CH615757A5

CH615757A5 -

Info

Publication number: CH615757A5
Application number: CH693377A
Authority: CH
Inventors: Marcel Dr Lardon
Original assignee: Balzers Hochvakuum
Priority date: 1977-06-06
Filing date: 1977-06-06
Publication date: 1980-02-15
Also published as: NL7707660A; DE2823912A1; FR2394071A1; US4201479A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Reflexion einer ebenen, spiegelnd reflektierenden Fläche, wobei die Messstrahlung über eine optische Sammellinse zur Messfläche und die von dieser reflektierte Strahlung über dieselbe Linse zu einem Strahlungsempfänger geführt wird. Die optischen Verbindungen zwischen Strahlungsquelle und Sammellinse und zwischen der Linse und dem Strahlungsempfänger werden dabei vorzugsweise mittels faseroptischem Lichtleiter hergestellt; es sind aber auch konventionelle Linsen-und Spiegelsysteme möglich. Eine solche Vorrichtung kann z.B. dazu gebraucht werden, um die Reflexion von aufgedampften dünnen Schichten in einer Vakuumbedampfungsanlage zu messen.

Es ist eine derartige Reflexionsmessvorrichtung für eine Vakuumbedampfungsanlage bekannt, bei der die optischen Fasern zu einem Bündel zusammengefasst sind, das durch die Wand der Aufdampfkammer vakuumdicht hindurchgeführt ist, und wobei die Messstrahlung und der Detektor, sowie die nachgeschalteten Geräte zur Verarbeitung des Detektorsignals ausserhalb der Vakuumkammer angeordnet sind. Der Vorteil einer solchen Anordnung ist der, dass durch die in der Aufdampfkammer befindlichen Teile der Messeinrichtung nur wenig Platz beansprucht wird. Ähnlich wie bei anderen bekannten Reflexionsmesseinrichtungen für Vakuumbedampfungsan-lagen, bei denen die Messstrahlung durch Fenster in die Va-

kuumkammmer hinein und wieder herausgeführt wird, ist die bekannte Einrichtung mit optischen Faserleitungen jedoch immer noch mit dem Nachteil verbunden, dass die Messung sich nicht auf senkrechten Einfall der Messstrahlung auf die Messflä-; che bezieht. Eine auf senkrechten Einfall bezogene Messung wäre aber wünschenswert u.a. deshalb, weil viele Messflächen bei schrägem Einfall für die verschieden polarisierten Komponenten der Messstrahlung ein verschiedenes Reflexionsvermögen besitzen. Ausserdem ändert sich der gemessene Reflexions-i wert, wenn der Einfallswinkel infolge etwaiger Ungenauigkeiten beim Einbau oder infolge einer Verschiebung der Messfläche auch nur wenig vom angenommenen theoretischen Einfallswinkel abweicht.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ; eine Vorrichtung zur Messung der Reflexion reflektierender Flächen zur Verfügung zu stellen, bei der die Messung unter annähernd senkrechtem Lichteinfall erfolgt. Ausserdem soll die erfindungsgemässe Anordnung sicherstellen, dass die unvermeidlichen geringen Abweichungen vom senkrechten Einfall ) sich im Messergebnis praktisch nicht bemerkbar machen. Durch das Zusammenwirken dieser beiden Vorzüge wird dann ein Messresultat erreicht, das bezüglich der Messgenauigkeit einer Messung für senkrechten Einfall der Messstrahlung entspricht.

Diese Erfindungsaufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Abstand y der reflektierenden Räche und der Abstand x der Strahlungsquelle oder ihres Bildes von der Hauptebene der Linse mit der Brennweite f verknüpft sind durch die Beziehung y =

2x—f x-f dass die Strahlungsquelle in der optischen Achse liegt und von 35 einer konzentrisch dazu angeordneten Empfängerfläche umgeben ist, derart, dass der Querschnitt des reflektierten Strahlenbündels am Orte der Empfängerfläche vollständig innerhalb dieser liegt und die Strahlungsquelle vollständig überdeckt.

