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Verfahren und Anordnung zur automatischen photoelektrischen Schichtdickenmessung
bei der Herstellung dünner Schichten auf transparenten Unterlagen durch Aufdampfen
in Vakuum Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine An ordnung zur photoelektrisch
gesteuerten Herstellung dünner Schichten, wobei die entstehende dünne Schicht während
des Aufdampfvorganges mit monochromatischem Licht durchstrahlt und die Maxima und
Minima der Lichtintensität infolge von Interferenzerscheinungen zur Bestimmung der
Schicht dicke ermittelt werden.
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Die einfachste bekannte Methode, aufgedampfte Schichten in der Dicke
während des Aufdampfprozesses zu verfolgen, besteht daiiin, daß man durch ein Fenster
in der Aufdampfapparatur und durch den zu bedampfenden durchsithtigen Körper eine
Lichtquelle visuell beobachtet. Diese Methode erfordert jedoch erhebliche Übung
und mag für geringere Anforderungen an die Genauigkeit der gewünschten Schichtstärke
ausreichen. Genauere Ergebnisse lassen sich durch photoelektrische Meßmethoden erreichen
Es ist bekannt, den Lichtstrahl einer monochromatischen Lichtquelle auf den Testkörper
zu richten und entweder das an diesem Testglas reflektierte Licht oder das das Testglas
durchdringende Licht zu messen.
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Es ist weiter bekannt, aus der Anzahl der Maxima und Minima der Intensität
des reflektierten Lichtes einer monochromatischen Lichtquelle, während des Aufdampfprozesses
die Dicke der Schicht zu bestimmen.
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Die bekannten Anordnungen ermöglichen zwar eine genaue Messung der
Schichtstärke während des Aufdampfprozesses, sie erfordern jedoch eine genaue Beobachtung
der Meßeinrichtung und Bedienung durch geschultes Personal.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen,
die in der Lage ist, die Herstellung dünner Schichten im Aufdampfverfahren automatisch
so zu steuern, daß ohne Eingriff einer Bedienungsperson dünne Schichten einer bestimulten
Stärke mit hoher Genauigkeit erzeugt werden.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zur automatischen
Schichtdickenmessung bei der Herstellung dünner Schichten auf transparenten Unterlagen
durch Aufdampfen im Vakuum, wobei die entstehende dünne Schicht wihrend des Aufdampfvorganges
mit monochromatischem Licht durchstrahlt und die infolge von Interferenzerschelnungen
auftretenden Maxima und Minima der Licht intensität zur Bestimmung der Schichtdicke
auf photoelektrischem Wege ermittelt werden, dadurch gelöst, daß die Anzahl der
Maxima und Minima mittels einer an sich bekannten Differenzierschahung
ermittelt
wird und ein Zähler den Aufdampfprozeß bei Erreichung der der gewünschten Schichtdicke
entsprechenden Zahl an Maxima und Minima áb schaltet.
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Die Differenzierschaltung besteht vorteilhafterweise aus einem Kondensator,
der mittels eines von der Spannungsvergleicherschatung gesteuerten Schalters wahlweise
über eine in Flußrichtung oder eine in Sperrichtung geschaltete Diode an den Ausgang
eines Verstärkers für die vom photoelektrischen Empfänger gelieferten Signale ängeschlossen
ist, wobei die an den Dioden in Sperrichtung abfallende Spannung über einen von
der Spàrinungsvergleicherschaltung gesteuerten Polwender an den Eingang der Spannungsvergleicherschaltung
gelegt ist.
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Nach einem weitern Merkmal der Erfindung bringt der von der Spannungsvergleicherschaltung
gesteuerte Zähler bei einem bestimmten Zählerstand einen Steuerschalter zum Ansprechen,
der durch Betätigurlg eines Verschlusses über dem Vètdampfullgsmaterial und durch
Abschaltung der Heizung eine weitere Ablagerung des Äufdampfnaaterials verhindert.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der folgenden Beschreibung
und den nachstehenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine schematische
Darstellung der Anordnung zur photo elektrisch gesteuerten Herstellung, F i g. 2
eine graphische Darstellung der Ausgangsspannung des photoelektrischen Empfängers
während des Aufbringungsvorgangs, F i g. 3 einen vergrößerten Teil der graphischen
Darstellung von Fig. 2, F i g. 4 einen Teil der der Steueranordnung zugeordneten
Relaisschaltung.
