DE3610733A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der optischen eigenschaften von duennen schichten - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur messung der optischen eigenschaften von duennen schichtenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der
optischen Eigenschaften von dünnen Schichten während
ihres Aufbaus in Vakuum-Beschichtungsanlagen, bei dem
mindestens ein Meßobjekt durch einen stationären Meßlichtstrahl
geführt wird, wobei das Transmissionsverhalten
des Meßobjekts meßtechnisch ausgewertet wird,
und bei dem durch Referenzmessungen in zeitlichen Abständen
jeweils ein Bezugspunkt für die Messungen
festgelegt wird.
Durch die DE-OS 26 27 753 ist es bekannt, einen
stationären, von einer einzigen Meßlichtquelle ausgehenden
Meßlichtstrahl zu verwenden und von diesem
einen Referenzlichtstrahl abzuspalten. Das Meßobjekt
(ein Testglas) ist dabei während der Messung stationär
in der Mitte eines Substrathalters angeordnet, wobei
der durchgehende Teil des Meßlichts von einem Fotoempfänger
erfaßt wird. Ein zweiter Fotoempfänger
ist dem abgespaltenen Referenzlichtstrahl zugeordnet,
und aus den Ausgangssignalen der beiden
Fotometer wird nach entsprechender Verstärkung der
Quotient gebildet. Während es hierdurch gelungen
ist, Helligkeitsschwankungen der Meßlichtquelle
weitgehend zu kompensieren, bleiben unterschiedliche
Veränderungen in den beiden Strahlengängen sowie
die Einflüsse unterschiedlicher Kennlinien bzw. unterschiedlicher
Arbeitspunkte auf den Kennlinien der
beiden Fotoempfänger bestehen. Dies hat negative
Auswirkungen auf die Genauigkeit der Meßergebnisse.
Es ist weiterhin bekannt, einen abgespaltenen Referenzlichtstrahl
nach mehrfacher Umlenkung und Reflexion
an Spiegelsystemen dem gleichen Fotoempfänger zuzuleiten
wie den eigentlichen Meßlichtstrahl. Dies
geschieht aufgrund eines Zerhackervorgangs alternierend,
so daß durch eine entsprechende Abfrage am Ausgang
des Fotoempfängers durch eine Auswerteschaltung die
dadurch gebildeten, getrennten Impulsfolgen im Hinblick
auf den gewünschten Kompensationseffekt ausgewertet
werden können. Die Spiegelsysteme verhindern jedoch den
baulichen Aufwand erheblich, und sie unterliegen auch
zeitlichen Veränderungen der Reflexionswerte, so daß der
angestrebte Kompensationseffekt stets von solchen Fehlern
begleitet ist.
Durch die DE-OS 31 35 444 ist es bekannt, auf einen
Referenzlichtschalter zu verzichten und durch eine aufwendige
elektronische Schaltung mit Zwischenspeicherung
von Meßwerten und Verstärkungsfaktoren das gesamte
Spektrum des Meßbereichs in Form von Absolutwerten
darzustellen. Die Messungen erfolgen jedoch wiederum
an einem zumindest während der Messung feststehenden
Testglas, dessen Position im Hinblick auf den von
einer Quelle ausgehenden Strom des Beschichtungsmaterials
üblicherweise nicht mit der Position der
zu beschichtenden Substrate übereinstimmt, so daß
der Schichtaufbau auf den Substraten und auf dem
Testglas nicht notwendigerweise übereinstimmt. Auch
hier muß von Zeit zu Zeit eine Eichung bzw.
