DE2812995A1

DE2812995A1 - Rueckstreuungsmessvorrichtung zur dickenmessung an einer schicht

Info

Publication number: DE2812995A1
Application number: DE19782812995
Authority: DE
Inventors: William D Hay; Derek Lieber; Jacques Weinstock
Original assignee: Unit Process Assemblies Inc
Current assignee: Unit Process Assemblies Inc
Priority date: 1977-06-03
Filing date: 1978-03-23
Publication date: 1978-12-14
Also published as: DE2812995B2; NL7806028A; DE2812995C3; BE867784A; FR2393267B1; US4115690A; IT1156804B; FR2393267A1; IT7849723A0; JPS542768A; SE7806563L

Description

UNIT PROCESS ASSEtIBLIES INC.

60 Oak Drive

Syosset, New York 11791

U.S.A.

Rückstreuungsmeßvorrichtung zur Dickenmessung an einer Schicht

Die Erfindung betrifft eine Rückstreuungsmeßvorrichtung zur Dickenmessung an einer Schicht, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist.

Die Erfindung bezieht sich auf Rückstreuungs-Dickenmeßeinrichtungen, insbesondere auf eine Vorrichtung zur Dickenmessung an einer Schicht, die sich auf einem Streifen von Substratmaterial befindet, der sich mit vorgegebener Geschwindigkeit von einem Vorrat zu einer Aufnahmestelle bewegt.

Zur Dickenmessung von Schichten v/erden Ruckstreuungsinstrumente benutzt, mit denen eine auf einem Substrat befindliche 'Schicht bestrahlt wird und die von der Schicht rückgestreuten Teilchen gezählt werden. Zur Messung muß der Benutzer die Sonde positionieren, die sowohl eine Strahlenquelle für die Bestrahlung der Schicht wie auch ein Gerät zur Feststellung der von den Schichten rückgestreuten Teilchen aufweist, und die sich in der Nachbarschaft der zu messenden Schicht befindet.

809850/0597

-*s

Ein Rückstreuungsmeßinstrument Ist mit der Sonde verbunden, um die rückgestreuten Teilchen für einen vorgegebenen Zeitabschnitt zu zählen und die dieser Zählung entsprechende Schichtdicke anzuzeigen. Es ist wünschenswert, daß die Sonde und derjenige Teil des beschichteten Materials, der ausgemessen werden soll, während der Meßzeit stationär zueinander "bleiben. Je langer die Meßperiode andauert, desto genauer ist das Ergebnis.

In der elektronischen Industrie haben die Hersteller von beschichteten Substraten sehr wirkungsvolle und wirtschaftliche Prozesse zur Beschichtung von Streifen aus Substratmaterial entwickelt. Dies Ist eine hochentwickelte Technik, bei der Beschichtungen im Bereich'von etwa 0,7/um bis etwa 2,6/um (30bis lOOnScroinch) mit einem hohen Gleichförmigkeitsgrad aufgetragen werden können. Es hat sich herausgestellt, daß das Beschichten von Streifen aus Substratmaterial wirtschaftlicher ist als stückweises Beschichten von Substraten.

In den letzten Jahren hat sich ein besonderes Bedürfnis für ein Gerät zur genauen Dickenmessung von Schichten auf Substratmaterial ergeben, da Gold in elektronischen Schaltkreisen für Kontaktpunkte verwendet wird und da der Preis des Goldes sich beträchtlich erhöht hat. Dementsprechend hat es eine zunehmende Nachfrage für genaue Instrumente ergeben, mit denen bestimmt wird, wieviel Gold beim Beschichtungsprozeß abgelagert wird.

Der Beschichtungsprozeß für Streifen von Substratmaterial verläuft kontinuierlich, wobei sich das Substratmaterial mit vorgegebener Geschwindigkeit durch die Beschichtungsstufe bewegt. Da die Sonde während der Periode der Rückstreuungs-Dickenmessung vorzugsweise stationär bezüglichdes beschichteten Substratmaterialstreifens bleibt, ist es bei konventionellen Instrumenten notwendig, den Beschich-

809850/0597

tungsprozeß anzuhalten, wenn die Messung ausgeführt wird, und ihn anschließend erneut zu starten. Dieser diskontinuierliche Vorgang des Anhaltens und Startens benötigt ■viel Zeit, so daß sich ein Bedürfnis für eine Vorrichtung ergeben hat, mit der die Schichtdickeninessung ausgeführt werden kann, ohne daß die Bewegung des Substratmaterialstreifens angehalten werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Vorrichtung zu schaffen, die es erlaubt, eine Schichtdickenmessung bei sich bewegendem Substratmaterialstreifen auszuführen.

