DE1548262B2 - Optisches Gerät zur Messung von Schichtdicken in Vakuumaufdampfprozessen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein optisches Gerät zur Mes- die Wirkung des im Vakuumraum vorhandenen Nesung der Schichtdicke einer unter Vakuum auf ein benlichtes durch eine extrem helle Fotolampe unterObjekt aufgedampften Schicht durch Intensitätsmes- drückt wird. Eine solche Fotolampe kann aus Grünsung des an der Schichtoberfläche reflektierten oder den der Wärmebelastung, Wärmeabfuhr und damit durch diese hindurchgehenden Meßlichtstrahles, wo- 5 der Lebensdauer nicht im Vakuumraum selbst unterbei im Vakuumraum eine Meßlichtquelle und ein aus gebracht werden, so daß die bekannte Vorrichtung zwei lichtelektrischen Empfängern bestehendes Emp- auf eine sogenannte Glasfiberoptik angewiesen ist, die fängersystem angeordnet sind. das Licht in den Vakuumraum hineinführt. Da der

Zur Messung von unter Vakuum aufgedampften zweite lichtelektrische Empfänger nicht zur Kompen-

Schichten sind bisher Verfahren bekannt, bei denen io sation des Nebenlichtes vorgesehen und geeignet ist,

die Stärke der Schicht durch Widerstandsmessung sondern nur zum Ausgleich von Temperatureinflüssen

bestimmt wird. Ferner ist es bekannt, als Meßgröße auf die Höhe des Widerstandes und zum Ausgleich

die Dämpfung von Schwingquarzen zu benutzen. Es des hohen Widerstandes bei schwacher Belichtung, ist

gehört auch bereits zum Stande der Technik, die In- das Meßergebnis auch nicht unbeeinflußt von dem

tensitätsmessung eines von der aufgedampften Schicht 15 vorhandenen Nebenlicht. Bekanntlich wird bei op-

beeinflußten Lichtstrahls als Meßgröße zu benutzen. tischen Meßverfahren nur ein Teil des Meßlichtes

Die beiden ersten Verfahren messen nicht die auf- vom Empfänger aufgenommen. Je geringer dieser An-

gedampfte Schicht selbst, sondern die Messung erfolgt teil ist, um so stärker überwiegt der Einfluß des Ne-

an einem unmittelbar neben der Schicht angebrach- benlichtes.

ten Meßsubstrat. Die optische Schichtdickenmessung ao Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das

dagegen stellt ein berührungsloses Meßverfahren dar, eingangs beschriebene Gerät zur Messung der Schicht-

wodurch die Schicht beim Aufdampfen nicht beein- dicke so zu verbessern, daß es unmittelbar im Va-

flußt wird. kuumraum angeordnet werden kann, ohne daß das

Bei den bekannten Verfahren der optischen Schicht- Meßergebnis durch Nebenlicht, Magnetfelder und

dickenmessung wird gewöhnlich die optische Meß- 25 Störfrequenzen im Netz beeinflußt wird, und daß

anordnung außerhalb des Vakuumrezipienten auf- Messungen auch an bewegten Objekten durchgeführt

gebaut und der Meßstrahl durch eine Glasglocke oder werden können, die ein Pulsieren des Lichtstrahls zur

ein Glasfenster in den Rezipienten auf die zu mes- Folge haben.

sende Schicht geleitet. Dabei können jedoch Meßfeh- Die Lösung der gestellten Aufgabe und damit die

ler auftreten, weil die Glasteile des Rezipienten von 30 Beseitigung der den bekannten Geräten anhaftenden

den beim Aufdampfprozeß entstehenden Dämpfen Nachteile erfolgt bei dem eingangs genannten Gerät

beschlagen und/oder weil durch eine Reflexion an erfindungsgemäß dadurch, daß die beiden lichtelektri-

den Wänden des Rezipienten der von außen einfal- sehen Empfänger derart optisch voneinander getrennt

lende Meßlichtstrahl schon vor dem Auftreffen auf sind, daß der eine Empfänger das von der aufge-

die aufgedampfte Schicht beeinflußt wird. Vor allem 35 dampften Schicht kommende Meßlicht zusammen mit

aber ist das bekannte optische Meßverfahren mit dem im Vakuumraum vorhandenen Nebenlicht aufnimmt,

