WO2016058905A1 - Vorrichtung und verfahren zur schichtdickenmessung für dampfabscheideverfahren - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur schichtdickenmessung für dampfabscheideverfahren Download PDF

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Michael Pisch
Michael Schäfer
Jens Schuster
Ralf SORGENFREI
Georg Voorwinden
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Manz Ag
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Definitions

  • the present invention relates to a device, in particular a measuring arrangement for measuring the layer thickness of one by means of a
  • Vapor deposition on a substrate coatable layer and a corresponding method for coating thickness measurement are described.
  • a portion of the vaporized material from a vapor space, typically from a vacuum chamber, and to supply it to a vibrating plate, typically a quartz crystal.
  • the amount of material deposited on the vibrating plate leads to a change in the resonant frequency of the vibrating plate, which can be detected electronically.
  • the shift of the resonance frequency is a measure of the mass and the thickness of the on the extent
  • Vibrating plate accumulating layer With such vibrating plates, a volumetric flow of the evaporated material to be measured during the current coating process can be measured.
  • the vibrating plate is spaced from the vacuum chamber to arrange. It is typically coupled with the vacuum chamber via a decoupling path in gas or steam. When decoupling a vapor jet from the vacuum chamber, it must be ensured that a sufficient amount of material vapor is output for a stable measurement signal. About the
  • the condensation temperature of the decoupled steam jet is fallen below. This can lead, over the longitudinal extent of the decoupling path, to a part of the propagation propagating across the decoupling path
  • measuring devices which have a plurality of vibrating plates, which can be acted upon successively with the material vapor to be measured.
  • vibrating plates are typically arranged on a rotatably mounted carrier of a revolver measuring head. By rotation of the carrier individual vibrating plates arranged thereon can be successively held in the decoupled steam jet or on the vacuum chamber opposite end of the Auskoppeltier be positioned.
  • the present invention is therefore based on the object, a
  • the measuring arrangement should in this respect a lowest possible, but stable and steady influx vapor or gaseous
  • the measuring arrangement should deliver particularly precise measurement results and at the same time one
  • a measuring arrangement according to the independent patent claim 1 and with a method for measuring the layer thickness according to claim 13.
  • Advantageous embodiments are each the subject of dependent claims.
  • a measuring arrangement for measuring the layer thickness of a coatable by means of a vapor deposition on a substrate layer is provided.
  • the measuring arrangement has a measuring head, which with at least one vibrating plate, typically with a
  • the vibrating plate has a resonant frequency which can be determined by an electronic control or evaluation unit and which changes with the addition of a material to be measured on the vibrating plate.
  • the electronic control connected or coupled to the vibrating plate is designed to precisely measure resonant frequency shifts of the vibrating plate due to deposition of materials. By means of an associated evaluation so that the thickness of the on the
  • Vibrating plate knockdown layer determinable.
  • the measuring arrangement is further provided with a decoupling path, which can be coupled or coupled to a first end with a vacuum chamber in gas or steam.
  • the decoupling path further has a second end opposite the first end. At the second end, the decoupling path can be coupled to the measuring head in gas or steam-conducting manner or it is coupled to the measuring head in gas or steam-conducting manner.
  • Vacuum chamber can be done.
  • the decoupling path furthermore has at least one heating section or at least one cooling section.
  • the Auskoppellay is partially or partially selectively heated or cooled.
  • the amount of steam to be supplied to the measuring head via the decoupling path can be precisely controlled or controlled.
  • condensate formation in the region of the decoupling path can be largely avoided.
  • the amount of steam arriving at the vibrating plate can be reduced to a required maximum.
  • Heating section can be an early condensation of over the
  • the decoupling path may have only one heating section or only one cooling section.
  • the heating section and an at least partially active heating of the decoupling path the amount of steam supplied to the vibrating plate can in principle be increased. Should the amount of steam or the volume flow be too large, alternatively or additionally by means of the cooling section, a controlled heating of the decoupling path.
  • the decoupling path has both at least one heating section and at least one cooling section.
  • the decoupling path has a heating section adjacent to its first end. In this way it can be achieved that the steam emerging from the vacuum chamber experiences no condensation at least at the beginning of the decoupling path, so that virtually the entire decoupled from the vacuum chamber and flowing into the decoupling steam is largely completely and without condensation losses over the decoupling distance to the vibrating plate conveyed.
  • the decoupling path has at least one cooling section adjacent to its second end, that is to say facing the measuring head.
  • Cooling section it is possible, the guided over or through the Auskoppelumble amount of steam or a corresponding volume flow immediately before the measuring head and immediately before hitting the
  • the volume flow of the steam arriving at the vibrating plate can be reduced to a fraction of the volume flow coupled out of the vacuum chamber and coupled into the first end of the decoupling path. This reduction in the amount of steam or the volume flow contributes to an extension of the life and service life of the
  • the Auskoppelhold is both with a
  • Heating section and provided with a cooling section.
  • Heating section and cooling section are in this case separated from each other in the longitudinal direction of the decoupling path. Heating section and
  • Cooling section can, viewed in the longitudinal direction of the decoupling, also directly adjacent to each other or merge into each other.
  • the decoupling path has at least one gas- or steam-carrying tube extending between the vacuum chamber and the measuring head.
  • the pipe is in the area of
  • Heating section surrounded by a heater.
  • the heater can
  • Condensation temperature of the steam in question are kept. An unwanted condensation of the steam flowing through the tube to the inner walls of the tube can be reduced to a minimum or be completely suppressed. A possible cleaning for the
  • Auskoppelumble and for the steam-carrying pipe can be reduced in this way. Maintenance intervals for the decoupling path and the associated measuring arrangement can be extended in an advantageous manner. The efficiency of a hereby equipped vacuum coating system can be further increased thereby.
  • the decoupling path in the region of the cooling section has a cold trap with at least one actively coolable
  • the cold trap or the cooling section formed by the cold trap is typically of a cooling medium
  • Temperature level is cooled. In the region of the cooling section and the cold trap condenses a predetermined subset of the above
  • Cooling section at the second end of the Auskoppelumble compared to first end of the decoupling, a reduced by a predetermined amount of volume flow of the steam flows out.
  • cooling section and the heating section adjoin one another directly, so that the steam flow flowing into the cooling section via the heating section causes a sudden cooling and thus a controlled condensation on the inner walls of the
  • Cooling section or the cold trap experiences According to a further embodiment, it is provided that one of gas or
  • Steam-permeable inner cross-section of the cooling section is greater than a gas or vapor flow-through internal cross-section of the
  • Heating section may in particular downstream, that is the
  • the inner cross section of the cooling section is larger than the inner cross section of the heating section, the inner surface of the actively cooled side wall section of the cold trap can be compared to
  • Heating section can be effectively increased.
  • Cooling section in the flow direction the condensation capacity of the cooling section can be increased.
  • the cooling section can absorb a comparatively large amount of the condensing vapor on its inner wall, before the
  • Cooling properties of the cooling section for example by deposition of a comparatively thick layer of the originally vaporous material would possibly be affected.
  • the cooling section of the decoupling section must be strictly separated from one
  • the vibrating plate is typically cooled separately so that the vapor or gaseous material condenses thereon.
  • Auskoppelgiven is, based on the flow of the measuring head and the vibrating plate disposed thereon upstream, so that a defined subset of flowing through the Auskoppelorder
  • Vibrating plate accumulating material can be reduced in this way by a predetermined amount.
  • the cooling section and the
  • cooling section and the heating section are thermally insulated from each other, so that a thermal energy exchange between the cooling section and
  • Heating section is effectively prevented.
  • a thermal decoupling of cold trap and heating serves to improve the respective efficiency of cold trap and heating.
  • At least one heating power of the heating section is adjustable.
  • the cooling capacity of the cooling section can also be designed to be adjustable.
  • Control of the heating power and / or the cooling capacity thus by controlling the maximum and / or minimum heating or cooling temperature, can Condensation and flow behavior of the vapor in the
  • Vacuum chamber decoupled amount of steam flows almost lossless through the heating section and so far reaches loss-free in the flow direction adjacent thereto cooling section.
  • the steam volume flow arriving there can then be reduced to a predetermined extent that extends the service life and service life of the vibration plate.
  • a cooling or heating power which is constant over the service life of the measuring arrangement can also be brought about. If, during continuous operation of the measuring arrangement, a subset of the material vapor flowing via the decoupling path is deposited on the inner wall of the cold trap, this can impair the cooling properties, in particular the thermal conductivity of the at least one actively coolable side wall section of the cold trap. By a controllability of the cold trap, such an effect can be counteracted.