Diese Aufgabe wird durch eine im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebene Ruckstreuungsmeßvorrichtung gelöst, die erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Weise ausgestaltet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit der vorliegenden Erfindung werden die Nachteile der konventionellen Geräte vermieden, indem ein Meßrad vorgesehen ist, mit dem die Sonde stationär zu einem auszumessenden, beschichteten Substratmaterialstreifen positioniert wird, während sich der beschichtete Streifen aus einem Vorrat zu einer Aufnahmestelle mit vorgegebener Geschwindigkeit bewegt.

Erfindungsgemäß ist ein Meßrad vorgesehen, auf dessen Kranz Ruckstreuungssonden angebracht sind, die zur Bestrahlung und zur Feststellung der von dem beschichteten Substrat rückgestreuten Strahlung dienen. Der beschichtete Substratmaterialstreifen wird auf der Außenseite des Radkranzes geführt. Das Meßrad dreht sich mit einer solchen Geschwindigkeit, daß die Tangentialgeschwindigkeit eines Punktes des Radkranzes der Geschwindigkeit des Streifens gleich ist, wobei die Sonde und ein benachbarter Punkt

809850/0597

des Streifens relativ zueinander stationär bleiben, solange der Punkt auf dem Streifen an dem Radkranz anliegt. Auf diese Weise kann eine Messung ausgeführt werden, ohne daß die Bewegung des beschichteten Streifens angehalten werden muß.

Gemäß der Erfindung wird also eine Sonde an dem Kranz des Meßrades befestigt und es wird der sich bewegende Substratmaterialstreifen um die Außenseite des Radkranzes herumgeführt. Das Meßrad wird dabei mit einer solchen Geschwindigkeit gedreht, daß die Tangentialgeschwindigkeit eines Punktes auf dem Radkranz mit der Fortbewegungsgeschwindigkeit des beschichteten Substratmaterialstreifens übereinstimmt. Die Sonde und der zu messende Anteil des beschichteten Streifens bewegen sich somit in einer zueinander stationären Beziehung, bis der zu messende Teil des beschichteten Streifens den Kranz des Meßrades verläßt und sich zu der Aufnahmestelle bewegt.

Wenn der zu messende Anteil des beschichteten Streifens der Sonde benachbart ist, bestrahlt die Sonde die Beschichtung und stellt die rückgestreute Strahlung fest. Ein Rückstreuungsmeßinstrument (in der vorliegenden Erfindung nicht enthalten) ist mit der Sonde verbunden. Dieses Instrument zählt die Teilchen, die während der von dem Benutzer ausgewählten Meßperiode von der Beschichtung rückgestreut werden und übersetzt diese Ruckstreuungszählung in eine Anzeige der Schichtdicke. Die Meßperiode kann von dem Benutzer eingestellt werden; dabei ist die obere Grenze durch diejenige Zeit gegeben, die der auszumessende Teil des beschichteten Substratmaterialstreifens benötigt, um sich von seinem ersten Angreifen an das Meßrad zu der Stellung zu bewegen, an der er.sich von dem Meßrad wieder löst.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figu-

809850/0597

ren dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben und näher erläutert.

Die Fig.1 zeigt schematisch eine Vorderansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Die Fig.2 zeigt schemntisch eine rechtsseitige Ansicht der Vorrichtung nach Fig.1, xvobei die Aufnehmerspule fortgelassen ist, und

die Fig.3 zeigt schematisch eine linksseitige Ansicht der Vorrichtung nach Fig.1.

In dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist gezeigt, wie sich der Weg eines kontinuierlichen Streifens von beschichtetem Substratmaterial 10 von einem (nicht dargestellten) Vorrat in Pfeilrichtung zu einer Aufnehmerspule 14 bewegt. Der Vorratsbehälter kann beispielsweise der Badbehälter zum Beschichten des Substratmaterials sein.

