DE3335766A1

DE3335766A1 - Anordnung zur elektrischen messung von schichtdicken an laufenden baendern

Info

Publication number: DE3335766A1
Application number: DE19833335766
Authority: DE
Inventors: Gernot Dipl.-Ing. 6450 Hanau Thorn
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1983-10-01
Filing date: 1983-10-01
Publication date: 1985-04-11
Also published as: GB2147423A; US4682105A; GB2147423B; GB8424468D0; JPS60155904A

Description

83S,₉

LEYBOLD-HERAEUS GmbH
Bonner Straße 504

D-5000 Köln - 51

Anordnung zur elektrischen Messung von Schichtdicken an laufenden Bändern "

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrischen Messung von Schichtdicken an laufenden Bändern in Vakuum-Beschichtungsanlagen mit■mindestens einer Umlenkwalze für das Band, mehreren Sensoren mit örtlich begrenztem Meßbereich für Signale, die ein Maß für die Schichtdicke darstellen, sowie mit einer Auswerteschaltung für die Meßsignale.

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Eine derartige Anordnung dient häufig auch zur Regelung der Schichtdicke bei der Herstellung der Schichten, sei es durch Vakuumaufdampfen, sei es durch Katodenzerstäubung. Die Schichtdicke hat in aller Regel einen erheblichen Einfluß auf die Eigenschaften des Endprodukts, d.h. die beschichtete Folie. Dies gilt für Kondensatorfolien mit Aluminiumschichten ebenso wie für Tonträger mit Magnetschichten oder Folien, bei denen das optische Verhalten eine ausschlaggebende Rolle spielt.

Die Messung der Schichtdicke auf elektrischem Wege ist eine indirekte Messung, da in Wirklichkeit der Flächenwiderstand gemessen wird. Dieser ist aber durchaus repräsentativ für die Schichtdicke, und in zahlreichen Fällen wird sogar der Flächenwiderstand als Sollwert angegeben.

Die Messung des Flächenwiderstandes an laufenden Bändern ist problematisch, da eine mechanische Berührung durch einen Schleifkontakt ausscheidet. Auch rollende Kontakt-Übergänge sind wegen der auftretenden Kontakt-Obergangswiderstände schwierig zu handhaben. Es kommen mithin nur berührungsfreie Meßverfahren in Frage.

Durch die DE-OS 18 13 333 ist es bekannt, Bänder mit elektrisch leitfähigen Schichten entweder über zwei metallische Umlenkwalzen laufen zu lassen oder über eine Umlenkwalze mit zwei metallischen Endstücken, die durch ein Isolierstück elektrisch voneinander getrennt sind. Da sich die elektrisch leitfähige Beschichtung auf der den Walzen abgekehrten Seite der Folie befindet, wird eine Art Kondensator gebildet, der die Beschichtung kapazitiv an einen Meßkreis ankoppelt. Durch entsprechende

Kontakte an den Walzen lassen sich Meßströme übertragen, die ein Maß für den Flächenwiderstand der Schicht sind. Obwohl Dickenunterschiede der Isolierstoffbahn, die das Meßergebnis verfälschen könnten, durch einen Referenzzweig in einer Brückenschaltung kompensiert werden können, ist es mit der bekannten Lösung lediglich möglich, den integralen Flächenwiderstand auf der gesamten Bandbreite zu erfassen, so daß Abweichungen in der Schichtdicke quer zur Laufrichtung des Bandes nicht erfaßt werden können, wenn sie sich in der Summe ausgleichen. Solche Schichtdickenabweichungen würden sich beispielsweise als "Streifigkeit" äußern; sie treten insbesondere dann auf, wenn die Quelle für das Beschichtungsmaterial aus mehreren Einzelquellen besteht, die sämtlich unabhängig voneinander geregelt werden müssen. Eine solche Regelanordnung setzt für jede Quelle des Beschichtungsmaterials einen eigenen Sensor voraus, der die von dieser Quelle erzeugten Schichten erfaßt. Die bekannte Integralmessung ist für derartige Regel verfahren nicht brauchbar.

