DE4100683C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Quarzkristallsensoren zum Überwachen der Niederschlagsgeschwindigkeit dünner Filme auf einem Substrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbe­ sondere richtet sich die Erfindung auf eine verbesserte Schaltungsanordnung zum Stützen der Schwingung eines piezo­ elektrischen Quarzkristalls und zum Messen der Resonanzfre­ quenz bzw. Resonanzfrequenzen.

Es ist bekannt, piezoelektrische Quarzkristalle zum Über­ wachen der Filmdicke und der Wachstumsgeschwindigkeit von im Vakuum niedergeschlagenen dünnen Filmen zu verwenden, siehe US-PSen 48 17 430, 42 07 836, 43 11 725. Ein Filmdickensen­ sor mit einem Mehrfachkristall ist in der US-Patentanmeldung 4 30 428 vom 2.11.1989 erläutert. Diese Monitoren oder Senso­ ren können sowohl zum Überwachen des im Vakuum erfolgenden Niederschlagsverfahrens sowie zum genauen Steuern der deponierten Materialmenge und der Niederschlagsgeschwindig­ keit Verwendung finden. Die Resonanzfrequenz des Kristalls fällt mit wachsender Dicke des deponierten Films. Wird der Film auf den Meßkristall niedergeschlagen, so verschlechtert sich die Schärfe der Resonanz, so daß es immer schwieriger wird, die eigentliche Kristallresonanz von anderen Reso­ nanzen zu unterscheiden und die Frequenz genau zu messen. Das heißt, daß die natürlichen Resonanzen jedes Kristall von der Gesamtmasse und der Geometrie abhgängig sind.

Bei den Monitoren der geschilderten Art handelt es sich um piezoelektrische Kristalle, aus Quarz, Barium, Titanat oder einem anderen Material. Die Kristalle sind in einer Reso­ nanzschaltung derart geschaltet, daß die natürliche Reso­ nanzfrequenz eines Kristalls überwacht werden kann. Die natürliche Resonanzfrequenz sinkt, wenn Material sich auf dem Kristall ablagert. Mit wachsender Materialanhäufung verringert sich die Schärfe der Resonanz, und endlich wird ein Punkt erreicht, bei dem der Kristall den Prozeß nicht mehr genau und wirksam überwachen kann. Dann muß der Kri­ stall ausgewechselt werden. Wird der Niederschlag auf dem Kristall immer dicker, so führt die angesammelte Masse zu einer Änderung der Resonanzfrequenz des Kristalls und der Oszillatorschaltung. Die bisherigen Schaltungsanordnungen sehen keine Möglichkeit vor, die Dichte des abgelagerten Materials zu berücksichtigen oder zu kompensieren, auch machen die bekannten Anordnungen keinen Gebrauch von der akustischen Scherwellengeschwindigkeit, um die Sensorschal­ tung zwecks Anpassung an den Kristall zu korrigieren. Im Handel verfügbare Schaltungen mit piezoelektrischen Quarz­ kristallen sind in der Lage, Dickenmessungen mit einer Auflösung von kleiner als 0,1 nm auszuführen. Solche Prozeß­ steuergeräte benutzen diese Information zum Korrigieren der Niederschlagsgeschwindigkeit durch Leistungsänderung der Niederschlagsquelle. Der Leistungspegel kann bis zu 5-10mal in der Sekunde geändert werden. Diese Kristalle sind sehr empfindlich auf Massenzuwachs. Eine Monoschicht Kupfer auf einem 6 MHz Monitorkristall verringert dessen Resonanz­ frequenz um etwa 20 Hz. In erster Näherung ist die Empfind­ lichkeit proportional der Dichte des abgelagerten Materials, und ein Material höherer Dichte als Kupfer führt zu einer Empfindlichkeit in der Größenordnung von 10 Hz/Å. Die Güte bestimmt sich deshalb danach, wie gut die Frequenz in einer sehr kurzen Zeitspanne gemessen werden kann. Jede Frequenz­ instabilität des Oszillator/Kristallsystems führt zu einer Ungenauigkeit der gemessenen Filmdicke. Da die Dickeninfor­ mation in einer Rückführschleife verarbeitet wird, führen Meßfehler dazu, daß die Niederschlagsgeschwindigkeit insta­ bil wird. Wird die Frequenzinstabilität groß, so kann dies zu einem wesentlichen Fehler der Enddicke des Filmes führen. Handelsübliche Prozeßsteuergeräte benutzen eine sog. "perio­ dische" Messung zur Bestimmung der Resonanz des Quarzkri­ stalls. Ein stabiler, hochfrequenter Bezugsoszillator wird als Zeitgeber benutzt, um die Zeitspanne oder Periode zu messen, die natürlich von der Frequenz des Kristalls be­ stimmt ist. Eine Instabilität oder Ungenauigkeit des Bezugs­ oszillators läßt sich dabei von einer Änderung der Resonanz­ frequenz im Kristall nicht unterscheiden. Dies führt zu einem Fehler bei der Bestimmung der Filmdicke.

