DE2542636C2 - Digitale Schwingquarz-Schichtdicken-Meßeinrichtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine digitale Schwingquarz-Schichtdicken-Meßeinrichtung, mit einem Meßkristall, einem an dessen Ausgang angeschlossenen Oszillator, einem das Ausgangssignal des Oszillators aufnehmenden Viereckwellenformer, einem Periodenzeitmesser und einem Periodenzeitspeicher, dessen einer Eingang mit einer Nullabgleicheinheit verbunden ist, welche an den Eingang eines Differenzbildners angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal ein Schichtdickenanzeiger empfängt.

Die bekannten Schichtdicken-Meßeinrichtungen dieser Art (US-PS 3689 747) bewirken die Bestimmung der Schichtdicke durch Frequenzänderung des Meßkristalls. Diese Meßmethode hat jedoch den erheblichen Nachteil, daß sich größere Dicken, wie sie sich bei der Mehrfach beschichtung oder Bedampfung ohne weiteres ergeben, mit einer Frequenzverschiebung nicht mehr oder zumindest nicht mehr mit der gebotenen Genauigkeit messen lassen. Darüber hinaus ist die Meßempfindlichkeit bei mit Frequenzverschiebung oder Frequenzänderung des Meßkristalls arbeitender Meßmethode nicht linear und eröffnet deshalb über den gesamten Meßbereich keine einfache Korrekturmöglichkeit. Schließlich ist die bei der bekannten Meßeinrichtung vorhandene Vorrichtung zum Voreinschalten der Schichtdicke nicht so ausgebildet, daß sie auch die Dichte des zu beschichtenden Materials berücksichtigt. Vielmehr ist bei Kenntnis der gewünschten Schichtdicke, der Dichte des zu messenden Materials und der Empfindlichkeit des Meßgerätes der einzustellende Wert durch komplizierte Berechnung zu bestimmen, wobei noch zu berücksichtigen ist, daß der Dickenanzeiger und der Niederschlagsmengen- bzw. Niederschlagsgeschwindigkeitsanzeiger frequenzgeeicht sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die Schichtdicken-Meßeinrichtung der genannten An so auszubilden, daß sie sich auch zur Messung größerer Dicken, wie sie sich bei der Mehrfachbeschichtung oder -bedampfung ergeben können, eignet, und zwar mit den Erfordernissen entsprechender Meßempfindlichkeit und Meßgenauigkeit und ohne Komplizierung des apparatetechnischen Aufwandes.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Viereckwellenformer und dem Periodenzeitmesser ein Impuls-Frequenz-Multiplikator und ein Zähler so angeordnet sind, daß das Viereckausgangssignal des Viereckwellenformers dem Eingang des ImpuIs-Frequenz-MultipIikators zugeleitet wird und dessen Ausgangssignal, dessen Frequenz von der Sieuerung eines an den Impuls-Frequenz-Multiplikator angeschlossenen Dichleeinstellers abhängt, dem Zähler zugeleitet wird, u::d daß an den Differenzbildner zur Bestimmung der Niederschlagsgeschwindigkeit ein Digitaldifferentiator angeschlossen ist.

Durch diese Konstruktion unterscheidet sich die erfindungsgemäße Schichtdicken-Meßeinrichtung von der bekannten digitalen Meßvorrichtung zur Überwachung der Schichtdicke bei der Aufdampfung vor allem darin, daß sie auf der Basis von Schwingungsperioden-Zeitänderungen des angeschlossenen Oszillators arbeitet, während die bekannte Vorrichtung mit Frequenzänderung des Monitor-Oszillators arbeitet. Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung gegenüber der bekannten den wesentlichen Vorteil, daß nach Einstellung der Dichte des zu messenden Materials die Schichtdicke und damit auch die Bedampfungs- oder Niederschlagsgeschwindigkeit unmittelbar angezeigt werden. Komplizierte Berechnungen werden dadurch vermieden. Die erfindui.gsgemäße Meßvorrichtung ist darüber hinaus noch in apparatetechnischer Hinsicht vereinfacht, weil sie keinen Mixer benötigt und auch keinen zweiten Zähler.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsvorschlags sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße, auf dem Prinzip der Messung der Periodenzeitänderung aufgebaute Schwingquarz-Schichtdicken-Meßeinrichtung macht sich die Erkenntnis zu eigen, daß die Periodenzeitveränderung proportional der Masse der gemessenen Schicht ist.

Die Periodenzeitveränderung des schwingenden Meßkristalls wird durch den folgenden Zusammenhang bestimmt:

t = KgAd

wobei

At — die Periodenzeitveränderung des schwingenden Meßkristalls,

K = die den Meßkristall bezeichnende Konstante,

Q = die Dichte der auf den Meßkristall niedergeschlagenen Schicht und

Ad = die Dicke der auf den Meßkristall niedergeschlagenen Schicht bedeuten.

