CH644722A5

CH644722A5 - Schwingquarzmesskopf.

Info

Publication number: CH644722A5
Application number: CH555780A
Authority: CH
Inventors: Walter Schaedler
Original assignee: Balzers Hochvakuum
Priority date: 1980-07-21
Filing date: 1980-07-21
Publication date: 1984-08-15
Also published as: GB2080532A; US4362125A; NL8102585A; DE3120443A1; DE3120443C2; FR2493508B1; FR2493508A1; GB2080532B

Description

Die vorliegende Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, eine gleich betriebssichere Schwingquarzhalterung wie die oben beschriebene zur Verfügung zu stellen, diese jedoch gleichzeitig als Wechselvorrichtung auszubilden. Dabei ergibt sich das Problem, dass die genaue Einstellung der Lage des gerade in Messposition zu bringenden einzelnen Quarzes schwierig ist. Es muss nämlich bei jeder Messung stets genau der gleiche Ausschnitt der Oberfläche eines Quarzes beschichtet werden können, wenn reproduzierende Messergebnisse erhalten werden sollen. Wird etwa infolge einer ungenauen Positionierung gegenüber der Blende der beschichtete Ausschnitt auf der Quarzoberfläche bei aufeinanderfolgenden Messungen verschoben, ergibt sich daraus sofort eine etwas andere Eigenfrequenz für eine sonst gleiche Massenbelegung. An die Einrichtung zur Fixierung der Winkelposition einer dem Wechseln der Quarze dienenden Drehvorrichtung werden also sehr hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt.

Eine weitere Aufgabe, die die Erfindung ebenfalls lösen will, betrifft das Problem einer hinreichenden Temperaturstabilisierung einer Mehrzahl von in einem Schwingquarzmesskopf untergebrachten Einzelquarzen. Bei einer Wechselvorrichtung ist es nämlich schwierig sicherzustellen, dass eine stets gleichbleibende Wärmeableitung von dem gerade in Messposition befindlichen Quarz stattfindet und damit für die gleiche Temperatur aller Quarze bei der Messung gesorgt wird; unterschiedliche Temperaturen andererseits hätten Unterschiede der Eigenfrequenz der Quarze und damit Messfehler zur Folge.

Die genannten Aufgaben werden durch die im Patentanspruch 1 angegebene Konstruktion gelöst.

Durch die damit gegebene Möglichkeit des Wechsels des zur Messung herangezogenen Quarzes einerseits - ohne dass die Beschickungsanlage geöffnet und der Fertigungsprozess unterbrochen werden muss - und die gleichzeitige Sicherstellung der Abführung der Wärme von den Quarzen an das Gehäuse andererseits, wird eine wesentlich verlängerte unter-bruchsfreie Messzeit ermöglicht. Praktisch wird diese jetzt durch die Summe der auf den einzelnen Quarzen aufbringbaren Schichtmassen bestimmt, ist also vervielfacht.

Eine zweckmässige weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, die den einzelnen Quarzen zugeordneten Blendenöffnungen in einer gemeinsamen als Mehrfachblende dienenden drehbaren Platte vorzusehen, welche in axialer Richtung verschiebbar und gegen die gehäusefeste Blende z.B. durch eine Feder andrückbar ausgebildet ist. Weitere Einzelheiten sind aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels erischtlich. Wie bereits erwähnt zeigt Fig. 1 einen bekannten Messkopf für einen einzelnen Schwingquarz mit bloss einer (gehäusefesten) Blende;

Fig. 2 dagegen zeigt einen erfindungsgemäss als Mehr-fach-Quarzwechsler ausgebildeten Messkopf mit einer mit

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dem Träger der Quarze mitbewegten zusätzlichen Blendenplatte mit Blendenöffnungen für jeden einzelnen Quarz.