Meßrauschen oder zufällige Fehler können verringert werden, indem eine längere Zeitspanne gewählt wird, um durch Durch­ schnittsbildung eine größere Glättung zu erreichen. Die Genauigkeit kann auch dadurch gesteigert werden, daß ein Bezugsoszillator mit erhöhter Stabilität bei einer höheren Frequenz gewählt wird.

Gegenwärtige Prozeßsteuerschaltungen verwenden Oszillatoren in einem Frequenzbereich zwischen 10-225 MHz. Die besten Geräte besitzen eine Stabilität, die groß genug ist, um Kristallfrequenzen mit einer Auflösung von 0,2 Hz in einem Intervall oder einer Periode von 200 ms zu messen. Dies entspricht einem Fehler der Filmdicke reichlich kleiner als 0,1 nm für Materialien durchschnittlicher Dichte.

Gemessen an der Enddicke des niedergeschlagenen Films ist ein derartiger Fehler unwesentlich, doch spielen Meßfehler von Bruchteilen eines Å eine wesentliche Rolle bei der Steuerung der Geschwindigkeit, insbesondere bei kleinen Niederschlagsgeschwindigkeiten. Die Stabilität in der Rück­ führschleife erfordert es für viele Evaporatoren, daß die Messungen der Dicke mehrfach pro Sekunde erfolgt. So ist es üblich, die Filmdicke zu messen und den Steuerfaktor min­ destens viermal in der Sekunde nachzustellen. Oft wird eine noch häufigere Nachstellung gewünscht. Bei kleinen Nieder­ schlagsgeschwindigkeiten ist die Änderung der Filmdicke und die entsprechende Änderung der Kristallfrequenz zwischen den einzelnen Messungen sehr klein. Für Materialien geringer Dichte ist die Frequenzänderung des Quarzkristalls zwischen den Messungen nicht größer als der Meßfehler, der von Rau­ schen und der Genauigkeit des Bezugsoszillators herrührt. Deshalb ist fehlende Genauigkeit für eine stabile Geschwin­ digkeitssteuerung bei niedrigen Niederschlagsgeschwindigkei­ ten ein sehr ernstes Problem und die Schaltung kann nicht zwischen Frequenzänderungen infolge niedergeschlagenen Materials und Frequenzänderungen durch Rauschen und/oder Ungenauigkeit unterscheiden. Sind die Istwerte der Fre­ quenzänderungen in der gleichen Größenordnung wie die Fehler, so sind auch die Befehle vom Steuergerät fehlerhaft, und die Regelung der Niederschlagsgeschwindigkeit ist stark beeinträchtigt.

Bei bekannten Meßanordnungen treten zwei Fehlerquellen auf: Es handelt sich um Unzulänglickeiten der Meßgenauigkeit und um Instabilitäten des Kristalls. Die erste Unzulänglichkeit resultiert aus kurzen Tastzeiten sowie den Stabilitätsgren­ zen des Bezugsgenerators. Die zweiten Unzulänglichkeiten resultieren aus Instabilitäten des Kristalls und der Oszillatorschaltung, so daß die Meßgenauigkeit absinkt.

Piezoelektrische Kristalle spielen zusätzlich zu ihrer Ver­ wendbarkeit als Niederschlagsmeßwandler eine große Rolle als Elemente zum Stabilisieren der Frequenz, weil sie in einem schmalen Frequenzbereich einen breiten Bereich der Phasen­ verschiebung aufweisen. Diese Eigenschaft verleiht dem Kristalloszillator eine größere Frequenzstabilität, weil die Phasenanforderung zur stabilen Schwingung in einem ziemlich schmalen Bereich der Frequenzen erfüllt werden kann. Diese Frequenzstabilität kann man sogar bei sehr starkem Rauschen erreichen, da die Phasenkomponente des Rauschens mit einer kleinen Frequenzänderung ausgelöscht wird.

Wird jedoch der Quarzkristall als Monitor des Niederschlages verwendet, so verschwindet das wünschenswerte Verhältnis zwischen Phase und Frequenz, sobald auf den Kristall Masse aufgelagert wird. Wird diese Masse größer, so ist eine größere Frequenzänderung erforderlich, um den gleichen Betrag Phasenverschiebung zu erzeugen. Jedes Rauschen im Oszillator und der Schaltung für den Kristall führt zu einer wesentlichen Frequenzänderung, die nicht auf die Masse bezogen ist. Dies ist ein wesentlicher Grund zur Instabi­ lität und Verschlechterung der Kristalleigenschaften gegen Ende der Lebensdauer des Kristalls.