Der Streifen 10 wird aus dem Vorrat über ein frei drehbares Führungsrad 16, das an einer Achse 18 befestigt ist, um ein frei drehbares Heßrad 20, das auf einer Achse 22 montiert ist, und um ein weiteres frei drehbares Führungsrad 24, das auf einer Achse 26 befestigt ist, zu der Aufnehmerspule 14 geführt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Aufnehmerspule 14 durch einen (nicht dargestellten) Motor in Pfeilrichtung gedreht. Der Substratmaterialstreifen, der sich durch die Badbehälter bewegt unterliegt Zugkräften, die diesen Streifen 10 unter Spannung halten, wenn er zu der Aufnehmerspule 14 gezogen wird. Das Meßrad 20 besitzt einen Kranz 28, der zwei ringförmige Seitenstützen 30 und 32 aufweist, die durch gummibedeckte Stäbe 34 getrennt sind. Auf der Seitenstütze 32 sind Streifenfüh-

8098B0/0597

rungsglieder 35 befestigt,, die die Kante des Streifens 1Ö auf de« Heßrad fuhren,, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Zusätzlich wird die andere Kante des Streifens 10 auf dem HeJBrad entsprechend der Darstellung in Fig. 3 durch einen auf dem Leitrad 16 angebrachten Leitkranz geführt.

Da der Streifen 10 unter Zug steht, greift der Streifen 10, wenn er sich Mit vorgegebener Geschwindigkeit von dem Vorrat zu der Aufnehmerspule 14 bewegt, aufgrund Reibung an den guinibedeckten Stäben 32 an und dreht das frei drehbare Heßrad 20 um seine Achse 22. Somit ist die Drehgeschwindigkeit des Heßrades 20 so beschaffen, daß ein Ponfcfc auf dem Streifen 10 und ein benachbarter Punkt auf denn Kranz 28 des Heßrades 20 zueinander stationär sind, solange sich der Streifen 10 m die Achse 22 des Heßrades 20 bewegt.

Das FiSrramgsrad 3&_t, das auf der Achse 38 montiert ist,, wird nicht hemxb&t, wernacter Streifen 10 entsprechend Fig.1 geführt ist. Dagegen wird das Fiihrtingsrad 36 benutzt und das Führungsrad 24 nicht benutzt, wenn der Streifen 10 um das Heßrad 20 in entgegengesetzter Richtung geführt wird, um die Schichtdicke auf der anderen Seite des Streifens 10 zu. messen.

Die in Fig.1 schematisch dargestellten Sonden 40 und 42 sind in Sondenhaltem 41 bzw. 43 an dem Kranz 28 des Meßrades 20 befestigt. Die Sonden 40 und 42 erstrecken sich zwischen den guiamibedeckten Stäben 32 bis zu einer Stellung in enger Hachbarschaft oder in Kontakt mit dem Streifen 10. Diese Sonden sind konventionell aufgebaut, beispielsweise wie die Sonde Modell HH-3, das von der Unit Process Assemblies Inc. hergestellt wird, und weisen Strahlungsquellen für die Bestrahlung des beschichteten Substrats sowie Vorrichtungen zum Erfassen der von dem

809850/0597

beschichteten Substrat rückgestreuten Strahlung auf. Die Sondenhalter 41 und 4-3 sind entsprechend den Fig.1 und 2 ■vorzugsweise an den Stäben 44 befestigt, die an dem Kranz 23 angebracht sind. Dies erlaubt, daß die Sonden 40 und 42 quer zu der Gfcerfläche des Streifens 10 bewegt werden können, so daß die Sonden für Eessungen an jeder beliebigen seitlichen Position an den Streifen 10 eingestellt v/erden können.

Die Sonden 40 und 42 sind durch Leitungen 46 und 48 mit Euffen 50 und 52 auf der Habe 54 verbunden. Ein mit den Iluffen 50 und 52 verbundenes Kabel 56 überträgt die elektrischen Signale, die den von den Sonden 40 und 42 festgestellten rückgestreuten Teilchen entsprechen, durch einen In die Achse 22 eingelassenen Kanal 60 zu einem Schleifringve^binder 53. BIe andere Sexte des Schle if rxngverbxn— de rs 5S ist nit eines· Riiclcstreuunfis-Dickeruneß instrument ■verbunden, das der Sonde 40 sur;eordnet ist, und einem "eiteren Rückstreuung^—Dickenneßinstrument 63, das der Sonde 42 suf^eordimet Ist. Diese Rückstreuungsmeßinstrumente können beispielsweise wie diejenigen Instrumente aufgebaut sein, die in der US-Patentanmeldung Serial Uo. 631 412, eingereicht ara 12.10.1975, beschrieben sind.

