DD270843A3 - Schaltungsanordnung zur elektrischen messung der schichtdicke bzw. des flaechenwiderstandes von elektrisch leitenden schichten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Messung an duennen Metallschichten auf elektrisch nicht- bzw. halbleitenden Substraten, wie sie beispielsweise in der Halbleitertechnik benoetigt werden. In der Halbleiterindustrie werden oftmals Messanordnungen zur zerstoerungsfreien Messung der Schichtdicke und/oder des Flaechenwiderstandes aufgebrachter Metallisierungen benoetigt, um dimensionierte Strukturabmessungen und vorgeschriebene Prozessparameter einhalten zu koennen. Zu diesem Zwecke eignen sich besonders Wirbelstromverfahren. Dabei werden durch die Schichteigenschaften die Parameter einer Tastspule veraendert, die die Guete und Resonanzfrequenz eines elektrischen Schwingkreises beeinflussen. Die Veraenderung der Schwingkreisparameter dient dabei als Auswertekriterium fuer die Schichtdicke bzw. des Flaechenwiderstandes, wobei die Gueteveraenderung des Schwingkreises hauptsaechlich als Messkriterium zur Anwendung kommt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Dia Erfindung ist überall dort anwendbar, wo dünne Metallschichten auf nicht· bzw. halbleitenden Substraten bezüglich Schichtdicke bzw. Flächenwiderstand zu messen sind, insbesondere in der Halbleitertechnologie zur Messung an Metallisierungen auf Isolatoren bzw. Halbleitern.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Nach /1/ und /2/ sind Anordnungen zur Messung von Dicken elektrisch leitender Schichten bekannt, die als gemeinsame Arbeitsgrundlage die Beeinflussung der elektrischen Parameter einer oder mehrerer induktiver Meßköpfe in Form von Reaktanz oder Güte haben. Benutzt man zur Messung der Schichtdicke solche Anordnungen, so besteht die Möglichkeit einer Mehrdeutigkeit der Anzeige, es sei denn, daß ein Differenzmeßverfahron mit 2 Meßköpfen verwendet wird, wovon einer als Vergleichsmeßkopf dient. Ausgewertet als Meßkriterium wird dabei der Betrag der Hochfrequenzspamurg an der Meßspule.

Eine Fehlmessung ist jedoch auch dabei nicht ausgeschlossen. Eine Verstimmung in induktiver oder kapazitiver Richtung des Meßresonanzkreises kann einen Abfall der HF-Spannung bewirken, eine Güteveränderung vortäuschen und damit zur Fehlanzeige führen. Diese Beeinflussung kann dabei durch die Schicht selbst hervorgerufen werden, wenn beispielsweise das aufgebrachte Schichtmaterial sich in der relativen Permeabilität unterscheidet und die Fläche der Tastsonde relativ groß ist. Wird die HF-Spannung am Meßkopf mit einfachen Diodengleichrichtern gleichgerichtet, erfolgt zusätzlich noch eine Logarithmierung des Ergebnisses, was zu einer zusätzlichen Nichtlinearität der Anzeige führt. Daher haften den beschriebenen Anordnungen die aufgezeigten Nachteile der Nichtlinearität der Anzeige, der Mehrdeutigkeit des Meßergebnisses oder ein hoher Schaltungsaufwand zur Eliminierung dieser Nachteile an.

In /3/ wird eine Anordnung zur Schichtdickenmessung beschrieben, die einen Meß· und einen Referenzschwingkreis benötigt und ihr Meßsignal aus einer Differenzsignalverarbeitung mittels Differenzverstärker gewinnt.

In /4/wird eine Anordnung beschrieben, die gegeneinander geschaltete Spulen zur Gewinnung des Meßsignals benutzt, Zur Bearbeitung des Meßsignnls ist eine zusätzliche Filterung notwendig. Damit besitzen die in /3/ und /4/ beschriebenen Anordnungen den Nachteil erhöhten Aufwandes bei der Signalgewinnung.