  • Heating section at least 50% to 90% of the total length of the
  • the heating section serves, in particular, for a loss-free conduction of the steam through the decoupling path, while the cooling section is located only at the end of the heating section facing the measuring head for a defined reduction of the heating section
  • the subdivision of the decoupling section into the heating section and the cooling section can vary in accordance with the geometric configurations of the heating section and / or the cooling section, in particular as a function of the internal cross sections of the heating section and the cooling section. Furthermore, the subdivision of the decoupling distance in heating section and the cooling section.
  • the measuring head has at least two or more vibrating plates, which are arranged on a rotatable carrier and can be selectively brought into the region of a housing opening of the measuring head.
  • the measuring head is designed in particular as a turret, so that by rotation of the measuring head by a predetermined angular range, a
  • the vibrating plates can be successively brought into the region of a housing opening of the measuring head by rotating the carrier.
  • the housing opening in question is in extension of the second end of the
  • Decoupling path arranged. As soon as a vibrating plate is in the area of the housing opening of the measuring head, it is with the over the
  • Auskoppelhold funded material vapor acted upon.
  • rotating the carrier can move that vibrating plate outside the region of the housing opening and bring a new, unused vibrating plate into that region of the housing opening of the measuring head.
  • vibrating platens can be exchanged in a defined and reproducible manner, for example during the course of a coating operation.
  • a sealing insert is used in the housing opening of the housing of the measuring head, which is sealingly engageable with the carrier in the interior of the housing to the plant.
  • Sealing insert penetration of the vapor stream into the interior of the housing of the measuring head can be widely prevented. So far unused and arranged outside the range of the housing opening of the measuring head vibrating plates can be effectively protected in this way against premature deposition of material vapor.
  • the sealing insert in particular the space between the housing of the measuring head and the vibrating plate arranged within the housing is largely filled.
  • the arranged on the housing sealing insert may also have a relatively small sliding or
  • the sealing insert projects so far into the housing of the measuring head, so that only the vibration plate arranged in the working position or in the region of the housing opening is subjected to material vapor, while all other vibrating plates are applied via the sealing insert
  • the invention relates to a method for measuring the layer thickness of a coatable by means of vapor deposition on a substrate layer. The procedure results from the
  • a first step it is provided here to decouple a vapor or gaseous medium from a vacuum chamber and thereby
  • the decoupling path is at least partially actively heated or actively cooled. In particular, it may be provided to heat a first section of the decoupling path and to actively cool a section of the decoupling section adjacent thereto in the longitudinal direction.
  • a vapor deposition rate at the second end of the decoupling section facing away from the vacuum chamber is ultimately measured.
  • the change in the vibration behavior of the vibrating plate is measured, which is a measure of the deposition rate or of the thickness of the layers accumulating on the vibrating plate.
  • the thickness of the layer depositing on the vibrating plate is a direct measure of the layer thickness on a substrate arranged inside the vacuum chamber, while it is subjected to a coating process.
  • Vibrating plate annealing layer can be a fraction of the
  • Substrate within the vacuum chamber accumulating layer amount.
  • a scaling or calibration factor between the layer thickness that can be measured on the vibrating plate and the actual layer thickness on the substrate located inside the vacuum chamber can be determined according to FIG.
  • Configuration and operation of the cold trap or the cooling section of the decoupling path vary.
  • a conclusion can be drawn about the thickness of the layer actually present on the substrate from the thickness of the layer which accumulates on the vibrating plate and can be measured by means of the vibrating plate.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the measuring arrangement in a first
  • Fig. 2 is a further schematic representation of the measuring arrangement in
  • Figure 3 is an enlarged schematic diagram of the second end of the
  • the measuring arrangement 1 0 is connected to a
  • Vacuum chamber 20 connected, in which typically to
  • coating substrate 24 is arranged.
  • the substrate is subjected within the vacuum chamber 20 to a surface treatment process, for example a coating procedure.
  • the coating process is a wide variety of coating methods, typically
  • Vacuum chamber 20 is designed for example for coating substrates for display applications or solar cells.
  • the vacuum chamber 20 may in particular be designed to generate a plasma intended for the coating process.
  • the vacuum chamber 20 is also suitable for plasma-assisted
  • the vacuum chamber 20 for Coating process for example, the vacuum chamber 20 for
  • the measurement arrangement can serve, inter alia, the layer thickness measurement of a selenium layer on the substrate 24 or on other layers already applied to the substrate 24.
  • the measuring arrangement 10 has a decoupling path 1 2, which can be coupled or coupled to the vacuum chamber 20 in gas or vapor conducting manner.
  • the decoupling path 1 2 is coupled with a first end 1 2a with the vacuum chamber 20 gas or steam.
  • the decoupling path 1 2 is further coupled with its end remote from the vacuum chamber 20 1 2b, ie with a second end 1 2b with a measuring head 30 gas or Dampffusedd coupled. In the present embodiment, it is permanently coupled to the measuring head 30.
  • the measuring head as will be explained later with reference to FIGS. 3 and 4, has at least one vibrating plate 50, 52, whose resonance or vibration behavior is electrically measurable, and which resonance or vibration behavior can be measured as a result of an attachment of material changes.
  • the vibrating plate 50, 52 is typically cooled, so that the steam flow supplied to the vibrating plate 50, 52 undergoes condensation on the vibrating plate, as a result of which the vaporous or gaseous material attaches to the vibrating plate and thus its
  • the decoupling path 1 By means of the decoupling path 1 2, a portion of the material vapor generated in the vacuum chamber 20 from the chamber 20 can be branched off. Within the chamber, a constant precipitation or a constant condensation of the relevant vaporous material would not be feasible due to the thermal conditions prevailing there. By means of the decoupling section 1 2, the vapor or gaseous material in an off the
  • Vacuum chamber 20 lying area are conveyed, in which the suitable for measuring the film thickness thermal conditions and
  • the decoupling path 1 2 has at or adjacent to its first end 1 2a a heating section 1 6, which is provided by means of a heater 26 shown in FIG.
  • the Auskoppeltier 1 2 has in particular a steam-carrying tube 14, which extends from the vacuum chamber 20 to the measuring head 30. In the area of the heating section 1 6, the tube 14 is surrounded by the heater 26.
  • the heater 26 can be single
  • the heater 26, or their heating coil are presently arranged on the inside of a tube 14 enclosing the sleeve 25.
  • the tube 14 can be kept at a predetermined temperature level, so that an early condensation of the guided in the tube vapor material is prevented.
  • the Auskoppelrange 1 2 further includes a cooling section 1 8, which is located at the second end 1 2b of the Auskoppelrange 1 2.
  • the cooling section 1 8 can directly adjoin the heating section 1 6. However, it can also be separated from it or thermally decoupled from the heating section 1 6.
  • the cooling section 1 8 is designed in particular as a cold trap 28 and is provided with its own cooling 29.
  • the cooling 29 can in particular be a hollow chamber structure in at least one
  • a hollow chamber structure can be acted upon by a cooling medium and, accordingly, flowed through by a cooling medium located at a predetermined temperature level.
  • a connecting piece 22 for fluidic coupling between Auskoppeltier 1 2 and measuring head 30 is provided at one of the vacuum chamber 20 remote from the end of the cooling section 1 8.
  • a connecting piece 22 for fluidic coupling between Auskoppeltier 1 2 and measuring head 30 is provided at one of the vacuum chamber 20 remote from the end of the cooling section 1 8.
  • an inflow 1 8a and a drain 1 8b for the cooling or refrigerant are further shown.
  • a suitable coolant or refrigerant for example, water at room temperature or below in question.
  • Cooling section 1 8 the heating section 1 6 and inlet and outlet 1 8a, 1 8b mechanically interconnected.
  • Inner cross section QK which is greater than the inner cross section QH of the upstream thereto lying Edelungsabitess 1 6. Based on the length of the Auskoppelrange 1 2, the cooling section 1 8, a larger inner wall surface than the heating section 1 6 and thus a
  • Heating section 1 6 per unit length even with the onset of condensation on the inner walls of the cooling section 1 8 an undiminished or effected by condensation hardly affected cooling that section.
  • the combination of the heating section 16 and the downstream cooling section is advantageous insofar as that by means of the heating section
  • Heating section 1 6 can be transported. There and with the arrival of the steam in the cooling section 1 8 can then take place a controlled or controllable condensation of the supplied material vapor to the
  • the length of the heating section 16 is typically greater than the length of the cooling section 18 adjacent thereto in the longitudinal direction.
  • the heating section 1 6 is at least twice, three times or four times as long as the cooling section 1 8.
  • Cooling section 18 can be adapted to the respective process in the vacuum chamber 20 as well as to the material to be measured.
  • the layer thickness of a selenium layer on a substrate 24 can be measured by means of the measuring arrangement 10 described here.