Kalibrierung durchgeführt werden. Dies geschieht einerseits
durch die Messung eines ungeschwächten, d. h.
durch keine feste Materie hindurchgehenden Meßlichtstrahl,
andererseits durch vollständige Unterbrechung
des Meßlichtstrahls durch Einschieben eines
undurchsichtigen Körpers (0-Blende) in den
Strahlengang. In dem zuerst genannten Fall treffen
100% der Intensität des Meßlichtstrahls, in dem
zuletzt genannten Fall 0% der Intensität auf den
Fotoempfänger auf. Während des Schichtaufbaus ist
jedoch eine solche Eichung nicht ohne weiteres durchzuführen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben,
das mit einem einzigen stationären Strahlengang auskommt,
bei dem das bewegliche Meßobjekt nacheinander durch den
Strom des Beschichtungsmaterials und durch den Meßlichtstrahl
geführt wird, und bei dem nach jeder Messung
automatisch eine Kompensation aller möglichen Einflüsse
auf das Meßergebnis erfolgt.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem
eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch,
daß in der Bewegungsbahn des Meßobjekts außerdem
mindestens eine lichtundurchlässige Meßzone und
mindestens eine den Meßlichtstrahl nicht-abschwächende
Meßzone angeordnet sind, und daß in einer Recheneinheit
der Quotient aus dem Meßwert des Meßobjekts, vermindert
um den Meßwert der undurchlässigen Meßzone, und aus
dem Meßwert der nicht-abschwächenden Meßzone, vermindert
um den Meßwert der undurchlässigen Meßzone,
gebildet wird, und daß der Quotient als Transmissionswert
des beschichteten Meßobjekts ausgewertet wird.
Die "lichtundurchlässige Meßzone" kann dabei durch
jeden beliebigen festen Körper gebildet werden, der
vorübergehend und für endliche Zeit den Strahlengang
vollständig sperrt. Sofern das Meßobjekt in einem
plattenförmigen oder kalottenförmigen Substrathalter
aus Metall mit mehreren Durchbrechungen für die Aufnahme
einzelnen Substrate angeordnet wird, können die Stege
zwischen den Durchbrechungen die "lichtundurchlässige
Meßzone" bilden.
Die den Meßlichtstrahl "nicht-abschwächende Meßzone"
kann in einfachster Weise durch eine Durchbrechung
im Substrathalter gebildet werden, in der weder ein
Meßobjekt, noch ein Substrat angeordnet ist.
Auf diese Weise werden am Ende des einzigen Strahlengangs,
d. h. am Fotoempfänger zwei Meßwerte gebildet,
die stets 0% bzw. 100% der Intensität des Meßlichtstrahls
darstellen. Der dritte Wert, nämlich der
Meßwert des Meßobjekts selbst, liegt - jedenfalls
im Bereich eines transparenten Meßobjekts - zwischen
den beiden Grenzwerten. Die in der Recheneinheit
durchgeführte Rechenoperation entspricht nun der
Beziehung:
Dabei ist:
I M = der vom Fotoempfänger erfaßte vom Meßobjekt durchgelassene Anteil des Meßlichtstrahls
I 0 = die vom Fotoempfänger erfaßte Strahlungsintensität bei völliger Sperrung des Meßlichtstrahls
I 100 = die vom Fotoempfänger erfaßte Strahlung bei völliger Freigabe des Meßlichtstrahls.
I M = der vom Fotoempfänger erfaßte vom Meßobjekt durchgelassene Anteil des Meßlichtstrahls
I 0 = die vom Fotoempfänger erfaßte Strahlungsintensität bei völliger Sperrung des Meßlichtstrahls
I 100 = die vom Fotoempfänger erfaßte Strahlung bei völliger Freigabe des Meßlichtstrahls.
Der Wert I 0 ist in der Regel sehr klein, wenn nicht
gar 0. Allenfalls können hier Streulichteffekte bzw.
Lichtstrahlungen erfaßt werden, die beim Betrieb bestimmter
Beschichtungsquellen erzeugt werden. In jedem
Fall ändert sich der Meßwert I M proportional mit
dem maximalen Intensitätswert I 100. Jegliche Schwankung
der Intensität der Meßlichtquelle wirkt
sich dabei auf Zähler und Nenner des genannten
Quotienten aus, so daß dieser Einfluß in der
kürzest möglichen Zeit rechnerisch kompensiert wird.
