SENSOR FOR MEASURING ELECTRICAL PROPERTIES IN AN ELECTRIC FIELD

Abstract: 1. A sensor for measuring dielectric properties of objects of measurement in the electric field by means of three electrodes of which a first (1) and a second (3) field-generating electrodes are arranged in different horizontal planes and are acted upon by an alternating voltage displaced through 180 degrees and the third electrode is arranged as a sensor electrode (2) with mutual spacing from and in the same horizontal plane as the first field-generating electrode, characterised in that the electrodes are in each case produced in the form of a thin conductive layer, the second field-generating electrode (3) being applied on an electrically insulating carrier (4) and the first field-generating electrode (1) as well as the sensor electrode (2) being applied on an electrically insulating layer coating the second field-generating electrode in such a way that the first field-generating electrode as well as the sensor electrode overlap a part of the second field-generating electrode and that the first field-generating electrode and the sensor electrode serve as a base for the object to be measured.

Description: "Sensor zur Messung elektrischer Eigenschaften im elektrischen Feld" Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung elektrischer Eigenschaften von Objekten im elektrischen Feld mittels zweier felderzeugender, an eine Wechselspannungsquelle anschli essbar er Elektroden, und einer Sensorelektrode. Aus der EP-OS 38 551 ist ein Sensor zur berührungslosen Bestimmung der Lage und der dielektrischen Eigenschaften von Objekten bekannt, welcher zwei an einen Oszillator angeschlossene felderzeugende Elektroden aufweist, wobei in dem erzeugten elektrischen Feld eine Sensorelektrode untergebracht ist. Die beiden felderzeugenden Elektroden werden jeweils mit einer um 180D verschobenen Wechselspannung beaufschlagt, wobei die Amplituden der beiden Wechselspannungen so gewählt sind, dass die Sensorelektrode bei Abwesenheit zu erfassender Objekte keinen Strom führt, da die durch die beiden felderzeugenden Elektroden bewirkten Ströme gegenseitig kompensiert sind. Wird nun ein Objekt mit zur Umgebung unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante unsymmetrisch zur Messelektrode in das Feld eingebracht, so bewirkt eine Änderung der Feldverteilung durch das Objekt eine Potentialverschiebung an der Sensorelektrode. Aufgrund der Phasenlage ist es möglich festzustellen, auf welcher Seite der Sensorelektrode sich das Objekt im Wechselfeld befindet; die Amplitude des Wechselstromes ist ein Mass für den Abstand des Objektes von einem definierten Punkt oder von einer Ebene des Sensors. In einer praktischen Ausführungsform wird ein Drei-Elektroden-System beschrieben, welches mit einer Abschirmung versehen ist, so dass das Feld nur an der Stelle der offenen Abschirmung in den Raum austritt, und der Sensor somit eine Fühlrichtung aufweist. Zur Durchführung von Abstandsmessungen kann ein Schwellwertglied als Indikator für den richtigen Abstand eingesetzt werden. Der aus der obengenannten EP-OS bekannte Sensor ist vom Messgerät örtlich trennbar, so dass er auch in einer aggressiven Atmosphäre, wie in einem Ofen, beispielsweise zur Bestimmung der Oberkante von Werkzeugstücken, einsetzbar ist. Werden jedoch darüber hinaus erhöhte Forderungen an die Präzision der Abstandsmessung, wie sie beispielsweise bei der Bestimmung der Stärke aufgedampfter optischer Schichten auftreten, gestellt, muss aufgrund des verhältnismässig weiten Abstandes der stangenförmigen Elektroden mit ungenauen Messergebnissen gerechnet werden. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Sensor zu schaffen, der eine genaue Messung von geringen, vorzugsweise im Mikrometerbereich liegenden Schichtstärken aufzubauender oder der Restdicke abzubauender Schichten mit vorgegebenen Materialeigenschaften nach dem D-Feld-Prinzip ermöglicht. Der Sensor soll möglichst geringe Abmessungen aufweisen, hochstabil sein, unter erschwerten Umweltbedinungen - wie sie z.B. bei hohen Temperaturen, in aggressiven Gasen sowie unter Reinraum-Bedingungen vorliegen - einsetzbar und mit geringem Aufwand möglichst präzise herstellbar sein. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Messung eines auf den Sensor aufbringbaren schichtförmigen Objektes auf einem Träger aus elektrisch isolierendem Werkstoff in einer Ebene eine felderzeugende Elektrode und eine Sensorelektrode in einer Schicht nebeneinanderliegend mit Abstand zueinander aufgebracht sind, und dass zwischen den beiden Elektroden und dem Träger, durch eine elektrisch isolierende Schicht von diesen Elektroden getrennt, eine zweite felderzeugende Elektrode angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Sensor aus einem Träger aus Siliziumdioxid, auf dem die felderzeugende Elektrode und die Sensorelektrode photolithographisch in Dünnschichttechnik aufgebracht sind. Die beiden Elektroden weisen in einer Ebene angeordnete Teilarme auf, welche kammartig ineinandergreifen, ohne sich zu berühren. Der zwischen diesen Elektroden befindliche Raum weist beim Einsatz zur Messung elektrisch isolierender Schichten keine zusätzliche äussere Beschichtung auf. Zur Messung elektrisch leitender Beschichtungen sind die beiden Elektroden mit einem elektrisch isolierenden Überzug in der Stärke der zu messenden Schicht abgedeckt, der auch den Raum zwischen diesen beiden Elektroden wenigstens teilweise ausfüllt. Vorzugsweise besitzt der Überzug eine Schichtdicke im Bereich von 1 Fm; als Isoliermaterial wird vorzugsweise Glas oder Quarzglas verwendet. Bei Verzicht auf den Überzug ist es möglich, eine direkte Messung zwischen der felderzeugenden Elektrode und der neben ihr liegenden Sensorelektrode durchzuführen. Unterhalb der beiden nebeneinander liegenden Elektroden - und von diesen durch eine Isolationsschicht getrennt - ist die zweite felderzeugende Elektrode als zusammenhängende leitfähige Schicht angeordnet. Sie besteht vorzugsweise aus Metall, wie beispielsweise Aluminium oder Gold. Als vorteilhaft erweist es sich, dass die erfindungsgemässen Sensoren nach dem Prinzip des in der Halbleitertechnik üblichen Planar-Verfahrens hergestellt werden können. Eine Anderung des aufbringbaren schichtförmigen Objekts führt zu einer Änderung der beiden Teilfelder zwischen den felderzeugenden Elektroden und der Sensorelektrode. Dies führt nach dem Prinzip der D-Feld-Sonde zu einer die Schichtdicken oder die dielektrischen Eigenschaften des schichtförmigen Objekts charakterisiedenden Messgrösse. Fertigungstoleranzen des erfindungsgemässen Sensors können durch Abgleich der Feldgeneratoren, mit denen die felderzeugenden Elektroden verbunden sind, kompensiert werden. Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Figuren 1 a bis 1 c zeigen eine einfache Ausbildung des Sensors, Figuren 2 a bis 2 c zeigen einen Sensor mit kammartig ineinandergreifenden Elektroden, Figuren 3 a und 3 b zeigen einen Sensor mit mäanderförmig verlaufenden Elektroden. Figur la zeigt in einer Draufsicht die felderzeugenden Elektrode 1 und die Sensorelektrode 2, welche in einer einzigen Ebene auf einer isolierenden Schicht 5 angeordnet sind. Die Elek- troden 1 und 2 sind jeweils über Anschlüsse 9, 10 mit einer Messanordnung verbindbar. Über den Anschluss 9 ist die felderzeugende Elektrode 1 mit einem Feldgenerator