Gegen Ende der Kristallebensdauer ist es deshalb nicht immer möglich, eine ausreichende Phasenverschiebung in der funda­ mentalen Scherwelle zu erzeugen, um die Anforderungen des Oszillators zu erfüllen. In diesem Fall kann ein anderer Schwingungsmodus des Kristalls besser geeignet sein, die erforderliche Phasenverschiebung und Verstärkung zu erzie­ len. Der gealterte Kristall zwingt die Schaltung, in diesem Modus zu schwingen, und dabei ergibt sich eine neue Frequenz. Gegenwärtige Meßschaltungen sind nicht in der Lage, diese Änderung zwischen den Schwingungsmodi zu verhindern, und die Folge ist, daß das angeschlossene Gerät eine fehlerhafte Dickeninformation liefert. Der Wechsel zwischen den Schwin­ gungsmodi wird "Modusspringen" genannt und stellt ein ernstliches Problem hinsichtlich der Geschwindigkeitsrege­ lung und Abschaltung bei Erreichen der Enddicke dar.

Ist kein anderer Schwingungsmodus vorhanden, mit dem die Anforderungen an Phase und Verstärkung des Oszillators erfüllt werden können, so ist die Funktion der Schaltung in Frage gestellt. Dann ist auch die Fähigkeit zur Dickenmes­ sung verloren. In manchen Fällen ist es möglich, daß die Meßschaltung diese Eigenschaft erkennt und daß das Erzeugen falscher Werte verhindert wird. In diesem Zustand muß der Kristall ausgewechselt werden, doch muß das Verfahren dabei angehalten und die Vakuumkammer geöffnet werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung der eingangs geschilderten Art derart auszu­ bilden, daß die geschilderten Nachteile vermieden werden, wobei die Frequenzänderung der Resonanzfrequenzen des Kristalls aktiv überwacht werden, ohne daß hierzu der Kri­ stall als Teil der Oszillatortreiberschaltung verwendet wird. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das vorgenannte Modus-Springen zu vermeiden, so daß die Kristal­ le länger Verwendung finden können als in den bekannten Schaltungen.

Ferner soll es mit der erfindungsgemäßen Schaltung möglich sein, die parallele Komponente des fundamentalen Scherwel­ lenmodus eines AT-Cut Quarzkristalls zu bestimmen, sowie die serielle Komponente des fundamentalen Scherwellenmodus eines AT-Cut Quarzkristalls, die serielle bzw. parallele Komponente für jeden, insbesondere den sich willkürlich einstellenden Modus eines derartigen Kristalls oder die serielle oder parallele Komponente jedes willkürlichen Modus eines piezoelektrischen Kristalls mit beliebigem Schnitt.

Auch ist erfindungsgemäß sichergestellt, daß der beobachtete Schwingungsmodus des Kristalls derjenige ist, der für diesen Kristall vorbestimmt ist, so daß die auf dem Kristall abgela­ gerte Masse mit größerer Genauigkeit gemessen werden kann.

Die erfindungsgemäße Schaltung macht es auch möglich, daß ein piezoelektrischer Kristall mit unterschiedlichen Fre­ quenzen sehr rasch überprüft werden kann und daß die den spezifischen Resonanzmodi des Kristalls entsprechenden Frequenzen erzeugt und gespeichert werden können.

Ferner soll es möglich sein, im voraus kalibrierte Resonanz­ daten für mehrere piezoelektrische Kristalle zu speichern, so daß jeder Kristall sofort nach dem Auswechseln zum Über­ wachen der Filmdicke Verwendung finden kann.

Schließlich soll die Monitorschaltung auch Mittel zum Kompensieren unerwünschter parasitärer Reaktanzen aufweisen, wie sie von Leitungen, Halteeinrichtungen, Flanschen und anderen Elementen herrühren.

