DE2823912A1

DE2823912A1 - Vorrichtung zur messung der reflexion einer ebenen, spiegelnd reflektierenden flaeche

Info

Publication number: DE2823912A1
Application number: DE19782823912
Authority: DE
Inventors: Marcel A Dr Lardon
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1977-06-06
Filing date: 1978-05-31
Publication date: 1979-01-18
Also published as: FR2394071A1; US4201479A; CH615757A5; NL7707660A

Description

BALZERS HOCHVAKUUM GMBH, SIENENSiTRASSt 11, D-6200 WIESBADEN-NORDENSTADT

Vorrichtung zur Messung der Reflexion einer ebenen, spiegelnd reflektierenden Fläche

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Reflexion einer ebenen, spiegelnd reflektierenden Fläche, wobei die Messstrahlung über eine optische Sammellinse zur Messfläche und die von dieser reflektierte Strahlung über dieselbe Linse zu einem Strahlungsempfänger geführt wird. Die optischen Verbindungen zwischen Strahlungsquelle und Sammellinse und zwischen der Linse und dem Strahlungsempfänger werden dabei vorzugsweise mittels faseroptischem Lichtleiter hergestellt; es sind aber auch konventionelle Linsen- und Spiegelsysteme möglich. Eine solche Vorrichtung kann z.B. dazu gebraucht werden, um die Reflexion von aufgedampften dünnen Schichten in einer Vakuumbedampfungsanlage zu messen.

809883/0637

Es ist eine derartige Reflexionsmessvorrichtung für eine Vakuumbedampfungsanlage bekannt, bei der die optischen Pasern zu einem Bündel zusammengefasst sind, das durch die Wand der Aufdampfkammer vakuumdicht hindurchgeführt ist, und wobei die Messstrahlung und der Detektor, sowie die nachgeschalteten Geräte zur Verarbeitung des Detektorsignals ausserhalb der Vakuumkammer angeordnet sind. Der Vorteil einer solchen Anordnung ist der, dass durch die in der Aufdampfkammer befindlichen Teile der Messeinrichtung nur wenig Platz beansprucht wird. Aehnlich wie bei anderen bekannten Reflexionsmesseinrichtungen für Vakuumbedampfungsanlagen, bei denen die Messstrahlung durch Fenster in die Vakuumkammer hinein und wieder herausgeführt wird, ist die bekannte Einrichtung mit optischen Paserleitungen jedoch immer noch mit dem Nachteil verbunden, dass die Messung sich nicht auf senkrechten Einfall der Messstrahlung auf die Messfläche bezieht. Eine auf senkrechten Einfall bezogene Messung wäre aber wünschenswert u.a. deshalb, weil viele Messflächen bei schrägem Einfall für die verschieden polarisierten Komponenten der Messstrahlung ein verschiedenes Reflexionsvermögen besitzen. Ausserdem ändert sich der gemessene Reflexionswert, wenn der Einfallswinkel infolge etwaiger Ungenau!gkeiten beim Einbau oder infolge einer Verschiebung der Messfläche auch nur wenig vom angenommenen theoretischen Einfalls winkel abweicht.

809883/0637

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zur Messung der Reflexion reflektierender Flächen zur Verfügung zu stellen, bei der die Messung unter annähernd senkrechtem Lichteinfall erfolgt. Ausserdem soll die erfindungsgemässe Anordnung sicherstellen, dass die unvermeidlichen geringen Abweichungen vom senkrechten Einfall sich im Messergebnis praktisch nicht bemerkbar machen. Durch das Zusammenwirken dieser beiden Vorzüge wird dann ein Messresultat erreicht, das bezüglich der Messgenauigkeit einer Messung für senkrechten Einfall der Messstrahlung entspricht.

Diese Erfindungsaufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Abstand y der reflektierenden Fläche und der Abstand χ der Strahlungsquelle oder ihres Bildes von der Hauptebene der Linse mit der Brennweite f verknüpft sind durch die Beziehung

2 χ - f . f

* χ - f 2

dass die Strahlungsquelle in der optischen Achse liegt und von einer konzentrisch dazu angeordneten Empfängerfläche umgeben ist, derart, dass der Querschnitt des reflektierten Strahlenbündels am Orte der Empfängerfläche vollständig innerhalb dieser liegt und die Strahlungsquelle vollständig überdeckt.