Durch die DE-OS 23 45 849 ist gleichfalls ein berührungsfreies Meßverfahren für Schichtdicken an laufenden Bändern bekannt, mit dem örtlich begrenzte Meßbereiche erfaßt werden können. Die Messung geschieht auf induktivem Wege, wobei zur Kompensation von Flatterneigungen des laufenden Bandes, die außerhalb der limlenkwalzen praktisch unvermeidbar sind, zwei auf unterschiedlichen Seiten des Bandes liegende Induktionsspulen vorgesehen

sind. Durch Addition der Ausgangssignale beider Induktionsspulen laßt sich ein linearer Bereich zwischen den Meßspulen erzielen, in dem eine Lageänderung des laufenden Bandes keinen negativen Einfluß auf das Meßergebnis hat. Mit einer solchen Vorrichtung können jedoch bei vertretbarem Aufwand nur Messungen im Randbereich der laufenden Bänder durchgeführt werden, weil eine Messung in der Mitte der Bänder bei großer Bandbreite eine gabelförmige Meßvorrichtung bedingen würde, die einen konstanten Abstand der beiden Induktionsspulen garantiert. Bereits geringe Abweichungen des Spulenabstancfes wurden zu einer Verfälschung der Meßergebnisse führen, und es hat sich praktisch nicht als durchführbar erwiesen, die gabelförmigen Träger der Induktionsspulen genügend starr auszuführen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei einer Vielzahl derartiger Sensore.n Raumprobleme auftreten, und es wird insbesondere schwierig, beim Beschicken der Vorrichtung mit einer frischen Folie, die Folie zwischen sämtlichen gabelförmigen Sensorenträgern hindurchzuführen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung für die Bestimmung eines Schichtdickenprofiles in Richtung der Bandbreite anzugeben, bei der mehrere Sensoren nur auf einer Seite des Bandes angeordnet sind.und bei der dennoch eine Bandbewegung in Richtung der Flächennormalen des Bandes im Bereich der Sensoren unterdrückt wird.

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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Meßanordnung erfindungsgemäß dadurch, daß die Sensoren in der Umlenkwalze an deren Oberfläche und auf die Länge der Umlenkwalze verteilt angeordnet und durch eine übertragungseinrichtung mit der Auswerteschaltung verbunden sind.

Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung macht man sich die Tatsache zunutze, daß das laufende Band im Bereich seiner Auflage auf der Umlenkwalze keiner Flatterneigung unterliegt, so daß bei konstanter Foliendicke auch ein konstanter Abstand der elektrisch leitfähigen Schicht von dem betreffenden Sensor gegeben ist. Etwaige Schwankungen in der Folienstärke lassen sich bei der Variante der kapazitiven Messung auf die weiter oben angegebene Weise leicht kompensieren. Die betreffenden Sensoren erfassen aufgrund ihres nachstehend noch näher beschriebenen Wirkungsprinzips nur einen örtlich begrenzten Flächenbereich, so daß durch eine entsprechend dichte Anordnung der Sensoren für eine ausreichend genaue Erfassung des Schichtdickenprofils Sorge getragen werden kann. Da Bandbeschichtungsanlagen ohnehin mit einer größeren Anzahl von Umlenkwalzen versehen sind, führt die Unterbringung der Sensoren in einer dieser Umlenkwalzen auch zu keinem erhöhten Raumbedarf, und auch das Einfädeln bzw. Einlegen einer neuen Folie bereitet keinerlei Schwierigkeiten. Durch die erfindungsgemäße Anordnung kann eine entsprechende Anzahl von Quellen des Beschichtungsmaterials in engen Grenzen

geregelt werden, so daß eine ausgesprochen gute Homogenität der Schichtdicke quer zur Laufrichtung des Bandes erzielt werden kann. Um hier einen quantitativen Eindruck von der Wirkungsweise des Erfindungsgegen-Standes gegenüber derjenigen des Standes der Technik zu erhalten, wird auf folgendes verwiesen: Bei einer einseitig angeordneten Induktionsspule sinkt deren Feldstärke im Nahbereich etwa mit der dritten Potenz des Abstandes Sonde-Schicht ab, so daß bei einem Abstand von nur einem Millimeter und einer überlagerten Querbewegung des Bandes von - 0,1 mm bereits ein Meßfehler von ca. 30 % entsteht. Durch die Anordnung von zwei Induktionsspulen auf gegenüberliegenden Seiten des Bandes gemäß der DE-OS 23 45 849 entsteht in einer Zone, die etwa 40 % der Breite des Luftspaltes zwischen den beiden Induktionsspulen beträgt, nur ein Fehler von etwa 5 %. Eine solche Verbesserung ist allerdings nur mit einem erheblichen konstruktiven Aufwand und mit einer erschwerten Bedienung der Bandbeschichtungs· Vorrichtung zu erreichen. Bei der erfindungsgemäßen . Lösung stellt sich trotz einer erheblich vereinfachten Bauweise nur ein Fehler von maximal etwa 1 % ein, der für die meisten Anwendungsfälle toleriert werden kann.

