DE4231205A1

DE4231205A1 - Verfahren zur Bestimmung mechanischer Spannungen in einem Verbundkörper sowie Verwendung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE4231205A1
Application number: DE19924231205
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Phys Dr Wecker; Bernhard Dipl Phys Holzapfel; Thorsten Dipl Phys Matthee
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-09-18
Filing date: 1992-09-18
Publication date: 1994-03-24

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestim mung mechanischer Spannungen, die in einem Verbundkörper aus einem Substrat und mindestens einer darauf aufgebrach ten, vergleichsweise dünneren Schicht zumindest aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratmaterials und des Schichtmaterials bei einer Temperaturänderung hervorgerufen werden und zu einem Ver biegen des Verbundkörpers führen, bei welchem Verfahren die Krümmung der Oberfläche des Verbundkörpers als Maß größe für die Spannungen ermittelt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung dieses Verfahrens. Ein entsprechendes Verfahren geht aus der Veröffentlichung "IEEE Trans. Electron. Dev.", Vol. ED-34, No. 3, März 1987, Seiten 689 bis 699 hervor.

Häufig sind Verbundkörper aus einem Substrat und minde stens einer darauf abgeschiedenen Schicht aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgebaut. Unter einem Substrat sei hierbei ein Träger für die Schicht mit einer vergleichsweise größeren, insbeson dere um mindestens einen Faktor 2 größeren Dicke verstan den. Die Dicke der Schicht liegt dabei im allgemeinen zwi schen 10 nm und 1 mm. Dann hat der Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zur Folge, daß die abgeschiedene Schicht sich während einer Temperaturände rung, beispielsweise bei einem Abkühlen von einer Deposi tionstemperatur des Schichtmaterials auf Raumtemperatur oder auf eine demgegenüber verschiedene Betriebstemperatur dem Substrat längenmäßig anpassen muß. Dieser Effekt führt, je nach Differenz der Ausdehnungskoeffizienten, der Schichtdicken und/oder des Temperaturunterschiedes zu er heblichen mechanischen Spannungen in der Schicht. Das Vor zeichen dieser Spannungen in Form von Druck- oder Zugspan nungen hängt dabei davon ab, ob der Ausdehnungskoeffizient des Schichtmaterials kleiner oder größer als der des Sub stratmaterials ist.

Die so in der Schicht eingeprägte Spannung hat anderer seits zur Folge, daß der nachfolgend als Verbundkörper be zeichnete Aufbau aus Schicht und Substrat insgesamt ver spannt. Beispielsweise führt im Falle einer metalloxidi schen Schicht auf Silizium die Spannung zu einer konkav gekrümmten Oberfläche. Aus der Größe der Verbiegung des Verbundkörpers ist die Spannung bei bekannten elastischen Konstanten berechenbar. Im erwähnten Beispiel mit einer 100 nm dicken Schicht aus mit Y stabilisiertem ZrO₂ (Ab kürzung: YSZ) auf einem 0,5 mm dicken Si-Substrat ergibt sich eine Zugspannung von etwa 1 bis 2 GPa in der YSZ- Schicht.

Eine bekannte Meßmethode zur Ermittlung der Krümmung der Oberfläche eines entsprechenden Verbundkörpers der Halb leitertechnik besteht darin, daß mittels eines Laser strahls die Oberfläche einer Metallisierungsschicht auf Al-Basis abgerastert wird und man die Position des re flektierten Strahls bestimmt (vgl. die eingangs genannte Veröffentlichung aus "IEEE Trans. Electron. Dev."). Hier bei ist der Strahlengang so eingerichtet, daß bei pla narem, d. h. unverspanntem Si-Substrat der rasternde Laser strahl immer in demselben Punkt fokussiert wird. Bei einem verspannten Aufbau mit beschichtetem Substrat tritt dann eine Krümmung der Oberfläche auf, die eine Abweichung des reflektierten Strahls aus dem Fokuspunkt bewirkt. Diese Abweichung wird mit einer Fotodiodenleiste gemessen. Die so erreichbare Auflösung beträgt bei dem bekannten Verfah ren einige MPa. Das bekannte Verfahren ist jedoch wegen der erforderlichen Laser-Technologie verhältnismäßig auf wendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen zu verein fachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Krümmungen der Oberfläche des Verbundkörpers und der des noch unbeschichteten Substrates ermittelt werden und eine Subtraktion der entsprechenden Meßpunkten zuzuordnenden Meßgrößen beider Messungen vorgenommen wird, wobei die Oberflächen des Verbundkörpers und des noch unbeschich teten Substrates jeweils mit einem nadelförmigen Meßfüh ler eines Schichtdickenmeßgerätes nach einem vorgegebenen Rasterschema abgetastet werden und der Verbundkörper und das noch unbeschichtete Substrat jeweils auf drei Auf setzpunkte einer Halterung aufgelegt werden.

