DE3107675C2 - Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Messung der Dicke sehr dünner elektrisch leitfähiger Schichten auf nichtleitendem Trägermaterial - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Messung der Dicke sehr dünner elektrisch leitfähiger Schichten auf nichtleitendem TrägermaterialInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Dicke sehr dünner elektrisch leitfähiger Schichten im Bereich von 1 bis 1000 Nanometer und bezieht sich ferner auf entsprechende Meßvorrichtungen. Die Dicke der elektrisch leitfähigen Schichten wird mittels hochfrequenter elektromagnetischer Wellen im Mikrowellenbereich über den Flächenwiderstand unter Berücksichtigung der Leitfähigkeit der Schicht als Maß für die Schichtdicke gemessen, indem der Reflexionsfaktor und/oder der Transmissionsfaktor der Mikrowelle an der leitfähigen Schicht ausgenutzt wird. Das kann mit Hilfe von zwei Antennen im freien Raum im Fernfeld dieser Antennenanordnungen erfolgen oder, falls die Antennen als Hohlleitungsflansche ausgebildet sind, auch im Nahfeld, wobei die Hohlleitungsflansche sich dann in einem sehr geringen Abstand gegenüberstehen.
Description
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.
Ρ-Ί ■
d[m)
Der Reflexionsfaktor »r« einer ebenen homogenen Welle senkrechter Inzidenz auf einer Widerstandsschicht
im freien Raum beträgt nach (I)LN. 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-
Z0 +2 RF
Z0 = -377 ü
Der Transmissionsfaktor »f« lautet:
Z11 + 2 R1
Bei schrägem Einfall müssen zwei Fälle möglicher Polarisation unterschieden werden, nämliqh einmal, daß
der Vektor der elektrischen Feldstärke senkrecht zu der vom Ausbreitungsvektor und der Flächennormalen der
Schicht aufgespannten Ebene liegt (rs), oder daß der
Vektor der elektrischen Feldstärke parallel zu dieser Ebene liegt (rp):
-Z1,
2R1- cos,, + Z0 '
-Z1, cos„
2 Rf+Z0 - cos φ
2 Rf+Z0 - cos φ
Der Winkel »gw. ist der Winkel zwischen der Flächennormale der Schicht und dem Ausbreitungsvektor der
elektromagnetischen Welle. Für Meta'Ischichtdicken
mit Rf > 100 Ohm ist die Messung des Reflexionsfaktors
günstiger, für Werte von /?/■<
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 Strahlungskeuie 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 Fischenausdehnung
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 versehen, wie es für Hohlleitungsfknschdichtungen
Verwendung findet und welches die Eigenschaften gewisser Leitfähigkeit und Elastizität besitzt.
Der mit einer solchen Vorrichtung meßbare Reflexions- oder Transmissionsfaktor stellt ein unmittelbares
Maß für den Flächenwiderstand Rf und damit auch für
die Metallschichtdicke »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 3mal 8 Millimeter. Bei Schichtdicken im Bereich von
0,01 Mikrometern liegt der Flächenwiderstand Rf 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 Kunststoffträgerfolie 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 Hi0-WeIIe der Rechteckhohlleitung,
wird durch diese Maßnahme nicht beeinflußt Da bei Meßobjekten in der Form schmaler Streifen die Gefahr
unerwünschter Verkopplung zwischen Sende- und Empfangshohlleitungsflansch durch Oberflächenwellen
der MetallfolJenschichl 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 Rf einer sehr dünnen
Metallschicht bestimmen, wenn diese zwischen zwei beliebigen Öffnungen von wellenleitenden Systemen angeordnet
ist (Transmissionsverfahren) oder sich in der Nähe einer Öffnung oder Apertur eines wellenleitenden
Systems befindet (Reflexionsverfahren). Allerdings besteht dann normalerweise kein einfacher 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 zeigt F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer berührungslosen
Meßvorrichtung mit Hornantennen, die nach dem Reflexionsprinzip arbeitet,
F i g. 2 eine abgewandelte Ausführungsform einer Meßvorrichtung, die nach dem Hohlleitungsprinzip arbeitet,
Fig.3 einen Schnitt gemäß Schnittlinie III-III von
F i g. 2 durch jede der beiden Hohlleitungen und
F i g. 4 eine weitere abgewandelte Ausführungsform
einer Meßvorrichtung mit zwei Hornantennen, die nach dem Transmissionsprinzip arbeitet.