Es ist dabei möglich, die Sensoren stillstehend auszubilden und beispielsweise die Umlenkwalze in Längsrichtung zu unterteilen und zwischen den Walzenabschnitten stehende Sensoren anzuordnen. Es ist außerdem möglich, den Mantel der Umlenkwalze äußerst dünnwandig

auszubilden und die Sensoren innerhalb dieser Hohlwalze stillstehend anzuordnen» Eine solche Maßnahme setzt jedoch spezielle Werkstoffe für den Mantel der Walze voraus; außerdem haben die Sensoren einen größeren Abstand von der zu messenden Schicht.

Es ist daher besonders vorteilhaft, die Sensoren in der Weise in der Umlenkwalze anzuordnen, daß ihre wirksamen Flächen unmittelbar in der Walzenoberflache liegen und daß die Sensoren mit der Umlenkwalze rotieren.

In|dem zuletzt genannten Fall kommen die Sensoren nur intermittierend mit dem Trägermaterial des Bandes auf der der Schicht gegenüberliegenden Seite in Berührung, wobei der betreffende Weg dem Umschlingungswinkel des Bandes um die Walze proportional ist. Für die Messung wird infolgedessen nur diejenige Zeit ausgewählt, in der die betreffende Sonde und der zu messende Flächenausschnitt aus der Beschichtung sich auf konzentrischen Kreisen bewegen bzw. in konzentrischen Zylinderflächen liegen. Dies ist durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung bzw. durch das bekannte Kommutator-Prinzip leicht zu bewirken. Für den Fall, daß sämtliche Sensoren entlang einer einzigen Mantellinie der Umlenkwalze angeordnet sind, kann für jeden Sensor ein eigener übertrager, beispielsweise ein eigener Schleifring für die Kontaktabnahme vorgesehen werden.

Es ist jedoch für die Einsparung von übertragungsmittel besonders vorteilhaft, wenn die Sensoren, wie beim Ausführungsbeispiel gezeigt, in Umfangsrichtung gestaffelt angeordnet sind, und in Abhängigkeit von der jeweiligen Walzenstellung (Winkellage) zeitlich nacheinander mit der Auswerteschaltung verbindbar sind.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Auswerteschaltung sowie zwei unterschiedliehe Sensorsysteme werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung einer Umlenkwalze mit drei Sensoren und eines über die Umlenkwalze laufenden Bandes

in Verbindung mit einer Auswerteschaltung,

Figur 2 eine Reihenanordnung von Sensoren, die aus Induktionsspulen bestehen,

Figur 3 eine Reihenanordnung von Sensoren, die aus Kondensatorplatten bestehen, und

Figur 4 ein Blockschaltbild für die Gewinnung und Verarbeitung der Sensorsignale.

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In Figur 1 ist eine Umlenkwalze 1 dargestellt die hohl ausgebildet ist und einen zylindrischen Mantel 2 aufweist. In diesem Mantel befinden sich an den Stellen A, B und C Ausnehmungen, in denen Sensoren 3, 4 und 5 angeordnet sind, deren Einzelheiten nachstehend anhand der Figuren 2 bzw. 3 nach näher erläutert werden. Die Sensoren rotieren mit der Umlenkwalze 1. Von ihnen führen Leitungen zu einem Umsetzer 6, in dem die Meßsignale in solche Signale umgesetzt werden, die zu einer Auswerteschaltung 7 libertragbar sind. Im vorliegenden Fall erzeugt der Umsetzer 6 elektrische Signale, die den Meßwerten proportional sind und an zwei Schleifringe 8 und 9 weitergegeben werden. Diese stehen mit Schlöifkontakten 10 und 11 in Berührung, von denen die abgegriffenen Spannungen über Leitungen 12 und 13 zur Auswerteschaltung 7 übertragen werden.

