DE4035240A1

DE4035240A1 - Messen und steuern des beschichtens auf einem piezoelektrischen messkristall

Info

Publication number: DE4035240A1
Application number: DE4035240A
Authority: DE
Inventors: Abdul Wajid
Original assignee: Leybold Inficon Inc
Current assignee: Leybold Inficon Inc
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-11-06
Publication date: 1991-10-02
Anticipated expiration: 2010-11-07
Also published as: JPH03285108A; US5112642A; GB9021531D0; GB2242523B; GB2242523A; DE4035240C2; JP2974253B2

Description

Die Erfindung betrifft Dickenmessungen von Materialbeschich tungen auf einem Substrat und die Messung und Steuerung der Ablagerungsgeschwindigkeit des Materials. Insbesondere be trifft die Erfindung ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zum Messen des auf einem piezoelektrischen Kristall abgelagerten Materials, in dem vorbestimmte Reso nanzfrequenzen und Änderungen der Resonanzfrequenzen über wacht werden.

Zum Steuern der Wachstumgsgeschwindigkeit von dicken oder dünnen Filmen, insbesondere von durch Verdampfung oder Zerstäubung abgelagerten Filmen ist es wesentlich, die Qualität der hergestellten Gegenstände zu überwachen. Hierzu hat man Quarzkristalle verwendet. Üblicherweise wird bei solchen Monitoren vom Dicken-Schwerwellenmodus eines AT-Cut piezoelektrischen Quarzkristalls Gebrauch gemacht, um die Wachstumsgeschwindigkeit dünner Filme festzustellen. Bei einer typischen Anordnung wird ein Quarzkristall mit ent sprechenden Elektroden in die Rückführschleife einer Oszillatorschaltung als frequenzempfindliches Element angeordnet. Der äquivalente elektrische Leitwert des Quarz kristalls hat bei der Reihenresonanzfrequenz ein Maximum, so daß der Oszillatorausgang bei dieser Frequenz gehalten wird. Demzufolge erzeugt eine Änderung der Reihenresonanzfrequenz des Kristalls eine entsprechende Änderung der Frequenz am Oszillatorausgang. Der Quarzkristall befindet sich in einer Verdampfungs- oder Zerstäubungskammer. Kondensieren die ver dampften Komponenten auf der Oberfläche des Kristalls, so vergrößert sich dessen Masse, und die Resonanzfrequenz wird geringer. Bekanntlich können Quarzkristalle in mehrfacher Weise schwingen, doch ist zum Bestimmen der Masseeigen schaften der Dicken-Scherwellenmodus besonders geeignet.

Der schwingende Kristall wird entsprechend der Beschichtung auf anderen Substraten in der Kammer beschichtet, und die Verringerung der Resonanzfrequenz aufgrund der größeren Masse zeigt die Beschichtungsdicke auf dem Kristall an. Somit liefert die Verschiebung der Resonanzfrequenz des Kristalls eine Anzeige über die Schichtdicke auf den Sub straten. Die Resonanzfrequenz stellt ein sehr empfindliches Mittel zum Feststellen der Schichtdicke dar. Die zeitliche Änderung der Resonanzfrequenz liefert eine Anzeige der Beschichtungsgeschwindigkeit, also der Dickenänderung pro Zeiteinheit. Da die Resonanzfrequenzänderungen von der Masse des abgelagerten Materials abhängen, das auf dem Kristall abgesetzt worden ist, werden diese Quarzkristalleinrich tungen auch oft als Mikrowaagen bezeichnet.

Bei einer derartigen Mikrowaage ist die Lebensdauer des Kristalls begrenzt. Die Anhäufung von Material auf der Kristalloberfläche verringert die Schärfe und Qualität der Resonanzerscheinungen, und über kurz oder lang ist der Kristall nicht mehr schwingungsfähig. Wird dann der Kristall nicht ersetzt, so kann keine gesteuerte Beschichtung mehr erfolgen. Ein Ausfall des Kristalls während eines Beschich tungsvorgangs führt zu einem völligen Ausschuß.

Voraussagen über die Lebensdauer eines Kristalls sind beispielsweise in der US-PS 48 17 430 offenbart, so daß der Kristall vor seinem Ausfall ersetzt werden kann. Diese Technik erlaubt es nicht, einen verschlechterten Kristall weiter zu gebrauchen.