In der anliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele 40 der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Figur 1 schematisch die optische Anordnung bei Verwendung eines faseroptischen Lichtleiters;

Figur 2 die Verteilung der Fasern in der Sender- und Empfängerebene des Lichtleiters ;

45 Figur 3 schematisch die optische Anordnung bei Verwendung eines Spiegels und zusätzlichen Linsen;

Figur 4 die beispielsweise Ausgestaltung eines Reflexions-Messkopfes mit Testglaswechsler für eine Vakuumbedampfungsanlage;

so Figur 5 die mögliche Anordnung des Messkopfes in der Aufdampfanlage.

In Figur 1 bedeutet 1 das die Messstrahlung zuführende Faserbündel. Als Messstrahlung wird elektromagnetische Strahlung solcher Wellenlänge verwendet, für welche das Reflexions-55 vermögen der Fläche 2 gemessen werden soll, für Messungen im sichtbaren Spektralbereich also sichtbares Licht. Die Strahlung tritt aus der in der Ebene 3 liegenden Endfläche des zuführenden Faserbündels (welche also als Strahlungsquelle wirksam ist) unter einem bestimmten Öffnungswinkel aus und wird durch die so Sammellinse 4 zur Messfläche 2 geführt, dort reflektiert, und die reflektierte Strahlung gelangt über dieselbe Linse zurück zum abführenden Faserbündel 5, dessen Endfläche in derselben Ebene 3 liegt wie die Endfläche des zuführenden Bündels. Das abführende Faserbündel umgibt das Faserbündel 1 der zufüh-65 renden Fasern konzentrisch (Fig. 2). In der Figur 1 ist der Strahlengang für ein Messstrahlenbündel 6 und das diesem zugeordnete reflektierte Strahlenbündel 7 gezeichnet. Die im Sinne des Patentanspruchs massgebenden Abstände x und y von

3

615 757

der Hauptebene der Linse sowie die Brennweite £ sind ebenfalls einfacht. Alle sperrigen Aufbauten für die letztgenannten eingetragen. Geräte innerhalb der Vakuumkammer entfallen. Die neue Vor-

In Figur 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfin- der Vakuumkammer voneinander getrennt und separaten dung dargestellt. Eine geeignete Strahlungsquelle 8 (z.B. Spek- Detektoren zur Erfassung der Reflexion bei verschiedenen Wel-trallampe) wird mittels einer Projektionslinse 9 auf die Ebene 3' 5 lenlängen zugeführt werden können. Auf diese Weise kann bei abgebildet. Durch eine Öffnung 11' im um 45° zur optischen einer genügenden Anzahl von Messpunkten im Spektrum die

Achse 10 geneigten Spiegel 11 gelangt das Messstrahlenbündel Spektralkurve einer Aufdampfschicht während ihrer Herstel-

6' über die Sammellinse 4' auf die reflektierende Fläche 2'. Das lung laufend verfolgt und beispielsweise auf einem Monitor mit reflektierte Strahlenbündel 7' wird über die gleiche Sammel- Kathodenstrahlröhre dargestellt werden.

linse 4' auf den Spiegel 11 geführt, und durch diesen auf eine ki Als optische Faserbündel für Strahlung im Bereich des weitere Sammellinse 12 umgelenkt, welche die Strahlung auf sichtbaren Lichtes und Infrarot bis 1.4 (im eignen sich die den Photoempfänger 13 fokussiert. Die Öffnung 11 ' im Spiegel käuflichen Lichtleiter. Als Strahlungsquellen können alle

11 hat also wie ersichtlich, hier dieselbe Bedeutung wie die bekannten Quellen, wie Glühlampe, vor allem aber Leuchtdio-

Endfläche des Sender-Faserbündels 1 in der Ebene 3 der Figur den mit Vorteil verwendet werden. Als Strahlungsempfänger

Eine praktische weitere Ausführungsform einer Messein- 15 eignen sich besonders Fotozellen und Fotodioden.

richtung nach der Erfindung, die für eine Vakuumbedam- Unter Benutzung von Leuchtdioden als Strahlungsquelle pfungsanlage besonders geeignet ist, ist in der Figur 4 darge- ■ und Fotodioden als Strahlungsdetektor kann die Erfindung stellt. Diese Einrichtung ist auf einer Grundplatte 15 aufgebaut, leicht auch in der Weise verwirklicht werden, dass diese letztge-

die mit einem Rohr 16 väkuumdicht verbunden und von diesem nannten Elemente innerhalb der Vakuumkammer an beliebiger gehaltert ist, wobei das Rohr 16 seinerseits durch die Wand der 20 Stelle, wo sie durch ihren Platzbedarf nicht stören, unterge-