In Fig. 2 ist nur der untere Teil eines Schwingquarzmesskopfes dargestellt und Teile mit analoger Funktion sind gleich wie in Fig. 1 bezeichnet. Gegenüber Fig. 1 unterscheidet sich das erfindungsgemässe Beispiel nach Fig. 2 jedoch durch folgendes:

In dem Gehäuse 2 des Messkopfes ist eine Welle 31 angeordnet, deren unteres Ende mit der Halteplatte 13 für eine Mehrzahl von Quarzen 6 fest verbunden ist, so dass bei Drehung der Welle 31 die Halteplatte 13 mitgedreht wird. Zur Kontaktierung der Quarze 6 mit den notwendigen elektrischen Spannungszuführungen sind ähnlich wie im bekannten Falle nach Fig. 1 Kontaktstifte 11 und 12 vorgesehen, die in isolierenden Führungshülsen 14 geführt sind, wobei die Kontaktstifte des jeweils gerade in Messposition befindlichen Quarzes durch eine Feder 16 gegen den betreffenden Quarz gedrückt werden. Die Spannungszuführung zu den Kontaktstiften 11 und 12 erfolgt über die Zuleitung 19, die mittels einer isolierenden Hülse 33 an der gehäusefest angeordneten Platte 34 gehaltert ist.

Beim Weiterdrehen der Halteplatte 13 wird jeweils der nächste Quarz 6 mit seinen Kontaktbolzen 11 und 12 unter die Feder 16 geschoben. Die zweite für die Messung erforderliche Kontaktgabe erfolgt über die Auflageflächen 4 der Quarze, d.h. über die Masse des elektrisch leitenden Gehäuses. Diese Auflageflächen befinden sich an den den Quarzen zugewandten Seiten der mitbewegten Blenden 35, die, wie in der Fig. 2 gezeigt, am einfachsten als eine einzige Blendenplatte mit einer entsprechenden Anzahl von Blendenöffnungen ausgebildet ist. Mit der Blendenplatte 35 arbeitet die gehäusefeste Blendenplatte 3 zusammen, die eine einzige Blendenöffnung für den gerade in Messposition befindlichen Quarz besitzt. Um die Blendenplatte 35 gegen letztere wärmeleitend andrücken zu können, kann am einfachsten eine Feder 36 vorgesehen werden. Bei vertikaler Gebrauchslage des Messkopfes kann andererseits schon das Gewicht der Halteplatte zusammen mit den mitbewegten Blenden für eine entsprechende Anpressung genügen. Für eine verstärkte Wärmeabführung könnte das Gehäuse 2 oder die Blendenplatte 3 zusätzlich noch mit Kühleinrichtungen versehen werden.

Um die Welle 31, die ihrerseits durch die Hülse 37 im Gehäuse 2 gehaltert sein kann, bestätigen zu können, kann sie nach aussen geführt sein bzw. kann innerhalb oder ausserhalb des Messgehäusekopfes ein Antriebsmotor für die Welle 31 angeordnet werden, und für die Fixierung der Welle in den einzelnen Messpositionen kann eine ansich bekannte Indexeinrichtung vorgesehen werden. Das Wechseln der Quarze ist bei der Einrichtung nach der Fig. 2 besonders einfach. Man braucht lediglich die Blendenplatte 3 vom Gehäuse zu lösen und kann dann die Halteplatte 13 zusammen mit der Blendenplatte 35 und den Quarzen 6 herausnehmen, sie mit neuen noch unbeschichteten Quarzen beschicken und darauf wieder in das Gehäuse zusammen mit der Blendenplatte 35 gegen die Kraft der Feder 26 hineindrücken und die Blendenplatte 3 wieder am Gehäuse befestigen.