809883/0637

In der anliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Figur 1 schematisch die optische Anordnung bei Verwendung eines faseroptischen Lichtleiters;

Figur 2 die Verteilung der Fasern in der Sender- und Empfängerebene des Lichtleiters;

Figur 3 schematisch die optische Anordnung bei Verwendung eines Spiegels und zusätzlichen Sammellinsen;

Figur 4 die beispielsweise Ausgestaltung eines Reflexions-Messkopfes mit Testglaswechsler für eine Vakuumbedampfungsanlage;

Figur 5 die mögliche Anordnung des Messkopfes in der Aufdampfanlage .

In Figur 1 bedeutet 1 das die Messstrahlung zuführende Faserbündel. Als Messstrahlung wird elektromagnetische Strahlung solcher Wellenlänge verwendet, für welche das Reflexionsvermögen der Fläche 2 gemessen werden soll, für Messungen im sichtbaren Spektral-

809883/0637

bereich also sichtbares Licht. Die Strahlung tritt aus der in der Ebene 3 liegenden Endfläche des zuführenden Faserbündels (welche also als Strahlungsquelle wirksam ist) unter einem bestimmten Oeffnungswinkel aus und wird durch die Sammellinse 4 zur Messfläche 2 geführt, dort reflektiert, und die reflektierte Strahlung gelangt über dieselbe Linse zurück zum abführenden Faserbündel 5< dessen Endfläche in derselben Ebene 3 liegt wie die Endfläche des zuführenden Bündels. Das abführende Faserbündel umgibt das Faserbündel 1 der zuführenden Fasern konzentrisch (Fig. 2). In der Figur 1 ist der Strahlengang für ein Messstrahlenbündel 6 und das diesem zugeordnete reflektierte Strahlenbündel 7 gezeichnet. Die im Sinne des Patentanspruchs massgebenden Abstände χ und y von der Hauptebene der Linse sowie die Brennweite f sind ebenfalls eingetragen.

In Figur 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Eine geeignete Strahlungsquelle 8(z.B. Spektrallampe) wird mittels einer Sammellinse 9 auf die Ebene 3'ausgebildet. Durch eine Oeffnung 11'im um 45° zur optischen Achse 10 geneigten Spiegel 11 gelangt das Messstrahlenbündel 6' über die Sammellinse V auf die reflektierende Fläche 2'. Das reflektierte Strahlenbündel 7' wird über die gleiche Sammellinse V auf den Spiegel geführt, und durch diesen auf eine dritte Sammellinse 12 umge-

809883/0637

lenkt, welche die Strahlung auf den Empfänger 13 fokussiert. Die Oeffnung 11" im Spiegel 11 hat also wie ersichtlich, hier dieselbe Bedeutung wie die Endfläche des Sender-Faserbündels 1 in der Ebene 3 der Figur 1.

Eine praktische weitere Ausführungsform einer Messeinrichtung nach der Erfindung, die für eine Vakuumbedampfungsanlage besonders geeignet ist, ist in der Figur 4 dargestellt. Diese Einrichtung ist auf einer Grundplatte 15 aufgebaut, die mit einem Rohr l6 vakuumdicht verbunden und von diesem gehaltert ist, wobei das Rohr 16 seinerseits durch die Wand der Vakuumkammer nach aussen geführt ist (s. Fig. 5). Durch das Rohr 16 sind auch die zu einem Gesamtbündel 17 zusammengefassten zu- und abführenden optischen Fasern durchgeführt, wobei das Faserbündel 17 noch mit einer Schutzumhüllung 18 umgeben ist. An der Platte 15 sind ferner die Linsenhalterung 19 für eine Linse 4 (entsprechend der optischen Anordnung nach Fig. l) und eine Testglaswechseleinrichrung befestigt.. Diese besteht aus einem Drehtisch 20, der eine Mehrzahl von an seinem Umfang in gleichmässiger Verteilung angeordneten Durchbrechungen 21 aufweist, in welche die Testgläser eingesetzt werden. Der Drehtisch 20 ist mittels einer Welle 23, die durch die Grundplatte 15 hindurch mittels einer Lippendichtung vakuumdicht nach aussen geführt ist, betätigbar. Dadurch können die

809883/0637

Testgläser 22 der Reihe nach in die optische Achse 10 der Linse 4 in Messposition gebracht werden.

