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Optoelektronisches Schichtdickenmeßgerät
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Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Schichtdickenmeßgerät
zur Messung der Dicke einer Schicht im Vakuum.
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Mit einer derartigen Vorrichtung kann z. B. die Dicke einer im Vakuum
aufzudampfenden teildurchlässigen Schicht während des gesamten Aufdampfungsvorganges
kontinuierlich gemessen werden. Dies geschieht durch direktes Messen bestimmter
optischer Eigenschaften einer Schicht oder eines Schichtpaketes, wie der Reflexion
oder Transmission.
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Optoelektronisch wird hierbei während des Aufdampfens die sogenannte
optische Dicke" ni . di gemessen, wobei ni den von der Wellenlänge der jeweiligen
Lichtquelle abhängigen Brechungsindex und d die Dicke der i-ten Schicht bedeuten.
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Sowohl das Reflexionsvermögen als auch die Transmission ändern sich
charakteristisch periodisch mit zunehmender Schichtdicke (X /4-Schichten).
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Bei den bekannten optoelektronischen Schichtdickenmeßgeräten fällt
das von einer als Lichtquelle dienenden Halogenlampe emittierte Licht-durch eine
Zerhackertrommel auf einen Strahlenteiler und wird hier moduliert. Als Zerhackertrommel
kann beispielsweise eine rotierende Schlitzscheibe verwendet werden.
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Der den Strahlenteiler direkt durchsetzende Teilstrahl erreicht über
ein Vakuumfenster das innerhalb des Vakuumsystems befindliche Substrat. Das hier
reflektierte Licht wird über den Strahlenteiler einer Silizium-Fotodiode zugeführt.
Vor dieser Diode befindet sich ein Monochromator, mit dem eine bestimmte Wellenlänge
X ausgewählt werden kann. Ein zweiter Teilstrahl des von der Lichtquelle ausgehenden
Lichtstrahls wird einem Referenzdetektor zugeführt. Für Transmissionsmessungen ist
ein zusätzliches Vakuumfenster vorgesehen. Durch dieses Fenster erreicht der das
Substrat durchdringende Strahl eine weitere Silizium-Fotodiode, der ebenfalls ein
Monochromator vorgeschaltet ist. Die Meßsignale werden zunächst getrennten Vorverstärkern
zugeführt, verstärkt, dann gegeneinander geschaltet und anschließend einem phasenempfindlichen
optoelektronischen Verstärker zugeführt, wobei das für diesen Verstärker notwendige
Triggersignal aus dem Referenzsignal gewonnen wird. Das am Endverstärker erzeugte
Signal kann dann z. B. digital angezeigt werden. Vielfach besteht bei optoelektronischen
Schichtdickenmeßgeräten noch die Möglichkeit, durch ein zusätzliches Steuersignal
den Beschichtungsvorgang automatisch zu beenden, z. B. durch Schließen der Blende.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines optoelektronischen
Schichtdickenmeßgerätes der eingangs genannten Art so zu vereinfachen, daß insbesondere
keine optischen Vakuumdurchführungen erforderlich sind.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß sich Lichtquelle und
Detektor innerhalb des Vakuumsystems befinden.
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Von den bisher bekannten Geräten unterscheidet sich das erfindungsgemäße
Schichtdickenmeßgerät demnach insbesondere dadurch, daß es keine Vakuumdurchiührungen
iür das optische System aufweist. Da sowohl die Lichtquelle als auch der Detektor
innerhalb des Vakuumsystems angeordnet sind, werden keine Hochvakuumfenster mehr
benötigt, die für den Durchgang des Lichtes von der Lichtquelle zur Probe und von
dort zum Empfänger erforderlich sind.
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Besonders vorteilhait ist es, wenn die Lichtquelle eine lichtemittierende
Diode und der Detektor eine Fotodiode, beispielsweise eine Si-Fotodiode ist. Vorzugsweise
eignen sich als Lichtquelle Lumineszenz- oder Laserdioden, da diese einen engen,
steilen Spektralverlauf und eine schmale Richtcharakteristik aufweisen. Dabei ist
es umso günstiger, je besser die spektrale Emissionscharakteristik der lichtemittierenden
Diode mit dem spektralen Empfindlichkeitsbereich der Fotodiode übereinstimmt.
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Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn -sowohl die Lichtquelle
als auch der Detektor iür das an der Probe reflektierte Licht jeweils innerhalb
eines Schutzrohres angeordnet sind, das in Richtung der zu vermessenden aufgeda
ptten Schicht eine Öffnung aufweist. Dies vermindert die Gefahr, daß Lichtquelle
und Detektor während des Aufdampfvorganges mitbedampft und damit unbrauchbar werden.