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1 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Schwingquarzmesskopf für Vakuumbeschichtungsanla-gen, zur Bestimmung der auf einem Schwingquarz beim Aufbringen von dünnen Schichten niedergeschlagenen, seine Frequenz ändernden Schichtmasse, mit einem Gehäuse, einem darin angeordneten drehbaren Träger für wenigstens zwei Schwingquarze und mit elektrischen Zuleitungen zu den Schwingquarzen sowie mit einer mit dem Gehäuse starr verbundenen Blende mit einer Öffnung, um während der Messung eine Seite des jeweils in Messposition befindlichen Schwingquarzes dem zu messenden Dampfstrom aussetzen zu können, dadurch gekennzeichnet, dass den einzelnen Schwingquarzen (6) mitbewegbare weitere, den zu beschichtenden Ausschnitt der Oberfläche jedes Quarzes bestimmende Blenden (35) zugeordnet sind und wenigstens die Blende des in Messposition befindlichen Schwingquarzes gegen die mit dem Gehäuse (2) verbundene Blende (16) wärmeleitend andrückbar ist.
2. Schwingquarzmesskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den einzelnen Quarzen (6) zugeordneten Blenden (35) als Öffnungen in einer drehbaren Platte (35) ausgebildet sind.
3. Schwingquarzmesskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger als drehbare in axialer Richtung verschiebbare und gegen die gehäusefeste Blende (3), durch eine Feder (36) andrückbare Platte (13) ausgebildet ist.
4. Schwingquarzmesskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) mit einer Kühlvorrichtung versehen ist.

Seit langem werden Quarzoszillatoren zur Dickenbestimmung und zur Messung der Beschichtungsrate (pro Zeiteinheit aufgebrachte Schichtmasse) bei der Aufbringung von dünnen Schichten und bes. durch Aufdampfen im Vakuum verwendet. Hierbei wird auf einem in der Beschichtungsan-lage angeordneten Schwingquarz eines quarzgesteuerten Oszillators eine Schicht niedergeschlagen, deren Masse die Frequenz des Messquarzes verändert. Die gemessene Frequenzänderung kann sodann als Mass für die Dicke der'niedergeschlagenen Schicht und die Frequenzänderung pro Zeiteinheit dementsprechend als Mass für die Beschichtungsrate dienen (siehe z.B. DE-OS 2 053 154, USP 3 382 842 und 3 541 894, franz. Patent 1 389 513).

Die Verwendung dieser bekannten Schwingquarz-Mess-methode setzt besonders für die Herstellung optischer Dünnschichtsysteme eine empfindliche und störungsfrei arbeitende Messapparatur für die Quarzfrequenz voraus. Bei früheren Geräten wurde die von der Massenbelegung des Messquarzes abhängige Frequenz des Messoszillators mit einem hochstabilen Referenzoszillator verglichen. Neuerdings dagegen wird die Quarzfrequenz oft auch direkt durch einen digitalen Frequenzzähler bestimmt. Aus der Frequenzänderung pro Zeit kann die Beschichtungsrate ermittelt werden.

Eine der wichtigsten Störungsursachen und Fehlerquellen beim Betrieb derartiger Geräte liegt erfahrungsgemäss in der Schwingquarzhalterung. Das zeigt sich oft schon dadurch, dass nach blossem Herausnehmen des Quarzes aus seiner Halterung und - ohne dass sonst irgendetwas geändert wird -Wiedereinsetzen desselben eine Frequenzänderung auftritt. Auch können während des Betriebes abrupte Frequenzsprünge auftreten, die wahrscheinlich durch mechanische oder thermische Spannungen des gehaltenen Quarzes verursacht werden. Solche Störungen treten insbesondere bei den bekannten Schwingquarzhalterungen in Erscheinung, bei denen der Rand des runden Quarzplättchens durch Federn gegen eine Ringfläche gedrückt wird, wobei unebene Auflageflächen oder Staubkörner, die beim Einspannen zwischen Auflagefläche und Schwingquarz gelangen, Anlass zu Störungen geben können.

Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, ist bereits vorgeschlagen worden, den Schwingquarz nur an zwei Punkten seines Umfanges zu haltem. Hierfür werden z.B. zwei Paare von Haltebacken verwendet, zwischen denen das Quarzplättchen eingeklemmt wird. Der Nachteil dieser Anordnung liegt jedoch darin, dass das häufig erforderliche Auswechseln des Quarzplättchens umständlich ist; dazu müssen die Haltebak-ken auseinandergespreizt werden, um das eine Quarzplättchen herausnehmen und ein anderes einsetzen zu können. Dies erfordert Übung und ist wegen des damit verbundenen Zeitverlustes bei der industriellen Fertigung von dünnen Schichten unerwünscht.

