DE3145309A1 - MEASUREMENT METHOD FOR DETERMINING THE THICKNESS OF THIN LAYERS - Google Patents
MEASUREMENT METHOD FOR DETERMINING THE THICKNESS OF THIN LAYERSInfo
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Description
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LEYBOLD-HERAEUS GMBH Köln-BayentalLEYBOLD-HERAEUS GMBH Cologne-Bayental
Meßverfahren zur Bestimmung der Dicke dünner SchichtenMeasurement method for determining the thickness of thin layers
Meßverfahren zur Bestimmung der Dicke dünner Schichten mittels eines Schwingquarzes werden insbesondere in der Optischen Industrie und der Halbleiter-Industrie in ständig zunehmendem Ausmaß eingesetzt. Allen bisherigen Verfahren ist gemeinsam, daß ein Schwingquarz gleichzeitig mit dem Substrat beschichtet wird. Unter Substrat versteht man den zu beschichtenden Gegenstand, z.B. Halbleiter-Chips oder optische Komponenten wie Linsen und Spiegel. Die gebräuchlichsten Beschichtungsverfahren sind Aufdampfen oder Ionenzerstäubung (Sputtern, reaktives Sputtern), sowie Chemical Vapor Deposition (CVD). Da die spezielle Art des Beschichtungsverfahren für die Schwingqüarz-Schichtdickenmessung ohne grundlegende Bedeutung ist, wird in dieser Beschreibung in der Folge allgemein vom Schichtaufbringungs prozeß gesprochen. Das Schwingquarz-Schichtdickenmeßverfahren eignet sich praktisch für alle technisch verwendeten Beschichtung^ materialien.Measurement method for determining the thickness of thin layers by means of quartz oscillators are in increasing numbers, particularly in the optical industry and the semiconductor industry Extent used. All previous methods have in common that a quartz oscillator is coated at the same time as the substrate will. The substrate is the object to be coated, e.g. semiconductor chips or optical components such as Lenses and mirrors. The most common coating processes are vapor deposition or ion atomization (sputtering, reactive Sputtering), as well as chemical vapor deposition (CVD). Because the special type of coating process for the Schwingqüarz-layer thickness measurement is of no fundamental importance, hereinafter referred to generally as coating in this description process spoken. The oscillating quartz layer thickness measurement method is suitable for practically all coatings used in industry ^ materials.
Durch die Beschichtung des Schwingquarzes beim Schichtaufbringungsprozeß entsteht ein aus Schwingquarz und aufgebrachter Schicht bestehender Compound-Resonator. Der Schwingquarz, in Hinkunft der Kürze halber auch als Quarz bezeichnet, besteht aus einem Quarz-Einkristallplättchen einschließlich der für die elektrische Schwingungsanregung notwendigen Elektroden. Die aufgebrachte Schicht wird als Fremdschicht bezeichnet.By coating the quartz oscillator during the layer application process, a compound resonator consisting of quartz oscillator and applied layer is created. The quartz crystal, referred to for short in the future as quartz, consists of a single-crystal quartz, including necessary for the electrical vibration excitation electrodes. The applied layer is referred to as the foreign layer.
Alle derzeit verwendeten. Schwingquarz-Schichtdickenmeßverfahren messen entweder die Frequenz f bzw. die Änderung der Frequenz Af oder die Periodendauer τ bzw. die Änderung der Periodendauer Δτ der Grund-Resonanzschwingung des Compound-Resonators. Aus der gemessenen Schwingungsmeßgröße f oder t, bzw. aus der Änderung derselben, kann die geometrische Schichtdicke der Fremdschicht bzw. des Fremdschichtzuwachses ermittelt werden.All currently in use. Quartz coating thickness measurement method measure either the frequency f or the change in the frequency Af or the period duration τ or the change in the period duration Δτ the fundamental resonance oscillation of the compound resonator. From the measured vibration quantity f or t, or from the change the same, the geometric layer thickness of the foreign layer or the foreign layer growth can be determined.