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Damit weder das Tageslicht noch die vom Verdampfer ausgehende Strahlung
die optischen Meßwerte ungünstig beeinflussen, ist
vorzugsweise
eine Anordnung zur Modulation des von der Lichtquelle zu emittierenden Lichtes vorgesehen.
Im Gegensatz zu der mechanischen Modulation bei den-bekannten Geräten kann hier
bei Verwendung einer lichtemittierenden Diode die Modulation elektronisch erfolgen,
was eine erhebliche Vereinfachung des Gerätes bedeutet. Besonders günstig und einfach
ist es dabei, wenn die Modulation des Lichtes mit einem Multivibrator erfolgt.
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Das von der lichtempfindlichen Schicht der Fotodiode empfangene Signal
kann nun anschließend unabhängig von Störungseinflüssen verstärkt und gemessen werden.
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Anhand von drei Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
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Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Schichtdickenmeßgerät es.
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Figur 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung
zur Modulation und Verstärkung des empfängerseitigen Ausgangssignals bei einem erfindungsgemäßen
Schichtdickenmeßgerät.
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Figur 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Anordnung nach
Figur 2.
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Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Schichtdickenmeßgerätes ist mit 11 ein Hochvakuumrezipient bezeichnet, der über
den Stutzen 12 an eine Hochvakuumanlage angeschlossen werden kann. Beispielsweise
kann diese aus einer Öldiffusionspumpe und einer 2-stufigen
Drehschieberpumpe
als Vorvakuumpumpe bestehen. Eine solche Anlage ermöglicht, im Rezipienten einen
Enddruck von mindestens etwa 10 5-mbar aufrechtzuerhalten. Das Verdampferschifi'chen
13, das zur Aufnahme des zu verdampfenden Materials, beispielsweise ZnS iür hochbrechende
Interferenzschichten dient, wird durch direkten Stromdurchgang beheizt. Etwa 300
mm oberhalb des Verdampferschiffchens 13 ist eine Haltescheibe 14 an einem Gestell
15 angebracht, auf der der zu bedampfende Schichtträger 16, beispielsweise mechanisch
oder magnetisch befestigt werden kann. Zur genauen Justierung des Strahlenverlaufs
auf maximales Reflexionsvermögen an dem unbedampiten Schichtträger 16 ist die Haltescheibe
14 beispielsweise mittels eines Kugelgelenkes drehbar gelagert.
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Zur besseren Haftung der Aufdampfschichten werden üblicherweise vor
Beginn der Verdampfung von der bereits vorher sorgfältig gereinigten Oberfläche
des Schichtträgers 16 durch eine kurzzeitige Glimmentladung noch störende Gasmoleküle
entfernt.
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Hierzu kann im Rezipienten 11 zusätzlich eine Glimmelektrode vorgesehen
sein.
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Zur Messung der Dicke der aufgedampften Schicht ist das optische System
aus Lichtquelle 17 und Detektor 18 innerhalb des Rezipienten 11 angeordnet. Um zu
vermeiden, daß Lichtquelle 17 und Detektor 18 mitbedampft werden, sind beide in
Schutzrohren 19 untergebracht, die zum Schichtträger 16 hin eine Öffnung aufweisen.
Als Lichtquelle 17 dient eine GaP-Lumineszenzdiode, die ein konvergentes Lichtbündel
in dem schmalen Wellenlängenbereich von 546 bis 578 nm emittieren kann. Eine solche
Diode ist beispielsweise unter der Bezeichnung LD 57 C im Handel erhältlich. Als
Detektor 18 für das von dem Schichtträger 16 reflektierte Licht ist eine Silizium-
fotodiode
angeordnet, die im entsprechenden Spektralbereich eine hohe Empfindlichkeit bei
einer ebenfalls steilen Richtcharakteristik zeigt. Damit das Signal nicht durch
Fremdlicht, z. B. durch die Strahlung des geheizten Verdampferschiffchens 13, gestört
wird, ist es günstig, das von der Lumineszenzdiode emittierte Licht zu modulieren.
Das von dem Schichtträger 16 reflektierte Licht der Lumineszenzdiode wird in der
lichtempfindlichen Schicht des Detektors 18 in ein analoges elektrisches Signal
umgewandelt. Anschließend kann das verstärkte und gleichgerichtete Signal beispielsweise
analog mit einem Voltmeter angezeigt werden. Beim Bedampfen des Schichtträgers 16
nimmt die Intensität des reflektierten Lichtes zunächst bis zur aufgedampften Schichtdicke
X/4 stetig ab und steigt anschließend bis zum nächsten ungradzahligen Vielfachen
von (2 n + 1)X/4 (n = 0> 1, 2 ...) wieder an.