Bei der Erfindung wird dabei von der Erkenntnis ausgegan gen, daß mit einem an sich bekannten Schichtdickenmeßge rät mit nadelförmigem Meßfühler, wie es insbesondere zur Messung von Schichtdicken, Profilen oder Topographien in der Dünn- und Dickfilmtechnik eingesetzt wird, unter spe ziellen Bedingungen auch die in erster Linie thermisch be dingten Krümmungen eines Verbundkörpers aus einem Substrat mit aufgebrachter Schicht ermittelt werden können. Da ge mäß der Erfindung der auszumessende Verbundkörper auf einem Drei-Bein einer Halterung aufliegt, ist eine unver fälschte Messung gewährleistet. Mit der vorgesehenen Sub traktionsmessung sind vorteilhaft die Einflüsse von

- Anfangsrauhigkeiten des noch nicht beschichteten Sub strates,
- durch die Gravitationskräfte bedingten Eigenverbiegun gen des Substrates und des Verbundkörpers sowie
- durch das Eigengewicht des aufgesetzten nadelförmigen Meßfühlers hervorgerufenen geringen Verbiegungen des Substrates und des Verbundkörpers

auf die Meßwerte zu eliminieren. Die mit der erfindungs gemäßen Ausgestaltung des Verfahrens verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß eine derartige Be stimmung von Krümmungen eines Verbundkörpers auf einfache Weise und mit einer für eine Berechnung von mechanischen Spannungen hinreichender Genauigkeit ermöglicht ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich bevorzugt zur Be stimmung von mechanischen Spannungen in einer Schicht ver wenden, die für eine Abscheidung eines metalloxidischen Supraleitermaterials mit hoher Sprungtemperatur auf einem Substrat oder auf einem mit mindestens einer Zwischen schicht abgedeckten Substrat vorgesehen wird. Die hin sichtlich auf mechanische Spannungen auszumessende Schicht kann dabei aus dem Supraleitermaterial selbst bestehen. Sie kann aber auch eine Zwischenschicht sein, mit der eine Interdiffusion zwischen dem Supraleitermaterial und dem Substratmaterial unterbunden wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfah rens gehen aus den entsprechenden abhängigen Ansprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Verbundkörper veranschaulicht ist, auf den das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden ist. Fig. 2 zeigt einen Teil eines Meßgerätes zur Durchführung eines Schrit tes des erfindungsgemäßen Verfahrens. Aus Fig. 3 ist eine Halterung dieses Meßgerätes ersichtlich. In den Diagrammen der Fig. 4 und 5 sind mit diesem Meßgerät gewonnene Meß kurven bezüglich unter Einwirkung von mechanischen Spannun gen gekrümmter Verbundkörper wiedergegeben. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich prinzipiell auf jeden aufgrund von mechanischen Spannungen gekrümmten Ver bundkörper anwenden, der mindestens eine auf einem Sub strat abgeschiedene, vergleichsweise dünnere Schicht ent hält, wobei das Material der Schicht einen anderen thermi schen Ausdehnungskoeffizienten als das Substratmaterial aufweist. Die Ausdehnungskoeffizienten (bei Raumtempera tur) sollen sich dabei vorzugsweise um einen Faktor von mindestens 1,2 und insbesondere von mindestens 1,5 unter scheiden. Aufgrund dieser unterschiedlichen Ausdehnungs koeffizienten werden nämlich in dem Verbundkörper bei Tem peraturänderungen mechanische Spannungen hervorgerufen, die zu einer Krümmung des Verbundkörpers führen. Neben solchen thermisch bedingten Spannungen können zusätzlich noch sogenannte "epitaktische Spannungen" auftreten, die auf Gitterfehlanpassungen zwischen dem Substrat und der darauf befindlichen Schicht zurückzuführen sind. Während das Substrat im allgemeinen eine Dicke zwischen 1 µm und mehreren (bis 10) Millimetern aufweisen kann, ist die Dicke der auf ihm abgeschiedenen Schicht im allgemeinen mindestens um einen Faktor 2, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 10 und insbesondere um mindestens einen Faktor 100 kleiner.