Erfindungsgemäß besitzt die Überwachungsschaltung ein unab­ hängiges Oszillatorsystem mit intelligenten Fähigkeiten. Der unabhängige Oszillator macht es möglich, dem Kristall einen Bereich von Frequenzen zuzuführen. Mit den intelligenten Eigenschaften ist es möglich, die Resonanzen zu bestimmen und zu speichern sowie zu messen und zu analysieren, wie die Kristallmonitore auf Frequenzen in der Nachbarschaft dieser Resonanzen ansprechen. Damit kann festgelegt werden, daß die Schwingungsmodi der Kristalle dem fundamentalen Schermodus entsprechen, doch können auch andere Schwingungsmodi festge­ stellt und identifiziert sowie ihre Frequenzen gemessen werden. Selbst wenn Rauschen in der Schaltung vorhanden ist, das bei üblichen Oszillatoren zum Modusspringen oder zum Abbrechen der Schwingung führen würde, ist der intelligente Oszillator in der Lage, das Rauschen von der Kristallantwort zu unterscheiden und die Schwingung im gewünschten Modus zu halten. Die Überwachungsschaltung ist somit in der Lage, die Eigenschaften des Kristalls dauerhaft zu überwachen, auch dann, wenn der Kristall keine ausreichende Phasenverschie­ bung mehr liefert, um das Oszillieren in einer bekannten Schaltung zu starten. Mit der erfindungsgemäßen Schaltung können die Hersteller dünner Filme die Filmdicke genauer in der gesamten Kristallebenszeit bestimmen, insbesondere auch gegen Ende der Lebensdauer des Kristalls, um die Lebensdauer gegenüber bekannten Geräten wesentlich zu erhöhen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Detektorschaltung mit angeschlossener Steuerschaltung und

Fig. 2 ein Schaltungsschema eines Ausschnitts der in Fig. 1 dargestellten Schaltung.

In Fig. 1 besteht eine Überwachungsschaltung 10 aus einem ersten Abschnitt 11 mit einem piezoelektrischen Kristall 12, auf dem sich Dämpfe in der Vakuumniederschlagskammer 13 ablagern können. In der Kammer ist ein Bedampfungsofen 14 angeordnet, der an eine Energieversorgung 15 angeschlossen ist. Für den Fall, daß der Kristall 12 Bestandteil eines Mehrfachkristalldetektors ist, ist auch ein Kristallselektor 16 vorgesehen. Zwei Leiter 17 des Kristalls 12 sind über eine Durchführung 18 mit einem äußeren Kabel 19 verbunden, das an den Anschluß eines zweiten Abschnitts 20 führt, der in einem Abstand von der Kammer 13 in der Größenordnung bis zu zwei Metern angeordnet ist.

Der zweite Abschnitt 20 ist mit einem Hochfrequenzeingang 21 und einem Leistungseingang 22 versehen. Am Hochfrequenzein­ gang 21 steht ein Radiofrequenzsignal bekannter Größe und Phase an und damit am Eingang einer Duplexschaltung 23, die als Sender und Empfänger dient. Die Duplexschaltung 23 hat einen ersten Ausgang für das RF-Signal über einen Anschluß 24 und das Kabel 19 zum Kristall 12. Ein Rückführsignal des Kristalls 12 gelangt über einen zweiten Anschluß der Duplex­ schaltung 23 zu einem Verstärker und Begrenzer 25, der ein Ausgangssignal SIG zu einem Phasendetektor 26 liefert. Ein Eingang eines Bezugsverstärkers und Begrenzers 27 ist an den Hochfrequenzeingang 21 angeschlossen, und der Ausgang liefert ein Bezugssignal REF von der gleichen Phase und Frequenz wie das hochfrequente Oszillatorsignal zu einem zweiten Eingang des Phasendetektors 26. Dieser hat einen Phasenausgang, des­ sen Wert von dem Phasenverhältnis zwischen den Signalen SIG und REF abhängig ist.

Ein Signalpegeldetektor 28 ist an einen Ausgang des Signal­ verstärkers und Begrenzers 25 angeschlossen und liefert einen Ausgangspegel, der der Amplitude des Antwortsignals SIG des Kristalls 12 entspricht. Eine Treiberschaltung 29 für die Phase und eine Treiberschaltung 30 für den Signal­ pegel verstärken Phase und Pegel der Signale, die über Leiter eines Kabels (31) zu einem dritten Abschnitt 32 der Monitorschaltung übertragen werden. Das Kabel 31 kann bis zu 30 m lang sein, ohne die Meßgenauigkeit zu verschlechtern.

Im dritten Abschnitt 32 ist ein Mikrocontroller 33 vorgese­ hen, der über einen digitalen Mehrkanalbus 34 an andere Elemente sowie einen direkten digitalen Synthesizer 35 ange­ schlossen ist. Der Synthesizer 35 erzeugt ein Hochfrequenz­ treibersignal mit einer Frequenzauflösung von 0,005 Hz in einem Frequenzbereich zwischen 0 und 8 MHz. Dieses Präzi­ sionssignal gelangt zu einem Hochfrequenzausgang 36, der ebenfalls über einen Leiter im Kabel 31 mit dem Hochfre­ quenzeingang 21 im zweiten Abschnitt 20 verbunden ist.

