DE102012017216A1

DE102012017216A1 - Verfahren zum Lokalisieren und Beheben von wenigstens einer Fehlstelle

Info

Publication number: DE102012017216A1
Application number: DE102012017216.8A
Authority: DE
Inventors: Oliver Suttmann; Jan Friedrich Düsing
Original assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Current assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-03-06
Anticipated expiration: 2032-09-01
Also published as: WO2014032781A1; DE102012017216B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lokalisieren und Beheben von wenigstens einer Fehlstelle in einer elektrischen Schichtstruktur, die eine Isolierschicht, die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und auf eine Oberfläche eines Werkstücks aufgebracht ist, und eine Funktionsschicht aufweist, die auf der Isolierschicht angeordnet ist und in der sich eine Funktionsstruktur befindet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Werkstück und der Funktionsschicht, so dass durch die wenigstens eine Fehlstelle ein elektrischer Strom fließt, b) Lokalisieren der wenigstens einen Fehlstelle und c) Abtragen der Funktionsschicht so, dass die wenigstens eine Fehlstelle von der Funktionsstruktur elektrisch isoliert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lokalisieren und Beheben von wenigstens einer Fehlstelle in einer elektrischen Schichtstruktur, die eine Isolierschicht, die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und auf eine Oberfläche eines Werkstücks aufgebracht ist, und eine Funktionsschicht aufweist, die auf der Isolierschicht angeordnet ist und in der sich eine Funktionsstruktur befindet. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen elektrischen Schichtstruktur auf einem Werkstück sowie eine Vorrichtung zum Durchführen der Verfahren.
Elektrische Schichtstrukturen werden heute in einer Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen benötigt. Sie können beispielsweise als Leiterbahnen oder Antennenstrukturen verwendet werden. Die Funktionsstruktur, die sich in der jeweiligen Funktionsschicht befindet, wird an den Anwendungszweck angepasst und optimiert. Elektrische Schichtstrukturen oder elektrische Dünnschichtstrukturen können auch als Sensoren verwendet werden. Denkbar sind beispielsweise Temperatursensoren, kapazitive Sensoren oder Dehnungssensoren, bei denen eine Änderung einer physikalischen Größe in der eingebrachten Funktionsstruktur verwendet wird, um die entsprechende Messgröße zu detektieren. Da diese Sensoren direkt auf das Werkstück aufgebracht werden, kann die entsprechende physikalische Größe des Werkstücks, beispielsweise die Temperatur oder die mechanische Dehnung, besonders genau und besonders direkt gemessen werden. Diese unterschiedlichen Arten von Sensoren werden zumeist unter dem Begriff der Dünnschichtsensoren zusammengefasst.
Der Einsatz von Dünnschichtsensoren direkt auf mechanischen Bauteilen und Werkstücken ermöglicht die Integration von sensorischen und mikroelektronischen Funktionen und eröffnet eine Vielzahl von Anwendungen beispielsweise in der Automobilindustrie, der Medizintechnik und der Fertigungstechnik. Dünnschichtdehnungssensoren dienen in der Automobilbranche beispielsweise zur Überwachung des Treibstoffdrucks in Common-Rail-Einspritzsystemen. Zur Herstellung eines Dünnschichtdehnungssensors wird eine Isolierschicht aus einem elektrisch isolierenden Material vorzugsweise direkt auf der Oberfläche des Werkstückes bzw. des Bauteils abgeschieden und aufgebracht. Auf diese Isolierschicht wird die eigentliche Sensorschicht aufgebracht, die aus einem elektrisch leitenden Material besteht, welches bei einer Längenänderung beispielsweise seinen elektrischen Widerstand ändert. Dieses Material wird nun selektiv abgetragen, so dass die eigentliche Sensorstruktur als eine fest definierte Leiterstruktur entsteht. Über die Messung des elektrischen Widerstandes der so entstandenen Sensorstruktur lässt sich eine Dehnung des Werkstückes feststellen.
Das Abscheiden der Isolierschicht ist ein signifikanter Kostenfaktor bei der Herstellung derartiger Strukturen und Sensoren, da Fehlstellen in der Isolierschicht Kurzschlüsse zwischen der Funktionsschicht und dem Material des Werkstückes erzeugen und, sofern sich eine derartige Fehlstelle in der Funktionsstruktur befindet, die Struktur unbrauchbar und funktionsuntüchtig machen. Dies kann jedoch erst bei der fertiggestellten Schichtstruktur detektiert werden und führt in diesem Fall dazu, dass die Schichtstruktur nicht verwendet werden kann. Da sie jedoch direkt auf das zu überwachende Bauteil oder Werkstück aufgebracht ist, das ohne eine funktionierende Schichtstruktur nicht zu den gedachten Zwecken einsetzbar ist, kann auch das bereits fertig hergestellte Werkstück nicht verwendet werden.
