Устройство для контроля и управления скоростью осаждения и толщиной тонких пленок при напылении Советский патент 1984 года по МПК G05B23/02 G01R33/12 

ного входом с выходом четвертого инвертора, соединенного входом с выходом кварцевого генератора, причем выход шестого ключа подключен к второму управляющему входу четвертого

ключа, вторбй вход второго триггера - к второму выходу формирователя эталонных временных интервалов , а вход формирователя импульсов - к выходу блока сравнения.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ОСАЖДЕНИЯ И ТОЛЩИНОЙ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПРИ НАПЬЬ ЛЕНИИ, содержащее датчик веса, подключенный выходом к входу кварцевого генератора, соединенного выходом с информационными входами первого и второго ключей, подключенных выходами к счетным входам соответственно первого и второго счетчиков импульсов,.связанных соответственно выходом и установочным входом с информационным входом и выходом третьего ключа, соединенного управляющим входом с входом первого элемента задержки и с выходом второго элемента задержки, подключенного входом к первому управляю1 5ему входу четвертого ключа, связанного информационным входом с выходом регистра скорости напыления, подключенного BTopbiM информационным входом к информационному входу регистра скорости напыления и к выходу пятого ключа, соединенного информационным входом с выходом второго счетчика импульсов, и с первым входом блока сравнения, подключенного вторым входом к выходу задатчика скорости напыления, первый триггер, связанный выходом с управляющими входами первого и второго ключей, первым входом - со сбросовым входом первого счетчика импульсов и с выходом первого элемента задержки, а вторым входом - с первым выходом формирователя эталонных временных интервалов и с входом второго элемента задержки , отличающееся тем, что, с целью повьшения помехоустойчивости и точности измерения устройства, в него введены регулятор мощности испарителя и анализатор сбоев, содержащий первый инвер3 тор, подключенный входом к первому выходу формирователя эталонных временных интервалов, а выходом через третий элемент задержки - к первому входу элемента И-НЕ, соединенного вторым входом с прямым выходом второго триггера и с управляющим входом регулятора мощности испарителя, ьо а выходом через второй инвертор и 4 ts9 СП фильтр частот - с управляющим входом шестого ключа и со счетньм входом третьего счетчика импульсов, под00 ключенного выходом к информационному входу регулятора мощности испарителя, а сбросовым входом через третий инвертор - к управляющему входу пятого ключа и к выходу седьмого ключа , соединенного управляющим входом с выходом формирователя импульсов и с первым входом второго триггера, а информационным входом - с третьим входом элемента И-НЕ, с информационным входом щестого ключа и с выходом усилителя тока, подключенного входом к выходу вьшряьттеля, связан

1

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к устройствам для контроля и управленияскоростью осаждения и толщиной тонких пленок при напылении, и может быть использовано в технологии изготовления интегральных и гибридных микросхем, а также при нанесении оптических покрытий.

Известно устройство для измерени скорости и толщины напыления тонких пленок содержащее кварцевый генератор, кварцевый датчик которого размещен в камере напыления, смеситель и фильтр с частотой первого вспомогательного (эталонного) генератора. Разностную частоту этих генераторов вьщеляют, смешивают с частотой второго вспомогательного (эталонного) генератора, фильтруют. Частоту второго вспомогательного генератора в начале процесса напыления устанавливают на нулевыеiбиения. Выходную частоту, получаемую во втором смецителе, в конверторе преобразуют в напряжение, пропорциональное частоте , дифференцируют с помощью усилителя , выходной сигнал которого подают на измеритель скорости осаждения и блок управления Li 3.

