DE2503395B2

DE2503395B2 - Schwingquarz-SchichtdickenmeBeinrichtung mit analogem System

Info

Publication number: DE2503395B2
Application number: DE19752503395
Authority: DE
Inventors: Andras Dipl.-Ing. Ban; Istvan Dipl.-Phys. Fabian
Original assignee: MUESZERIPARI KUTATO INTEZET BUDAPEST
Current assignee: MUESZERIPARI KUTATO INTEZET BUDAPEST
Priority date: 1974-02-07
Filing date: 1975-01-28
Publication date: 1979-02-15
Also published as: HU167641B; DE2503395A1; DE2503395C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwingquarz-Schichtdickenmeßeinrichtung mit analogem System, die in Reihe geschaltet einen Meßkristall, einen an dessen Ausgang angeschlossenen Meßoszillator, eine dazu geschaltete Mischstufe, einen mit seinem Ausgang an den anderen Eingang der Mischstufe angeschlossenen Referenzoszillator, einen mit seinem Eingang an den Ausgang der Mischstufe angeschlossenen Impulsformer, einen an dessen Ausgang angeschlossenen Frequenz-Spannungs-Umsetzer und ein Dickenanzeigeinstrument aufweist.

Bei der Herstellung einer im Vakuum verdampften Schicht und bei Herstellung von Mikrostromkreisen werden die Eigenschaften der Schicht im allgemeinen mit einer analogen Schwingquarz-Schichtdickenmeßeinrichtung gemessen. Zur Bestimmung der Eigenschaften der entstehenden Schicht wird die Frequenzverschiebung benutzt die mit der Masse der niedergeschlagenen Schicht auf die Oberfläche des im Vakuumraum untergebrachten Meßkristalls zusammenhängt Die Frequenzverschiebung des Meßkristalls wird durch den folgenden Zusammenhang bestimmt:

Am

wobei

/ = die Grundfrequenz des Meßkristalls,
Af — die Frequenzverschiebung des Meßkristalls,
N = die Frequenzkonstante des Meßkristalls,
ρ₉ = die Dichte des Meßkristalls,
F = die Oberfläche des Meßkristalls,
Am = die Masse der auf die Meßkristalloberfläche F gleichmäßig niedergeschlagenen Schicht

Aus dem Zusammenhang I ist ersichtlich, daß die Frequenzverschiebung der Masse der niedergeschlagenen Schicht direkt proportional ist Die bekannten Einrichtungen mit analogen Systemen messen die der Masse der niederschlagenden Schicht proportionale Frequenzverschiebung, bzw. die Geschwindigkeit der Frequenzverschiebung, und aus diesen benutzten sie das hergestellte elektrische Signal zur indirekten Bestimmung der Eigenschaften der zu messenden Schicht F i g. 1 zeigt eine typische Ausführung der bekannten Analogeinrichtungen.

Der im Vakuumraum untergebrachte Meßkristall 1 ist das Abstimmelement des Meßoszillators 2. Unter der Wirkung der Masse der niedergeschlagenen Schicht verändert sich die Grundfrequenz / des Meßkristalls während der Messung auf f-Af. Die Mischstufe 4 erzeugt die Frequenzdifferenz des Meßoszillators und des abstimmbaren Referenzoszillators 3. Das Signal mit Differenzfrequenz 5 steuert durch einen Impulsformer den Frequenz-Spannung-Umsetzer 6. Das Anzeigeinstrument 7 zeigt die mit der Differenzfrequenz proportionale Gleichspannung an. Das Einschalten der mit einem Fix-Oszillator zusammengekoppelten Mischstufe zwischen dem Meßoszillator 2 und der Mischstufe 4 ist bekannt Dadurch kann eine Verminderung der Frequenz des Referenzoszillators 3 erreicht werden.

