DE4338907C2

DE4338907C2 - Meßeinrichtung zur Bestimmung von Schichtdicken

Info

Publication number: DE4338907C2
Application number: DE19934338907
Authority: DE
Inventors: Hilmar Dipl Ing Weinert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-11-15
Filing date: 1993-11-15
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2013-11-16
Also published as: DE4338907A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung, welche die geometrische Dicke aufgedampfter oder gesputterter Schichten über lange Zeiträume während des Beschichtungsprozesses messen kann. Die Anwendung liegt insbesondere bei der Rolle-zu-Rolle Bedampfung von Kunststoff-Folien, Papier und Blechen.

Es sind verschiedene Einrichtungen zur Schichtdickenmessung für diesen Zweck bekannt.

Zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit benutzt die DE 34 45 717 A1 eine Drahtwendel, die in den Dampfgang eingebracht wird. Das auf ihr kondensierende Material, welches leitfähig sein muß, erniedrigt den elektrischen Widerstand der Drahtwendel. Die Messung ist ortsgebunden. Werden über eine Bahnbreite mehrere Meßpunkte verlangt, so müssen ebenso viele Drahtwendeln eingesetzt werden. Bei typischen technischen Bedampfungen von Rollenmaterial scheidet sich in ca. 30 Minuten eine etwa 4 mm dicke Metallschicht ab. Der elektrische Widerstand der Drahtwendel beträgt dann nur noch wenige Mikro-Ohm. Spätestens nach jeder Charge müssen die Wendeln erneuert werden. Die Änderung des spezifischen Widerstandes der aufgedampften Schicht mit der Temperatur, bedingt durch die von der Verdampferquelle ausgehenden Wärmestrahlung, beeinflußt das Meßergebnis beträchtlich.

Nach der DD 2 69 660 A1 lassen sich Dicken und Schichtdicken ebenfalls berührungslos messen, indem ein paralleler Lichtstrahl am Meßobjekt, z. B. einem Draht einen Schatten auf eine CCD-Kamera wirft. Dort erfolgt ein Abzählen der voll belichteten und der schwächer belichteten Zeilen. Die Auflösung liegt im Bereich des Zeilenabstandes von CCD-Kameras. Unvermeidbare Schwingungen des bewegten Drahtes führen zu Signalverwischungen. Die Signalauswertung bedarf einer umfangreichen Zählelektronik, da dunkle und helle Pixels abgezählt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung zu schaffen, welche fast ohne zeitliche Begrenzung und unabhängig vom Aufdampfmaterial berührungslos während des Prozesses geometrische Schichtdicken messen kann. Die Messung soll nicht nur eine Mittelung über die Bedampfungsbreite des bandförmigen Materials wiedergeben, sondern eine größere Anzahl von Meßpunkten quer zur Bahnrichtung liefern.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.

Der Vorteil der Einrichtung ist die kontaktlose Messung. Kontaktbehaftete Sensoren erfordern wegen ihrer geringeren Meßgenauigkeit längere Verweilzeiten und Aufdampfdicken von mindestens 100 Mikrometern.

Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Meßeinrichtung ist, daß dünne Drähte kostengünstig sind, keine wesentliche Schattenwirkung auf dem zu bedampfenden Gut erzeugen und keiner Kühlung bedürfen. Je nach Lage des Drahtes im Verdampfungsraum und abhängig vom Verdampfungsmaterial nimmt der Draht unterschiedliche Temperaturen an. Bei der Aluminiumverdampfung werden bei Verweilzeiten von 10 Sekunden Temperaturen von etwa 500°C erreicht. Bei der Verdampfung von Silizium-Monoxid liegt die Temperatur bei gleicher Verweilzeit bei ca. 600°C. Geeignete Drahtmaterialien sind Stahl, Nickel, Molybdän, Wolfram. Drähte im Dickenbereich von 0.1-0.4 mm Dicke sind kommerziell erhältlich in Spulenlängen von über 10.000 Laufmetern. Diese Länge reicht aus, um im 20-Sekunden-Takt Meßzeiten von 27.6 Stunden zu verwirklichen, bei einem Drahtverbrauch von nur 0.6 bis 6 kg.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung an einem Ausführungs beispiel erläutert.