Andererseits ist man bestrebt, bei solchen Mikrowaagen zu vermeiden, daß der gleiche Kristall zum Messen und Steuern von Mehrfachbeschichtungen unterschiedlicher Materialien verwendet wird. Es ist jedoch oftmals erforderlich, bei spielsweise bei mehrfach beschichteten optischen Artikeln oder supraleitenden Dünnschichtanordnungen, daß mehrere Schichten sehr genau deponiert werden müssen. In solchen Fällen ist es üblich, mehrere Kristalle in einzelnen Abtast köpfen anzuordnen, wobei jeder Kopf für ein spezifisches Material bestimmt ist und jeder Kopf seine eigene Bestückung und jeder Kristall individuelle Resonanzeigenschaften auf weist. Andererseits ist es auch manchmal möglich, das Vakuum zu unterbrechen und die Kammer zu öffnen und für jede einzelne Filmschicht den Kristall zu wechseln. Jedenfalls ist der Aufwand an Zeit und Kosten hoch und fehleranfällig.

Die Betriebsweise moderner Quarzkristallmikrowaagen beruht auf der sog. Lu-Lewis-Beziehung, die nicht nur die Massen dichte des Kristalls berücksichtigt, sondern auf die aku stische Impedanzverstimmung an der Grenzschicht von Quarz zum Film. Ein Beispiel dieser Technik ist "Z-match" Waren zeichen Leybold Inficon, Inc.. Hiermit konnte eine Verbesse rung, insbesondere bei Dickschichtfilmen, erzielt werden. Die Lu-Lewis-Beziehung kann wie folgt dargestellt werden:

Dabei ist f die zusammengesetzte Resonanzfrequenz, f_Q und f_F die mechanischen Resonanzfrequenzen von Kristall und Schicht, und Z_Q und Z_F sind die spezifischen akustischen Impedanzen von Kristall und Schicht bezüglich einer piezoelektrisch erregten Schubwelle. Diese Beziehung liefert das Verhältnis von Masse zur Frequenz wie folgt:

Dabei sind M_F und M_Q die auf die Fläche bezogenen Masse dichten des Films und des Kristalls. Das obige Verhältnis wird im folgenden mit m bezeichnet.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Beziehung besteht darin, daß man das Verhältnis Z=Z_Q/Z_F der akustischen Impedanz kennen muß. Dieses Verhältnis ist nur für einige gewöhnliche Materialien erfaßt. Der tatsächliche Wert für Z für mit un terschiedlichen Geschwindigkeiten oder unterschiedlichen Dicken deponierten Filmen oder für mehrschichtige Filme ist nicht ohne weiteres bekannt und voraussagbar.

Außerdem ist das Verhältnis der akustischen Impedanz, also das Z-Verhältnis für das Material oft unterschiedlich gegen über dem Niederschlag als dünnem Film, der auf Prozeßparame ter sehr empfindlich reagiert. Für viele nicht häufig ver wendete Materialien ist das Z-Verhältnis nicht bekannt. Dann ist es möglich, das Z-Verhältnis auf 1 zu setzen, doch führt diese falsche Voraussetzung zu Fehlern in der Dicken- und Geschwindigkeitsmessung, wobei die Fehlergröße abhängig ist von der Abweichung des wahren Z-Verhältnisses von 1 sowie von der Filmdicke.

Darüber hinaus läßt sich mit der vorgenannten "Z-Match"- Messung keine genaue Dickenmessung bei Mehrfachbeschichtun gen erzielen. Prinzipiell läßt sich eine einzige Z-Match- Technik auch bei Mehrfachschichten verwenden, bei denen die akustische Impedanz jeder Schicht bekannt ist, doch hat sich dieses Verfahren als zu umständlich erwiesen, vgl. hierzu C. Lu. und A. w. Czanderna Applications of Piezoelectric Quarz Crystal Microbalances, Elsevier, NY 1984. Der Schwie rigkeitsgrad der mathematischen Analyse steigt sehr schnell mit steigender Anzahl der Schichten, so daß sich dieses Ver fahren weniger empfiehlt als den Beschichtungsvorgang mit mehreren Kristallen zu steuern, wobei jedes einzelne Mate rial auf einem bestimmten Kristall deponiert wird.

In Anwendung des akustischen Impedanzverhältnisses Z=Z_Q/Z_F ist auch vorgeschlagen worden, nicht nur die Grundfrequenz des Quarzkristalls zu verwenden, sondern auch eine ausge wählte Oberton- oder höhere Resonanzfequenz. Dies bezeich net man als "Auto Z-match". Dabei wird eine quasi harmoni sche Frequenz von etwa der dreifachen Höhe der Grundfrequenz als obere Frequenz verwendet. Beide Frequenzen werden nach einander abgegeben, um das Impedanzverhältnis bzw. das Z- Verhältnis zu bestimmen.

