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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dünnfilm-Abscheidung.
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Eine
Vorrichtung zur Ionenstrahl-Sputter-Abscheidung ist ein Beispiel
für eine
Vorrichtung, die zum Erzeugen von Dünnfilm-Strukturen auf Substraten
verwendet werden. Beispielsweise werden unter Verwendung einer solchen
Vorrichtung Dünnfilmfilter für Dichte-Wellenlängen-Multiplexing-(DWDM
= "Dense Wave Length
Division Multiplexing")-Filter und
Ringlaser-Gyroskop-(RLG)-Spiegel hergestellt. Diese Hochqualitätsfilter
werden in optischen Kommunikationsnetzwerken verwendet. Digitale
Information wird auf verschiedene Lichtfrequenzen kodiert und diese
werden gemultiplext und über
Lichtleiter übertragen.
Am Empfänger
werden ähnliche
Filter verwendet, um den Lichtstrom in seine ursprünglichen
separierten Kanäle
zu demultiplexen.
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Die
Filter sind aus vielen wechselnden Materialschichten mit unterschiedlichen
Brechungsindizes (BI) zusammengesetzt. Typische Schichten sind Siliziumdioxid
(SiO2) und Tantalpentoxid (Ta2O5). Die unterschiedlichen Werte von BI in
Kombination mit der bestimmten Schichtabfolge ermöglichen
die Herstellung einer Vorrichtung, welche die Übertragung einiger Frequenzen
erlaubt, während
andere reflektiert werden, wodurch ein Filter erzeugt wird. Um die
Spezifikation des Filters zu erfüllen,
muß die
Dicke jeder einzelnen Schicht genau eingehalten werden.
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Die
Dicke wird mit einem optischen Monitor (OM, optische Meßvorrichtung)
gemessen. Dieser mißt
direkt die optischen Dämpfungseigenschaften, indem
Licht, wie beispielsweise ein Laserstrahl, durch die Vorrichtung
gerichtet wird und die Menge des übertragenen Lichtes gemessen
wird. Typischerweise liegt die Strahlung (das Licht) im infraroten Wellenlängenbereich,
es werden aber auch Wellenlängen
des sichtbaren oder "Weißlicht"-Bands verwendet.
DVDM-Filter verwenden einen optischen Infrarotlaser-Monitor und
RLGs verwenden Weißlicht-Varianten.
Aus Präzisionsgründen ist
es wünschenswert,
die Dicke während
des Abscheidungsvorgangs zu messen. Deshalb muß der OM in das Abscheidungssystem
integriert sein.
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Der übliche Aufbau
besteht darin, den OM außerhalb
der Vakuumkammer der Vorrichtung zu montieren, wobei der Laser durch
ein vakuumdichtes Fenster tritt und der Empfänger an einem anderen Fenster
befestigt ist, so daß der
abgeschiedene Filter den Strahl unterbricht. Der Vorteil dieses
Aufbaus besteht darin, daß die
sensiblen Komponenten des OM nicht der rauhen Umgebung im Inneren
der Vakuumkammer ausgesetzt sind. Nachteile bestehen in zweifacher
Hinsicht; da die sendende Lichtquelle und der verknüpfte Empfänger durch
eine relativ große
Distanz voneinander getrennt sind bestehen Probleme bei der Aufrechterhaltung
der Ausrichtung. Es ist aufgrund der Größe und geometrischen Beschränkungen,
die durch andere Abscheidungskomponenten bedingt sind, schwierig,
diesen physikalischen Abstand zu verringern. Das zweite Problem
besteht darin, daß durch
die Befestigung des Lasers und des Empfängers an den Vakuumfenstern
die Position des Filters festlegt wird. Daraus ergeben sich Beschränkungen
bezüglich
der Position der anderen Komponenten. Im Ergebnis ist die Flexibilität des Gesamtsystems
beeinträchtigt.
Um Schichten höchster
Qualität
zu erhalten ist es erforderlich, daß man in der Lage ist, die
Winkel zwischen den Hauptkomponenten einzustellen. Das Montieren
des OM auf Vakuumfenstern beschränkt
diese Einstellung.