Um derartige Fehlstellen zu vermeiden wird seit einiger Zeit versucht, den Beschichtungsprozess zu optimieren. Um die Wahrscheinlichtkeit des Auftretens von stromführenden Defekten in der aufgebrachten Isolierschicht zu senken, muss jedoch die Abscheiderate teilweise deutlich reduziert werden, wodurch die Herstellungskosten ansteigen. In vielen Anwendungsbereichen ist eine wirtschaftlich sinnvolle Fertigung derartiger Bauteile mit darauf angeordneter Schichtstruktur nicht mehr möglich. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass dreidimensionale Strukturen, insbesondere Dehnungssensoren, benötigt werden, bei denen sich die Funktionsstruktur folglich nicht in einer Ebene, sondern auf einer dreidimensional geformten Oberfläche des Werkstückes erstreckt. Um eine möglichst perfekte Beschichtung derartiger Oberflächen zu erreichen, muss eine sehr aufwändige und komplexe Oberflächenvorbereitung vorgenommen werden, durch die die Herstellungskosten nochmals ansteigen.
Die Isolierschicht muss jedoch nicht nur die Funktionsschicht von dem Material des Werkstücks elektrisch isolieren, sondern muss insbesondere den thermischen und mechanischen Belastungen des Werkstücks standhalten. Leider hat sich bei der Entwicklung alternativer Materialien für Isolierschichten herausgestellt, dass diese zwar bessere thermo-mechanische Eigenschaften aufweisen können, dabei jedoch eine größere Fehlerhäufigkeit bei der Beschichtung zeigen.
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem bei der Beschichtung auftretende Fehlstellen detektiert und behoben werden können. Dabei bedeutet das Beheben einer Fehlstelle nicht, dass die Isolierschicht oder eine andere Schicht repariert wird, so dass die Fehlstelle nicht mehr vorhanden ist, sondern dass die elektrische Schichtstruktur trotz der Fehlstelle voll funktionsfähig ist.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren zum Lokalisieren und Beheben von wenigstens einer Fehlstelle in einer elektrischen Schichtstruktur, das sich durch die folgenden Schritte auszeichnet:

a) Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Werkstück und der Funktionsschicht, so dass durch die wenigstens eine Fehlstelle ein elektrischer Strom fließt,
b) Lokalisieren der wenigstens einen Fehlstelle und
c) Abtragen der Funktionsschicht so, dass die wenigstens eine Fehlstelle von der Funktionsstruktur elektrisch isoliert ist.

Bei der zu lokalisierenden und zu behebenden wenigstens einen Fehlstelle handelt es sich, wie bereits dargelegt, in der Regel um einen Fehler, der beispielsweise durch Verunreinigungen oder fehlerhafte Abscheidungen der Isolierschicht auftritt. Dabei kommt es durch derartige Fehler in der Isolierschicht beim Auftragen der Funktionsschicht auf die Isolierschicht zu einem elektrischen Kontakt zwischen dem Material des Werkstückes und der Funktionsschicht, so dass hier ein elektrischer Kurzschluss entsteht. Wird nun im Verfahrensschritt a) eine elektrische Spannung zwischen dem Werkstück und der Funktionsschicht angelegt, kann ein elektrischer Strom nur durch die einzelnen Fehlstellen fließen. Aufgrund ihrer geringen geometrischen Ausdehnung und ihres daraus resultierenden relativ hohen elektrischen Widerstandes erwärmen sich diese Störstellen und können im Verfahrensschritt b) beispielsweise durch eine Wärmebildkamera lokalisiert werden.
Natürlich kann jede örtliche Auswirkung des Stromflusses durch die wenigstens eine Fehlstelle detektiert und zum Lokalisieren der Fehlstelle verwendet werden. So ändert sich beispielsweise durch den Stromfluss durch die Fehlstelle die optische Reflektionseigenschaft an der Fehlstelle. Dies kann beispielsweise mittels bildgebender Ellipsometrie sichtbar gemacht werden. Auch die induzierten elektrischen Streufelder, die durch den Stromfluss durch die Fehlstelle induziert werden, können genutzt werden, um die Position der Fehlstelle zu ermitteln.
Wichtig ist lediglich, dass eine physikalische Größe beobachtet wird, die sich durch den Stromfluss durch die Fehlstelle so ändert, dass diese Änderung detektiert und so die Fehlstelle lokalisiert werden kann.
Derartige Störstellen und Fehlstellen beeinträchtigen die Funktion der elektrischen Schichtstruktur lediglich dann, wenn sie im elektrischen Kontakt mit der Funktionsstruktur stehen. Befinden sie sich in einem Bereich der Funktionsschicht, der nicht Teil der Funktionsstruktur ist, wird die Funktionalität der Schichtstruktur nicht beeinträchtigt.
