DE3107675A1 - Verfahren und vorrichtung zur elektronischen messung der dicke sehr duenner elektrisch leitfaehiger schichten auf nichtleitendem traegermaterial - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur elektronischen messung der dicke sehr duenner elektrisch leitfaehiger schichten auf nichtleitendem traegermaterialInfo
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Description
Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Messung der Dicke sehr dünner elektrisch leitfähiger
Schichten auf nichtleitendem Trägermaterial
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektronischen Messung der Dicke sehr dünner elektrisch leitfähiger Schichten
auf nichtleitendem Trägermaterial nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und bezieht sich ferner auf Vorrichtungen zum
Durchführen derartiger Meßverfahren.
Direkte mechanische Meßverfahren sind für Schichtdickenmessungen unter 1 Mikrometer kaum mehr anwendbar. Optische Interferenzverfahren
erfordern zum Teil einen hohen Justierungsaufwand und können von Störgrößen, z.B. dem Trägermaterial
der elektrisch leitfähigen Schicht, unzulässig beeinflußt werden. Elektromagnetische Wirbelstromverfahren zur Bestimmung
des Flächenwiderstandes einer sehr dünnen Metallschicht auf einer Trägerfolie sind unter Umständen sehr anfällig gegen
ungenaue Justierung. Eine berührungsbehaftete Messung scheidet meist wegen der Gefahr von Beschädigungen an der zu
messenden Schicht aus.
Nach OLSZEWSKI und CORMACK, "Contactless Measurement of
Conductivity of Metals and -..", IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL. IM-25, NO. 3, SEPTEMBER
1976, Seiten 186 bis 190, isL ein Zeitbereichs-vjirbelstromverfahren
bekannt/ das jedoch nur für Metallschichtdicken von 0,1 μ bis 50 μ anwendbar ist.
Nach Sterkhov und Tokarev, MEASURING THE THICKNESS AND CONDUCTANCE
OF THIN FILMS IN THE COURSE OF THEIR DEPOSITION, Izmeritel1
naya Tekhnika, No. 4, pp. 45-47, April 1974, kann eine einzige
offene Hohlleitung, deren Apertur mit einer dielektrischen Platte abgedeckt ist, die im Zuge des Aufdampfvorganges mit
der zu messenden Metallschicht versehen wird, zur Messung des sich so ergebenden Reflexionsfaktors verwendet werden.
Das Verfahren ist jedoch in dieser Weise sehr ungenau mit Meßfehlern bis 30 %, da im extremen Nahfeld einer (einseitig)
offenen Hohlleitung sehr komplizierte Feldverhältnisse herrschen, die sich vereinfachen, wenn man entweder eine Entfernung
von mindestens einigen Wellenlängen von der Apertur einhält oder die Hohlleitung auf der anderen Seite der
Schicht fortsetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein relativ einfaches und genaues Verfahren zur elektronischen Messung der
Dicke sehr dünner elektrisch leitfähiger Schichten nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und Vorrichtungen zum Durchführen
des Meßverfahrens zu schaffen, die für den Dickenbereich elektrisch leitfähiger, insbesondere metallischer
Schichten, von 1 bis etwa 1000 Nanometer aeeignet sind.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch crelöst, daß der
Flächenwiderstand der elektrisch leitfähigen Schicht und damit die Dicke bei bekannter Leitfähigkeit mit Hilfe von zwei allgemeinen
Antennen unter Ausnutzung des Transmissionsfaktors und/oder des Reflexionsfaktors der Mikrowelle an der leitfähigen
Schicht gemessen wird.