Aus diesem Zusammenhang ist ersichtlich, daß die Veränderung der Schwingungsperiodenzeit dem Produkt aus Dicke und Dichte der zu messenden Schicht proportional ist.

Die erfindungsgeiTiäße Meßeinrichtung enthält einen Meßkristall, einen an diesen gekoppelten Meßoszillator, einen an dessen Ausgang angeschlossenen Viereckformer, ferner einen Periodenzeitmesser, einen Periodenzeitspeicher, eine an dessen Eingang angeschlossene Nullabgleicheinheit, die mit dem Eingang des Differenzbildners verbunden ist, an dessen Aus{._ng ein Dickenanzeiger angeschlossen ist. Sie eignet sich grundsätzlich zur Dichtebestimmung jedes Materials. Da die Periodenzeitveränderung der Schwingung unter der Wirkung der Schicht mit ciiier Dicke von 1 Ä eine Größenordnung von 10"¹¹SeC. erreicht, wird aus praktischen Gründen die Veränderung der Zeit mehrerer Perioden gemessen. Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung, mißt die Zeiländerung von N/a Schwingungsperioden, wobei /V die durch die Auflösbarkeit bestimmte Anzahl und ο die Dichte der zu messenden Schicht sind. Dadurch wird das Meßergebnis der Schichtdicke direkt proportional, die sich durch die Multiplikation der beiden Seiten der Gleichung (1) mit N/ο wie folgt ergibt:

N N

-M = K- ---ο-Ad=K' -Ad (2)

α α

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtdicken-Meßeinrichtung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt.

Der Meßkristall 1 schwingt im Meßoszillator 2. Der Ausgang des Meßoszillators 2 ist über den Viereckwellenformer 3 an den Eingang des Impuls-Frequenz-Muliiplikators4 angeschlossen. Am Steuereingang des Impuls-Frequenz-Multiplikators 4 liegt der Dichteeinstellei 6, an dessen Ausgang wiederum der Zähler 5 angeschlossen ist. Der Ausgang des Zählers 5 ist an den Eingang des Periodenzeilmessers 7 angeschlossen. Ein Eingang des Differenzbildners 9 befindet sich am Eingang des Perio- J5 denzeitmessers 7, der andere Eingang am Ausgang des Periodenzeitspeichers 8. Einer dieser Eingänge ist mit dem Ausgang des Periodenzeitmessers 7 verbunden, während der andere Eingang an den Ausgang der Nullabgleicheinheit 11 angeschlossen ist. Der Ausgang des Differenzbildners 9 ist mit dem Dickenanzeiger IO verbunden.

Das am Ausgang des Viereckwellenformers 3 erscheinende Signal mit der Frequenz /bzw. mit der Periode 1 wird dem Eingang des Impuls-Frequenz-Multiplikators ⁴S 4 zugeführt, wo die Frequenz des Signals mit einem Faktor Q/M multipliziert wird, wodurch sich die Periodenzeit um das /VZ/y-fache vergrößert. Das Ausgangssignal des Impuls-Frequenz-Multiplikators 4 wird dein Eingang des Zählers 5 zugeführt. Der Zähler 5 hat eine Teilung ,V, wodurch an seinem Ausgang ein Signal mit der Frequenz

/= -τ,-— entsteht.

M · /V

Die Periodenzeit dieses Signals beträgt also

M ■ N

■

was bedeutet, daß am Ausgang des Zählers 5 ein Signal auftritt, das, abgesehen von der Konstanten M ■ N einer Periodenzeit, die umgekehrt proportional der Dichte 0 ist, die Änderung der Periodenzeit angibt. D.h., die Meß-

einrichtung mißt die Änderung der Periodenzeil ' ■ ' ι

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bei einer Periodenzahl

Λ/ ■ /V

Der Dichteeinsteller 6 steuert den Impuls-Frequenz- b5 Multiplikator 4, wobei die Dichte υ des zu messenden Materials natürlich durch den Benutzer eingestellt werden muß. Es erfolgt also keine Messung der Dichte mit Hilfe der obigen Einrichtung.

Der Periodenzeitmesser 7 mißt also die Periodenzeit des Signals ο ■ ι, und an seinem Ausgang erscheint der

Betrag ' ■ /. .V kennzeichnet dabei nicht etwa das

A ■ ρ

Auflösungsvermögen, sondern eine in Abhängigkeit von der gewünschten Meßgenauigkeit und der verwendeten Taktfrequenz gewählte geeignete Zahl.

Die Konstante i/K ist eine für den Periodenzeitmesser 7 kennzeichnende Größe, die durch geeignete Wahl der Taktfrequenz eingestellt werden kann.