Im Verfahrensschritt c) wird die Funktionsschicht so abgetragen, dass die wenigstens eine Fehlstelle von der Funktionsstruktur elektrisch isoliert ist. Bei der Verwendung einer derartigen Schichtstruktur als Dünnschichtdehnungssensor wird der elektrische Widerstand der Funktionsstruktur gemessen, der sich je nach Dehnung des darunter liegenden Werkstückes ändert. Dabei ist essentielle Voraussetzung, dass es keinen Kurzschluss beispielsweise zum Werkstück gibt, damit der Widerstand der Funktionsstruktur gemessen werden kann. Durch das im Verfahrensschritt c) vorgenommene Abtragen der Funktionsschicht wird der elektrische Kontakt zwischen der Funktionsstruktur und dem Material des Werkstückes getrennt, die wenigstens eine Fehlstelle von der Funktionsstruktur elektrisch isoliert und so die Funktionsfähigkeit der Funktionsstruktur und damit des Dünnschichtsensors erreicht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können folglich auf ein Werkstück aufgebrachte Sensoren oder Schichtstrukturen, die im Bereich ihrer Funktionsstruktur über eine oder mehrere der hier beschriebenen Fehlstellen verfügen, repariert und funktionsfähig gemacht werden, so dass der Ausschuss deutlich verringert und somit die Produktionseffizienz deutlich gesteigert werden kann. Dazu ist es jedoch nicht nötig, die Qualität der aufgebrachten Schichten, insbesondere der Isolierschicht, durch beispielsweise eine Verringerung der Abscheiderate zu erhöhen, was zu den bereits erwähnten Nachteilen führen würde.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen elektrischen Schichtstruktur auf einem Werkstück, das die folgenden Schritte aufweist:

i) Abscheiden einer Isolierschicht aus einem elektrisch isolierenden Material auf einer Oberfläche des Werkstücks,
ii) Abscheiden einer Funktionsschicht auf der Isolierschicht,
iii) Einbringen einer Struktur in die Funktionsschicht, so dass ein Teil der Funktionsschicht eine Funktionsstruktur bildet, die vom Rest der Funktionsschicht elektrisch isoliert ist,
iv) Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Werkstück und der Funktionsschicht, so dass durch die wenigstens eine Fehlstelle ein elektrischer Strom fließt,
v) Lokalisieren der wenigstens einen Fehlstelle und
vi) Abtragen der Funktionsschicht so, dass die wenigstens eine Fehlstelle von der Funktionsstruktur elektrisch isoliert ist.

Natürlich kann die der Erfindung zugrundeliegende Idee auch bei einem entsprechenden Herstellungsverfahren der Schichtstrukturen verwendet werden. Die Funktionsweise unterscheidet sich dabei nicht von dem bereits beschriebenen Verfahren zum Lokalisieren und Beheben von wenigstens einer Fehlstelle. Insbesondere kann das Verfahren zum Lokalisieren und Beheben der wenigstens einen Fehlstelle direkt im Anschluss an ein bekanntes Herstellungsverfahren durchgeführt werden, bei dem die elektrischen Schichtstrukturen hergestellt werden.
Bei einem Verfahren zum Herstellen der Schichtstruktur werden jedoch vorteilhafterweise die Verfahrensschritte iii) und vi) gleichzeitig durchgeführt. So ist es beispielsweise möglich, nach dem Abscheiden der Funktionsschicht auf der Isolierschicht zunächst die Verfahrensschritte iv) und v) durchzuführen und so die in dem Schichtaufbau vorhandene wenigstens eine Fehlstelle zu lokalisieren. Anschließend wird durch entsprechendes Strukturieren der Funktionsschicht die Funktionsstruktur gebildet, wobei die nun bereits bekannte und lokalisierte wenigstens eine Fehlstelle derart eingeplant und berücksichtigt wird, dass nicht nur die eigentlich vorgesehene Funktionsstruktur eingebracht wird, sondern die bekannte wenigstens eine Fehlstelle gleich mit von der Funktionsstruktur isoliert wird. Dadurch, dass beide Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden, wird eine kombinierte Struktur in die Funktionsschicht eingebracht, die zum einen aus der ursprünglich geplanten Funktionsstruktur und zum anderen aus der durch die wenigstens eine lokalisierte Fehlstelle nötig gewordenen Abtragungen besteht. Dadurch kann ein Verfahrensschritt eingespart und das Herstellungsverfahren somit effizienter gestaltet werden. Dadurch werden die Produktionszeit und die Produktionskosten gesenkt.