Bei den heute gebräuchlichen Schwingquarz-Schichtdickenmeßverfahren bzw.. bei den auf diesen Verfahren beruhenden Schichtdickenmeßgeräten kann man 2 Arten unterscheiden: Bei Verfahren der 1. Art werden bei der Ermittlung der Schichtdicke der Fremdschicht, bzw. des Fremdschichtzuwachses aus der gemessenenWith the oscillating quartz layer thickness measurement methods used today or .. with the layer thickness measuring devices based on this method, one can differentiate between 2 types: With methods of the 1st type are used when determining the layer thickness of the foreign layer, or the growth of the foreign layer from the measured
Schwingungsmeßgröße, bzw. aus der Änderung derselben, die i.a. vom Quarz abweichenden elastischen Eigenschaften der Fremdschicht berücksichtigt. Bei Verfahren der 2. Art wird ein - näherungsweise - proportionaler Zusammenhang zwischen der Schichtdickenzunahme der Fremdschicht und der Änderung der Schwingungsmeßgröße zugrundegelegt.Vibration measurement variable, or from the change in the same, which i.a. elastic properties of the foreign layer that differ from quartz considered. In the case of the second type of procedure, an - approximately - proportional relationship is established between the Layer thickness increase of the foreign layer and the change in the measured vibration variable are used as a basis.
μι C _ μι C _
Zum besseren Verständnis dieser Klassifizierung kann von der folgenden, in der Literatur abgeleiteten Formel ausgegangen werden, die den Zusammenhang zwischen den Frequenzen f der Resonanzschwingungen des Compound-Resonators und der Fremdschichtdicke 1_ beschreibt:For a better understanding of this classification, the The following formula, derived from the literature, can be used as the basis for the relationship between the frequencies f the Resonance vibrations of the compound resonator and the foreign layer thickness 1_ describes:
pi - f Z Zfpi - f Z Zf
- = ^^axctan^-taniK^ -ηπ)) (1) - = ^^ axctan ^ -taniK ^ -ηπ)) (1)
PQXQ π fnZQ ZF fQ P Q X Q π f n Z Q Z F f Q
Hierin bedeuten:Herein mean:
ρ,,, p_ ... die Volumsdichte der Fremdschichtmasse bzw. der Quarzmasseρ ,,, p_ ... the volume density of the foreign layer mass or the Quartz mass
Ip, 1Q ... die Dicke der Fremdschicht bzw. des QuarzesIp, 1 Q ... the thickness of the foreign layer or the quartz
ρ,,Ι-,,Ρ-,Ι-.. ..die Flächendichte der Fremdschicht- bzw. der Quarzmasse ■tr ν Uρ ,, Ι - ,, Ρ-, Ι- .. .. the surface density of the foreign layer or the quartz mass ■ tr ν U
fQ die Grund-Resonanzfrequenz des Schwingquarzesf Q is the basic resonance frequency of the quartz crystal
Z , Z ... die Schallkennimpedanz der Fremdschicht bzw. des QuarzesZ, Z ... the characteristic acoustic impedance of the foreign layer or the Quartz
Statt der Frequenzen f bzw. f- können auch die .Periodenzeiten ^ η QInstead of the frequencies f or f-, the period times ^ η Q
τ = -=- bzw. τ_ = γ- eingeführt werden.τ = - = - or τ_ = γ- can be introduced.
Der Index η gibt die laufende Nummer der Compound-Resonanzfrequenz im Compound-Resonanzfrequenzspaktrum an.The index η gives the sequential number of the compound resonance frequency in the compound resonance frequency spectrum.
Während ein homogener Resonator ein harmonisches Frequenzspektrum mit äquidistant angeordneten Resonanzfrequenzen (z.B. f3 = 3f 1, f5 = 5f 1 r usw.) aufv;eist, sind beim Compoundresonator für Z r Z_ die Resonanz frequenzen im SpektrumWhile a homogeneous resonator has a harmonic frequency spectrum with equidistantly arranged resonance frequencies (e.g. f 3 = 3f 1 , f 5 = 5f 1 r etc.), in the compound resonator the resonance frequencies for Z r Z_ are in the spectrum
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nicht äguidistant angeordnet. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, werden die Compound-Resonanzfrequenzen in der Folge als quasi-harmonisch bezeichnet. Die Beziehung (1) gibt nicht nur die Grundfrequenz f1 des Compound-Resonators wieder, sondern sämtliche mechanisch möglichen quasi-harmonischen Resonanzfrequenzen. Da jedoch bei einem Schwingquarz nur die ungeradzahligen harmonischen Resonanzfrequenzen des Schwingquarzes piezoelektrisch anregbar sind und dies in erster Näherung auch für die quasi-harmonischen Resonanzfrequenzen des Compound-Resonators gilt, werden nur die Werte n= 1, 3, 5, Ί, ... betrachtet. not arranged equidistantly. In order to take this into account, the compound resonance frequencies are referred to as quasi-harmonic in the following. The relationship (1) not only reflects the fundamental frequency f 1 of the compound resonator, but also all mechanically possible quasi-harmonic resonance frequencies. However, since with an oscillating crystal only the odd harmonic resonance frequencies of the oscillating crystal can be piezoelectrically excited and this also applies to the quasi-harmonic resonance frequencies of the compound resonator as a first approximation, only the values n = 1, 3, 5, Ί, ... considered.
