DE2542636A1 - Schwingquarz-schichtdickenmesseinrichtung mit digitalsystem - Google Patents

Schwingquarz-schichtdickenmesseinrichtung mit digitalsystem

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DE2542636A1
DE2542636A1 DE19752542636 DE2542636A DE2542636A1 DE 2542636 A1 DE2542636 A1 DE 2542636A1 DE 19752542636 DE19752542636 DE 19752542636 DE 2542636 A DE2542636 A DE 2542636A DE 2542636 A1 DE2542636 A1 DE 2542636A1
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MUESZERIPARI KUTATO INTEZET
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/02Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B7/06Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness
    • G01B7/063Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness using piezoelectric resonators
    • G01B7/066Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness using piezoelectric resonators for measuring thickness of coating

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

  • Schwingquarz-Schichtdickenmeßeinrichtung mit Digitalsystem.
  • Der Gegenstand der Erfindung ist eine Schichtdickenmeßeinrichtung mit digitalem System.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Für die Erweiterung des Meßbereiches setzen eich die Schichtdickenmeßeinrichtungen mit Digitalsystem durch.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE
1. Schwingquarz-Schichtdickenmeßeinrichtung mit digitalem System, die einen Meßkristall (1), einen an dessen Ausgang angeschlossenen Meßoszillator (2), einen dazu geschalteten Viereckformer (3), einen Periodenzeitmesser (7), einen Periodenzeitspeicher (8) und eine an dessen einen Eingang angeordnete Nullabgleicheinheit (11) aufweist, die an den Eingang enes Differenzbildners (9) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit einem Dickenanzeiger (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daF ein in Reihe geschalteter Impuls-Frequenz-Multiplikator (4) und ein Zähler (5) zwischen den Viereckformer (3) und den Periodenzeitmesser (7) geschaltet sind und daß an dera anderen Eingang des Impuls-Frequenz-Multiplikators (4) ein Dichteeinsteller (6) angeschlossen ist.
2. Einriohtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichteneinsteller (6) ein Kode-Schalter und/ oder eine äußere Steuereinheit ist.
3. Einrichtung nach den Ansprechen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß statt des Periodenzeitmessers (7) und des Differenzbildners (9) ein Gatterstromkreis und ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler zwischen dem Zähler (5) und dem Dickenanzeiger (10) in Reihe geschaltet sind, Während der Periodenzeitapeicher (7) an den Petzteren angeschlossen ist.
4. Einrichtung nach einem der Anprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Digitaldifferenziator für die Bestimmung der Niederschlagsgeschwindigkeit an den Differenzbildner (9) angeschlossen ist. L e e r s e i t e
DE19752542636 1975-05-05 1975-09-24 Digitale Schwingquarz-Schichtdicken-Meßeinrichtung Expired DE2542636C2 (de)

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DE2542636C2 DE2542636C2 (de) 1983-10-13

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3145309A1 (de) * 1980-11-24 1982-06-16 Leybold-Heraeus GmbH, 5000 Köln Messverfahren zur bestimmung der dicke duenner schichten

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Title
"Vakuum-Technik" Bd. 14 (1965) H. 3, S. 69-73 *

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DE2542636C2 (de) 1983-10-13
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