Der Messlcopf 14 der Figur K wird in die Auf dampf kammer zweckmässigerweise so eingesetzt, wie es die Figur 5 zeigt, nämlich im Zentrum des Trägers 25 für die zu beschichtenden Substrate 26. Bei vielen Vakuumaufdampfanlagen ist der Träger 25 als Kalotte ausgebildet, die an ihrem Umfang drehbar gelagert und angetrieben wird. Der Messkopf liegt also in der Achse der Aufdampfkammer in einer für die meisten Bedampfungsprozesse günstigen Messposition, besonders dann, wenn die Dampfquelle ebenfalls in dieser Achse liegt.

Wie aus Figur 5 ferner ersichtlich ist, ist das Halterohr 16 des Messkopfes mittels eines Flansches 28 an einem Gegenflansch der Aufdampfkammer befestigt. Die Welle 23 des Testglaswechslers kann von ausserhalb der Kammer mittels eines Betätigungsknopfes 29 bedient werden.

In der Figur 5 ist noch schematisch die Verbindung der Faserbündel 1 und 5 mit einer Strahlungsquelle 8 bzw. einem Strahlungsdetektor angedeutet. Letzterer ist mit den Geräten 30 zur Verstärkung und Anzeige bzw. Registrierung des Messsignals verbunden. Diese Teile der Einrichtung sind von ansich bekannter Art und werden deshalb im Rahmen dieser Beschreibung nicht näher erläutert. Sie können je nach den jeweiligen Messerfordernissen verschieden ausgestaltet werden.

809883/0637

-SS -

Die beschriebene Messeinrichtung hat den Vorteil, dass sie in jede Vakuumkammer mittels eines einzigen Flansches bequem ein- und ausgebaut werden kann. Das verschieb- und drehbare Halterohr l6 erlaubt die Einstellung der verschiedensten Messpositionen und damit die Anpassung an Anlagen verschiedener Bauart. Die Strahlungsquelle und der Strahlungsempfänger können leicht zugänglich ausserhalb des Vakuums aufgestellt werden, wodurch sich das Justieren wesentlich vereinfacht. Alle sperrigen Aufbauten für die letztgenannten Geräte innerhalb der Vakuumkammer entfallen. Die neue Vorrichtung ermöglicht auch die gleichzeitige Messung der Reflexion für Strahlungen verschiedener Wellenlängen, wobei diese mittels bekannter optischer Trennfilteranordnungen ausserhalb der Vakuumkammer voneinander getrennt und separaten Detektoren zur Erfassung der Reflexion bei verschiedenen Wellenlängen zugeführt werden können. Auf diese Weise kann bei einer genügenden Anzahl von Messpunkten im Spektrum die Spektralkurve einer Aufdampfschicht während ihrer Herstellung laufend verfolgt und beispielsweise auf einem Monitor mit Kathodenstrahlröhre dargestellt werden.

Als optische Faserbündel für Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichtes und Infrarot bis 1.4 μηι eignen sich die käuflichen Lichtleiter. Als Strahlungsquellen können alle bekannten Quellen, wie Glühlampe, vor allem aber Leuchtdioden mit Vorteil verwendet werden. Als Strahlungsempfänger eignen sich besonders Fotozellen und Fotodioden.

809883/0637

Unter Benutzung von Leuchtdioden als Strahlungsquelle und Fotodioden als Strahlungsdetektor kann die Erfindung leicht auch in der Weise verwirklicht werden, dass diese letztgenannten Elemente innerhalb der Vakuumkammer an beliebiger Stelle, wo sie durch ihren Platzbedarf nicht stören, untergebracht und durch optische Faserleitungen mit dem Messkopf verbunden werden. In diesem Falle müssen dann lediglich die entsprechenden elektrischen Leitungen durch die Wand der Vakuumkammer hindurchgeführt werden.

In den Ausführungsbeispielen besass die Sammellinse 4 eine Brennweite von 10 bis 25 mm. Das die Messstrahlung zuführende Faserbündel wies einen Durchmesser von etwa 1 mm auf und war von dem die Messstrahlung abführenden Faserbündel konzentrisch umgeben. Der Querschnitt der Fasern des letzteren wurde ungefähr doppelt so gross wie der Querschnitt des zentralen Faserbündels gewählt. Die Länge der Faserbündel betrug 2 m, sodass eine bequeme Verbindung zwischen dem Messkopf in der Aufdampfanlage und den ausserhalb derselben auf einem Gestell untergebrachten Geräten (Strahlungsquelle und Empfänger, Messverstärker, Anzeigegerät) ermöglicht wurde.