Die Achse 22 des I'eßrades 20 wird von Achslagern 64 und 64a gehalten_T die wiederum durch einen Rahraen 66 gehalten werden (vergl. Fig.2). Die Achse 18 des Führungsrades 16 wird durch Lager 63 und 6Sa gehalten; die Achse 26 des Führungsrades 24 durch Lager 70 und 70a; die Achse 38 des Führungsrades 36 durch Lager 72 und 72a. Diese Lager werden wiederum von dem Rahmen 66 entsprechend Fig. 3 gehalten. Die Lager 68 und 68a sind wiederum so aufgebaut, daß sie eine axiale Bewegung der Achse 18, die das Führungsrad 16 trägt, erlauben, um eine Anpassung an verschiedene Breiten des Streifens 10 zu ermöglichen. Der Streifen 10 wird um das Meßrad 20 zwischen dem Führungskranz

809850/0597

17 des Führungsrades 16 und den Führungsgliedern 35 geführt. Wenn das Führungsrad 16 in Fig.3 nach rechts bewegt wird, kann ein breiterer Streifen 10 untergebracht werden. Wenn die Achse 18 einmal richtig eingestellt ist, halten (nicht dargestellt) Gewindestifte die Achse 18 in dieser Stellung fest.

Die Rückstreustrahlungs-ZählvorricltunsEn, die in den Rückstreuungs-Diclcenmeßinstrumenten 62 und 63 enthalten sind, werden durch die Magnetschalter 74, 76, 78 und 80 in der unten beschriebenen Weise betätigt. Diese Magnetschalter sind mit den Rückstreuungs-Dickenmeßinstrumenten 62 und 63 über die Anschlußplatte 82 entsprechend Fig, 2 verbunden.

An der Seitenstütze 32 des Meßrades 20 sind zwei Magnete 88 und 90 montiert. Der Magnet 90 ist in der Nähe des Kranzes 28 montiert und so ausgerichtet, daß er die Magnetschalter 74 und 78 betätigt, wenn das Meßrad 20 sich dreht. Der Magnet 88 ist auf die Magnetschalter 76 und 78 ausgerichtet, so daß er diese Schalter betätigt, wenn das Meßrad 20 sich dreht. An der Anschlußplatte 82 ist eine (nicht dargestellte) Schaltvorrichtung vorgesehen, um selektiv jeweils das Paar der Magnetschalter 76 und 78 oder das Paar der Magnetschalter 74 und 80 zu betätigen, je nachdem ob das Meßrad im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird.

Bei dem in Fig.1 dargestellten Aufbau wird das Meßrad 20 im Uhrzeigersinn gedreht; dabei sind die Magnetschalter 76 und 78 in Betrieb und die Magnetschalter 74 und 80 außer Betrieb gesetzt.

Die Ereignisfolge ist dann folgendermaßen:

809850/0597

2812935

1. Wenn der Magnet 88 den Hagnetschalter 78 passiert, beginnt die Meßperiode für die Sonde 42 und damit die Zählung der von der Sonde 42 festgestellten rückgestreuten Strahlung.

2. Wenn der Magnet 88 den Magnetschalter 76 passiert, beginnt die Meßperiode für die Sonde 40 und damit die Zählung der von der -Sonde 40 festgestellten Rückstreustrahlung.

Wenn das Meßrad 20 so eingesetzt wird, daß es sich im Gegenuhrzeigersinn dreht, werden durch die (nicht dargestellte) Schaltvorrichtung an der Anschlußplatte 82 die Magnetschalter 74 und 80 in Betrieb und die Magnetschalter 76 und78 außer Betrieb gesetzt. In diesem Fall betätigt der Magnet 90 die Magnetschalter 74 und 80, um die Meßperiode für die Sonden 40 bzw. 42 zu beginnen.

Die Messung wird fortgesetzt für die Dauer der Meßperiode, die der Benutzer an den zugehörigen Rückstreumeßinstrumenten 62 und 63 ausgewählt hat.

Mit der oben beschriebenen Vorrichtung kann ein Benutzer Dickenmessungen an einem sich kontinuierlich bewegenden Streifen aus beschichtetem Substratmaterial ausführen. Auf diese Weise können die Messungen zur Überwachung des Beschichtungsprozesses mitlaufend (on-line) ausgeführt werden.

D<4r Patentanwalt

809850/0597

Le

e rs e i S" e

Claims

UNIT PROCESS ASSEMBLIES INC.