/1/ DE-OS 2923066

121 Blumenauer, Horst: Werkstoffprüfung. VEL Deutscher Verlag Grundstoffindustrie, Leipzig 1984, S.333...348.

/3/ DD-PS 210010

/4/ DD-PS 103962.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Messung der Schichtdicke bzw. des Flächenwiderstandes elektrisch leitender Schichten zu schaffen, die mit geringem schaltungstechnischem Aufwand eine lineare Anzeigefunktion gewährleistet und Mehrdeutigkeiten der Anzeige vermeidet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Schaltungsanordnung zur Messung der Schichtdicke bzw. des Flächenwidei Standes unter Verwendung des Wirbelsti omverfahrens zu schaffen, die eine lineare Übertragungsfunktion der Meßschaltung gewährleistet, Differenzanordnungen zur Erkennung von Reaktanzveränderungon des Meßkreises vermeidet und Mehrdeutigkeiten des Meßergebnisses ausschließt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Auswertung ds·· Meßergebnissej en Vierquadrantenmultiplizierer benutzt wird, der über einen Begrenzerverstärker angesteuert wird und an einem Eingang des Muiiiplizierers mit dem urn 90° phasenverschobenen HF-Signal, das et enfalls an der Tastspule anliegt, gespeist wird und an seinem zweiten Eingang mit dem nicht phasenverschobenen Signal aus dem Regrenzerverstärkerausgang gespeist wird. Die HF-Spannung wird von einem HF-Generator geliefert, der ir. geeigneter Weise mit einer Niederfrequenz frequenzmoduliert ist.

Aufführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Dabei zeigen Fig. 1 die gesamten Anordnungen und Fig. 2 die darin enthaltene Multipliziererschaltung. Der NF-Generator 1 erzeugt eine Rechteckspannung von etwa 1 kHz in einer entsprechenden Amplitude, die einem Steuerverstärker mit Addierschaltung 3 dem HF-Generator 4 zugeführt wird. Die Ausgangsspannung der Referenzkombination mit dem Potentiometer 2 wird dem zweiten Eingang des Steuerverstärkers 3 zugeführt und erlaubt die Einstellung der Grundfrequenz des spannungsgesteuerten HF-Generators 4. Ein Begrenzerverstärker 5 beseitigt eventuell entstandene Amplitudenmodulation. Über einen 90° Phasenschieber 6 wird der Meßschwingkreis 7, dessen Induktivität die Tastspule darstellt, an den Begrenzerverstärker angekoppelt. Die Ankopplung erfolgt dabei sehr lose. Der Begrenzer 5 sorgt auch dafür, daß dem Vierquadrantenmuitipiizierer 9 ebenfalls eine konstante HF-Spannung am ersten Eingang angeboten wird. Am zweiten Eingang des Vierquadrantenmultiplizierers 9 liegt das vom Meßkreis 7 angebotene Signal. Am Ausgang des Vierquadrantenmultiplizierers 9 steht die demdulierto NF-Spannung einer Gleichspannung überlagert zur Verfügung. Die Amplitude der NF-Spannung enthält die Information über die Schichtdicke bzw. den Flächenwiderstand. Die Gleichspannung enthält die Information, ob der Meßkreis 7 in kapazitiver oder induktiver Richtung verstimmt wurde. Der Tiefpaß 10 beseitigt unerwünschte Mischprodukte und hat auf die Höhe der NF-Amplitude keinen Einfluß. Über einen Trennkondensator 12 wird die zur Auswertung benötigte NF dem linearen Anzeigegleichrichter 13 und der Anzeige 14 zugeführt. Das Ergebnis der Anzeige 14 ist ein direktes Maß für die Schichtdicke bzw. den Flächenwiderstand der Probe 15 infolge Güteverschlechterung des Meßkreises 7. Wird bei der Ergebnisauswertung festgestellt, daß auch die Anzeige 11 wesentlich vom Wert ohne Probe abweicht, deutet dies auf eine reaktanzmäßige Verstimmung des Meßkreises 7 hin. Die Schicht hat dann eine relative Permeabilität *1. Über ein Koppelnetzwerk 16 kann auf einen weiteren Eingang des Steuer- und Addierverstärkers 3 eine geeignete Rückkopplung erfolgen. Damit läßt sich das System zum Frequenz- bzw. Phasenregelkreis komplettieren. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die Systemteile Begrenzerverstärker 5, Phasenschieber 6 und Vierquadrantenmuitipiizierer 9 in integrierten Schaltungen vereinigt, wie sie z. B. zur Demodulation frequenzmodulierter Signale in Funkempfängern verwendet werden. Dabei ist die Schaltung so ausgelegt, daß die abgegebene HF-Spannung linear von der Kreisgüte des Resonanzkreises 7 abhängt, wie in Flg. 2 verdeutlicht wird. Für U₂(D gilt

