DD246838A1

DD246838A1 - Verfahren zur zerstoerungsfreien haftfestigkeitsmessung duenner metallisierungsschichten mittels schallemissionsanalyse

Info

Publication number: DD246838A1
Application number: DD28818686A
Authority: DD
Inventors: Marcus Naether
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1986-03-24
Filing date: 1986-03-24
Publication date: 1987-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstoerungsfreien Haftfestigkeitsmessung duenner Metallisierungsschichten mittels Schallemissionsanalyse. Durch ganzflaechige, beruehrungslose Strahlungserwaermung werden in der Probe akustische Signale emittiert, die in ihrem Verlauf ueber die Probentemperatur durch die gegebene Haftfestigkeit dahingehend beeinflusst werden, dass geringe Haftfestigkeiten die Ursache fuer fruehzeitigere und heftigere Schallemissionsreaktionen darstellen. Nach Aufnahme und Wandlung der akustischen Signale in elektrische errechnet ein Prozessrechner unter Nutzung von Kalibrierungsdaten aus dem Impulssummen-Temperatur-Verlauf der Probe, deren aktuelle Haftfestigkeit, quantifiziert in MPa. Bei der Quantifizierung der Haftfestigkeit im Rahmen der notwendigen Kalibrierung findet der Zugversuch Anwendung. Das Verfahren gestattet die automatische Messung im laufenden Produktionsprozess und ist in der Halbleiterindustrie, der Leiterplattentechnik o. ae. anwendbar. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung gestattet die schnelle und zerstörungsfreie Messung der Haftfestigkeit dünner Metallisierungsschichten unter Anwendung der modernen Schallemissionsanalyse und ist zudem geeignet, im automatisierten Produktionsprozeß Einzug zu finden.

Das Verfahren ist vorrangig für die Erfassung der Haftfestigkeit dünner Aluminiumschichten auf einkristallinen Siliziumsubstraten vorgesehen, jedoch auch auf andere Schicht-Substrat-Kombinationen anwendbar.

Einsatzmöglichkeiten ergeben sich in der Halbjeiterindustrie, weiterhin ist auch eine Anwendung im Korrosionsschutz, der Galvanotechnik, der Leiterplattenindustrie ο. ä. möglich.

Charakteristik der bekannten technischen Lösung

In der einschlägigen Literatur (z.B. Nitzsche, K.: Schichtmeßtechnik, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1974) sowie auch in der DD-PS 146210 ist eine Vielzahl von Verfahren zur Haftfestigkeitsbestimmung aufgeführt. Alle diese Verfahren lassen sich^aber dadurch charakterisieren, daß sie entweder zerstörend sind oder aber auf zerstörungsfreiem Wege nur Relativaussagen über die Haftfestigkeit (z. B. gut — schlecht; kleiner als — größer als) liefern.

In der DD-PS 138106 wird der Versuch unternommen, durch die unmittelbare Kombination Zugversuch — Schallemissionsmessung, zur zerstörungsfreien Haftfestigkeitsprüfung bei gleichzeitiger Ermittlung konkreter mechanischer Belastungswerte, als Maß für die Haftfestigkeit, zu gelangen. Allerdings wird dabei gerade dem Aspekt der Zerstörungsfreiheit durch das Einkleben der Proben in eine Zugvorrichtung nur in ungenügendem Maße Rechnung getragen.

Zusätzliche Unsicherheiten erwachsen aus den hohen Anforderungen an die Güte der Klebeverbindungen sowie aus dem ungesicherten Beitrag der Klebestelle einerseits und dem der Zugprüfmaschine selbst auf der anderen Seite zur registrierten Schallemission.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der quantifizierten, zerstörungsfreien Messung der Haftfestigkeit dünner Metallisierungsschichten mittels Schallemissionsanalyse mit folgenden Vorteilen:

— berührungslose Einbringung der mechanisch wirksamen Belastung durch Wärmebestrahlung der Probe von der Schichtseite her

— feste und problemlos zu lösende Kopplung der Probe an den Schallaufnehmer bzw. den Wellenleiter von der Substratseite her (Ausschluß mechanischer Schichtbeschädigung)

— keine besondere Probenvorbereitung nötig (Kalibrierungsproben sind Ausnahme)

— leichte Automatisierbarkeit durch Anwendung eines Prozeßrechners möglich (Ausschluß subjektiver Einflüsse)

— 100%ige Probenerfassung

— quantifizierte Messung der Haftfestigkeit in MPa (Messung an sehr dünnen Schichten möglich — kleiner 1 Mikrometer)

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zerstörungsfreien Haftfestigkeitsmessung dünner Metallisierungsschichten mittels Schallemissionsanalyse zu entwickeln und einer praktikablen Lösung zuzuführen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die für die Anwendung des modernen akustischen Verfahrens der Schallemissionsanalyse notwendige mechanisch wirksame Belastung der Probe durch eine ganzflächige, berührungslose Strahlungserwärmung von der Schichtseite her erzeugt wird. Durch die gegebene Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Schicht und Substrat bauen sich in der dazwischenliegenden Grenzfläche Schubspannungen auf, welche die Ursache für die Aussendung von Schallemissionssignalen darstellen. Diese Signale werden in ihrem Verlauf über der Probentemperatur durch die gegebene Haftfestigkeit der Schicht auf dem Substrat beeinflußt. Dies geschieht in der Weise, daß schlechte Schichthaftung höhere Schubspannungsenergien und damit frühzeitigere und heftigere Schallemissionsreaktionen induziert. Die thermische Belastung sollte möglichst kurzzeitig und intensiv sein, die genauen Bedingungen sind abhängig von der Probengröße, der Materialkombination sowie den gegebenen Verhältnissen für die

Wärmeableitung und-reflexion.

