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    公开号:WO1985003120A1
    申请号:PCT/DE1985/000005
    申请日:1985-01-11
    公开日:1985-07-18
    发明作者:Eugen Neske；Eckhard Bergmann；Karl-Heinz Bachem；Karl Kulmus
    申请人:Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewand；
    IPC主号:C23C14-00
    专利说明:
    [0001] Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Dicke
    [0002] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuier- liehen Messung der Dicke eines mit Hilfe einer Be- schichtungsanlage auf einem Trägermaterial erzeugten Materialniederschlags durch Bestimmung der Ablagerungs- dicke auf einer mit dem Eingang eines Auswerteschalt¬ kreises gekoppelten, zwei felderzeugende Elektroden aufweisenden Referenzsonde, die in einer Beschich- tungsanlage in der Nähe des Trägermaterials in einem Gehäuse mit wenigstens einer als Blendenöffnung dienen¬ den Einlaßöffnung angeordnet und mit einer Wechsel¬ spannung beaufschlagt ist.
    [0003] Bei einer solchen aus der DE-OS 31 20 443 bekannten Vorrichtung wird ein Schwingquarzmeßkopf eingesetzt, bei dem die beiden felderzeugenden Elektroden, auf zwei Flächen eines Schwingquarzes aufgebracht sind und bei einer Beaufschlagung mit einer Wechselspannung ein
    [0004] Wechselfeld in der Weise erzeugen, daß der Schwingquarz zum Schwingen angeregt wird und die Frequenz einer
    [0005] Oszillatorschaltung des Auswerteschaltkreises festlegt.
    [0006] Die Resonanzfrequenz des Schwingquarzes hängt von der sich im Laufe der Beschichtung ändernden Schichtmasse ab, so daß durch Auswerten der Frequenzänderung bei einer Beschichtung eine Bestimmung der Ablagerungsdicke möglich ist. Um "die Dickenmessungen einigermaßen genau zu machen, ist die auswertbare Frequenzänderung auf eine Änderung von wenigen Prozent beschränkt. Weiterhin ist die bekannte Vorrichtung für Schichtdicken im
    [0007] Bereich von einigen Mikrometern bzw. Flußraten von einigen Mikrometern pro Sekunde nicht geeignet, da die
    [0008] Empfindlichkeit mit zunehmender Quarzbeschichtung stark - 2 -
    [0009] abnimmt. Aus diesem Grunde wird eine Quarzwechselvor¬ richtung verwendet, um dadurch die bei der Schwing¬ quarztechnik nicht vermeidbaren Ermüdungserscheinungen zu umgehen.
    [0010] Bei einer aus der DE-AS 29 23 066 bekannten Vorrichtung zur Schichtdickenmessung von elektrisch nichtleitenden Schichten auf elektrisch leitendem Material nach dem Wirbelstromverfahren erfolgt das Aufsetzen einer Prüf- spule nach Abschluß der Beschichtung. Eine Überwachung des gerade ablaufenden Beschichtungsprozesses ist somit nicht möglich.
    [0011] In der DE-AS 10 17 372 ist ein Dickenmeßgerät beschrie- ben, das ebenfalls Wirbelstromeffekte und somit eine induktive Methode ausnutzt. Das Dickenmeßgerät verfügt über eine Prüfspule, die mit einem über die Belastung der Prüfspule dämpfbaren Schwingkreis gekoppelt ist. Die Prüfspule ist mit einem in seiner Frequenz gewob- belten Schwingkreis verbunden und erzeugt in Abhängig¬ keit von der Betriebsfrequenz des Oszillators mehr oder weniger weit in das Schichtmaterial eindringende Wir¬ belströme. Beim Durchstimmen des Oszillators ist die Induktion der höherfrequenten Ströme mit einer gerin- geren Eindringtiefe verbunden als bei den niedrigeren Frequenzen. Aus diesem Grunde erhöht sich die Belastung' des Oszillators mit der Abnahme der Frequenz bis die Schwingungen des Oszillators schließlich abreißen, wobei die Frequenz, bei der dies geschieht, ein Maß für die Beschichtungsdicke ist.