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Die
U5-A-3636917 stellt eine optische Monitorvorrichtung dar, in der
sich Lichtleiter von einer Quelle bzw. einem Empfänger durch
eine Kammerwand in die Kammer selbst erstrecken und an einem festen
Kopf neben dem Substrat enden.
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Auch
die
GB1179413 offenbart
ein System, in dem sich Lichtleiter in die Vakuumkammer neben einem
Substrat erstrecken.
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Die
US3400687 offenbart ein
Monitorsystem, in dem eine Quelle und ein Empfänger innerhalb der Kammer lokalisiert
sind, was offensichtlich unerwünscht
ist, da die Gefahr besteht, daß diese
sensiblen Komponenten beschädigt
werden.
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Die
US-A-5745240 beschreibt ein in-situ-Spannungsmeßsystem zur Messung von Spannungen
innerhalb eines Dünnfilms
nach dessen Abscheidung auf einem Substrat.
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Vor
kurzem erst wurde eine Dünnfilm-Abscheidungsvorrichtung
entwickelt, bei der nicht nur zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Abscheidung
das Substrat rotiert, sondern das rotierende Substrat selbst auch
auf einem beweglichen Halter befestigt ist. Die letztgenannte Bewegung
erschwert die Überwachung
der Abscheidung mittels Verwendung der oben beschriebenen Techniken.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt eine
Dünnfilm-Abscheidungsvorrichtung
eine Verarbeitungskammer (bzw. Prozeßkammer) innerhalb der ein
beweglicher Substrathalter montiert ist; sowie eine Meßvorrichtung
mit einem Strahlungsgenerator und einem Strahlungsdetektor, die
bewirkt, daß Strahlung
auf ein Substrat auf dem Halter auftrifft und Strahlung nach dem
Auftreffen auf das Substrat detektiert wird, sowie ein Verarbeitungssystem
zum Messen von vom Strahlungsdetektor empfangener Strahlung. Die
Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Strahlungsdetektor
als auch der Strahlungsgenerator mit jeweiligen Lichtleitern gekoppelt
sind, die an entsprechenden auf dem Substrathalter montierten Strahlungsempfangs-
und Strahlungssendeorten enden, und die in Beitrieb an gegenüberliegenden
Seiten eines Substrats auf dem Halter lokalisiert sind; sowie dadurch,
daß der
Substrathalter einen Abschnitt aufweist, der bezüglich den Strahlungssende-
und Strahlungsempfangsorten beweglich ist, so daß ein Substrat an den Lichtleitern vorbei
bewegt werden kann, wobei der bewegliche Abschnitt einen rotierbar
montierten Substratträger zum
Rotieren des Substrats bezüglich
der Strahlungssende- und Strahlungsempfangsorte umfaßt, wodurch
Strahlung, die durch den Lichtleiter am Sendeort ausgesendet wird,
in Betrieb durch ein transparentes Substrat läuft und vom Lichtleiter am
Empfangsort empfangen wird.
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Vorzugsweise
umfaßt
die Vorrichtung ferner eine zweite Monitorvorrichtung mit einem
Strahlungsgenerator und einem Strahlungsempfänger, die bewirkt, daß Strahlung
auf ein Substrat auf dem Halter auftrifft und Strahlung nach dem
Auftreffen auf dem Substrat detektiert wird, wobei das Prozesssystem die
von dem Strahlungsempfänger
der zweiten Monitorvorrichtung empfangene Strahlung überwacht.
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Diese
neue Erfindung ermöglicht
es, die Lichtleiter, die mit dem oder jedem Strahlungsgenerator
und Strahlungsdetektor gekoppelt sind, physikalisch nahe beieinander
zu lokalisieren, wodurch Drift aufgrund von Fehlausrichtung minimiert
wird und das oben genannte erste Problem angesprochen wird. Da die
Lichtleiter auf dem Substrathalter montiert sind, bleiben zudem
die Relativpositionen dieser Komponenten und des Substrats konstant
und ist unabhängig
von der Bewegung des Halters, wodurch der zweite Nachteil des konventionellen
Aufbaus vermieden wird.