Nachteil behaftet, daß das von dem Empfänger des während der andere Empfänger lediglich zur Messung

Meßlichtes miterfaßte, schwankende Grund- oder des vorhandenen Nebenlichts dient, und daß durch

Nebenlicht das Meßergebnis verfälscht. Die Trennung Vergleich der elektrischen Ausgangsgrößen der

des Nebenlichtes vom Meßlicht erfolgte bisher da- 40 beiden Empfänger in einer elektrischen Vergleichs-

durch, daß das Meßlicht mit einer festen Frequenz schaltung der Einfluß des Nebenlichtes kompensiert

moduliert und dem Empfänger ein für diese Frequenz wird.

selektiver Resonanzverstärker nachgeschaltet wurde. Die Funktion des erfindungsgemäßen Schicht-Ein solches Verfahren ist jedoch auf die Anwendung dickenmeßgerätes läßt sich zurückführen auf die Infür im Vakuum fest aufgebaute Objekte beschränkt, 45 tensitätsmessung eines Meßlichstrahls, der entweder so daß in einem Arbeitsgang jeweils nur ein Objekt an der Oberfläche einer Schicht reflektiert wird oder gleichzeitig bedampft und bemessen werden kann. Die durch diese hindurchgeht. Die Extinktion von aufAnwendung verbietet sich bei rotierenden Kleinteilen, gedampften Schichten ist ableitbar aus der Schwädie durch den Meßlichtstrahl geführt werden, da liier- chung des Meßlichtstrahles, wenn er die Schicht durch das Meßlicht zusätzlich moduliert wird, wobei 50 durchläuft. Zu diesem Zweck kann entweder die Meßeine Interferenz zwischen den Frequenzen der ro- lichtquelle unmittelbar über der Schicht angebracht tierenden Objekte und der Grundmodulation auftre- werden, oder der Meßlichtstrahl wird mittels eines ten kann, wodurch ein falsches Meßergebnis erhalten Hilfsspiegels durch die Schicht gelenkt. Bei elektrisch wird. Außerdem müssen die verwendeten Frequenzen leitenden Medien und damit metallisch reflektierenaus praktischen Gründen in einem Bereich liegen, in 55 den Schichten wird die an der Schichtoberfläche redem vielfach Störungen empfangen werden. Die Stö- flektierte Intensitätskomponente gemessen. Um aus rangen rühren beispielsweise her von einer mangel- einer solchen Relativmessung auf den Absolutwert haften Stabilität des Resonanzverstärkers und von der Schichtdicke schließen zu können, ist eine Einden elektrischen Feldern des von einigen 100 Amp. eichung von Schichtdicke und Reflexionsgrad auf durchflossenen Verdampfers. 60 Grund einer für das spezifische Schichtmaterial auf-

Durch den Aufsatz »A thin film monitor using zunehmenden Eichkurve erforderlich. Durch Analo-

fibre optics« im J. SCI. INSTRUM., 1966, S. 812 bis gieschluß läßt sich vom Extinktionsgrad einer Schicht

815, ist zwar ein optisches Gerät zur Messung von auf deren Dicke schließen. Bei dielektrischen und

Schichtdicken in Vakuumauf dampfprozessen bekannt, damit transparenten Medien treten als Folge von In-

das nicht die Nachteile des frequenzmodulierten Lieh- 65 terferenzerscheinungen mit wachsender Schicht-

tes besitzt. Dieses bekannte Gerät besteht aus einer dicke abwechselnd Maxima und Minima der reflek-

Meßlichtquelle und einem Empfängersystem, die tierten Lichtintensität auf. Durch Zählen der entspre-

beide im Vakuumraum angeordnet sind und bei dem chenden Meßausschläge läßt sich auf einfache Weise