Der Abstand zwischen der Linse 4 und dem in Messposition befindlichen Testglas betrug 25 mm. Es zeigte sich, dass das Messsignal von kleinen Variationen dieses Abstandes unabhängig ist. Es änderte

809883/0637

- yr-

sich auch dann nicht, wenn das Testglas 22 nicht genau senkrecht zur optischen Achse des Messkopfes stand, was bei unsorgfältigem Einlegen in die Oeffnungen 21 des Drehtisches der Fall sein kann. Für eine relative Messgenauigkeit von 2 % waren Abweichungen bis zu 1° von der Senkrechten zulässig.

Die Unempfindlichkeit gegenüber Störungen wird noch erhöht durch die Verwendung einer möglichst schmalbandigen Messstrahlung. Zu diesem Zweck kann an beliebiger Stelle des Messstrahlenganges - sei es zwischen Strahlungsquelle und Faserbündel oder im Strahlengang innerhalb des Messkopfes oder zwischen dem Ausgangsfaserbündel und dem Detektor ein Schmalbandinterferenzfilter einge-. fügt werden.

Als Einfallswinkel wurde im Rahmen dieser Beschreibung der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und der Senkrechten auf die Messfläche bezeichnet; senkrechter Lichteinfall auf die Messfläche bedeutet also einen Einfallswinkel von 0 .

Wo in der Beschreibung von einer optischen Linse die Rede ist, wird unter diesem Begriff auch eine zusammengesetzte Linse, also eine solche, die aus mehreren Einzellinsen besteht, mitumfasst. Die im Patentanspruch erwähnte Hauptebene der Linse, von der aus

809883/0637

->rr -

die Abstände χ und y zu messen sind, liegt bei einer einfachen Linse ungefähr in der Mittelebene derselben. Genauer kann sie, (so wie bei zusammengesetzten Linsen) nach bekannten Regeln bestimmt werden.

803883/0637

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.JVorrichtung zur Messung der Reflexion einer ebenen, spiegelnd reflektierenden Fläche, wobei eine Messstrahlung über eine optische Sammellinse auf die Messfläche und die von dieser reflektierte Strahlung mittels derselben Linse zu einem Strahlungsempfänger geführt wird, dadurch gekennzei chnet, dass der Abstand y der reflektierenden Fläche (2, 2') und der Abstand χ der Strahlungsquelle oder ihres Bildes von der Hauptebene der Linse (4, 4') mit der Brennweite f verknüpft sind durch die Beziehung

χ - f

dass die Strahlungsquelle (l) in der optischen Achse liegt und ■ von einer konzentrisch dazu angeordneten Empfängerfläche (5) umgeben ist derart, dass der Querschnitt des reflektierten Strahlenbündels (7) am Orte der Empfängerfläche vollständig innerhalb dieser liegt und die Strahlungsquelle vollständig überdeckt.

809883/0637

ORIGINAL INSPECTED

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzei ohne t, dass die Messstrahlungsquelle als die Endfläche eines ersten Lichtleiters (l) und die Empfängerfläche als die Endfläche eines zweiten Lichtleiters (5) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrahlungsquelle und die Empfängerfläche durch die koaxial zueinander angeordneten Enden von zwei Lichtleitern (1, 5) gebildet werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, da du roh g e kennzei chne t, dass die beiden Lichtleiter (l, 5) aus Faserbündeln bestehen, deren Fasern von einem Ende zum anderen Je statistisch vermischt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzei chnet, dass sie einen Drehtisch (20) für Testgläser (22) für Aufdampfanlagen aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dad u.r eh. g e kennzei chne t, dass als Strahlungsquelle eine punktförmige Lichtquelle (8) mit Hilfe einer ersten Sammel-

809883/0637

linse (9) auf den Abstand χ von der zweiten Sammellinse (4¹) abgebildet wird, dass die Strahlung an dieser Stelle durch eine Oeffnung (ll¹) in einem Spiegel (ll) hindurchtritt, dass dieser Spiegel um 45 zur optischen Achse geneigt ist und die Empfängerfläche bildet und dass die reflektierte Strahlung (7') von diesem Spiegel über eine dritte Sammellinse (12) auf den Empfänger (lj5) fokussiert wird.

PR 7778

809883/0637