Ein A/D-Wandler 37 erhält den Signaleingang von beiden Treiberschaltungen 29 und 30 und der digitale Ausgang ist an den Mikrocontroller 33 angeschlossen. Ein D/A-Wandler 38 ist über einen digitalen Bus 34 an den Mikrocontroller 33 ange­ schlossen. Ein erster Ausgang des Wandlers 38 ist über eine Steuerleitung 39 an die Energieversorgung 15 angeschlossen, um den Ofen 14 im ersten Abschnitt zu steuern. Der Wandler 38 besitzt einen zweiten Ausgang,der über einen Leiter 40 im Kabel 31 mit einer Kabelkompensierschaltung 41 im zweiten Abschnitt 20 verbunden ist. Die Kabelkompensierschaltung 41 ist an die Duplexschaltung 23 angeschlossen und kompensiert automatisch jede vom Kabel 19 der Durchführung 18 und den Halterungen des Kristalls 12 herrührenden Reaktanzen.

Einzelheiten des zweiten Abschnitts 20 sind in der Schaltung der Fig. 2 dargestellt, wobei gleiche Elemente der beiden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Du­ plexschaltung 23 besteht aus einem ersten Transformator 42, dessen Primärwicklung 43 an den Hochfrequenzeingang 21 ange­ schlossen ist und dessen Sekundärwicklung 44 in Reihe mit dem Kristall 12 über die obere Hälfte der Primärwicklung 45 eines zweiten Transformators 46 und den Anschluß 24 geschal­ tet ist. Die Sekundärwicklung 47 des Transformators 46 ist mit dem Verstärker und Begrenzer 25 verbunden. Das untere Ende des zweiten Teils der primären Wicklung 45 ist an die Kabelkompensierschaltung 41 angeschlossen. In der darge­ stellten Ausführungsform ist für die Kabelkompensierschal­ tung 41 eine Varaktor-Diode 48, d. h. eine Diode veränderli­ cher Kapazität vorgesehen, deren Katode an die Sekundär­ wicklung 45 des Transformators 46 und über einen Widerstand 49 an einen Anschluß angeschlossen ist, an dem eine Kompen­ sierspannung V_comp über den Leiter 40 her ansteht. Die Anoder der Diode 48 ist über einen Widerstand 50 an eine negative Bezugsspannung -V_d und über einen Kondensator 51 an Masse angeschlossen.

Der Hochfrequenzeingang 21 ist über einen Impedanzanpaß­ transformator 52 mit dem Bezugsverstärker und Begrenzer 27 verbunden. Dabei ist der Phasendetektor 26 eine Multipli­ zierstufe, deren Eingänge an den Verstärker und Begrenzer 25 sowie an den Bezugsverstärker und Begrenzer 27 angeschlossen sind. Auch hierbei ist der Pegeldetektor 28 an eine erste Stufe des Verstärkers und Begrenzers 25 angeschlossen, um den Signalpegel zu erzeugen, der über die Treiberschaltung 30 als Signalpegelausgang zum A/D-Wandler 37 übertragen wird.

Die Vorrichtungen zum Haltern und Kühlen des Quarzkristalls 12 sind nicht dargestellt.

Der hauptsächliche Vorteil der Überwachungsschaltung 10 be­ steht in ihrer Fähigkeit, den Kristall 12 schnell und genau zu testen, um seine Resonanz zu bestimmen, wenn er mit spezifischen Frequenzen stimuliert wird. Die vom Mikrocon­ troller 33 auszuführenden Algorithmen senden Frequenzbefehle zum Synthesizer 35, der gemäß diesen Informationen eine Sinuswelle mit hoher Frequenz und Phasengenauigkeit erzeugt. Die synthesierte Welle kann in einer Periode in der Größen­ ordnung von Mikrosekunden nach Frequenz und Phase genau verändert werden.

Die synthesierte Hochfrequenzsinuswelle wird dann vom zweiten Abschnitt 20 empfangen und über die Duplexschaltung 23 zum Kristall 12 übertragen, wobei gleichzeitig die Reaktanz des Kristalls 12 zurückgeführt wird. Das Antwort­ signal SIG wird in der Duplexschaltung 23 vom Sendesignal getrennt und in der Schaltung 25 verstärkt und begrenzt und zum Phasendetektor 26 übertragen. Gleichzeitig gelangt auch das synthesierte RF-Signal als Bezugssignal über die Ver­ stärker und Begrenzerschaltung 27 zum Phasendetektor 26.

Ist die im Synthesizer 35 erzeugte Frequenz gleich der Reso­ nanzfrequenz des Kristalls 12, so besteht zwischen dem Bezugssignal und dem Antwortsignal eine Phasenverschiebung von 90°. Bei Frequenzen von mehreren hundert Hertz und der Kristallresonanz beträgt die Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Antwortsignal im wesentlichen 0°, wäh­ rend bei Frequenzen von mehreren hundert Hertz über der Kristallresonanz die Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und Antwortsignal sich an 180° annähert. Diese Phasenver­ schiebung wird im Phasendetektor 26 genau gemessen und wird zur Bestimmung der Resonanzfrequenz verwendet.