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die geforderte Schichtdicke mit hoher Genauigkeit richtung 15 für die Einstellung des optischen Systems einstellen. 13 angeordnet, mit deren Hilfe das Bild der Licht-Gemäß der weiteren Erfindung wird der Meßlicht- quelle 12 in eine vorgegebene Entfernung projiziert strahl vor dem Austritt aus der Meßlichtquelle durch werden kann. Der Körper 1 ist an seinem unteren ein optisches Bündelungssystem geführt. Hierdurch 5 Ende mit einem Deckel 16 verschlossen, der in gewird bewirkt, daß der Meßlichtstrahl nach dem Aus- öffnetem Zustand den Zugang zur Lichtquelle 12 ertritt aus der Meßlichtquelle als schmales Bündel auf möglicht. Am unteren Ende des Körpers 1 ist ferner die zu messende Schicht auftritt und in dieser Form eine Klemmvorrichtung 17 angeordnet, die als Zugauf den Empfänger zurückgeführt wird. Die Bünde- entlastung für die in der Zeichnung nicht dargestellte lung steigert außerdem den Grad der Lichtausnutzung io elektrische Versorgungsleitung der Lichtquelle 12 und ermöglicht das Messen an kleinen Objekten. dient. Die Lichtquelle 12 befindet sich in einer durch

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung den geöffneten Deckel 16 entfernbaren Halterung 18,

ist darin zu sehen, daß der Meßlichtstrahl vor dem die im Betriebszustand von einer Klemmschraube 19

Auftreffen auf die zu seiner Messung erforderlichen festgehalten wird.

fotoelektronischen Bauteile eine Einrichtung zur Mo- 15 In F i g. 2 ist der Körper 2 des Empfängersystems nochromatisierung durchläuft. Diese Anordnung er- dargestellt, das an dem aus F i g. 3 ersichtlichen Kuhält ihre Bedeutung dadurch, daß auf die fotoelektro- geigelenk 21 im Vakuumrezipienten schwenkbar genischen Bauteile einfarbiges Licht von definierter haltert ist. In Körper 2 des Empfängersystems sind Wellenlänge auftrifft, wodurch die Farbabhängigkeit zwei Rohrteile 22, 23 parallel angeordnet. Die Rohrder optischen Wirkung einer Schicht berücksichtigt 20 teile 22, 23 sind in ihrem unteren Teil mit einer wird. Hülse 24 verbunden. Innerhalb der Rohrteile 22, 23

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sind Blendeneinsätze 25, 26 eingeschraubt, in denen besteht darin, daß dem Empfängersystem eine zusatz- verschiedene Lochblenden 27 angeordnet sind. Unterliche Lichtquelle zugeordnet ist. Diese Lichtquelle er- halb der Blendeneinsätze 25, 26 ist eine Lichtquelle 3 möglicht es, die fotoelektrischen Bauteile zur Messung 25 in der Wand des Körpers 2 angeordnet, die durch in den günstigsten Arbeitsbereich ihrer Kennlinie zu eine mit einem Deckel 31 versehene Öffnung 32 zuversetzen, gänglich ist. Die Lichtquelle 3 ist durch eine mit der

Bei Verwendung von Fotowiderständen als foto- Hülse 24 fest verbundene Lasche 33 gehalten. Unterelektronische Bauteile kann es zweckmäßig sein, als halb der Rohrteile 22,23 sind Fotowiderstände 34,35 Meßsignal den Diagonalstrom einer Meßbrücke zu 30 angeordnet, die in ein taschenartiges, in die Hülse wählen. Diese Schaltung hat den Vorteil, daß das eingeschraubtes Bauteil 36 eingebettet sind. Oberhalb ganze System auf eine Ausgangsspannung eingestellt der Fotowiderstände 34, 35 ist eine für beide Empwerden kann, ohne daß im Meßteil des Gerätes ein fänger gemeinsame Einrichtung zur Monochromatimeßbarer Strom fließt und erspart durch ihre hohe sierung 37 angeordnet. Die Fotowiderstände 34, 35 Empfindlichkeit den Zusatz eines kostspieligen Meß- 35 und die Lichtquelle 3 sind über eine Durchführung Verstärkers. in der Hülse 24 mit dem in der Zeichnung nicht dar-

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen gestellten, außerhalb des Vakuumrezipienten befind-

Meßgerätes ist darin zu sehen, daß bei regelmäßigen liehen Netzgerät verbunden.

kurzzeitigen Unterbrechungen des Meßstrahls Funk- Das in der Zeichnung dargestellte Schichtdicken-

tionsstörungen des Gerätes nicht auftreten, da sich 40 meßgerät arbeitet in folgender Weise:

ein Resonanzverstärker bei der vorliegenden Anord- Die Meßlichtquelle 1 und das Empfängersystem 2

nung erübrigt. Damit wird es erstmals ermöglicht, sind an den Kugelgelenken 11 bzw. 21 mit geeigneten