    [0012] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich¬ tung der eingangs genannten Art zu schaffen, die über einen großen Dickenbereich genaue Messungen kontinuier- lieh gestattet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Referenzsonde eine das auszuwertende Signal aus¬ koppelnde, im Feld der beiden felderzeugenden Elektro¬ den angeordnete starre Meßelektrode aufweist, und daß die zwei felderzeugenden Elektroden mit gegeneinander um 180° phasenverschobenen Wechselspannungen beauf¬ schlagt sind, deren Amplituden wenigstens bei Meßbeginn durch den Ansteuerteil für die felderzeugenden Elektro¬ den des Auswerteschaltkreises so einstellbar sind, daß die in der Meßelektrode durch die beiden felderzeugen¬ den Elektroden bewirkten Ströme gegenseitig kompensiert sind.
    [0013] Durch die mit gegenphasigen Wechselspännungen beauf- schlagten Elektroden werden .in der Meßelektrode Ströme erzeugt, die sich im abgeglichenen Zustand völlig kom¬ pensieren. Wenn eine Feldbeeinflussung durch einen Materialniederschlag auf der Meßelektrode hervorgerufe wird, entsteht an der Meßelektrode ein Meßsignal, das in dem angeschlossenen Auswerteschaltkreis zur Bestim¬ mung der Niederschlagsdicke auf der Meßelektrode hin¬ sichtlich der Schichtdicke ausgewertet wird.
    [0014] Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfin¬ dung sind die felderzeugenden Elektroden ringförmig ausgebildet, während die Meßelektrode zwischen den beiden ringförmigen Elektroden im rechten Winkel zu deren Längsachse angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Beschichtungsmaterial durch die Öffnung in den felderzeugenden Elektroden auf eine Seite der Meßelek¬ trode gelangen.
    [0015] Zweckmäßig ist es, wenn die Meßelektrode auf den beiden Seiten einer Keramikscheibe ausgebildet ist und aus einer Goldschicht besteht, die als Unterlage eine Haft¬ schicht aus Nickel aufweist. Zur Entkopplung sind zwi¬ schen den Keramikringen und der Keramikscheibe auf beiden Seiten der Keramikscheibe Metallringe vorge- sehen, die mit Signalmasse verbunden sind.
    [0016] Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unter¬ ansprüchen gekennzeichnet.
    [0017] in der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er¬ findung dargestellt. Es zeigen:
    [0018] ■ Fig. 1 die Referenzsonde der Vorrichtung im axialen Schnitt,
    [0019] Fig. 2 einen Ausschnitt der Referenzsonde in per¬ spektivischer Ansicht,
    [0020] Fig. 3 die auf einer Keramikscheibe aufgebrachte Meßelektrode und die auf Keramikringen auf¬ gebrachten felderzeugenden Elektroden in perspektivischen Ansichten und
    [0021] Fig. 4 die an die Referenzsonde angeschlossene Auswerteschaltung.
    [0022] In Fig. 1 erkennt man eine im wesentlichen rohrförmige Referenzsonde 50, die zur Messung der Schichtstärke nicht am zu vermessenden Trägermaterial selbst angeord¬ net ist, sondern ein Referenzsystem darstellt, das dem für die Beschichtung des Trägermaterials verwendeten Teilchenstrahl ebenfalls ausgesetzt ist, wobei die unterschiedlichen Orte des Trägermaterials und der Referenzsonde bei der Auswertung der in der Referenz¬ sonde 50 gemessenen Schichtdicken rechnerisch berück- sichtigt werden. Die in Fig. 1 dargestellte Referenzsonde 50 verfügt über ein im wesentlichen rohrför iges Metallgehäuse 1 , das an seinen Enden in Flanschteile 2 und 3 übergeht. Das Metallgehäuse 1 hat beispielsweise einen Durchmes- ser von ca. 20 mm und eine axiale Länge von ebenfalls etwa 20 mm.
    [0023] Sowohl im Flanschteil 2 als auch im Flanschteil 3 sind jeweils Einlaßöffnungen 4 und 5 vorgesehen. Der von dem Metallgehäuse 1 umfaßte Raum wird -durch eine Keramik¬ scheibe 6 in zwei Innenräume 7 und 8 aufgeteilt, die jeweils über die Einlaßöffnungen 4 und 5 zugänglich sind.