Vakuumkammer nach aussen geführt ist (s. Fig. 5). Durch das bracht und durch optische Faserleitungen mit dem Messkopf Rohr 16 sind auch die zu einem Gesamtbündel 17 zusammenge- verbunden werden. In diesem Falle müssen dann lediglich die fassten zu- und abführenden optischen Fasern durchgeführt, entsprechenden elektrischen Leitungen durch die Wand der wobei das Faserbündel 17 noch mit einer Schutzumhüllung 18 Vakuumkammer hindurchgeführt werden.

umgeben ist. An der Platte 15 sind ferner die Linsenhalterung 25 In den Ausführungsbeispielen besass die Sammellinse 4 eine

19 für eine Linse 4 (entsprechend der optischen Anordnung Brennweite von 10 bis 25 mm. Das die Messstrahlung zufüh-

nach Fig. 1) und eine Testglaswechseleinrichtung befestigt. rende Faserbündel wies einen Durchmesser von etwa 1 mm auf Diese besteht aus einem Drehtisch 20, der eine Mehrzahl von an und war von dem die Messstrahlung abführenden Faserbündel seinem Umfang in gleichmässiger Verteilung angeordneten konzentrisch umgeben. Der Querschnitt der Fasern des letzte-

Durchbrechungen 21 aufweist, in welche die Testgläser 22 30 ren wurde ungefähr doppelt so gross wie der Querschnitt des eingesetzt werden. Der Drehtisch 20 ist mittels einer Welle 23, zentralen Faserbündels gewählt. Die Länge der Faserbündel die durch die Grundplatte 15 hindurch mittels einer Lippen- betrug 2 m, sodass eine bequeme Verbindung zwischen dem dichtung 24 vakuumdicht nach aussen geführt ist, betätigbar. Messkopf in der Aufdampfanlage und den ausserhalb derselben

Dadurch können die Testgläser 22 der Reihe nach in die opti- auf einem Gestell untergebrachten Geräten (Strahlungsquelle sehe Achse 10 der Linse 4 in Messposition gebracht werden. 35 und Empfänger, Messverstärker, Anzeigegerät) ermöglicht

Der Messkopf 14 der Figur 4 wird in die Aufdampfkammer wurde.

zweckmässigerweise so eingesetzt, wie es die Figur 5 zeigt, Der Abstand zwischen der Linse 4 und dem in Messposition nämlich im Zentrum des Trägers 25 für die zu beschichtenden befindlichen Testglas betrug 25 mm. Es zeigte sich, dass das

Substrate 26. Bei vielen Vakuumaufdampfanlagen ist der Trä- Messsignal von kleinen Variationen dieses Abstandes unabhän-

ger 25 als Kalotte ausgebildet, die an ihrem Umfang drehbar 4H gig ist. Es änderte sich auch dann nicht, wenn das Testglas 22

gelagert und angetrieben wird. Der Messkopf liegt also in der nicht genau senkrecht zur optischen Achse des Messkopfes

Achse der Aufdampfkammer in einer für die meisten Bedam- stand, was bei unsorgfältigem Einlegen in die Öffnungen 21 "des pfungsprozesse günstigen Messposition, besonders dann, wenn Drehtisches der Fall sein kann. Für eine relative Messgenauig-

die Dampfquelle ebenfalls in dieser Achse liegt. keit von 2 % waren Abweichungen bis zu 1° von der Senkrech-

Wie aus Figur 5 ferner ersichtlich ist, ist das Halterohr 16 45 ten zulässig.

des Messkopfes mittels eines Flansches 28 an einem Gegen- ,

flansch der Aufdampfkammer befestigt. Die Welle 23 des Test- Die Unempfindlichkeit gegenüber Störungen wird noch glaswechslers kann von ausserhalb der Kammer mittels eines erhöht durch die Verwendung einer möglichst schmalbandigen