Ein entsprechender Verbundkörper ist als Schnitt in Fig. 1 veranschaulicht und dort allgemein mit 2 bezeichnet. Sein Substrat 3, das als Träger für eine Schicht 4 dient, hat eine Dicke d1, während die vergleichsweise geringere Dicke der Schicht 4 mit d2 bezeichnet ist. Ist, wie nach Fig. 1 angenommen, der thermische Ausdehnungskoeffizient α1 des Substratmaterials kleiner als der thermische Aus dehnungskoeffizient α2 des Schichtmaterials, so schrumpft das Schichtmaterial bei einer Abkühlung, z. B. nach einer Deposition des Schichtmaterials bei erhöhter Temperatur, stärker als das Substratmaterial und führt so zu einer Krümmung des Verbundkörpers 2 mit einer konkaven Form sei ner Oberfläche 2a. Bei umgekehrtem Verhältnis der Ausdeh nungskoeffizienten nimmt die Oberfläche 2a eine konvexe Gestalt an. Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel besteht das Substrat aus Si mit einer Dicke d1 von unge fähr 0,5 mm und einem Ausdehnungskoeffizienten α1 von etwa 3,8×10^-6 K^-1. Die Schicht 4 mit einer Dicke d2 von 100 nm besteht aus mit Y-stabilisiertem ZrO₂ (YSZ), dessen Ausdehnungskoeffizient α2 etwa 11,4 x 10^-6 K^-1 beträgt. Entsprechende Schichten 4 werden insbesondere als dif fusionshemmende Zwischenschichten, sogenannte "buffer layer" eingesetzt, um auf ihnen eine Schicht aus einem der bekannten Supraleitermaterialien mit hoher Sprungtempera tur wie z. B. aus YBa₂Cu₃O_7-x (Abkürzung: YBCO) abzuschei den (vgl. z. B. "J. Appl. Phys.", Vol. 64, No. 11, 1.12.1988, Seiten 6502 bis 6504). Bei der Schicht 4 kann es sich aber auch um ein direkt auf einem Substrat 3 z. B. aus SrTiO₃ (α1 etwa 9,4×10^-6 K^-1) abgeschiedenes Hoch temperatursupraleiter-Material wie YBCO (mit α2 etwa 13×10^-6 K^-1) handeln.

Zur Bestimmung der Krümmung der Oberfläche 2a des Ver bundkörpers 2 soll gemäß der Erfindung eine modifizierte Ausführungsform eines Schichtdickenmeßgerätes eingesetzt werden, wie es auf dem Gebiet der Dünn- und Dickfilmtech niken, insbesondere auf dem Gebiet der Halbleiter-Technik, an sich bekannt ist (vgl. das "User′s Manual" der US-Firma "TENCOR Instruments" bzgl. Gerät "Alpha-Step 200", 1986, insbesondere Seiten 1 bis 23). Entsprechende Geräte werden z. B. bei Strukturierungsschritten eingesetzt, um Filmdicken bis auf 2 nm genau zu messen. Auch für eine Bestimmung von Ätzraten sind solche Geräte unerläßlich.

In Fig. 2 sind einige für das erfindungsgemäße Verfahren wesentliche Teile eines entsprechend angepaßten Schicht dickenmeßgerätes 6 nur schematisch skizziert. Nicht-dar gestellte Teile sind allgemein bekannt. Das Gerät enthält eine Probenhalterung 7 mit mehreren Auflagepunkten (7a bis 7c), auf die das auszumessende Objekt wie z. B. der Ver bundkörper 2 mit Substrat 3 und gekrümmter Oberfläche 2a aufzulegen ist. Ein vertikal beweglicher nadelförmiger Meßfühler 8 ist auf die Oberfläche 2a des Verbundkörpers aufzusetzen, wobei die vertikale Position der aufgesetzten Spitze dieses Meßfühlers an einem Anzeigeteil 9 abzulesen oder an einem entsprechenden elektronischen Meßteil in Form eines Meßsignals abzunehmen ist.