  • the steam-carrying pipe 14 is represented as a single pipe extending directly from the vacuum chamber 20 to the measuring head 30, which in the region of the heating section 16 and in the region of the cooling section 18 each have an identical one
  • Heating section 1 6 the radially expanded cooling section 1 8 over.
  • the tube 14 or the tube formed therefrom At the end of the measuring head, the tube 14 or the tube formed therefrom
  • Auskoppelset 1 2 designed to be largely open, as can be seen from the enlarged view of FIG. The output of the
  • Auskoppelrange 1 2 and the second end 1 2b of the Auskoppelrange 1 2 is approximately in alignment with a housing opening 36 of the housing 34 of the
  • the measuring head 30 has, inside its housing 34, a rotatably mounted carrier 32, which is rotatable or adjustable relative to a rotation axis 33 between various discrete positions.
  • the carrier 32 is aligned in the housing 34 such that a arranged on the carrier 32
  • Vibrating plate 50 comes to lie approximately in alignment with the housing opening 36. The respective vibrating plate 50 is thus over the
  • Auskoppelset 1 2 exposed material vapor exposed.
  • quartz plate vibrating plate 50 can be excited to oscillate, the frequency of which changes measurably with addition of previously vaporous condensed material.
  • At least one further vibrating plate 52 is further arranged, which in the illustration of FIG. 3 in an outside the housing opening 36 lying area inside the housing 34 comes to rest.
  • the housing opening 36 is further provided with an insert 40, which insert acts as a sealing insert. It has an outwardly projecting flange portion 42, which in the one shown in Fig. 4
  • the sealing insert 40 is further provided with a projecting into the housing opening 36 stub 44.
  • the nozzle 44 comes with its free and projecting into the housing 34 end with a seal 46 to the plant, which z. B. is formed as a sealing washer and disposed on the inside of the housing 34.
  • Seal insert 40 and seal 46 are gas-or fluid-sealingly engageable with each other to the plant, so that the outside of the housing opening 36 and disposed inside the housing 34
  • Vibrating plate 52 is widely protected from the penetrating into the housing 34 material vapor.
  • the seal 46 or the sealing ring is typically made of a material with good sliding properties, so that a sealing arrangement between the seal 46 and sealing insert 40 is relatively simple and
  • the housing 34, the carrier 32 and the measuring head 30 are typically made of a heat and acid resistant material, such as a steel of appropriate quality.
  • the seal 46 may be made of pyrolytic boron nitride (PBM) or polyetheretherketone (PEEK), for example.
  • PBM pyrolytic boron nitride
  • PEEK polyetheretherketone
  • a vibration plate 40 in working position in FIG. 4 is so covered with condensed matter that it loses its oscillation properties, it can be achieved by simply turning the carrier 32 relative to the latter

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messanordnung zur Schichtdickenmessung einer mittels eines Dampfabscheideverfahrens auf einem Substrat aufbringbaren Schicht, mit: einem Messkopf (30), welcher mit zumindest einem Schwingplättchen (50, 52) versehenen ist, einer Auskoppelstrecke (12), welche mit einem ersten Ende (12a) mit einer Vakuumkammer (20) für das Dampfabscheideverfahren gas- oder dampfführend koppelbar ist und welche mit einem gegenüberliegenden zweiten Ende (12b) mit dem Messkopf (30) gas- oder dampfführend koppelbar ist, wobei die Auskoppelstrecke (12) zumindest einen Heizungsabschnitt (16) oder zumindest einen Kühlabschnitt (18) aufweist.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZU R SCHICHTDICKENMESSUNG FÜR DAMPFABSCHEI DEVERFAHREN
B e s c h r e i b u n g
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere eine Messanordnung zur Messung der Schichtdicke einer mittels eines
Dampfabscheideverfahrens auf einem Substrat aufbringbaren Schicht sowie ein entsprechendes Verfahren zur Schichtdickenmessung.
Hintergrund
Für die Regelung und Steuerung von Beschichtungsvorgängen von
Substraten mittels Verdampfungsprozessen bzw. mittels
Dampfabscheideverfahren ist es erforderlich, die Menge bzw. den
Volumenstrom des verdampfenden und sich auf dem Substrat
niederschlagenden Materials zu messen. Mittels derartiger Messungen kann ein Verdampfungsprozess, mithin der gesamte Beschichtungsprozess, hinreichend kontrolliert bzw. gesteuert werden.
Für einige Materialien und Elemente, beispielsweise für Selen, ist es grundsätzlich bekannt, einen Anteil des verdampften Materials aus einem Dampfraum, typischerweise aus einer Vakuumkammer auszukoppeln und einem Schwingplättchen, typischerweise einem Schwingquarz zuzuführen. Die Menge des sich am Schwingplättchen abscheidenden Materials führt zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz des Schwingplättchens, die elektronisch erfasst werden kann. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz ist insoweit ein Maß für die Masse und die Dicke der sich auf dem
Schwingplättchen anlagernden Schicht. Mit derartigen Schwingplättchen kann insoweit ein Volumenstrom des zu messenden verdampften Materials während des laufenden Beschichtungsvorgangs gemessen werden.
Das Schwingplättchen ist beabstandet zur Vakuumkammer anzuordnen. Es ist typischerweise über eine Auskoppelstrecke gas- oder dampfführend mit der Vakuumkammer zukoppeln. Bei der Auskopplung eines Dampfstrahls aus der Vakuumkammer ist zu gewährleisten, dass eine für ein stabiles Messsignal ausreichende Menge des Materialdampfs ausgekoppelt wird. Über die
Auskoppelstrecke hinweg kann es jedoch dazu kommen, dass eine
Kondensationstemperatur des ausgekoppelten Dampfstrahls unterschritten wird. Dies kann über die Längserstreckung der Auskoppelstrecke dazu führen, dass ein Teil des über die Auskoppelstrecke hinweg propagierenden
Materialdampfs kondensiert. Eine derart unerwünschte Kondensation führt natürlich zur Verfälschung des Messsignals. Des Weiteren ist zu beachten, dass bekannte Schwingplättchen,
typischerweise in Form von Quarz- oder anderweitigen piezoelektrischen Kristallen unter fortwährender Ablagerung von Material allmählich ihre
Fähigkeit verlieren, in einem geforderten Resonanzbereich zu schwingen. Die Gebrauchsdauer derartiger Schwingplättchen ist insoweit stark von der Materialmenge abhängig, die sich am Schwingplättchen anlagert.
Um die Gebrauchsdauer bekannter Messanordnungen zu verlängern, sind Messeinrichtungen bekannt, die mehrere Schwingplättchen aufweisen, die nacheinander mit dem zu messenden Materialdampf beaufschlagbar sind. Mehrere solcher Schwingplättchen sind dabei typischerweise an einem drehbar gelagerten Träger eines Revolvermesskopfs angeordnet. Durch Drehung des Trägers können einzelne hieran angeordnete Schwingplättchen nacheinander in den ausgekoppelten Dampfstrahl gehalten werden bzw. am der Vakuumkammer abgewandten Ende der Auskoppelstrecke positioniert werden.
Bekannte Revolvermessköpfe sind oftmals nur unzulänglich abgedichtet, sodass noch nicht genutzte Schwingplättchen vor ihrem Einsatz eine ungewollte Beschichtung erfahren. Hierdurch werden nicht nur die
Messergebnisse verfälscht, sondern die Reproduzierbarkeit von Messungen, insbesondere beim Wechsel von Schwingplättchen, kann hierdurch
beeinträchtigt sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
verbesserte Messanordnung zur Schichtdickenmessung einer mittels eines Dampfabscheideverfahrens auf einem Substrat aufbringbaren Schicht bereitzustellen. Die Messanordnung soll insoweit einen geringstmöglichen, aber stabilen und stetigen Zustrom dampfförmigen bzw. gasförmigen
Materials am Schwingplättchen zur Verfügung stellen. Die Messanordnung soll besonders präzise Messergebnisse liefern und gleichzeitig eine
vergleichsweise hohe Lebensdauer der zur Schichtdickenmessung zu verwendenden Schwingplättchen ermöglichen.
Es ist daher eine weitere Zielsetzung, eine ungewollte Beschichtung von nicht im Dampfstrahl befindlicher Schwingplättchen möglichst zu vermeiden oder so weit als möglich zu unterdrücken, um exaktere und reproduzierbarere
Messungen, insbesondere beim Wechsel von Schwingplättchen zu
ermöglichen um hierdurch letztlich die Regelung und Steuerung von
Verdampfungsprozessen zu vereinfachen.
Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen Diese Aufgabe wird mit einer Messanordnung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie mit einem Verfahren zur Schichtdickenmessung gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche. Insoweit ist eine Messanordnung zur Schichtdickenmessung einer mittels eines Dampfabscheideverfahrens auf einem Substrat aufbringbaren Schicht vorgesehen. Die Messanordnung weist einen Messkopf auf, welcher mit zumindest einem Schwingplättchen, typischerweise mit einem
Schwingquarzplättchen oder einem piezoelektrischen Kristall versehen ist. Das Schwingplättchen weist eine von einer elektronischen Ansteuerung oder Auswerteeinheit ermittelbare Resonanzfrequenz auf, die sich mit Anlagerung eines zu messenden Materials am Schwingplättchen verändert. Die mit dem Schwingplättchen verbundene oder gekoppelte elektronische Steuerung ist dazu ausgelegt, Resonanzfrequenzverschiebungen des Schwingplättchens infolge einer Anlagerung von Materialien präzise zu messen. Mittels einer zugehörigen Auswerteelektronik ist damit die Dicke der sich auf dem
Schwingplättchen niederschlagenden Schicht bestimmbar.
Die Messanordnung ist ferner mit einer Auskoppelstrecke versehen, die mit einem ersten Ende mit einer Vakuumkammer gas- oder dampfführend koppelbar bzw. gekoppelt ist. Die Auskoppelstrecke weist ferner ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende auf. Mit dem zweiten Ende ist die Auskoppelstrecke mit dem Messkopf gas- oder dampfführend koppelbar bzw. sie ist mit dem Messkopf gas- oder dampfführend gekoppelt. Mittels der Auskoppelstrecke ist eine Teilmenge des in der Vakuumkammer verdampften Materials in einen Bereich außerhalb der Vakuumkammer überführbar, in welchem Bereich eine präzise Schichtdickenmessung außerhalb der
Vakuumkammer erfolgen kann.
Die Auskoppelstrecke weist ferner zumindest einen Heizungsabschnitt oder zumindest einen Kühlabschnitt auf. I nsoweit ist die Auskoppelstrecke bereichsweise oder abschnittsweise gezielt beheizbar oder kühlbar. Mittels einer Heizung und/oder Kühlung kann die über die Auskoppelstrecke dem Messkopf zuzuführende Dampfmenge präzise geregelt oder gesteuert werden. Hiermit kann einerseits eine Kondensatbildung im Bereich der Auskoppelstrecke weitgehend vermieden werden. Zugleich kann die Menge des am Schwingplättchen ankommenden Dampfs auf ein gefordertes Höchstmaß reduziert werden. Mittels des
Heizungsabschnitts kann einer frühzeitigen Kondensation des über die
Auskoppelstrecke propagierenden Dampfs entgegengewirkt werden. Mittels des Kühlabschnitts ist es prinzipiell möglich, die Gesamtmenge des am
Schwingplättchen ankommenden Dampfs zu reduzieren, um so die Lebensund Gebrauchsdauer des Schwingplättchens zu verlängern.
Je nach Einsatz und Verwendungszweck sowie in Abhängigkeit der konkreten geometrischen Ausgestaltung der Auskoppelstrecke kann es ausreichend sein, dass die Auskoppelstrecke lediglich einen Heizungsabschnitt oder lediglich einen Kühlabschnitt aufweist. Mittels des Heizungsabschnitts und einem zumindest bereichsweise aktiven Heizen der Auskoppelstrecke, kann die dem Schwingplättchen zugeführte Dampfmenge prinzipiell erhöht werden. Sollte die Dampfmenge bzw. der Volumenstrom zu groß sein, kann alternativ hierzu oder ergänzend mittels des Kühlabschnitts eine kontrollierte
Kondensation des über die Auskoppelstrecke geführten Dampfs unmittelbar stromaufwärts des Schwingplättchens reduziert werden, sodass am
Schwingplättchen selbst nur noch ein reduzierter Volumenstrom des Dampfs ankommt.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Auskoppelstrecke sowohl zumindest einen Heizungsabschnitt als auch zumindest einen Kühlabschnitt aufweist. Mittels einer Kombination von Heizungs- und Kühlabschnitt kann das Propagations- und Strömungsverhalten des aus der Vakuumkammer ausgekoppelten Dampfs über die gesamte Länge der Auskoppelstrecke kontrolliert werden. Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Auskoppelstrecke angrenzend an ihr erstes Ende einen Heizungsabschnitt auf. Hierdurch kann erreicht werden, dass der aus der Vakuumkammer austretende Dampf zumindest eingangs der Auskoppelstrecke keine Kondensation erfährt, sodass nahezu der gesamte aus der Vakuumkammer ausgekoppelte und in die Auskoppelstrecke einströmende Dampf weitgehend vollständig und ohne Kondensationsverluste über die Auskoppelstrecke zum Schwingplättchen beförderbar ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Auskoppelstrecke angrenzend an ihr zweites Ende, das heißt dem Messkopf zugewandt, zumindest einen Kühlabschnitt auf. Mittels des typischerweise stromabwärtsseitigen
Kühlabschnitts ist es möglich, die über oder durch die Auskoppelstrecke geführte Dampfmenge bzw. einen entsprechenden Volumenstrom unmittelbar vor dem Messkopf und unmittelbar vor ihrem Auftreffen auf das
Schwingplättchen auf ein gefordertes Höchstmaß zu reduzieren. Mittels des Kühlabschnitts ist der am Schwingplättchen ankommende Volumenstrom des Dampfs auf einen Bruchteil des aus der Vakuumkammer ausgekoppelten und in das erste Ende der Auskoppelstrecke eingekoppelten Volumenstroms reduzierbar. Jene Reduzierung der Dampfmenge bzw. des Volumenstroms trägt zu einer Verlängerung der Lebens- und Gebrauchsdauer des
Schwingplättchens bei. In vorteilhafter Weise ist die Auskoppelstrecke sowohl mit einem
Heizungsabschnitt als auch mit einem Kühlabschnitt versehen.
Heizungsabschnitt und Kühlabschnitt sind hierbei in Längsrichtung der Auskoppelstrecke voneinander separiert. Heizungsabschnitt und
Kühlabschnitt können, in Längsrichtung der Auskoppelstrecke betrachtet, auch unmittelbar aneinander angrenzen oder ineinander übergehen. Von
Vorteil grenzt ein dem Messkopf zugewandtes Ende des Heizungsabschnitts unmittelbar an ein der Vakuumkammer zugewandtes Ende des Kühlabschnitts an. Der durch die Auskoppelstrecke propagierende Dampf befindet sich insoweit entweder im Bereich eines Heizungsabschnitts oder im Bereich eines
Kühlabschnitts. Auf diese Art und Weise kann der über die Auskoppelstrecke geleitete Dampf hinsichtlich seines Kondensationsverhaltens im gesamten Bereich zwischen Vakuumkammer und Messkopf kontrolliert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Auskoppelstrecke zumindest ein sich zwischen der Vakuumkammer und dem Messkopf erstreckendes gas- oder dampfführendes Rohr auf. Das Rohr ist im Bereich des
Heizungsabschnitts von einer Heizung umgeben. Die Heizung kann
insbesondere als elektrische Heizung mit einem oder mehreren Heizwendeln versehen sein, die außerhalb des dampfführenden Rohrs der
Auskoppelstrecke verlaufen, die aber von Vorteil thermisch mit dem
dampfführenden Rohr gekoppelt sind. Auf diese Art und Weise kann das dampfführende Rohr auf einem Temperaturniveau oberhalb der
Kondensationstemperatur des betreffenden Dampfs gehalten werden. Eine ungewollte Kondensation des durch das Rohr strömenden Dampfs an den Innenwänden des Rohrs kann insoweit auf ein Minimum reduziert bzw. gänzlich unterbunden werden. Ein etwaiger Reinigungsaufwand für die
Auskoppelstrecke und für das dampfführende Rohr kann auf diese Art und Weise verringert werden. Wartungsintervalle für die Auskoppelstrecke und die zugehörige Messanordnung können in vorteilhafter Weise verlängert werden. Die Effizienz einer hiermit bestückten Vakuumbeschichtungsanlage kann hierdurch ferner gesteigert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Auskoppelstrecke im Bereich des Kühlabschnitts eine Kühlfalle mit zumindest einem aktiv kühlbaren
Seitenwandungsabschnitt auf. Die Kühlfalle bzw. der von der Kühlfalle gebildete Kühlabschnitt ist typischerweise von einem Kühlmedium
durchströmbar oder umströmbar, sodass die Kühlfalle bzw. der Kühlabschnitt auf einem gegenüber dem Heizungsabschnitt deutlich geringeres
Temperaturniveau abkühlbar ist. Im Bereich des Kühlabschnitts und der Kühlfalle kondensiert eine vorgegebene Teilmenge des über die
Auskoppelstrecke geleiteten Dampfs, sodass stromabwärts des
Kühlabschnitts, am zweiten Ende der Auskoppelstrecke im Vergleich zum ersten Ende der Auskoppelstrecke, ein um ein vorgegebenes Maß reduzierter Volumenstrom des Dampfs ausströmt.