Weitere Abweichungen treten nicht auf, da es weder
getrennte Strahlengänge noch getrennte Schaltkreise
mit unterschiedlichem Drift-Verhalten gibt. Die
rechnerische Kompensation erfolgt auch in der
kürzest möglichen Zeit. Wenn nämlich ein Substrathalter
in Form einer um ihre Achse rotierenden Kreisscheibe
oder Kalotte verwendet wird, an deren Rand
sowohl Ausnehmungen für Substrate als auch eine Ausnehmung
für das Meßobjekt sowie die erfindungsgemäßen
Meßzonen angeordnet sind, dann laufen die Substrate,
das Meßobjekt und die genannten Meßzonen nacheinander
mehrfach durch den Strom des Beschichtungsmaterials,
so daß die Gesamtschicht aus zahlreichen Einzelschichten
aufgebaut wird. Nach jedem einzelnen Durchgang durch
den Strom des Beschichtungsmaterials wird jedoch
ein Meßwert gewonnen, bei dem automatisch sämtliche
Fehlereinflüsse, soweit sie überhaupt noch möglich
sind, kompensiert sind.
Es versteht sich, daß jegliche Kondensation von Beschichtungsmaterial
in in der lichtundurchlässigen Meßzone keinen Einfluß
auf das zugehörige Meßsignal hat, und daß die durch eine
Durchbrechung im Substrathalter gebildete nicht abschwächende
Meßzone wegen des ungehinderten Materialdurchtritts keine
Kondensation bewirken kann, so daß auch hier durch den Beschichtungsvorgang
keine Beeinflussung des zugehörigen
Meßsignals erfolgen kann.
Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung rotierender
Substrathalter beschränkt, sondern vielmehr auch bei
linear verschiebbaren Substrathaltern anwendbar, die
nacheinander an unterschiedlichen Beschichtungsquellen
vorbei bewegbar sind oder gegenüber einer oder
mehreren Beschichtungsquellen oszillierend bewegt
werden.
Als Meßobjekt kann dabei eines der Substrate verwendet
werden oder ein besonderes Testglas; es können aber
auch sämtliche Substrate nacheinander als Meßobjekte
dienen, ein Fall, der jedoch die Ausnahme bleiben
wird. Substrate und/oder Meßobjekte werden dabei
alternierend durch den Strom des Beschichtungsmaterials
geführt (oder die Ströme von Beschichtungsmaterialien
geführt, wenn es sich um eine Mehrstoffbeschichtung
handelt), und durch den Meßlichtstrahl, so daß Änderungen
in der Dichte des von der Beschichtungsquelle ausgehenden
Stoffstroms extrem kurzfristig erfaßt und
auch ausgeregelt werden können, wenn man das erfindungsgemäße
Meßverfahren zur Istwert-Gewinnung bei einem
Regelverfahren verwendet, das beispielsweise auf die
Leistungsregelung der Quelle des Beschichtungsmaterials
Einfluß nimmt.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung
des eingangs angegebenen Verfahrens mit einer
Vakuumkammer und einem darin beweglich angeordneten
Substrathalter mit Einrichtungen zur Halterung
mindestens eines Meßobjekts und zur Bewegung des
Meßobjekts entlang einer Bewegungsbahn, mit einer
Beschichtungsquelle, einer Meßlichtquelle und einem
mit der Meßlichtquelle durch einen Strahlengang verbundenen
Meßlichtempfänger, wobei die Bewegungsbahn
des Meßobjekts nacheinander durch den von der Beschichtungsquelle
ausgehenden Materialstrom und den
Strahlengang verläuft.
Als Beschichtungsquellen können dabei beheizbare Verdampfer,
Zerstäubungskatoden, Gaszuführungseinrichtungen
in Verbindung mit Energiequellen für die
Polymerisation von Monomeren auf den Substraten etc.
verwendet werden.