Messungen in wirtschaftlichem Maßstab bei rotieren- Halterungen an der Bodenplatte einer Aufdampf-

der Objekthalterung in Vakuumaufdampfprozessen anlage derart befestigt, daß das aus der Meßlicht-

durchzuführen. 45 quelle 1 austretende Licht an dem zu bedampfenden

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Objekt reflektiert wird und auf einen der im Emp-

Gegenstandes der Erfindung schematisch dargestellt; fängersystem 2 liegenden Fotowiderstände 34 bzw.

es zeigt . 35 nach Durchlaufen der Lochblenden 27 und der

F i g. 1 einen Schnitt durch die Meßlichtquelle, Einrichtung zur Monochromatisierung 37 gelangt.

F i g. 2 einen Schnitt durch das Empfängersystem, 5° Beide Empfänger des Systems 2 nehmen in der Regel

F i g. 3 die Seitenansicht eines Schnittes durch das gleiche Anteile von Nebenlicht vom Verdampfer her

Empfängersystem, oder aus dem Raum außerhalb des Rezipienten auf.

F i g. 4 einen Schnitt durch eine Aufdampfvorrich- Die Fotowiderstände 34, 35 liegen in verschiede-

tung mit Verwendung des reflektierten Anteils des nen Zweigen einer Meßbrücke. Eine Intensitätsände-

Meßlichtes, 55 rung der Lichtstrahlung auf beide Widerstände 34, 35

F i g. 5 einen Schnitt durch eine Aufdampfvorrich- wirkt sich daher nicht merklich auf den Diagonal-

tung mit Verwendung des durchgehenden Anteils des strom der Meßbrücke aus. Da das Meßlicht nur auf

Meßlichtes für Meß- beziehungsweise Regelzwecke. einen der Empfänger wirkt, ändert eine Meßlicht-

In F i g. 1 ist der Körper 1 der Meßlichtquelle dar- änderung den Diagonalstrom der Brücke. Die Empgestellt, der an einem Kugelgelenk 11 im Vakuum- ⁶° findlichkeit dieser Anordnung ist im wesentlichen von rezipienten schwenkbar gehaltert ist. Im Körper 1 ist zwei Größen abhängig: der Brückenspeisespannung eine Lichtquelle 12 angeordnet, deren Licht durch ein und der Helligkeit des Meßlichtes,
optisches Bündelungssystem 13 aus dem oberen, offe- In F i g. 4 ist mit 1 der Körper einer Meßlichtquelle nen Teil des Körpers 1 gebündelt austritt. Das ober- dargestellt, der auf dem Kugelgelenk 11 schwenkbar halb des optischen Bündelungssystems 13 gelegene 65 gelagert ist. Hierdurch ist es möglich, die Meßlicht-Körperstück 14 des Körpers 1 dient als Abschirmung quelle in Richtung auf das zu bedampfende Objekt gegen den aus der Verdampfung herrührenden Dampf- 38 zu justieren, so daß der gebündelte Meßlichtstrahl strom. Innerhalb des Körpers 1 ist eine Justiervor- 44 die aufgedampfte Schicht 39 trifft. Ein von der

Dicke der aufgedampften Schicht 39 abhängiger Anteil des Meßlichtstrahls wird reflektiert und trifft als ebenfalls gebündelter Strahl 40 auf den aus einem Rohrteil 22 und einem Fotowiderstand 35 bestehenden Meßlichtempfänger auf. Der Meßlichtempfänger ist mit einem zweiten Empfänger 23/34 für die Messung des Grund- oder Nebenlichtes kombiniert, in den jedoch kein Meßlicht eindringt. Das Empfängersystem ist ebenfalls auf einem Kugelgelenk 21 schwenk- bzw. einstellbar gehaltert. Die genannten Bauelemente sind zusammen mit der Verdampferquelle 41 auf dem Rezipiententisch 43 befestigt und werden von dem Rezipienten 42 vakuumdicht umschlossen.

F i g. 5 zeigt die räumliche Anordnung der Meßlichtquelle 1 und des Empfängersystems 2 auf verschiedenen Seiten des zu bedampfenden Objekts 38 mit der aufgedampften Schicht 39. Aufbau und Wirkungsweise sind analog der F i g. 4, jedoch mit dem Unterschied, daß an Stelle des reflektierten Anteils 40 des Meßlichtstrahls 44 der hindurchgehende Anteil 45 des Meßlichtstrahles vom Empfänger 2 aufgenommen wird.