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Die Modulation des von der Lumineszenzdiode zu emittierenden Lichtes
und die Verstärkung des Empfängerausgangssignals kann mit der in Figur 2 in Form
eines Blockschaltbildes dargestellten Schaltungsanordnung erfolgen. Das zu emittierende
Licht der Lumineszenzdiode 22 wird dabei mit einem Multivibrator 21, der beispielsweise
eine Zerhackerfrequenz von 1 kHz liefert, moduliert. Sowohl die mit 22 bezeichnete
Lumineszenzdiode als auch die Fotodiode 23 befinden sich innerhalb des Vakuumsystems,
wobei das modulierte Licht der Lumineszenzdiode 22 zunächst an der aufgedampften
Schicht reflektiert wird und dann auf die lichtempfindliche Schicht der Fotodiode
23 trifft. Bevor deren Signale durch den hochohmigen Wechselspannungsverstärker
25 verstärkt werden, durchlaufen sie noch ein ebenfalls auf die Modulationsfrequenz
abgestimmtes L-C-Filter 24, damit dem Signal überlagerte Störspannungen ausgesiebt
werden können. Die durch den Wechselspannungsverstärker 25 um den Faktor 100 bis
1000 verstärkten Signale werden nun
einem phasengesteuerten Gleichrichter
26 und nachfolgend einem Integrator 27 zugeführt, wobei alle asynchronen Störfrequenzen
ausgefiltert werden. Aus der Höhe der Ausgangsgleichspannung läßt sich nun die jeweilige
Intensität des an der aufgedampften Schicht reflektierten Lichtes ablesen. Die iür
die Schaltungsanordnung notwendige Stromversorgung 28 ist vom Netz durch einen Transformator
getrennt und wird mit einem Spannungsregler beispielsweise auf + 15 V stabilisiert.
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In Figur 3 ist ein AusführungsbeiSpiel der in der Figur 2 gezeigten
Schaltungsanordnung des elektronischen Teils des Schichtdickenmeßgerätes dargestellt.
Von dem Multivibrator 31 wird eine Zerhackerfrequenz von 1 kHz erzeugt. Über Steckverbindungen
und einen Vorwiderstand von 1 kSt wird die LED LD 57 C periodisch mit dem Tastverhältnis
0,5 an die Versorgungsspannung von 30 V geschaltet. Die Fotodiode BPW 33 erhält
eine Vorspannung von etwa 6 V in Sperrichtung, wobei sich auch der Sperrstrom proportional
durch das auftreffende Licht erhöht.
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Ein ebenfalls auf die Modulationsfrequenz 1 klls abgestimmtes L-C-Filter
32 siebt am Eingang schon überlagerte Störspannungen aus, so daß der hochohmige
Wecbselspannungsverstärker 33 auch bei stärkerem Fremdlicht nicht übersteuert wird.
Die kapazitive Rückführung auf die Kathode der Foto diode verbessert das Übertragungsverhalten
bei hohen Frequenzen, da die Kapazität der Fotodiode zum Teil eliminiert wird.
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Die Verstärkereinheit 33 mit dem Operationsverstärker JC 1 ermöglicht
eine 100 bis 1000-fache Spannungsverstärkung des geiilterten Signals, wobei der
Verstärkungsfaktor mit einem Trimmer auf den gewünschten Wert abgeglichen werden
kann. Der phasengesteuerte Gleichrichter 34, der synchron mit dem Multivibrator
31 geschaltet ist, und die nachfolgende Integration mit dem Integrator 35, der auch
die Anzeige beinhaltet, erlaubt
eine von asynchronen Störfrequenzen
freie Messung der Ausgangsgleichspannung. Parallel hierzu kann bei 36 noch ein Voltmeter
angeschlossen werden, mit dem die Umkehrpunkte der Intensität des reflektierten
Lichtes beim Bedampfen der Schichtträger mit X /4-Schichten noch genauer bestimmt
werden können. Mit 37 ist schließlich noch die stabilisierte Stromversorgungseinheit
bezeichnet.
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Das erfindungsgemäße optoelektronische Schichtdickenmeßgerät, das
sich insbesondere durch seinen kompakten Aufbau auszeichnet, eignet sich außer zur
Messung der Dicke einer im Hochvakuum aufgedampften Interferenzschicht auch noch
zur Schichtdickenbestimmung beim Kontrastieren von Schliffbildern in der Metallografie,
wobei die Schichtdicke einer entsprechenden Farbe der aufgedampften Schicht zugeordnet
werden kann. So zeigt beispielsweise eine mit einer X/4-Schicht aus ZnS bedampfte
Probe eine tiefblaue Färbung.
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L e e r s e i t e