Aus dem Zusammenhang I und auf Grund der Funktionsbeschreibung der Einrichtung nach Fig. I ist ersichtlich, daß die bekannten Einrichtungen zur Bestimmung der Dicke der niedergeschlagenen Schicht mangelhaft sind, weil sie die Meßergebnisse in Form einer von der Masse der niedergeschlagenen Schicht abhängigen Frequenzverschiebung anzeigen. Die Dicke der entstandenen Schicht kann nur durch Umrechnung oder mit Hilfe eines Nomogramms bestimmt werden, wobei eine nachträgliche Berücksichtigung der Schichtdichte nötig ist.

In der Vakuumverdampfungstechnologie, bei der in rascher Folge Verdampfungen stattfinden, sind die bekannten Analogeinrichtungen nicht benutzbar. Bei verdampften Schichten, die aus Komponenten mit zwei oder mehr verschiedenen Dichten bestehen oder bei Schichtsystemen, die aus Materialen mit verschiedenen Dichten aufgebaut sind, sichern die bekannten Analogeinrichtungen keine direkte, schnelle Meß- und Auswertungsmöglichkeit.

Bei der Funktionsbeschreibung wird angenommen, daß die mit der Masse der niedergeschlagenen Schicht proportionale Differenzfrequenz beim Beginn der Messung (am = 0) Af=O ist Nach den ersten und weiteren Messungen haufen sich die auf cen Meßkristall s niedergeschlagenen Schichten ai\ und zu dieser Wirkung addieren sich die Frequenzverschiebungen. Deshalb ist bei jeder Messung eine Ausgleichung der aus den vorigen Messungen stammenden Frequetzverscbiebungen nötig. Die bekannten Analogeinrichtungen ι ο gleichen jus den vorherigen Messungen stammenden Frequenzverschiebungen mit einem in der Frequenz mechanisch abstimm- und veränderbaren Referenz-Oszillator aus. Bei diesen Einrichtungen ist das Abstimmelement des Referenzoszillators eine Kapa- ts zität, oder Induktivität, und die Frequenz des Oszillators (Fig. 1; Einheit 3) stimmt mit der Meßkristallfrequenz oder mit der aus diesen beiden stammenden Differenzfrequenz fiberein. Die Vollautomatisierung kann mit den bekannten durch Hand mechanisch ausgleichbaren, analogen Schwingquarz-Schichtdickenmeßeinrichtungen nicht realisiert werden, weil der automatische Verdampfungszyklus bei Nullabgleich abgebrochen wird.

Ein weiterer Nachteil der bekannten analogen Schwingquarz-Schichtdickenmeßeinrichtungen besteht darin, daß sich die Empfindlichkeit bei der wachsenden Frequenzbestimmung vermindert Die Veränderung von f² in der Frequenzverschiebungsformel I verursacht die Empfindlichkeitsvermindening. Der so entstehende relative Fehler kann aus dem Zusammenhang I durch Einsetzen von (f— Af)² berechnet werden.

_ -2/ Af + Af² ^ 2Af
T T

(H)

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Bei den bekannten Einrichtungen wird dieser Fehler mit Hilfe einer Korrektur ausgeschlossen, die aus der Bestimmung des Momentanwertes der Frequenzver-Schiebung berechnet werden kann. Dieser Prozeß beschränkt die Genauigkeit der Dickenmessung dadurch, daß er die Ausnutzung des ganzen Verstimmbereichs, die durch die Schwingeigenschaften des Mleßkristalls zugelassen wird, unmöglich macht. Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die bisher bei der Dickenmessung von aufgedampften Materialschichten mit Hilfe von Meßeinrichtungen der genannten Art aufgetretenen Ungenauigkeiten und Beschränkungen zu beseitigen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwischen den Frequenz-Spannungs-Umsetzer und das Dickenanzeigeinstrument eine Operationseinheit geschaltet ist die als invertierender Operationsverstärker ausgebildet ist, in desstn Reihenzweig ein lineares Dichteeinstellelement geschaltet ist.

Durch diese Einrichtung wird also ein zur Schichtdicke proportionales Signal erzeugt, der gemessene Wert unter Berücksichtigung des Momentanwertes der Frequenzverschiebung korrigiert und das Meßsystem vor dem Beginn der Messung mit Hilfe eines Steuersignals abgeglichen.

