DE2812995C3 - Rückstreuungsmeßvorrichtung zur Dickenmessung an einer Schicht - Google Patents

Description

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

Zur Dickenmessung von Schichten werden Rückstreuungsinstrumente 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.

Ein derartiges Schichtdickenmeßgerät auf der Basis von Rüekstreuverfahren ist beispielsweise aus »Fachberichte für Oberflächentechnik«, 1973, S. 54 bis 56 bekannt. Das dort beschriebene Gerät besteht aus zwei Einheiten, einem Meßkopf und einem Elektronikteil für .Jas Erfassen und Auslesen des Meßergebnisses. Der Meßkopf enthält eine radioaktive Strahlungsquelle und ein Geiger-Müller-Zählrohr zur Messung der Rückstreustrahlung.

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 länger die Meßperiode andauert, desto genauer ist das Ergebnis.

Ein weiteres Schichtdickenmeßgerät, das auf der Basis von Rückstreustrahlung arbeitet, ist aus der US-PS 34 12 249 bekannt Das dort verwendete System berücksichtigt, daß herkömmliche Schichtdickenmeßeinrichtungen Fehler anzeigen können, wenn der Abstand zwischen Strahlungsquelle und der Schichtoberfläche sich verändert. Um diese Fehlerquelle auszuschalten, wird bei der dort angegebenen Vorrichtung nicht die rückgestreute Beta-Strahlung zur Schichtdickenmessung verwendet, sondern die bei Bestrahlung der Schicht entstehende Röntgen-Bremsstrahlung. Hierbei ist jedoch nachteilig, daß das Energiespektrum der in der Schicht erzeugten Röntgen-Bremsstrahlung sehr breit und flach verläuft.

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 μπι bis etwa 2,6 μπι (30 bis 100 microinch) 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 Beschiclitungsstufe bewegt. Da die Sonde während der Periode der Rückstreuungs-Dickenmessung vorzugsweise stationär bezüglich des beschichteten Substrat-

materialstreifens bleibt, ist es bei konventionellen Instrumenten notwendig, den Beschichtungsprozeß anzuhalten, wenn die Messung ausgeführt wird, und ihn anschließend erneut zu starten. Dieser diskontinuierliche Vorgang des Anhaltens und Startens benötigt viel 5 Zeit, so daß sich ein Bedürfnis für eine Vorrichtung ergeben hat, mit der die Schichtdickenmessung ausgeführt werden kann, ohne daß die Bewegung des Substratmaterialstreifens angehalten werden muß.

Aufgabe de: Erfindung ist es, eine derartige Vorrichtung zu schaffen, die es erlaubt, eine Schichtdikkenmessung bei sich bewegendem Substratmaterialstreifen auszuführen.

Diese Aufgabe wird durch eine im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebene Rückstreuungsmeßvorrichtung gelöst, die erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 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 Rückstreuungssonden 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 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 w die Bewegung des beschichteten Streifens angehalten werden muß.

Gemäß der Erfindung wird also eine Sor.de an dem Kranz des Meßrades befestigt und es wird der sich bewegende Substratmaterialstreifen um die Außenseite «5 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 Substratrnaterialstreifens 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 dein Benutzer ausgewählten Meßperiode von der Beschichtung rückgestreut werden und übersetzt diese Rückstreuungszählung in eine Anzeige der Schichtdicke. Die Meßperiode kann von dem Benutzer eingestellt werden; dabei ist die obere Grenze durch diejenige £eit 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 an Hand eines in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben und näher erläutert

Die F i g. 1 zeigt schematisch eine Vorderansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig.2 zeigt schematisch eine rechtsseitige Ansicht der Vorrichtung nach F i g. 1, wobei die Aufnehmerspule fortgelassen ist und

Fi g. 3 zeigt schematisch eine linksseitige Ansicht der Vorrichtung nach F i g. 1.

In dem in F i g. 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 Substraimaterials sein.

Der Streifen 10 wird aus dem V ;«Tat über ein frei drehbares Führungsrad 16, das an einer Achse 18 befestigt ist um ein frei drehbares Meßrad 20, das auf einer Achse 22 montiert ist und um ein weiteres frei drehbares Führungsrad 26, das auf einer Achse 24 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 Streifenführungsglieder 35 befestigt die die Kante des Streifens 10 auf dem Meßrad führen, wie es in Fig.2 dargestellt ist Zusätzlich wird die andere Kante des Streifens 10 auf liem Meßrad entsprechend der Darstellung in F i g. 3 durch einen auf dem Leitrad 16 angebrachten Leitkranz 17 geführt

i3a der Streifen 10 unter Zug steht greift der Streifen 10, wenn er sich mit vorgegebener Geschwindigkeit von dem Vorrat zu der Aufnehmerspule 14 bewegt auf Grund Reibung an den gummibedeckten Stäben 34 an und dreht das frei drehbare Meßrad 20 um seine Achse 22. Somit ist die Drehgeschwindigkeit des Meßrades 20 so beschaffen, daß ein Punkt auf dem Streifen 10 und ein benachbarter Punkt auf dem Kranz 28 des Meßrades 20 zueinander stationär sind, solange sich der Streifen 10 um die Achse 22 des Meßrades 20 bewegt.

Das Führungsrad 36, das auf der Achse 38 montiert ist, wird nicht benutzt, wenn der Streifen 10 entsprechen·! F i g. 1 geführt ist. Dagegen wird das Führungsrad 36 benutzt und das Führungsrad 24 nicht benutzt, wenn der Streifen 10 urn das Meßrad 20 in entgegengesetzter Richtung geführt wird, um die Schichtdicke auf der anderen Seite dej Streifens 10 zu messen.