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Typischerweise
wird die Strahlungswellenlänge
(Infrarot, Weißlicht,
etc.) so gewählt,
daß sie auf
den abzuscheidenden Filter abgestimmt ist. Die Erfindung ist aber
gleichermaßen
anwendbar zur Verwendung bei einer beliebigen Wellenlänge oder einem
beliebigen breiten Wellenlängenspektrum.
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Die
Verwendung von Lichtleitern ermöglicht eine
Positionierung des Generators und des Detektors entfernt von dem
Substrathalter, typischerweise außerhalb der Verarbeitungskammer
wo die Umgebungsbedingungen günstiger
sind, fernab von der Kammer. Der Detektor weist insbesondere eine
begrenzte Temperaturspezifikation auf. Die einfachste Möglichkeit
damit umzugehen besteht darin, ihn an einen kühleren Ort zu verschieben.
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Die
Erfindung ist für
verschiedene Dünnfilm-Abscheidungsvorrichtungen
anwendbar umfassend Ionenstrahl-Sputter,
Magnetron-Sputter, die auch als chemische Dampfabscheidung (CVD),
und Plasma-verstärkte
CVD (PECVD) bezeichnet werden.
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Der
Begriff "Dünnfilm" ist im Stand der
Technik wohl bekannt und umfaßt
Filme, die mittels Dampfabscheidung auf einem Substrat abgeschieden
werden. Sie können
eine Dicke von einer Atomschicht bis hin zu über hundert Mikrometern aufweisen.
Für diese
Anwendung weisen sie aber üblicherweise
einige hundert Nanometer auf.
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Ein
weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung besteht darin, daß wir herausgefunden
haben, daß die
Struktur, die als Halterung für
den Strahlungssender und Strahlungsempfänger dient, Rauschen einführen kann,
das die Genauigkeit des Meßprozesses beeinflußt. Um dieses
Problem zu lösen,
stellen wir im bevorzugten Ausführungsbeispiel
ein System bereit, um Temperaturänderungen
der Halterungsstruktur zu kompensieren, typischerweise eine Halteklammer,
und dieses Kompensationssystem umfaßt vorzugsweise ein Kühlsystem.
Der Grund dafür
daß Rauschen
eingeführt
wird, besteht in der Expansion und Kontraktion der Halterungstruktur
(Klammer), und durch Bereitstellung einer Temperaturkompensation
kann dieses Problem deutlich reduziert werden.
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Ein
Beispiel für
eine Ionenstrahl-Sputter-Abscheidungsvorrichtung
gemäß der Erfindung
wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
von denen:
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1 eine
schematische, teilaufgebrochene perspektivische Ansicht der Vorrichtung
ist;
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2 eine
schematische perspektivische Ansicht des Substrathalters und der
Montierung des optischen Monitors aus 1 ist, die
detaillierter gezeigt sind und wobei einige Teile zur Klarheit ausgelassen
wurden; und
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3 ein
Blockdiagramm eines Teils der Vorrichtung ist.
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Die
in 1 gezeigte Vorrichtung umfaßt eine Vakuumkammer 1.
Eine Ionenquelle 2 ionisiert Argon-Gas und beschleunigt
die positiven Ionen in Richtung eines Targets eines Targetpaars 3.
Jedes Target 3 ist eine Materialscheibe von ungefähr 200 mm
Durchmesser und 6 mm Dicke, die an einem wassergekühlten Target-Halter 4 befestigt
ist. Der Target-Halter 4 kann
um ihre Achse rotieren, so daß jeweils
eines der Targets 3 dem Ionenstrahl ausgesetzt werden kann,
wodurch eine Abscheidung der zwei benötigten Materialien ermöglicht wird.
Der einfallende Ionenstrahl erodiert die Oberfläche des Targets 3.
Dieser Prozeß wird
als "Sputtern" bezeichnet. Eine Materialschwade
oder ein Materialfluß wird
erzeugt und wandert senkrecht von der Oberfläche des Targets 3 in
Richtung eines Substrathalters 5. Dieser hält das Substrat
(nicht gezeigt), typischerweise eine 200 × 6 mm-Scheibe aus Material,
das bei den involvierten Frequenzen optisch transparent ist und
auf die der Abscheidungsfluß abgeschieden
wird, um den Filter auszubilden.
