wobei der optische Sender (15) einen Lichtstrahl (44) auf ein Testglas (47) wirft und der Empfänger (16) das von dem Testglas (47) reflektierte Licht empfängt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der Beschichtungsrate ein Quarzoszillator vorgesehen ist, dessen Quarz sich im Schwingquarzmagazin (31) befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingquarzmagazin (31) mittels eines Getriebemotors (61), der über eine Welle (63) mit dem Magazin (31) gekoppelt ist, drehbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Testglasmagazin (30) mittels eines Getriebemotors (60), einer Welle (65) mit einem Antriebsrad (66) und einer Buchse (88) drehbar ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Testglasmagazin (30) zugeordnete Buchse (88) die dem Schwingquarzmagazin (31) zugeordnete Welle (63) umgibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingquarzmagazin (31) und das Testglasmagazin (30) als Wechselmagazine ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der beiden Magazine (30, 31) zwei Sensoren zugeordnet sind, von denen der eine Sensor zur Positionserkennung und der andere Sensor zur Nullpositionserkennung dient.