Bei Verwendung von (1) zur Ermittlung der Fremdschichtdicke 1_ werden die Auswirkungen der elastischen Eigenschaften der Fremdschicht auf den Schichtdickenmeßwert durch den Parameter ZWhen using (1) to determine the foreign layer thickness 1_ the effects of the elastic properties of the foreign layer on the measured layer thickness value are determined by the parameter Z
berücksichtigt. Schichtdickenmeßgeräte der 1. Art, die die - i.a. vom Quarz abweichenden - elastischen Eigenschaften der Fremdschicht berücksichtigen, benötigten daher bisher neben der Eingabe der Massendichte p„ .zusätzlich die Eingabe einesconsidered. Layer thickness gauges of the first type, which - i.a. deviating from quartz - elastic properties of Take into account the foreign layer, so in addition to the input of the mass density p "
die elastischen Eigenschaften der Fremdschicht kennzeichnenden Parameters, z.B. Z_ oder das Verhältnis Z_/Z_. Wegencharacterizing the elastic properties of the foreign layer Parameters, e.g. Z_ or the ratio Z_ / Z_. Because
ZF = PF -vp =Y PF-cF ,Z F = P F -v p = YP F -c F ,
wobei ν die Phasengeschwindigkeit der piezoelektrisch angeregten Schallwelle in der Fremdschicht und c„ die wirksame elastische Steifheitskonstante der Fremdschicht bedeuten, wäre jedoch die Berücksichtigung der elastischen Eigenschaften der Fremdschicht z.B. auch durch Eingabe von ν oder c möglich.where ν is the phase velocity of the piezoelectrically excited Sound wave in the foreign layer and c “the effective elastic Mean the stiffness constant of the foreign layer, but would take into account the elastic properties of the foreign layer E.g. also possible by entering ν or c.
Schichtdickenmeßgeräte der 2. Art vernachlässigen die Auswirkungen der vom Quarz abweichenden elastischen Eigenschaften der Fremdschicht bei der Ermittlung der Frerndschichtd.tcke bzw. der Fremd-schichtdickenzunahme während eines Schichtaufbringungsprozesses. Diese Meßgeräte verwenden Näherungsformeln, die aus (1) unter der Voraussetzung P 1 <^ Pq^-q ableitbar sind:Layer thickness measuring devices of the 2nd type neglect the effects of the elastic properties of the foreign layer, which deviate from quartz, when determining the foreign layer thickness or the foreign layer thickness increase during a layer application process. These measuring devices use approximation formulas which can be derived from (1) under the assumption P 1 <^ Pq ^ -q :
3K53093K5309
^x^ x
Pq1Q f QPq 1 Q f Q
(3)(3)
Die Anwendung von (2) ist in der Literatur auch unter dem Namen "Periodenzeit-Meßmethode"/ die von (3) unter "Frequenz-Meßmethode" bekannt. Während (2) für Z = Z exakt mit (1) übereinstimmt, ist (3) eine gröbere Näherung, die n.ur bis zu Massenbelegungen P 1 /p 1 < 2% genaue Schichtdickenmeßwerte liefert. Der Gültigkeitsbereich von (2) ist von der Größe der Abweichung von Z und Z abhängig, als Richtwert bei üblichen Fremdschichtinaterialien giltThe application of (2) is also known in the literature under the name "Period time measuring method" / known from (3) under "frequency measuring method". While (2) for Z = Z corresponds exactly to (1), (3) is a coarser approximation, which can only be used up to mass occupancies P 1 / p 1 < Provides 2% exact layer thickness measurements. The range of validity of (2) depends on the size of the deviation between Z and Z depending, applies as a guide value for common foreign layer materials
PfVPq1Q ^ l0%·PfVPq 1 Q ^ l0%
Der Gültigkeitsbereich von (1) konnte bei Verwendung von plankonvexen Quarzen und unter der Voraussetzung, daß ein die elastischen Eigenschaften der Fremdschicht kennzeichnender Parameter hinreichend genau bekannt ist, bis zu Massenbelegungen P 1 /p 1 < 70% nachgewiesen werden.The range of validity of (1) could when using plano-convex Quartz and provided that one characterizes the elastic properties of the foreign layer Parameter is known with sufficient accuracy, up to mass assignments P 1 / p 1 < 70% can be detected.