Um mit einem solchen Schichtdickenmeßgerät 6 eine makros kopische Verbiegung des Verbundkörpers 2 messen zu können, müssen eine Reihe von Bedingungen eingehalten werden:

1) Die Probenhalterung 7 muß gemäß der schematischen Schrägaufsicht der Fig. 3 als ein Drei-Bein mit drei Aufsetzpunkten 7a bis 7c ausgestaltet sein, auf welche der Verbundkörper uneingespannt und ohne wesentliche Beeinträchtigung seiner Krümmung aufzulegen ist. Die drei Aufsetzpunkte müssen dabei im Hinblick auf eine hohe Meßgenauigkeit eine Ebene aufspannen, die mög lichst exakt senkrecht zur Bewegungsrichtung des nadel förmigen Meßfühlers 8 liegt. Vorteilhaft bilden die Aufsatzpunkte 7a bis 7c die Eckpunkte eines gleichsei tigen Dreiecks.
2) Zunächst ist eine Eichmessung des noch unbeschichteten Substrates 3 erforderlich, wobei ein vorbestimmtes Rasterschema von einzelnen Meßpunkte eingehalten wird. Unter Berücksichtigung dieses Rasterschemas wird danach eine Messung des beschichteten Substrates, d. h. des ge krümmten Verbundkörpers 2, durchgeführt und eine Sub traktion der entsprechenden Meßpunkten zuzuordnenden Meßwerte vorgenommen. Nur mittels einer solchen Sub traktionsmessung sind nämlich quantitative Aussagen möglich, da so der Einfluß von
- Oberflächenrauhigkeiten des Substrates,
- von einer Eigenverbiegung des Substrates bzw. des Verbundkörpers aufgrund von Gravitationskräften und
- von einer zusätzlichen Verbiegung des Substrates bzw. des Verbundkörpers durch das wenn auch geringe Ge wicht des nadelförmigen Meßfühlers eliminiert wird.
3) Die Ausdehnung des Rasterschemas, d. h. der mit dem na delförmigen Meßfühler 8 bei der Messung zu erfassende Bereich der Meßpunkte, sollte möglichst groß gewählt werden. Ausdehnungen von mindestens 5 mm, vorzugsweise von mindestens 10 mm haben sich als günstig erwiesen. Dabei wird vorteilhaft ein Rasterschema zugrundegelegt, bei dem der Punkt der stärksten Abweichung aus der un gekrümmten Lage (= Extremum der vertikalen Abweichung des Meßfühlers) zumindest annähernd mit erfaßt wird. Dieses Extremum liegt im allgemeinen in der Mitte des Verbundkörpers und sollte zudem auch zumindest annä hernd in der Mitte des durch die drei Aufsatzpunkte 7a bis 7c der Probenhalterung 7 aufgespannten Dreiecks liegen.

Vorteilhaft sind die einzelnen Meßdaten des ungekrümmten, noch unbeschichteten Substrates 3 und des Verbundkör pers 2 mit dem beschichteten Substrat aus dem Schicht dickenmeßgerät auslesbar und auf einen Computer über spielbar. Auf diesem können dann die Meßkurven mit bekann ten Auswerteprogrammen bearbeitet werden. Die dabei er reichbare Genauigkeit der Messung reicht bis unter 20 MPa.

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm mit einem Schichtdicken meßgerät 6 nach den Fig. 2 und 3 für zwei verschiedene Verbundkörper zu gewinnende Meßkurven a und b. Auf der Abszisse des Diagramms ist die Länge L des von dem nadel förmigen Meßfühler 8 erfaßten Bereiches eines Rastersche mas und auf der Ordinate ist die absolute Auslenkung A ge genüber einer von den Randpunkten des Meßbereichs bei L = 0 mm und L = 10 mm aufgespannten Bezugsebene aufge tragen. Diese Bezugsebene entspricht einer Ebene der Ober fläche des (fiktiv angenommenen) ungekrümmten Verbundkör pers. Die Kurve a ergibt sich für einen Verbundkörper mit 1 µm dicker Si-Schicht auf einem 0,5 mm dicken Al₂O₃-Sub strat, während bei dem zu Kurve b führenden Verbundkörper nur die Schichtdicke geändert ist und hier 0,3 µm beträgt. Da der thermische Ausdehnungskoeffizient von Si größer gegenüber dem von Al₂O₃ (mit α1 zwischen etwa 5 und 6,7×10^-6 K^-1) ist, ergibt sich folglich eine konvex ge krümmte Oberfläche der Verbundkörper. Die Anzahl der zur Auswertung herangezogenen Datenpunkte beträgt z. B. 2000.