Zur Lösung der gleichen Aufgabe wird bei der vorstehend
angegebenen Vorrichtung erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß in dem Substrathalter außer dem
Meßobjekt mindestens eine lichtundurchlässige Meßzone
und mindestens eine den Meßlichtstrahl nicht abschwächende
Meßzone angeordnet sind, daß der Substrathalter
für die Meldung der Stellungen des Meßobjekts
und der Meßzonen je einen Signalgeber besitzt und daß
die Ausgänge des Fotoempfängers und der Signalempfänger
einer Recheneinheit aufgeschaltet sind, in der der
Quotient aus dem Meßwert des Meßobjekts, vermindert
um den Meßwert der undurchlässigen Meßzone, und aus
dem Meßwert der nicht abschwächenden Meßzone, vermindert
um den Meßwert der undurchlässigen Meßzone, gebildet
wird, und in der der Quotient als Transmissionswert
des beschichteten Meßobjekts auswertbar ist.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 näher
beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung
in Verbindung mit einem Blockschaltbild zur
Signalverarbeitung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen drehbaren Substrathalter
und
Fig. 3 ein Diagramm einer Signalfolge, die beim Durchgang
von Meßobjekt, lichtundurchlässiger Meßzone
und nicht abschwächender Meßzone durch den
Meßlichtstrahl am Ausgang des Fotoempfängers
gebildet wird.
In Fig. 1 ist gestrichelt der Umriß einer Vakuumkammer 1
dargestellt, in der mittels nicht gezeigter Vakuumpumpen
das für den Beschichtungsvorgang erforderliche Betriebsvakuum
aufrechterhalten wird. In der Vakuumkammer 1 ist
ein um eine senkrechte Achse drehbarer Substrathalter 2
in Form einer Kreisscheibe angeordnet, in deren Randbereich
eine Anzahl von Ausnehmungen 3 für die Unterbringung
von Substraten angeordnet ist. Diese Substrate
haben sämtlich die gleiche (kreisförmige) Bewegungsbahn,
die über die Mitte einer unter dem Substrathalter
2 angeordneten Quelle 4 für das Beschichtungsmaterial
hinweg verläuft. In der gleichen Bewegungsbahn
wie die Ausnehmungen 3 liegen auch eine weitere
Ausnehmung 5 für das Meßobjekt 6, ein lichtundurchlässige Meßzone 7
und eine den Meßlichtstrahl nicht abschwächende
Meßzone 8. Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde,
besteht das Meßobjekt 6 zweckmäßig aus einem Testglas,
das durch eine planparallele Glasscheibe gebildet wird,
die Meßzone 7 aus einem massiven Flächenanteil (Steg)
des Substrathalters 2 und die Meßzone 8 aus einer offenen
Durchbrechung bzw. weiteren Ausnehmung im Substrathalter 2.
Die optische Meßvorrichtung, das sogenannte Fotometer,
enthält eine Meßlichtquelle 9 und einen Fotoempfänger 10,
zwischen denen sich ein im wesentlichen geradliniger,
senkrechter Strahlengang 11 erstreckt, dem der von der
Meßlichtquelle 9 ausgehende Meßlichtstrahl folgt. Auch
der Strahlengang 11 ist in der Bewegungsbahn der Substrate,
des Meßobjekts und der Meßzonen angeordnet
und infolgedessen exzentrisch zur Drehachse des
Substrathalters angeordnet.
Zur Kompensation von Umgebungseinflüssen wird der
Meßlichtstrahl durch eine Zerhackerscheibe 12, die
um eine Achse 13 rotiert, in einzelne Lichtimpulse
zerlegt. Der Meßlichtstrahl 14, von dem nur eine Teillänge
gezeigt ist, tritt durch ein erstes Fenster 15
in die Vakuumkammer 1 ein, und verläßt diese wieder
durch ein zweites Fenster 16. In einem Monochromator 17
wird aus dem Spektrum des Meßlichtstrahls eine bestimmte
Frequenz bzw. ein enger Frequenzbereich ausgewählt.
Durch Verstellung des Monochromators 17,
der als Filter, Beugungsgitter oder Prisma ausgeführt
sein kann, können die optischen Eigenschaften über das
gesamte Spektrum der Meßlichtquelle untersucht bzw.
gemessen werden. Es ist darauf zu achten, daß die
Quelle 4 in einem solchen Abstand seitlich vom Meßlichtstrahl
14 angeordnet ist, daß das Fenster 16
nicht vom Beschichtungsmaterial getroffen wird.
Die Ausgangssignale des Fotoempfängers 10 werden über
eine Leitung 18 einem Interface 19 zugeführt, in dem
eine Analog-Digital-Umsetzung erfolgt. Das Ausgangssignal
des Interface 19 wird über eine Leitung 20
einer Zentraleinheit 21 zugeführt, die einen digitalen
Lock-In-Verstärker und eine Recheneinheit enthält, in
der die erfindungsgemäße Auswertung der Meßsignale erfolgt.
Um die erforderliche Synchronisation bzw. Triggerung
zu erreichen, besitzt der Substrathalter eine Reihe
hier nur schematisch dargestellter Signalgeber 22
für die Stellungsmeldung des Meßobjekts 6 und der
Meßzonen 7 und 8 in Verbindung mit einem Signalempfänger
23. Dessen Ausgang wird über eine Leitung 24
gleichfalls der Zentraleinheit 21 zugeführt, in der
eine zeitliche Zuordnung der Ausgangssignale des
Fotoempfängers 10 zum Meßobjekt 6 bzw. zur den Meßzonen
7 und 8 erfolgt. Bei den Signalgebern 22 kann
es sich beispielsweise um magnetische Einrichtungen
handeln, auf deren Vorbeibewegung der Signalempfänger
23 anspricht, der beispielsweise als Reed-
Relais ausgeführt sein kann. Auch die Zerhackerscheibe
12 ist in ihrem Randbereich mit nicht näher bezeichneten
Signalgebern versehen, die auf einen weiteren
Signalempfänger 25 einwirken, der über eine Leitung 26
mit der Zentraleinheit 21 verbunden ist.
Die Wirkungsweise der Fotometeranordnung wird anhand
der Fig. 2 und 3 näher erläutert: Wenn der Substrathalter
2 sich um seine Achse 2 a dreht, dann gelangen
nacheinander die Ausnehmungen 3 mit den Substraten,
das Meßobjekt 6, die lichtundurchlässige Meßzone 7
und die nicht abschwächende Meßzone 8 in den Strahlengang
11 des Fotometers. Die Bewegungsbahn dieser
Elemente wird durch einen Kreis definiert, der durch
die Mittelpunkte der genannten Elemente verläuft.
Abgesehen von den Meßsignalen, die durch die Substrate
erzeugt werden und die durch die weiter oben beschriebene
Triggerung nicht erfaßt werden, entsteht
bei der Drehung des Substrathalters 2 in Richtung
des Pfeils 2 b eine erste Folge 28 von Rechteckimpulsen,
deren Höhe der Intensität I M des vom Meßobjekt 6
durchgelassenen Anteils des Meßlichtstrahls entspricht.
Die nachfolgend durch den Meßlichtstrahl geführte
lichtundurchlässige Meßzone 7 erzeugt am Ausgang des
Fotoempfängers 10 ein Meßsignal 29 mit einem extrem
niedrigen Pegel I 0. Dieses Meßsignal 29 besteht
nicht aus einer Impulsfolge, da die Wirkung der
Zerhackerscheibe 12 durch die vollständige Sperrung
des Meßlichtstrahls ausgeschaltet wird. Dem Meßsignal 29
folgt eine zweite Folge von Rechteckimpulsen, deren
Höhe der ungeschwächten Intensität des Meßlichtstrahls
I 100 entspricht. Die Frequenz der Impulse entspricht
der Drehzahl der Zerhackerscheibe 12 multipliziert mit
der Anzahl der in der Zerhackerscheibe 12 angeordneten
Durchbrechungen. Aus den Impulsfolgen sowie aus dem
Meßsignal 29 wird in der Zentraleinheit 21 der gewünschte
Meßwert gebildet, der über eine Leitung 27 einer Anzeigeeinrichtung
31 oder einem Regler 32 zugeführt werden
kann, wobei der Regler 32 eine Ausgang 33 besitzt,
über den in an sich bekannter Weise beispielhaft
eine Leistungssteuerung der Quelle 4 herbeigeführt
werden kann. Es ist auch möglich, über den Ausgang 33
eine Unterbrechung bzw. Abschaltung des Beschichtungsvorganges
herbeizuführen, indem beispielsweise eine
Blende in den von der Quelle 4 ausgehenden Strom 4 a
des Beschichtungsmaterials geschwenkt wird.
Claims (3)
1. Verfahren zur Messung der optischen Eigenschaften
von dünnen Schichten während ihres Aufbaus in
Vakuum-Beschichtungsanlagen, bei dem mindestens
ein Meßobjekt durch einen stationären Meßlichtstrahl
geführt wird, wobei das Transmissionsverhalten
des Meßobjekts meßtechnisch ausgewertet
wird, und bei dem durch Referenzmessungen in
zeitlichen Abständen jeweils ein Bezugspunkt für
die Messungen festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Bewegungsbahn des Meßobjekts
außerdem mindestens eine lichtundurchlässige
Meßzone und mindestens eine den Meßlichtstrahl
nicht abschwächende Meßzone angeordnet sind, und
daß in einer Recheneinheit der Quotient aus dem
Meßwert des Meßobjekts, vermindert um den Meßwert
der undurchlässigen Meßzone, und aus dem Meßwert
der nicht abschwächenden Meßzone, vermindert um
den Meßwert der undurchlässigen Meßzone, gebildet
wird, und daß der Quotient als Transmissionswert
des beschichteten Meßobjekts ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bewegung des Meßobjekts und der Meßzonen
und die Quotientenbildung in der Recheneinheit
durch je ein Triggersignal synchronisiert werden.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1 mit einer Vakuumkammer und einem darin
beweglich angeordneten Substrathalter mit Einrichtungen
zur Halterung mindestens eines Meßobjekts
und zur Bewegung des Meßobjekts entlang
einer Bewegungsbahn, mit einer Beschichtungsquelle,
einer Meßlichtquelle und einem mit der
Meßlichtquelle durch einen Strahleneingang verbundenen
Meßlichtempfänger, wobei die Bewegungsbahn des Meßobjekts
nacheinander durch den von der Beschichtungsquelle
ausgehenden Materialstrom und den Strahlengang
verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß
in dem Substrathalter (2) außer dem Meßobjekt (6)
mindestens eine lichtundurchlässige Meßzone (7)
und mindestens eine den Meßlichtstrahl (14)
nicht abschwächende Meßzone (8) angeordnet
sind, daß der Substrathalter (2) für die Meldung
der Stellungen des Meßobjekts und der Meßzonen
je einen Signalgeber (22) besitzt und daß die Ausgänge
des Fotoempfängers (10) und der Signalempfänger (22)
einer Recheneinheit (21) aufgeschaltet sind, in der
der Quotient aus dem Meßwert des Meßobjekts,
vermindert um den Meßwert der undurchlässigen Meßzone,
und aus dem Meßwert der nicht abschwächenden
Meßzone, vermindert um den Meßwert der undurchlässigen
Meßzone, gebildet wird, und in der der
Quotient als Transmissionswert des beschichteten
Meßobjekts (6), auswertbar ist.
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