Недостатки, ограничивающие применение известного устройства, заключаются в том, что двойной преобразование частоты основного кварцевого генератора приводит к зависимости результатов измерения от температуры, причем вторичное смешение частот значительно сужает диапазон измерений толщины напыляемых пле-г нок из-за сложности создания высокостабильного опорного генератора, работающего в широком диапазоне частот. Низкая точность измерения толщины пленок является также результатом фиксации толщиномером скачкообразных изменений частоты основного кварцевого генератора при случайном попадании капель напыляемого вещества на кварцевый датчик в камере напыления, так как в этом устройстве отсутствует система защиты от помех. Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения скорости напыления и толщины тонких пленок, содержащее кварцевый генератор, кварцевый датчик которого размещен в камере напыления, пять ключей, два счетчика, первые входы которых соедииены с выходами первого и второго

ключей соответственно, блок сравнения, задатчик скорости напьшения и ее допуска, непосредственно соеди. ненный с первым входом блока срав20 нения, второй вход которого соединен с выходом первого счетчика и с первым входом четвертого ключа, выход блока сравнения соединен со вторым входом четверто25 го ключа и с первым входом пятого ключа, триггер, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго ключей, а первые входы ключей - с выходом кварцевого генера30 тора, две линии задержки, выход первой из которых соединен со вторым входом третьего ключа и входом второй линии задержки, выход второй линии задержки соединен со вторым

35 входом второго счетчика и первым входом триггера, выход второго счетчика соединен с первым входом третьего ключа, а выход третьего ключа со вторым входом первого счетчика,

40 формирователь эталонных интервалов времени, выход которого соединен с третьим входом четвертого ключа, входом первой линии задержки., вторы входом пятого ключа и вторым входом

45 триггера, регистр скорости, регистр толщины, второй вход которого соединен с выходом четвертого ключа и входом регистра скорости, выход регистра скорости соединен с третьи входом пятого ключа, выход которого соединен с первым входом регистра- толщины С2 . Недостаток известного устройства для измерения скорости напыления и толщины тонких пленок заключается в том, что при отказе кварцевого датчика в процессе технологического цикла в результате перегрева или перегрузки напьшяемым веществом происходит срыв колебаний кварцево го генератора и прекращение процесса напыления, что приводит к браку Низкая помехозащищенность устройства приводит (при истощении испарителя, при частых сбоях по скорости напыления) к регистрации эти изменений скорости, к изменению уп равляющего сигнала и срыву напыления, или уменьшению точности измере ния толпрны пленки. Целью изобретения является по вышение помехоустойчивости и точнос ти измерения устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для контроля и управления скоростью осаждения и толщиной тонких пленок при напылении , содержащее датчик веса, подключенный выходом ко входу кварцевого генератора, соединенного вы ходом с информационными входами первого и второго ключей, подключенных выходами -к счетным входам соответственно первого и второго счетчиков импульсов, связанных соответственно выходом и установочным входом с информационным входом и выходом третьего ключа, соединенного управляющим входом со входом первого элемента задержки и с выходом второго элемента задерж ки , подключенного входом к первому управляющему входу четвертого ключа, связанного информационньм входом с выходом регистра скорости нап ления , а выходом - с первьм информационным входом регистра толщины напьшения, подключенного вторым информационным входом к информацион ному входу регистра скорости напыления и к выходу пятого ключа, соед ненного информационным входом с выходом второго счетчика импульсов и с первым входом блока сравнения, подключенного вторь1м входом к выходу задатчика скорости напыления, первый триггер, связанный выходом с управляющими входами первого и второго ключей, первым входом- со сбросовым входом первого счетчика импульсов и с выходом первого элемента задержки, а вторым входом с первым выходом формирователя эта.лонных временных интервалов и со входом второго элемента задержки, введены регулятор мощности и анализатор сбоев, содержащий первый инвертор, подключенный входом к первому выходу формирователя эталонных временных интервалов, а выходом через третий элемент задержки - к первому входу элемента И-НЕ, соединенного вторым входом с прямым выходом второго триггера и с управляющим входом регулятора мощности испарителя, а выходом через второй инвертор и фильтр частот - с управляющим входом шестого ключа и со счетным входом третьего счетчика импульсов, подключенного выходом к информационному входу регулятора мощности испарителя, а сбросовым входом через третий инвертор - к управляющему входу пятого ключа и к выходу седьмого ключа, соединенного управляющим входом с выходом формирователя импульсов и с первым входом второго триггера, а информационным входом - с третьим входом элемента И-НЕ, с информационным входом шестого ключа и с выходом усилителя тока, подключенного входом к выходу вьтрямителя, связанного входом с выходом четвертого инвертора, соединеннбго входом с выходом кварцевого генератсфа, причем выход шестого ключа подключен ко второму управляющему входу четвертого ключа, второй вход второго триггера - ко второму выходу формирователя эталонных временных интервалов, а вход формирователя ш.шульсов - к выходу блока сравнения. На фиг. 1 дана блок-схема устройства; на фиг. 2 - функциональная схема анализатора сбоев на фиг. 3-5 - временные диаграммы работы устройства при исправном кварцевом датчике и отсутствии сбоев по цепи последнего, при сбоях его по

