Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem
Oberbegriff des 1. Anspruchs. Sie ist überall dort verwendbar,
wo die Messung auf optischem Wege durch ein durchsichtiges
Medium hindurch erfolgen muß, dessen Transparenz in nicht genau
vorauszubestimmender und nur schlecht quantifizierbarer Weise
Änderungen unterworfen ist. Sie wird im folgenden am Beispiel
eines besonderen Anwendungszweckes beschrieben, der sich im
Geschäftsbetrieb der Anmelderin ergeben hat. Dieser umfaßt auch
die Beschichtung von Gegenständen, insbesondere von Werkzeugen
mit einer harten, verschleißhemmenden Schicht aus Titannitrid
oder einem verwandten Material. Die Beschichtung erfolgt in
einer vorher evakuierten Kammer, in der (gegebenenfalls in
einer danach hergestellten Atmosphäre definierter
Zusammensetzung, z. B. aus Stickstoff) das Material einer
verzehrbare Kathode, z. B. aus Titan durch Zündung eines
Lichtbogens zwischen dieser und einer Anode in den
Plasmazustand überführt wird. Das Plasma (bzw. seine
Reaktionsprodukte) schlägt sich auf den in der Kammer in
geeigneter Weise angeordneten zu beschichtenden Gegenständen
nieder und unvermeidlicherweise auch auf der Innenwand der
Kammer selbst. Letzterer Niederschlag ist zwar nur gering, da
an die zu beschichten Gegenstände (die sogenannten "Substrate")
eine Spannung angelegt wird, durch die das Plasma vorzugsweise
auf dieselben gelenkt wird; er reicht jedoch aus, um zur
Beobachtung des Prozesses in der Kammerwand angeordnete
Sichtfenster von innen mit einem dünnen Überzug zu versehen,
durch den die Transparenz derselben herabgesetzt wird. Der
Beschichtungsprozeß läuft bei Temperaturen von 200-500°C ab
und bietet gegenüber bekannten ähnlichen Verfahren den Vorteil,
daß in diesem Temperaturbereich der Werkstoff der
Substrate (der im Falle von Werkzeugen durch vorhergehende
Behandlungen, z. B. Härten ein besonderes Gefüge erhalten haben
kann) in seinen Eigenschaften nicht ungünstig verändert wird.
Dazu ist selbstverständlich Voraussetzung, daß die für den
jeweiligen Werkstoff zulässigen Höchsttemperaturen im Laufe des
Prozesses nicht überschritten werden. Eine Temperaturmessung an
den Substraten selbst, etwa durch Thermoelemente ist
verhältnismäßig reaktionsträge und sehr aufwendig, da jedes
Substrat für sich mit einem solchen Temperaturaufnehmer
versehen werden müßte; zusätzliche Schwierigkeiten ergeben sich
dadurch, daß an die Substrate, wie oben dargelegt, eine
Spannung in der Größenordnung von 1000 V angelegt wird, um den
Plasmastrom zu lenken. Eine berührungslose Temperaturmessung,
wie sie auch bei der Beobachtung von Metallschmelzen verwendet
wird unter Einsatz einer Infrarotkamera oder eines Pyrometers
ist daher vorzuziehen. Die Meßgenauigkeit wird jedoch in nicht
genau nachvollziehbarer Weise durch die obenerwähnte
Transparenzänderung des Beobachtungsfensters beeinträchtigt.The present invention relates to a device according to
General term of the 1st claim. It can be used anywhere
where the measurement by optical means through a transparent
Medium must be made, the transparency of which is not accurate
predictable and difficult to quantify
Subject to change. It is shown below using the example
described a special application, which is in
Business operations of the applicant. This also includes
the coating of objects, especially tools
with a hard, wear-resistant layer of titanium nitride
or a related material. The coating takes place in
a previously evacuated chamber in which (if necessary in
of an atmosphere created afterwards
Composition, e.g. B. from nitrogen) the material of a
edible cathode, e.g. B. made of titanium by ignition
Arc between this and an anode in the
Plasma state is transferred. The plasma (or its
Reaction products) affects the one in the chamber
suitably arranged objects to be coated
low and inevitably also on the inner wall of the
Chamber itself. The latter precipitation is only slight because
to the objects to be coated (the so-called "substrates")
a voltage is applied by which the plasma preferably
is directed to the same; however, it is sufficient to go to
Observation of the process arranged in the chamber wall
To provide the window with a thin coating from the inside,
by which the transparency of the same is reduced. The
The coating process takes place at temperatures of 200-500 ° C
and offers the advantage over known similar processes,
that in this temperature range the material of the
Substrates (which in the case of tools by previous
Treatments, e.g. B. hardening have received a special structure
can) its properties are not adversely changed.
