DD146210A1

DD146210A1 - Verfahren zur haftfestigkeitspruefung duenner schichten auf artfremden substraten

Info

Publication number: DD146210A1
Application number: DD21503579A
Authority: DD
Inventors: R Reetz; A Mertens; F Bernhard; H Klose; D Zeissig
Original assignee: R Reetz; A Mertens; F Bernhard; H Klose; D Zeissig
Priority date: 1979-08-17
Filing date: 1979-08-17
Publication date: 1981-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Meszverfahren fuer die Haftfestigkeit duenner Schichten auf artfremden Substraten, die durch Aufdampfen, Bestaeuben, Ionenplattieren, Bespruehen u.ae. hergestellt werden. Es ist geeignet fuer die Untersuchung von in der Halbleitertechnik ueblichen Metallschichten auf Halbleiter- oder Passivierungsschichten, aber auch z.B. fuer Metallschichten auf Glas, Farb- oder Lackschichten. Fuer die Messung der Haftfestigkeit wird das Substrat mit einer quellfaehigen Zwischenschicht, die mit definierten Oeffnungen versehen wird, abgedeckt. Die danach aufgebrachte duenne Schicht steht in den Luecken direkt mit dem Substrat in Verbindung. Durch ein Aufquellen der Zwischenschicht reiszt die duenne Schicht in den Luecken vom Substrat ab, und zwar um so weiter je geringer die Haftfestigkeit ist. Damit wird die Bestimmung der Haftfestigkeit auf eine Laengenmessung reduziert. Das Verfahren ist immer anwendbar, wenn die Reiszfestigkeit der duennen Schicht hoeher ist als die Haftfestigkeit.

Description

Titel der Erfindung

Verfahren zur ItafffeW/gicerfsp»-¹*/¹"*!^ ; dünner Schichten auf artfremden Substraten

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Prüfverfahren zur Bestimmung der Haftfestigkeit dünner und dünnster Schichten, insbesondere von Metallschichten aus Aluminium, Gold, Silber, Nickel, Molybdän, Titan, Palladium u." a«, die bei der Herstellung optoelektronischer und mikroelektronischer Bauelemente auf Halbleiteroberflächen, beispielsweise Silizium, GaAs, GaP oder auf Passivierungsoberflachen, wie SiOp, Si-H*, Polysilizium aufgebracht werden* Das Prüfverfahren kann auch in Bereichen in denen ähnliche Schichtstrukturen, beispielsweise Aluminium auf Glas oder dünne Lackschichten auf eine Unterlage abgebracht werden, angewendet v/erden. Die Schichten können durch Aufdampfen, Bestäuben, Ionenplattieren oder Besprühen aufgebracht worden sein*

-2- 215035

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Bestimmung der Haftfestigkeit (Bindekraft pro Fläche) sind eine Reihe von Verfahren bekannt. Bei der Abreißinethode wird auf ein Flächenstück der zu untersuchenden Schicht von definierter Größe ein Draht oder eine spezielle Hilfsvorrichtung aufgelötet, aufgeschweißt oder aufgeklebt, beispielsweise mittels Epoxidharz und danach die Abreißkraft direkt und absolut mit üblichen Zugfestigkeitsprüfmaachinen gemessen»

Nachteile dieser Methode sind schwierige Realisierbarkeit bei sehr kleinen Testflächen und die mögliche Beeinflussung der Schichteigenschaften durch die Befestigung des Drahtes oder der Hilfsvorrichtung,

Beim Kratztest, bei dem mittels geeigneter Hilfsmittel unter definierten Bedingungen die zu testende Schicht angekratzt wird und das Ablösen der Schicht beobachtet wird, ist der hohe Grad von Subjektivität bei der Beurteilung und die Tatsache, daß nicht eine senkrecht wirkende Haftkraft, sondern eine Scherkraft bestimmt wird, nachteilig.

Die akustische Haftfestigkeitsprüfung besteht darin, daß das Ablösen der zu prüfenden Schicht in Abhängigkeit von der Intensität eines von der Substratseite her eingespeisten Ultraschallsignals beobachtet wird oder die Ultraschalldurchlässigkeit, die von der Haftung der Schicht abhängt, aus dem auf der Schichtseite ankommenden Signal bestimmt wird.

-3- 215035

Beim thermischen Prüfverfahren wird die von der Haftung abhängige Wärmeleitfähigkeit der Substrat-Schicht-Grenze durch thermooptische Hilfsmittel, wie Thermocolorfarben, Flüssigkristalle, oder thermoelektrisch mit Hilfe eines Thermoelementes gemessen«

Nachteilig ist sowohl beim akustischen ale auch beim thermischen Prüfverfahren, daß die Reproduzierbarkeit durch eine Reihe schwer zu bestimmender Randparameter, die Verluste bei der akustischen bzw. thermischen Ein- und Auskopplung verursachen, nicht gewährleistet ist. Außerdem schließt die Beobachtung der Schichtablösung beim akustischen Verfahren eine hohe Subjektivität ein.