Für eine messtechnisch einwandfreie Halterung und leichte Auswechselbarkeit des Schwingquarzes wurde bereits eine Lösung vorgeschlagen, die in Fig. 1 der anliegenden Zeichnung dargestellt ist. Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird zunächst diese erwähnte bekannte Lösung kurz beschrieben:

Fig. 1 zeigt das zweiteilige Gehäuse eines Schwingquarzmesskopfes mit den beiden Gehäuseteilen 1 und 2. Der Teil 2 weist die Blendenöffnung 3 auf, wobei bei Verwendung in der Beschichtungsanlage (Aufdampf- oder Kathodenzerstäubungsanlage) dieser Messkopf so angeordnet wird, dass die Blendenöffnung dem Strom der zu kondensierenden Teilchen zugewandt ist. Meist ist dieser Strom von unten nach oben gerichtet, der Messschwingquarz also in der gezeichneten Lage (mit seiner Längsachse vertikal) zu benutzen.

Der Teil 2 weist am Umfang der Blendenöffnung 3 wenigstens zwei Auflageflächen 4 für das Schwingquarzplättchen 6 auf, die Ringsegmente darstellen. Der (in der Fig. 1) obere Teil des Messkopfes trägt die beiden Kontaktbolzen 11 und 12. Dazu besitzt er eine Halteplatte 13, mit isolierenden Führungshülsen 14 und 15 für die Kontaktbolzen. Eine Feder 16 drückt die Bolzen 11 und 12 gegen die Auflageflächen, wodurch das Schwingquarzplättchen 6 in seiner Lage festgehalten wird. Die Feder 16 ist ihrerseits von der ebenfalls isoliert an der Halteplatte 13 angebrachten Säule 17 getragen, die eine Anschlussfahne 18 für einen elektrischen Leiter 19 aufweist, welcher durch die isolierende Durchführung 20 durch die Abschlussplatte 21 des Teiles 1 des Messkopfes hindurch nach aussen geführt ist. Oft ist es jedoch zweckmässig, auch die übrigen Teile des Messoszillators im gleichen Gehäuse wie den Schwingquarz unterzubringen. Das Gehäuse dient dann gleichzeitig als elektrische Abschirmung. In diesem Fall kann (ausser der Ableitung des Messignals) auch die Zuführung der Versorgungsspannung für den Oszillator über die Durchführung 20 erfolgen.

Die elektrische Kontaktgabe an die beiden metallischen Belegungen des Schwingquarzplättchens erfolgt auf der Unterseite durch die beiden metallischen Auflageflächen 4, die mit der geerdeten Gehäusemasse elektrisch in Verbindung stehen, auf der Oberseite dagegen durch die beiden Kontaktbolzen 13 und 14. Gewöhnlich ist nur der mittlere Teil der beiden Seiten des Schwingquarzplättchens mit je einer metallischen Belegung versehen und führen metallische Leiterstreifen zu am Umfang befindlichen (z.B. halbringförmigen) Kontaktflächen. Um die richtige Lage des oberen und unteren Gehäuseteiles beim Zusammenfügen sicherzustellen, kann am Gehäuse eine Fixier- oder Einrastvorrichtung vorhanden sein, z.B. der Stift 22, der das Gehäuse nur in einer bestimmten Position seiner beiden Teile schliessen lässt.

Mit der beschriebenen Anordnung ist es möglich, das Schwingquarzplättchen aus der Halterung herauszunehmen und wieder einzulegen, ohne dass eine nennenswerte Fre5

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quenzänderung auftritt. Auch wurden keinerlei Störungen durch unsorgfältiges Einlegen, Staubkörner, Verspannung oder dgl. beobachtet. Nachteilig war jedoch immer noch, dass keine längere ununterbrochene Betriebszeit möglich war, der Quarz also häufig gewechselt werden musste.