Es kann vorgesehen sein, dass Kühlabschnitt und Heizungsabschnitt unmittelbar aneinander angrenzen, sodass der über den Heizungsabschnitt in den Kühlabschnitt einströmende Dampfstrom eine schlagartige Abkühlung und somit eine kontrollierte Kondensation an den Innenwänden des
Kühlabschnitts bzw. der Kühlfalle erfährt. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein von Gas oder
Dampf durchströmbarer Innenquerschnitt des Kühlabschnitts größer ist als ein von Gas oder Dampf durchströmbarer Innenquerschnitt des
Heizungsabschnitts. Das gas- oder dampfführende Rohr des
Heizungsabschnitts kann insbesondere stromabwärts, das heißt dem
Messkopf zugewandt und der Vakuumkammer abgewandt, etwa in ein radial erweitertes Rohr münden, welches den Kühlabschnitt der Auskoppelstrecke bildet.
Dadurch, dass der Innenquerschnitt des Kühlabschnitts größer ist als der Innenquerschnitt des Heizungsabschnitts, kann die Innenoberfläche des aktiv gekühlten Seitenwandungsabschnitts der Kühlfalle im Vergleich zum
Heizungsabschnitt effektiv vergrößert werden. Durch eine derartige
Vergrößerung des Seitenwandungsabschnitts bzw. der gesamten
Innenwandfläche des Kühlabschnitts, bezogen auf die Länge des
Kühlabschnitts in Strömungsrichtung, kann das Kondensationsvermögen des Kühlabschnitts vergrößert werden.
Der Kühlabschnitt kann insoweit eine vergleichsweise große Menge des kondensierenden Dampfs an seiner Innenwand aufnehmen, bevor die
Kühleigenschaften des Kühlabschnitts, etwa durch Ablagerung einer vergleichsweise dicken Schicht des ursprünglich dampfförmigen Materials möglicherweise beeinträchtigt würde. Der Kühlabschnitt der Auskoppelstrecke ist strikt zu trennen von einer
Kühlung des im oder am Messkopf angeordneten Schwingplättchens selbst. Das Schwingplättchen ist typischerweise gesondert gekühlt, damit das dampf- oder gasförmige Material daran kondensiert. Der Kühlabschnitt der
Auskoppelstrecke ist, bezogen auf die Strömung des dem Messkopf und dem daran angeordneten Schwingplättchen vorgelagert, sodass sich eine definierte Teilmenge des über die Auskoppelstrecke strömenden
Dampfvolumenstroms im Bereich des Kühlabschnitts und somit stromaufwärts des Schwingplättchens kondensiert. Die Gesamtmenge des sich am
Schwingplättchen anlagernden Materials kann auf diese Art und Weise um ein vorgegebenes Maß reduziert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind der Kühlabschnitt und der
Heizungsabschnitt der Auskoppelstrecke in Längsrichtung der
Auskoppelstrecke voneinander separiert. Durch eine nicht überlappende Anordnung von Kühlabschnitt und Heizungsabschnitt kann, in
Strömungsrichtung des Dampfs betrachtet, eine sequenzielle thermische Behandlung des Dampfs, nämlich zunächst ein Heizen oder Erwärmen des Dampfs und anschließend ein kontrolliertes Abkühlen bzw. Kondensieren des Dampfs erreicht werden.
Es ist ferner denkbar, dass der Kühlabschnitt und der Heizungsabschnitt, mithin die Kühlfalle und die Heizung, thermisch voneinander isoliert sind, sodass ein thermischer Energieaustausch zwischen Kühlabschnitt und
Heizungsabschnitt effektiv unterbunden ist. Eine thermische Entkopplung von Kühlfalle und Heizung dient der Verbesserung des jeweiligen Wirkungsgrads von Kühlfalle und Heizung.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest eine Heizleistung des Heizungsabschnitts regelbar. Ergänzend hierzu oder alternativ kann auch die Kühlleistung des Kühlabschnitts regelbar ausgestaltet sein. Durch die
Regelung der Heizleistung und/oder der Kühlleistung, mithin durch Regelung von maximaler und/oder minimaler Heiz- bzw. Kühltemperatur, kann das Kondensations- und Strömungsverhalten des Dampfs im Bereich der
Auskoppelstrecke kontrolliert und gezielt geregelt werden.
Somit kann erreicht werden, dass nahezu die gesamte aus der
Vakuumkammer ausgekoppelte Dampfmenge nahezu verlustfrei durch den Heizungsabschnitt strömt und insoweit verlustfrei den in Strömungsrichtung hieran angrenzenden Kühlabschnitt erreicht. Im Bereich des Kühlabschnitts kann dann, je nach eingestellter Kühlleistung oder Kühltemperatur, der dort ankommende Dampfvolumenstrom auf ein vorgegebenes, die Lebens- und Gebrauchsdauer des Schwingplättchens verlängerndes Maß reduziert werden.
Durch die Regelung von zumindest einem von Heizungsabschnitt oder Kühlabschnitt kann ferner eine über die Gebrauchsdauer der Messanordnung konstante Kühl- oder Heizleistung herbeigeführt werden. Wenn sich im fortwährenden Betrieb der Messanordnung eine Teilmenge des über die Auskoppelstrecke strömenden Materialdampfs an der Innenwand der Kühlfalle niederschlägt, kann dies die Kühleigenschaften, insbesondere die thermische Leitfähigkeit des zumindest einen aktiv kühlbaren Seitenwandungsabschnitts der Kühlfalle beeinträchtigen. Durch eine Regelbarkeit der Kühlfalle kann einem derartigen Effekt entgegengewirkt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der
Heizungsabschnitt wenigstens 50 % bis 90 % der Gesamtlänge der
Auskoppelstrecke einnimmt. Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass der Kühlabschnitt höchstens 1 0 % bis 50 % der Gesamtlänge der
Auskoppelstrecke einnimmt. Insoweit kann der Heizungsabschnitt, bezogen auf die Strömungsrichtung des Dampfs bedeutend länger als der
Kühlabschnitt ausgestaltet sein. Der Heizungsabschnitt dient insbesondere einer verlustfreien Leitung des Dampfs durch die Auskoppelstrecke, während der Kühlabschnitt lediglich an dem dem Messkopf zugewandten Ende des Heizungsabschnitts für eine definierte Reduzierung des
Gesamtgasvolumenstroms sorgt. Die Unterteilung der Auskoppelstrecke in Heizungsabschnitt und Kühlabschnitt kann entsprechend der geometrischen Ausgestaltungen von Heizungsabschnitt und/oder Kühlabschnitt, insbesondere in Abhängigkeit der Innenquerschnitte von Heizungsabschnitt und Kühlabschnitt variieren. Ferner kann die Unterteilung der Auskoppelstrecke in Heizungsabschnitt und
Kühlabschnitt vom jeweils stattfindenden Prozess und den in der Gasphase befindlichen Materialien abhängen. Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Messkopf zumindest zwei oder mehr Schwingplättchen auf, die an einem drehbaren Träger angeordnet und wahlweise in den Bereich einer Gehäuseöffnung des Messkopfs bringbar sind. Der Messkopf ist insbesondere als Revolverkopf ausgestaltet, sodass durch Drehung des Messkopfs um einen vorgegebenen Winkelbereich, ein
verbrauchtes oder genutztes Schwingplättchen aus dem Gasstrom entfernt und ein neues Schwingplättchen in dem Gasstrom anordenbar ist.
