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Die
Erfindung betrifft ein Schichtdickenmessgerät insbesondere für Beschichtungsanlagen.
Darüber
hinaus betrifft die Erfindung eine Beschichtungsanlage mit einem
entsprechenden Schichtdickenmessgerät.
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Bei
der Beschichtung von Gegenständen, insbesondere
in der optischen Industrie wie beispielsweise bei der Beschichtung
von Linsen und Spiegeln zur Erzeugung von Antireflexbeschichtungen
(Vergütungen)
oder von dielektrischen Verspiegelungsschichten, besteht während des
Beschichtungsprozesses das Erfordernis, die Schichtdicke zu bestimmen,
bzw. ein Maß für die aufgedampfte Schichtdicke
zu erhalten. Dazu wird in der Beschichtungsanlage, also in der Beschichtungskammer,
ein Messsensor angeordnet. Bekannte Schichtdickenmessgeräte weisen
häufig
Quarzschwingmessköpfe auf,
die an ihrem vorderen, der Atmosphäre der Beschichtungskammer
ausgesetzten Ende ein dünnes Metallplättchen tragen. Über eine
Steuerleitung wird der Ouarzschwingkopf zur Resonanzschwingung angeregt.
Die Resonanzfrequenz des Gesamtsystems ändert sich dabei in Abhängigkeit
von der Dicke des Plättchens,
das der Kammeratmosphäre
ausgesetzt ist. Da sich während
des Beschichtungsprozesses auch auf dem Plättchen das in der Kammeratmosphäre befindliche
Gas in etwa proportional zur Ablagerung der entsprechenden Moleküle auf den
zu beschichtenden Werkstücken
ablagert, ist demzufolge die Änderung
der Resonanzfrequenz ein Maß für die auf
die zu beschichtenden Elemente aufgebrachte Schichtdicke. Da die
Resonanzfrequenz des Quarzschwingkopfes auch von der Temperatur
des Schwingkopfes abhängt,
ist es erforderlich, die zu dem Schwingkopf führende Signalleitung sowie
den Schwingkopf selbst zu kühlen.
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Ein
Schichtdickenmeßsystem
auf der Basis eines Quarz-Schwingmesskopfes ist beispielsweise aus
der
DE 31 45 309 A1 bekannt.
Eine detaillierte Schaltungsanordnung für die Ansteuerung und Signalauswertung
eines Quarz-Schwingmesskopfes ist beispielsweise in der
US 4,817,430 A1 beschrieben.
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Austauschseite
2
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Ziele
der vorliegenden Erfindung sind es, ein Schichtdickenmessgerät und eine
Beschichtungsanlage mit dem Schichtdickenmessgerät anzugeben, mit denen Beschichtungen,
die höchsten
Anforderungen an Schichtdicke und Homogenität genügen, erzeugt werden können.
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Diese
Ziele werden mit einem Schichtdickenmessgerät mit den Merkmalen des Anspruches
1 und einer Beschichtungsanlage mit den Merkmalen des Anspruches
10 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Merkmalen der abhängigen
Ansprüche.
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Bei
der Erzeugung von Beschichtungen mit höchsten Anforderungen sind innerhalb
der Beschichtungskammer mehrere unabhängige Messköpfe vorgesehen, um auf diesem
Wege auch Rückschlüsse über die
Homogenität
der aufgebrachten Schichten zu erhalten. D.h. es ist ein Schichtdickenmessgerät angegeben,
dass mehrere Messköpfe aufweist.
Auch die Beschichtungsanlage ist mit einem verbesserten Schichtdickenmessystem
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Schichtdickenmessgerät weist
ein gebogenes Rohr auf, an dem mehrere Messköpfe aufgenommen sind. Im Inneren
des gebogenen Rohres sind Innenrohre aufgenommen, in denen die zu
den Messköpfen
führenden
Signalleitungen geführt
sind.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Schichtdickenmessgerät kann das
gebogene Rohr von Kühlwasser oder
einem anderen flüssigen
Kühlmittel
durchflossen sein. Da die zu den Messköpfen führenden Signalleitungen in
den Innenrohren verlaufen, werden sie ebenso wie die Messköpfe vom
Kühlmittel
gekühlt,
ohne dass das Kühlmittel
unmittelbar mit den Signalleitungen in Kontakt tritt und dadurch
die Signalleitungen durch den Kühlmittelstrom
beschädigt werden
könnten.