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Die
Substrate sind aus einer speziellen Glassorte mit sehr geringer
Temperaturdrift und einem Oberflächen-Finish
hoher Qualität
hergestellt. Typischerweise haben sie bei den involvierten Wellenlängen einen
sehr hohen Transmissionsgrad, z.B. > 98.5%, einen definierten Brechungsindex
mit einer sehr geringen Temperaturabhängigkeit. Ein Beispiel des
Substrattyps ist WMS02, hergestellt von Ohara Corporation – ein Glas,
das über
das Frequenzband von 370 nm bis 2 μm transparent ist. Der Substrathalter 5 kann
auch, wie gezeigt, um seine eigene Achse gekippt werden. Die Möglichkeit,
die Position des Substrathalters 5 und des Target-Halters 4 zu ändern, bietet
dem Benutzer eine hohe Flexibilität bei der Optimierung der Leistungsfähigkeit
der Maschine. Die Position sowohl des Target-Halters als auch des
Substrathalters wird durch Servo-Mechanismen eingestellt, die in
dem Diagramm nicht gezeigt sind. Der Substrathalter 5 weist
eine entfernbare Abschirmung 7 auf, welche den Substratmechanismus
vor einer Beschichtung durch den nicht von dem Substrat aufgehaltenen
Abscheidungsfluß schützt. Um
eine hohe Gleichmäßigkeit
der Abscheidung zu ermöglichen,
wird die Flußschwade
größer gemacht
als das Substrat und die "Übersprühung" beschichtet den Substrathalter.
Die Abschirmung 7 ist entfernbar, so daß sie gereinigt werden kann.
In diesem Beispiel ist kein separates Meßsubstrat erforderlich.
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In 1 ist
eine zweite Ionenquelle 6 gezeigt. Diese wird verwendet,
um Sauerstoff zu ionisieren, um den Abscheidungsprozeß zu unterstützen. Sie
ist für
diese Erfindung nicht relevant und ist nur zur Vollständigkeit
einbezogen.
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Das
Substrat wird mittels eines Roboterarms auf den Substrathalter 5 geladen,
der über
eine normalerweise abgedichtete Eintrittsöffnung 20 in die Kammer 1 eintritt.
Der Substrathalter 5 wird rotiert, bis das Substrat mit
der Zentralachse der Eintrittsöffnung
ausgerichtet ist. Sie wird mit einem Vakuumventil abgedichtet. Sowohl
das Ventil als auch der Roboterarm wurden zur Klarheit nicht dargestellt.
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Das
Vakuum wird in der Kammer 1 durch Pumpen erzeugt, die am
Boden der Kammer befestigt sind. Diese sind ebenfalls in dem Diagramm
nicht gezeigt.
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Die 2 und 3 liefern
eine detailliertere Darstellung des Substrathalters 5 bei
entfernter Abschirmung 7. Eine dreiarmige Aufnahmeplatte 8 hält das Substrat
(nicht gezeigt) mit Federhalterungen 9. Sie rotiert während der
Abscherdung um ihre Achse, um die axiale Gleichförmigkeit der Abscheidung zu
verbessern. In ähnlichen
Aufbauten werden die Aufnahmeplatte 8 und die Halterungsanordnung 9 zusammen
als "Substrat-Spannvorrichtung" (bzw. "Substrat-Chuck") bezeichnet.
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Eine
optische Sensor-Halteklammer 10 ist auf dem Substrathalter 5 montiert
und positioniert vakuumdichte Lichtleiterkabel präzise innerhalb
von Röhren
oder Balgen (bzw. bellows) 11, 12. Dies schützt die
Lichtleiter vor der rauhen Umgebung in der Kammer 1 und
verhindert, daß vakuumfähige Teile
erforderlich sind.