Vorzugsweise erfolgen die Verfahrensschritte iv) und v) vor dem Einbringen der Struktur in die Funktionsschicht, wobei die Struktur, die in die Funktionsschicht eingebracht wird, in Abhängigkeit von einer oder mehreren lokalisierten Fehlstellen gewählt wird. Wie im bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel wird folglich nach dem Abscheiden der Funktionsschicht zunächst eine elektrische Spannung zwischen dem Werkstück und der Funktionsschicht angelegt, so dass eine oder mehrere Fehlstellen lokalisiert werden können. In einigen Anwendungsbereichen ist es möglich, die durch die herzustellende Schichtstruktur zu erreichende Funktion durch unterschiedliche Geometrien der Funktionsstrukturen zu realisieren. Es sind folglich mehrere Funktionsgeometrien möglich, zwischen denen gewählt werden kann. Durch einen Abgleich der unterschiedlichen möglichen Funktionsstrukturen mit der oder den aufgefundenen und lokalisierten Fehlstellen kann die Struktur ausgewählt werden, die mit den wenigsten Fehlstellen elektrisch in Kontakt kommen. Dadurch wird erreicht, dass von den möglichen Funktionsstrukturen die Funktionsstruktur gewählt werden kann, die am wenigsten durch die Fehlstellen beeinflusst und beeinträchtigt wird und bei der am wenigsten zusätzliches Material im Verfahrensschritt vi) abgetragen werden muss.
Unabhängig davon, ob es bei einem Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Schichtstruktur oder beim Verfahren zum Lokalisieren und Beheben von wenigstens einer Fehlstelle geschieht, wird vorteilhafterweise zum Einbringen der Struktur in die Funktionsschicht und/oder zum Abtragen der Funktionsschicht ein Laser oder eine Elektronenstrahlquelle verwendet. Natürlich sind auch andere Möglichkeiten, eine Struktur in die Funktionsschicht einzubringen, denkbar. So könnte die Schicht beispielsweise auch durch Funkenerosion oder ähnliche Verfahren abgetragen werden.
Herkömmlicherweise wird insbesondere zum Einbringen der Struktur in die Funktionsschicht oftmals ein photolithografisches Verfahren, das maskenbasiert arbeitet, verwendet. Dies ist jedoch auf zweidimensionale Strukturen beschränkt, so dass es nur auf ebenen Oberflächen des Werkstückes verwendbar ist. Wird sowohl zum Einbringen der Struktur in die Funktionsschicht als auch zum Abtragen der Funktionsschicht ein Laser oder eine Elektronenstrahlquelle verwendet, können beide Verfahrensschritte gleichzeitig oder zumindest in der gleichen Bearbeitungsstation ablaufen, wodurch auch der apparative Aufwand zur Herstellung der Schichtstrukturen reduziert und somit das Herstellungsverfahren weiter verschlankt und optimiert wird. Das Abtragen von Material beispielsweise mittels des Lasers oder einer Elektronenstrahlquelle ist aus dem Stand der Technik bekannt. Allerdings benötigt das Einbringen von Strukturen in die Funktionsschicht mittels beispielsweise des Laserablationsverfahrens, insbesondere bei komplizierten Strukturen oder wenn viele Strukturen erstellt werden müssen, eine deutlich längere Zeit als ein photolithografisches maskenbasiertes Verfahren, da in diesen Verfahren nicht die gesamte einzubringende Struktur gleichzeitig eingebracht werden kann. Daher werden diese Verfahren auf Oberflächen, die photolithografisch bearbeitet werden können, meist nicht angewendet.
Aufgrund des bisher vorhandenen relativ großen Ausschussanteils der Schichtstrukturen und dieses relativ langsamen Herstellungsprozesses sind direkt auf dreidimensional geformte Werkstücke aufgebrachte elektrische Schichtstrukturen wie beispielsweise Dünnschichtsensoren bisher nur teuer und aufwändig herstellbar. Dadurch, dass die Ausschussrate durch die hier beschriebenen Verfahren deutlich reduziert wird, werden die Herstell- und Produktionskosten soweit gesenkt, dass auch diese Verfahren nun in wirtschaftlich sinnvoller Weise durchzuführen sind. Die verwendeten Laser sind vorteilhafterweise gepulste Laser. Je kleiner die Pulsdauer der einzelnen Laserpulse ist, desto kleiner ist der wärmegeschädigte Bereich nach dem Laserablationsprozess. Insbesondere mit kurzen und ultrakurzen Laserpulsen mit Pulsdauern im Nanosekunden- bis Femtosekundenbereich ist es möglich, die Funktionsschicht ohne Schädigung der Isolationsschicht und mit hoher Präzision abzutragen. Folglich ist es möglich, die Funktionsschicht sehr nahe an einer detektierten Fehlstelle abzutragen, um die ursprüngliche Funktionsstruktur möglichst wenig zu beeinträchtigen.
Neben der Pulsdauer hängt die Größe des wärmegeschädigten Bereiches, in dem die Funktionsschicht abgetragen werden soll, auch von der Fläche ab, in die durch den Laser genug Energie eingebracht wird, um die Ablationsschwelle des jeweiligen Materials zu überschreiten. Auch durch eine Verkleinerung des Strahldurchmessers durch beispielsweise strahlformende optische Elemente kann folglich die laterale Auflösung verbessert werden.