In der Anwendung auf die in der Mikroelektronik gebräuchliche Planartechnologie haben alle diese bekannten Verfahren den Nachteil, daß sie nicht kompatibel zu den übrigen Verfahrensschritten, sehr zeitaufwendig, teilweise zerstörend und mit hohemapparativen Aufwand verbunden sind,

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Prüfverfahren zur Bestimmung der Haftfestigkeit dünner und dünnster Schichten zu entwickeln, das die geschilderten Nachteile vermeidet, insbesondere eine hohe Reproduzierbarkeit aufweist, subjektive Fehler weitgehend unterbindet und ohne negative Beeinflussung der Substratmaterialien eine schnelle Messung erlaubt»

215035

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Haftfestigkeit dünner Schichten ohne Schall- oder Temperaturkopplung sowie mit in der Mikroelektronik gebräuchlichen Mtteln prüfen au können·

Erfindungsgemäß wird die Haftfestigkeit dünner Schichten, die durch Aufdampfen, Bestäuben, lonenplattieren, Besprühen oder anderen Verfahren auf Substraten aufgebracht werden sollen, mit Hilfe einer Zwischenschicht geprüft φ Dazu wird die Substratoberfläche an ausgewählten Stellen vor der Beschichtung mit einer quellfähigen Zwischenschicht bedeckt, in der definierte Flächen der zu beschichtenden Substratoberfläche freigelassen sind und die unter dem Einfluß chemischer oder physikalischer Mittel ihre Dicke definiert vergrößert, !fach Aufbringen der dünnen Schicht auf die Zwischenschicht wird die Schichtdicke dieser Zwischenschicht vergrößert, so daß an den Rändern der freigelassenen Flächen eine senkrechte, nur von den Eigenschaften des quellenden Materials abhängenden Kraft wirkt, die mit der Bindekraft der dünnen Schicht konkurriert und zum teilweisen Abheben der dünnen Schicht führt· Dabei hebt sich diese dünne Schicht um so stärker ab, je geringer die Haftfestigkeit ist* An geeigneten Strukturen wird die Haftfestigkeit sichtbar, da der Grad des Abhebens davon abhängt, wo sich das Gleichgewicht zwischen Bindekraft und Vergleichskraft einstellt«, Zweckmäßigerv/eise wird als Zwischenschicht ein quellfähiger Fotolack verwendet. Das Quellen der Zwischenschicht kann mit chemischen Mitteln, bei Fotolack beispielsweise mit Aceton, oder mit physikalischen Mitteln erreicht werden«

-5- 215035

Die Strukturierung der Zwischenschicht erfolgt mit bekannten Mitteln, beispielsweise mittels fotolithographischen Verfahren·

Als Strukturen für die Zwischenschicht können flächenhafte Keile, verschieden breite Balken oder kreisförmige Strukturen unterschiedlichen Durchmessers gewählt v/erdenβ Das Verfahren liefert zunächst nur Relativwerte, was aber für die Optimierung eines Beschichtungsverfahrens im allgemeinen ausreicht· Wenn absolute Meßwerte notwendig sind, ist eine Eichung durch Vergleich mit der Abreißmethode notwendig.

Ausführungsbfoispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden« In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Pig· 1 - den Querschnitt einer Schichtstruktur Fig. 2 - dieselbe Schichtenfolge nach dem Quellen

Zur Messung der Haftfestigkeit von Al-Schichten auf Si bzw* SiO₂ wird die Oberfläche des Substrats 1 mit einer Zwischenschicht 2 aus Positivlack (z* B, AZ 1350 h) bedeckt, die anschließend fotolithografisch mit keilförmigen Aussparungen versehen wird· Nach Auftragen der Al-Schicht 3 ergibt sich das in Pig, 1 dargestellte Bild·

Bringt man den Positivlack 2 mit Aceton in Berührung, so quillt er auf und es vergrößert sich seine Dicke von d auf d+Ad (Pig· 2)· Dabei ändert sich die Länge des am Plächen3tück S beteiligten Anteils der Al-Schicht 3, insbesondere der vorher an den Oberflächen anliegenden

215035

Phase von I₁ = χ + d auf I₂ =y(d +^d) + χ , Dabei tritt in der Al-Schicht 3 eine Zugspannung auf, deren funktioneller Zusammenhang mit der Dehnung durch das Spannungs-Dehnungs-Diagramm beschrieben wird,

Die Zugapannung führt zu einer im Haftpunkt A angreifenden Kraft ]?_, deren senkrechte Komponente F «sin T* zum ζ ζ

Abreißen der Schicht und zum Wandern des Haftpunktes in Richtung wachsender χ führt« Dabei nimmt die Kraft P mit kleiner werdendem T, dabei gleichzeitig kleiner werdenden Zugspannung ab, bis sie den Wert der Bindekraft erreicht hat.

Die endgültige Lage des Haftpunktes x^ ist, da bei gegebenem d,^d und gegebener Dicke der Al-Schicht nur noch von der Bindekraft abhängig, ein"Maß für die Haftfestigkeit der Schicht· Die Bestimmung von x^ erfolgt durch Längenmessung,,

Die Erfindung ist überall da anwendbar, wo die Haftfestigkeit geringer ist als die Zerreißfestigkeit Gl_o_ der Schicht,

Claims

-?- 215035 Erfindungsanspruch

1, Verfahren zur Hafffe^'q^i-bpi-^ftin^ dünner Schichten auf artfremden Substraten,

dadurch gekennzeichnet, daß das zu beschichtende Substrat (1) mit einer lateral strukturierten Zwischenschicht (2) abgedeckt wird, danach die dünne Schicht (3) aufgebracht wird, anschließend durch Aufquellen der Zwischenschicht (2) die dünne Schicht (3) abgehoben wird und das Abheben.gemessen wird.

2, Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) mit quellfähigem Potolack als Zwischenschicht (2) bedeckt wird·

3, Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (2) mit chemischen oder physikalischen Methoden aufgequollen wird,

4« Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (2) als flächenhafte Keile, verschieden breite Balken oder kreisförmige Strukturen unterschiedlichen Durchmessers strukturiert wird.

5» Verfahren nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abheben der dünnen Schicht (3) über eine Längenmessung bestimmt wird.

Hisrzu 1 Seife Zeichnungen