Der Differenzbildner 9 erzeugt die Differenz aus dem letztgenannten Zahlenwert und^der im Periodenzeitspeicher8 fixierten Zahl. Der an seinem Ausgang erscheinende Zahlenwert wird durch den Dickenanzeiger 10 angezeigt. Der Ausgang des Periodenzeitmessers 7 ist an einem Eingang des Periodenzeitspeichers 8 angeschlossen, an dessen anderem Eingang das Ausgangssignal der Nullabgleicheinheit 11 erscheint. Auf diese Weise wird der Momentanwert der Periodenzeit fixiert bzw. bis zu einer neuen Messung gespeichert. Die oben näher bezeichneten Elemente 7, 8 und 9 der Schaltung bestimmen die Periodenzeit veränderung des Ausgangssignals des Zählers 5. Diesem Zweck dient auch ein aus Taktgenerator. Gatterstromkreis, Vorwärts-Rückwärts-Zähler und Nullspeicher aufgebautes System. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist der Ausgang des Taktgenerators durch einen Gatterslromkreis an den Eingang des Vorwärts-Rückwärts-Zählers angeschlossen, der mit dem Nullspeicher gekoppelt ist.

Anstelle der Elemente 7 und 8 wird das obengenannte System so eingesetzt, daß der Ausgang des Zählers 5 des Gatterstromkreises und der Ausgang des Vorwärts-Rückwärls-Zählers an den Dickenanzeiger 10 angeschlossen sind. Bei dieser Lösung rechnet der Zähler während der Zeitdauer, die der Periodenzeit des zu messenden Signals entspricht, mit der der Konstanten Ä' entsprechenden Taktfrequenz rückwärts und stellt sich am Ende der Zählung auf das Kompliment der Periodenzeit ein. Dieser Wert wird in den Speicher der Periodenzeit eingeschrieben. Beim Messen wird die Zählkette auf diesen Wert eingestellt, woraufhin sich der Zähler nach einer Periodenzeit-Vorwärtszählung auf den ,der Pcriodenzeitveränderung entsprechenden Wert einstellt.

Die hier beschriebene digitale Schwingquarz-Schichtdicken-Meßeinrichtung kann auch durch einen Geschwindigkeitsmesser ergänzt werden, der an den Ausgang des Differenzbildners 9 angeschlossen wird. Für die Bestimmung der Niederschlags- oder Beschichtungsgeschwindigkeit kann jede Differentiatoreinrichtung angeschlossen werden, die auf dem Digitalprinzip beruht.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die digitale Schwingquarz-Schichtdicken-Meßeinrichtung eine mit dem Prinzip der Periodenzeitveränderung arbeitende Einrichtung ist, die die Dichte der zu messenden Schicht mit Hilfe eines einfach aufgebauten Impuls-Frequenz-Zählers bestimmt, und bei der das Maßergebnis direkt in Einheiten der Schichtdicke ermittelt wird. Für die Einstellung der Schichtdicke können einfache Wählschalter benutzt werden. Die Dichte kann auch durch Fernwahl zwischen den gewünschten Grenzwerten eingestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Digitale Schwingquarz-Schichtdicken-Meßeinrichtung, mit einem Meßkristall, einem an dessen Ausgang angeschlossenen Oszillator, einem das Ausgangssignal des Oszillators aufnehmenden Viereckwellenformer, einem Periodenzeitmesser und einem Periodenzeitspeicher, dessen einer Eingang mit einer Nullabgleicheinheit verbunden ist, welche an den Eingang eines Differenzbildners angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal ein Schichtdickenanzeiger empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Viereckwellenformer (3) und dem Periodenzeitmesser (7) ein Impuls-Frequenz-Multiplikator (4) und ein Zähler (5) so angeordnet sind, daß das Viereckausgangssignal des Viereckwellenformers dem Eingang des Impuls-Frequenz-Multiplikators (4) zugeleitet wird und dessen Ausgangssignal, dessen Frequenz von der Steuerung eines an den Impuls-Frequenz-Multiplikator (4) angeschlossenen Dichteeinstellers (6) abhängt, dem Zähler (5) zugeleitet wird, und daß an den Differenzbildner (9) zur Bestimmung der Niederschlagsgeschwindigkeit ein Digitaldifferentiator angeschlossen ist.

2. Digitale Schwingquarz-Schichtdicken-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichteeinsteller (6) ein Codeschalter und/ oder eine äußere Steuereinheit ist.

3. Digitale Schwingquarz-Schichtdicken-Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Periodenzeitmesser (7) und der Differenzbildner (9) durch ein Gatterstromkreis und ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler ersetzt sind, die zwischen dem Zähler (5) und dem Dickenanzeiger (10) in Reihe geschaltet sind, an die der Periodenzeitspeicher (8) angeschlossen ist.