Die Schwingplättchen sind durch Drehen des Trägers sukzessive in den Bereich einer Gehäuseöffnung des Messkopfs bringbar. Die betreffende Gehäuseöffnung ist dabei in Verlängerung des zweiten Endes der
Auskoppelstrecke angeordnet. Sobald sich ein Schwingplättchen im Bereich der Gehäuseöffnung des Messkopfs befindet, ist es mit dem über die
Auskoppelstrecke geförderten Materialdampf beaufschlagbar. Sobald ein Schwingplättchen etwa durch übermäßige Anlagerung von Material seine Schwingungseigenschaften verliert, kann durch Drehen des Trägers jenes Schwingplättchen außerhalb des Bereichs der Gehäuseöffnung verbracht und ein neues unverbrauchtes Schwingplättchen in jenen Bereich der Gehäuseöffnung des Messkopfs gebracht werden. Mittels eines derartigen Revolver-Messkopfs können Schwingplättchen etwa im laufenden Betrieb eines Beschichtungsvorgangs in definierter und reproduzierender Art und Weise gewechselt werden. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist in die Gehäuseöffnung des Gehäuses des Messkopfs ein Dichtungseinsatz eingesetzt, der im Inneren des Gehäuses abdichtend mit dem Träger zur Anlage bringbar ist. Mittels jenes
Dichtungseinsatzes kann ein Eindringen des Dampfstroms in das Innere des Gehäuses des Messkopfs weitreichend verhindert werden. Bislang unbenutzte und außerhalb des Bereichs der Gehäuseöffnung des Messkopfs angeordnete Schwingplättchen können auf diese Art und Weise effektiv gegen vorzeitige Ablagerung von Materialdampf geschützt werden. Mittels des Dichtungseinsatzes ist insbesondere der Raum zwischen dem Gehäuse des Messkopfs und dem innerhalb des Gehäuses angeordneten Schwingplättchen weitgehend ausgefüllt. Der am Gehäuse angeordnete Dichtungseinsatz kann ferner eine vergleichsweise geringe Gleit- oder
Haftreibung aufweisen, sodass der Träger möglichst reibungsarm im Gehäuse des Messkopfs drehbar gelagert ist.
Der Dichtungseinsatz ragt so weit in das Gehäuse des Messkopfs hinein, sodass lediglich das in Arbeitsstellung bzw. im Bereich der Gehäuseöffnung angeordnete Schwingplättchen mit Materialdampf beaufschlagt ist, während sämtliche anderen Schwingplättchen über den Dichtungseinsatz
strömungstechnisch vom zugeführten Dampfstrom weitgehend entkoppelt und getrennt sind.
Nach einer weiteren Ausgestaltung betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Schichtdickenmessung einer mittels Dampfabscheidung auf einem Substrat aufbringbaren Schicht. Das Verfahren ergibt sich durch die
bestimmungsgemäße Verwendung der zuvor beschriebenen Messanordnung. Insoweit erfolgt die Durchführung des Verfahrens zur Schichtdickenmessung unter Verwendung der zuvor beschriebenen Messanordnung.
In einem ersten Schritt ist hierbei vorgesehen, ein dampf- oder gasförmiges Medium aus einer Vakuumkammer auszukoppeln und den hierdurch
ausgekoppelten Dampf oder das gasförmige Medium in die Auskoppelstrecke der Messanordnung einzuleiten. Die Auskoppelstrecke wird zumindest abschnittsweise aktiv geheizt oder aktiv gekühlt. Es kann insbesondere vorgesehen sein, einen ersten Abschnitt der Auskoppelstrecke zu heizen und einen in Längsrichtung hieran angrenzenden Abschnitt der Auskoppelstrecke aktiv zu kühlen.
In einem weiteren Schritt wird letztlich eine Dampfabscheiderate an der Vakuumkammer abgewandten zweiten Ende der Auskoppelstrecke gemessen. Es wird insbesondere die Veränderung des Schwingungsverhaltens des Schwingplättchens gemessen, welche ein Maß für die Abscheiderate bzw. für die Dicke der sich am Schwingplättchen ansammelnden Schichten ist. Die Dicke der sich am Schwingplättchen ablagernden Schicht ist ein direktes Maß für die Schichtdicke auf einem innerhalb der Vakuumkammer angeordneten Substrat, während dieses einem Beschichtungsvorgang unterzogen ist.
Mittels dem zumindest bereichsweise aktiven Heizen der Auskoppelstrecke kann einem vorzeitigen Kondensieren des über die Auskoppelstrecke zu leitenden Materialdampfs entgegengewirkt werden. Ein abschnittsweises Kühlen der Auskoppelstrecke, insbesondere stromabwärts eines beheizbaren Abschnitts der Auskoppelstrecke, aber stromaufwärts des Messkopfs mit dem daran angeordneten Schwingplättchen ermöglicht eine vorteilhafte
Reduzierung der einer Dampfabscheiderate am Schwingplättchen.
Entsprechend der Kühlung bzw. der konkreten Konfiguration der Kühlfalle kann eine Normierung bzw. Skalierung der sich am Schwingplättchen anlagernden Schicht erfolgen. Die Dicke der sich tatsächlich am
Schwingplättchen anlagernden Schicht kann ein Bruchteil der sich am
Substrat innerhalb der Vakuumkammer anlagernden Schicht betragen. Ein Skalierungs- oder Kalibrierungsfaktor zwischen der am Schwingplättchen messbaren Schichtdicke und der tatsächlichen Schichtdicke am sich innerhalb der Vakuumkammer befindlichen Substrats kann entsprechend der
Konfiguration und Betriebsweise der Kühlfalle bzw. des Kühlabschnitts der Auskoppelstrecke variieren. Entsprechend einer zuvor durchgeführten Kalibrierung oder Normierung kann aus der Dicke der sich am Schwingplättchen anlagernden und mittels des Schwingplättchens messbaren Schicht ein Rückschluss auf die Dicke der tatsächlich am Substrat vorliegenden Schicht gezogen werden.
Da das Verfahren zur Schichtdickenmessung im Wesentlichen den
ordnungsgemäßen Betrieb der zuvor beschriebenen Messanordnung betrifft, gelten sämtliche zur Messanordnung geschriebenen Merkmale, Wirkungen und Vorteile in gleicher Art und Weise auch für das Verfahren zur
Schichtdickenmessung; und umgekehrt.
Kurzbeschreibung der Figuren Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Messanordnung in einem ersten
Querschnitt,
Fig. 2 eine weitere schematische Darstellung der Messanordnung in
einem zweiten Querschnitt, Fig 3 eine vergrößerte Prinzipskizze des zweiten Endes der
Auskoppelstrecke und
Fig 4 eine weitere vergrößerte Darstellung eines Ubergangsbereichs zwischen Auskoppelstrecke und Messkopf.
Detaillierte Beschreibung In den Fig. 1 und 2 ist eine Messanordnung 1 0 zur Schichtdickenmessung einer mittels eines Dampfabscheideverfahrens auf einem Substrat
aufbringbaren Schicht gezeigt. Die Messanordnung 1 0 ist an eine
Vakuumkammer 20 angebunden, in welcher das typischerweise zu
beschichtende Substrat 24 angeordnet ist. Das Substrat wird innerhalb der Vakuumkammer 20 einem Oberflächenbehandlungsprozess, beispielsweise einer Beschichtungsprozedur unterzogen. Als Beschichtungsverfahren kommen unterschiedlichste Beschichtungsverfahren, typischerweise
physikalische oder chemische Dampfabscheideverfahren in Frage. Die
Vakuumkammer 20 ist beispielsweise zur Beschichtung von Substraten für Displayanwendungen oder Solarzellen ausgelegt.
Die Vakuumkammer 20 kann insbesondere zur Erzeugung eines für den Beschichtungsvorgang vorgesehenen Plasmas ausgebildet sein. Insoweit eignet sich die Vakuumkammer 20 auch für plasmaunterstützte
Beschichtungsverfahren. Beispielsweise ist die Vakuumkammer 20 zur
Beschichtung von Substraten 24 mit Selen ausgebildet. Die Messanordnung kann unter anderem der Schichtdickenmessung einer Selenschicht auf dem Substrat 24 oder auf anderen bereits auf dem Substrat 24 aufgebrachten Schichten dienen.
Die Messanordnung 1 0 weist eine Auskoppelstrecke 1 2 auf, die mit der Vakuumkammer 20 gas- oder dampfführend koppelbar bzw. gekoppelt ist. Die Auskoppelstrecke 1 2 ist mit einem ersten Ende 1 2a mit der Vakuumkammer 20 gas- oder dampfführend gekoppelt. Die Auskoppelstrecke 1 2 ist ferner mit ihrem der Vakuumkammer 20 abgewandten Ende 1 2b, d.h. mit einem zweiten Ende 1 2b mit einem Messkopf 30 gas- oder dampfführend koppelbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist sie permanent mit dem Messkopf 30 gekoppelt. Der Messkopf, wie dies später noch unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 erläutert wird, weist zumindest ein Schwingplättchen 50, 52 auf, dessen Resonanz- oder Schwingverhalten elektrisch messbar ist, und welches Resonanz- oder Schwingverhalten sich infolge einer Anlagerung von Material messbar ändert. Das Schwingplättchen 50, 52 ist typischerweise gekühlt, sodass der dem Schwingplättchen 50, 52 zugeführte Dampfstrom eine Kondensation am Schwingplättchen erfährt, infolge derer sich das dampf- oder gasförmige Material am Schwingplättchen anlagert und somit dessen
Schwingungsverhalten messbar verändert.
Mittels der Auskoppelstrecke 1 2 ist ein Anteil des in der Vakuumkammer 20 erzeugten Materialdampfs aus der Kammer 20 abzweigbar. Innerhalb der Kammer wäre ein konstanter Niederschlag oder eine konstante Kondensation des betreffenden dampfförmigen Materials aufgrund der dort herrschenden thermischen Bedingungen nicht realisierbar. Mittels der Auskoppelstrecke 1 2 kann das dampf- oder gasförmige Material in einem abseits der
Vakuumkammer 20 liegenden Bereich befördert werden, in welchem die zur Schichtdickenmessung geeigneten thermischen Bedingungen und
entsprechenden Druckverhältnisse geschaffen werden können, ohne den eigentlichen in der Vakuumkammer 20 stattfindenden Beschichtungsvorgang negativ zu beeinflussen. Die Auskoppelstrecke 1 2 weist am oder angrenzend an ihr erstes Ende 1 2a einen Heizungsabschnitt 1 6 auf, welcher mittels einer in Fig. 2 gezeigten Heizung 26 versehen ist. Die Auskoppelstrecke 1 2 weist insbesondere ein dampfführendes Rohr 14 auf, welches sich von der Vakuumkammer 20 bis zum Messkopf 30 erstreckt. Im Bereich des Heizungsabschnitts 1 6 ist das Rohr 14 von der Heizung 26 umgeben. Die Heizung 26 kann einzelne
Heizwendel aufweisen, die sich spiralartig in einem vorgegebenen Abstand um das Rohr 1 4 winden.
Die Heizung 26, bzw. ihre Heizwendel sind vorliegend an der Innenseite einer das Rohr 14 umschließenden Manschette 25 angeordnet. Mittels der Heizung 26 kann das Rohr 14 auf einem vorgegebenen Temperaturniveau gehalten werden, sodass eine frühzeitige Kondensation des im Rohr geführten dampfförmigen Materials verhindert wird. Die Auskoppelstrecke 1 2 weist ferner einen Kühlabschnitt 1 8 auf, der sich am zweiten Ende 1 2b der Auskoppelstrecke 1 2 befindet. Der Kühlabschnitt 1 8 kann unmittelbar an den Heizungsabschnitt 1 6 angrenzen. Er kann aber auch separiert hiervon bzw. thermisch entkoppelt vom Heizungsabschnitt 1 6 ausgestaltet sein. Der Kühlabschnitt 1 8 ist insbesondere als Kühlfalle 28 ausgestaltet und ist mit einer eigenen Kühlung 29 versehen. Die Kühlung 29 kann insbesondere eine Hohlkammerstruktur in zumindest einer
Seitenwandung 27 des Kühlabschnitts 1 8 aufweisen. Jene
Hohlkammerstruktur kann beispielsweise mit einem Kühlmedium beaufschlagt und dementsprechend von einem auf einem vorgegebenen Temperaturniveau befindlichen Kühlmedium durchströmt werden.
An einem der Vakuumkammer 20 abgewandten Ende des Kühlabschnitts 1 8 ist ein Anschlussstutzen 22 zur strömungstechnischen Kopplung zwischen Auskoppelstrecke 1 2 und Messkopf 30 vorgesehen. In der Darstellung gemäß der Fig. 1 und 2 sind ferner ein Zufluss 1 8a und ein Abfluss 1 8b für das Kühloder Kältemittel gezeigt. Als geeignetes Kühl- oder Kältemittel kommt beispielsweise Wasser bei Raumtemperatur oder darunter in Frage. Mittels in Längsrichtung voneinander beabstandeter Flanschplatten 21 , 23 sind der
Kühlabschnitt 1 8, der Heizungsabschnitt 1 6 sowie Zulauf und Ablauf 1 8a, 1 8b mechanisch miteinander verbunden.
Anhand der Fig. 1 und 2 ist deutlich zu erkennen, dass die am stromabwärts liegenden Ende der Auskoppelstrecke 1 2 vorgesehene Kühlfalle 28 einen
Innenquerschnitt QK aufweist, der größer ist als der Innenquerschnitt QH des stromaufwärts hierzu liegenden Heizungsabschnitts 1 6. Bezogen auf die Länge der Auskoppelstrecke 1 2 kann der Kühlabschnitt 1 8 eine größere Innenwandfläche als der Heizungsabschnitt 1 6 und somit eine
vergleichsweise große Kühlleistung pro Längeneinheit bereitstellen. Durch die vergrößerte Innenoberfläche des Kühlabschnitts 1 8 gegenüber dem
Heizungsabschnitt 1 6 pro Längeneinheit kann selbst mit Einsetzen einer Kondensation an den Innenwänden des Kühlabschnitts 1 8 eine unverminderte oder durch Kondensation kaum beeinträchtigte Kühlung jenes Abschnitts erfolgen.
Die Kombination von Heizungsabschnitt 1 6 und nachgelagertem Kühlabschnitt ist insoweit von Vorteil, als dass mittels des Heizungsabschnitts eine
Kondensatbildung entlang der Auskoppelstrecke 1 2 weitgehend unterbunden und somit nahezu sämtlicher aus der Vakuumkammer 20 ausgekoppelter Dampf an das der Vakuumkammer 20 abgewandte Ende des
Heizungsabschnitts 1 6 befördert werden kann. Dort und mit Eintreffen des Dampfs in den Kühlabschnitt 1 8 kann dann eine kontrollierte bzw. regelbare Kondensation des zugeführten Materialdampfs stattfinden, um die
Gesamtmenge an Kondensat am Schwingplättchen 50, 52 auf ein Minimum zu reduzieren. Mittels des Heizungsabschnitts 1 6 kann ein stetiger und nicht abreißender Dampfstrom in den Bereich des Schwingplättchens 50, 52 geführt werden. Mittels des Kühlabschnitts 1 8 und der mit einer Kühlung 29 versehenen Kühlfalle 28 kann die Gesamtmenge oder die Kondensationsrate des dampfförmigen Mediums am Schwingplättchen 50, 52 auf ein Minimum reduziert werden. Auf diese Art und Weise kann die Lebens- und
Gebrauchsdauer des Schwingplättchens 50, 52 in vorteilhafter Weise verlängert werden.
Die Länge des Heizungsabschnitts 1 6 ist typischerweise größer als die Länge des sich hieran in Längsrichtung anschließenden Kühlabschnitts 1 8.
Typischerweise ist der Heizungsabschnitt 1 6 mindestens doppelt, dreimal oder viermal so lang wie der Kühlabschnitt 1 8. Die konkrete geometrische Ausgestaltung und Dimensionierung von Heizungsabschnitt 1 6 und
Kühlabschnitt 1 8 kann an den jeweiligen Prozess in der Vakuumkammer 20 als auch an das zu messende Material angepasst sein. Mittels der hier beschriebenen Messanordnung 1 0 kann insbesondere die Schichtdicke einer Selenschicht auf einem Substrat 24 gemessen werden. In der Ausgestaltung gemäß Fig. 3 ist das dampfführende Rohr 14 als ein einziges sich unmittelbar von der Vakuumkammer 20 bis zum Messkopf 30 erstreckendes Rohr dargestellt, welches im Bereich des Heizungsabschnitts 1 6 und im Bereich des Kühlabschnitts 1 8 jeweils eine identische
Rohrgeometrie aufweist. Im Bereich des Kühlabschnitts 1 8 ist das Rohr 14 jedoch gekühlt, während es im Bereich des Heizungsabschnitts 1 6 erwärmt bzw. beheizt wird.
Die alternative Ausgestaltung gem. der Figs. 1 und 2 sieht hingegen eine zweiteilige Ausgestaltung der dampfführend Auskoppelstrecke 1 2 vor. Das dampfführende Rohr 14 geht dort am stromabwärtsseitigen Ende des
Heizungsabschnitts 1 6 den radial erweiterten Kühlabschnitt 1 8 über.
Am messkopfseitigen Ende ist das Rohr 14 bzw. die hiervon gebildete
Auskoppelstrecke 1 2 weitgehend offen ausgestaltet, wie dies aus der vergrößerten Darstellung der Fig. 4 hervorgeht. Der Ausgang der
Auskoppelstrecke 1 2 bzw. das zweite Ende 1 2b der Auskoppelstrecke 1 2 ist in etwa fluchtend mit einer Gehäuseöffnung 36 des Gehäuses 34 des
Messkopfs angeordnet. Der Messkopf 30 weist im Inneren seines Gehäuses 34 einen drehbar gelagerten Träger 32 auf, der bezüglich einer Drehachse 33 zwischen verschiedenen diskreten Positionen verdrehbar bzw. verstellbar ist.