Der Flächenwiderstand ist bei bekannter Leitfähigkeit "<χ "
mit der Schichtdicke "d" der zu messenden elektrisch leitfähigen Schicht nach folgender Gleichung (1) unmittelbar
verknüpft:
Q m
Der Reflexionsfaktor "r" einer ebenen homoqenen Welle senkrechter
Inzedenz auf einer Widerstandsschicht im freien Raum beträgt nach (1) L.N. HADLEX, D.M. DENISSON "Reflection and
Transmission Interference Filters" Journal of the Optical Society of America Vol. 37 No. 6 Juni 1947, Seite 451 bis 465,
r -
ΖΛ - 377 ß (2)
t · 2Λ (3)
Bei schrägem Einfall müssen zwei Fälle möglicher Polarisation unterschieden werden, nämlich einmal daß der Vektor der elektrischen
Feldstärke senkrecht zu der vom Ausbreitungsvektor und der Flächennormalen der Schicht aufgespannten Ebene liegt
(rg), oder daß der Vektor der- elektrischen Feldstärke parallel
zu dieser Ebene liegt (r ):
r *
P 2RF + ZQ.cos<p
Der Winkel "γ" ist der Winkel zwischen der Flächennormale der
Schicht und dem Ausbreitungsvektor der elektromagnetischen Welle. Für Metallschichtdicken mit R ^ 100 Ohm ist die Messung
des Reflexionsfaktors günstiger, für Werte von R — 100 Ohm
ist die Messung des Transmissionsfaktors zu empfehlen.
Die Messung des Transmissionsfaktors der Metallschicht kann im freien Raum etwa durch Ermittlung der Änderung der Transmissionsdämpfung
zwischen zwei Mikrowellenantennen (z.B. Hornantennen) beim Einführen des Meßobjektes erfolgen. Entsprechend lassen
sich aus der Mikrowellentechnik bekannte Standardverfahren zur
Bestimmung des Reflexionsfaktors des als gegenüber der Strahlungskeule
der Antennen sehr groß angenommenen Meßobjektes (z.B. Metallschicht auf Trägerfolie) anwenden.
Hier ist besonders zu erwähnen, daß für Metallschichtdicken, die gegenüber der Eindringtiefe der elektromagnetischen Welle sehr
klein sind, Reflexions- und Transmissionsfaktor nicht von der Frequenz abhängen. Eine dünne dielektrische Trägerfolie für
die Metallschicht kann, falls ihre Dicke gegen die Wellenlänge klein ist, ebenfalls mit sehr guter Näherung vernachlässigt
werden. Falls das Meßobjekt in der Flächenausdehnung nur wenige Quadratzentimeter groß ist, empfiehlt sich die Transmissions-
(oder Reflexions-) Messung durch Einbringen des Meßobjektes zwischen zwei Hohlleitungsflansche, die beidseitig
auf die Folie gedrückt oder für berührungslose Messungen bis auf wenige Mikrometer herangeführt werden.
Zum Unterdrücken von Oberflächenwellen sind die Hohlleitungsflansche jeweils entweder vollständig aus stark verlustbehaftetem
Material hergestellt oder an ihren Stirnflächen mit stark verlustbehaftetem Material versehen oder zum Vermeiden von
Luftspalten mit einem Material, wie es für Hohlleitungsflanschdichtungen
Verwendung findet und welches die Eigenschaften gewisser Leitfähigkeit und Elastizität besitzt, versehen.
Der mit einer solchen Vorrichtung meßbare Reflexions- oder
Transmissionsfaktor stellt ein unmittelbares Maß für den Flächenwiderstand R„ und damit auch für die Metallschicht-
dicke "d" dar. Es genügt zur Bestimmung des Reflexions- oder
Transmissionsfaktors die Messung bei einer einzigen Frequenz. Beträgt diese Meßfrequenz z.B. 35 GHz, so hat man bei Verwendung
von Rechteckhohlleitungen eine Meßfläche von etwa 3 mal 8 Millimeter. Bei Schichtdicken im Bereich von 0,01 Mikrometern
liegt der Flächenwiderstand R bei einigen Ohm und die
transmittierte Leistung ist mit guter Näherung umgekehrt proportional dem Quadrat der Metallschichtdicke "d".