Dieses Verfahren ist in E. Benes, Improved Quarz Crystal Microbalance Technique, J. Appl. Phys. 56, August 1, 1984, pages 608 to 626 beschrieben.

Bezüglich des Zweifrequenzverfahrens zum Messen des Z- Verhältnisses, wie es in dem Benes Aufsatz erläutert ist, braucht man einen Doppelfrequenzoszillator, um die beiden Resonanzfrequenzen zu bestimmen, die in einem Verhältnis von 1 : 3 oder 1 : 5 zueinander stehen. Dieses Verfahren erfordert auch die gleichzeitige Lösung von zwei nicht linearen Glei chungen, die nicht immer in eine einzige Lösung konvergie ren. Ferner ist der erforderliche Plan-Plan-Konvexkristall- Doppelfrequenzoszillator zu geräuschanfällig, um verwendbar zu sein: Der elektrische Leitwert des plankonvexen Kristalls bei höheren quasi harmonischen Resonanzen fällt sehr rasch ab, etwa mit dem Quadrat des Frequenzverhältnisses, so daß die Empfindlichkeit auf eine Resonanz dritter Ordnung höch stens ein Neuntel der Grundresonanz beträgt. Es ist äußerst schwierig, dann genaue Messungen der höheren Frequenzen zu erhalten, insbesondere, wenn mehrere quasi harmonische und unhamonische sehr nahe im Frequenzspektrum nebeneinander liegende Frequenzen vorhanden sind.

Es war daher bisher nicht möglich, einen bestimmten Quarz kristall in einer kurzen Zeitspanne mit zwei Distinkten masseempfindlichen Schwingungsbetriebsweisen zu betreiben, ohne sicher zu sein, daß man nicht in eine andere Betriebs weise gerät. Auch ist es nicht möglich gewesen, die unter schiedlichen Schwingungsbetriebsweisen eines Quarzkristalls in realer Zeit zu isolieren, nachdem soweit Material abgela get wurde, daß die Kristallresonanz nicht länger einen Oszillator antreiben kann.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit einem Verfahren die Dicke eines Filmes zu bestimmen, der in irgendeiner Weise auf die Oberfläche eines piezoelektrischen Kristalls kondensiert und abgelagert ist. Ferner sollen gleichzeitig zwei Resonanzzustände des Kristalls überwacht und eine Dickenanzeige einer Anzahl von Schichten vorgesehen werden. Ferner soll die Dicke aufeinanderfolgender mehrfacher Schichten aus unterschiedlichen Materialien mit einem einzigen piezoelektrischen Kristall gemessen werden können.

Die genannte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentan spruchs 1 gelöst. Dabei wird die Niederschlagsrate von Be schichtungsmaterial auf einem piezoelektrischen Kristall gemessen und gesteuert, indem eine Grundresonanzfrequenz f₁ und eine weitere Resonanzfrequenz f₂ über die Resonanzfre quenz f₁ überwacht wird. Diese Resonanzen treten bei vorbe stimmten Frequenzen f_1u und f_2u auf, bevor die Beschichtung auf dem unbeschichteten Kristall erfolgt, doch verschieben sich diese Resonanzen zu niedrigeren Frequenzen f_1c und f_2c infolge der Massenänderung des Kristalls, wenn das Material abgelagert wird. Ein Frequenzsynthesizer oder ein entspre chender Frequenzgenerator versorgt den Kristall während des Beschichtungsvorgangs mit Abtastfrequenzen. Ein Rückführsig nal des Kristalls wird verarbeitet, um die verschobene Grund frequenz f_1c sowie f_2c zu identifizieren. Die Frequenzabta stung und die Bestimmung der Frequenzen f_1c und f_2c wird während des Beschichtungsvorganges aufrechterhalten. Die flächenbezogene Massendichte m des Beschichtungsmaterials wird ermittelt, die auf den anfänglichen Resonanzfrequenzen f_1u und f_2u des unbeschichteten Kristalls und den verschobe nen Resonanzfrequenzen f_1c und f_2c während des Beschich tungsvorgangs beruht. Die Niederschlagsgeschwindigkeit des Materials bestimmt sich aus den Änderungen der flächenbe zogenen Dichte m bei aufeinanderfolgenden Abtastvorgängen.

Die Geschwindigkeitsinformation wird zu einem Prozessor geführt, um die Niederschlagsgeschwindigkeit zu steuern, beispielsweise, indem der Strom des Verdampfungsofens ein stellbar ist oder die Dicke durch Betätigen einer Blende gesteuert wird.

Vorzugsweise wird die Dichte m durch Berechnen der Parameter R_{unbeschichtet} und R_beschichtet bestimmt, nämlich

und

Diese Parameter werden in die folgende Näherungsgleichung eingesetzt, um einen Wert (mz) zu bestimmen, der das Produkt der flächenbezogenen Dichte m mal dem akustischen Impedanz verhältnis z des niedergeschlagenen Materials ist, nämlich

Der Wert der Quantität (mz) wird dann in die Lu-Lewis-Glei chung eingesetzt, um das akustische Impedanzverhältnis z zu erhalten.

Sind z und mz bekannt, so kann die Dichte m leicht berechnet werden.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der piezoelektri sche Kristall ein AT-Cut plankonvexer Quarzkristall. Es können je nach Anwendung auch andere piezoelektrische Kri stalle Verwendung finden, wobei die gleichen Prinzipien gelten. Bei einem AT-Quarzkristall entspricht die kleinste Grundfrequenz einer Betriebsweise [1,0,0] für die Kristall schwingung, bei der die Indizes die Anzahl der Phasenumkeh rungen längs der drei Kristallachsen wiedergeben. Die nächstkleinste Frequenzresonanz entspricht einer unharmoni schen [1,0,2] Betriebsweise, und diese beiden Resonanzen werden als Frequenzen f₁ und f₂ verwendet. Die Resonanz in der [1,0,2] Betriebsweise liegt eng über der [1,0,0] Reso nanz, und somit ist dies eine viel stärkere Resonanz als andere mögliche Resonanzen, beispielsweise die [3,0,0] Resonanz, die bei der vorerwähnten Doppelfrequenzanalyse verwendet wird.

Die Frequenzmessungen werden bei einer Genauigkeit von weni gen Hertz vorgenommen, vorzugsweise mit einer Genauigkeit von mindestens ein Hertz. Ein aktiver Frequenzsynthesizer kann Ansteuersignale mit programmierten Frequenzen über einen Hybridschaltkreis für den Quarzkristall erzeugen. Ändert sich die Frequenz, so ändert sich auch das Phasen verhalten des Kristalls, wobei in den Resonanzspitzen Phasenverschiebungen von 90°C auftreten. Über die Hybrid schaltung gelangt das Rückführsignal des Kristalls in eine Signalverarbeitungsschaltung, in der eine Signalformung erfolgt und an die ein Phasendetektor angeschlossen ist. Ein Bezugssignal in Phase mit dem Ansteuersignal wird an den anderen Eingang des Phasendetektors gelegt. Dieser erzeugt eine genaue Anzeige der Positionen der verschiedenen Reso nanzen in dem Frequenzspektrum, und hieraus werden die Reso nanzfrequenzen und die Verschiebungsgeschwindigkeit der Frequenz bestimmt. Die Frequenzen f_1c und f_2c können so bis zu mehreren hundertmal in der Sekunde genau gemessen werden, um sehr genaue Meßwerte über die Beschichtungsgeschwindig keit zu liefern.

Wird eine zweite Beschichtung über einer Schicht aufgetra gen, so kann das Verfahren gemäß der Erfindung ebenfalls benutzt werden, um den gesamten Betrag des niedergeschlage nen Materials auf dem Kristall zu messen, worauf der Betrag des neuen Materials dadurch bestimmt wird, daß man die Menge des Materials in der vorhergehenden Schicht berücksichtigt. Hierfür wird die Dichte m der vorhergehenden Schicht gespei chert, und das beschriebene Verfahren wird während der Beschichtung mit dem neuen Material wiederholt. Der Fre qenzgenerator erzeugt aufeinanderfolgende Frequenzabtastun gen, und das Frequenzverhalten des Kristalls wird analysiert, um die Frequenzen f_1c und f_2c zu bestimmen. Die gesamte Dichte wird für alle Beschichtungen berechnet, und die Dif ferenz zwischen diesem Wert und dem gespeicherten Wert der Dichte liefert die Dichte des neuen Materials, das als oberste Schicht aufgetragen worden ist. So kann eine große Anzahl von Schichten abgelagert und mit einem einzigen Kri stall gesteuert werden, ohne daß der Beschichtungsvorgang unterbrochen oder die Kristalle ausgewechselt werden müssen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Schaltungsanordnung einer Mikrowaage mit Quarzkristall,

Fig. 2 eine Darstellung verschiedener Resonanzfrequenzen des Kristalls und

Fig. 3 eine Darstellung der Resonanzfrequenzverschie bungen am Kristall.

In Fig. 1 ist ein piezoelektrischer Kristall 10, nämlich ein AT-Cut-Quarzkristall als Sensor für eine Mikrowaage in einer Vakuum-Beschichtungskammer 12 angeordnet. Dabei können entweder eine oder beide Flächen des Kristalls eine Kontur aufweisen, nämlich sphärisch ausgebildet sein. Dies hat den Zweck, daß die Trennung zwischen den verschiedenen Modusfre quenzen verbessert und der Energietransfer von einem Schwin gungsmodul zum anderen vermieden wird. Dieser Effekt ist als Energiefalle durch Konturgebung bekannt. Infolge der Kri tallform und der einfachen Elektrodenanordnung erzeugt die elektrische Erregung einen Schwingungsmodus, der ein mit einer Dicke-Verdrehungs-Bewegung verbundener Dicken-Scher- Modus ist anstelle einer reinen Dicken-Scher-Bewegung. Der Modus mit dem kleinsten Verdrehungsgrad besitzt die niedrig ste Resonanzfrequenz und den höchsten elektrischen Leitwert. Dies wird als "fundamentaler" Modus angesehen. Zwei andere Moden liegen bei Frequenzen eng über dem fundamentalen Modus, die größere Beiträge von der Dicken-Verdrehungs- Bewegung aufweisen und die als unharmonisch bezeichnet werden. Teilt man diesen Betriebsweisen oder Moden Indizes [n_x, n_y, nn_z] entsprechend der Anzahl der Phasenumkehrungen in der Wellenbewegung längs der drei Kristallachsen zu, dann liegen die drei niedrigsten Resonanzfrequenzen in dieser Reihenfolge in dem fundamentalen Modus [1,0,0] und den bei den nahen unharmonischen Moden [1,0,2] und [1,2,0]. Es gibt zahlreiche andere Moden, nämlich quasi harmonische Moden (die annähernd Mehrfache des fundamentalen Modus darstellen) sowie auch unharmonische Moden, die in dem schwingenden Kristall vorhanden sind. Für das Ausführungsbeispiel der Erfindung jedoch brauchen nur der fundamentale Modus [1,0,0] für die Dickenscherung und der Modus [1,0,2] für die nächst niedrigste unharmonische berücksichtigt werden. Die anderen Moden können für andere Ausführungsbeispiele möglicherweise nützlich sein, werden hier jedoch nicht erläutert.

Die Frequenzen für die Resonanz der verschiedenen Betriebs weisen oder Moden können mit Indizes identifiziert werden, die den Modusindizes entsprechen, d. h. die Grundfrequenz für den Modus [1,0,0] wird als f₁₀₀ bezeichnet, die erste unhar monische Resonanzfrequenz für den Modus [1,0,2] ist f₁₀₂ und die Resonanzen bei anderen Moden [1,2,0], [3,0,0], [3,0,2], [3,2,0] sind beispielsweise f₁₂₀, f₃₀₀, f₃₀₂ und f₃₂₀. Gemäß Fig. 2 verhalten sich die Amplituden dieser Resonanzen etwa umgekehrt zum Quadrat der Frequenz, so daß die Stärke der Resonanz bei f₃₀₀ nur etwa ein Neuntel der Grundresonanz beträgt. Andererseits ist die unharmonische Resonanz bei f₁₀₂ infolge ihrer Nachbarschaft zur Grundfrequenz f₁₀₀ entsprechend größer.

Wird ein Film 13 auf dem Kristall 10 aufgetragen, so ver schiebt sich das gesamte Resonanzspektrum zu niedrigeren Frequenzen. Dabei hat man beobachtet, daß die drei Moden [1,0,0], [1,0,2] und [1,2,0] leicht unterschiedliche Fre quenzverschiebungen infolge der Materialablagerung aufwei sen. Dieser Unterschied in der Frequenzverschiebung für die beiden Moden [1,0,0] und [1,0,2] kann benutzt werden, das akustische Impedanzverhältnis bzw. das Z-Verhältnis für das Material zu bestimmen.

Gemäß Fig. 3 kann die Frequenzverschiebung zwischen dem fundamentalen und unharmonischen Modus im unbeschichteten Kristall f_{100-unbeschichtet} und f_{102-unbeschichtet} und dem jeweils entsprechenden Modus während des Beschichtens des Kristalls, nämlich f_{100-beschichtet} und f_{102-beschichtet} gemessen werden, um unterschiedliche Geschwindigkeiten der Frequenzverschiebung zu zeigen. Die unterschiedlichen Ge schwindigkeiten der Frequenzverschiebung für die beiden Moden beruhen auf unterschiedlichen Elastizitätskonstanten C₆₆ und C₅₅ in dem Kristall.

Nach den Ausführungen in Tiersten and Smythe, An Analysis of Contoured Crystal Resonators Operating in Overtones of Coupled Thickness Shear and Thickness Twist, J. Acoust Soc. Am. 65, June 1979, S. 1455 bis 1460, können die beobachteten Frequenzen f₁₀₀ und f₁₀₂ zum Berechnen des Verhältnisses der elastischen Konstanten verwendet werden. Die Ausdrücke für die Frequenzen im Quadrat bei den Schwingungszuständen [1,0,0] und [1,0,2] sind

und

Dabei sind C₅₅, C₆₆ und M₁ eingestellte elastische Konstan ten für einen AT-Cut-Quarzkristall (siehe Tiersten and Smythe für eine eingehende Erläuterung). Die dortige Theorie wird auf zusammengesetzte Resonatoren erweitert. Dann reprä sentieren die obigen elastischen Konstanten effektive Werte für das zusammengesetzte Quarz- und Beschichtungsmaterial (wenn vorhanden).

r ist der Krümmungsradius der Kontur,
2h ist die Dicke des Kristalls 10 und des anhaf tenden Films 13 in der Mitte und
p ist die effektive Dichte des Quarzes und der Schicht, wenn vorhanden.

Hieraus läßt sich ein Parameter R berechnen

Der Parameter R ändert sich dynamisch bei der Ablagerung von Material. Die Parameter R_{unbeschichtet} für den frischen nicht beschichteten Kristall und R_beschichtet für den be schichteten Kristall verhalten sich wie folgt:

In digitaler Darstellung lassen sich noch geringfügige Korrekturfaktoren berücksichtigen, die im Nenner beispiels weise der Gleichung (4) vernachlässigt sind, doch wird für die vorliegende Erläuterung die genannte Näherung als aus reichend genau angesehen.

Abgesehen von einem kleineren Korrekturfaktor, der die progressiv ansteigende zusammengesetzte Resonatordicke berücksichtigt, ist in diesem Zustand das vorgenannte Verhältnis

etwa gleich dem inversen Ausdruck (1+mz). Dabei ist m die flächenbezogene Massendichte, d. h. das Verhältnis der Be schichtungsmasse zur Quarzmasse pro Flächenelement und Z ist das Z-Verhältnis, das als Verhältnis der spezifischen akustischen Impedanz des Quarzkristalls und des Filmmate rials bestimmt ist.

Der Korrekturfaktor liefert eine grobe Schätzung des Dicken verhältnisses des nackten Quarzkristalls zum zusammenge setzten Resonator (Kristall und Schicht). Eine Darstellung des Algorithmus folgt.

Auch die Quantität mz erscheint in der Lu-Lewis Beziehung und kann verwendet werden, um das effektive Z-Verhältnis zu schätzen. Die Lu-Lewis Beziehung lautet wie folgt:

tan (mz · π · f_100c/f_100u) + z · tan (π · f_100c/f_100u) = 0,

Hier sind f_100c und f_100u die fundamentalen Resonanzfre quenzen für den beschichteten bzw. den unbeschichteten Kristall. Da hier die mehrwertige Natur der trigonome trischen Funktionen eingeht, ist das Z-Verhältnis nicht immer positiv. Die flächenbezogene Dichte m ist jedoch immer eindeutig für ein gegebenes geschätztes Z-Verhältnis und eine gegebene Frequenzverschiebung bestimmt. Die Dicke und Niederschlagsrate können aus dem Wert der flächenbezogenen Dichte m leicht berechnet werden.

Mit dem vorbeschriebenen Verfahren ist es notwendig, die Frequenzen ziemlich genau zu messen. Da die Schätzung des Z- Verhältnisses von den Frequenzverschiebungen in den beiden Betriebsweisen [1,0,0] und [1,0,2] abhängt, können schon sehr winzige Verschiebungen infolge mechanischer oder ther mischer Beanspruchungen des Kristalls fehlerhafte Messungen erzeugen. Ferner führt ein Umspringen in eine andere Be triebsweise, nämlich das fehlerhafte Messen in einem anderen Modus, beispielsweise dem [1,2,0] Modus anstelle des [1,0,2] Modus zu fehlerhaften Ergebnissen. Das erfindungsgemäße Ver fahren wurde jedoch erfolgreich sowohl an 2-Diopter 6 MHz und 4,5 Diopter 4 MHz Kristallen unter Verwendung unter schiedlicher Materialien, nämlich Metallen, dielektrischen und Sandwichschichten erprobt. Die Dickenermittlungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren haben sich als ständig genau und zuverlässig erwiesen.

Das erläuterte Verfahren läßt sich mit einer in Fig. 1 dargestellten Schaltung realisieren. Hierzu wird auch auf die US-Anmeldung 4 64 371 vom 12. 1. 1990 des gleichen Anmel ders hingewiesen. In dieser Schaltung ist ein Quarzkristall 10 mit einer Fläche den Dämpfen in der Niederschlagskammer 12 zugekehrt. Ein Frequenzgenerator 14, vorzugsweise ein direkter digitaler Synthesizer, wird von einem digitalen Prozessor 16 angesteuert. Der Frequenzgenerator kann ein Hochfrequenztreibersignal mit einer Frequenzauflösung von 0,005 Hz in einem Frequenzbereich zwischen 0 und 8,0 MHz erzeugen. Dieses Hochfrequenzsignal hoher Genauigkeit wird an einen Eingang einer Hybridschaltung 18 geführt, deren Ausgang an den Kristall 10 angeschlossen ist. Die Hybrid schaltung 18 dient als Duplexer und liefert das Hochfre quenztreibersignal zum Kristall 10. Ein Rückführsignal vom Kristall 10 gelangt von einem anderen Ausgang der Hybrid schaltung zu einem Wellenformer 20, der als Signalverstärker und Begrenzer dient. Der Wellenformer 20 liefert ein Aus gangssignal SIG zu einem Einlaß eines Phasendetektors 22. Das Hochfrequenztreibersignal liegt auch an einem Eingang eines weiteren Wellenformers 24 an, der eine Bezugswelle REF von gleicher Phase und Frequenz wie das Hochfrequenztreiber signal zum zweiten Eingang des Phasendetektors 22 liefert. Der Phasendetektor 22 hat einen Phasenauslaß, dessen Wert abhängig ist von der Phasenbeziehung zwischen den Signalen SIG und REF.

Liegt das Hochfrequenztreibersignal des Frequenzsynthesizers 14 in der Resonanzfrequenz des Kristalls 10, so ergibt sich eine 90°-Phasenverschiebung zwischen dem Bezugssignal REF und dem Rückführsignal SIG der Hybridschaltung 18.

Bei Frequenzen von mehreren hundert Hertz unterhalb der Kristallresonanz gibt es eine Phasenverschiebung von im wesentlichen 0° zwischen dem zugeführten und rückgeführten Signal. Bei Frequenzen von mehreren hundert Hertz über der Kristallresonanz gibt es eine Phasenverschiebung von nahe 180°. Der Ausgang des Phasendetektors 22 beträgt 0, wenn das Signal REF dem Rückführsignal SIG um 90° voreilt, wird ande rerseits aber eine positive oder negative Spannung entspre chend der Phasendifferenz zwischen den Signalen RIF und SIG sein. Eine diskrete Vorzeichenänderung tritt auf, wenn das synthetisierte an den Kristall angelegte Hochfrequenzsignal seinen Frequenzdurchgang durch jede Resonanz hat. Diese Phaseninformation kann vorzugsweise in digitaler Form dem Prozessor 16 zugeführt werden. Dieser ist derart program miert, daß er mindestens die fundamentale Frequenz f₁₀₀ und die kleinste unharmonische Frequenz f₁₀₂ aufsucht und über wacht und die Frequenzabtastrate des Synthesizers 14 so wählt, daß die Verschiebungsgeschwindigkeiten der beiden Moden kontinuierlich überwacht werden.

Beim Überwachen der Frequenzen f_100c und f_102c des beschich teten Quarzkristalls 10 und bei Berücksichtigung der vor herbestimmten Frequenzen f_100u und f_102u für den unbeschich teten Kristall können Änderungen der flächenbezogenen Dichte m ermittelt werden, und dies führt zum Ermitteln der Wachs tumsgeschwindigkeit des niedergeschlagenen Materials. Die Geschwindigkeitsinformation wird dem Prozessor 16 zugeführt und wirkt auf eine Steuerschaltung 26 ein, die wiederum die Verdampfungsgeschwindigkeit der Quelle 28 in der Kammer 12 steuert.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich zum Messen der Dicke und zum Steuern von Filmniederschlägen einsetzen bzw. zum Messen und Steuern aufeinanderfolgender mehrfacher Filme unterschiedlicher Materialien, wobei nur ein Kristall erfor derlich ist. Das Verfahren kann auch zum Steuern und Messen des Niederschlags von zusammengesetzten Schichtmaterialien, also von Legierungen ungeachtet der Stöchiometrie Verwen dung finden. Es ist auch möglich, das Verfahren zum Messen mechanischer Eigenschaften zu verwenden, beispielsweise der Dichte, Viskosität oder der akustischen Impedanz einer Flüs sigkeit, wenn der Kristall in die Flüssigkeit eingetaucht oder der Flüssigkeit ausgesetzt wird. Ferner ist es möglich, die Prinzipien dieser Erfindung bei Kristallen anzuwenden, die nicht AT-Cut-Quarzkristalle sind sowie auch zum Messen der Massebelastungen in Betriebsweisen, die nicht dem Modus [1,0,0] und [1,0,2] entsprechen. Die Erfindung ist nicht auf das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Claims

