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Schwingquarz-Schichtdickenmeßeinrichtung mit Digitalsystem.
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Der Gegenstand der Erfindung ist eine Schichtdickenmeßeinrichtung
mit digitalem System.
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Bei Herstellung von im Vakuum verdampften Schichten und bei Herstellung
von Mikrostromkreisen wird die Dicke der entstehenden Schicht im allgemeinen mit
einem Schwingquarz-Schichtdickenmeßgerät gemessen.
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Die Schwingeigenschaften des im Vakuumraum untergebrachten Schwingquarz-MeP3kristalls
verändern sich unter den Wirkung der sich niederschlagenden und zu messenden Schicht.
Die früher verwendeten Schichtdickenmeßeinrichtungen mit analogem System benutzen
zur Bestimmung der Schichtdicke die Resonanzfrequenzveränderung des Meßkristalls.
Bei den Analogsystemen beträgt die GröZenordnung der zur Messung ausnutzbaren Frequenzverschiebung
100 kHz. Für die Vakuumverdampfungstechnik ist neuerdings die Erzeugung mehrschichtiger
Systeme in einem Arbeitsgang erforderlich. Die Dicke der sich so ergebenden Schicht
wird dabei so grob, daD sie mit einer Frequenzverschiebung von ca. 100 kHz bereits
nicht mehr gemessen werden kann. Ein weiterer Nachteil des analogen Systenis ist,
dap die Frequenzverschiebung keine lineare Empfindlichkeit darstellt und dS deren
Korrektion im ganzen Meßbereich nur mit einer begrenzton Genauigkeit möglich ist.
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Solche Systeme, die einen Digital-Frequenzverschiebungsmesser oder
einen Analog-Digital-Konverter mit analogen Schichtdickenmessern zusammenschalten.
können wegen der oben genannten Nachteile die grobe Genauigkeit und das große Auflösungsvermögen
der digitalen Technik nicht ausnutzen.
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Für die Erweiterung des Meßbereiches setzen eich die Schichtdickenmeßeinrichtungen
mit Digitalsystem durch.
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Bei diesen Systemen ist einerseits die Frequenzverschiebung mindestens
eine Größenordnung höher als beim knalogsyßtem, andererseits ergibt sich ein linearer
Zusammenhang zwischen der bei dem Me prinzip benutzten Periodenzeitveränderung und
der Dicke der zu messenden Schicht im ganzen Metbereich. Die Grenzen des Analogsystems
löst das Digital system a uch In dem Sinne auf, als es die direkte Rechenmaschinensteuerung
bei den Verdampfungsprozessen ermöglicht; weiterhin kann die Datenverarbeitung auch
mit diesem Prinzip automatisiert werden. Ein weiterer Vorteil des Digitalsystems
besteht darin, das die Integrationsstufe der Digitalsysteme für die verwendeten
Bauelemente einen Wert von 90-95 s erreicht, während er bei den Analogsystemen nur
40-50 s betragen kann. Dies sichert die relative Vereinfachung der Stromkreise und
die Verbesserung der technischen Parameter der Geräte. Dadurch wird die arbeitsaufwendige
Eichung der aus einzelnen Bauelementen aufgebauten Stromkreise und die Auswahl der
Bauelemente bei den Analogsystemen unnötig.
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Die Periodenzeitveränderung des schwingenden Messkristalls wird durch
den folgenden Zusammenhang bestimmt: # t = K . # . #t /1/ wobei #t = die Periodenzeitveränderung
des schwingenden laetlçristalls K . die den Meßkristall bezeichnende Konstante s
= die Dichte der auf den Meßkristall niedergeschlagenen Schicht
d
d = die Dicke der auf den MoDkristall niedergeschlagenen Schicht ist.
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Aug dem Zusammenhang ist ersichtlich, dab die Veränderung der Schwingperiodenzeit
dem Produkt der Dicke und Dichte der zu messenden Schicht proportional ist. Um die
Schichtdicke zu bekommen, mue deshalb bei den Einrichtungen, die die Periodenzeitveränderung
der Schwingung messen, das Meßergebnis abhängig von der Dichte der gemessenen Schicht
umgerechnet werden.