For this it is of course a prerequisite that the for the
permissible maximum temperatures in the course of the respective material
Process are not exceeded. A temperature measurement on
the substrates themselves, for example through thermocouples
relatively inert and very complex, because each
Substrate in itself with such a temperature sensor
should be provided; additional difficulties arise
in that, as set forth above, a
Voltage of the order of 1000 V is applied to the
To direct plasma flow. A non-contact temperature measurement,
as used for the observation of molten metals
using an infrared camera or pyrometer
is therefore preferable. However, the measurement accuracy is not in
exactly understandable way by the aforementioned
Change in transparency of the observation window impaired.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung zur
berührungslosen Temperaturmessung, insbesondere in PVD-
Beschichtungskammern, bei der der nachteilige Einfluß des
Niederschlages von Beschichtungs- oder anderen Stoffen
eliminiert wird; insbesondere soll die Einrichtung dazu
dienen, die Einhaltung von vorgegebenen Höchsttemperaturen
während der Durchführung der in der Kammer ablaufenden Prozesse
zu gewährleisten.The object of the present invention is a device for
non-contact temperature measurement, especially in PVD
Coating chambers in which the adverse influence of
Precipitation of coating or other substances
is eliminated; in particular, the facility should do so
serve to maintain specified maximum temperatures
during the execution of the processes taking place in the chamber
to guarantee.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden
Teil des 1. Anspruchs angegebenen Merkmale. Unabhängig von den
vom Sensor gelieferten absoluten Werten bleibt das Verhältnis
zwischen den am Referenzkörper gemessenen, einer bekannten
Temperatur entsprechenden Werten und den an den Substraten
selbst gemessenen Werten gleich. Soll eine bestimmte Temperatur
eingehalten bzw. nicht überschritten werden, so wird
zweckmäßigerweise der Referenzkörper auf eben diese Temperatur
aufgeheizt, um den Einfluß von Unlinearitäten möglichst gering
zu halten. Der optische Sensor braucht nicht ständig, dem
fortschreitenden Grad der Verschmutzung des Sichtfensters
entsprechend nachjustiert werden und ebensowenig, wenn dieses
schließlich gesäubert oder ersetzt wird.This problem is solved by the in the characteristic
Features specified in the first claim. Regardless of the
The ratio remains the absolute values supplied by the sensor
between those measured on the reference body, a known one
Temperature corresponding values and those on the substrates
even measured values. Should a certain temperature
respected or not exceeded, so
expediently the reference body at precisely this temperature
heated to minimize the influence of non-linearities
to keep. The optical sensor does not need that all the time
progressive degree of contamination of the viewing window
be readjusted accordingly and just as little if this
eventually cleaned or replaced.
Die Ausgestaltung der Erfindung gemäß dem 2. Anspruch ist
geeignet, den Einfluß eines etwa unterschiedlichen Emissions
vermögens des Referenzkörpers und der Substrate auszuschalten.