Fig. I zeigt die Gesamtansicht der Meßeinrichtung.

Fig. II zeigt die Teilansicht der Meßeinrichtung, in Blickrichtung senkrecht zum Draht (3).

Nach Fig. I wird der Draht 3 von einer Abwickelspule 4 kontinuierlich zu einer Aufwickelspule 5 mit konstanter Geschwindigkeit gewickelt. Vor dem Aufwickeln wird die Dicke des bedampften Drahtes 3 gemessen, indem ein durch einen rotierenden Polygonspiegel in Oszillation versetzter Laserstrahl den Draht 3 trifft. Die Messung des unbeschichteten Drahtes 3 erfolgt mittels eines zweiten Meßsensors 11. Die gemessenen Durchmesser D1 und D2 nach Gl. I sind proportional der Zeit, in der der Photosensor 10 eine Verminderung der Lichtintensität mißt. Die Dickenmessung wird demnach auf eine Zeitmessung zurückgeführt.

Bei bekannter Geometrie des Verdampfers 1 und nach einmal erfolgter Eichung läßt sich aus der Dickenzunahme, der Drahtgeschwindigkeit und der Bahngeschwindigkeit die aufgedampfte Dicke integral bestimmen nach der Beziehung:

d: Aufdampfdicke auf der Bahn [nm]
c1: Geometriefaktor [m²/s²]
D1: Dicke des bedampften Drahtes [nm]
D2: Dicke des unbedampften Drahtes [nm]
vd: Transportgeschwindigkeit des Drahtes [m/s]
vb: Transportgeschwindigkeit des Bandes [m/s]
B: Bahnbreite [m]

Diese Meßeinrichtung würde zwar bereits materialunabhängige Ergebnisse über extrem lange Meßzeiten liefern können, jedoch läge keine Aussage über die örtliche Verteilung der Schichtdicke quer zum bandförmigen Material 2 vor. Eine solche Meßeinrichtrung hätte demnach keine Vorteile gegenüber der in der DD 2 69 660 A beschriebenen bekannten Methode.

Nach diesem Prinzip läßt sich eine Messung der Schichtdicke an einer Vielzahl von Meßpunkten quer zur Bahnrichtung erreichen, wenn der Draht 3 nicht kontinuierlich, sondern in genauen Zeitabständen hubweise transportiert wird. Vor der Aufwickelspule 5, jedoch nach dem Laserlicht-Sender 6 ist ein Wegsensor 7 eingebaut, welcher an die Auswerteeinheit 8 jeweils einen Zählimpuls liefert, wenn ein Teilstück des Drahtes 3 durch die Laserlicht-Strecke läuft. Dadurch ist es möglich, die Dickenmessung am Draht um jeweils eine Bahnbreite örtlich versetzt durchzuführen. Allerdings entsteht hierdurch auch eine zeitliche Versetzung der Messung. Diese ist jedoch von keinem Nachteil, da bei kontinuierlichen Bedampfungsprozessen nicht mit schnellen zeitlichen Änderungen der Verdampfungsgeschwindigkeit zu rechnen ist. Es läßt sich nun feststellen, an welcher Stelle quer zur Bahnrichtung sich ein gemessenes Teilstück des Drahtes bei der Bedampfung befunden hat und wie groß an diesem Teilstück die Bedampfungsdicke ist. Bei der Durchführung der Messung zeigt sich, daß auch hoch transparentes Aufdampfmaterial ebenso gut meßbar ist. Der Grund ist darin zu suchen, daß der Laserstrahl auf der Beschichtung am Draht streifend auftrifft und durch Streuung oder Lichtbrechung aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt wird.