Die Schallsignale werden von der Schichtseite der Probe her mittels eines Schallaufnehmers abgenommen, in ein elektrisches Signal gewandelt, verstärkt, digitalisiert und einem Prozeßrechner zur Auswertung zugeführt.

Zu Beginn des Einsatzes ist es erforderlich, eine Kalibrierung des Verfahrens mittels einer genügend großen Zahl von Proben bzw. Probenchargen mit im interessierenden Bereich gezielt zu variierender Haftfestigkeit durchzuführen. Diese Variation der Schichthaftung läßt sich auf verschiedene Weise realisieren, so z.B. durch:

— verschiedene Substratbehandlung vorder Beschichtung (z.B. verschiedene Reinigungsprozeduren) oder -^- unterschiedliche Probenbehandlung nach der Beschichtung (z. B. Temperaturbehandlung, Probehalterung).' Bei den anschließenden Schallemissionsmessungen werden die Impulssummenverläufe in Abhängigkeit von der Probentemperatur über den Prozeßrechner auf einem Datenträger gespeichert. Mittels vergleichender Haftfestigkeitsmessungen im Zugversuch wird die Haftfestigkeit der Kalibrierungsproben quantifiziert in MPa ermittelt und gleichfalls auf dem Datenträger gespeichert. Mit der numerischen Ermittlung des Haftfestigkeitseinflusses auf die Impulssummen-Temperatur-Verläufe, vorzugsweise unter Anwendung der Regressionsanalyse und der Abspeicherung der Ergebnisse ist die Kalibrierung beendet.

Nun können die Messungen im laufenden Produktionsprozeß beginnen, der Prozeßrechner ermittelt aus den aktuellen Impulssummen-Temperatur-Verläufen jeder Probe mittels der Kalibrierungsdaten die Haftfestigkeit in MPa.

Abschließend wird noch darauf hingewiesen, daß die Kalibrierung:

1. für jede Materialkombination Substrat — Schicht und

2. bei verschiedenen Schichtdicken neu durchgeführt werden muß.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in Figur 1 die schematische Darstellung des Verfahrens. Die Probe 3, die Schichtseite dem Halogenstrahier 2 bzw. dem Reflektor 1 zugewandt, wird mittels Vakuumansaugung fest an den Probentisch 4 angedrückt, der Anschluß an die Vorvakuumpumpe erfolgt über den Anschlußstutzen 6. Eine gute akustische Kopplung zwischen Probe 3 und Probentisch 4 wird durch die Verwendung eines flüssigen Koppelmittels gewährleistet, z. B. mit Öl. Der Wellenleiter 5 verhindert die Erwärmung des piezoelektrischen Schallaufnehmers SA und sorgt für eine gute Übertragung der akustischen Signale. Die durch die Wärmebestrahlung der Probe 3 erzeugten Schallwellen werden im Schallaufnehmer SA in ein elektrisches Signal gewandelt und in der Schallemissionsverstärkungs- und Auswerteeinheit SEE verstärkt, digitalisiert und gezählt. Diese dann in den Prozeßrechner PR einfließenden Informationen sowie die durch dasThermoelement7 gewonnenen und über das Digitalvoltmeter DVM gleichfalls an den Prozeßrechner PR geleiteten Temperaturdaten werden numerisch weiterverarbeitet. Mittels der gespeicherten Kalibrierungsdaten ermittelt der Prozeßrechner PR die Haftfestigkeit der Probe 3.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Haftfestigkeitsmessung dünner MetallisieYungsschichten mittels Schallemissionsanalyse, gekennzeichnet dadurch, daß mittels ganzflächiger, berührungsloser Strahlungserwärmung der Probe (3) haftfestigkeitsabhängige Schallemissionsreaktionen erzeugt und einem Prozeßrechner (PR) nach deren Wandlung in elektrische Signale dahingehend zur Auswertung zugeführt werden, daß aus dem Impulssummen-Temperatur-Verlauf der Probe (3) anhand der bei der vorangegangenen Kalibrierung gewonnenen Daten die Haftfestigkeit ermittelt wird.

2. Verfahren nach Pu η let !,gekennzeichnet dadurch, daß der eigentlichen Messung eine Kalibrierung derart vorangestellt wird, daß mittels des Prozeßrechners (PR) die Impulssummen-Temperatur-Verläufe der zur Kalibrierung zu verwendenden Proben (3) in Beziehung zu deren gezielt variierten Haftfestigkeiten gebracht werden, bei vorzugsweiser Anwendung der Regressionsanalyse.

Hierzu 1 Seite Zeichnung