Die in F i g. 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 hornförmigen Sendeantenne 4 verbunden ist. Von der hornförniigen 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 Mikrowelienstrahl 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.
07
Bei jeder Messung geiangt der von der Schicht 5. 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 Empfangss'·
gnals vor der Demodulation ist der Dicke »d« der zu messenden elektrisch leitfähigen Schicht 1, wenn diese
eine Folie darstellt, direkt zugeordnet (vgl. Formeln (2) ι ο
und (3)). In diesem Frequenzbereich arbeitende Dioden haben im Kleinsignalverhalten normalerweise eine quadratische
Charakteristik, das heißt die Λ/F-Ausgangsspannung
ist proportional der W-Eingangsleistung, was für die Auswertung bezüglich der Metallschichtdikke
in geeigneter Weise zu berücksichtigen ist.
In F i g. 2 ist eine gegenüber F i g. 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 Rf < 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 μίτι) haben, wird das Feld der
Grundmode (z. B. H\o) nicht allzusehr gestört, und im Gegensatz zur einseitigen Reflexionsmessung (Sterkhov)
liegen hier mit guter Näherung einfache Feldverhältnisse vor, da die //10-Welle als Überlagerung von
zwei ebenen homogenen Wellen darstellbar ist für die die Reflexions- und Transmissionsfaktoren in den Formeln
(2) bis (5) angegeben sind.
Die Meßvorrichtung von F i g. 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 23£>, 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 r/f-Därnpfungsrnaieria! beschichtet sein
oder daraus bestehen.
Zur Verringerung der Meßfläche ist dabei die Höhe des rechteckförmigen Hohlleitungsquerschnittes
(F i g. 3) durch ein sich zu der zu messenden Schicht 1 hin verjüngendes Obergangsstück 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 »Λ«, vorzugsweise jedoch im Femfeld, 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 F i g. 1 gezeigten 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 5cauf 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 Dickeneinheiten der zu messenden elektrisch leitfähigen
Schicht 1 kalibriert ist.
Beiderseits der beiden Hornantennen 4 und 5 befinden sich zwei Absorbermatten 11, die alle Hochfrequen2:energie
des Mikrowellen-Strahls 5c, die von der Meßvorrichtung abgestrahlt wird, absorbieren.
Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden
als erfindungswesentlich angesehen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Verfahren zur elektronischen Messung der Dikke 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 leitfähigen Schicht oder Metallschicht
unter Verwendung von Mikrowellen, wobei für die Messung von Flächenwiderstand und damit
Dicke der leitfähigen Schicht der Reflexionsfaktor der Mikrowelle an der Schicht herangezogen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Messung mit Hilfe von zwei allgemeinen Antennen unter Ausnutzung
des Transmissionsfaktors und/oder des Reflexionsfaktors der Mikrowelle an der leitfähigen
Schicht erfolgt
2. Verfahren nach AnsprucL 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
beidseitig auf diese Kombination gedruckt 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
(F i g. 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 Dämpfungsmateria} (23i>, 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 Streifenbei andung (!') angeordnet ist (F i g. 2 und 3).
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, ist ein Zeitbereichs-Wirbelstromverfahren
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, Izmeritel'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 Aafdampfvorganges 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
b:s 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 geeignet sind.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Messung mit Hilfe von zwei allgemeinen Antennen unter Ausnutzung des Transmissionsfaktors und/oder des Reflexionsfaktors der Mikrowelle an der leitfähigen Schicht erfolgt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Messung mit Hilfe von zwei allgemeinen Antennen unter Ausnutzung des Transmissionsfaktors und/oder des Reflexionsfaktors der Mikrowelle an der leitfähigen Schicht erfolgt.
Der Flächenwiderstand ist bei bekannter Leitfähigkeit »#« mit der Schichtdicke »d« der zu messenden
elektrisch leitfähigen Schicht nach folgender Gleichung (1) unmittelbar verknüpft:
Priority Applications (2)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE3107675A DE3107675C2 (de) | 1981-02-28 | 1981-02-28 | Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Messung der Dicke sehr dünner elektrisch leitfähiger Schichten auf nichtleitendem Trägermaterial |
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ID=6126027
Family Applications (1)
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DE3107675A Expired DE3107675C2 (de) | 1981-02-28 | 1981-02-28 | Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Messung der Dicke sehr dünner elektrisch leitfähiger Schichten auf nichtleitendem Trägermaterial |
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