    [0024] Die Keramikscheibe 6 ist im mittleren Bereich beidsei- tig mit einer scheibenförmigen Metallschicht bedeckt, die beispielsweise aus einer 0,1 μm dicken Goldschicht besteht, die auf Nickel als Haftschicht aufgebracht ist. Die beiden Metallschichten bilden eine beidseitige Meßelektrode 9 und sind elektrisch in der in Fig. 3 dargestellten Weise durch eine Brücke 10 miteinander verbunden, die aus einer in einer Ausnehmung 11 in der Keramikscheibe 6 versenkten Metallbeschichtung besteht.
    [0025] Die Meßelektrode 9 ist an eine in Fig. 1 dargestellte Zuleitung 1"2 angeschlossen, die in einem Loch 13 in der Brücke 10 endet und dort elektrisch leitend mit der Meßelektrode 9 verbunden ist. Das andere Ende der Zuleitung 12 ist, wie man in Fig. 4 erkennt, mit dem Eingang eines Schmalbandverstärkers 37 verbunden.
    [0026] Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, liegt die
    [0027] Keramikscheibe 6 gegen einen oberen Metallring 14 und einen unteren Metallring 15 an, die mit der Masse elek- trisch verbunden sind. Diese Metallringe 14, 15 dienen einerseits als Massebarrieren zwischen den Keramiktei¬ len und andererseits als Abstandsringe.
    [0028] Der obere Metallring 14 ist gegen einen oberen Keramik- ring 16 abgestützt, dessen Form in Fig. 3 gut zu erken¬ nen ist. Entlang dem Innenumfang des oberen Keramik¬ rings 16 ist eine erste ringförmige Elektrode 17 ausge¬ bildet, die über eine Zuleitung 18 mit einer Wechsel¬ spannung beaufschlagt wird, so daß die Elektrode 17 als feiderzeugende Elektrode im Bereici des Innenraums 8 wirksam werden kann, der als Referenzteil dient, wenn über die Einlaßöffnung 4 ein Dampfstrahl oder ein sonstiger Teilchenstrahl in den Innenraum 7 als Meßteil eintritt.
    [0029] Die Zuleitung 18 ist mit der Elektrode 17 über ein in einer Ausnehmung 19 versenktes Anschlußstück 20 verbun¬ den. Der obere Keramikring 16 liegt mit seiner Ober¬ seite gegen einen Abstandsring 21 aus Keramik oder Metall an, so daß Kurzschlüsse zwischen der Elektrode 17 und dem Flanschteil 3 nicht zu befürchten sind.
    [0030] Ähnlich dem in Fig. 1 oberhalb der Keramikscheibe 6 ausgebildeten Referenzteil ist unterhalb der Keramik- scheibe 6 der Meßteil ausgebildet. Der untere Metall¬ ring 15 liegt gegen einen unteren Keramikring 22 an, der mit einer zweiten ringförmigen Elektrode 23 entlang seinem Innenumfang versehen ist. Die zweite ringförmige Elektrode 23 ist elektrisch mit einem Anschlußstück 24 verbunden, das in Fig. 3 erkennbar ist und in einer Ausnehmung 25 im Keramikring 22 versenkt ist. Über eine Zuleitung 26, die in Fig. 1 und in Fig. 4 dargestellt ist, erhält die zweite ringförmige Elektrode 23 eine Wechselspannung, die gegenüber der auf der ersten ring- förmigen Elektrode 17 angelegten Wechselspannung um 180° phasenverschoben ist und deren Spannung mit Hilfe der in Fig. 4 dargestellten Schaltung so eingestellt werden kann, daß insbesondere bei Meßbeginn am Ort der Meßelektrode 9 das Potential Null herrscht.
    [0031] Gegen den unteren Keramikring 22 ist mit Hilfe eines Sprengrings 27 ein Abstandsring 28 angedrückt, der aus Metall oder Keramik bestehen kann.