Die Genauigkeit in der Phasenbestimmung des Sende- und Ant­ wortsignals ist dadurch bedingt, daß beide Signale REF und SIG in den Schaltungen 25 und 27 verstärkt und beschnitten werden, worauf dann beide Signale zum Phasendetektor geführt werden, wobei der Ausgang des Phasendetektors 26 Null V beträgt, wenn das REF-Signal dem Antwortsignal SIG um 90° voreilt. Der Phasendetektorausgang ist dann auf einem posi­ tiven oder negativen Spannungspegel entsprechend der Phasendifferenz zwischen den Signalen REF und SIG, so daß sich ein diskreter Vorzeichenwechsel einstellt, wenn das synthesierte Signal einen Durchgang durch die Kristallreso­ nanzfrequenz hat. Die Treiberschaltung 29 konditioniert das Phasensignal, das als Spannungswert zum Wandler 37 im dritten Abschnitt 32 geführt wird. Dann wandelt der Wandler 37 den Spannungspegel der Phasendifferenz in ein digitales Signal für den Mikrocontroller 33. Dieser ist mit einem Programm zum Steuern der Frequenz und Phase des Synthesizers 35 versehen, so daß der Kristall 12 in dem oszillierenden Wellenmodus von größtem Interesse gehalten wird. Dies erfolgt mit Hilfe eines digitalen Rückführsignals, das den Ausgang des Wandlers 37 auf Null Pegel hält, indem Frequenz und Phase des Synthesizers 35 ständig geändert werden.

Die Bauteile für den Synthesizer 35 und den A/D-Wandler 37 sind handelsüblich. Auch andere Bauteile sind verfügbar, um die Frequenzantwort des Kristalls 12 in der Größenordnung von bis zu 200 000fach/s mit einem 8 bit A/D Wandler 37 zu testen. Dies entspricht einer SLEW-Geschwindigkeit von 128 kHz/s mit einer Genauigkeit von 0,005 Hz, wobei dies für alle Zwecke ausreichend ist. Mit der einfachsten Strategie läßt sich der Kristall in festen Frequenzintervallen testen, wobei die Synthesizerfrequenz steigt oder fällt, abhängig vom Vorzeichen des Ausgangs am Wandler 37. Kompliziertere Strategien benutzen nicht nur die Vorzeicheninformation, sondern auch den Ausgangswert, um Frequenzintervalle zu testen, die näher zusammen oder weiter voneinander weg sind, d. h. die Qualität der Resonanz wird getestet. Die beim Testen kleinstmöglichen Frequenzdifferenzen sind nur durch die Fähigkeit des Synthesizers 35 zur Frequenzerzeugung begrenzt, wobei gegenwärtig diese Fähigkeit in der Größen­ ordnung von 0,005 Hz liegt. Die Begrenzung hinsichtlich der Feststellbarkeit der Resonanz ist durch das Rauschen der Schaltkreise und des Niederschlagssystems bedingt sowie durch die Auflösung des Wandlers 37. Diese Feststellbarkeit ist gegenwärtig 0,005 Hz und setzt daher eine praktische Grenze für die Auflösung des Systems. Mit dem Signalpegel 28 in dem zweiten Abschnitt 20 läßt sich das Meßsystem verbes­ sern, um die Kristallaktivität bzw. Lebensdauer zu messen. Wird Masse auf dem Kristall 12 abgelagert, so verschlechtert sich das Verhältnis zwischen Phase und Frequenz und dies verkleinert die Amplitude des Antwortsignals SIG des Kri­ stalls bei seiner Resonanz. Der Pegel des Signals SIG wird dann im Mikrocontroller 33 überwacht und die Information wird dazu benutzt, um eine bevorstehenden oder möglichen Ausfall des Kristalls anzuzeigen. Entsprechende Maßnahmen können entweder händisch oder automatisch vom Mikrocon­ troller 33 durchgeführt werden, um das Überwachen und Steuern der Metallbedampfung ununterbrochen fortzuführen. So lassen sich passende Algorithmen entwickelt, um die wahr­ scheinliche noch bleibende Niederschlagszeit vorherzusagen, die auf der Signalintensität beruht, sowie auf der Historie des Kristalls 12 und der speziellen Klasse des Kristalls.