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Bei den bis Jetzt bekannten Einrichtungen erfolgt die Feststellung
der Dichte auf zwei Arten: Bei der einen Methode wird die Veränderung der Schwingperiodenzeit
durch einen Grundzeitgenerator mit speziell ausgewählter Frequenz gemessen, wobei
das Meßergebnis direkt die Schichtdicke angibt. Der Nachteil der Methode besteht
darin, dap die Einrichtung nur fUr die Messung von Materialien mit einer durch die
Frequenz des Grundzeitgenerators bestimmten Dichte verwendbar ist bzw. zu Jedem
Material ein anderer Grundzeitgenerator benötigt wird. Ein weiterer Nachteil besteht
darin, dar die Dichte der Schicht einerseits von der Dicke andererseite von dem
Verdampfungsproze abhängig ist. Deshalb sind diese Systeme bei so dünnen Schichten,
bei denen die Dichte noch nicht den charakteristischein Wert fester Stoffe erreicht,
nicht verwendbar.
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Bei der anderen Methode wird die Me3zahl der Periodenzeitgeränderung
der Schwingung mit Hilfe eines Teilungsstromkreises durch die Dichte des zu messenden
Materials
geteilt. Der lachteil der Methode besteht darin, daß die Periodenzeitveränderung
und der Dichtenzahiwert im allgemeinen 3CD-kodierte Zahlen sind, deren Kehrwertbildung
nur durch Verwendung sehr komplizierter und kostspieliger Stromkreise möglich ist.
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Dieser Nachteil wird nun erfindungsgemäß mit einer Einrichtung beseitigt,die
nach dem Prinzip der Messung der Periodenzeitveränderung arbeitet. Die Einrichtung
gemäß der Erfindung mißt die Zeitveränderung der Schwingperiode N/3 des MesskristallZ,
wobei N der durch die Auflösbarkeit bestimmte Wert und # die Meßzahl der Dichte
der zu messenden Schicht ist. Dadurch wird das Meßergebnis direkt proportional der
Schichtdicke.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung enthält einen Meßkristall, einen
dazu gekoppelten Meßoszillator, einen an dessen Ausgang angeschlossenen Viereckformer,
weiterhin einen Poriodenzeitmeaser, einen Periodenzeitspeicher, einen dessen Eingang
angekoppelte Nullabgleicheinheit, die an den Eingang des Differenzbildners angeschlossen
ist, an dessen Ausgang ein Dickenanzeiger gekoppelt ist, wobei kennzeichnend ist,
daP zwischen dem Viereckformer und dem Periodenzeitmesser ein Impuls-Frequenz Multiplikator
und ein Zähler in Reihe geschaltet sind, und daß der Dichteneinsteller an den anderen
Eingang des Impuls-Frequenz-Multiplikators angeschlossen ist.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung ißt eintach,bietet aber eine für
Jedes Material brauchbare Lösung, um die Dichte zu bestimmen. Da die Periodenzeitveränderung
der Schwingung unter der Wirkung der Schicht mit einer Dicke von 1 1 eine Größenordnung
von 10-14 sec erreicht, wird aus praktischen Gründen die Veränderung der Zeit von
mehreren Perioden gemessen. Die neue Einrichtung gemäß der Erfindung mißt die Zeitveränderung
der N/# -zahligen Schwingperioden, wobei 1 die durch die Auflösbarkeit bestimmte
Zahl und # die Meßzahl der Dichte der zu messenden Schicht ist. Dadurch wird das
Meßergebnis direkt der Schichtdicke proportional, die sich durch Yultiplikation
der beiden Seiten der Gleichung /1/ mit N/# ergibt:
Eine mögliche Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung ist aus der Zeichnung
ersichtlich. Der Meßkristall 1 schwingt im Meßoszillator 2. Der Ausgang des Meßoszillators
2 ist durch den Viereckformer 3 am Eingang des Impuls-Frequenz-Multiplika tors 4
angekoppelt. km Steuereingang des Impuls-Freqzenz-Multiplikators 4 ist der Dichteeinsteller
6 angeschloesen; an seinen Ausgang ist der Zähler 5
angeschlossen.
Der Ausgang des Zählers 5 ist am Eingang des Periodenzeitmessers 7 angeschlossen.