Zusammenfassend kann über den Stand der Technik gesagt werden, daß zwei Arten von Meßverfahren zur Bestimmung der Dicke dünner Schichten mittels eines Schwingquarzes verwendet werden. Die erste Art berücksichtigt die Auswirkungen der elastischen Eigenschaften der Fremdschicht auf den Schichtdickenineßwert und erlaubt damit die Verwendung des Quarzes bis zu sehr hohen Fremdschichtbelegungen. Dies bedeutet, daß der Quarz erst nach einer sehr großen Zahl von Schichtaufbringungsprosessen gewechselt werden muß. SchLchtdickenmeßgeräte, die ein Verfahren der ersten Art verwenden, benötigen aber die Eingabe eines die elastischen Eigenschaften der Fremdschicht kennzeichnenden Parameters,, was derzeit in Form des Verhältnisses Zp/Z gebräuchlich ist. Die Notwendigkeit der Eingabe diesesParameters kompliziert nicht nur die Bedienung des Schichtdickenmeßgerätes, sie birgt vielmehr die Problematik in sich, daß die tätsächlich wirksamen elastischenIn summary, it can be said of the prior art that two types of measurement methods are used to determine the thickness of thin layers by means of a quartz oscillator. The first type takes into account the effects of the elastic properties of the foreign layer on the measured value of the layer thickness and thus allows the use of quartz up to very high foreign layer coverages. This means that the quartz only needs to be changed after a very large number of film deposition processes. Thickness measuring devices which use a method of the first type, however, require the input of a parameter which characterizes the elastic properties of the foreign layer, which is currently in use in the form of the ratio Z p / Z. The need to input these parameter s not only complicates the operation of the Schichtdickenmeßgerätes, rather, it involves the problem in that the effective elastic tätsächlich
Eigenschaften in der Fremdschicht nicht bekannt sind. Man verwendet daher in der Praxis die Z -Werte der entsprechenden Massivmaterialien, d.h. die sog. "Bulk-Werte"; diese sind aber nur sehr bedingt auf dünne Schichten übertragbar.Properties in the foreign layer are not known. One uses therefore in practice the Z values of the corresponding solid materials, i.e. the so-called "bulk values"; these are but only to a limited extent transferable to thin layers.
Bei der zweiten Art von Meßverfahren muß der Quarz nach einer relativ niedrigen Anzahl von Schichtaufbringungsprozessen gewechselt werden, um die für eine hinreichende Reproduzierbarkeit der hergestellten Schichtdicken notwendige Genauigkeit zu gewährleisten.In the second type of measurement method, the quartz must be deposited after a relatively small number of processes be changed in order to achieve the accuracy required for adequate reproducibility of the layer thicknesses produced to ensure.