Auch die Energie des Lasers kann als Parameter verwendet werden, um die Fläche, in der die Funktionsschicht durch den Laser abgetragen wird, zu reduzieren. Herkömmlicherweise haben Laser über ihren Strahlquerschnitt keine homogene Energiedichte, sondern weisen beispielsweise eine Gauß-Verteilung auf, so dass im zentralen mittleren Bereich des Strahlquerschnittes eine größere Energie pro Flächeneinheit in das Material eingebracht wird als an den Randern des Strahlquerschnittes. Wird nun die Leistung des Lasers und damit die eingebrachte Energie reduziert, wird auch die Größe der Fläche reduziert, in die ausreichend Energie eingebracht wird, um die Ablationsschwelle zu überschreiten. Auch damit kann folglich die laterale Auflösung verbessert werden.
Vorteilhafterweise wird zum Lokalisieren wenigstens einer Fehlstelle eine Wärmebildkamera, beispielsweise eine IR-Kamera verwendet. Diese sind heute kommerziell mit einer ausreichenden lateralen Auflösung erhältlich, so dass erwärmte Fehlstellen leicht und kostengünstig detektiert und lokalisiert werden können.
Vorzugsweise ist die Oberfläche des Werkstückes dreidimensional geformt. Auch auf diesen nicht in einer Ebene liegenden Oberflächen können mit dem hier beschriebenen Verfahren Schichtstrukturen aufgebracht und gegebenenfalls auftretende Fehlstellen behoben werden. Dadurch, dass auftretende Fehlstellen durch die hier beschriebenen Verfahren behoben und so die Funktionsfähigkeit der Schichtstrukturen, wie beispielsweise Dünnschichtsensoren, nahezu unabhängig von der Anzahl der Fehlstellen gewährleistet werden kann, können auch Materialien verwendet werden, die gute thermo-mechanische Eigenschaften, jedoch weniger gute Abscheidungseigenschaften aufweisen. Vorteilhafterweise besteht die Isolierschicht daher beispielsweise aus Aluminiumoxid anstelle von Siliziumoxid oder Siliziumnitrit. Dieses Material ist geeignet, den thermischen und mechanischen Belastungen der Werkstücke standzuhalten, weist jedoch beim Abscheidungsprozess gegenüber Sliziumoxid oder Siliziumnitrit eine erhöhte Fehlstellenhäufigkeit auf. Da diese Fehlstellen durch die hier beschriebenen Verfahren unschädlich gemacht werden können, so dass entsprechende Strukturen dennoch funktionsfähig sind, lassen sich neben den allgemein verwendeten Isolationsschichtmaterialien Siliziumoxid (SiO₂) und Siliumnitrit (Si₃N₄) auch schwer abzuscheidende Materialien wie Aluminiumoxid (Al₂O₃) verwenden.
Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Durchführen eines der hier beschriebenen Verfahren. Diese umfasst vorteilhafterweise eine Gleich- oder Wechselspannungsquelle, so dass eine elektrische Spannung zwischen Werkstück und Funktionsschicht angeordnet werden kann, sowie Kontaktelektroden zur Übertragung der so erzeugten Spannung auf das Werkstück. Zudem umfasst eine derartige Vorrichtung vorteilhafterweise bildgebende Vorrichtungen, wie beispielsweise IR- oder Wärmebildkameras, sowie insbesondere eine fokussierbare Strahlungsquelle, beispielsweise einen Laser oder eine Elektronenstrahlquelle, inklusive einer Ansteuerung zum Abtragen der Funktionsschicht, um eine oder mehrere Fehlstellen unschädlich zu machen. Natürlich umfasst die Vorrichtung vorteilhafterweise zudem eine elektrische Steuerung, die eingerichtet ist, aus den Bildern der bildgebenden Vorrichtung die Position der zu lokalisierenden Fehlstellen zu bestimmen und zu errechnen, in welcher geometrischen Form die Funktionsschicht abgetragen werden muss, um eine oder mehrere Fehlstellen von der Funktionsstruktur elektrisch zu isolieren.