Falls die zu vermessende elektrisch leitfähige Schicht nur in Form schmaler Streifen von einigen Millimetern Breite auf Kunst"
stoffträgerfolie vorliegt, wie es z.B. bei der Kondensatorenproduktion
der Fall ist, kann die Meßfläche verringert werden, indem die Höhe des lichten Hohlleitungsquerschnittes durch ein
geeignetes Übergangsstück unter Beibehaltung der Ausbreitungsfähigkeit der Grundwelle gemäß Anspruch 5 reduziert ist. Die
untere Grenzfrequenz der ausbreitungsfähigen Grundmode, z.B.
die H-.-Welle der Rechthohlleitung, wird durch diese Maßnahme
nicht beieinflußt. Da bei Meßobjekten in der Form schmaler Streifen
die Gefahr unerwünschter Verkopplung zwischen Sende- und Empfangshohlleitungsflansch durch Oberflächenwellen der Metallfolienschicht
und Beugung an der Streifenkante gegeben ist, empfiehlt sich speziell hier eine Reduzierung der Hohlleitungshöhe. Dabei sollte zur Erzielung besserer Meßergebnisse die
längere Seite eines rechteckförmigen Hohlleitungsquerschnittes
parallel zur Streifenberandung angeordnet sein. Ganz allgemein läßt sich der Flächenwiderstand R einer sehr dünnen Metallschicht
bestimmen, wenn diese zwischen zwei beliebigen öffnungen von weIlenleitenden Systemen angeordnet ist (Transmissionsverfahren)
oder sich in der Nähe einer öffnung oder Apertur eines wellenleitenden Systems befindet (Reflexionsverfahren)
. Allerdings besteht dann normalerweise kein ein-
fächer Zusammenhang mehr zwischen dem Flächenwiderstand und
elektromagnetischen Signalen, die einer Messung zugänglich sind.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zum Durchführen des erfindungsgemäßen Meßverfahrens sind in der Zeichnung
schematisch gezeigt. Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer berührungslosen
Meßvorrichtung mit Hornantennen, die nach dem Reflexionsprinzip
arbeitet,
Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform einer Meßvorrichtung,
die nach dem Hohlleitungsprinzip arbeitet,
Fig. 3 einen Schnitt gemäß Schnittlinie III - III von Fig. 2 durch jede der beiden Hohlleitungen und
Fig. 4 eine weitere abgewandelte Ausführungsform einer Meßvorrichtung
mit zwei Hornantennen, die nach dem Transmissionsprinzip arbeitet.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zum Messen der Dicke "d" einer elektrisch leitfähigen Schicht 1, z.B. Halbleitermaterial,
oder einer Metallschicht auf einem nichtleitenden Trägermaterial 12 der Dicke "e" besteht aus einem Mikrowellen-Generator
2, der bei einer Frequenz von z.B. 35 GHz arbeitet und über eine Hohlleitung 3 mit einer hornförmiqen Sendeantenne
4 verbunden ist. Von der hornförmiqen Sendeantenne 4 wird ein Mikrowellen-Strahl 5a auf die zu messende Schicht 1 gerichtet
und von dieser mit einem gewissen Reflexionsfaktor "r"
reflektiert. Der von der Schicht 1 reflektierte Mikrowellenstrahl 5b trifft auf eine Empfangsantenne 6, die ebenfalls
hornförmig ausgebildet ist und durch eine Hohlleitung 7 mit einem Empfänger oder Detektor 8 verbunden ist, der seinerseits
über eine Leitung 9 an ein Anzeigegerät 10 angeschlossen ist, das in Dickeneinheiten der zu messenden Schicht 1 kalibriert ist.
Unter dem Trägermaterial 12 mit der zu messenden Schicht 1
befindet sich eine Absorbermatte 11, die alle Hochfrequenzenergie
des Mikrowellen-Strahls 5d/ die noch durch die Schicht 1 hindurchstrahlt, absorbiert.
Bei jeder Messung gelangt der von der Schicht 1 reflektierte Anteil 5b der Mikrowelle 5a an die Empfangsantenne 6 und wird
im Empfänger oder Detektor 8 von einer Diode gleichgerichtet. Das modulierte Signal, das heißt die Einhüllende der Hochfrequenz-Schwingung
wird dann nach der Gleichrichtung und Verstärkung als Meßsignal ausgewertet. Die Leistung des Empfangssignals vor der Demodulation ist der Dicke "d" der zu messenden
elektrisch leitfähigen Schicht 1, wenn diese eine Folie darstellt,
direkt zugeordnet (vgl. Formeln (2) und (3)). In diesem Frequenzbereich arbeitende Dioden haben im Kleinsignalverhalten
normalerweise eine quadratische Charakteristik f
das heißt die NF-Ausgangsspannung ist proportional der
HF-Eingangsleistung, was für die Auswertung bezüglich der Metallschichtdicke in geeigneter Weise zu berücksichtigen
ist.