Die Umlenkwalze 1 besitzt eine Welle 14, mit der sie in nicht dargestellten Lagern gelagert ist. Am vorderen Ende der Welle 14 befindet sich ein Positionsgeber für die Winkelstellung der Welle 14, der mit einem Positionsmelder 16 zusammenwirkt. Derartige Einrichtungen sind bekannt; sie können beispielsweise auf magnetischer Basis arbeiten und übertragen die Positionssignale über Leitungen 17 und 18 gleichfalls zur Auswerteschaltung 7. Auf diese Weise ist es möglich, die einzelnen Meßwerte zeitlich nacheinander und nur über einen begrenzten Zeitraum, d.h.

innerhalb eines gewissen Umdrehungswinkels der Umlenkwalze 1 zu erfassen. Die Auswerteschaltung 7 ordnet die Meßwerte Anzeigegeräten 17, 18 und 19 zu, die den einzelnen Sensoren 3, 4 und 5 lagemäßig entsprechen.

Anstelle einer galvanischen Übertragung der Meßsignale kann auch eine Fernübertragung auf kontaktlosem Wege, beispielsweise durch Funksignale erfolgen, wenn der Umsetzer 6 einen entsprechenden Sender aufweist. Die Auswerteschaltung 7 ist alsdann mit einem entsprechenden Empfänger auszustatten. Es ist auch möglich, jeden der Sensoren 3, 4 oder 5 mit einem eigenen Sender innerhalb des Umsetzers δ auszustatten.

Ober die Umlenkwalze 1 wird ein auf seiner äußeren Oberfläche bereits beschichtetes Band 20 geführt, welches in Richtung der Pfeile 2T in horizontaler Richtung ankommt und in Richtung der Pfeile 22 in vertikaler Richtung abgezogen wird. Der Umschlingungswinkel beträgt also 90 Grad.

Die Umlenkwalze 1 ist Teil eines aus zahlreichen ähnlichen Walzen bestehenden Transportsystems für das laufende Band 20, das jedoch ebenso wie die Abwickel- und Aufwickelrollen nicht dargestellt ist. Die gesamte Anordnung ist in einer gleichfalls nicht dargestellten Vakuumkammer untergebracht, in der sich auch die Quellen für das Beschichtungsmaterial befinden. Bei diesen Quellen kann es sich um Verdampfer und/oder Zerstäubungskatoden handeln.

In Figur 2 ist ein teilweiser Axialschnitt durch die Umlenkwalze 1 mit den Sensoren 3, 4 und 5 gezeigt. Das auf dem zylindrischen Mantel 2 aufliegende Band 20 ist ebenso wie die auf diesem aufgebrachte Schicht 23 im Querschnitt gezeigt, allerdings in einem erheblich übertriebenen Maßstab. Die Sensoren werden im vorliegenden Fall aus Induktionsspulen gebildet, die in Topfkerne 25 eingebettet sind. Die Polflächen dieser Topfkerne sind dem Band 20 bzw. der Schicht 23 zugekehrt. Die Induktionsspulen 24 werden von einem Hochfrequenzgenerator 26 versorgt. Die induktiven Eigenschaften der Induktionsspulen und des Topfkerns, d.h. der Sensoren wird nach Maßgabe der Flächenwiderstandes bzw. der Dicke der Schicht 23 vestimmt, und diesen Verstimmung wird in Form eines Meßsignals dem Umsetzer 6 zugeführt, dessen Ausgangssignale wiederum der Auswerteschaltung 7 aufgeschaltet sind.

In Figur 3 ist eine Variante des Gegenstandes nach Figur 2 dargestellt. In diesem Fall bestehen die Sensoren 3, 4 und 5 aus Kondensatorplatten 27, die unmittelbar in der Oberfläche des zylindrischen Mantels 2 liegen, d.h. mit diesem eine gemeinsame Zylinderfläche besitzen, wobei jedoch für eine ausreichende elektrische Isolation Sorge getragen ist. Auch die Kondensatorplatten 27 werden von einem Hochfrequenzgenerator 26 versorgt und bilden mit der elektrisch leitfähigeh Schicht 23' einzelne Kondensatoren,

bei denen das Dielektrikum aus dem Werkstoff des Bandes 20 besteht, in der Regel also aus einem thermoplastischen Werkstoff. Die Spannung·, der dadurch gebildeten Anordnung wird gleichfalls durch den Flächenwiderstand der oberhalb der Kondensatorplatten liegenden Schichtausschnitte verstimmt, und diese Verstimmung wird als Meßsignal dem Umsetzer 6 zugeführt, der sie wiederum an die Auswerteschaltung 7 weitergibt.

