DE3120443C2

DE3120443C2 - Schwingquarzmesskopf

Info

Publication number: DE3120443C2
Application number: DE3120443A
Authority: DE
Inventors: Walter 9495 Triesen Schädler
Original assignee: Balzers Hochvakuum Gmbh, 6200 Wiesbaden
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1980-07-21
Filing date: 1981-05-22
Publication date: 1987-03-12
Also published as: US4362125A; DE3120443A1; GB2080532B; GB2080532A; FR2493508A1; NL8102585A; FR2493508B1; CH644722A5

Abstract

Schwingquarzmeßkopf für Vakuumbeschichtungsanlagen zur Bestimmung der auf einem Schwingquarz beim Aufbringen von dünnen Schichten niedergeschlagenen, seine Frequenz ändernden Schichtmasse. Um eine längere ununterbrochene Meßdauer zu ermöglichen, ist der Meßkopf (2) mit einem drehbaren Träger (13) als Quarzwechselvorrichtung ausgebildet und um sicherzustellen, daß stets der gleiche Ausschnitt jedes Quarzes (6) beschichtet wird, sind außer einer gehäusefesten Blende (3) noch weitere mit den einzelnen Quarzen (6) mitbewegte Blenden (35) vorgesehen, die in Meßposition zwecks Wärmeableitung gegen die gehäusefeste Blende (3) andrückbar sind. Die mitbewegten Blenden (35) können als gemeinsame drehbare Blendenplatte ausgebildet sein, die in axialer Richtung gegen die gehäusefeste Blende (3) durch eine Feder (36) andrückbar ist.