S11

цепи, при отказе кварцевого датчика в процессе напыления.

Устройство содержит датчик веса 1, кварцевый генератор 2, первый ключ 3, первый счетчик импульсов 4, второй ключ 5, второй счетчик имульсов 6, первый элемент задержки 7, первый триггер 8, второй элемент задержки 9, третий ключ 10, фррмирователь эталонных временных интерваов 11, пятый ключ 12, четвертый ключ 13, задатчик скорости напьшения 14., блок сравнения 15, регистр скорости напьщения 16, регистр толины напьшения 17, регулятор мощости испарителя 18, анализатор сбов 19, содержащий первый инвертор 20, третий элемент задержки 21, элемент И-НЕ 22, второй инвертор 23, ильтр частот 24, третий счетчик импульсов 25, шестой ключ 26, второй триггер 27, четвертый инвертор 28, выпрямитель 29, усилитель тока 30, седьмой ключ 31, третий инвертор 32, ормирователь импульсов 33.

Кварцевый генератор 2 служит для возбуждения и усиления высокоча тотных колебаний датчика веса, реализованного на кварцевом датчике 1, и может быть собран по схеме еьосостной трехточки. Ключи 3 и 5 вътолнены в виде элементов 2 И-НЕ и предназначены для прерьшания последовательности импульсов, поступающих с выхода кварцевого генератора 2 на входы счетчиков 4 и 6 на время , необходимое для перезаписи информации из счетчика 6 в блок 13 сравнения , из счетчика 4 в счетчик 6 через ключ 10 и сброса в нуль счетчика 4. Счетчик 4 выполнен в виде сумматора и предназначен для подсчета количества импульсов, поступающих на его вход с выхода кварцевого генератора 2, за калиброванные промежутки времени, например 1 сек, и вьздачи этой информации в параллельном коде. Счетчик 6 выполнен в виде вычитателя и предназначен для подсчета разности импульсов мезяду каждым предьщущим и последующим промежутками времени счета и представления этой информации в параллельном коде. Линии 7 и 9 задержки, выполненные в виде последовательно соединенных элементов НЕ обеспечивают вре менную задержку импульсов переноса дли надежной перезаписи информации из счетчика 6 в блок 15 сравнения.

42586

из счетчика 4 в счетчик 6 и установку счетчика 4 в нулевое состояние. Триггер 8 служит для блокировки входных ключей 3 и 5 на время перезаJ писи информации. Формирователь 11 временных интервалов времени обеспечивает синхронизацию всего устройства и вьфабатывает импульсы переноса (выход 1) и импульсы предвариo тельной установки (выход 2). Входы 1 и 2 ключа 13 являются управляющими, а вход 3 - информационным. Задатчик 14 скорости осажр.ения (напыления) и ее допуска служит для зада5 ния требуемой скорости осаждения и ее допуска и представления этой информации в параллельном коде и выполнен на запоминающих элементах, например кодовых переключателях,