Die Kabelkompensierschaltung 41 dient zum elektronischen Abstimmen der Duplexschaltung 23, um unerwünschte parasitäre Reaktanzen der Kristallhalterung, der Durchführung 18 der unterschiedlichen Kabellängen und anderer Quellen von Streu­ kapazitanten zu eliminieren. In der Kabelkompensierschaltung 41 wirkt die veränderliche Reaktanz 48 mit der Transforma­ torwicklung 45 zusammen. Das HF-Treibersignal mit einer bestimmten Frequenz wird an die mittlere Anzapfung der Wicklung 45 geführt und liegt dann in Reihe mit der verän­ derlichen Reaktanz 48. Die Kapazitanz bzw. der Blindwider­ stand des Elements 48 ergibt sich durch Einstellen der Kompensationsspannung V_comp bis der Ausgang der Sekundär­ wicklung 47 des Transformators 46 kein Signal führt. Dies erfolgt natürlich dann, wenn der Blindwiderstand des veränderlichen Kondesators 48 den gleichen Wert hat wie die parasitäre Reaktanz im Zweig der Schaltung zwischen der Duplexschaltung 23 und dem Kristall 12. Ergibt sich der Abgleich, so ist der Wechselstrom, der durch jede Hälfte der Primärwicklung 45 fließt, gleich und entgegengesetzt in Phase. Das Verfahren zum Kompensieren der parasitären Blind­ widerstände kann mit einem passenden Programm im Mikrocon­ troller 33 durchgeführt werden, beispielsweise durch sich wiederholende Tests, indem eine Gleichspannung an den veränderlichen Kondensator 48 geführt wird. Die Kompensation parasitärer Blindwiderstände braucht nur anfänglich beim Inbetriebsetzen des Systems durchgeführt werden und bedarf keiner Änderung mehr während der Gesamtzeit der Überwachung durch den Sensor.

Für Mehrfachkristalldetektoren kann die Kompensationsspan­ nung V_comp für jeden einzelnen Kristall 12 gespeichert und dann automatisch beim Wechsel von einem Kristall zum anderen zugeführt werden.

Die kritische Begrenzung der erfindungsgemäßen Schaltung ist die Fähigkeit, die synthesierte Frequenz schnell genug zu ändern, um einen Nulldurchgang im A/D-Wandler 37 zu erhal­ ten, obwohl diese Frequenz während des Prozesses sich ändert. Mit der erfindungsgemäßen Überwachungsschaltung 10 für die Filmdicke können die sich ändernden Resonanzfre­ quenzen des Kristalls 12, an dem sich beispielsweise Material ablagert, öfters gemessen werden als beim Stand der Technik. Die Meßgenauigkeit ist nicht durch die Frequenz und Stabilität des Kristalls 12 begrenzt noch durch das notwen­ dige Zeitintervall, um Zähl- oder Taktimpulse in einen Speicher zu laden. Erfindungsgemäß ist die Kombination der Anzahl der in einer Sekunde durchzuführenden Proben und die Größe der Frequenzintervalle zwischen den Proben maßgeblich. ln einer praktischen Ausführung bestimmt sich die Auflösung der Frequenzmessung durch die Größe des Frequenzinkrements. Das Inkrement wird entsprechend der erwarteten Geschwindig­ keit ausgewählt, mit der der Kristall infolge der Massen­ anlagerung die Frequenz ändert. Das Produkt des Frequenzin­ krements zwischen den Proben mal der Anzahl der Proben pro Zeiteinheit liefert das Maß für die maximale Slew-Geschwin­ digkeit. Die Slew-Geschwindigkeit muß um einen bestimmten Wert größer sein als die Änderung in der Resonanzfrequenz des Kristalls 12 pro Zeiteinheit, so daß die regelmäßig und häufig getastete Frequenz den Phasendetektor 26 veranlaßt, einen Nulldurchgang und damit eine 90° Phasendifferenz zu haben. Der minimale praktische Wert für diese Randbedingung der Slew-Geschwindigkeit liegt in der Größenordnung von 2-3fache der erwarteten Geschwindigkeit für die Frequenz­ änderung.