Um die aufgezählten Nachteile der bisher verwendeten Meßverfahren zu überwinden, werden beim erfindungsgemäßen Verfahren die Schwingungsmeßgrößen Frequenz oder Periodendauer von jeweils zwei verschiedenen quasiharmonischen Resonanzschwingungen des Compound-Resonators gemessen. Die Schwingungsmeßgrößen jeder der beiden Resonanzschwingungen werden zur Ermittlung der Dicke oder der Flächendichte der Fremdschicht herangezogen, wobei die aus den beiden Messungen errechenbaren wirksamen elastischen Eigenschaften der Fremdschicht berücksichtigt werden. Dabei wird der Umstand ausgenützt, daß ein Compound-Resonator ein nichtharmonisches Spektrum besitzt und die Schwingungsmeßgrößen von zwei Resonanzschwingungen i.a. zwei linear unabhängige Beziehungen für die Bestimmung der unbekannten Fremdschichtdicke ergeben. Dadurch kann die Auswirkung des - in der Regel ebenfalls unbekanntenTo the listed disadvantages of the measurement methods used so far to overcome, in the method according to the invention, the measured vibration variables frequency or period of each measured two different quasi-harmonic resonance oscillations of the compound resonator. The vibration quantities each of the two resonance vibrations are used to determine the thickness or the surface density of the foreign layer, the effective elastic properties of the foreign layer that can be calculated from the two measurements are taken into account. It will exploited the fact that a compound resonator has a non-harmonic spectrum and the vibration measured variables of two resonance oscillations i.a. result in two linearly independent relationships for the determination of the unknown foreign layer thickness. Through this can affect the - usually also unknown
oder nicht genau bekannten - die elastischen Eigenschaften der Fremdschicht kennzeichnenden Parameters auf den zu ermittelnden Schichtdickenmeßwert durch Eliminierung oder Berechnung dieses Parameters berücksichtigt werden.or not exactly known - the elastic properties of the foreign layer characterizing the parameters to be determined Layer thickness measurement value can be taken into account by eliminating or calculating this parameter.
Die in Schichtdickenmeßgeräten üblicherweise verwendeten Mikroprozessoren weisen einerseits während des Schichtaufbringungsprozesses eine nicht immer ausreichende Rechenkapazität auf, andererseits ist während eines einzelnen Schichtaufbringungsprozesses die Steigung der Schichtdicken/Schwingungsmeßgrößen-Kennlinie für die üblichen Dickenwerte einer Einzelschicht inThe microprocessors commonly used in coating thickness gauges On the one hand, they do not always have sufficient computing capacity during the layer application process, on the other hand, during a single layer application process, there is the slope of the layer thickness / vibration measured variable characteristic for the usual thickness values of a single layer in
— q _- q _
3U5309 1^3U5309 1 ^
— Q —- Q -
ausgezeichneter Näherung konstant. Daher kann es gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorteilhaft sein, daß die Messung der Schwingungsmeßgrößen der beiden Resonanzschwingungen nur vor Beginn des jeweiligen Schichtaufbringungsprozesses erfolgt, aus der ermittelten Fremdschichtdicke oder einer berechneten elastischen Kenngröße der Fremdschicht der jeweils gültige Proportionalitätsfaktor zwischen einer Schwingungsmeßgrößenänderung und der zugehörigen Fremdschichtdickenänderung errechnet wird und dieser Proportionalitätsfaktor während des Schichtaufbringungsprozesses zur Ermittlung des Schichtdickenzuwachses aus der Messung der Schwingungsgröße von jeweils nur einer Resonanzschwingung verwendet wird. Dieses Merkmal der Erfindung erleichtert auch die Umstellung von älteren Schichtdickenmeßgeräten auf das erfindungsgemäße Verfahren.excellent approximation constant. Therefore, according to a further feature of the invention, it may be advantageous that the Measurement of the vibration parameters of the two resonance vibrations only takes place before the start of the respective layer application process, from the determined foreign layer thickness or one calculated elastic parameter of the foreign layer is the respectively valid proportionality factor between a change in the measured vibration variable and the associated change in the thickness of the foreign layer is calculated and this proportionality factor During the layer application process to determine the increase in layer thickness from the measurement of the vibration magnitude is used by only one resonance oscillation at a time. This feature of the invention also facilitates the switchover from older layer thickness gauges to the inventive Procedure.
Da die Auswirkung der Schallkennimpedanz auf den zu ermittelnden Schichtdickenmeßwert mit der 3. Potenz des Fremdschichtdickenzuwachses ansteigt, ist es gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorteilhaft, daß die Messung der Schwingungsmeßgrößen der beiden Resonanzschwingungen erst bei Erreichen einer bestimmten Fremdschichtdicke am Quarz einsetzt, ab der die Auswirkung der elastischen Eigenschaften der Fremdschicht auf eine Schwingungsmeßgröße signifikant wird. Since the effect of the characteristic acoustic impedance on the measured layer thickness value to be determined increases with the third power of the foreign layer thickness increase, it is advantageous, according to a further feature of the invention, that the measurement of the vibration parameters of the two resonance vibrations only begins when a certain foreign layer thickness is reached on the quartz, from which the The effect of the elastic properties of the foreign layer on a measured vibration variable becomes significant.