Q со схемой управления. Блок 19 анализатора сбоев осуществляет контроль за работоспособностью кварцевого датчика, производит подсчет количества сбоев по скорости напьшения, выра5 батьтает сигналы блокировки и прерывания , управляющие работой регулятора 18 регулирования мощностью испарителя , управляет работой ключей 12 и 13. Элемент задержки 21 обес„ печивает задержку импульса переноса, поступающего на его вход чер-эз инвертор 20 с первого выхода формирователя 11 эталонных временных интервалов (см. фиг. 1), на время, большее времени распространения сигнала с входа счетчика 6 до его выходов, и выполнен на последовательно соединенных элементах И. 1ильтр частот 24 служит для подавления коротких (нагфимер f ci 40 не) импульсов, которые могут возникнуть на выходе элемента И-НЕ 22 в результате временных смещений, поступающих на его вход импульсов, под воздействием температуры окружающей среды или изменении питающих устройство напряжений и представляет собой RC-цепочку с постоянной времени Сс 40 не. При работающем кварцевом датчике на выходе усилителя 30 устанавливается уровень логической 1, в противном случае - логический О. Формирователь 33 импульсов предназначен для формирования положительно го импульса при скачке потенциала

5 на его входе с О в 1 и выполнен на логических элементах 2И-НЕ.