    [0032] Die in Fig. 1 ganz und in den Figuren 2 und 3 teilweise dargestellte Referenzsonde 50 wird bei der Durchführung einer kontinuierlichen Messung eines Materialnieder¬ schlages, insbesondere einer Aufdampfdicke, in der in Fig. 4 dargestellten Weise elektrisch geschaltet. Me¬ chanisch wird dabei das Metallgehäuse 1 so ausgerich- tet, daß z.B. der Innenraum 7 dem Dampfstrahl oder dergleichen ausgesetzt ist und als Meßteil dient, während der Innenraum 8 dann als Referenzteil dient und im Schatten des Dampfstrahls oder dergleichen liegt.
    [0033] Um die erste ringförmige Elektrode 17 mit einer Wech¬ selspannung und die zweite ringförmige Elektrode 23 mit einer gegenphasigen Wechselspannung zu versorgen, sind diese über die Zuleitungen 18 und 26 mit den Ausgängen von Verstärkern 29 und 30 verbunden. Während der Ver- stärker 29 eingangsseitig unmittelbar über einen ampli¬ tudenstabilen Oszillator 31 gespeist ist, wird der Verstärker 30 mit einer um 180° phasenverschobenen Spannung gespeist, deren Amplitude variabel ist. Die Ausgangsspannung des Oszillators 31 gelangt daher über einen Phasenschieber 32 zur Erzeugung einer Phasenver¬ schiebung von 180°, über ein Potentiometer 33 und einen Widerstand 34 zum Eingang des Verstärkers 30. Damit die Eingangsspannung des Verstärkers 30 nicht nur manuell mit Hilfe des Potentiometers 33 verstellbar ist, ist die Ausgangsspannung des Phasenschiebers 32 zusätzlich über eine Nullpunktskorrekturschaltung 35 und einen Widerstand 36 mit dem Eingang des Verstärkers 30 ver¬ bunden. Mit Hilfe der Nullpunktskorrekturschaltung 35 kann die Spannung auf der zweiten ringförmigen Elektro- de 23 automatisch so nachgestellt werden, daß auf der Meßelektrode 9 nach einer Störung des Gleichgewichtes infolge der Ablagerung einer leitenden oder nichtlei¬ tenden Schicht auf der Meßelektrode 9 wiederum das Potential Null herrscht. Außerdem dient die Nullpunkts- korrekturSchaltung 35 zur Kompensation von mechanischen Änderungen der Elektrodenanordnung und Langzeitdriften der Elektronik.
    [0034] Wenn zu Beginn eines Meßvorgangs noch kein Material- niederschlag auf der zum Innenraum 7 weisenden Seite der Meßelektrode 9 vorhanden ist und die oben erörterte Nullpunktseinstellung stattgefunden hat, liegt die Me߬ elektrode 9 auf dem Potential Null, so daß über die Zuleitung 12, die mit dem Eingang eines Schmalbandver- stärkers 37 verbunden ist, kein Strom fließt. Wenn jedoch infolge einer Störung des Gleichgewichts durch die Ablagerung eines Materialniederschlags auf der Meßelektrode 9 ein Strom in der Zuleitung 12 erzeugt wird, erfolgt mit Hilfe des Verstärkers 37, der auf die Frequenz des Oszillators 31 abgestimmt ist, eine sehr große Verstärkung des Eingangssignals, so daß bereits äußerst geringe Schichtdicken erfaßt werden können, die linear bei leitenden Niederschlägen bereits erfaßt werden können, wenn die Schichtdicke lediglich 0,1 μm beträgt oder sich bei dem hier erörterten Ausführungs¬ beispiel bis zur oberen Meßgrenze von 1 mm Schichtdicke um 0,1 μm ändert. Nichtleitende Niederschläge können ebenfalls erfaßt werden, wobei der hier nichtlineare Zusammenhang zwischen Schichtdicke und Meßsignal durch Eichkurven z.B. mittels eines Mikroprozessors korri¬ giert werden kann. Wie in Fig. 4 weiter zu erkennen ist, ist der Ausgang des Verstärkers 37 mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter 38 verbunden, der über einen Phasenschie¬ ber 39 ein Referenzsignal erhält und ein nach Betrag und Phase richtungsempfindliches Ausgangssignal lie¬ fert.