Im Folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert (vgl. Fig.1). In diesem Beispiel ist als Schwingungsmeßgröße die Frequenz gewählt. Gemessen werden die 1. und die quasi-harmonischen Compound-Resonanzfrequenzen. Es ist. jedoch auch denkbar,z.B. die 3. und die 5., oder die 1. und die 5. zuThe invention is explained below using an exemplary embodiment (see FIG. 1). In this example, the frequency is selected as the measured vibration variable. The 1st and the quasi-harmonic compound resonance frequencies. It is. However also conceivable, e.g. the 3rd and 5th, or the 1st and 5th too
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3U53093U5309
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wählen; wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist lediglich, daß zwei Compound-Resonatorfrequenzen gemessen werden.Select; It is only essential for the method according to the invention that that two compound resonator frequencies are measured.
In Fig.1 ist links zunächst der Compound-Resonator, bestehend aus dem Schwingquarz 1 mit den Elektroden 2 und der Fremdschicht 3, schematisch dargestellt. Dieser Compound-Resonator wird vom Oszillator 4 zu Resonanzschwingungen angeregt. Vorteilhaft ist die Verwendung eines sog. AT-Schnitt Quarzes, der als Dickenscherschwinger arbeitet und einen verschwindenden Temperaturkoeffiziehten der Resonanzfrequenz aufweist. Der Änwendungsfrequenzbereich des Oszillators reicht in der unteren Stellung des Schalters 5 von 3 bis 5 MHz, in der oberen Stellung von 9 bis 15 MHz. Die Bereichsumschaltung des Oszillators wird z.B. durch ein entsprechendes Bandfilter, bestehend aus einem stark bedämpften LC-Filter oder einem RC-Filter,im Rückkopplungszweig des Oszillators erreicht. Dadurch wird der Compound-Resonator in der unteren Schalterstellung auf der Grundfrequenz f1, in der oberen Schalterstellung auf der 3. quasi-harmonischen Resonanzfrequenz f~ angetrieben. Der Schalter steht normalerweise auf der unteren Stellung ,und der Zähler 6 mißt die Grundfrequenz f 1.In FIG. 1, the compound resonator, consisting of the quartz crystal 1 with the electrodes 2 and the foreign layer 3, is initially shown schematically on the left. This compound resonator is excited by the oscillator 4 to produce resonance oscillations. The use of a so-called AT-cut quartz, which works as a thickness shear oscillator and has a negligible temperature coefficient of the resonance frequency, is advantageous. The frequency range of use of the oscillator extends from 3 to 5 MHz in the lower position of the switch 5 and from 9 to 15 MHz in the upper position. The range switching of the oscillator is achieved, for example, by a corresponding band filter consisting of a heavily damped LC filter or an RC filter in the feedback branch of the oscillator. As a result, the compound resonator is driven in the lower switch position at the fundamental frequency f 1 , in the upper switch position at the 3rd quasi-harmonic resonance frequency f ~. The switch is normally in the lower position, and the counter 6 measures the fundamental frequency f 1 .