Beispiel

Die Breite der Bahn beträgt 2000 mm. Der ruhende Draht wird 10 Sekunden lang dem Dampf des Verdampfers ausgesetzt. Danach erfolgt der Weitertransport des Drahtes um eine Länge von 2000 mm. Während dieses Weitertransportes liefert der Wegesensor 7 20 Schaltimpulse in gleichen Abständen von 2000/20=100 mm, während jeweils die Gesamtdicke, bestehend aus der Aufdampfschicht und der Dicke des unbedampften Drahtes gemessen wird. (Fig. II).

Die Berechnung der aufgedampften Schichtdicke weicht von Gl. I ab, dadurch bedingt, daß die Transportgeschwindigkeit des Drahtes nicht beliebig schnell sein kann. Es ist daher bei der Auswertung der Messung zu berücksichtigen, daß der Draht noch während des Transportes bedampft wird. Hierbei ist die dem Laserlicht-Sender 6 abgewandten Seite dem Dampf um eine Zeit B/ vb länger ausgesetzt als die ihm zugewandte Seite. Die Verweilzeit des Drahtes soll hingegen nicht mehr als 10-30 Sekunden betragen, da verzögerte Istwert-Messungen für nachgeschaltete Regelkreise der Verdampfer ungünstig sind.

tb: Bedampfungszeit des Drahtes [s]
n: Zahl der Meßstellen [-]
b: = B/n [m]
Abstand zwischen Meßstellen

Dies führt zu einer neuen Gleichung, die nun die Messung der Schichtdicke über die Bahnbreite ermöglicht.

Die korrigierte Gleichung lautet:

c2: Eichkonstante [m²/s²]
t-hub: Hubzeit des Drahtes über die Bandbreite [s]
tb: Verweilzeit des Drahtes in der Aufdampfzone [s]
n: Zähler (1 < n < N) [-]
N: Zahl der Meßpositionen über die Bandbreite [-]

Gl. II läßt sich umschreiben auf

Der Geometriefaktor c1 aus Gl. I ist durch einen neuen Faktor c2 zu ersetzen, welcher einmalig durch Eichung zu bestimmen ist. Ferner ist die Verweilzeit des Drahtes in der Aufdampfzone und die Zeit zu berücksichtigen, die der Draht für einen Vollhub über eine Bandbreite benötigt. Die Auswerteeinheit 8, welche ein PC, eine speicherprogrammierbare Steuerung oder ein Analogrechenbauteil sein kann, verarbeitet laufend 5 Meßvariable D1, D2, vb, vd, tb, sowie die Konstanten c2, B, N und den laufenden Zähler n.

Die Aufnahme der Variablen vb und vd erfolgt normalerweise über an den entsprechenden Antrieben angebaute Tachogeneratoren oder Inkrementalzählern, die Variable tb über einen Zeitzähler. Die Signale werden in analoger oder digitaler Form den Eingängen der Auswerteeinheit zugeführt. Die Konstanten können fest programmiert sein oder ebenfalls wie Variable veränderlich eingegeben werden.

Zur Messung von D1 und D2 wird ein mit fester Frequenz oszillierender Laserstrahl 9 benutzt, dessen Richtung senkrecht zur Drahtrichtung und senkrecht zur Aufdampfrichtung steht. Ein schneller Meßsensor, zum Beispiel ein Photosensor 10 mißt die Zeit, in welcher der Laserstrahl unterbrochen wird, als Maß für die Dicke des bedampften Drahtes. Diese Meßeinrichtung erlaubt eine hohe Auflösung bis zur Wellenlänge des Laserlichtes von ca. 7000 Angström. Die typische Dicke des verwendeten Drahtes beträgt 0.2 mm. Bei Verweilzeiten von 20 s ist bei technischen Bedampfungsprozessen mit einem Schichtaufbau am Draht von ca. 24-40 Mikrometern zu rechnen, bei der Zink- oder Aluminiumbedampfung von Blechbändern mit bis zu 0.2 mm. Die Auflösung liegt demnach zwischen 0,4 bis 3%.