Da die Messköpfe
an einem gemeinsamen gebogenen Rohr aufgenommen sind, resultiert
eine relativ einfache Montage bzw. Demontage des gesamten in der
Beschichtungskammer angeordneten Teils des Messgeräts.
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Austauschseite 2a
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Das
Außenrohr
ist vorzugsweise kreisförmig gebogen
und umschließt
etwa einen halben Kreis bis einen 7/8-Kreis. Das gesamte Messgerät kann dadurch
so in der Beschichtungsanlage bzw. in der Beschichtungskammer angeordnete
werden; dass die Seite, an der der vom Außenrohr umschriebene Kreis nicht
geschlossen ist, zur Öffnung
der Beschichtungskammer weist, wodurch ein hohes Maß an Zugänglichkeit
innerhalb der Beschichtungskammer, zum Beispiel zum Ein- und Ausladen
der zu beschichteten Elemente gewährleistet ist.
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Für jeden
Messkopf kann ein eigenes Innenrohr vorgesehen sein, das von einem
Anschlussstutzen jeweils zu dem Messkopf führt. Undichtigkeiten an Anschlussstellen,
an denen sich Innenrohre verzweigen, können dadurch nicht auftreten.
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Die
Messköpfe
sind vorzugsweise winkelmäßig gleichmäßig verteilt
am gebogenen Rohr aufgenommen. Dadurch wird die Abscheidung an winkelmäßig gleichmäßig verteilten
Orten innerhalb der Beschichtungskammer ermittelt.
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Die
Messköpfe
sollten dabei radial nach innen auf das Kreiszentrum des gebogenen
Rohres gerichtet sein.
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Das
gebogene Außenrohr
sollte einen freien Innendurchmesser von größer als 15 mm vorzugsweise
von größer als
25 mm aufweisen. Dadurch kann im Außenrohr ein hoher Kühlmittelstrom
erreicht werden, der trotz Kammertemperaturen über 300°C dafür sorgt, dass die Temperatur
des Schichtdickenmessgeräts
konstant bleibt und das Schichtdickenmessgerät keinen thermischen Verzug
erfährt.
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Das
gebogene Außenrohr
kann an seinen beiden Enden Anschlussstutzen aufweisen und es können von
beiden Anschlussstutzen Innenrohre zu jeweils einer Hälfte der
Messköpfe
geführt
sein. Dadurch wird ein für
den Kühlmitteldurchfluss
verbleibender optimaler freier Querschnitt gewährleistet.
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An
den Stellen, an denen eine flexible Leitung erforderlich ist, insbesondere
von den beiden Anschlussstutzen des gebogenen Rohres bis zu den Wänden der
Beschichtungskammer, können
die Rohrleitungen als Faltenbalge ausgeführt sein, wobei dann innerhalb
eines äußeren Faltenbalges
weitere innere Faltenbalge angeordnet sind, von denen jedes mit
einem Innenrohr innerhalb des gebogenen Rohres verbunden ist und
in denen die Signalleitungen zu den Messköpfe geführt sind.
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Bei
einer Anordnung des Schichtdickenmessgeräts in einer Beschichtungsanlage,
bei der eine Kammerheizung vorgesehen ist, sollte das im wesentlichen
teilringförmige
Schichtdickenmessgerät
so relativ zur Heizung angeordnet sein, dass die Heizung innerhalb
eines von dem Rohr berandeten zylindrischen Volumens angeordnet
ist, so dass die Heizung nicht unmittelbar auf das Schichtdickenmessgerät strahlt.