Устройство работает следующим образом. При включении питания начинает работать формирователь 11 эталонных временных интервалов (см. фиг. 1), на -первом выходе которого через рав ные промежутки времени, например сек, формируется импульс переноса (см. фиг. 3), устанавливающий триггер 8 в такое положение при котором его выходной сигнал зап рещает прохозвдение импульсов от генератора 2 через ключи 3 и 5 на вхо ды счетчиков 4 и 6. Одновременно этот же импульс через элемент 9 задержки поступает на управляющий вход ключа 10, через который осуществляется запись информации в вычитающий счетчик импульсов 6 с выходов суммирующего счетчика 4, и через элемент 7 задержки устанавливает в нулевое состояние суммирующий счетчик импульсов 4 и возвращает триггер 8 в исходное состояние. При напылении частота, кварцевого генератора 2 З еньшается под воздействием массы вещества растущей пленки, осаждаемой на кварцевьй датчик веса 1. В конце каждого цикла счета в сум1у1ирующем счетчике 4 фиксируется код соответствующий частоте кварцевого генератора 2, измеренной за предыдущий период, а в вычитающем счетчике 6 - код, соответствующий разности частот, измеренных за предыдущий и последующий циклы счета. Если, например, напыление на кварце вьй датчик веса 1 не производится, то на выходах вычитающего счетчика 6 к концу каждого цикла счета устанавливаются нулевые состояния, так как то количество импульсов, которое в него записывается всякий раз перед началом счета за предьщуший цикл измерения, полностью вычитается за последующий цикл измерения. . Таким образом, в конце каждого цикла счета устройства на входах блока 15 сравнения, непосредственно со диненных с выходами вычитающего сче ,чика 6, устанавливается код, пропор циональньй скорости напьтения. В случае, если скорость напылен равна заданной (находится в пределах заданного допуска, например, +25%), то .на выходе блока, сравнени 15 формируется скачок потенциала с О в 1 (см. фиг. 3), который по пает на вход формирователя импульс 88 33 анализатора 19 сбоев. На первый вход триггера 27 за некоторое время до окончания цикла счета (например, прел vcT мкс) поступает импульс предварительной установки со второго выхода формирователя 11 эталонных интервалов времени (см. временную диаграмму на фиг. 3), которьй устанавливает триггер 27 (см. фиг. 2) в состояние, открывающее элемент И-НЕ 22. На второй вход триггера 27 постзгпает импульс сброса, сформированньй в формирователе 33 импульсов из перепада потенциала на его входе с О в 1. Триггер 27 возвращается в исходное состояние и блокирует элемент И-НЕ 22. Основной импульс переноса, поступающий на первый вход ключа через инвертор 20 и линию 21 задержки, запаздывает относительно сигнала на другом его входе, поступающем с выхода триггера 27. Поэтому на счетный вход счетчика импульсов 25 и вход ключа 26 импульсов переноса не поступает и ключ 13 (см. фиг. 1) остается закрытым. Одновременно импульс с выхода формирователя 33 импульсов через открытьй ключ 31 (на первом входе присутствует сигнал разрешения, т.е. логическая 1) устанавливает счетчик 25 в нулевое состояние (или подтверждает это состояние) и через инвертор 32 и ключ 12 (см. фиг. 1) осуществляет перезапись информации о скорости с выходов счетчика 6 на входы регистров 16 скорости и 17 толщины. В другом случае, если по цепи кварцевого датчика веса 1 следуют, например, одиночные сбои. т.е. скорость напыления выходит за пределы допуска, то на входе формирователя 33 анализатора сбоев 19 скачок потенциала из О в 1 не формируется и триггер 27 (см. фиг. 2 и фиг. 4) остается в состоянии предварительной установки, разрешающем прохождение импульса переноса через элемент И-НЕ 22 на вход счетчика 25 и через открытьй ключ 26 на вход ключа 13 (см. фиг..1), которьй осуществляет запись информации о предьщущей, верной скорости напыления с регистра 16 скорости в регистр 17 толщины, а ложные значения скорости блокируются в вычитающем счетчике 6, так как на управляющий вход ключа 12 иъшульс переноса не постзтает. Однов ременно выходной сигнал триггера 27 (логическая 1) блокирует регулятор мощ ности 18 испарителя (см. фиг. 1), н позволяя последнему реагировать на единичные сбои информации. При появ лении в следующем цикле измерения достоверных значений скорости осаж дения информация об одиночном сбое, которая.фиксируется в счетчике 25, стирается. В случае, если число сбо ев., непрерьгоно следующих друг за другом, будет равно коэффициенту , счета N счетчика 25, то на выходе последнего формирует ся сигнал (на фиг. 4 не показан) прерывания (остановки процесса напыления). Если в процессе напыления произошел отказ кварцевого датчика веса 1, то на выходе усилителя 30 постоянного тока (см. фиг. 5)-устанавливается уро вень логического нуля, блокирующий элемент 22 счетчика 25 сбоев, ключи 31 и 26, причем на выходе ключа 26 устанавливается уровень логического О, который разрешает через ключ 13 (см. фиг. 1) осуществить за каждый последующий цикл счета устройства запись верной скорости, предшествующей отказу кварцевого датчика веса, из регистра 16 скорости в регистр 17 толщины основ ным импульсом переноса по управляющему входу ключа 13. Сигнал регулир вания испарителем фиксируется при этом на уровне, предшествздощему отказу кварцевого датчика веса. Сигна лом окончания процесса напыления будет накопление данных в -регистре 17 толщины до заданных значений. Таким образом, обеспечивается высокая помехозащищенность, а вместе с тем и точность процесса контроля и управления скоростью и толщиной тонких пленок в вакууме. Предложенное техническое решение позволяет за счет введения анализатора сбоев проводить технологический цикл напыления с большой достоверностью конечного результата, так как блокировка ложных значений скорости напыления при сбоях кварцевого датчика веса и запись в регистр .толщины достоверных предыдущих зна-чений измерения при одновременной фиксации сигнала управления испарителем, наличие аварийного сигнала при повторяющихся сбоях (непрерывно следующих друг за другом), а также фиксация сигнала, управляющего мощностью испарителя, на уровне, соответствующем прогнозируемой скорости (предшествующей отказу кварцевого датчика веса), с продолжением процесса напыления исключают основные причины, приводящие к браку. Использование устройства для контроля и управления скоростью осаждения и толщиной тонких пленок позволит увеличить процент выхода годных изделий, повысив помехозащищенность и точность измерения скорости напыления и толщины пленок.

v

.

Un

«M

e

r

«NI «w

; п

etuffdt ttmtati

t fuxoa mptftte/Kfi

t ВыяввлиWit зовг ЖяаУ

t Btfffffjfu-I MW40ffefKin/7

ejr9f4 SxtmilS

t B Jioft Saeteats

t - Лм1мГ9

t Вход f KMHtalt

t BbiMOiS SttKreia

Фиг.З

:t

л

6

7

I 5 /6

n

t

....л

n

П

US.tf

и

1

2 3

5

S 7 8

3 W

(Риг.5