In Fig, 2 ist eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Ausführungsform einer Meßvorrichtung gezeigt, bei der die zu messende
Schicht 1 im Bereich der Meßvorrichtung auf einem nichtleitenden Trägermaterial 12 angeordnet ist. Die Anlage kann in
dieser Konfiguration im Transmissions- oder Reflexionsbetrieb
arbeiten, wobei der Transmissionsbetrieb für R„ <C 100 Ohm
vorzuziehen ist, was für die meisten praktischen Anwendungen der Fall sein dürfte. Dadurch, daß die beiden Antennen in
Form von Hohlleitungsflanschen einen sehr geringen Abstand
(einige 10 um) haben, wird das Feld der Grundmode (z.B. H..)
nicht allzusehr gestört, und im Gegensatz zur einseitigen Reflexionsmessung (Sterkhov)liegen hier mit guter Näherung
einfache Feldverhältnisse vor, da die H10-WeIIe als Überlagerung
von zwei ebenen homogenen Wellen darstellbar ist, für die die Reflexions- und Transmissionsfaktoren in den Formeln (2)
bis (5) angegeben sind.
- 10 -
Die Meßvorrichtung von Fig. 2 besteht aus zwei im Querschnitt rechteckförmigen Hohlleitungen 23, 27 mit Hohlleitungsflanschen
23a, 27a, die beidseitig auf die Kombination aus leitfähiger Schicht 1 und Trägermaterial 12 gedrückt oder bis auf
einen Abstand von wenigen Mikrometern an diese Kombination herangeführt werden. Ein Mikrowellenstrahl 5c durchdringt die
Schicht 1 und das nichtleitende Trägermaterial 12. Zur Unterdrückung von Oberflächenwellen sind die Hohlleitungsflansche 23a,
27a, jeweils mit einem stark verlustbehafteten Dämpfungsmaterial 2 3b, 27b für hochfrequente Schwingungen im Mikrowellenbereich
bedeckt, wie z.B. leitfähiger Gummi oder Kunststoff, Bariumtitanat oder vernetzte Polyurethane bzw. deren Vorprodukte
in Form von Schaumkunststoffen, wie sie unter dem geschützten Zeichen "Eccosorb" im Handel sind. Die Hohlleitungsflansche
23a, 27a können aber auch mit einem anderen BF-Dämpfungsmaterial
beschichtet sein oder daraus bestehen.
Zur Verringerung der Meßfläche ist dabei die Höhe des rechteckförmigen
Hohlleitungsquerschnittes (Fig. 3) durch ein sich zu der zu messenden Schicht 1 hin verjüngendes Übergangsstück 23c,
27c reduziert, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß sich die längere Seite "a" des rechteckförmigen Hohlleitungsquerschnittes
parallel zur Streifenberandung 1' der Schicht 1 erstreckt,
während die kürzere Seite "b" senkrecht dazu angeordnet ist.
Fig. 4 zeigt schließlich eine weitere abgewandelte Ausführungsform einer derartigen Meßvorrichtung, bei der statt der Hohlleitungsflansche
zwei Hornantennen 4, 6 mit einer Mindestentfernung von einigen A. , vorzugweise jedoch im Fernfeld,
oberhalb und unterhalb der zu messenden Schicht 1, die auf einem nichtleitenden Trägermaterial 12 angebracht ist, angeordnet
sind. Die Vorrichtung zum Messen der Dicke "d" der elektrisch leitfähigen Schicht 1 besteht aus einem Mikrowellengenerator
2, der ebenso wie bei dem in Fig. 1 gezeigten
- 11 -
Ausführungsbeispiel bei einer Frequenz von z.B. 35 GHz arbeitet
und über eine Hohlleitung 3 mit der hornförmigen Sendeantenne 4 verbunden ist. Von der hornförmigen Sendeantenne 4
wird ein Mikrowellen-Strahl 5c auf die zu messende Schicht 1
gerichtet, die der Strahl 5c durchdringt und auf eine Empfangsantenne
6 trifft, die ebenfalls hornförmig ausgebildet und durch eine Hohlleitung 7 mit einem Empfänger oder Detektor 8
verbunden ist/ der seinerseits über eine Leitung 9 an ein Anzeigegerät 10 angeschlossen ist, das vorzugsweise in Dikkeneinheiten
der zu messenden elektrisch leitfähigen Schicht 1 kalibriert ist.