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Ähnliche
vakuumdichte Lichtleiterkabel 30, 31 sind unterhalb
der sich drehenden Aufnahmeplatte 8 angebracht, so daß Licht
von den entsprechenden sich außerhalb
der Kammer 1 befindenden Quellen 32, 33 (z.B.
optische bzw. Infrarot-Quellen)
ausgehend von den jeweiligen Lichtleitern in den Röhren 11, 12 senkrecht
durch das Substrat gesendet wird und von entsprechenden Lichtleitern 30, 31 unterhalb des
Substrats empfangen wird. Jeder Lichtleiter 30, 31 überträgt empfangenes
Licht an einen entsprechenden außerhalb der Kammer lokalisierten
Detektor 34, 35, wobei jeder einen beschränkten Frequenzbereich
aufweist. Die Lichtleiterkabel in den Röhren oder Balgen 11, 12 enden
an vakuumdichten Fenstern und sind durch Röhrenabschirmungen 13, 14 geschützt.
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Für Infrarotlicht
von der Laserquelle 33 weist das vakuumdichte Fenster eine
Antireflexionsbeschichtung auf, um interferierende Vielfachreflexionen
von den zwei Flächen
zu vermeiden. Das Weißlicht-(optische)-Fenster
weist eine derartige Beschichtung nicht auf.
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Im
Infrarot-Fall sendet ein Lichtleiter-Kollimator das Licht aus und
die Sammlung wird mittels einer Lichtleiteröffnung erzielt. Für den Weißlichtpfad
werden Linsenpaare (nicht gezeigt) verwendet, um diese Aufgabe zu
erfüllen.
Im wesentlichen fokusiert ein Linsenpaar das Licht in die Lichtleiter
und ein ähnlicher
Aufbau sammelt es am Empfänger.
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Auf
diese Weise wird von jedem Kabel ein dünner paralleler Lichtstrahl
ausgesendet und diese Lichtstrahlen laufen durch das sich drehende
Substrat. Die Strahlen werden durch ähnliche, durch Schutzhüllen 15, 16 geschützte Lichtleiterkabel 30, 31 empfangen
und werden zur Messung in die Detektoren 34, 35,
wie beispielsweise CCDs, geführt.
Die Empfangskabel stehen senkrecht zur Fläche des sich drehenden Substrats,
wodurch Auslesungen bei jeder Umdrehung unabhängig vom Winkel des Substrats
ermöglicht
werden.
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Wie
in 3 gezeigt, könnten
auch mehr als zwei Kabel und zugehörige Lichtquellen verwendet werden.
Ein bevorzugtes Beispiel weist zwei Sender und zwei Empfänger auf,
um eine gleichzeitige Messung von zwei Wellenlängen (z.B. 600 nm und 1550 nm)
im wesentlichen beim gleichen Radius auf dem Substrat zu ermöglichen.
Die in jedem Pfad verwendeten optischen Komponenten werden so ausgewählt, daß sie an
die verschiedenen Frequenzbänder angepaßt sind.
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Alternativ
könnte
auch eine einzelne Lichtquelle Licht an jedes bzw. alle Kabel liefern.
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Die
Lichtquellen 32, 33 und Detektoren 34, 35 sind
mit einem Steuerungscomputer 36 verbunden und befinden
sich alle außerhalb
der Vakuumkammer 1. So sind die Lichtleiter innerhalb der
Röhren
oder Balgen 11, 12 Atmosphärendruck ausgesetzt.
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Die
optische Sensorhalteklammer 10 und die Aufnahmeplatte 8 sind
auf einer Platte 17 montiert. Diese Platte 17 zusammen
mit einem Behälter 18 bilden
ein vakuumdichtes Gehäuse
in dessen Inneren Atmosphärendruck
herrscht, wobei die Kammerwand durch 18A gezeigt ist. In
ihm sind der Motor zur Drehung der Aufnahmeplatte, die Aktuatoren
der Halteklammern und die zugehörigen
Sensoren untergebracht.
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Die
gesamte Anordnung kann um die Zentralachse eines Tragearms 19 rotiert
werden, um eine Änderung
des Winkels zwischen dem Substrat und dem Abscheidungsfluß zu ermöglichen.