U₂(I) = U₂(COS tut + -y- ± φ), (1)

stellt dabei die Verstimmung des Meßkreises dar.

Unter der Bedingung der losen Schwingkreisankopplung gilt Weiterhin muß gelten Rp stellt die Schwingkraisimpedanz dar. Für die Schwingkreisgüte gilt Nach einigen Umformungen erhält man

-a'ctanQv). (5)

Für kleine v-Werte gilt

φ = -^--3ΓϋΙί'ηΟ·ν»-2-Ο·ν. (6), (7)

Da im Vierquadrantenmuitipiizierer zwei Spannungen miteinander, nämlich U_t(t) und U₂(t) multipliziert werden, erhält man U,(t) = Üt(t) U₂(t)cos (ωΐ + ~ + φΐοοβωΐ. (8)

Aus (8) ist ersichtlich, daß die Ausgangsspannung nur noch von der Phasenverschiebung der Spannung U₂ und deren Betrag abhängt, wenn beide aus einem gemeinsamen HF-Generator gespeist werden. Hält man UiU) und φ konstant, ist U.(t) nur noch eine Funktion des Betrages von U₂It). U₂ ist aber dem R_p des Meßkreises 7 proportional, damit ist U,(t) nur noch von der Güte des Meßkreises abhängig. Da der entstehende Gieinhanteil bei U, ein Maß für die Verstimmung darstellt, der mit dem Indikator 11 zur Anzeige gebracht wird, ist erkennbar, daß bei einer reaktanzmäßigen Beeinflussung des Meßkreises 7 eine entsprechende Anzeige erfolgt. Die eingangs beschriebenen Mehrdeutigkeiten der bekannten Anordnungen lassen sich so eindeutig erkennen und entsprechend verarbeiten

In der Anzeige treten somit keine schaltungstechnisch verursachten Nichtlinearitäten auf.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur elektrischen Messung der Schichtdicke bzw. des Flächenwiderstandes von elektrisch leitenden Schichten auf elektrisch nicht bzw. schwach leitendem Material mittels Wirbelstromverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Schichtdicke und dem zu messenden Schichtmaterial entsprechende Hochfrequenz aus einem HF-Generator (4) über einen Begrenzerverstärker (5) und einen 90° HF-Phasenschieber (6) dem Meßresonanzkreis (7) zugeführt wird, wobei die Meßspule Teil des Meßresonanzkreises (7) ist und durch einen angekoppelten Vierquadrantenmultiplizierer (9) das direkte und das um 90° phasenverschobene Signal ausgewertet und daß der HF-Generator (4) durch eine Niederfrequenz frequenz- oder phasenmoduliert wird und die am Vierquadrantenmultiplizierer (9) entstehende Niederfrequenz in ihrer Amplitudenhöhe das Kriterium der Güteveränderung des Meßresonanzkreises (7) darstellt.

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