verbindbar. Unterhalb der isolierenden Schicht 5 ist die in der Draufsicht nicht sichtbare zweite Feldelektrode angeordnet, die ebenfalls mit einem Feldgenerator verbindbar ist. Figur lb zeigt die erfindungsgemässe Anordnung im Schnitt längs der Linie A-B gemäss Figur la. In dieser Figur sind die beiden Elektroden 1, 2, welche sich auf der isolierenden Schicht 5 befinden, erkennbar. Mit 4 ist der Träger bezeichnet. Über beiden Elektroden 1, 2 bzw. in deren Zwischenraum ist das schichtförmige Objekt 6 erkennbar, welches aufgrund seiner dielektrischen Eigenschaften die über die Sensorelektrode 2 erfasste Messgrösse beeinflusst. Unterhalb der isolierenden Schicht 5 ist die zweite felderzeugende Elektrode 3 erkennbar. Sie besitzt ebenfalls einen Kontaktanschluss für die Verbindung mit einem Feld generator; dieser Anschluss ist jedoch zur besseren Übersicht nicht dargestellt. Die zu bestimmenden Schichtstärken des schichtförmigen Objekts 6 liegen im Bereich von 50 A bis zu 1 Fm, soweit der erfindungsgemässe Sensor in der Halbleitertechnik eingesetzt wird. Bei Anwendungen des Sensors in der optischen Beschichtungstechnik o liegen die Schichtstärken des Objekts 6 zwischen 100 A und 10 ijm. Die geforderte Genauigkeit beträgt dabei etwa 1 tD. Figur lc zeigt ebenfalls einen Querschnitt entlang der Linie A-B gemäss Figur la, jedoch für den Fall, dass der Sensor zur Messung von elektrisch leitfähigen schichtförmigen Objekten 6 eingesetzt wird. Hierfür ist es notwendig, die Elektroden 1, 2 mit einer elektrisch isolierenden Schicht 7 abzudecken, um einen Kurzschluss zwischen den Elektroden zu vermeiden. Figur 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf einem Träger 4 die Elektroden 1, 2 mit ihren Teilarmen 1', 2' kammartig in einer Ebene ineinandergreifen. Zwischen den Teilarmen 1' und der zweiten felderzeugenden Elektrode 3 bilden sich elektrische Feldlinien aus, die nicht nur auf der direkten Verbindungslinie zwischen beiden felderzeugenden Elektroden 1, 3 existieren, sondern nach Art eines Streufeldes auch die Teilarme 2' der Sensorelektrode 2 erfassen. Wie bereits erwähnt, kann bei vorgegebener Dielektrizitätskonstante E aus der zwischen beiden Elektroden 1, 3 auftretenden dielektrischen Verschiebungsdichte auf die Schichtstärke des Objekts 6 geschlossen werden. Für die Messung eines elektrisch leitenden schichtförmigen Objekts 6 müssen jedoch die Elektroden 1, 2 mittels eines elektrisch isolierenden Überzugs 7 vor einer direkten, galvanischen Stromleitung zwischen beiden Elektroden 1, 2 geschützt werden. Eine derartige Anordnung ist auch entsprechend für schichtförmige Objekte 6 aus Halbleitermaterial vorzusehen. Die in Figur 2b und 2c dargestellten Querschnitte längs einer Linie ±-D entsprechen den in den Figuren lb und lc dargestellten Schnittbildern. Figur 2c zeigt einen Schnitt längs der Linie ±-D der Figur 2a mit dem aufzubringenden schichtförmigen Objekt 6. Als besonders vorteilhaft erweist sich die aus den Figuren 2a, 2b und 2c ersichtliche Vielzahl von Teilarmen 1', 2'; es resultiert eine streufeldartige, grossflächige Verteilung von Feldlinien. Die zweite felderzeugende Elektrode 3 besteht dabei aus einer zusammenhängenden Metallfläche. Figur 3a zeigt eine Anordnung, bei der nebeneinander liegende Teilarme 1' der felderzeugenden Elektrode 1 durch Elektrodenstege 1" so miteinander verbunden sind, dass die Elektrode 1 ein durchgehendes Mäanderband bildet. Entsprechend sind auch die Teilarme 2' der Sensorelektrode 2 durch Elektrodenstege 2" miteinander verbunden. Aufgrund der Mäanderstruktur wird eine verhältnismässig grosse Fläche sowohl der felderzeugenden Elektrode 1 als auch der Sensorelektrode 2 auf einem kleinen Raum