60 Oak Drive

Syosset, New York 11791, USA

Patentansprüche

1 J Rückstreuungsmeßvorrichtung zur Dickenmessung an einer Schicht, die sich auf einem Streifen aus Substratmaterial befindet, welcher sich mit vorgegebener Geschwindigkeit aus einem Vorrat zu einer Aufnahmestelle bewegt, gekennzeichnet durch ein Heßrad (20) mit einem Kranz (28) und einer Drehachse (22), das sich mit einer solchen Drehgeschwindigkeit dreht, so daß die Tangentialgeschwindigkeit eines Punktes auf dem Kranz der vorgegebenen Geschwindigkeit des sich bewegenden Streifens aus Substratmaterial gleich ist,

eine Anordnung, mit der der beschichtete Streifen (10) aus Substratmaterial in Reibungskopplung zu einem äußeren Anteil des Kranzes in einer solchen Richtung geführt wird, so daß die Bewegungsrichtung des beschichteten Streifens (10) aus Substratmaterial der Drehrichtung des Kranzes (28) entspricht, wobei ein Punkt auf dem Kranz (28) des Meßrades (20) und ein benachbarter Punkt auf dem beschichteten Streifen (10) aus Substratmaterial bei der Drehung des Meßrades zueinander stationär sind,

Sonden (40, 42), die dem Kranz (28) des Meßrades (20) benachbart angebracht sind, und die die Schicht auf dem be-

809850/0597

schichteten Substratmaterial bestrahlen und die rückgestreute Strahlung feststellen, und

eine Zähl- und Ileßvorrichtung, die an die Sonden zum Zählen der rückgestreuten Strahlung angeschlossen ist, und die die rückgestreute Strahlung zählt und nach Haßgabe der Rückstreuzählung die Dicke der Beschichtung bestimmt.
2. Rückstreuungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, g e kennze ich η et durch

ein frei drehbares Neßrad (20) mit einem Kranz (28) und einer Achse (22),

eine erste Führungsvorrichtung zum Führen des beschichteten Streifens aus Substratmaterial in Reibungskopplung mit dem Kranz (28) des Meßrades (20), eine zweite Führungsvorrichtung zum Führen des beschichteten Streifens aus Substratmaterial aus der Reibungskopplung mit dem Kranz (28) des Heßrades (20) zu einer Aufnahme "teile,

eine v.'eitere Vorrichtung, die sich an der Aufnahmestelle befindet, und mit der der beschichtete Streifen aus Substratmaterial mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit- um die erste Führungsvorrichtung über einen Teil des Kranzes (28) des Heßrades (20) und um die zweite Führungsvorrichtung zu der Aufp.ohrestelle gesogen v/ird, wobei das Meßrad (20) um seine Achse (22) aufgrund der Reibungskopplung des beschichteten Streifens (10) aus Substratmaterial mit dem Kranz (23) des Meßrndes (20) mit einer solchen Geschwindigkeit gedreht wird, so daß die TangentiaIgeschwindigkeit eines Punktes auf dem Kranz (28) der vorgegebenen Geschwindigkeit des sich bewegenden, beschichteten Streifens (10) aus Substratmaterial gleich ist, und daß ein Punkt auf dem Kranz (28) des Meßrades (20) sowie ein benachbarter Punkt auf dem beschichteten Streifen aus Substratmaterial bei der Drehung des Meßrades (20) relativ zueinander stationär sind,

809850/0597

_ 3 —

eine Sondenvorrichtung, die an dem Kranz (28) des Meßrades (20) angebracht ist, und mit der die Beschichtung auf dem beschichteten Substratmaterial bestrahlt wird
und die rückgestreute Strahlung festgestellt wird, sowie

eine Rückstreurneßvorrichtung, die an die Sondenvorrichtung angeschlossen ist und die eine Vorrichtung zum Zählen der rückgestreuten Strahlung und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke der Beschichtung nach Maßgabe der Rückstreuzählung aufweist.
3. Rückstreuungsmeßvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Schaltvorrichtung, die die Zählvorrichtung betätigt, wenn die Sonde unter eine Stellung gedreht wird, in der der beschichtete Streifen aus Substratmaterial nach Passieren der ersten Führungsvorrichtung an dem Kranz (28) des Meßrades (20) angreift.
4. Rückstreuungsmeßvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum selektiven Einstellen der Sondenvorrichtung in lateraler Richtung über den beschichteten Streifen (10) aus Substratmaterial.

809850/0597