Anstelle einer Gleich- oder Wechselspannungsquelle kann auch eine Gleich- oder Wechselstromquelle vorgesehen werden. Wichtig ist lediglich, dass ein Stromfluss erzeugt wird, wobei der Strom durch die Fehlstellen im Schichtsystem fließt und so zu einer Erwärmung dieser Fehlstellen führt. Der Vorteil einer Spannungsquelle liegt darin, dass der Stromfluss durch die Fehlstellen unabhängig von der Gesamtzahl der Fehlstellen in einem bestimmten Flächenabschnitt ist. Da die Erwärmung der jeweiligen Fehlstelle jedoch vom elektrischen Widerstand dieser Fehlstelle abhängt, der unter anderem abhängig von der Größe der Fehlstelle ist, kann es vorteilhaft sein, eine Steuerung vorzusehen, die die angelegte elektrische Spannung so einstellt, dass die Fehlstellen so weit erwärmt werden, dass sie mit der vorgesehenen Detektionseinrichtung detektiert werden können. Dabei gilt es zu beachten, dass der durch eine Fehlstelle erzeugte Stromfluss groß genug sein muss, um eine ausreichende Erwärmung der Fehlstelle zu gewährleisten, jedoch nicht so groß sein darf, dass es zu einem elektrischen Durchschlag durch die Isolationsschicht und somit zum Hervorrufen weiterer Fehlstellen kommt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Stromfluss durch die Fehlstellen langsam erhöht wird und gleichzeitig ein von der Detektionsvorrichtung, beispielsweise einer Wärmebildkamera, aufgenommenes Bild beobachtet wird, so dass Veränderungen in der Temperatur, die auf Fehlstellen hindeuten, frühzeitig bemerkt und beobachtet werden können. Auch gepulste Strom- oder Spannungsquellen sind vorstellbar, die dafür sorgen, dass durch die Fehlstellen nur relativ kurze Stromstöße geführt werden, wobei nach einer festgelegten Anzahl von Pulsen, beispielsweise nach jedem Puls, das von der Detektionsvorrichtung aufgenommene Bild auf Fehlstellen untersucht wird. Dadurch könnte Strom und Energie eingespart und gleichzeitig das Risiko von elektrischen Durchschlägen verringert werden.
Die tatsächliche Erwärmung einer Fehlstelle hängt neben der angelegten Spannung von weiteren Parametern, beispielsweise der Ausdehnung der Fehlstelle ab. So werden nicht alle Fehlstellen, die in einer elektrischen Schichtstruktur vorhanden sind, im gleichen Maße erwärmt. Die Erwärmung hängt insbesondere von der Ausdehnung der Fehlstelle ab. Dies hat zur Folge, dass einige Fehlstellen bereits bei sehr geringen Stromstärken detektierbar sind, während für andere Fehlstellen deutlich größere Ströme fließen müssen. Um in diesem Fall zu verhindern, dass aufgrund der großen Ströme, die zum Detektieren bestimmter Fehlstellen nötig sind, an anderen Stellen Durchbrüche oder sonstige Beschädigungen der Schichtstruktur auftreten, kann ein iteratives Verfahren sinnvoll sein. Dabei wird beispielsweise die zwischen dem Werkstück und der Funktionsschicht angelegte elektrische Spannung langsam erhöht. Sobald dabei eine oder mehrere Fehlstellen lokalisiert werden, wird die Funktionsschicht so abgetragen, dass die so lokalisierten Fehlstellen von der Funktionsstruktur elektrisch isoliert sind. Anschließend wird erneut eine elektrische Spannung zwischen dem Werkstück und der Funktionsschicht angelegt, die nun größere Werte annehmen kann. Da die bereits lokalisierten Fehlstellen durch das Abtragen der Funktionsschicht nicht mehr mit der Funktionsschicht elektrisch verbunden sind, liegt die zwischen dem Werkstück und der Funktionsschicht angelegte elektrische Spannung in den Bereichen der bereits lokalisierten Fehlstellen nicht mehr an. Es besteht in diesen Bereichen folglich nicht mehr die Gefahr, durch die angelegte elektrische Spannung Beschädigungen des Schichtaufbaus hervorzurufen.
Sobald beim weiteren Erhöhen der angelegten Spannung erneut eine oder mehrere Fehlstellen lokalisiert werden können, werden diese ebenfalls durch das Abtragen der Funktionsschicht von der Funktionsstruktur elektrisch getrennt. Dieses Verfahren kann in mehreren Schritten beispielsweise bis zu einer vorgegebenen Maximalspannung durchgeführt werden. Die Verfahrensschritte a) bis c) des Verfahrens zum Lokalisieren und Beheben von wenigstens einer Fehlstelle beziehungsweise die Schritte iv) bis vi) des Verfahrens zum Herstellen der elektrischen Schichtstruktur werden folglich mehrfach nacheinander durchgeführt, wobei vorteilhafterweise die elektrische Spannung bei jeder Iteration unterschiedliche, vorzugsweise ansteigende, Werte annimmt.
Anhand einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen
1 – den schematischen Schichtaufbau einer elektrischen Schichtstruktur,
2 – eine Fehlstelle in einer elektrischen Schichtstruktur in einer Schnittdarstellung,
3a bis c – unterschiedliche Stadien beim Durchführen eines Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
4 – die schematische Darstellung einer elektrischen Schichtstruktur, bei der eine Funktionsstruktur in die Funktionsschicht eingebracht wurde, und
5 – die schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt den Schichtaufbau einer elektrischen Schichtstruktur. Diese umfasst ein Werkstück 2, das in diesem Fall als Substrat dient. Auf eine Oberfläche 4 des Werkstücks 2 ist eine Isolierschicht 6 aufgebracht, die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und von einer Funktionsschicht 8 abgedeckt wird. In diese Funktionsschicht 8 wird in einem späteren Verfahrensschritt eine in 1 nicht dargestellte Funktionsstruktur 10 eingebracht.