Description

Seit langem werden Quarzoszillatoren zur Dickenbestimmung und zur Messung der Beschichtungsrate (pro Zeiteinheit aufgebrachte Schichtmasse) bei der Aufbringung von dünnen Schichten, z. B. durch Aufdampfen im Vakuum, verwendet. Hierbei wird auf einem in der Beschichtungsanlage angeordneten Schwingquarz eines quarzgesteuerten Oszillators eine Schicht niedergeschlagen, deren Masse die Frequenz des Meßquarzes verändert. Die gemessene Frequenzänderung kann sodann als Maß für die Dicke der niedergeschlagenen Schicht und die Frequenzänderung pro Zeiteinheit dementsprechend als Maß für die Beschichtungsrate dienen ( siehe z. B. DT-OS 20 3 154, US-PS 33 82 842 und 35 41 894, franz. Patent 13 89 513).
Aus der US-PS 36 67 424 ist eine Vakuumaufdampfanlage bekanntgeworden, bei der die Dicke von auf Substraten niedergeschlagenen Schichten mit Hilfe von Schwingquarzen gemessen werden kann, wobei mehrere Schwingquarze in der Anlage vorgesehen sind, denen Blenden zugeordnet sind, um den einzelnen Schwingquarz nach Wahl jeweils dem zu messenden Dampfstrom aussetzen oder gegen diesen abschirmen zu können. Die Quarze befinden sich dabei an verschiedenen festen Orten in der Anlage, die nicht mit den Orten, an denen sich die zu bedampfenden Substrate befinden, übereinstimmen, und als Folge davon bleibt eine gewisse Unsicherheit in der Schichtdickenmessung bestehen, weil die Verteilung des von einer Dampfquelle ausgehenden Dampfstromes nie genau gleichbleibend ist sondern in Abhängigkeit von den verdampften Substanzen und der Temperatur sich ändern kann.
In der US-PS 42 07 836 wird ein Drehtisch für zu beschichtende Substrate beschrieben, bei dem gleichzeitig auch noch ein sogenannter Schwingquarzmonitor auf demDrehtisch selbst angebracht ist, derart, daß laufend die Stärke des Dampfstromes bestimmt werden kann, unabhängig davon, ob die für die wahlweise Freigabe oder Abschirmung der zu beschichtenden Flächen vorgesehenen Blenden geöffnet oder geschlossen sind. Dieser Monitor kann zwar in einer gleichen Lage wie die zu beschichtenden Substrate angeordnet werden, um die Beschichtungsbedingungen genauer zu erfassen, jedoch ist seine Meßkapazität - weil nur eine Schicht begrenzter Dicke auf den Schwingquarz aufgebracht werden kann, ohne daß die Messung verfälscht wird - ziemlich bald erschöpft, wenn in einer industriellen Fertigung eine größere Zahl von Substraten gleichzeitig zu beschichten ist.
Schichtdickenmeßgeräte für die Herstellung optischer Dünnschichtsysteme setzen eine empfindliche und störungsfrei arbeitende Einrichtung zur Messung der Quarzfrequenz voraus. Bei früheren Geräten wurde die von der Massenbelegung des Meßquarzes abhängige Frequenz des Meßoszillators mit einem hochstabilen Referenzoszillator verglichen. Neuerdings dagegen wird die Quarzfrequenz oft auch direkt durch einen digitalen Frequenzzähler bestimmt. Aus der Frequenzänderung pro Zeit kann die Beschichtungsrate ermittelt werden.
Eine der wichtigsten Störungsursachen und Fehlerquellen beim Betrieb derartiger Geräte liegt erfahrungsgemäß in der Schwingquarzhalterung. Das zeigt sich oft schon dadurch, daß nach bloßem Herausnehmen des Quarzes aus einer Halterung und - ohne daß sonst irgendetwas geändert wird - Wiedereinsetzen desselben eine Frequenzänderung auftritt. Auch können während des Betriebes abrupte Frequenzsprünge auftreten, die wahrscheinlich durch mechanische oder thermische Spannungen des gehaltenen Quarzes verursacht werden. Solche Störungen treten insbesondere bei den bekannten Schwingquarzhalterungen in Erscheinung, bei denen der Rand des runden Quarzplättchens durch Federn gegen eine Ringfläche gedrückt wird, wobei unebene Auflageflächen oder Staubkörner, die beim Einspannen zwischen Auflagefläche und Schwingquarz gelangen, Anlaß zu Störungen geben können.
Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, ist bereits vorgeschla -gen worden, den Schwingquarz nur an zwei Punkten seines Umfanges zu haltern. Hierfür werden z. B. zwei Paare von Haltebacken verwendet, zwischen denen das Quarzplättchen eingeklemmt wird. Der Nachteil dieser Anordnung liegt jedoch darin, daß das häufig erforderliche Auswechseln des Quarzplättchens umständlich ist; dazu müssen die Haltebacken auseinandergespreizt werden, um das eine Quarzplättchen herausnehmen und ein anderes einsetzen zu können. Dies erfordert Übung und ist wegen des damit verbundenen Zeitverlustes bei der industriellen Fertigung von dünnen Schichten unerwünscht.
Für eine meßtechnisch einwandfreie Halterung und leichte Auswechselbarkeit des Schwingquarzes wurde bereits eine Lösung vorgeschlagen, die in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt ist. Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird zunächst diese erwähnte bekannte Lösung kurz beschrieben.
Fig. 1 zeigt das zweiteilige Gehäuse eines Schwingquarzmeßkopfes mit den beiden Gehäuseteilen 1 und 2. Der Teil 2 weist die Blendenöffnung 3 auf, wobei bei Verwendung in der Beschichtungsanlage (Aufdampf oder Kathodenzerstäubungsanlage) dieser Meßkopf so angeordnet wird, daß die Blendenöffnung dem Strom der zu kondensierenden Teilchen zugewandt ist. Meist ist dieser Strom von unten nach oben gerichtet, der Meßschwingquarz also in der gezeichneten Lage (mit seiner Längsachse vertikal) zu benutzen.
Der Teil 2 weist am Umfang der Blendenöffnung 3 wenigstens zwei Auflageflächen 4 für das Schwingquarzplättchen 6 auf, die Ringsegmente darstellen. Der (in der Fig. 1) obere Teil des Meßkopfes trägt die beiden Kontaktbolzen 11 und 12. Dazu besitzt er eine Halteplatte 13, mit isolierenden Führungshülsen 14 und 15 für die Kontaktbolzen. Eine Feder 16 drückt die Bolzen 11 und 12 gegen die Auflageflächen, wodurch das Schwingquarzplättchen 6 in seiner Lage festgehalten wird. Die Feder 16 ist ihrerseits von der ebenfalls isoliert an der Halteplatte 13angebrachten Säule 17 getragen, die eine Anschlußfahne 18 für einen elektrischen Leiter 19 aufweist, welcher durch die isolierende Durchführung 20 durch die Abshlußplatte 21 des Meßkopfes hindurch nach außen geführt ist. Oft ist jedoch zweckmässig, auch die übrigen Teile des Meßoszillators im gleichen Gehäuse wie den Schwingquarz unterzubringen. Das Gehäuse dient dann gleichzeitig als elektrische Abschirmung. In diesem Falle kann (außer der Ableitung des Meßsignals) auch die Zuführung der Versorgungsspannung für den Oszillator über die Zuführung 20 erfolgen.