In der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Position ist der Träger 32 derart im Gehäuse 34 ausgerichtet, dass ein am Träger 32 angeordnetes
Schwingplättchen 50 in etwa fluchtend zur Gehäuseöffnung 36 zu liegen kommt. Das betreffende Schwingplättchen 50 ist somit dem über die
Auskoppelstrecke 1 2 zugeführten Materialdampf ausgesetzt. Das
beispielsweise als Quarzplättchen ausgebildete Schwingplättchen 50 kann zu Schwingungen angeregt werden, deren Frequenz sich mit Anlagerung von zuvor dampfförmigen kondensierten Materials messbar ändert.
Am Träger 32 ist ferner zumindest ein weiteres Schwingplättchen 52 angeordnet, welches in der Darstellung gemäß der Fig. 3 in einem außerhalb der Gehäuseöffnung 36 liegenden Bereich im Inneren des Gehäuses 34 zu liegen kommt.
Die Gehäuseöffnung 36 ist ferner mit einem Einsatz 40 versehen, welcher Einsatz als Dichtungseinsatz fungiert. Er weist einen nach außen ragenden Flanschabschnitt 42 auf, welcher sich in der in Fig. 4 gezeigten
Montagestellung von außen an der Berandung der Gehäuseöffnung 36 anliegt. Der Dichtungseinsatz 40 ist ferner mit einem in die Gehäuseöffnung 36 hineinragenden Stutzen 44 versehen. Der Stutzen 44 gelangt mit seinem freien und in das Gehäuse 34 hineinragenden Ende mit einer Dichtung 46 zur Anlage, welche z. B. als Dichtscheibe ausgebildet und an der Innenseite des Gehäuses 34 angeordnet ist. Dichtungseinsatz 40 und Dichtung 46 sind gas- oder fluidabdichtend miteinander zur Anlage bringbar, sodass das außerhalb der Gehäuseöffnung 36 und im Inneren des Gehäuses 34 angeordnete
Schwingplättchen 52 weitreichend vor dem in das Gehäuse 34 eindringenden Materialdampf geschützt ist. Die Dichtung 46 bzw. der Dichtring ist typischerweise aus einem Material mit guten Gleiteigenschaften versehen, sodass eine abdichtende Anordnung zwischen Dichtung 46 und Dichtungseinsatz 40 relativ einfach und
reibungsarm erreicht werden kann. Das Vorsehen der Dichtung 46 im Spalt zwischen dem Gehäuse 34 des Messkopfs 30 und den drehbar hierin gelagerten Träger 32 kann ferner eine Ausbreitung des Materialdampfs im Inneren des Gehäuses 34 weitreichend unterbinden. Die nicht in
Arbeitsstellung befindlichen Schwingplättchen 52 können somit gegen ein vorzeitiges Kondensieren von Materialdampf weitreichend geschützt werden. Das Gehäuse 34, der Träger 32 und der Messkopfs 30 sind typischerweise aus einem hitze- und säurebeständigem Material, beispielsweise einem Stahl mit entsprechender Güte gefertigt. Die Dichtung 46 kann beispielsweise aus pyrolytischem Bornitrid (PBM) oder Polyetheretherketon (PEEK) gefertigt sein. Die Verwendung derart beständiger und von Vorteil reibungsarmer Materialien für das Gehäuse 34, den Träger 32, für den Dichtungseinsatz 40 und die gehäuseseitige Dichtung 46 ermöglichen einen leichtgängigen Wechsel von Schwingplättchen 50, 52 durch Drehen des Trägers 32 relativ zum Gehäuse 34. Ferner verleihen jene Materialien der Messanordnung 1 0 eine hohe Lebens- und Gebrauchsdauer.
Sofern ein in Fig. 4 in Arbeitsstellung befindliches Schwingplättchen 40 derart mit kondensierter Materie belegt ist, dass es seine Schwingungseigenschaften verliert, kann durch einfaches Drehen des Trägers 32 gegenüber dem
Gehäuse 34 ein anderes neues Schwingplättchen 52 in die Arbeitsstellung an der Gehäuseöffnung 36 gebracht werden.
Bezugszeichenliste
10 Messanordnung
12 Auskoppelstrecke
12a Ende
12b Ende
14 Rohr
1 6 Heizungsabschnitt
18 Kühlabschnitt
18a Zufluss
18b Abfluss
20 Vakuumkammer
21 Flanschplatte
22 Anschlussstutzen
23 Flanschplatte
24 Substrat
26 Heizung
27 Seitenwandungsabschnitt
28 Kühlfalle
29 Kühlung
30 Messkopf
32 Träger
33 Drehachse
34 Gehäuse
36 Gehäuseöffnung
40 Einsatz
42 Flanschabschnitt
44 Stutzen
46 Dichtung
50 Schwingplättchen
52 Schwingplättchen

Claims

Messanordnung zur Schichtdickenmessung einer mittels eines
Dampfabscheideverfahrens auf einem Substrat aufbringbaren Schicht, mit: einem Messkopf (30), welcher mit zumindest einem
Schwingplättchen (50, 52) versehenen ist, einer Auskoppelstrecke (1 2), welche mit einem ersten Ende (1 2a) mit einer Vakuumkammer (20) für das Dampfabscheideverfahren gas- oder dampfführend koppelbar ist und welche mit einem gegenüberliegenden zweiten Ende (1 2b) mit dem Messkopf (30) gas- oder dampfführend koppelbar ist, wobei die Auskoppelstrecke (1 2) zumindest einen
Heizungsabschnitt (1 6) oder zumindest einen Kühlabschnitt (1 8) aufweist.
Messanordnung nach Anspruch 1 , wobei die Auskoppelstrecke (1 2) angrenzend an ihr erstes Ende (1 2a) einen Heizungsabschnitt (1 6) aufweist.
Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auskoppelstrecke (1 2) angrenzend an ihr zweites Ende (1 2b) einen Kühlabschnitt (1 8) aufweist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auskoppelstrecke (1 2) zumindest ein sich zwischen der
Vakuumkammer (20) und dem Messkopf (30) erstreckendes gas- oder dampfführendes Rohr (14) aufweist, welches im Bereich des
Heizungsabschnitts (1 6) von einer Heizung (26) umgeben ist. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auskoppelstrecke (1 2) im Bereich des Kühlabschnitts (1 8) eine
Kühlfalle (28) mit zumindest einem aktiv kühlbaren
Seitenwandungsabschnitt (27) aufweist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein von Gas- oder Dampf durchströmbarer Innenquerschnitt (QK) des Kühlabschnitts (1 8) größer ist als ein von Gas- oder Dampf
durchströmbarer Innenquerschnitt (QH) des Heizungsabschnitts (1 6).
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlabschnitt (1 8) und der Heizungsabschnitt (1 6) in Längsrichtung der Auskoppelstrecke (1 2) voneinander separiert sind.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Heizleistung des Heizungsabschnitts oder zumindest eine Kühlleistung des Kühlabschnitts (1 8) regelbar ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Heizungsabschnitt (1 6) wenigstens 50 % bis 90 % der Gesamtlänge der Auskoppelstrecke (1 2) einnimmt.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlabschnitt höchstens 1 0 % bis 50 % der Gesamtlänge der
Auskoppelstrecke (1 2) einnimmt.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Messkopf (30) zumindest zwei Schwingplättchen (50, 52) aufweist, die an einem drehbaren Träger (32) angeordnet und wahlweise in den Bereich einer Gehäuseöffnung (36) des Messkopfs (30) bringbar sind, welche Gehäuseöffnung (36) in Verlängerung des zweiten Endes (1 2b) der Auskoppelstrecke (1 2) angeordnet ist. Messanordnung nach Anspruch 1 1 , wobei ein Dichtungseinsatz (40) in die Gehäuseöffnung (36) des Gehäuses (34) des Messkopfs (30) eingesetzt ist und im Inneren des Gehäuses (34) abdichtend mit dem Träger (32) zur Anlage bringbar ist.
Verfahren zur Schichtdickenmessung einer mittels Dampfabscheidung auf einem Substrat (24) aufbringbaren Schicht unter Verwendung einer Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten :
Auskoppeln einer Materialdampfs aus der Vakuumkammer (20) und Einleiten des ausgekoppelten Dampfs in die
Auskoppelstrecke (1 2), aktives Heizen oder Kühlen zumindest eines Heiz- oder
Kühlabschnitts (1 6, 1 8) der Auskoppelstrecke (1 2),
Messen einer Dampfabscheiderate an dem der Vakuumkammer (20) abgewandten Ende (1 2b) der Auskoppelstrecke (1 2) mittels zumindest eines Schwingplättchens (50, 52).
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