Betätigungsknopfes 29 bedient werden. Messstrahlung. Zu diesem Zweck kann an beliebiger Stelle des

In der Figur 5 ist noch schematisch die Verbindung der 50 Messstrahlenganges - sei es zwischen Strahlungsquelle und

Faserbündel 1 und 5 mit einer Strahlungsquelle 8 bzw. einem Faserbündel oder im Strahlengang innerhalb des Messkopfes

Strahlungsdetektor 13 angedeutet. Letzterer ist mit den Gerä- oder zwischen dem Ausgangsfaserbündel und dem Detektor ein ten 30 zur Verstärkung und Anzeige bzw. Registrierung des Schmalbandinterferenzfilter eingefügt werden.

Messsignals verbunden. Diese Teile der Einrichtung sind von an Als Einfallswinkel wurde im Rahmen dieser Beschreibung sich bekannter Art und werden deshalb im Rahmen dieser 55 der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und der Senkrech-

Beschreibung nicht näher erläutert. Sie können je nach den ten auf die Messfläche bezeichnet ; senkrechter Lichteinfall auf jeweiligen Messerfordernissen verschieden ausgestaltet werden. die Messfläche bedeutet also einen Einfallswinkel von 0°.

Die beschriebene Messeinrichtung hat den Vorteil, dass sie Wo in der Beschreibung von einer optischen Linse die Rede in jede Vakuumkammer mittels eines einzigen Flansches ist, wird unter diesem Begriff auch eine zusammengesetzte bequem ein- und ausgebaut werden kann. Das verschieb- und 60 Linse, also eine solche, die aus mehreren Einzellinsen besteht,

drehbare Halterohr 16 erlaubt die Einstellung der verschieden- mitumfasst. Die im Patentanspruch erwähnte Hauptebene der sten Messpositionen und damit die Anpassung an Anlagen Linse, von der aus die Abstände x und y zu messen sind, liegt bei verschiedener Bauart. Die Strahlungsquelle und der Strahlungs- einer einfachen Linse ungefähr in der Mittelebene derselben,

empfänger können leicht zugänglich ausserhalb des Vakuums Genauer kann sie, (so wie bei zusammengesetzten Linsen) nach aufgestellt werden, wodurch sich das Justieren wesentlich ver- 65 bekannten Regeln bestimmt werden.

C

2 Blatt Zeichnungen

Claims

615 757

PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur Messung der Reflexion einer ebenen, spiegelnd reflektierenden Fläche, wobei eine Messstrahlung über eine optische Sammellinse auf die Messfläche und die von dieser reflektierte Strahlung mittels derselben Linse zu einem Strahlungsempfänger geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand y der reflektierenden Fläche (2,2') und der Abstand x der Strahlungsquelle oder ihres Bildes von der Hauptebene der Linse (4,4') mit der Brennweite f verknüpft sind durch die Beziehung :

y =

2x-f x-f dass die Strahlungsquelle (1) in der optischen Achse liegt und von einer konzentrisch dazu angeordneten Empfängerfläche (5) umgeben ist derart, dass der Querschnitt des reflektierten Strahlenbündels (7) am Orte der Empfängerfläche vollständig innerhalb dieser liegt und die Strahlungsquelle vollständig überdeckt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrahlungsquelle und die Empfängerfläche durch die koaxial zueinander angeordneten Enden von zwei Lichtleitern (1,5) gebildet werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lichtleiter (1,5) aus Faserbündeln bestehen, deren Fasern von einem Ende zum anderen je statistisch vermischt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Drehtisch (20) für Testgläser (22) für Aufdampfanlagen aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle eine punktförmige Lichtquelle (8) dient, die mit Hilfe einer Projektionslinse (9) auf den Abstand x von der Sammellinse (4') abgebildet wird, dass die Strahlung an dieser Stelle durch eine Öffnung (11') in einem Spiegel (11) hindurchtritt, dass dieser Spiegel um 45° zur optischen Achse geneigt ist und die Empfängerfläche bildet, und dass die reflektierte Strahlung (7') von diesem Spiegel über eine weitere Sammellinse (12) auf einen Photoempfänger (13) fokussiert wird.