Dadurch wird es ermöglicht, eine direkte, schnelle Auswertung des Meßergebnisses durchzuführen und bei Ausnutzung des ganzen Frequenzverschiebungsbereichs des Meßkristalls die Einrichtung in einem _b5 vollautoniatisierten System einzusetzen.

Die Einrichtung gibt das der Masse der niedergeschlagenen Schicht proportionale elektrische Signal an eine Operationseinheit ab, und durch das der Schichtdicke direkt proportionale Einstelielement das am Eingang der Operationseinheit in Reihe geschaltet ist wird die Empfindlichkeit der Operationseinheit so eingestellt daß das Ausgangssignal der Operationseinheit direkt in der Dimension der Schichtdicke erscheint Zwischen Masse und Dicke der niedergeschlagenen Schicht besteht der folgende Zusammenhang:

V =

Am

(III)

wobei

V = die Dicke der auf den Meßkristall niedergeschlagenen Schicht

Am = die Masse der auf den Meßkristall niedergeschlagenen Schicht

ρ = die Dichte der auf den Meßkristall niedergeschlagenen Schicht,

F = die Oberfläche des Meßkristalls. Wenn die aus der Formel III hergeleitete Größe-^? in

die Formel I eingesetzt wird, ergibt sich nach einer Umformung der folgende Zusammenhang:

V =

Af

= K

Af

(IV)

Aus der Formel IV ist ersichtlich, daß abgesehen von der Konstanten K, die von den Eigenschaften des Meßkristalls abhängt die Schichtdicke direkt proportional der von ihr verursachten Frequenzverschiebung und umgekehrt proportional der Dichte der Schicht ist Die Operationseinheit 9 der Einrichtung verwirklicht den obigen Zusammenhang mit einem rückgekoppelten Operationsverstärker, der in der F i g. 2 sichtbar ist

Die Verstärkung A, des Operationsverstärkers wird

durch den Quotient -^ der Impedanzen Z_r und Z_s

bestimmt wobei die Impedanz Z_r im Rückkopplungszweig, die Impedanz Zs im Reihenzweig liegt Wenn die Impedanzen mit den Werten Z_s = qZ\ und Z_r = K · Z\ gewählt sind, wird die Verstärkung A_r:

A ~ -A -

^Av= z-

X-Zi - A (γ)

ρ Z₁ - e ^(V)

Der Verstärker erzeugt aus dem an seinen Eingang geleiteten, der Frequenz Af proportionalen Signal Ue, das der Dicke A V proportionale Signal U* Die Dichte wird durch die im Reihenzweig untergebrachte Impedanz Z_s berücksichtigt, die der Dichte direkt proportional ist. So kann der Dichtewert für alle in der Praxis vorkommenden Materialien ohne Beschränkung eingestellt werden. Zur Berücksichtigung der Dichte kann ein einfaches, linear veränder- und skalierbares Element verwendet werden.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung führt unter der Wirkung eines elektrischen Signals auf elektronische Weise eine automatische Abgleichung durch. Unter der Wirkung des Steuersignals tastet das Abgleichsystem die im gegebenen Moment bestehende Frequenz probeweise ab, speichert sie auf digitale Weise und hält diesen Wert, bis ein neues Steuersignal erscheint, konstant.

Je nach Aufbau des Schwingquarz-Dickenmessers, kann die zur Probeentnahme dienende Frequenz die Frequenz des Meßkristalls oder aus dieser abgeleitet irgendeine Differenz-Frequenz sein. Die Steuerung der Abgleichung kann von Hand oder mit einem durch ein entsprechendes Programm erzeugten Startsignal erfolgen.

Bei der Abgleichung der Frequenzverschiebung, die von der Masse der niedergeschlagenen Schicht auf dem Meßkristall verursacht wird, führt die hier beschriebene Einrichtung die von der Verstimmung abhängige Empfindlichkeitskorrektur in solcher Weise durch, daß das Korrekturglied in Zwangsverbindung mit dem Abgleichsystem die bei Verstimmung des Kristalls auftretende Empfindlichkeitsänderung ausgleicht. Die Zwangsverbindung zwischen dem Abgleichsystem für Frequenzverschiebung und dem Korrekturglied kann elektrisch oder mechanisch sein. Eine mögliche Ausführung der Schwingquarz-Schichtdickenmeßeinrichtung, die mit einer Korrektureinheit versehen ist, ist in F i g. 3 dargestellt.

