DD246832A1 - Verfahren zur akustischen schichtdickenmessung duenner metallisierungsschichten mittels schallemissionsanalyse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Schichtdickenmessung duenner Metallisierungsschichten mittels Schallemissionsanalyse. Durch ganzflaechige, beruehrungslose Strahlungserwaermung werden in der Probe Schallemissionssignale erzeugt, die in ihrem Verlauf ueber der Probentemperatur durch die gegebene Schichtdicke der Probe dahingehend beeinflusst werden, dass grosse Schichtdicken die Ursache fuer fruehzeitigere und heftigere Schallemissionssignale sind. Nach Aufnahme und Wandlung der akustischen Signale in elektrische errechnet ein Prozessrechner unter Nutzung von Kalibrierungsdaten aus dem Impulssummen-Temperatur-Verlauf des Messobjektes dessen aktuelle Schichtdicke. Bei der Quantifizierung der Schichtdicke im Rahmen der notwendigen Kalibrierung finden Vergleichsverfahren (z. B. lichtoptische Schichtdickenmessung) Anwendung. Das Verfahren gestattet die automatische Messung im laufenden Produktionsprozess und ist in der Halbleiterindustrie, der Leiterplattentechnik o. ae. anwendbar. Figur

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung gestattet die schnelle und zerstörungsfreie akustische Schichtdickenmessung dünner Metallisierungsschichten unter Anwendung der modernen Schallemissionsanalyse und ist für den automatisierten Produktionsprozeß geeignet. Das Verfahren ist vorrangig für die Messung an dünnen Aiuminiumschichten auf Siliziumsubstraten vorgesehen, jedoch auch auf andere Schicht-Substrat-Kombinationen anwendbar.

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

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der einschlägigen Literatur (z.B. Nitzsche, K.: Schichtmeßtechnik, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1974) ist eine Vielfalt von Verfahren zur Schichtdickenmessung aufgeführt. Viele dieser Verfahren, die lichtoptischen seien stellvertretend genannt, erfordern Präparationsschritte zur Probenvorbereitung und subjektive Einflüsse sind nicht auszuschließen (z.B. beim Ausmessen der Vielfachinterferenzen). Deshalb beschränkt sich das potentielle Einsatzgebiet mehr auf Labormessungen. Die Wirbelstromverfahren sind zwar gut automatisierbar, jedoch ergeben sich durch die Notwendigkeit .des Aufsetzens der Meßköpfe auf die Schicht Nachteile durch mechanische Schichtbeschädigungen. Zur akustischen Schichtdickenmessung existieren eine Reihe von Patentschriften.

In den DE-Offenlegungsschriften 31 05002 und 3113025 sowie der DD-PS 232754 werden hochfrequente Ultraschallsignale indie Meßobjekte eingespeist. Diese werden in der Probe dahingehend beeinflußt, daß sich in Abhängigkeit von der Schichtdicke Frequenz, Phasenlage, Geschwindigkeit oder die Intensität des Signales ändern. Die Auswertung erfolgt nach erneutem Empfang der Ultraschallwellen. Der offensichtliche Nachteil, daß auch hier der Prüfkopf auf die Schicht direkt aufgesetzt werden muß, schränkt die Anwendbarkeit dieser Verfahren gerade bei den empfindlichen Schichten der Mikroelektronik erheblich ein. Weiterhin ist zur akustischen Kopplung zwischen Prüfkopf und Schicht ein Koppelmittel nötig, auch daraus können negative Auswirkungen resultieren.

Dem Auflösungsvermögen solcher konventionellen akustischen Verfahren werden für sehr dünne Schichten (kleiner 1 Mikrometer) ebenfalls Grenzen gesetzt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel derErfindung besteht in der akustischen, zerstörungsfreien Schichtdicken messung an dünnen Metallisierungsschichten mittels Schallemissionsanalyse mit folgenden Vorteilen:

— berührungslose Einbringung der mechanisch wirksamen Belastung durch Wärmebehandlung 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

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

— 100%ige Probenerfassung

— quantifzierte Messung der Schichtdicke (z.B. in Nanometer)

— Messung an sehr dünnen Schichten (kleiner 1 Mikrometer) möglich

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur akustischen Schichtdickenmessung 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 ausweiche bei fortschreitender Erwärmung die Ursache für die Aussendung von Schallemissionssignalen sind. Diese Signale

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werden in ihrem Verlauf über der Probentemperatur durch die gegebene Schichtdicke dahingehend beeinflußt, daß dickere Schichten höhere Schubspannungsenergien und damit frühzeitigere und heftigere Schallemissionsreaktionen induzieren. Die thermische Belastung sollte möglichst kurzzeitig und intensiv sein, die genauen Bedingungen sind abhängig von der Probengröße, der Materialkombination sowie von Wärmeableitung und -reflexion.

Die Schallsignale werden von der Substratseite der Probe 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 gezielt variierten Schichtdicken durchzuführen. Dabei ist deren Schichtdicke mit Vergleichsverfahren, z. B. auf lichtoptischem Wege, zu messen und über den Prozeßrechner auf einem Datenträger zu speichern. Bei der anschließenden Schallemissionsmessung werden die Impulssummenverläufe der Kalibrierungsproben über der Meßtemperatur aufgenommen und ebenfalls auf dem Datenträger gespeichert.

Mit der numerischen Ermittlung des Schichtdickeneinflusses auf die Impulssummen-Temperatur-Verläufe, vorzugsweise unter Anwendung der Regressionsanalyse, und der Fixierung der Ergebnisse durch den Prozeßrechner ist die Kalibrierung beendet. Nun beginnen die Messungen im laufenden Produktionsprozeß, der Prozeßrechner ermittelt aus den aktuellen Impulssummen-Temperatur-Verläufen jeder Probe mittels der Kalibrierungsdaten die Schichtdicke.

Abschließend wird noch darauf hingewiesen, daß die Kalibrierung für jede Materialkombihation Substrat-Schicht neu vorgenommen werden muß und die Haftfestigkeit möglichst nicht variieren darf.

Ausführungsbeispie! ^

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in Figur die schematische Darstellung des Verfahrens. Die zu messende Probe 3, die Schichtseite dem Halogenstrahler 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 SÄ 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 das Thermoelement 7 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 Schichtdicke der Probe 3.

Claims (2)

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur akustischen Schichtdickenmessung dünner Metallisierungsschichten mittels Schallemissionsanalyse, gekennzeichnet dadurch, daß mittels ganzflächiger, berührungsloser Strahlungserwärmung der Probe (3) schichtdickenabhängige 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 Schichtdicke ermittelt wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der eigentlichen Messung eine Kalibrierung derart vorangestellt wird, daß mittels des Prozeßrechners (PR) die Impulssummen-Temperatur-Verläufe derzur Kalibrierung zu verwendend Proben (3) in Beziehung zu deren gezielt variierten Schichtdicken gebracht werden, bei vorzugsweise Anwendung der

Regressionsanalyse. ·.

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