Die in F i g. 1 schematisch dargestellten Sonden 40 und 42 sind in Sotidenhaltern 41 bzw. 43 an dem Kranz 28 des Meurades 20 befestigt. Die Sonden 40 und 42 erstrecken sich zwischen den gummibedecklen Stäben 32 bis zu einer Stellung in enger Nachbarschaft oder in Kontakt mit dem Streifen 10. Diese Sonden sind konventionell aufgebaut und weisen Strahlungsquellen für die Bestrahlung des beschichteten Substrats sowie Vorrichtungen zum Erfassen der von dem beschichteten Substrat rücksestreuten Strahlune auf. Die Sondenhal-

ter 41 und 43 sind entsprechend den fig. I und 2 vorzugsweise an den Stäben 44 befestigt, die an dem Kranz 28 angebracht sind. Dies erlaubt, daß die Sonden 40 und 42 quer zu der Oberfläche des Streifens 10 bewegt werden können, so daß die Sonden für Messungen an jeder beliebigen seitlichen Position an dem Streifen 10 eingestellt werden können.

Die Sonden 40 und 42 sind durch Leitungen 46 und 48 mit Muffen 50 und 52 auf der Nabe 54 verbunden. F.in mit den Muffen 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 Schleifringverbinder 58. Die andere Seite des Schleifringverbinders 58 ist mit einem Rückstreuungs-Dickcnmeßinstrument 62 verbunden, das der Sonde 40 zugeordnet ist, und einem weiteren Rüekstreuungs-Dickenmeßinstrument 63, das der Sonde 42 .'u^sorilnei !si

Die Achse 22 des Meßrades 20 wird von Achslagern 64 und 64a gehalten, die wiederum durch einen Rahmen 66 gehalten werden (vgl. Fig. 2). Die Achse 18 des Führungsrades 16 wird durch Lager 68 und 68a gehalten; die Achse 26 des Führungsrades 24 durch Lager 70 und 70a,- ae Achse 38 des Führungsrades 36 durch Lager 72 und 72a. Diese Lager werden wiederum von dem Rahmen 66 entsprechend F i g. 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 {0 wird um das Meßrad 20 zwischen dem Führungskranz 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-Zählvorrichtungen, die in den Rückstreuungs-Dickenmeßinstrumenten 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-Dikkenmeßinstrumenten 62 und 63 über die Anschlußplatte 82 entsprechend F i g. 2 verbunden.

An der Seitenstütze 32 des Meßrades 20 sind zwei Magnete 88 und 90 montiert. Der Magnet SO ist in der Nähe des Kranzes 28 montiert und so ausgezeichnet, daß er die Magnetschalter 74 und 78 betätigt, wenn das ι Meßrad ?0 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 to 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.

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

Die F.reignisfolge ist dann folgendermaßen:

1. Wenn der Magnet 8» den Magnetschalter 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

r> 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 Sü in Betrieb und die Magnetschalter 76 und 78 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 beschichteten Substratmaterial ausführen. Auf diese Weise können die Messungen zur Überwachung des Beschichtungsprozesses mitlaufend ausgeführt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Rückstreuungsmeßvorrichtung zur Dickenmessung an einer Schicht, die sich auf einem Streifen aus Substratmaterial befindet, weicher sich mit vorgegebener Geschwindigkeit aus einem Vorrat zu einer Aufnahmestelle bewegt, mit einer Sonde zum Bestrahlen der Schicht und zum Erfassen der von der Schicht rückgesteuerten Strahlung und mit einer an die Sonde angeschlossenen Zählvorrichtung für die rückgestreute Strahlung und einer Meßvorrichtung zur Schichtdickenbestimmung nach Maßgabe der Zählvorrichtung, gekennzeichnet durch ein Meßrad (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 (16,26,36), mit der der beschichtete Streifen (iC) aus Substratmateria! 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,

Sonden (40,42), die am Kranz (28) des Meßrades (20) angebracht sind, und die die Schicht auf dem beschichteten Substratmaterial bestrahlen und die rückgestreute Strahlung feststellen.

2. Rückstre:iüngsmeßvorrichtung nach Anspruch

1, gekennzeichnet durch

ein frei drehbares Meßrad (20)

eine erste Führungsvorrichtung (16) zum Führen des beschichteten Streifens aus Substratmaterial in Reibungskopplung mit dem Kranz (28) des Meßrades (2C),

eine zweite Führungsvorrichtung (26) zum Führen des beschichteten Streifens aus Substratmaterial aus *o der Reibungskopplung mit dem Kranz (28) des Meßrades (20) zu einer Aufnahmestelle,
eine weitere Vorrichtung (14), die sich an de^r Aufnahmestelle befindet, und mit der der beschichtete Streifen aus Substratmaterial mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit um die erste Führungsvorrichtung (16) über einen Teil des Kranzes (28) des Meßrades (20) und um die zweite Führungsvorrichtung (26) zu der Aufnahmestelle gezogen wird.

3. Rückstreuungsmeßvorrichtung nach Anspruch

2, gekennzeichnet durch eine Schaltvorrichtung, die die Zählvorrichtung betätigt, wenn die Sonde (40,42) unter eine Stellung gedreht werden, in der der beschichtete Streifen (10) aus Substratmaterial nach Passieren der ersten Führungsvorrichtung (16) 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,