Die elektrische Kontaktgabe an die beiden metallischen Belegungen des Schwingquarzplättchens erfolgt auf der Unterseite durch die beiden metallischen Auflageflächen 4, die mit der geerdeten Gehäusemasse elektrisch in Verbindung stehen, auf der Oberseite dagegen durch die beiden Kontaktbolzen 13 und 14. Gewöhnlich ist nur der mittlere Teil der beiden Seiten des Schwingquarzplättchens mit je einer metallischen Belegung versehen und führen metallische Leiterstreifen zu am Umfang befindlichen (z. B. halbringförmigen) Kontaktflächen. Um die richtige Lage des oberen und unteren Gehäuseteiles beim Zusammenfügen sicherzustellen kann am Gehäuse eine Fixier- oder Einrastvorrichtung vorhanden sein, z. B. der Stift 22, der das Gehäuse nur in einer bestimmten Position seiner beiden Teile schließen läßt.
Mit der beschriebenen Anordnung ist es möglich, das Schwingquarzplättchen aus der Halterung herauszunehmen und wieder einzulegen, ohne daß eine nennenswerte Frequenzänderung auftritt. Auch wurden keinerlei Störungen durch unsorgfältiges Einlegen, Staubkörner, Verspannung oder dgl. beobachtet. Nachteilig war jedoch immer noch, daß keine längere ununterbrochene Betriebszeit möglich war, der Quarz also häufig gewechselt werden mußte.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine gleich betriebssichere Schwingquarzhalterung wie die vorstehend beschriebene zur Verfügung zu stellen, diese jedoch gleichzeitig als Wechselvorrichtung auszubilden und dabei zu gewährleisten, daß bei jeder Messung stets genau der gleiche Ausschnitt der Oberfläche jedes einzelnen Quarzes beschichtet wird, um reproduzierbare Meßergebnisse zu erhalten. Würde nämlich der zu beschichtende Ausschnitt auf der Quarzoberfläche bei aufeinanderfolgenden Messungen verschoben, ergäbe sich daraus sofort eine etwas andere Eigenfrequenz für eine sonst gleiche Massenbelegung. Gleichzeitig besteht das Problem einer hinreichenden Temperaturstabilisierung einer Mehrzahl von in einem Schwingquarzmeßkopf untergebrachten Einzelquarzen. Bei einer Wechselvor -richtung ist es nämlich schwierig sicherzustellen, daß eine stets gleichbleibende Wärmeableitung von dem gerade in Meßposition befindlichen Quarz stattfindet und damit für die gleiche Temperatur aller Quarze bei der Messung gesorgt wird; unterschiedliche Temperaturen andererseits hätten Unterschiede der Eigenfrequenz der Quarze und damit Meßfehler zur Folge.
Die genannte Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Konstruktion gelöst.
Durch die damit gegebene Möglichkeit des Wechsels des zur Messung herangezogenen Quarzes einerseits - ohne daß die Beschichtungsanlage geöffnet und der Fertigungsprozeß unterbrochen werden muß - und die gleichzeitige Sicherstellung, daß stets der gleiche Ausschnitt aus der Quarzoberfläche beschichtet wird und die Wärme von den Quarzen an das Gehäuse zuverlässig abgeführt wird, wird eine wesentlich verlängerte unterbruchsfreie Meßzeit ermöglicht. Praktisch wird diese jetzt durch die Summe der auf den einzelnen Quarzen aufbringbaren Schichtmassen bestimmt, ist also vervielfacht.
Eine zweckmäßige weitere Ausbildung besteht darin, die den einzelnen Quarzen zugeordneten Blendenöffnungen in einer gemeinsamen als Mehrfachblende dienenden drehbaren Platte vorzusehen, welche in axialer Richtung verschiebbar und gegen die gehäusefeste Blende z. B. durch eine Feder andrückbar ausgebildet ist. Weitere Einzelheiten sind aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels ersichtlich. Wie bereits erwähnt, zeigt Fig. 1 einen bekannten Meßkopf für einen einzelnen Schwingquarz mit bloß einer (gehäusefesten) Blende; Fig. 2 dagegen zeigt einen erfindungsgemäß als Mehrfach-Quarzwechsler ausgebildeten Meßkopf mit einer mit dem Träger der Quarze mitbewegten zusätzlichen Blendenplatte mit Blendenöffnungen für jeden einzelnen Quarz.
In Fig. 2 ist nur der untere Teil eines Schwingquarzmeßkopfes dargestellt und Teile mit analoger Funktion sind gleich wie in Fig. 1 bezeichnet. Gegenüber Fig. 1 unterscheidet sich das erfindungsgemäße Beispiel nach Fig. 2 jedoch durch folgendes:
In dem Gehäuse 2 des Meßkopfes ist eine Welle 31 angeordnet, deren unteres Ende mit der Halteplatte 13 für eine Mehrzahl von Quarzen 6 fest verbunden ist, so daß bei Drehung der Welle 31 die Halteplatte 13 mitgedreht wird. Zur Kontaktierung der Quar -ze 6 mit den notwendigen elektrischen Spannungszuführungen sind ähnlich wie im bekannten Falle nach Fig. 1 Kontaktstifte 11 und 12 vorgesehen, die in isolierenden Führungshülsen 14 geführt sind, wobei die Kontaktstifte des jeweils gerade in Meßposition befindlichen Quarzes durch eine Feder 16 gegen den betreffenden Quarz gedrückt werden. Die Spannungszuführung zu den Kontaktstiften 11 und 12 erfolgt über die Zuleitung 19, die mittels einer isolierenden Hülse 33 an der gehäusefest angeordneten Platte 34 gehaltert wird.
Beim Weiterdrehen der Halteplatte 13 wird jeweils der nächste Quarz 6 mit seinen Kontaktbolzen 11 und 12 unter die Feder 16 geschoben. Die zweite für die Messung erforderliche Kontaktgabe erfolgt über die Auflageflächen 4 der Quarze, d. h. über die Masse des elektrisch leitenden Gehäuses. Diese Auflageflächen befinden sich an den den Quarzen zugewandten Seiten der mitbewegten Blenden 35, die, wie in der Fig. 2 gezeigt, am einfachsten als eine einzige Blendenplatte mit einer entsprechenden Anzahl von Blendenöffnungen ausgebildet ist. Mit der Blendenplatte 35 arbeitet die gehäusefeste Blendenplatte 3 zusammen, die eine einzige Blendenöffnung für den gerade in Meßposition befindlichen Quarz besitzt. Um die Blendenplatte 35 gegen letztere wärmeleitend andrücken zu können, kann am einfachsten eine Feder 36 vorgesehen werden. Bei vertikaler Gebrauchslage des Meßkopfes kann andererseits schon das Gewicht der Halteplatte zusammen mit den mitbewegten Blenden für eine entsprechende Anpressung genügen. Für eine verstärkte Wärmeabführung könnte das Gehäuse 2 oder die Blendenplatte 3 zusätzlich noch mit Kühleinrichtungen versehen werden.
Um die Welle 31, die ihrerseits durch die Hülse 37 im Gehäuse 2 gehaltert sein kann, betätigen zu können, kann sie nach außen geführt sein bzw. kann innerhalb oder außerhalb des Meßgehäusekopfes ein Antriebsmotor für die Welle 31 angeordnet werden, und für die Fixierung der Welle in den einzelnen Meßpositionen kann eine an sich bekannte Indexeinrichtung vorgesehen werden. Das Wechseln der Quarze ist bei der Einrichtung nach der Fig. 2 besonders einfach. Man braucht lediglich die Halteplatte 13 zusammen mit der Blendenplatte 35 und den Quarzen 6 herausnehmen, sie mit neuen noch unbeschichteten Quarzen beschicken und darauf wieder in das Gehäuse zusammen mit der Blendenplatte 35 gegen die Kraft der Feder 36 hineindrücken und die Blendenplatte 3 wieder am Gehäuse befestigen.