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Zusätzlich zu
dem Schichtdickenmessgerät kann
in einer Beschichtungsanlage ein weiterer Messkopf an einem weiteren
Rohr aufgenommen sein, das vom Kammerboden bis in die Mitte der
Beschichtungskammer geführt
ist. Der Aufbau dieses weiteren Messsystems mit dem weiteren Messkopf sollte
analog zu dem zuvor beschriebenen Messgerät aufgebaut sein mit einem
Außenrohr
und einem darin geführten
Innenrohr für
Signalleitungen, wobei der Zwischenraum zwischen dem Außenrohr
und dem Innenrohr für
einen Kühlmitteldurchfluss
bestimmt ist.
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Nachfolgend
werden Einzelheiten der Erfindung an Hand des in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Im
Einzelnen zeigen:
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1:
einen Vertikalschnitt durch eine Beschichtungskammer mit einem erfindungsgemäßen Schichtdickenmessgerät, und
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2:
einen Horizontalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Schichtdickenmessgerät mit einem
kreisförmig
gebogenen Rohr und daran aufgenommenen vier Messköpfen.
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In
der 1 ist mit (1) die Beschichtungskammer
bezeichnete. Im Inneren der Beschichtungskammer (1) ist
ein zwei Module aufweisendes Schichtdickenmessgerät angeordnet.
Das erste Modul des Schichtdickemmessgeräts weist ein ringförmig gebogenes
Rohr (3) auf, an dem mehrere Messköpfe (6, 7)
aufgenommen sind. In einem konkreten Ausführungsbeispiel sind an dem
ringförmig
gebogenen Rohr (3) insgesamt vier Messköpfe aufgenommen, von denen
in der 1 allerdings nur zwei sichtbar sind. Die Messköpfe können in
bekannter Weise als Quarzschwingmessköpfe ausgebildet sein. Im Inneren
des ringförmig
gebogenen Rohres (3) sind Innenrohre (8, 9)
aufgenommen, die jeweils von einem Anschlussstutzen (28, 29)
des ringförmig gebogenen
Rohres (3) zu einem der Messköpfe (6, 7) führen. Jedes
dieser Innenrohre (8, 9) ist an der Messkopfaufnahme
wasserdicht verschweißt
oder verlötet,
so dass durch das gebogene Rohr hindurch fließendes Kühlwasser nicht in die Innenrohre
(8, 9) gelangen kann. In den Innenrohren (8, 9)
sind die Signalleitungen (10, 11) für die Messköpfe (6, 7)
geführt.
Die beiden Anschlussstutzen (28, 29) sind nahe der
Enden des ringförmigen
Rohres (3) an entgegen gesetzten Seiten davon angeordnet,
so dass das ringförmig
gebogene Rohr nahezu vollständig
von Kühlwasser
durchflossen ist.
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Das
gebogene Rohr (3) steht innerhalb der Beschichtungskammer
(1) auf Füßen (4, 5),
so dass sich der vom gebogenen Rohr (3) gebildete Ring
in vertikaler Richtung etwa in der Mitte der Beschichtungskammer
(1) befindet.
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Sowohl
die Kühlwasserzuführung als
auch Kühlwasserabführung in
das ringförmig
gebogene Rohr (3) bzw. aus dem ringförmig gebogenen Rohr (3)
erfolgt jeweils über
einen Faltenbalg (12, 14), wobei jeder der beiden
Faltenbalge (12, 14) von einem der beiden Anschlussstutzen
(28, 29) des gebogenen Rohres zum Kammerboden
(2) der Beschichtungskammer (1) geführt ist.
Innerhalb der Faltenbalge (12, 14) sind jeweils
noch innere Faltenbalge (13, 15) geführt, die
an den Anschlussstutzen (28, 29) mit den Innenrohren
(8, 9) im gebogenen Rohr (3) verbunden
sind, durch die wiederum die Signalleitungen für die Messköpfe (6, 7)
geführt
sind.
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Die
Auftrennung zwischen Kühlwasserleitung
und Signalleitungen erfolgt außerhalb
der Beschichtungskammer (1) in entsprechend ausgebildeten
Anschlussstutzen (16, 19) die jeweils einen Anschluss
(18, 20) für
das Kühlwasser
und ein oder zwei weitere Anschlüsse
(17, 21) für
Signalleitungen aufweisen.