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Gemäß Fig. 1 ist eine Vakuumkammer 10 vorgesehen, in der sich ein
Behälter 12 befindet, welcher das während des Aufbringungsvorgangs aufzudampfende
Material enthält, sowie ein Verschlußmechanismus 14, der den muß des auf das Trägermaterial
18 aufzubringenden Materials aus dem Behälter steuert, und zwar ist das Trägermaterial
18 in dem Trägerhalter 16 und auf einem geeigneten Steuerschieber angebracht. Eine
monochromatische Lichtquelle 20 steht in einem definierten Winkel an einer Seite
des Trägerhalters, und eine Photozelle 22 befindet sich auf der der Lichtquelle
entgegengesetzten Seite des Trägerhalters und ist auf die Lichtquelle ausgerichtet.
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Das auf das Trägermaterial aufzubringende Material ist ein halbdurchsichtiges
Material, z. B. Silicium.
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Das von der monochromatischen Lichtquelle 20 durch das Material durchfallende
Licht, das von der Photozelle22 aufgenommen wird, durchläuft daher eine Reihe von
Maxima und Minima, wobei die Intensität des durchfallenden Lichts im Mittel allmählich
exponentiell auf Null absinkt. Die Maxima besitzen Abstände von etwa einer Viertelwellenlänge
des benutzten Lichtes. Das Ausgangssignal der Photozelle als Ergebnis dieses- Aurbringungsvor
ganges ist in Fig 2 dargestellt. Es tritt eine fortlaufende Folge von Maxima und
Minima auf, während die Kurve auf einer im allgemeinen sinkenden exponentiellen
Bahn verläuft. Die Orte der Maxima und Minima sind zwar entlang der exponentiellen
Bahn leichten Schwankungen ausgesetzt, da die Zahl der Extrema eine Funktion der
Stärke des auf das Trägermaterial aufgebrachten Materiaffilms ist. Die Stärke des
auf der Unterlage aufgebrachten Films läßt sich innerhalb eines Bruchteils eines
Prozents messen bzw. steuern, indem man diese Maxima und Minima zählt und den Auffallwinkel
des Lichtes zur Durchstrahlung der Materialprobe richtig einstellt.
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Die Batterie 24 liefert die Spannung zum Betrieb der Photozelle,
und die abgefühlten Lichtschwankungen werden als Spannungsschwankungen am Widerstand
26 dargestellt. Das Signal am Widerstand 26 wird im Verstärker 28 verstärkt und
der Steuerschaltung zugeleitet, die aus den Dioden30, 32, dem Widerstand 34, den
Relaiskontakten 36, 38, dem Kontaktarm40 und dem Kondensator 42 besteht.
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Zu Beginn des Aufbringungsvorgangs wird die Steuerschaltung eingeschaltet,
und die Ausgangsspannung des Verstärkers 28 geht sofort auf den Wert von +1OVolt,
wie durch die Kurve44 in Fig.2 und vergrößert in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Ausgangsspannung
liefert die Photozelle ohne Aufdampfschicht auf dem Trägermaterial. Der Kondensator
42 lädt sich gemäß der gestrichelten Linie 46 in F i g. 3 über die Diode 32 auf.
Diese Spannung an der Diode 32 wird verstärkt durch den Verstärker 52 und über
die
Relaiskontakte 54, 56 der Spannungsvergleicher schaltung 58 zugeführt. Die Spannungsvergleicher-Eingangsschaltung
ist so ausgelegt, daß diese Spannug dazu neigt, die Vergleicherschaltung in ihren
Abschaltbereich zu treiben, da eine Spannungsdifferenz von etwa 3 Volt einer definierten
Polarität nötig ist, um die Vergleicherschaltung zu betreiben.
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Beim weiteren Anstieg der Spannung 46 am Kondensator 42 in Richtung
auf +10 Volt sinkt die durch die Photozelle erzeugte und durch die Linie 44 dargestellte
Spannung wegen der auftretenden Interferenzerscheinungen ab. Der Kondensator 42
lädt sich aber weiter auf, bis seine Spannung gleich der Ausgangsspannung des Verstärkers-28
istlDieser Zustand tritt ein zur Zeit T0 (F i g. 3). Die Ausgangsspannung des Verstärkers
28 nimmt weiter ab, aber der Kondensator 42 kann nicht folgen, da die Diode 32 in
Sperrichtung vorgespannt wird (Diode 30 liegt nicht in diesem Stromkreis). Der Kondensator
42 entlädt sich- jedoch nur langsam über den Eingangs-' widerstand des Verstärkers
52 (etwa 5 Megohm) und den Widerstand 34. Die Spannungsdifferenz zwischen der Kondensatorspannung
46 und der Verstärkerausgangsspannung 44 tritt an der Diode 32 auf und wird durch
den Verstärker 52 verstärkt. Wenn diese Spannung den Wert- 0,1 Volt erreicht (nach
der Zeit A T0), wird die Spannungsvergleicherschaltung 58 wirksam (zur Zeit T0,)
und liefert eine Ausgangsspannung, die die Relaisschaltung 60 betätigt, wodurch
die Kontakte 40, 54 und 56 umgeschaltet werden. Das Ausgangssignal der Spannungsvergleicherschaltung
wird außerdem einem voreingestellten Zähler 62 als Schrittschaltimpuls zugeführt.