untergebracht; eine solche Anordnung eignet sich vorteilhafterweise zur Herstellung von Mikrosensoren. Aufgrund der sich regelmässig wiederholenden Struktur ergibt sich eine vereinfachte Herstellung in Form eines durchgehenden Mäanders, wobei das gewünschte Format des Sensors durch einen einfachen Trennvorgang zugeschnitten werden kann. Figur 3b zeigt einen Längsschnitt entlag der Linie E-F gemäss Figur 3a. In dieser Figur ist erkennbar, dass mit Ausnahme der äusseren t eilarme 1', 2' wechselweise jeweils zwei Teilarme 1' der Elektrode 1 und zwei Teilarme 2' der Elektrode 2 aufeinanderfolgen. Die zweite felderzeugende Elektrode 3 befindet sich wiederum auf dem Träger 4 und ist von den Elektroden 1 und 2 durch die isolierende Schicht 5 elektrisch getrennt. Der in Figur 3b dargestellte Querschnitt entspricht in Aufbau und Funktion den in den Figuren lb und Ic dargestellten Schnittbildern. Bei einer miniaturisierten Bauweise lässt sich eine Vielzahl von erfindungsgemässen Sensoren im Mikroformat auf einem plättchenartigen Träger 4 aufbauen, so dass eine einzelne Sonde nur jeweils für die Messung einer Schicht oder einiger weniger Schichten verwendbar wird. Auf diese Weise ist es möglich, bei zahlreichen Schichten jede Schicht mit der gleichen Genauigkeit zu vermessen. Eine derartige Sonde kann einer integrierten Halbleiter-Schaltung (IC) entsprechend kontaktiert und gesockelt sein. Durch eine bewegliche Blende ist das Beschichtungsfeld für das schichtförmige Objekt begrenzbar.

Claims: "Sensor zur Messung elektrischer Eigenschaften im elektrischen Feld" Patentansprüche 1. Sensor zur Messung elektrischer Eigenschaften von Objekten im elektrischen Feld mittels zweier felderzeugender, an eine Wechselspannungsquelle anschliessbarer Elektroden, und einer Sensorelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung eines auf den Sensor aufbringbaren schicht förmigen Objektes (6) auf einem Träger (4) aus elektrisch isolierendem Werkstoff in einer Ebene die eine felderzeugende Elektrode (1) und die Sensorelektrode (2) in einer Schicht nebeneinanderliegend mit Abstand zueinander aufgebracht sind, und dass zwischen den beiden Elektroden (1, 2) und dem Träger (4) durch eine elektrisch isolierende Schicht (5) von diesen Elektroden (1, 2) getrennt, die zweite felder zeugende Elektrode (3) angeordnet ist. 2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 2) mit einer elektrisch isolierenden Schicht (7) bedeckt sind. 3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtstärken der elektrisch isolierenden Schicht (7) und des zu messenden schichtförmigen Objekts (6) etwa gleich sind. 4. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen beiden Elektroden (1, 2) befindliche Raum (8) wenigstens teilweise von der Schicht (7) ausgefüllt ist. 5. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 2) streifen förmig nebeneinanderliegend angeordnet sind, und die Elektrode (3) eine zusammenhängende Fläche bildet. 6. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1, 2) kammartig ineinandergreifen. 7. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar benachbarte Teil arme (1') der Elektrode (1) über einen Elektrodensteg (1") zur Bildung eines Mäanders miteinander verbunden sind und die Elektrode (2) ebenfalls mäanderförmig ausgebildet ist. 8. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (4) aus glasigem oder keramischem Werkstoff, ins besondere aus Siliziumdioxid, besteht. 9. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (4) aus hochreinem Silizium besteht.

Inventors: ROSS, DIETER, DR., Röss, Dieter, Dr.
Applicants: HERAEUS SENSOR GMBH
Application year: 1985
Main classification: G01B7
IPC codes: G01R27, G01R31, G01B7