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Das
gebogene Rohr ist relativ dickwandig und hat eine Wandstärke von
2 bis 5 mm und einen Durchmesser von größer 15 mm, vorzugsweise von etwa
30 mm bis 45 mm. Durch den dicken Querschnitt des gebogenen Rohres
(3) kann ein großer Kühlmitteldurchfluss
durch das Rohr (3) gewährleistet
werden, so dass die Messköpfe
(6, 7) einschließlich der in den Innenrohren
(8, 9) geführten
Signalleitungen (10, 11) sehr effizient gekühlt werden,
ohne dass die Messköpfe
(6, 7) oder die Signalleitungen (10, 11)
unmittelbar mit dem Kühlmittel
in Kontakt kommen würden.
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Die
Innenrohre (8, 9) bestehen aus einem Material
mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit
wie beispielsweise Metalle, insbesondere Kupfer, um eine gute Kühlung der
innerhalb der Innenrohre geführten Signalleitungen
zu gewährleisten.
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Das
gesamte Messgerät
ist mechanisch sehr stabil und zeigt auch bei größeren Temperaturschwankungen
keinen oder nur einen geringfügigen Verzug,
wenn dass gebogene Rohr aus geglühtem Stahl
hergestellt ist. Dadurch ist die Positionierung der Messköpfe (6, 7)
innerhalb der Beschichtungskammer (1) stets an der selben
Stelle gut gewährleistet.
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Darüber hinaus
ist der gesamte in der Beschichtungskammer anzuordnende Teil des
Messgeräts
sehr leicht montierbar und demontierbar, da zur Demontage nur die
beiden Durchführungen
an den Kammerböden
im Bereich der Anschlussstutzen (16, 19) getrennt
zu werden brauchen.
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Weiterhin
ist das Messgerät
sehr leicht zu reinigen, da es nach Demontage aus der Beschichtungskammer
durch Sandstrahlen gereinigt werden kann, wobei allerdings die Messköpfe beim
Sandstrahlen geschützt
werden müssen.
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In
der Beschichtungskammer 1 ist weiterhin eine Heizung mit
zwei Heizstrahlern (22, 24) aufgenommen, die zur
erforderlichen Temperierung der Beschichtungskammer (1)
dienen. Die Heizungen (22, 24) stehen ebenfalls
auf Füßen (23, 25)
auf dem Kammerboden (2). Die Heizungen (22, 24)
und das Messsystem sind so zueinander angeordnet, dass die Heizungen
(22, 24) bzw. deren Wärme abstrahlenden Flächen, innerhalb
des durch dass gebogene Rohr (3) nach außen hin
begrenzten vertikalen Zylinders angeordnet sind, so dass die Heizungen
(22, 24) nicht unmittelbar auf das Schichtdickenmessgerät strahlen.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 1 weist das Schichtdickenmessgerät ein zweites
Modul auf, das wahlweise bei Bedarf eingesetzt werden kann. Dieses
zweite Messmodul weist einen einzigen Messkopf auf, dessen empfindliche
Fläche
etwa in der Mitte der Beschichtungskammer (1) angeordnet
ist und in Richtung auf den Kammerboden (2) weist. Dieses zweite
Modul hat nur einen einzigen Messkopf, ist aber ansonsten völlig analog
zu dem ringförmigen Schichtdickenmessgerät aufgebaut,
das heißt
es hat ein Außenrohr
(26) mit einem relativ dicken freien Innendurchmesser,
der für
den Kühlwasserdurchfluss dient,
und darin aufgenommen ein Innenrohr (27), in dem die Signalleitungen
für den
Messkopf geführt sind.
In dem Außenrohr
(26) ist ein weiteres, nicht dargestelltes Innenrohr für den Kühlwasserzulauf
angeordnet, das etwas unterhalb des Messkopfes endet, so dass das
zulaufende Kühlwasser
im Außenrohr
von oben nach unten läuft
und dabei sowohl den Messkopf als auch das Innenrohr (27)
mit den Signalleitungen umspült
und dabei kühlt.