    [0035] Das Ausgangssignal des Gleichrichters 38 speist eine Integrationsstufe 40, in der ein Meßsignal erzeugt wird, dessen Größe von der Dicke des Materialnieder¬ schlages auf der Meßelektrode 9 abhängt, wobei bei lei¬ tenden Substanzen ein linearer Zusammenhang zwischen der Schichtdicke und dem Meßwert besteht. Die Integra¬ tionsstufe 40 ist einerseits mit einer Meßwertverarbei- tungsstufe 41 und andererseits mit dem Nullpunktkorrek¬ turschaltkreis 35 verbunden.
    [0036] Die Verbindung der Referenzsonde geschieht bis zur Durchführung des Tanks, in dem die Beschichtung er- folgt, mittels Semirigid-Koaxialkabel und von dort über gewöhnliche Koaxialkabel bis zu der in Fig. 4 darge¬ stellten Schaltung.
    权利要求:
    Claims- 10 -PATENTANSPRÜCHE
    1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Dicke eines mit Hilfe einer Beschichtungsanlage auf einem Trägermaterial erzeugten Materialnieder¬ schlags durch Bestimmung der Ablagerungsdicke auf einer mit dem Eingang eines Auswerteschaltkreises gekoppelten, zwei felderzeugende Elektroden auf¬ weisenden Referenzsonde, die in einer Beschich- tungsanlage in der Nähe des 'Trägermaterials in einem Gehäuse mit wenigstens einer als Blenden¬ öffnung dienenden Einlaßöffnung angeordnet und mit einer Wechselspannung beaufschlagt ist, da¬ durch gekennzeichnet , daß die Referenz- sonde (50) eine das auszuwertende Signal (12) aus¬ koppelnde, im Feld der beiden felderzeugenden Elektroden (17, 23) angeordnete starre Meßelektro¬ de (9) aufweist und daß die zwei feiderzeugenden Elektroden (17, 23) mit gegeneinander um 180° phasenverschobenen Wechselspanπungen beaufschlagt sind, deren Amplituden wenigstens bei Meßbeginn durch den Ansteuerteil (29 bis 36) für die feld¬ erzeugenden Elektroden (17, 23) des Auswerte¬ schaltkreises (29 bis 41) so einstellbar sind, daß die in der Meßelektrode (9) durch die beiden feld¬ erzeugenden Elektroden (17, 23) bewirkten Ströme gegenseitig kompensiert sind.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e - kennzeichnet , daß die felderzeugenden Elek¬ troden (17, 23) ringförmig ausgebildet sind.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge¬ kennzeichnet , daß die Meßelektrode (9) zwischen den beiden ringförmigen Elektroden (17, - 1 1 -
    23) im rechten Winkel zu deren Längsachsen ange¬ ordnet ist.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- kennzeichnet , daß die Meßelektrode (9) auf den beiden Seiten einer Keramikscheibe (6) ausge¬ bildet ist.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge- kennzeichnet , daß die Keramikscheibe (6) im mittleren Bereich auf beiden Seiten mit einer Haftschicht und einer dünnen, leitenden Schicht versehen ist.
    6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die feld¬ erzeugenden Elektroden (17, 23) entlang dem Innen¬ umfang von Keramikringen (16, 22) ausgebildet sind.
    7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der die beidseitige Meßelektrode (9) tragenden Keramikscheibe (6) und den die felderzeugenden Elektroden (17, 23) tragenden Keramikringen (16, 22) Abstandsringe (14, 15) angeordnet sind.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 4, 6 oder 7, da¬ durch gekennzeichnet , daß die Kera ik- scheibe (6), die Keramikringe (16, 22) und die Ab¬ standsringe (14, 15) axial fluchtend in einem Metallgehäuse (1) angeordnet sind, das auf wenig¬ stens einer Seite eine mit dem Innenraum (8, 7) der Keramikringe (16, 22) fluchtende Einlaßöffnung (4, 5) aufweist.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge¬ kennzeichnet , daß die Abstandsringe (14, 15) metallisch leitend sind.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Metallgehäuse (1) rohrförmig ist und die äußeren axialen Seiten der Keramikringe (16, 22) gegen nach innen weisende Flanschteile (3, 2) des Metallgehäuses (1) abge¬ stützt sind.
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