Die auf induktiver Basis arbeitenden Sonden gemäß Figur 2 eignen sich vorzugsweise für dickere Schichten. Der Meßbereich erstreckt sich je nach der Ausgangsfrequenz des Hochfrequenzgenerators 26 vom Nanometerbereich bis in den Millimeterbereich der Schichtdicken, entsprechend Flächenwiderständen von etwa 50 Ohm/Quadrat bis zu einigen Mi Πi-Ohm/Quadrat.

Die Sonden nach dem kapazitivem Verfahren gemäß Figur eignen sich insbesondere für sehr dünne, d.h. hochohmige Schichten. Der Meßbereich erstreckt sich je nach der gewählten Frequenz des Hochfrequenzgenerators von ca. 10 Ohm/Quadrat bis in den Mega-Ohm/Quadrat-Bereich.

Figur 4 zeigt die Sensoren 3, 4 und 5 in Verbindung mit dem Umsetzer 6, einem übertrager 28 und der Auswerteschaltung 7 als Blockschaltbild. Der übertrager 28, kann gemäß Figur 1 aus Schleifringen bzw. Schleifkontakten 8/10 bzw. 9/11 gebildet werden.

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Die dargestellte Vorrichtung hat folgende Wirkungsweise:

Die Sensoren 3, 4 und 5 sind in Umfangsrichtung gestaffelt angeordnet, und der Sensor 3 kommt als erstes mit dem Band 20 (Folie) in Berührung und begleitet es auf einem Umschlingungswinkel von 90 Grad. Als nächstes kommt der Sensor 4 und anschliessend der Sensor 5 mit dem Band 20 in Berührung, wobei die Meßwerterfassung nur auf einem Teil desjenigen Weges erfolgt, bei dem die Sensoren und das Band 20 sich auf konzentrischen Kreisen bewegen bzw. in konzentrischen Zylinderflächen liegen. Die entsprechende Stellung der Sensoren wird dabei über den Positionsgeber 15 und den Positionsmeider 16.erfaßt.

Entsprechend der Anzahl der Sensoren läßt sich das Band 20 quer zur Transportrichtung (Pfeile 21 und 22) in einzelne Abschnitte unterteilen, deren Schichtdicke selektiv erfaßt werden kann. Es ist auf diese Weise möglich, jeden einzelnen "Streifen" des Bandes getrennt zu erfassen und mittels des Meßsignals nach Vergleich mit entsprechenden Sollwerten eine Einzelregelung der entsprechenden Beschichtungsquellen durchzuführen. Ein Regel verfahren, für das die An-Ordnung nach Figur 1 verwendet werden kann, ist beispielsweise Gegenstand der DE-OS 33 30 092.

/Ii₀ — Leerseite -

Claims

Ansprüche:

Anordnung zur elektrischen Messung von Schichtdicken an laufenden Bändern in Vakuum-Beschichtungs anlagen mit mindestens einer Umlenkwalze für das Band, mehreren Sensoren mit örtlich begrenztem
Meßbereich für Signale, die ein Maß für die

Schichtdicke darstellen, sowie mit einer Auswerteschaltung für die Meßsignale , dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3, 4, 5)
in der Umlenkwalze (1) an deren Oberfläche und
auf die Länge der Umlenkwalze verteilt angeordnet und durch eine übertragungseinrichtung (28) mit der Auswerteschaltung (7) verbunden sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3, 4_S 5) mit der Umlenkwalze (1) umlaufend angeordnet sind.
3. Anordnung nach Anspruch Z₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3, 4, 5) in Umfangsrichtung gestaffelt angeordnet sind und in Abhängigkeit

von der jeweiligen Walzenstellung zeitlich nacheinander mit der Auswerteschaltung (7) verbindbar sind.

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4. Umlenkwalze für die Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch mehrere unmittelbar an der Walzenoberfläche angeordnete Sensoren (3, 4, 5) für die Schichtdickenmessung.