Die Relativposition der optischen Halteklammer 10 und des Substrats
bleibt erhalten und ist unabhängig
von der Rotation, wodurch gewährleistet
wird, daß eine
präzise
Messung erreicht wird. Die Aufnahmeplatte 8 kann allerdings
bzgl. der Halteklammer 10 rotieren.
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Die
Vesorgungen, Luft, Wasser, elektrischer Strom, Steuerungssignale
und die Lichtleiterkabel treten über
den hohlen Tragearm 19 in das Gehäuse 1 ein. Dadurch,
daß sie
die gleiche Rotationsachse aufweisen wie der Substrathalter 5,
ist ihr Bewegungsbereich minimiert, wodurch die Belastung der Leitungen
reduziert wird und die Installation in die gesamte Maschine erleichtert
wird.
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Um
eine genaue Ausrichtung zwischen den Abschirmungen 13, 14 und
Schutzhüllen 15, 16 zu erreichen,
können
einstellbare Komponenten (Lichtleiteranschlüsse oder Linsen) an einem Ende
jedes Paars befestigt werden. Ein Lichtleiteranschluß ist eine
Vorrichtung, die eine Schraubjustierung bereitstellt, um das Lichtleiterende
derart zu positionieren, daß Licht über einen
breiten Winkelbereich entweder empfangen oder ausgesendet werden
kann.
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Während des
Betriebs können
sich die Lichtleiterkabel innerhalb der Balge 11, 12 aufgrund
ihrer Nähe
zur Hilfsplasmaquelle überhitzen.
Der Kunststoffpuffer, die äußere Ummantelung
der Lichtleiter, kann schmelzen, was zu einer Verstärkung des
Rauschens und einem möglichen
Ausfall der Lichtleiter führen
könnte.
Dies kann verhindert werden, indem die Balge 11 und 12 gekühlt werden.
Es wurde herausgefunden, daß Wasserkühlung der
Halteklammer 10 ausreicht, um den Faseranschluß während des Prozesses
kühl zu
halten. Die Wasserkühlung
wird mittels der Bodenfläche
der Halteklammer 10 erzielt. Diese Fläche bildet mit der Platte 17 ein
Vakuumsiegel. Einlaß-
und Auslaß-Wasserröhren (nicht
gezeigt) sind mit dem Arm 19 verbunden und gekühlte Flüssigkeit
wird durch eingearbeitete Kanäle
in die Halteklammern gepumpt. Die Kühlung ist wichtig, da sich die
Halteklammer 10, falls sie sich erhitzt, ausdehnt und eine
Verschiebung der Optiken gegeneinander bewirkt, wodurch eine Signalveränderung
bewirkt wird. Auch die Quelle des Kühlwassers ist dahingehend wichtig,
insofern ihre Temperatur extrem stabil sein muß. Es wurde herausgefunden,
daß in
der Praxis die Installation eines getrennten Kühlwassersystems mit geschlossenem
Kreislauf insbesondere für diese
Anordnung erforderlich ist. Das System, das auch als Kälteanlage
bezeichnet wird, wurde aufgrund seiner präzisen und stabilen Temperaturregelung
ausgewählt.
Es wurde erkannt, daß bereits
die Temperaturschwankungen des normalen "Haus"-Kühlwassers
ausreichten, um Änderungen
im Ausgangssignal zu erzeugen.
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Ein
weiteres Problem kann in einer anfänglich groben Ausrichtung des
Strahls liegen. Infrarotlicht ist für das bloße Auge nicht sichtbar und
der Empfänger
würde das
Vorhandensein eines Signals nicht erkennen, außer der Strahl wäre nahe
der Empfangsoptik. Demgemäß ist es
nicht möglich
zu erkennen, in welche Richtung eine Justierung durchgeführt werden
sollte. Die Lösung
ist sowohl einfach als auch elegant; eine kleine Röhre mit
einem geschlossenen Ende bestehend aus einer Strahlauffindungskarte, die
eine mit Phosphor oder ähnlichem
beschichtete Karte ist und die in Gegenwart von Infrarotlicht leuchtet,
wird über
den Empfangs-Schutzhüllen, Gegenstände 15 und 16,
plaziert und zeigt die Strahlposition an.