Das Kühlwasser tritt
dann im Bereich des Kammerbodens aus dem Außenrohr (26) aus.
Auch bei diesem zusätzlichen Modul
erfolgt die Kühlmittelzufuhr,
die Kühlmittelableitung
als auch die Zu- und Abführung
der Signalleitungen über
in einander angeordneten Faltenbalge.
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In
der 2 ist das in der Beschichtungskammer anzuordnende
Teil des Messgeräts
in einem Vertikalschnitt senkrecht zur Zeichenebene in 1 dargestellt.
Wie man der 2 entnimmt, umschließt das ringförmig gebogene
Rohr (3) einen ¾-Kreis
bis einen 7/8-Kreis und weist auf einer Seite eine Öffnung (43)
auf. Diese Öffnung
des durch das gebogene Rohr gebildeten Teilrings ist vorzugsweise
so in der Kammer angeordnet, dass die Öffnung (43) zur Öffnung der
Beschichtungskammer weist, so dass der Innenraum der Beschichtungskammer
trotz des darin aufgenommen Schichtdickenmessgeräts gut zugänglich ist.
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An
dem ringförmig
gebogenen Rohr (3) sind insgesamt vier Messköpfe (6, 7, 36, 37)
aufgenommen die winkelmäßig gleichmäßig über den
vom gebogenen Rohr gebildeten Ring verteilt sind und jeweils auf
den Mittelpunkt (M) des vom gebogenen Rohr (3) gebildeten
Ringes ausgerichtet sind. Innerhalb des gebogenen Rohres (3)
sind vier Innenrohre (8, 28, 9, 39)
geführt,
von denen jeweils zwei Innenrohre von jeweils einem der beiden Anschlussstutzen (28, 29)
des gebogenen Rohres (3) ausgehen. Jeweils eines der Innenrohre
ist zu einem der Messköpfe
geführt.
In den Innenrohren (8, 38, 7, 37)
sind die Signalleitungen für
die Messköpfe
geführt.
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Nicht
dargestellt in der (2) sind die ineinander
geführten
Faltenbalge, die von den Anschlussstutzen (28, 29)
zum Kammerboden führen
und von denen die inneren Faltenbalge mit jeweils einem der Innenrohre
verbunden sind.
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In
der 2 weiterhin dargestellt ist der obere Teil des
zweiten Moduls des Messgeräts,
das nur wahlweise vorhanden ist, und das einen einzigen Messkopf
(42) aufweist, der in lateraler Richtung mittig in der
Beschichtungskammer oberhalb des Mittelpunktes (M) des vom ringförmig gebogenen
Rohr (3) gebildeten Moduls angeordnet ist und dessen Sensorfläche nach
unten weist. Dieses zweite Messsystem weist einen Aufbau völlig analog
zu dem ringförmigen
Teil des Messgeräts
auf, das heißt
auch hier ist in dem Außenrohr
(26) ein Innenrohr (27) geführt, in dem wiederum die Signalleitung
für den
Messkopf (42) geführt
sind.
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Die
Messköpfe
sind am gebogenen Rohr (3) so aufgenommen, dass jeder einzelne
Messkopf vom Rohr (3) demontiert und durch einen neuen
Messkopf ersetzt werden kann, so dass bei Ausfall eines Messkopfes
auch nur dieser ausgetauscht zu werden braucht.
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In
den Figuren dargestellt ist nur der Teil des Schichtdickenmessgeräts, der
innerhalb der Probenkammer anzuordnen ist. Nicht dargestellt ist
hingegen der weitere elektronische Teil des Schickdickenmessgeräts mit einem
Oszillator, über
den alle Messköpfe
(
6,
7,
6,
37) zu Oszillationen
angeregt werden und die Auswertekreise, über die die Änderungen
der Resonanzfrequenzen der Messköpfe überwacht
werden. Insbesondere die Auswertekreise sind für jeden der Messköpfe separat
vorzusehen. Die Auswertekreise können
analog zu den in der
US 4,817,430 beschriebenen
Auswertekreisen ausgebildet sein.