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Mit der Umschaltung der Relaiskontakte 54, 56 wird die dem Spannungsvergleicher
zugeführte Spannung umgepolt, wodurch die Ausgangsspannung des Spannungsvergleichers
abgeschaltet wird. Wenn der Kontaktarm40 vom Kontakt38 zum Kontakt36 umschaltet,
wird der Kondensator 42 über die Diode sofort auf die Ausgangsspannung des Verstärkers
28 entladen.
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Die Kondensatorspannung (Linie 46) folgt weiterhin der Ausgangsspannung
(Linie 44) des Verstärkers 28 bis zur Zeit Tt, einem Zustand maximaler Lichtinterferenz
in dem gesteuerten Material. Die Spannung 44 beginnt nun zu steigen, weil die Lichtinterferenz
in dem Material abnimmt, aber der Kondensator 42 kann diesem Spannungsanstieg nicht
folgen, da die Diode 30 nun in Sperrichtung vorgespannt ist. Diese Spannungsdifferenz
zwischen dieser und dem Kondensator 42 und - der Ausgangsspannung des Verstärkers
28 wird dem Verstärker 52 zugeführt, um verstärkt der Spalmungsvergleicherschaltung
zugeführt zu werden. Nach der Zeit d T1, wenn die Spannungsdifferenz gleich 0,1
Volt wird (Zeit T1,), wird die Spannungsvergleicherschaltung 58- wirksam und liefert
eine Gleichspannung an die Relaisschaltung 60 und zur schrittweisen Weiterschaltung
des Zählers 62. Die Relaisschaltung 60 schaltet die Relaiskontakte 40, 54 und 56
in ihre Ausgangsstellung zurück, und der beschriebene Vorgang kann sich wiederholen.
Der Kondensator 42 lädt sich auf und folgt der Ausgangsspannung des Verstärkers
28, bis das nächste Maximum der Lichtübertragung erreicht ist, und dann beginnt
die Ausgangsspannung des Verstärkers 28 abzunehmen. Wieder kann jedoch die Spannung
am Kondensator 42 nicht erfolgen, und nach einem Zeitabschnitt (d e) den Wert 0,1
Volt erreicht
hat; wird die Spannungsvergleicherschaltung wirksam,
schaltet die Relais um und schaltet den Zähler einen Schritt weiter.
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Bei Fortsetzung des Vorganges wird der Vergleicher nach jedem relativen
Maximum und Minimum wirksam. Wenn der Vergleicher den Zähler 62 eine bestimmte Anzahl
von Schritten betätigt hat, erzeugt der Zähler einen Ausgangsimpuls, der die Steuerschaltung
für die Verschluß- und Heizeinrichtung 64 betätigt. Hierdurch wird der Verschluß
14 über dem Behälter 12 wirksam. Außerdem wird die Induktionsheizung abgeschaltet,
welche die Erhitzung des Behälters bewirkt, wodurch der Ablagerungsvorgang sofort
beendet wird.
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Vorzugsweise muß die Vergleicherschaltung innerhalb einer Genauigkeit
von t 10 ovo arbeiten, d. h. mit einer Abweichung von weniger als 0,01 Volt an den
Dioden 30, 32. Durch entsprechende Steuerung der Lichtquelle kann die Spannungsdifferenz
zwischen benachbarten Maxima und Minima, z. B. m und n, > 0,5 V gehalten werden,
so daß Signalabweichungen an den Dioden, die weniger als +15 Angström für einen
Siliziummonoxydfilm entsprechen, festgestellt werden können. Mit zunehmender Stärke
der aufgebrachten Schicht werden die Spannungsdifferenzen zwischen benachbarten
Maxima und Minima kleiner. Diese Differenz kann einen gut meßbaren Wert unterschreiten,
weshalb Mittel vorgesehen sind, die die Intensität der Lichtquelle 20 erhöhen, wenn
eine solche erhöhte Lichtstärke oder ein verstärktes Ausgangssignal aus der Photozelle22
erwünscht sind. Bei einer aufzubringenden Schichtdicke von 10000 Angström kann eine
Abweichung von weniger als +28/o durch die Verwendung dieser Schaltung erreicht
werden.