Ein Eingang des Differenzbildners 9 ist am Ausgang des Periodenzeitmessers 7, der
andere am Ausgang des Periodenzeitspeichers 8 angekoppelt; einer dieser Eingänge
ist mit dem Ausgang des Periodenzeitmessers 7 zusammengeschlossen, und der andere
Eingang ist am Ausgang der Nullabgleicheinheit 11 angeschlossen. Der Ausgang des
Differenzbildners ist mit dem Dickenanzeiger 10 verbunden.
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Die Einrichtung funktionert folgendermaßen: das am Ausgang des Viereckformers
3 erscheinende Vierecksignal mit der Frequenz f und der Periodenzeit t wird dem
Eingang des Impuls-Frequenz-Multiplikators 4 zugeleitet, die Frequenz seines Ausgangssignals
ist abhängig von der Steuerung des Dichteneinstellers 6 . . seine Periodenzeit wird
aber # . t. M Die sec Signal ist das Eingangs signal des Zählers 5, an dessen Ausgang
ein Signal mit der Periodenzeit ## . t entsteht. Der Periodenzeitmesser 7 mißt die
Periodenzeit dieses Signals, und an seinem Ausgang erscheint der Betrag von ##.
t. Der Differenzbildner 9 erzeugt die Differenz dieses Zahlenwertes und der im Periodenzeitspeicher
8 fixierten Zahl. Der an seinem Ausgang erscheinende Zahlenwert wird durch den Dickenanzeiger
10 angezeigt. Der Ausgang des Periodenzeitmessers 7 ist an einen Eingang des Periodenzeitspeichers
8 angeschlossen, an seinen anderen Eingang das Ausgangasignal der Nullabgleich.
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einheit 11. Unter dieser Wirkung wird der Momentanwert der Periodenzeit
fixiert bzw. bis zu einer neuen Steuerung gespeichert. Die Einheiten 7, 8 und 9
detektieren die Periodenzeitveränderung des Ausgangssignale der Einheit 5. Dafür
ist auch ein aus Taktgenerator, Gatterstromkreis, Vorwärts-Rückwärts-Zähler und
Null speicher aufgebautes System geeignet. Bei der hier angewendeten Lösung ist
der Ausgang des Taktgenerators durch einen Gatterstromkreis an den Eingang des Vorwärts-Rückwärtsählers
angeschlossen, der mit einem Null speicher zusammengekuppelt ist.Statt der Einheiten
7 und 8 wird das oben genannte System so verwendet, daß der Ausgang des Zählers
5, des Gatterstromkreises und der Ausgang des Vorwärts-RUckwärts-Zählers an den
Dickenanzeiger 10 angeschlossen sind. Bei dieser Lösung rechnet der Zähler während
der Zeitdauer, die der Periodenzeit des zu messenden Signals entspricht, mit der
der Konstante K entsprechenden Taktfrequenz rückwärts und stellt sich am Ende der
Zählung auf das Komplement der Periodenzeit ein.
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Dieser Wert wird in den Speicher der Periodenzeit eingeschrieben.
Beim Messen wird die Zählkette auf diesen Wert eingestellt, dann läd sich der Zähler
nach einer Periodenzeit-Vorwärtszählung auf den der Periodenzeitveränderung entsprechenden
Wert auf.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung kann auch durch einem Geschwindigkeitsmesser
ergänzt werden, der an den Ausgang des Differenzbildners 9 angeschlossen werden
kann. Für die Bestimmung der Niederschlagsgeschwindigkeit kann Jede Differenziatoreinrich
tung
angeschlossen werden, die auf dem Digitalprin zip funktioniert.
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Zusammenfassend kann gesagt werden daß die Digital-Schwingquarz-Einrichtung
für Schichtdickenmessung gemX der Erfindung eine auf dem Prinzip der Periodenzeitveränderung
funktionierende Einrichtung ist, die die Dichte der zu messenden Schicht mit Hilfe
eines einfach aufgebauten Impuls-Frequenz-Zählers bestimmt, und bei der das Meßergebnis
direkt in Einheiten der Schichtdicke erscheint. Für die Einstellung der Schicht
dichte können einfache Wähle schalter benutzt werden. Die Dichte kann auch durch
Fernwahl zwischen den gewünschten Wert grenzen eingestellt werden.