1. Verfahren zum Messen und/oder Steuern der Beschichtungsgeschwindigkeit auf einem piezoelektrischen Kristall, der eine fundamentale Resonanzfrequenz f₁ und wenigstens eine zusätzliche Resonanzfrequenz f₂ nächst oberhalb der fundamentalen Resonanzfrequenz aufweist, wobei die fundamentale und zusätzliche Resonanzfrequenz vorbe stimmte anfängliche Frequenzen f_1u und f_2u vor der Beschich tung auf dem Kristall aufweisen und die Frequenzen sich zu niedrigeren Frequenzen f_1c und f_2c verschieben, wenn während des Beschichtungsvorgangs der Kristall mit Masse beschichtet wird, gekennzeichnet durch:
in einem Frequenzgenerator werden aufeinanderfolgend durch laufende Frequenzen erzeugt und an den Kristall während der Materialbeschichtung angelegt,
das Antwortverhalten des Kristalls auf die durchlaufenden Frequenzen wird analysiert, um die verschobene fundamentale Resonanzfrequenz f_1c und die verschobene Zusatzresonanz frequenz f_2c für den Kristall während der Beschichtung be stimmen,
die flächenhafte Massendichte m der Beschichtung auf dem Kristall abhängig von den anfänglichen Resonanzfre quenzen f_1u und f_2u für den unbeschichteten Kristall und den verschobenen Resonanzfrequenzen f_1c und f_2c für den Kristall unter Beschichtung wird errechnet,
die Geschwindigkeit der Beschichtung abhängig von Änderungen der Massendichte m für die aufeinanderfolgenden Durchlauf frequenzen wird errechnet und
die Beschichtungsgeschwindigkeit wird abhängig von der errechneten Beschichtungsgeschwindigkeit gesteuert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Massen dichte m durch Bestimmen der Parameter R_{unbeschichtet} und R_beschichtet wie folgt berechnet wird und und bei dem die Parameter in die folgende Näherungsgleichung eingesetzt werden, um einen Wert (mz) zu bestimmen, welcher das Produkt der Massenflächendichte m und dem akustischen Impedanzverhältnis z der Beschichtung des abgelagerten Mate tials bezüglich des piezoelektrischen Kristalls ist: bei dem der Wert mz in die Lu-Lewis Gleichung eingesetzt wird, um den Wert z zu erhalten: und bei dem die flächenhafte Massendichte m aus dem Wert z und den Frequenzverschiebungen berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der piezoelektrische Kristall ein AT-Cut-Quarzkristall ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzkristall plankonvex ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Resonanzen Modus-Zuordnungen [1,0,0] und [1,0,2] mit Indizes zur Bezeichnung der Anzahl der Phasenumkehrungen längs der drei Kristallachsen aufweisen, und bei dem die fundamentale Frequenz f₁ einem fundamentalen [1,0,0] Schwin gungsmodus für den Kristall und die Zusatzresonanzfrequenz f₂ einem aharmonischen [1,0,2] Modus entspricht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Resonanzfrequenzen f_1u, f_2u, f_1c und f_2c mit einer Genauigkeit von mindestens 15 Hz gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Reso nanzfrequenzen mit einer Genauigkeit von 1 Hz gemessen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei den ein zweites Material über dem erstgenannten Beschich tungsmaterial auf den Kristall abgelagert wird, wobei ein Speicher zum Speichern der flächenhaften Massendichte m₁ für das erste Material vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß beim Beschichten mit dem zweiten Material die Verfah rensschtitte zum Erzeugen aufeinanderfolgender Frequenzen wiederholt werden, das Antwortverhalten des Kristalls analysiert wird, um die Frequenzen f_1c und f_2c zu bestimmen und die Massendichte m für das Aggregat des ersten und zwei ten Beschichtungsmaterials berechnet wird und die Flächen dichte m₂ für das zweite Material aus den Flächendichten m₁ und m errechnet wird.