Während bei den den Kurven nach Fig. 4 zugrundeliegenden Verbundkörpern die Si-Schicht unter Druckspannungen steht, ergeben sich für einen Verbundkörper aus einem 0,5 mm dicken Si-Substrat mit darauf abgeschiedener 400 nm dicker YSZ-Schicht in der YSZ-Schicht Zugspannungen, die zu einer konkaven Oberflächenform der YSZ-Oberfläche führen. Ein solcher Verbundkörper ist dem Ausführungsbeispiel zugrun degelegt, dessen Meßkurven aus dem Diagramm der Fig. 5 hervorgehen. Für dieses Diagramm der Fig. 5 wurde eine Fig. 4 entsprechende Darstellung gewählt. Die Kurve a′ wird unmittelbar nach der Abscheidung des YSZ-Materials erhalten, während sich die Kurven b′ bis d′ mit einem an wachsenden zeitlichen Abstand zwischen 6 Minuten und 22 Stunden von dem Abscheidungszeitpunkt ergeben. Aus einer Zusammenschau der Kurven a′ bis d′ lassen sich die mit zunehmender Alterung des Verbundkörpers abnehmenden me chanischen Spannungen in der YSZ-Schicht erkennen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung mechanischer Spannungen, die in einem Verbundkörper aus einem Substrat und mindestens einer darauf aufgebrachten, vergleichsweise dünneren Schicht zumindest aufgrund von unterschiedlichen thermi schen Ausdehnungskoeffizienten des Substratmaterials und des Schichtmaterials bei einer Temperaturänderung hervor gerufen werden und zu einem Verbiegen des Verbundkörpers führen, bei welchem Verfahren die Krümmung der Oberfläche des Verbundkörpers als Maßgröße für die Spannungen ermittelt wird, dadurch gekennzeich net, daß die Krümmungen der Oberfläche (2a) des Ver bundkörpers (2) und der des noch unbeschichteten Substra tes (3) ermittelt werden und eine Subtraktion der entspre chenden Meßpunkten zuzuordnenden Meßgrößen beider Messun gen vorgenommen wird, wobei

- die Oberflächen des Verbundkörpers (2) und des noch unbeschichteten Substrates (3) jeweils mit einem nadel förmigen Meßfühler (8) eines Schichtdickenmeßgerätes (6) nach einem vorgegebenen Rasterschema abgetastet werden und
- der Verbundkörper (2) und das noch unbeschichtete Sub strat (3) jeweils auf drei Aufsetzpunkte (7a bis 7c) einer Halterung (7) aufgelegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Substrat (3) mit einer Dicke (d1) zwischen 1 µm und 10 mm verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbundkörper (2) vorgesehen wird, dessen Schicht (4) eine Dicke (d2) auf weist, die um mindestens einen Faktor 2, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 100 kleiner als die (d1) des Sub strates (3) ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß der Ver bundkörper (3) oder das noch unbeschichtete Substrat (2) auf die Aufsetzpunkte (7a bis 7c) aufgelegt wird, welche Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks bilden und in einer Ebene liegen, zu der senkrecht der nadelförmige Meßfühler (8) beweglich ausgebildet ist.

5. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für eine Abscheidung eines metalloxidischen Supra leitermaterials mit hoher Sprungtemperatur auf einem Sub strat oder auf einem mit mindestens einer Zwischenschicht abgedeckten Substrat.

6. Verwendung nach Anspruch 5 zur Bestimmung der mechani schen Spannungen in einer dünnen, oxidischen Zwischen schicht, die zunächst auf dem Substrat als eine eine Diffusion zwischen dem Substratmaterial und dem Supralei termaterial hindernde Schicht abgeschieden ist.

7. Verwendung nach Anspruch 5 oder 6 zur Bestimmung der mechanischen Spannungen in einer Schicht aus dem Supra leitermaterial.