Beim Abscheiden der Isolierschicht 6 und der Funktionsschicht 8 kann es zu Defekten und Fehlstellen kommen, wie beispielsweise in 2 dargestellt ist. Man erkennt, dass die Isolierschicht 6, die auf dem Werkstück 2 aufgebracht ist, an einer Stelle ein Loch 12 aufweist, in die beim Abdecken der Isolierschicht 6 mit der Funktionsschicht 8 die Funktionsschicht 8 eingedrungen ist. An dieser Stelle kommt es nun zu einem direkten Kontakt zwischen der Funktionsschicht 8 und dem Werkstück 2. Da beide Schichten aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen können, kommt es hier zum Kurzschluss, so dass an dieser Stelle eine aus der Funktionsschicht 8 herausgebildete Funktionsstruktur 10 nicht funktionsfähig wäre.
Diese Art Fehlstellen gilt es mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu lokalisieren und zu beheben. Dabei kann natürlich auch eine einzelne Fehlstelle lokalisiert und behoben werden.
Schematische Verfahrensschritte sind in den 3a bis 3c dargestellt. 3a zeigt den Verfahrensschritt a), bei dem eine Stromquelle 14 verwendet wird, um entlang der Pfeilrichtung einen Strom zu erzeugen. Dabei ist ein Kontakt mit der Funktionsschicht 8 und ein weiterer mit dem Werkstück 2 verbunden. Für den Fall, dass die Isolierschicht 6 keine Defekte und Fehlstellen aufweist, kommt in diesem Fall kein Stromfluss zustande, weil die Isolierschicht 6 zwischen der Funktionsschicht 8 und dem Werkstück 2 für eine elektrische Isolation sorgt. In 3a ist jedoch eine Fehlstelle 14 dargestellt. Aufgrund des Stromflusses, der lediglich durch die Fehlstelle 14 erfolgen kann, ändern sich in diesem Bereich lokal die physikalischen Eigenschaften. So wird die Fehlstelle 14 beispielsweise warm oder ändert ihre optischen Eigenschaften, so dass sie mit geeigneten Mitteln detektierbar und lokalisierbar ist. Dies ist in 3b gezeigt. Die Fehlstelle 14 ist mittels einer nicht gezeigten Detektionseinrichtung lokalisiert worden, so dass ihre Position nun bekannt ist. In 3c ist gezeigt, dass die Funktionsschicht 8 in einem Bereich um die Fehlstelle 14 abgetragen wurde, so dass die Fehlstelle nun nicht mehr im elektrischen Kontakt mit der Funktionsschicht 8 steht. Hier ist folglich kein Kurzschluss mehr möglich, so dass eine in 3c nicht gezeigte Funktionsstruktur, die in die Funktionsschicht 8 eingebracht wird, funktionsfähig ist.
Diese Situation ist in 4 dargestellt. Auf dem Werkstück 2 befindet sich die Isolierschicht 6, auf die die Funktionsschicht 8 aufgebracht wurde. Mittels eines geeigneten Verfahrens, beispielsweise Laserablation, Funkenerosion oder mechanisches Kratzen, wurde eine Funktionsstruktur 10 in die Funktionsschicht 8 eingebracht, die im in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel mäanderförmig auf der Isolierschicht 6 verläuft. Die Funktionsstruktur 10 verfügt über zwei Kontaktierungsstellen 18, an denen elektrische Messkontakte 20 angeschlossen sind, durch die beispielsweise eine Spannung an die Funktionsstruktur 10 angelegt werden kann, so dass ihr elektrischer Widerstand messbar ist.
5 zeigt schematisch eine Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung verfügt über einen Laser 22, der eingerichtet ist, in die Funktionsschicht 8, die die oberste Schicht des nur schematisch dargestellten Schichtpaketes 24 darstellt, die Funktionsstruktur 10 einzubringen. Dazu kann der Laser 22 über beispielsweise mehrere Ablenkspiegel 26 an jede Position auf der Oberseite des Schichtpakets 24 gelenkt werden. Die Ablenkspiegel 26 sind über entsprechende Stellmotoren 28 schwenkbar, so dass der Laserstrahl an jede Position auf dem Schichtpaket 24 gelenkt werden kann.
Der Laser 22 kann zudem eingesetzt werden, um beispielsweise nach oder bei dem Einbringen der Funktionsstruktur 18 in die Funktionsschicht 8 eine oder mehrere detektierte Fehlstellen 14 von der Funktionsschicht 8 elektrisch zu trennen, so dass die Funktionsstruktur 10 durch derartige Fehlstellen 14 nicht beeinträchtigt wird.