Der Zählerinhalt wird jeweils nach Beendigung des Meßzeitintervalls über den Eingabekanal 7 in den Mikrocomputer 8 eingelesen. Der Mikrocomputer 8 schaltet den Schalter 5, der z.B. durch ein Reed-Relais realisiert werden kann, vor Beginn eines Schichtaufbringungsprozesses für die Dauer eines Meßzeitintervalls in die obere Stellung. Die gemessene Frequenz wird ia.it f3 bezeichnet, die vor Beginn des Schichtaufbringungsprozesses mit der unteren Schalterstellung gemessene Frequenz mit f1o-The contents of the counter are read into the microcomputer 8 via the input channel 7 after the end of the measuring time interval. The microcomputer 8 switches the switch 5, which can be implemented, for example, by a reed relay, into the upper position for the duration of a measuring time interval before the start of a layer application process. The measured frequency is generally referred to as f 3 , the frequency measured with the lower switch position before the start of the layer application process is referred to as f 1o -
Zur erfindungsgemäßen Auswertung der beiden gemessenen Frequenzen f und f, werden diese in (1) eingesetzt, wodurch sich zwei Gleichungen ergeben, die für Z ^ Z , d.h. i.a. linear unabhängig sind. Durch Division der beiden Gleichungen erhäJt man eineFor evaluating the two measured frequencies according to the invention f and f, these are inserted in (1), making two Result in equations which for Z ^ Z, i.e. i.a. linearly independent are. By dividing the two equations one gets one
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Bestimmungsgleichung für Z /Z :Determination equation for Z / Z:
O 1θ O 3ΟO 1θ O 3Ο
f,_. arc tan (-^. tan (-^ -π)) - f 1n.arctan (^. tan(-~^ -3π)) =f, _. arc tan (- ^. tan (- ^ -π)) - f 1n .arctan (^. tan (- ~ ^ -3π)) =
30 ZF fQ 10 ZF fQ 30 Z F f Q 10 Z F f Q
Der aus dieser Gleichung erhaltene Wert für Z /Z kann nun in (1) eingesetzt werden, sodaß während des Schichtaufbringungsprozesses zur laufenden Bestimmung von lp aus (1) die Messung jeweils einer Schwingungsmeßgröße, im Beispiel f., genügt.The value for Z / Z obtained from this equation can now be used in (1), so that during the layer application process for the ongoing determination of l p from (1) the measurement of one oscillation parameter, in example f., Is sufficient.
Die beschriebenen arithmetischen Operationen werden vom Mikrocomputer durchgeführt. Der einzige Parameter, der über die Eingabe-Tastatur 9 zur Ermittlung von 1_ eingegeben werden muß, ist die Volumsdichte der Fremdschichtmasse ρ . Der ermittelte Schichtdickenwert 1_ kann mittels der Anzeige 10 in digitalerThe arithmetic operations described are carried out by the microcomputer carried out. The only parameter that must be entered via the input keyboard 9 to determine 1_, is the volume density of the foreign layer mass ρ. The determined layer thickness value 1_ can be displayed digitally by means of the display 10
Form angezeigt werden und/oder zur automatischen Beendigung des Schichtaufbringungsprozesses bei Erreichen eines vorgegebenen Schichtdickensollwertes verwendet werden. Die Art der Verwendung des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Schichtdickenmeßwertes Ip ist für die Patentansprüche ohne Relevanz. Es ist auch denkbar, statt der Schichtdicke 1_ die Flächendichte der Fremdschichtmasse Pplp zu ermitteln.Form are displayed and / or used to automatically terminate the layer application process when a predetermined layer thickness target value is reached. The type of use of the layer thickness measurement value Ip determined by the method according to the invention is irrelevant for the patent claims. It is also conceivable to determine the surface density of the foreign layer mass P p l p instead of the layer thickness 1_.
Zur Entlastung des Mikrocomputers während des Schichtaufbringungsprozesses kann für die Ermittlung von 1 statt der Beziehung (1) auch die Steigung P(Z ,f.. ) der durch (1) gegebenen 1 /f..-Kennlinie im Punkt f.. verwendet werden. P(Z_,f1o) erhält man durch Differentiation von (1) nach f.. an der Stelle f1Q. Die Berechnung von P(Z ,f., ) braucht nur vor Beginn des Schichtaufbringungsprozesses durchgeführt zu werden; während des Prozesses wird Ip aus der folgenden einfachen Beziehung ermittelt:To relieve the microcomputer during the layer application process, instead of the relationship (1), the slope P (Z, f ..) of the 1 / f..-characteristic curve given by (1) at point f .. can be used for the determination of 1 . P (Z_, f 1o ) is obtained by differentiating from (1) to f .. at the point f 1Q . The computation of P (Z, f.,) Need only be performed prior to the start of the coating process; during the process, Ip is determined from the following simple relationship:
Δΐρ = P(ZF,f10).(frf10)Δΐ ρ = P (Z F , f 10 ). (F r f 10 )
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ΔΙ bedeutet dabei den Fremdschichtdickenzuwachs während des Schichtaufbringungsprozesses, Δΐρ = Ip-Ip0, wobei 1? die gesamte momentane Fremdschichtdicke und lp0 die Fremdschichtdicke vor Beginn des jeweiligen Schichtaufbringungsproaesses bedeuten.ΔΙ means the increase in the thickness of the foreign layer during the layer application process, Δΐ ρ = Ip-Ip 0 , where 1 ? the total current foreign layer thickness and l p0 mean the foreign layer thickness before the start of the respective layer application process.