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Eine genauere schematische Darstellung der Steuerschaltung ist in
F i g. 4 enthalten. Diese Schaltung wird außerdem in Verbindung mit einem Widerstandssystem
für die Steuerung zur Aufbringung undurchsichtiger Filme verwendet, und daher werden
Teile der in Fig.4 gezeigten Schaltung, wie z.B. der Schalter 66, für diesen Zweck
benutzt. Für die Steuerung transparenter Filme wird der Schalter 66 in seine untere
Stellung gebracht. F i g. 4 zeigt außerdem Klemmenleisten 68, 70 und 72, die Verbindungen
zu anderen Teilen der Schaltungsanordnung ermöglichen, die hier zum Verständnis
der Erfindung nicht gezeigt zu werden brauchen. Der Kontaktarm 40 wird durch eine
Relaiserregerwicklung 74 und eine Auslösewicklung 76 gesteuert. Die Relaiskontakte
54 und 56 werden durch die Erregerwicklung 78 und die Auslösewicklung 80 gesteuert.
Die Doppeldiodenröhre 82 enthält die beiden Dioden 30 und 32.
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Das Eingangssignal von der Kathode der Photozelle22 wird über den
Schalter66H von der Klemme 68D aus über die Leitung 84 zugeführt. Das Signal wird
über den Widerstand 26, den Schalter 661 und die Leitung 86 der Klemme 68E und der
67,5-Volt-Batterie 24 zugeführt. Vom Schalter 66H aus wird es über die Leitung 88
der Klemme 70A und dadurch dem Verstärker 28 zugeleitet. Das andere Eingangssignal
wird dem Verstärker über den Schalter 66 G, Leitung 90 und die Klemme 70 B zugeführt.
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Der Verstärkerausgangsimpuls wird über den Schalter 66F und die Leitung
92 den Dioden 30 und 32 und dem Lastwiderstand 94 zugeleitet. Dabei besteht ein
Parallelzweig zum Lastwiderstand 94 durch die
angeschlossene Diode, den Widerstand
96 und die Kapazität 42 zur Erde.
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Die Spannungsdifferenz an der angeschlossenen Diode wird über den
Widerstand98, den Schalter 66E, die Leitung 100 und die Klemme70F dem Verstärker
52 zugeleitet. Die Ausgangssignale des Verstärkers 52 gelangen über die Leitungen
102 und 104 und die Schalter 66C und 66 D zu den Relaiskontakten 54 und 56, um über
den Widerstand 106 der Leitung 108 als Eingangssignal für die Spannungsvergleicherschaltung
über den Schalter 661C den Gittern der Spannungsvergleicherröhre 110 zugeführt zu
werden. Ein Relais 112 liegt- im Anodenkreis- der Spannungsvergleicherröhre und
ist über eine Leitung 114 und eine Klemme 68 F an eine 125-Volt-Gleichspannungsquelle
angeschlossen. Dem Relais 112 ist ein Kontakt 116 zugeordnet, dessen eine Klemme
über die Leitung 118 und die Klemme 72B an eine 12-Volt-Gleichstromquelle angeschlossen
ist. Wenn die Spannungsvergleicherröhre arbeitet und dabei das Relais 112 erregt,
wird der Kontakt 116 umgeschaltet und das 12-Volt-Signal über die Leitung 120, den
Schalter 66B, die Leitung 122 und die Klemme 721L den zugeordneten Relais der Relaisschaltung
60 zugeführt und der Zähler 62 schrittweise weitergeschalte. Eines der erregten
Relais öffnet den Anodenkreis der RöhrellO, wodurch das 125-Volt-Signal vom Relais
112 abgetrennt und dieses Relais abgeschaltet wird, so daß das Ausgangssignal des
Vergleichers von der Leitung 120 abgetrennt wird. Durch die Betätigung der Relaisschaltung
werden die Erregerwicklungen 74 und 78 über die Leitung 124 erregt und dadurch die
Relaiskontakte40, 54 und 56 umgeschaltet. Hat die Anzahl der Einzelschritte eine
bestimmte, im Zähler eingestellte Zahl erreicht, erzeugt dieser ein Ausgangssignal,
das den Verschluß 14 und die Heizeinrichtung betätigt, wodurch der Aufdampfungsvorgang
beendet wird.