Dadurch, dass zum Einbringen der Funktionsstruktur 10 in die Funktionsschicht 8 und zum Abtragen der Funktionsschicht 8 um detektierte Fehlstellen 14 herum die gleiche Vorrichtung, im vorliegenden Beispiel also der Laser 22, verwendet wird, ist ein besonders einfacher, konstruktiver Aufbau der Vorrichtung möglich.
Man erkennt in 5, dass der Laserstrahl in drei Strahlenbündel 30 aufspaltet und so an drei Stellen gleichzeitig mit der Oberseite des Schichtpaketes 24, die durch die Funktionsschicht 8 gebildet wird, in Kontakt kommt. Damit soll schematisch dargestellt werden, dass über geeignete optische Elemente, beispielsweise diffraktive optische Elemente, der Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt werden kann und so an mehreren Stellen gleichzeitig auf der Oberseite des Schichtpaketes 24 die Funktionsstruktur 18 in die Funktionsschicht 8 einbringt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da auf diese Weise die Geschwindigkeit, mit der die Funktionsstruktur 10 in die Funktionsschicht 8 eingebracht werden kann, deutlich erhöht wird. Zudem kann ein Laser 22 mit höherer Laserleistung verwendet werden, so dass jeder der Teilstrahlen eine ausreichende Laserleistung aufweist, um Material aus der Funktionsschicht 8 abzulösen.
Natürlich sind auch andere Möglichkeiten der Oberflächenbearbeitung denkbar.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel verfügt die Vorrichtung über eine Wärmebildkamera 32, die die zu bearbeitende Oberfläche des Schichtpakets 24 überwacht. Über zwei schematisch angedeutete Kontakte 34 kann eine Spannung in der in 3a gezeigten Weise angelegt werden, so dass gegebenenfalls aufgetretene Fehlstellen 14 durch den hindurchfließenden Strom erwärmt und so von der Wärmebildkamera 32 detektiert und lokalisiert werden können.
Bezugszeichenliste

2: Werkstück
4: Oberfläche
6: Isolierschicht
8: Funktionsschicht
10: Funktionsstruktur
12: Loch
14: Fehlstelle
18: Kontaktierungsstellen
20: Messkontakt
22: Laser
24: Schichtpaket
26: Ablenkspiegel
28: Stellmotor
30: Strahlenbündel
32: Wärmebildkamera
34: Kontakt

Claims

Verfahren zum Lokalisieren und Beheben von wenigstens einer Fehlstelle (14) in einer elektrischen Schichtstruktur, die eine Isolierschicht (6), die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und auf eine Oberfläche (4) eines Werkstücks (2) aufgebracht ist, und eine Funktionsschicht (8) aufweist, die auf der Isolierschicht (6) angeordnet ist und in der sich eine Funktionsstruktur (10) befindet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Werkstück (2) und der Funktionsschicht (8), so dass durch die wenigstens eine Fehlstelle (14) ein elektrischer Strom fließt, b) Lokalisieren der wenigstens einen Fehlstelle (14) und c) Abtragen der Funktionsschicht (8) so, dass die wenigstens eine Fehlstelle (14) von der Funktionsstruktur (10) elektrisch isoliert ist.
Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Schichtstruktur auf einem Werkstück (2), das die folgenden Schritte aufweist: i) Abscheiden einer Isolierschicht (6) aus einem elektrisch isolierenden Material auf einer Oberfläche (4) des Werkstückes (2), ii) Abscheiden einer Funktionsschicht (8) auf der Isolierschicht (6), iii) Einbringen einer Struktur in die Funktionsschicht (8), so dass ein Teil der Funktionsschicht (8) eine Funktionsstruktur (10) bildet, die von dem Rest der Funktionsschicht (8) elektrisch isoliert ist, iv) Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Werkstück (2) und der Funktionsschicht (8), so dass durch die wenigstens eine Fehlstelle (14) ein elektrischer Strom fließt, v) Lokalisieren der wenigstens einen Fehlstelle (14) und vi) Abtragen der Funktionsschicht (8) so, dass die wenigstens eine Fehlstelle (14) von der Funktionstruktur (10) elektrisch isoliert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte iii) und vi) gleichzeitig erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte iv) und v) vor dem Einbringen der Struktur in die Funktionsschicht (8) erfolgen und die Struktur, die in die Funktionsschicht (8) eingebracht wird, in Abhängigkeit der lokalisierten wenigstens einen Fehlstelle (14) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Struktur in die Funktionsschicht (8) und/oder zum Abtragen der Funktionsschicht (8) ein Laser (22) oder eine Elektronenstrahlquelle verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Struktur in die Funktionsschicht (8) und/oder zum Abtragen der Funktionsschicht (8) ein Kratzelement verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Lokalisieren der wenigstens einen Fehlstelle (14) eine Wärmebildkamera (52) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (4) des Werkstückes (2) dreidimensional geformt ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (6) aus Aluminiumoxid besteht.
Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.