Ein wesentlicher Vorteil eines AT-Schnitt-Quarzkristalls liegt darin, daß der gewünschte fundamentale Scherwellen­ modus der Schwingung die kleinste Frequenzresonanz aller möglichen Modi ist. Der Mikrocontroller ist fähig, diese Information zu verarbeiten, um den Schwingungsmodus für den Kristall 12 zu identifizieren. Eine Frequenztastung zu Beginn einer Prozeßsteuerung, nämlich eine breitbandige Frequenztastung, die mit einer niedrigen Frequenz beginnt und dann zu höheren Frequenzen ansteigt, trifft zuerst auf den fundamentalen Schermodus und dann auf andere Kristallre­ sonanzen, nämlich die ersten und zweiten unharmonischen, die sich ebenfalls als nützlich erweisen können. Diese Tastung benötigt nur eine sehr geringe Zeit und kann so häufig wie erforderlich initiiert werden, abhängig vom Umgebungsrauschen und der Erfahrung des Operators. Stellt sich eine Diskonti­ nuität der überwachten Kristallfrequenz ein, so kann eine Frequenztastung nochmals begonnen und der gewünschte Schwin­ gungsmodus eingerichtet werden. Das Verhältnis zwischen Frequenz und Phase des Kristalls 12 wird so bei weitem weniger kritisch als beim Stand der Technik, weil man die Kenntnis von der fundamentalen Scherwellenfrequenz erhält, auch für einen gealterten Kristall, bei dem dieser Modus mit bekannten Schaltungen nicht festgestellt werden konnte.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zum Überwachen wenigstens einer Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Kristalls, auf dem eine Materialschicht im Vakuum deponiert wird, wobei die Bedampfungsquelle des Materials gesteuert wird, gekenn­ zeichnet durch folgende Schaltungskomponenten:

• a) ein steuerbarer Frequenzgenerator (33, 35) erzeugt ein Treibersignal mit einer Frequenz innerhalb eines Bandes von HF-Frequenzen, das wenigstens eine Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Kristalls (12) beinhaltet,
• b) eine Duplexschaltung (23) ist eingangsseitig mit dem Frequenzgenerator (35) verbunden, um das Treibersignal zu empfangen, und ist ausgangsseitig über einen Anschluß (24) mit dem Kristall (12) verbunden, um das Treibersignal zum Kristall zu übertragen und ein Antwortsignal vom Kristall zu empfangen, dessen Frequenz gleich der Frequenz des Treiber­ signals ist und dessen Phase von der Annäherung der Treiber­ signalfrequenz an die Resonanzfrequenz des Kristalls bestimmt ist,
• c) ein Phasendetektor (26) erhält das Treibersignal und das Antwortsignal und liefert ein Phasenausgangssignal, dessen Wert zwischen einem negativen Pegel über Null zu einem posi­ tiven Pegel die relative Phase der Treiber- und Antwortsig­ nale anzeigt und
• d) ein Controller (32) ist an den Frequenzgenerator (33, 35) und den Phasendetektor (26) angeschlossen, um die Frequenz des Treibersignals gesteuert zu ändern und die Frequenz zu überwachen, bei der das Phasendetektorsignal einen Nullpegel besitzt, um die Frequenz jeder Resonanz bzw. jeder der Reso­ nanzen zu identifizieren.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Controller (32) die Frequenz wieder­ holt bei einer Geschwindigkeit sendet, die größer ist als die Geschwindigkeit, bei der die Kristallresonanz sich mit wachsender Filmdicke ändert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kabelkompensierschaltung (41) an die Duplexschaltung (23) angeschlossen ist, um die Impedanz der leitfähigen Pfade für den Anschluß der Duplex­ schaltung an den Kristall (12) zu kompensieren, wobei die Kabelkompensierschaltung (41) eine spannungsgesteuerte Impedanzeinrichtung (48) aufweist, die an die Duplex­ schaltung (23) angeschlossen ist und einen Steueranschluß (40) aufweist, an dem eine Steuerspannung ansteht, um eine vorbestimmte Kompensierimpedanz für die spannungsgesteuerte Impedanzeinrichtung auszuwählen.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Controller eine Schaltung (38) aufweist, um die Steuerspannung gemäß einem im Controller gespeicherten vorbestimmten Wert zu erzeugen.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigeschaltung (25, 28) für den Pegel des Antwortsignals mit einem Eingang an den Ausgangsanschluß der Duplexschaltung (23) angeschlossen ist und an einem Ausgang (30) ein Pegelsignal für den Con­ troller geliefert wird, das die Stärke des Antwortsignals anzeigt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor einen Ver­ stärker und Begrenzer (25) aufweist, bei dem ein Eingang an den Ausgangsanschluß der Duplexschaltung (23) angeschlossen ist und am Ausgang das Antwortsignal verstärkt und begrenzt ansteht, sowie ein Bezugsverstärker und Begrenzer (27) mit einem Eingang, der an den Eingang (21) der Duplexschaltung (23) angeschlossen ist und mit einem Ausgang, an dem das Treibersignal verstärkt und begrenzt ansteht, und daß Ein­ gänge des Phasendetektors (26) jeweils an den Ausgang des Verstärkers und Begrenzers (25) und des Bezugsverstärkers und Begrenzers (27) angeschlossen sind und das Phasenaus­ gangssignal am Ausgang (29) ansteht.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor eine Multiplizier­ stufe (26) ist.