Unter dem Begriff "Oberflächenbeschaffenheit" soll in diesem
Zusammenhang der Komplex aus werkstoffabhängigen Eigenschaften
und solchen Eigenschaften verstanden werden, die sich aus der
Struktur der Oberfläche ergeben.The embodiment of the invention according to claim 2 is
suitable, the influence of an approximately different emission
switch off the ability of the reference body and the substrates.
Under the term "surface quality" in this
Connection of the complex of material-dependent properties
and such properties are understood, which result from the
Structure of the surface.
Die weitere Ausgestaltung dieses Erfindungsgedankens im 3.
Anspruch bietet eine einfache Möglichkeit, den Referenzkörper
in seiner Oberflächenbeschaffenheit der möglicherweise
wechselnden Oberflächenbeschaffenheit der Substrate anzupassen,
bzw. nach Durchführung eines jeden Prozeßzyklus, wenn die
Kammer erneut mit noch unbeschichteten Substraten beschickt
wird, den Referenzkörper von dem ihm anhaftenden Belag aus dem
vorigen Zyklus zu befreien.The further development of this inventive idea in the third
Claim provides an easy way to reference the body
in its surface texture the possibly
adapt to changing surface properties of the substrates,
or after each process cycle, if the
The chamber was again loaded with as yet uncoated substrates
the reference body from the coating adhering to it from the
to free the previous cycle.
Im 4. Anspruch schließlich wird ein bevorzugter
Verwendungszweck der erfindungsgemäßen Einrichtung genannt.Finally, in the fourth claim, one is preferred
Called use of the device according to the invention.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in der
Zeichnung dargestellt und zwar zeigt Fig. 1 eine mit der
erfindungsgemäßen Einrichtung versehene PVD-Beschichtungs
kammer im Längsaxialschnitt und Fig. 2 ein mit Hilfe der
Einrichtung gewonnenes typisches Meßdiagramm.An embodiment of the invention is shown schematically in the drawing and that Fig. 1 shows a provided with the inventive device PVD coating chamber in longitudinal axial section and Fig. 2 is a typical measurement diagram obtained with the aid of the device.
In einer mit Hilfe einer Pumpe 2 evakuierbaren Kammer 1 sind
auf einem wie angedeutet drehbaren Gestell 3 Gegenstände 4,
sogenannte Substrate 4 (z. B. Schneidwerkzeuge), die mit einer
verschleiß- und korrosionshemmenden Schicht, z. B. aus
Titannitrid versehen werden sollen. Hierzu wird zwischen als
Kathode geschalteten, im beschriebenen Fall aus Titan
bestehenden Verdampfern 5 und der als Anode geschalteten Wand
der Kammer 1 ein Lichtbogen gezündet, wodurch das Material der
Verdampfer 5 in den Plasmazustand überführt wird. Über einen
Einlaß 6 ist in die evakuierte Kammer 1 ein Reaktionsgas, im
Beispiel Stickstoff eingelassen worden, mit dem das Plasma
reagiert. Das Reaktionsprodukt, eben das gewünschte Titannitrid
schlägt sich dann bevorzugt auf den Substraten 4 nieder, da an
diese über das Gestell 3 wie angedeutet eine Spannung angelegt
wird, die das Plasma in Richtung derselben lenkt. Dennoch läßt
sich nicht vermeiden, daß sich geringe Mengen des
Reaktionsproduktes auf der Innenwand der Kammer 1
niederschlagen, darunter auch auf einem darin eingelassenen
Sichtfenster 7 aus einem temperaturfesten Glas. Durch das
Fenster 7 hindurch kann ein bekanntes optisches Temperatur
meßgerät, da es um einen Winkel Alpha (α) schwenkbar ist
nacheinander auf die verschiedenen Substrate 4 gerichtet
werden, um deren Temperatur zu messen. Der Schwenkvorgang
erfolgt zyklisch und im Verlaufe desselben wird durch den
Sensor 8 auch ein an der Kammer 1 befestigter Referenzkörper 9
erfaßt, der aus einer externen Stromquelle 10 mit einem
Heizstrom versorgt wird. Der Heizstrom wird in einer Regelungs
und Auswertungseinheit 11 so eingestellt, daß der
Referenzkörper 9 auf eine bestimmte, vorgegebene Temperatur
aufgeheizt wird. Der Sensor 8 liefert dann (siehe Fig. 2) in
dem mit A bezeichneten Bereich den über dem Winkel Alpha
aufgetragenen Wert, der definitionsgemäß der Temperatur des
Referenzkörpers entspricht. In dem mit B bezeichneten Bereich,
über den nacheinander die verschiedenen Substrate 4 abgetastet
werden, ergeben sich dann Werte, die durch Inbezugsetzung mit
dem Referenzwert die gesuchten Temperaturen der Substrate 4
ergeben. Dies ist unabhängig von dem im Verlaufe des
Beschichtungsprozesses zunehmenden Belag auf dem Sichtfenster
7, da der Referenzmeßkörper 9 zweckmäßigerweise vor Beginn
jedes Beschichtungszyklus mit einer neuen Umhüllung 12 (z. B.