Technische Drähte haben Dickentoleranzen. Deshalb ist vorgesehen, einen zweiten Laserlicht- Sender als Meßsensor 11 einzusetzen, welcher die jeweilige Drahtdicke vor dem Eintritt in den Bedampfungsbereich mißt und der Berechnung als eine weitere Variable zuführt.

Weiter ist vorgesehen, die Ab- und Aufwickelspulen des Drahtes außerhalb des Vakuums anzuordnen. Gepumpte Druckstufen bekannter Bauweise erlauben das Ein- und Ausfahren des Drahtes.

Wird die Zahl der Messungen über eine Hublänge des Drahtes, welche der Bandbreite des zu bedampfenden bandförmigen Materials 2 entspricht, wesentlich erhöht, läßt sich statt einzelner Schichtdicken-Säulen eine komplette Kurve der Schichtdicke über der Bandbreite darstellen. Auch eine Darstellung als Zahlenreihe ist möglich.

Claims

1. Meßeinrichtung zur Bestimmung der geometrischen Dicke von aufgedampften Schichten auf bandförmigem Material unter Vakuum, bei der ein Draht (3) von einer Abwickelspule (4) durch den Dampfraum zwischen dem Verdampfer (1) und dem bewegten, bandförmigen Material (2) zu einer Aufwickelspule (5) transportiert wird und der Draht (3) nach einer Verweilzeit im Dampfstrom vor seiner Aufwicklung durch einen Wegsensor (7) und einen Dickensensor (9) transportiert wird, wobei ersterer in vorgegebenen Abständen jeweils Messungen auslöst und diese Messungen den Orten zugeordnet werden, an welchen sich die bedampften Zonen des Drahtes (3) relativ zur Bahnbreite des bewegten, bandförmigen Materials (2) während der Verweilzeit des Drahtes (3) befunden hatten.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dickensensor (9) ein quer zur Drahtrichtung oszillierender Laserstrahl verwendet wird, welcher auf einen schnellen Photosensor (10) gerichtet ist und die Unterbrechungszeit des Strahls als ein der Dicke des Drahtes (3) und der darauf haftenden Bedampfungsschicht proportionales Zeitsignal mißt.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen am Draht (3) während des Beschichtungsprozesses erfolgen und aus ihnen die Schichtdicke auf der bewegten Bahn berechnet und angezeigt wird.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Meßstellen über die Bahnbreite zwischen 3 und 1000 beträgt.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung der errechneten Schichtdicken auf der Bahn an den Orten in Querrichtung zur Bewegungsrichtung des Bandes auf einem Bildschirm als ein Diagramm aus Säulen, als Zahlenreihe oder als fortlaufende Kurve erfolgt.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Abweichung von einer Soll-Schichtdicke quer zur Bahnrichtung als Regelgröße für die Veränderung der örtlichen Verdampfungsleistung verwendet werden.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der noch unbedampfte Draht (3) von einem zweiten Meßsensor (11) in seiner Dicke gleichzeitig gemessen wird, so daß sich die auf dem Draht (3) aufgedampfte Dicke unabhängig von Dickenschwankungen des Drahtes (3) aus der Differenz der Meßergebnisse vor und nach der Bedampfung bestimmen läßt.

8. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab- (4) und Aufwickelspulen (5) des Drahtes (3) außerhalb des Vakuums angeordnet sind und das Ein- und Ausfahren des Drahtes (3) über gepumpte Druckstufen erfolgt.

9. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Drähte (3) aus Stahl, Nickel, Wolfram oder Molybdän im Dickenbereich von 0.1 bis 1 mm verwendet werden.