Beiderseits der beiden Hornantennen 4 und 5 befinden sich zwei
Absorbermatten 11, die alle Hochfrequenzenergie des Mikrowellen-Strahls
5c, die von der Meßvorrichtung abgestrahlt wird, absorbieren.
Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkraale werden als erfindungswesentlich
angesehen.
Claims (6)
- Patentanwalt *S300"eONN*i »'27. Februar 1981DIPL.-ING. KLAUS-JÜRGEN SCHWARZ Sermany"*"'66 "6AZUGELASSENER VERTRETER BEIM TELEF0N (02221) 221088 + 2210ß9EUROPÄISCHEN PATENTAMT TELEGRAMME (CABLE): BONNPATENT BONNAKTEN-NR.: 12 058/80Anmelder:Dipl.-Ing.
Friedhelm Caspers
Gräfin-Imma-Str. 9Bochum 1PatentansprücheVerfahren zur elektronischen Messung der Dicke sehr dünner elektrisch leitfähiger Schichten von 1 bis etwa 1000 Nanometer auf nichtleitendem Trägermaterial durch berührungsloses und/oder berührendes Messen des Flächenwiderstandes der zu messenden elektrisch leitfähicren Schicht oder Metallschicht unter Verwendung von Mikrowellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenwiderstand der elektrisch leitfähigen Schicht und damit die Dicke bei bekannter Leitfähigkeit mit Hilfe von zwei ali.cremeinen Antennen, unter Ausnutzung des Transmissionsfaktors und/oder des Reflexionsfaktors der Mikrowelle an der leit^ähigen Schicht gemessen wird. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Meßobjekten mit einer Flächenausdehnung bis zu wenigen Quadratzentimetern die Transmissions- oder die Reflexionsmessung durch Einbringung der Metallschicht/Trägermaterial-Kombination zwischen zwei Mikrowellenantennen, die als Hohlleitungsflansche ausgebildet sind und die beidseitia auf diese Kombination gedrückt oder bis auf einen Abstand von wenigen Mikrometern herangeführt werden, erfolgt.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der elektrisch leitfähigen Schicht (Metallschichtdicke) vorzugsweise für Flächenwiderstände größer gleich 100 Ohm im freien Raum nach dem Reflexionsverfahren (Fig. 1) erfolgt bzw. für Flächenwiderstände von kleiner gleich 100 Ohm vorzugsweise nach dem Transmissionsverfahren (Fig. 4) durchgeführt wird.
- 4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleitungsflansche (23a, 27a) zur Unterdrückung von Oberflächenwellen jeweils mit stark verlustbehaftetem Dämpfungsmaterial (23b, 27b), wie z.B. leitfähigem Gummi, Kunststoff, Bariumtitanat oder anderem Mikrowellen-Dämpfungsmaterial, beschichtet sind oder daraus bestehen.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, insbesondere für die Messung schmaler Metallschichtstreifen auf nichtleitenden Trägermaterialien mit rechteckförmigen Hohlleitungsquerschnitten, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Meßfläche an der Hohlleitungsöffnung oder Apertur der lichte Hohlleitungsquerschnitt durch ein Übergangsstück (23c) unter Beibehaltung der Ausbreitungsfähigkeit der Grundwelle reduziert ist.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die längere Seite (a) des rechteckförmigen Hohlleitungsquerschnittes parallel zur Streifenberandung (11) angeordnet ist (Fig. 2 und 3).
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