in Form von Folie) aus dem gleichen Material versehen wird, aus
dem die Substrate 4 hergestellt sind. Es ergibt sich dann ein
gleiches Emissionsverhalten für beide, und in der Regelungs
und Auswerteeinheit 11 brauchen hierfür keine Korrekturen am
vom Sensor 8 gelieferten Wert angebracht werden. Dagegen muß
ein Ausgleich für den unterschiedlichen Abstand geschaffen
werden, den der Referenzmeßkörper 9 und die Substrate 4 vom
Sensor 8 haben. Dieser ist jedoch nur von der (bekannten)
Geometrie abhängig und während des Prozesses unveränderlich.In an evacuable chamber with the aid of a pump 2 1 are as indicated on a rotatable frame 3 articles 4, called substrates 4 (z. B. cutting tools) provided with a wear-resistant and corrosion-inhibiting layer, for. B. to be provided from titanium nitride. For this purpose, consisting of titanium in the case described evaporators 5 and the anode is connected as a wall of the chamber 1 is interposed as a cathode, an arc is ignited, is transferred whereby the material of the evaporator 5 into the plasma state. A reaction gas, nitrogen in the example, with which the plasma reacts has been admitted into the evacuated chamber 1 via an inlet 6 . The reaction product, namely the desired titanium nitride, is then preferably deposited on the substrates 4 , since a voltage is applied to them via the frame 3, as indicated, which directs the plasma in the direction thereof. Nevertheless, it cannot be avoided that small amounts of the reaction product are deposited on the inner wall of the chamber 1 , including on a viewing window 7 made of a temperature-resistant glass embedded therein. A known optical temperature measuring device can be directed through the window 7 , since it can be pivoted through an angle alpha ( α ) one after the other at the various substrates 4 in order to measure their temperature. The pivoting process takes place cyclically and in the course of the same a sensor 9 , which is attached to the chamber 1 , is detected by the sensor 8 and is supplied with a heating current from an external power source 10 . The heating current is set in a control and evaluation unit 11 in such a way that the reference body 9 is heated to a specific, predetermined temperature. The sensor 8 then supplies (see FIG. 2) in the area labeled A the value plotted over the angle alpha, which by definition corresponds to the temperature of the reference body. In the area designated B , over which the various substrates 4 are scanned one after the other, values are then obtained which, when they are related to the reference value, give the desired temperatures of the substrates 4 . This is independent of the coating on the viewing window 7 that increases in the course of the coating process, since the reference measuring body 9 is expediently provided with a new covering 12 (for example in the form of a film) made of the same material from which the Substrates 4 are made. The same emission behavior then results for both, and no corrections to the value supplied by the sensor 8 need be made in the control and evaluation unit 11 for this. On the other hand, compensation must be created for the different distance that the reference measuring body 9 and the substrates 4 are from the sensor 8 . However, this only depends on the (known) geometry and cannot be changed during the process.