Bei der analogen Schwingquarz-Schichtdickenmeß-Einrichtung sind die durch das Dichteeinstellelement 8 gesteuerte Operationseinheit 9 und die durch den bekannten Referenzoszillator 3 gesteuerte Ver-Stimmungskorrektureinheit 10 zwischen den Frequenzspannung-Umsetzer 6 und des Anzeigeinstruments 3 der bisher bekannten Einrichtung geschaltet Die Operationseinheit und die Verstimmungskorrektureinheit bilden eine Reihenschaltung. Der bekannte Referenzoszillator 3 wird durch den Ausgang dei Abgleichsteuerungseinheit 11 gesteuert Einer ihrei Eingänge ist zum bekannten Meßoszillator 2, ein anderer zum Referenzoszillator 3 geschaltet

Diese Einrichtung kann ähnlich wie die bekannten Einrichtungen auch durch ein Element für Ratenmessung ergänzt werden. Bei den bekannten Einrichtungen ist diese Ergänzung mit einer an den Ausgang des Frequenz-Spannungs-Umsetzers 6 angeschlossenen differenzierenden Stufe und mit einem an ihren Ausgang angeschlossenen Anzeigeinstrument möglich Bei der hier beschriebenen Einrichtung ist die Ratenmessung durch die an den Ausgang der Verstimmungskorrektureinheit 10 angeschlossene differenzierende Stufe und durch das an ihren Ausgang angeschlossene Anzeigeinstrument ermöglicht Gegenüber den bekannten Einrichtungen bewirkt der mit der Dickenmeßeinrichtung gekoppelte Ratenmeßteil unter Berücksichtigung der Verstimmung und der Dichte eine Korrektur der Messung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schwingquarz-Schichtdickenmeßeinrichtung mit analogem System, die in Reihe geschaltet einen Meßkristall, einen an dessen Ausgang angeschlossenen Meßoszillator, eine dazu geschaltete Mischstufe, einen mit seinem Ausgang an den anderen Eingang der Mischstufe angeschlossenen Referenzoszillator, einen mit seinem Eingang an den Ausgang der Mischstufe angeschlossenen Impulsformer, einen an dessen Ausgang angeschlossenen Frecjuenz-Spannungs-Umsetzer und ein Dickenanzeigeinstrument aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Frequenz-Spannungs-Umsetzer (6) und das Dickenanzeigeinstrument (7) eine Operationseinheit (9) geschaltet ist, die als invertierender Operationsverstärker ausgebildet ist, in dessen Raihenzweig ein lineares Dichteeinstellelement (8) geschaltet ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Operationseinheit (9) und das Dickenanzeigeinstrument (7) eine Verstimmungskorrektureinheit (10) geschaltet ist, an deren steuernden Eingang der zweite Ausgang des Referenzoszillators (3) angeschlossen ist

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß an den Eingang des Referenzoszillators (3) der Ausgang einer Abgleichsteuerungseinheit (11) angeschlossen ist, an deren einen Eingang der Ausgang des Meßoszillators (2) und an deren anderen Eingang ein Ausgang des Referenzoszillators (3) angeschlossen sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, da3 zwischen dem Meßoszillator (2) und der Mischstufe (4) eine weitere Mischstufe angeordnet ist, deren anderer Eingang mit einem Fix-Referenzoszillator verbunden ist

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichteeinstellelement (8) eine veränderbare Impedanz ist, die mit dem Eingang des die Operationseinheit (9) bildenden Operationsverstärkers in Reihe geschaltet ist

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturelement der Verstimmungskorrektureinheit (10) ein veränderbarer Widerstand und/oder Kondensator ist, der mit dem Referenzoszillator (3) eine mechanische und/oder elektrische Zwangsverbindung bildet

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