Für das Wesen der Erfindung ist es ohne Bedeutung, ob die Schwingungsmeßgröße direkt oder indirekt in Form eines Vielfachen oder Teiles gemessen wird. Insbesondere bei der Umstellung älterer Meßgeräte auf das erfindungsgemäße Verfahren kann es vorteilhaft sein, zwischen Oszillator und Zähler einen Teiler einzufügen, der die jeweils zu messende quasiharmonische Resonanzfrequenz f durch die Nummer η der quasiharmonischen Resonanzfrequenz teilt. Im Ausführungsbeispiel wäre dies ein 1:3 Teiler. Hierdurch wird erreicht, daß der nachfolgende Zähler für die Messung von f3/3 annähernd die gleiche Zählerkapazität benötigt wie für die Messung von f1.For the essence of the invention, it is irrelevant whether the vibration parameter is measured directly or indirectly in the form of a multiple or part. In particular when converting older measuring devices to the method according to the invention, it can be advantageous to insert a divider between the oscillator and counter that divides the quasi-harmonic resonance frequency f to be measured by the number η of the quasi-harmonic resonance frequency. In the exemplary embodiment this would be a 1: 3 divider. Hereby is achieved that the subsequent counter for the measurement of f 3/3 approximately the same counter capacity as needed for the measurement of f1.
Abschließend wird besonders darauf hingewiesen, daß die Art der verwendeten Beziehung zwischen 1_ bzw. p_l., und f oder τFinally, it is particularly pointed out that the type of relationship used between 1_ or p_l., And f or τ
r Jf γ η ηr Jf γ η η
nichts mit dem Wesen der Erfindung zu tun hat. Die hier beispielhaft angeführte Beziehung (1) gibt das Resonanzfrequenzspektrum des Compound-Resonators wieder, wenn der treibende Oszillator den Schwingquarz extrem hochohmig antreibt. Für diesen Grenzfall offener Elektroden wird das sog. Parallelresonanz-Spektrum angeregt. Wenn der treibende Oszillator den Schwingquarz extrem niederohmig antreibt, wird das bei kurzgeschlossenen Elektroden auftretende sog. Serienresonanzspektrum angeregt. In diesem Fall ist zur Erzielung hoher Meßgenauigkeit statt (1) eine entsprechend modifizierte Beziehung zu verwenden, die das Serienresonanzspektrum wiedergibt. Entscheidend für das Wesen der Erfindung ist nur, daß eine Beziehung zwischen 1„ bzw. PFlp und der Schwingungsmeßgröße verwendet wird, die die Auswirkung derelastischenEigenschaften der Fremdschicht auf den zu ermittelnden Schichtdickenmeßwert möglichst genau berücksichtigt.has nothing to do with the essence of the invention. The relationship (1) given here by way of example shows the resonance frequency spectrum of the compound resonator when the driving oscillator drives the quartz oscillator with an extremely high resistance. For this borderline case of open electrodes, the so-called parallel resonance spectrum is excited. When the driving oscillator drives the quartz oscillator with extremely low resistance, the so-called series resonance spectrum that occurs when the electrodes are short-circuited is excited. In this case, instead of (1), a correspondingly modified relationship that reproduces the series resonance spectrum should be used to achieve high measurement accuracy. The only decisive factor for the essence of the invention is that a relationship between 1 ″ or P F l p and the measured vibration variable is used, which takes into account the effect of the elastic properties of the foreign layer on the measured layer thickness value to be determined as precisely as possible.
Claims (3)
bestimmten Fremdschichtdicke am Quarz einsetzt, ab der die Auswirkung der elastischen Eigenschaften der Fremdschicht auf eine Schwingungsmeßgröße signifikant wird.3. Measuring method according to claim 1 or 2, characterized in that the measurement of the vibration measured variables of the two resonance vibrations only when one is reached
A certain foreign layer thickness on the quartz begins, from which the effect of the elastic properties of the foreign layer on a measured vibration variable becomes significant.
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