DE2503395C3 - Schwingquarz-Schichtdickenmeßeinrichtung mit analogem System - Google Patents
Schwingquarz-Schichtdickenmeßeinrichtung mit analogem SystemInfo
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Description
N-
Un
F
Die Erfindung betrifft eine Schwingniiarz-Schiehtdickenmeßeinrichtung
mit analogem System, die in 5; 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 bo
Ausgang der Mischstufe angeschlossenen Impulsformer, einen an dessen Ausgang angeschlossenen Frequenz-Spannungs-Umsetzer
und ein Dickenanzeigeinstrument aufweist.
Bei der Herstellung einer im Vakuum verdampften *·Γ>
Schicht und bei Herstellung von MikroStromkreisen werden die Eigenschaften der Schicht im allgemeinen
mit einer analogen Schwingquarz-Schichtdickenmeßwobei
/ = die Grundfrequenz des Meßkristalls,
Af = die Frequenzverschiebung des Meßkristalls,
N = die Frequenzkonstante des Meßkristalls,
ρ = die Dichte des Meßkristalls,
F = die Oberfläche des Meßkristalls,
Am — die Masse der auf die Meßkristalloberfläche F gleichmäßig niedergeschlagenen Schicht
Af = die Frequenzverschiebung des Meßkristalls,
N = die Frequenzkonstante des Meßkristalls,
ρ = 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 massen die der
Masse dsr 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 MeßkristaUs
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 Fi equenz-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 F i g. 1 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 = 0 ist Nach den ersten und
weiteren Messungen haufen sich die auf den Meßkristall 5
niedergeschlagenen Schichten at. und zu dieser Wirkung addieren sich die Frequenzverschiebungen.
Deshalb ist bei jeder Messung eine Ausgleichung der aus den vorigen Messungen stammenden Frequenzverschiebun&en nötig. Die bekannten Analogeinrichtungen
gleichen aus den vorherigen Messungen stammenden Frequenzverschiebungen mit einem in der Frequenz
mechanisch absthum- und veränderbaren Referenz-Oszillator aus. Bei diesen Einrichtungen ist das
Abstimmelement des Referenzoszillators eine Kapazität oder Induktivität, und die Frequenz des Oszillators
(F i g. 1; Einheit 3) stimmt mit der Meßkristallfrequenz oder mit der aus diesen beiden stammenden Differenzfrequenz Oberein. Die Vollautomatisierung kann mit den
bekannten durch Hand mechanisch ausgfeichbaren, 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 Empfindlichkeitsverminderung. Der so entstehende jo
relative Fehler kann aus dem Zusammenhang I durch Einsetzen von (f-Af)2 berechnet werden.
eine Operationseinheit ab, und durch das der Schichtdicke
direkt proportionale Emstellelement, das am
Eingang der Operationseinheit ra Reihe geschaltet ist,
wird <ie Empfindlichkeit der Operationseinheit so eingestellt, daß das Ausgangssignal der Operationseinheit
direkt in der Dimension der Sehichtdicke erscheint Zwischen Masse und Dicke der niedergeschlagenen
Schicht besteht der folgende Zusammenhang:
/1 =
-21
I/ +
f1
2 I/
(H)
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 Ausnützung des ganzen Verstimmbereichs,
die durch die Schwingeigenschaften des Meßkristalls zugelassen wird, unmöglich macht Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die bisher bei der Dickenmessung von aufgedampften Materialschichten
mit Hilfe von Meßeinrichtunger 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 desren 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 bo 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
vollautomatisierten System einzusetzen.
Die Einrichtung gibt das der Masse der niedergeschlagenen Schicht proportionale elektrische Signal an
V =
Im
(III)
wobei
V = die Dicke der auf den Meßkristall niedergeschlagenen Schicht
Am = die Masse der auf den Meßkristall niedergeschlagenen Schicht
Q = 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:
N,
1/
(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 Av des Operationsverstärkers wird
durch den Quotient ' der Impedanzen Zt und Zs
bestimmt wobei die Impedanz Z1- im Rückkopplungszweig, die Impedanz Z5 im Reihenzweig liegt. Wenn die
Impedanzen mit den Werten Z1 = ρΖι und Zr = K ■ Z\
gewählt sind, wird die Verstärkung Av:
A1. ϊ -
K Zx
υ Z1
(V)
Der Verstärker erzeugt aus dem an seinen Eingang geleiteten, der Frequenz Af proportionalen Signal Ue,
das der Dicke Δ V proportionale Signal U, Die Dichte
wird durch die im Reihenzweig untergebrachte Impedanz Z5 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 ι ο 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 7 der bisher bekannten Einrichtung geschaltet. Die
Operationseinheit und die Verstimmungskorrektureinheit bilden eine Reihenschaltung. Der bekannte
Referenzoszillator 3 wird durch den Ausgang der Abgleichsteuerungseinheit 11 gesteuert. Einer ihrer
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 (6)
- Patentansprüche:i. Schwingquarz-Schichtdickenmeßeinrichtung mit analogem System, die in Reihe geschaltet einen Meßkristall, einen an dessen Ausgang angeschlossenen MeßoszUlator, 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, 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 Reihenzweig 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 Referenzoszillator:. (3) der Ausgang einer Abgleichsteuerungseinheit (U) angeschlossen ist, an deren einen jo 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, daß 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 Anspruch^ 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 bildet50 einrichtung 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 MeßkristaUs zusammenhängt Die Frequenzverschiebung des Meßkristalls wird durch den folgenden Zusammenhang bestimmt:
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| DE2503395B2 DE2503395B2 (de) | 1979-02-15 |
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Family Applications (1)
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| AT382963B (de) * | 1980-11-24 | 1987-05-11 | Leybold Heraeus Gmbh & Co Kg | Messverfahren zur bestimmung der dicke duenner schichten |
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-
1975
- 1975-01-28 DE DE19752503395 patent/DE2503395C3/de not_active Expired
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