Claims

1. Schwingquarzmeßkopf für Vakuumbeschichtungsanlagen, zur Bestimmung der auf einem Schwingquarz beim Aufbringen von dünnen Schichten niedergeschlagenen, seine Frequenz ändernden Schichtmasse, mit einem Gehäuse, einem darin angeordneten Träger für wenigstens einen Schwingquarz und mit elektrischen Zuleitungen zur Einspannvorrichtung des Schwingquarzes, sowie mit einer mit dem Gehäuse starr verbundenen Blende mit einer Öffnung, um während der Messung eine Seite eines Schwingquarzplättchens dem zu messenden Dampfstrom aussetzen zu können, wobei der Träger drehbar ausgebildet und mit Haltevorrichtungen für mehrere Schwingquarze versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß den einzelnen Schwingquarzen (6) mitbewegbare weitere, den zu beschichtenden Ausschnitt der Oberfläche jedes einzelnen Quarzes bestimmende Blenden (35) zugeordnet sind und eine Anpreßfeder (36) für die Blende des jeweils in Meßposition befindlichen Schwingquarzes vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen Quarzen (6) zugeordneten Blendenöffnungen in einer gemeinsamen drehbaren Blendenplatte (35) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Blendenplatte in axialer Richtung verschiebbar und gegen die gehäusefeste Blende durch eine Feder andrückbar ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit einer Kühlvorrichtung verbunden ist.