HF-GDS-Quelle HFG-96

(Hochfrequenzquelle für die GDS-Nichtleiteranalytik)

Glimmentladungs-Quellen eignen sich auf Grund ihres nahezu planparallelen Probenabtrags und ihrer guten Tiefen-Auflösung hervorragend zur Oberflächen- und Schicht-Analytik auf festen Werkstoff-Proben. Seit einigen Jahren werden neben reinen Gleichstrom- (dc-) Anlagen, die auf elektrisch leitende Proben beschränkt sind, auch hochfrequenzgestützte Systeme eingesetzt, mit denen sich neben Leitern auch Nichtleiter oder nichtleitende Schichten analysieren lassen.

Das System HFG-96 unterscheidet sich in seiner Auslegung wesentlich von anderen Konzepten, die ausschließlich die aus konventionellen Anwendungen geläufigen Oszillator-Verstärker-Anpaßnetzwerk-Kombinationen verwenden. Im Gegensatz zu den dort anzutreffenden Verbrauchern mit linearer Charakteristik, (z.B. Sendeantennen) stellt die GDS jedoch eine nichtlineare Last mit komplexer Charakteristik dar. Genau darauf ist HFG-96 ausgelegt.

Generator

 
Generator in 19"-Einschub

q Ein freischwingender Hochfrequenzgenerator ohne träges Anpaßnetzwerk gewährleistet sofortige stabile Entladungsbedingungen, einen extrem weichen Start der Entladung (wichtig für dünnste Oberflächenschichten!) und problemloses Verhalten im Übergangsbereich von Schichten, z.B. von Nichtleitern auf Leiter etc.

Hintergrund:

speziell beim Start der Entladung, aber auch bei Schichtübergängen stellen sich erhebliche Impedanzsprünge ein, die hier sofort automatisch durch eine leichte Frequenzshift des Generators kompensiert werden. Die Impedanz der Entladungskammer liegt im Kiloohm-Bereich und ändert sich beim Übergang vom plasmalosen zum durchgezündeten Zustand (Entladung = Last) um ein Vielfaches! Anpaßnetzwerke müssen üblicherweise erst mechanisch(!) z.B. mit durch Elektromotoren angetriebene Drehkondensatoren, d.h. langsam, nachgestimmt werden, dabei kann es im Extremfall durch Fehlanpassung zur Zerstörung der Probe kommen, die Reproduzierbarkeit ist eingeschränkt. Diese Anpaßnetzwerke sind eigentlich zum Anschluß von Verbrauchern mit linearem und konstanten Verhalten im 50-Ohm-Bereich gedacht.
 

q Die Arbeitsfrequenz beträgt ca. 3,5 MHz, da hier ein Optimum der Sputterbedingungen bei geringen Verlusten in Kabeln etc. zu finden ist.
 

q Die Spitzen-Spitzen-Spannung an der Probe erreicht bis zu 5000V, um auch dickere Nichtleiter (insbesondere nichtleitende Standards!) noch vernünftig analysieren zu können.
 
  

dc/HF-GDS-Kombi-Quelle mit typischen Proben

q Die als Kombi - Quelle ausgelegte GDS ist ohne Umbau für konventionellen dc- und HF- Betrieb gleichermaßen geeignet, so daß beispielsweise schon vorhandene dc-Methoden prinzipiell weiter verwendet werden können.
 

q Eine Wasserkühlung der GDS sowie des Proben-Andruck-Stempels sorgt für beidseitige Probenkühlung und dafür, daß auch thermisch empfindliche Proben nicht überlastet werden.
 

q Der kleinste mögliche Probendurchmesser beträgt durch die miniaturisierte Abdichtung 8mm. Dies führt zu erheblicher Probenersparnis und erweitert die Möglichkeit, auch kleinste Proben noch zu messen. Eine noch weiter miniaturisierte Quelle ist in Vorbereitung.
 

q Es sind leicht auswechselbare Anoden von 1 bis 4mm Innendurchmesser verfügbar.
 

q Die GDS ist prinzipiell bei fast allen gängigen GDS-Spektrometern nachrüstbar.
 
 

Meßtechnik

 GDS-Quelle (oben) und Abschirmkappe (unten)
mit eingebauten elektronischen Meß-Sensoren
und gekühltem (!) Probenkontakt

q Eine patentierte, probennahe phasenrichtige Strom-, Spannungs- und Leistungsmeßtechnik (echte Mittelwerte = true RMS!) gewährleistet zusammen mit einer entsprechenden Regelung des HF-Generators absolut konstante, reproduzierbare Analysen-Bedingungen durch Nachführen der echten Plasmaparameter während der gesamten Analysenlaufzeit, also auch über völlig unterschiedliche Schichten (leitend und/oder nichtleitend) hinweg bis in das Substratmaterial hinein (automatische Plasmaregelung). Natürlich sind damit nun auch reproduzierbare Plasmabedingungen von Messung zu Messung gegeben.

Der Generator kann auf Konstanz jedes der gemessenen Parameter geregelt werden.

Mit dieser Anordnung werden vergleichbare, reproduzierbare Messungen Realität.

Konventionelle Meßtechnik (wie sie z.B. bei den Matchbox-Systemen anzutreffen ist) benutzt sogenannte Reflektometer, die jedoch wiederum ausschließlich bei linearen Verbrauchern (Antennen!) Sinn machen, wie übrigens schon deren Erfinder in seiner Patentschrift aus den dreißiger Jahren dargelegt hat (siehe oben). Plasmaanwendungen hingegen haben komplexe Meßparameter mit wesentlichen Imaginär-Anteilen, die mit Reflektometern nicht erfaßt werden können.
 

q Ein Daten-Interface ermöglicht die Ausgabe von HF-Strom, -Spannung und -Leistung, dc-Spannung, dc-Strom und Bias sowie gegebenenfalls deren Darstellung und Verarbeitung mittels der vorhandenen Spektrometer-Software.
 

q Die plasmanahe, phasenrichtige Strom-, Spannungs- und Leistungsmeßtechnik liefert eine wichtige Hardware-Voraussetzung für eine softwaremäßig zu realisierende quantifizierte Nichtleiter-Tiefenprofil-Analytik.
 
 

Allgemein
 

q Alle Baugruppen, einschließlich der Proben-Andruck-Vorrichtung sind gewissenhaft HF-dicht abgeschirmt zur Einhaltung der verschiedenen Störstrahlungsvorschriften.

q Die Komponenten Meßtechnik, Generator und Quelle sind auch einzeln erhältlich und bei schon existierenden Anlagen prinzipiell nachrüstbar.
 

Einbaubeispiel:

dc/HF-Kombi-Quelle mit Schirmkappe und Meß-Sensoren, nachgerüstet an einem GDS-750 (Fa. Leco)
geöffnet zum Probenwechsel                        geschlossen (zur Messung)

Manueller Betrieb:

Falls spektrometerseitig die Möglichkeiten zu einer Software-Integration der Steuerung und Übernahme der elektrischen Meßparameter fehlen, kann das Gerät auch manuell mit einem optionalen Hand-Bediengerät betrieben werden, bei dem die Meßsignale (0-10V) mit beliebigen Mitteln (z.B. Multimeter) ausgelesen werden können. Dieses Hilfsmittel ist auch für Service- und experimentelle Zwecke gelegentlich recht nützlich.