Zur Eichung wird wie folgt verfahren: Durch Unterbrechen des Meßlichtbündels wird der Meßpunkt von 0 °/o Reflexion festgelegt und die Meßbrücke auf diesen Wert abgeglichen. Als Anzeigeinstrument dient ein Galvanometer. Ein zweiter Meßpunkt wird durch Anbringen eines Objektes von bekanntem Reflexionsgrad am Objekthalter definiert. Durch Einstellung der Helligkeit der Meßlichtquelle 1 wird am Meßgerät der dem Eichspiegel entsprechende Reflexionsgrad eingestellt. Durch dieses Justierverfahren, das sowohl bei Atmosphärendruck als auch unter Vakuum erfolgen kann, liegt die Eichung des ganzen Systems fest. Der Meßbereich zwischen 0 und 100 % Reflexion ist am Meßgerät durch Nullpunktunterdrückung in vier Bereiche aufgeteilt. Soll eine Fläche bis zu einem vorgegebenen Reflexionsgrad bedampft werden, so wird sie — wie geschildert — am Objekthalter montiert und nach Erreichen des zum Aufdampfen erforderlichen Vakuums bedampft, bis das Meßgerät den dem gewünschten Reflexionsgrad entsprechenden Wert anzeigt.

Zur Bemessung über dem Verdampfer stehender Objekte empfiehlt es sich, den Verdampfer zwischen Meßlichtquelle 1 und Empfängersystem 2 anzubringen.

Ist die Objekthalterung als Scheibe oder Kuppel ausgebildet, an der mehrere Objekte etwa äquidistant über dem Verdampfer vorbeirotieren, so ist der Ort der Meßlichtquelle 1 und des Empfängersystems 2 vom Ort des Verdampfers unabhängig, da ein Objekt bei der Rotation nur kurze Zeit braucht, um den Weg vom Verdampfer zum Meßsystem zurückzulegen. Die Rotationsgeschwindigkeit ist vorteilhaft so zu bemessen, daß der zeitliche Abstand zwischen zwei zu bemessenden Objekten V30 Sekunde nur wenig übersteigt. Unter dieser Voraussetzung liefert das Meßgerät auf dem Galvanometer wie auch am Ausgang zum Anschluß eines Kompensationsschreibers eine glatte, kontinuierliche Meßkurve.

Bei allen Messungen dient die Lichtquelle 3 dazu, beide Fotowiderstände anzustrahlen und sie so in den für Meßzwecke günstigen niederohmigen Bereich zu bringen. Man mißt dadurch im nahezu linearen Kennlinienbereich und erhält zudem kurze Einstellzeiten der Widerstandswerte.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Optisches Gerät zur Messung der Schichtdicke einer unter Vakuum auf ein Objekt aufgedampften Schicht durch Intensitätsmessung des an der Schichtoberfläche reflektierten oder durch diese hindurchgehenden Meßlichtstrahles, wobei im Vakuumraum eine Meßlichtquelle und ein aus zwei lichtelektrischen Empfängern bestehendes Empfängersystem angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Empfänger (34, 35) derart optisch voneinander getrennt sind, daß der eine Empfänger (35) das von der aufgedampften Schicht (39) kommende Meßlicht (40,

45) zusammen mit im Vakuumraum vorhandenem Nebenlicht aufnimmt, während der andere Empfänger (34) lediglich zur Messung des vorhandenen Nebenlichtes dient, und daß durch Vergleich der elektrischen Ausgangsgrößen der beiden Empfänger in einer elektrischen Vergleichsschaltung der Einfluß des Nebenlichtes kompensiert wird.

2. Optisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlichtstrahl vor dem Austritt aus der Meßlichtquelle (1) ein optisches Bündelungssystem (13) durchläuft.

3. Optisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlichtstrahl vor dem Auftreffen auf fotoelektronische Bauteile (34, 35) eine Einrichtung zur Monochromatisierung (37) durchläuft.

4. Optisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Empfängersystem eine zusätzliche Lichtquelle (3) zugeordnet ist.

5. Optisches Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Fotowiderständen als fotoelektronische Bauteile (34, 35) als Meßsignal der Diagonalstrom einer Meßbrücke dient.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen