DE102015109256A1

DE102015109256A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung dehnungsabhängiger Größen

Info

Publication number: DE102015109256A1
Application number: DE102015109256.5A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Schmitz-Kempen; Roland Kessels
Original assignee: AIXACCT SYSTEMS GmbH
Current assignee: AIXACCT SYSTEMS GmbH
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2016-12-15
Also published as: WO2016198043A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer dehnungsabhängigen Größe mindestens eines an einem scheibenförmigen Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) angeordneten Probenelements (50, 60) vorgestellt, bei dem einem Grundelement (2,12, 22, 32, 42) ein kontrolliertes Biegemoment aufgegeben wird, das Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) derart eine Substrataufnahmeseite des Grundelements (2,12, 22, 32, 42) mittelbar oder unmittelbar kontaktierend am Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) gehalten wird, dass das Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) infolge der Biegebewegung des Grundelements (2, 12, 22, 32) eine Oberflächenkrümmung erfährt, und an dem mindestens einen Probenelement (50, 60) mindestens eine Messgröße gemessen wird. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, umfassend Biegemittel zum Erzeugen eines kontrollierten Biegemoments, kennzeichnet sich dadurch, dass die Biegemittel auf ein Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) wirken und Mittel zum Halten eines scheibenförmigen Substrats (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) auf dem Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) derart ausgebildet sind, dass das Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) infolge der Biegebewegung des Grundelements gekrümmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer dehnungsabhängigen Größe mindestens eines an einem scheibenförmigen Substrat angeordneten Probenelements sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
Die Bestimmung dehnungsabhängiger Größen, wie z.B. piezoelektrischer Größen, insbesondere von transversalen Piezokoeffizienten, erfolgt im Stand der Technik regelmäßig an kleinen, aus Wafern ausgeschnittenen Proben, wodurch eine zerstörende Prüfung gegeben ist. Messungen an ganzen Wafern sind im Labormaßstab durch Applikation von Druck bekannt, bei denen dem Wafer eine Dehnung aufgegeben wird. Unter dem Begriff Dehnung werden sowohl positive Dehnungen, das heißt Streckungen, als auch negative Dehnungen, das heißt Stauchungen, verstanden. Es ist allgemein bekannt, die Dehnung aufwändig über aufgebrachte oder integrierte Dehnungsmessstreifen zu bestimmen.
Aus der DE 10 2005 006 958 A1 sind ein Messverfahren und eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Piezo-Koeffizienten bekannt. Es ist offenbart, auf ein Substrat eine Elektrodenschicht und auf die Elektrodenschicht eine streifenförmige Probe eines Piezomaterials aufzubringen und das so beschichtete Substrat mechanisch mittels einer 4-Punkt-Biegevorrichtung weitgehend kontrolliert zu verbiegen und somit der Probe eine Dehnung aufzugeben.
In dem Aufsatz „Uniaxially strained silicon by wafer bonding and layer transfer" (C. Himcinschi et al., Solid-State Electronics 51 (2007) 226–230) ist es offenbart, zur Bildung einer Streckdehnung in einem Halbleitermaterial einen Verbund aus zwei Wafern auf dem zylindrischen Umfang eines Stützelements abzulegen und gegen den Zylinderumfang derart anzupressen, dass im Waferverbund ein kontrolliertes Biegemoment erzeugt wird.
Beide vorbeschriebenen Vorrichtungen zum Stand der Technik haben als Nachteile, dass die jeweilige Biegevorrichtung auf beide Seiten des Substrats einwirkt, wodurch dieses beidseitig beschädigt oder kontaminiert werden kann. Zudem begrenzt die Biegevorrichtung den möglichen räumlichen Messbereich auf dem Substrat. Des Weiteren werden durch Ungenauigkeiten der Auflageflächen der auf das Substrat einwirkenden Elemente der Biegevorrichtung die Biegung und die Vorkrümmung des Substrats nachteilig beeinflusst.
Es ist des Weiteren in der DE 10 2005 006 958 A1 offenbart, mittels Lasermesstechnik, insbesondere mittels eines Doppelstrahlinterferometers, eine Dickenänderung der Probe nach einer elektrischen Anregung der Probe zu bestimmen. Für dieses Verfahren, das auch ohne zusätzliche mechanische Krümmung der Probe durchgeführt werden kann, sind jedoch doppelseitig polierte Substrate mit gut reflektierender Oberfläche erforderlich, die einen hohen Fertigungsaufwand erfordern. Vorteilhaft an diesem Messprinzip ist, dass nicht nur kleine Waferstücke untersucht werden können, sondern – bei Wegfall mechanischer Krümmungsmittel – grundsätzlich der gesamte Waferbereich. Auf diese Weise können Probeneigenschaften, z.B. von dünnen piezoelektrischen Schichten, in frühen Fertigungsstadien von Produkten, z.B. von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), durchgeführt werden, was gegenüber Messungen an fertigen Produkten einen hohen Zeit- und Kostengewinn bringen kann.
Aus dem Aufsatz „The wafer flexure technique for the determination of the transverse piezoelectric coefficient (d31) of PZT thin films" von J. F.Shephard Jr. et al. (Sensors and Actuators A 71 (1998) 133–138) ist es bekannt, für die Bestimmung des transversalen piezoelektrischen Koeffizienten d₃₁ einen mit dem PZT-Material beschichteten Halbleiterwafer in eine Druckvorrichtung einzuspannen und periodisch mit Unterdruck und Überdruck zu beaufschlagen, so dass sich der Wafer abwechselnd in beide Richtungen wölbt. Die dielektrische Verschiebung in der PZT-Schicht wird durch Ladungsintegration ermittelt und als Funktion der mechanischen Spannung aufgenommen. Hieraus wird der gesuchte Koeffizient ermittelt.
Aus dem Aufsatz „Metrological evaluation of a shape adjustable wafer chuck" (Christian-Toralf Weber et al., Joint International EMEKO TCI+ TC7 Symposium, September 21–24, 2005, Ilmenau, Deutschland) ist es bekannt, für einen Polierprozess einen Halbleiterwafer mittels einer verformbaren Aufspannvorrichtung zu verformen. Die Aufspannvorrichtung weist mehrere konzentrische Ringe auf, die jeweils durch drei oder mehr Piezoaktoren relativ zueinander in axialer Richtung verfahrbar sind. Auf diese Weise kann die Druckverteilung während des Poliervorgangs beeinflusst werden.
Aus der US 2002/0101253 A1 ist ein System zur Kontrolle von Vibrationen bekannt, welches bei der Herstellung von elektronischem Equipment eingesetzt wird. Es ist offenbart, mit Piezomaterial enthaltenden unterschiedlichen Aktoren Bewegungen, insbesondere auch Biegungen, zu erzeugen, die aktiv zur Vibrationskontrolle, insbesondere zur Reduzierung der Vibrationen einer Struktur, eingesetzt werden. Eine Messung von dehnungsabhängigen Größen von an einem scheibenförmigen Substrat angeordneten Probenelementen ist nicht vorgesehen
Aus der JP 2010-002357 A ist eine Vorrichtung zur Bestimmung einer elektrischen Eigenschaft eines Vibrationselements bekannt, bei dem das zu untersuchende Vibrationselement mittels Vakuums gehalten und transportiert wird.
Die US 7,909,374 B2 offenbart eine Vorrichtung zur Handhabung von dünnen Wafern. Der Wafer wird mit Hilfe einer adhäsiv wirkenden Membran gehalten. Um den Wafer lösen zu können, wird die Form der Membran mittels eines in einem von der Membran abgedeckten Arbeitsraum erzeugten Überdrucks oder Unterdrucks geändert, um die Kontaktfläche zwischen der adhäsiven Membran und dem Wafer zu verringern.
Aus der DE 10 2013 103 404 A1 , dessen Offenbarungsgehalt im vollen Umfange hier einbezogen wird, ist ein Verfahren zur Ermittlung einer probenspezifischen Größe einer Dünnschichtprobe bekannt, welche auf einem elastischen Substrat und zwischen Elektroden angeordnet ist. Es wird offenbart, die probenspezifische Größe, vorzugsweise den transversalen piezoelektrischen Koeffizienten mittels zweier longitudinaler piezoelektrischer Koeffizienten zu berechnen, welche mit zwei verschiedenen Elektrodenmessanordnungen festgestellt wurden. Hierdurch soll die Verfälschung der Messung aufgrund einer Abhängigkeit von der Elektrodenmessanordnung vermieden werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die zum einen eine Alternative zum vorhandenen Stand der Technik darstellen und insbesondere einen freien Zugang zu einer Seite des scheibenförmigen Substrats im Bedarfsfall ermöglichen.
Bei einem Verfahren der vorgenannten Art wird das technische Problem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 15.
Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird das technische Problem durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 17 bis 31.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das scheibenförmige Substrat auf einer Substrataufnahmeseite eines Grundelements vom Grundelement derart gehalten, dass das Substrat aufgrund der Biegebewegung des Grundelements gekrümmt wird. Das kontrollierte Biegemoment wird dem Grundelement aufgegeben, so dass es mittelbar auf das scheibenförmige Substrat übertragen wird. Somit wirken gegenständliche Elemente zur Erzeugung des kontrollierten Biegemoments nicht unmittelbar auf das Substrat selbst ein. Des Weiteren kann die dem Grundelement abgewandte Seite des scheibenförmigen Substrats vollständig freigehalten werden und steht somit der Messung einer Messgröße zur Verfügung und ist zum anderen auch – abgesehen von der aufgegebenen Dehnung – von mechanischen Belastungen, die die Oberfläche angreifen könnten, frei.
Bei der Messgröße handelt es sich z.B. um eine elektrische Größe, wie z.B. eine Ladung, einen Strom oder eine Spannung. Aber auch andere Größen, z.B. optische Größen, sind denkbar. Die Messgröße kann die zu bestimmende dehnungsabhängige Größe selbst sein. Die Messgröße kann aber auch zur mittelbaren Bestimmung, z.B. mittels Berechnung, der gesuchten dehnungsabhängigen Größe dienen.
Bei den dehnungsabhängigen Größen kann es sich z.B. um Größen im Zusammenhang mit piezoelektrischen oder piezoresistiven Eigenschaften des untersuchten Probenelements handeln, insbesondere um die Bestimmung von Piezokoeffizienten. Hinsichtlich der Bestimmung von Piezokoeffizienten wird auf die Erläuterungen der DE 10 2005 006 958 A1 verwiesen, deren gesamter Offenbarungsgehalt im vollen Umfang hier einbezogen wird. Andere Größen, die nicht von einer Piezoeigenschaft abhängen, wie z.B. dehnungsabhängige Widerstände, können ebenfalls bestimmt werden.
Bei dem Probenelement kann es sich um mindestens eine auf dem Substrat aufgebrachte Schicht, insbesondere Dünnschicht, oder um einen Teil einer solchen Schicht handeln. Das Substrat mit aufgebrachter Dünnschicht kann z.B. ein mikroelektromechanisches System (MEMS) sein. Das Probenelement kann aber auch ein sonstiges auf das Substrat aufgebrachtes Element sein, z.B. ein Dehnungsmessstreifen.
Für das Aufbringen des mindestens einen Probenelements kann die vom Grundelement abgewandte Messseite des Substrats uneingeschränkt zur Verfügung stehen.
Die Kraft zur Erzeugung des Biegemoments kann durch einen oder mehrere Aktoren bewirkt werden und unmittelbar oder mittelbar z.B. über Hebel und/oder Gelenke auf das Grundelement gegeben werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, mindestens einen Piezoaktor einzusetzen. Piezoaktoren können kontrolliert höchstgenau gedehnt oder kontrahiert werden, wobei allerdings im Falle der Kontraktion im Vergleich zur Dehnung bei vorgegebener Länge des Piezoaktors in der Regel nur deutlich kürzere Wege erreicht werden können.
Es kann vorteilhaft sein, das Biegemoment mittels einer parallel zur Scheibenfläche des Substrats wirkenden Kraft zu erzeugen. Die Richtungsangabe „parallel zur Scheibenfläche des Substrats“ bezieht sich auf das noch ungekrümmte Substrat. Dabei kann sich der mindestens eine Aktor z.B. unterhalb des beispielsweise plattenförmigen Grundelements befinden. Befindet sich der Aktor zwischen zwei am Grundelement fixierten Hebeln kann durch eine die Hebel auseinandertreibende Kraft, z.B. durch Dehnung des Aktors, ein Durchbiegen des Grundelements zum Aktor hin erreicht werden. Eine entgegengesetzte Krümmung kann durch eine geeignete Umleitung der Kraft des mindestens einen Piezoaktors erreicht werden. So kann ein den mindestens einen Piezoaktor aufnehmendes, z.B. rautenähnliches Rahmengestell vorgesehen werden, welches bei Streckung des Piezoaktors in einer bestimmten Richtung, z.B. senkrecht zur Längsausdehnung des Piezoaktors, kontrahiert. Diese Kontraktion kann z.B. über Hebelelemente auf das Grundelement übertragen werden.
Es kann auch vorgesehen werden, das Biegemoment mittels einer Mehrzahl von senkrecht zur Scheibenfläche des Substrats auf das Grundelement wirkenden Piezoaktoren zu erzeugen. Die Anordnung der Piezoaktoren kann dabei so gewählt werden, dass Krümmungen in unterschiedliche Richtungen erreicht werden können, d.h. entlang unterschiedlicher einzelner oder mehrerer Krümmungsachsen oder auch mit unterschiedlichen Vorzeichen der Krümmung. Die Richtungsangabe „senkrecht zur Scheibenfläche des Substrats“ bezieht sich auf das noch ungekrümmte Substrat.
Es ist möglich, dass die durch die Biegebewegung des Grundelements am Substrat erzeugte Dehnung nicht über die gesamte, das mindestens eine Probenelement aufweisende Fläche homogen ist und z.B. Dehnungsinhomogenitäten längs oder quer zur Biegerichtung aufweist. Für diesen Fall kann es vorteilhaft sein, ein Referenzsubstrat, welches dem hier eingesetzten das mindestens eine Probenelement aufweisende Substrat in den geometrischen Abmessungen entspricht, dessen piezoelektrische Koeffizienten jedoch bereits bekannt sind, zur Bestimmung der Dehnungsverteilung bei den gegebenen Geometrien heranzuziehen. Die Dehnungsverteilung kann z.B. bei Biegungsanregung des Referenzsubstrats und Messung geeigneter elektrischer Größen über die bekannten piezoelektrischen Koeffizienten ermittelt werden. Die gemessene Dehnungsverteilung kann dann auf das eigentliche Substrat übertragen und zur Korrektur der an dem mindestens einen Probenelement gemessenen Größe herangezogen werden. Die piezoelektrischen Koeffizienten des Referenzsubstrats können z.B. gemäß dem in der bereits eingangs zitierten DE 10 2013 103 404 A1 offenbarten Verfahren ermittelt werden.
Damit das Substrat der Biegebewegung des Grundelements folgt, kann der Einsatz eines Vakuums oder Unterdrucks zwischen Substrat und Grundelement vorgesehen werden. Hierfür können am Grundelement geeignete Kanäle oder Durchbohrungen vorgesehen werden, die mit einem Unterdruck erzeugenden Element, zum Beispiel einer Pumpe, verbunden sind.
Alternativ zur Verwendung von Unterdruck oder Vakuum kann vorgesehen werden, das Substrat auf das Grundelement zu kleben. Hierbei ist vorzugsweise ein elastischer Kleber zu verwenden, der in geeignetem Umfang eine Gleitbewegung parallel zur Scheibenfläche des Substrats zwischen Substrat und Grundelement erlaubt.
Es kann auch vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dass zwischen Substrat und Grundelement ein flexibles Kissenelement angeordnet wird. Das Kissenelement, welches beispielsweise aus einem Elastomer, insbesondere aus einem Gummi, z.B. einem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), besteht, kann adhäsiv wirken und mittels seiner Adhäsivkräfte das Substrat festhalten. Das Kissenelement wird durch seine adhäsive Wirkung auch am Grundelement gehalten. Die Fixierung des Kissenelements am Grundelement kann aber durch weitere Maßnahmen unterstützt werden, z.B. mechanisch, durch Kleben oder mittels eines Vakuums.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dass nach der Messung der dehnungsabhängigen Größe(n) zur Ablösung des Substrats das Kissenelement mittels mindestens eines durch das Grundelement hindurch geführten Stiftelements in mindestens einem begrenzten Abhebebereich vom Grundelement abgehoben wird. Das mindestens eine Stiftelement hebt zusammen mit dem Kissenelement das Substrat an, wobei das Substrat in der Umgebung des jeweiligen Abhebebereichs den Kontakt zum Kissenelement verliert. Hierdurch wird die auf das Substrat wirkende Adhäsionskraft verringert, so dass das Substrat leichter entnommen werden kann oder aufgrund seiner Gewichtskraft vom Kissenelement fällt.
Dabei kann es vorteilhaft vorgesehen werden, dass das Kissenelement während des Einsatzes des mindestens einen Stiftelements außerhalb des mindestens einen Abhebebereichs am Grundelement fixiert wird. Auf diese Weise kann der Abhebebereich, also der um das jeweilige Stiftelement herum gegebene Bereich ohne Kontakt zwischen Kissenelement und Grundelement, verkleinert werden, so dass es zuverlässig zu einer zumindest bereichsweisen Ablösung des Substrats vom Kissenelement kommt. Die Fixierung des Kissenelements am Grundelement kann beispielsweise mittels Adhäsion, Kleben oder mittels eines Vakuums erfolgen.
Für Messungen können ein oder mehrere Kontaktelemente als Teil eines oder mehrerer Messaufnehmer vorgesehen sein, die das Substrat oder das (die) darauf aufgebrachte(n) Probenelement(e) oder mindestens eine an Substrat oder Probenelement(en) angeordnete Elektrode kontaktieren. Dabei kann es vorgesehen sein, den oder die Messaufnehmer und/oder das jeweilige Kontaktelement, welches z.B. nadelförmig sein kann, einer infolge der Krümmung gegebenen Bewegung der Kontaktstelle folgen zu lassen. Da das Biegemoment in kontrollierter Weise auf das Grundelement aufgegeben wird, ist die sich hieraus ergebende Krümmung aus den geometrischen Gegebenheiten und Materialgrößen berechenbar oder empirisch ermittelbar. Somit können eine oder mehrere Verfahreinrichtungen für den Messaufnehmer und/oder für das mindestens eine Kontaktelement mit entsprechenden Daten gesteuert werden, um die Position dynamisch an die Krümmung anzupassen.
Krümmt sich das Substrat bzw. die zu untersuchende Probenstruktur in Richtung auf das jeweilige Kontaktelement, können durch ein solches Verfahren eine ansonsten durch die Krümmung verursachte Erhöhung der zwischen Kontaktelement und Substrat/Probenstruktur gegebenen Kraft oder eine unerwünschte Relativbewegung an der Kontaktstelle und damit nachteilige mechanische Belastungen des Substrats oder der Probenstruktur weitgehend vermieden werden. Krümmt sich das Substrat vom Kontaktelement weg, kann durch das Verfahren der Kontakt aufrechterhalten werden.
Das mindestens eine Kontaktelement kann auch federelastisch ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass zur Kontaktierung des Probenelements oder mindestens eines der Probenelemente mindestens ein Kontaktelement aus einem flexiblen Material eingesetzt wird. Hierdurch kann das jeweilige Probenelement schonend kontaktiert werden. Das Kontaktelement oder mindestens eines der Kontaktelemente kann eine Auflagefläche für das untersuchte Probenelement aufweisen, welche kleiner ist als die dem Kontaktelement zugewandte Oberfläche des untersuchten Probenelements selbst. Es kann aber auch vorteilhaft sein, ein Kontaktelement mit einer größeren Auflagefläche einzusetzen, so dass das Kontaktelement das jeweilige Probenelement oder gleichzeitig mehrere Probenelemente oder die gesamte das mindestens eine Probenelement aufweisende Substratoberfläche abdeckt.
Das Kontaktelement oder mindestens eines der Kontaktelemente kann auch anisotrop leitend sein. Dies kann insbesondere bei einer großflächigen Abdeckung des Substrats mit dem Kontaktelement vorteilhaft sein. So kann das Kontaktelement senkrecht zur abgedeckten Substratoberfläche mit niedrigem Widerstand elektrisch leitend sein und parallel zur abgedeckten Substratoberfläche einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Auf diese Weise können elektrisch messbare Größen vom mindestens einen Probenelement über das flexible Kontaktelement punktuell abgegriffen werden. Die Weiterleitung der elektrischen Größen erfolgt z.B. über das Kontaktelement berührende sekundäre Kontaktelemente oder über fest am flexiblen Kontaktelement fixierte elektrische Leitungen oder Platinen.
Vorzugsweise wird das Kontaktelement oder mindestens eines der Kontaktelemente auf der dem Grundelement abgewandten Seite des Substrats eingesetzt. Es kann aber auch vorteilhaft sein, das Probenelement oder mindestens eines der Probenelemente auf der dem Grundelement zugewandten Seite des Substrats anzuordnen und das flexible Kontaktelement auf der dem Grundelement zugewandten Seite des Substrats einzusetzen. Dabei kann das Kontaktelement gleichzeitig die Funktion des Kissenelements übernehmen.
Bei dem im erfindungsgemäßen Verfahren oder in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzten Substrat kann es sich um ein Produkt, z.B. ein mikroelektromechanisches System (MEMS), in einem beliebigen Fertigungsstadium oder im fertig produzierten Zustand handeln. Das Substrat kann aber auch ein reiner Probenträger, z.B. für Dünnschichtproben, sein.
Im Folgenden werden beispielhafte Ausbildungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Verwendung im Zusammenhang mit der Messung von Piezokoeffizienten schematisch dargestellt.
Es zeigt jeweils schematisch
1: eine erste Biegevorrichtung in einem ersten Zustand zusammen mit einer Messeinheit,
2: die Biegevorrichtung gemäß 1 in einem zweiten Zustand,
3: eine zweite Biegevorrichtung im seitlichen Querschnitt,
4: die zweite Biegevorrichtung gemäß 3 in Aufsicht,
5: eine dritte Biegevorrichtung in Aufsicht,
6: eine vierte Biegevorrichtung in seitlicher Ansicht,
7: die Biegevorrichtung gemäß 6 in Aufsicht,
8: ein Substrat mit Silikonkissen auf einem Grundelement,
9: das Substrat nach 8 abgelöst vom Grundelement,
10: Verteilung von Ablösestiften in Bezug auf das Grundelement,
11: im seitlichen Querschnitt eine Variante zur Kontaktierung eines Probenelements und
12: im seitlichen Querschnitt eine weitere Variante zur Kontaktierung eines Probenelements.
1 zeigt schematisch im seitlichen Querschnitt eine erste Biegevorrichtung 1 mit einem plattenförmigen Grundelement 2, auf welchem ein Substrat 3 aufgeklebt ist. Auf der dem Grundelement 2 abgewandten Oberseite des Substrats 3 kann eine in den Figuren nicht sichtbares Probenelement, z.B. eine piezoelektrische Schicht, aufgebracht sein. Eine Messeinheit 4 greift mit einem Messaufnehmer 6, der hier beispielhaft drahtförmig dargestellt ist aber auch andere Formen aufweisen kann, auf das Probenelement und ermittelt den Wert der Messgröße, z.B. Beispiel die an einer Piezoschicht entstehende Ladung.
Vom Grundelement 2 erstrecken sich senkrecht nach unten zwei Hebelelemente 5. Zwischen den Hebelelementen 5 ist ein Piezoaktor 7 angeordnet, welcher über hier symbolisch dargestellte Gelenke 8 mittels Längsdehnung oder Kontraktion die Hebel 5 auseinanderdrückt oder aufeinander zu ziehen kann. Der Piezoaktor 7 lässt sich durch Anlegen einer definierten Spannung auf eine kontrollierte Weise hochgenau in der Länge verändern. In der in 2 dargestellten Situation werden die Hebelelemente 5 durch eine definierte Längsausdehnung des Piezoaktors 7 auseinander gedrückt. Dem fest mit den Hebelelementen 5 verbundenen Grundelement 2 wird hierdurch ein Biegemoment auferlegt, wodurch es zu einer Krümmung des Grundelements 2 kommt. Das auf dem Grundelement 2 aufgeklebte Substrat 3 folgt der Biegung des Grundelements 2 und erhält somit ebenfalls die gewünschte Krümmung.
Das Maß der Krümmung in Abhängigkeit von der Längsausdehnung des Piezoaktors 7 ist durch die geometrischen Verhältnisse in der Biegevorrichtung 1 vorgegeben. Der Messaufnehmer 6 (in 2 nicht dargestellt) verfährt im Zuge der Krümmung des Substrats 3 derart nach oben, dass die Krümmung des Substrats 3 bzw. der auf dem Substrat 3 aufgebrachten Probenstruktur die durch den Messaufnehmer 6 auf die Messstelle ausgeübte Kraft nicht verstärkt und auch Relativbewegungen zwischen dem Messaufnehmer 6 und der Messstelle weitgehend vermieden werden. Auf diese Weise wird eine möglicherweise nachteilige mechanische Einwirkung des Messaufnehmers 6 auf die Messstelle minimiert. Der notwendige Verfahrweg des Messaufnehmers 6 kann aus der dem Substrat 3 definiert aufgegebenen Krümmung berechnet und einer Steuerung einer hier nicht dargestellten Verfahreinrichtung für den Messaufnehmer 6 zugrunde gelegt werden, wodurch eine dynamische Anpassung der Position des Messaufnehmers 6 in Abhängigkeit von der dem Substrat 3 auferlegten Krümmung möglich ist.
In den 3 und 4 ist in Seitenansicht und in Aufsicht schematisch eine zweite Biegevorrichtung dargestellt, die der ersten Biegevorrichtung 1 der 1 und 2 weitgehend entspricht. An einem Grundelement 12 sind zwei Hebelelemente 15 fixiert, zwischen denen ein in 4 nur gestrichelt angedeuteter Piezoaktor 17 angeordnet ist. Auf der dem Piezoaktor 17 abgewandten Seite des Grundelements 12 befindet sich das eine Kreisfläche aufweisende Substrat 13, z. B. ein Wafer. Wie in allen Darstellungen der 1 bis 10 sind mögliche Probenelemente auf dem Substrat 13 nicht dargestellt. Am links angeordneten Hebelelement 15 (siehe 3) ist ein Adapterstück 19 fixiert, welches zwischen dem Piezoaktor 17 und dem Hebelelement 15 vermittelt. Der Piezoaktor 17 weist zum Kontakt mit dem Adapterstück 19 einen Kontaktstift 20 auf, der in eine hier nicht dargestellte Kuhle im Adapterstück 19 eingreift, so dass zum einen der Piezoaktor 17 hinreichend fixiert ist und zum anderen eine Gelenkfunktion (siehe Gelenk 8 in 1) erreicht wird.
5 zeigt in Aufsicht eine dritte Biegevorrichtung 21 mit einem Grundelement 22 und einem Substrat 23. Unterhalb von Grundelement 22 und Substrat 23 befinden sich hier gestrichelt dargestellt ein Rahmengestell 29 und ein sich im Rahmengestell 29 erstreckender Piezoaktor 27. Wie in den 1 und 4 sind auch bei der dritten Biegevorrichtung 21 unterhalb des Grundelements 22 rechts und links jeweils Hebelelemente fixiert, die in 5 nicht sichtbar sind und an denen das rautenförmige Rahmengestell 29 jeweils mit einem seiner seitlichen Eckbereiche 30a und 30b fixiert ist. Der Piezoaktor 27 ist zwischen einem unteren und einem oberen Eckbereich 26a bzw. 26b angeordnet und erhöht bei einer Streckbewegung den Abstand zwischen dem unteren und dem oberen Eckbereich 26a bzw. 26b. Die Konstruktion des Rahmengestells 29 ist derart, dass die Streckung des Piezoaktors 27 eine Kontraktion des Abstandes zwischen den beiden seitlichen Eckbereichen 30a und 30b des Rahmengestells 29 bewirkt. Über die Hebelelemente (in 5 nicht sichtbar) wird auf diese Weise eine Krümmung des Grundelements 22 erreicht, die der in den 1 bis 4 erzeugten Krümmung entgegengesetzt ist, d. h. das Grundelement 22 krümmt sich vom Piezoaktor 27 weg.
Die 6 und 7 zeigen in seitlicher Ansicht bzw. in Aufsicht eine vierte Biegevorrichtung, mit der unterschiedliche Krümmungsvarianten realisiert werden können. Die vierte Biegevorrichtung 31 weist insgesamt sechzehn Piezoaktoren 37 auf, die zum einen an vier Eckbereichen eines Grundelements 32 und am ihrem jeweiligen anderen Ende an einer Basisplatte 39 fixiert sind. Das Grundelement 32 trägt ein Substrat 33.
Um dem Grundelement 32 ein definiertes Biegemoment aufzugeben, welches eine Krümmung nach oben, d.h. von der Basisplatte 39 weg, bewirkt, können z. B. die in 6 weiter innen liegenden Piezoaktoren gestreckt werden, während die in 6 äußeren Piezoaktoren 37 in ihrer Länge unverändert bleiben oder auch kontrahiert werden. In umgekehrter Weise wird eine Krümmung mit einem in 6 nach unten, d.h. in Richtung auf die Basisplatte 39, durchgebogenen Bauch des Grundelements 32 erreicht. Die Krümmungsachse kann um 90° gegenüber dem Grundelement 32 gedreht werden, indem die in 7 obersten vier Piezoaktoren 37 sowie die vier untersten Piezoaktoren 37 gestreckt werden, während die übrigen Piezoaktoren 37 unverändert bleiben oder kontrahiert werden. Weitere Varianten der Biegemomenterzeugung sind selbstverständlich möglich.
Es ist auch möglich, eine von 6 abweichende Anzahl und/oder Anordnung der Piezoaktoren 37 vorzusehen, so dass weitere Orientierungen der Krümmungsachse möglich sind oder auch mehrere Krümmungsachsen gleichzeitig realisiert werden können.
8 zeigt ausschnittsweise in einem seitlichen Querschnitt ein Grundelement 42, ein Substrat 43 und zwischen Grundelement 42 und Substrat 43 ein Silikonkissen 44. Es können auch Kissen aus anderen Materialien verwendet werden. Das Silikonkissen 44 wirkt adhäsiv auf das Substrat 43 und wird mittels Vakuums auf dem Grundelement 42 gehalten. Alternativ zum Silikonkissen 44 können auch Kissen aus anderen adhäsiv wirkenden Materialien verwendet werden. Die Mittel zur Erzeugung des Vakuums sind hier nicht dargestellt. Auf diese Weise wird das Silikonkissen 44 relativ zum Grundelement 42 für die Messungen in Position gehalten.
Das Grundelement weist eine Mehrzahl von Durchführungen 45 auf, von denen in 8 und 9 nur eine dargestellt ist. Durch die Durchführungen 45 sind Ablösestifte 46 geführt, die an einer Betätigungsplatte 47 fixiert sind. Um nach Vollzug von Messungen das Substrat 43 vom Silikonkissen 44 und damit vom Grundelement 42 lösen zu können, wird die Betätigungsplatte 47 relativ zum Grundelement 42 angehoben, wodurch die Ablösestifte 46 das Silikonkissen 44 vom Grundelement 42 abheben (9). Gleichzeitig wird das Silikonkissen 44 jedoch im Bereich um den Ablösestift 46 herum weiterhin vom Vakuum angesaugt, so dass die Ablösestifte 46 nicht das gesamte Silikonkissen 44 abheben. Auf diese Weise entstehen im Silikonkissen 44 Erhebungen 48, auf denen das Substrat 43 aufliegt. Aufgrund der hierdurch gegebenen starken Reduzierung der Kontaktfläche zwischen Silikonkissen 44 und Substrat 43 wird die adhäsive Wirkung des Silikonkissens 44 entsprechend reduziert und das Substrat 43 lässt sich leicht abheben.
10 zeigt in einer Aufsicht eine mögliche Verteilung von Ablösestiften 46 innerhalb einer Auflagefläche 49 des Grundelements 42 für das in 10 nicht dargestellte Substrat.
11 und 12 zeigen schematisch im seitlichen Querschnitt zwei mögliche beispielhafte Varianten der Kontaktierung eines Probenelements 50 (11) bzw. 60 (12).
Gemäß 11 befindet sich das Probenelement 50 zwischen einer auf einem Substrat 53 angeordneten unteren Elektrode 51 und oberen Elektroden 52a und 52b. Auf den oberen Elektroden 52a und 52b sowie dem Probenelement 50 ist als Messaufnehmer ein erstes flexibles, vorzugsweise auch elastisches, Kontaktelement 54 aufgelegt, welches anisotrop leitend mit einer hohen Leitfähigkeit senkrecht zur Fläche des Probenelements 50 und einer geringen Leitfähigkeit parallel zur Fläche des Probenelements 50 ist. An einer Platine 56 angeordnete Sekundärkontaktelemente 55a und 55b stehen im elektrischen Kontakt mit dem ersten flexiblen Kontaktelement 54. Die untere Elektrode 51 ist über ein zweites flexibles Kontaktelement und ein weiteres Sekundärkontaktelement 55c kontaktiert. Die Sekundärkontaktelemente 55a, 55b und 55c sind an Zuleitungen 58 elektrisch angeschlossen, welche zum Abgreifen elektrischer Größen dienen. Das zweite flexible Kontaktelement 57 ist mittels elektrisch isolierenden Bereichen 59 von benachbarten Strukturen getrennt.
12 zeigt eine Variante, die auf unmittelbar auf das Probenelement 60 aufgebrachte Elektroden verzichtet. Das Probenelement 60 kontaktiert lediglich eine untere Elektrode 61 eines Substrats 63 und ein als Messaufnehmer dienendes, flexibles, vorzugsweise elastisches Kontaktelement 64, welches an einem Sekundärkontaktelement 65 angeordnet ist. Das flexible Kontaktelement 64 kann anisotrop oder isotrop leitend sein. Das Sekundärkontaktelement 65 und die untere Elektrode 61 werden zum Abgreifen elektrischer Größen von Zuleitungen 68 elektrisch kontaktiert.
Bezugszeichenliste

1: erste Biegevorrichtung
2: Grundelement
3: Substrat
4: Messeinheit
5: Hebelelement
6: Messaufnehmer
7: Piezoaktor
8: Gelenk
11: zweite Biegevorrichtung
12: Grundelement
13: Substrat
15: Hebelelement
17: Piezoaktor
19: Adapterstück
20: Kontaktstift
21: dritte Biegevorrichtung
22: Grundelement
23: Substrat
26a, b: oberer, unterer Eckbereich
27: Piezoaktor
29: Rahmengestell
30a, b: seitlicher Eckbereich
31: vierte Biegevorrichtung
32: Grundelement
33: Substrat
37: Piezoaktor
39: Basisplatte
42: Grundelement
43: Substrat
44: Silikonkissen
45: Durchführung
46: Ablösestift
47: Betätigungsplatte
48: Erhebung
49: Auflagefläche
50: Probenelement
51: untere Elektrode
52a, b: obere Elektrode
53: Substrat
54: erstes flexibles Kontaktelement
55a–c: Sekundärkontaktelement
56: Platine
57: zweites flexibles Kontaktelement
58: Zuleitung
59: isolierender Bereich
60: Probenelement
61: untere Elektrode
63: Substrat
64: flexibles Kontaktelement
65: Sekundärkontaktelement
68: Zuleitungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005006958 A1 [0003, 0006, 0019]
US 2002/0101253 A1 [0009]
JP 2010-002357 A [0010]
US 7909374 B2 [0011]
DE 102013103404 A1 [0012, 0025]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Uniaxially strained silicon by wafer bonding and layer transfer“ (C. Himcinschi et al., Solid-State Electronics 51 (2007) 226–230) [0004]
„The wafer flexure technique for the determination of the transverse piezoelectric coefficient (d31) of PZT thin films” von J. F.Shephard Jr. et al. (Sensors and Actuators A 71 (1998) 133–138) [0007]
„Metrological evaluation of a shape adjustable wafer chuck“ (Christian-Toralf Weber et al., Joint International EMEKO TCI+ TC7 Symposium, September 21–24, 2005, Ilmenau, Deutschland) [0008]

Claims

Verfahren zur Bestimmung mindestens einer dehnungsabhängigen Größe mindestens eines an einem scheibenförmigen Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) angeordneten Probenelements (50, 60), bei dem a) einem Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) ein kontrolliertes Biegemoment aufgegeben wird, b) das Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) derart eine Substrataufnahmeseite des Grundelements (2, 12, 22, 32, 42) mittelbar oder unmittelbar kontaktierend am Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) gehalten wird, dass das Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) infolge der Biegebewegung des Grundelements (2, 12, 22, 32) eine Oberflächenkrümmung erfährt, und c) an dem mindestens einen Probenelement (50, 60) mindestens eine Messgröße gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dehnungsabhängige Größe eine piezoelektrische Größe ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Probenelement (50, 60) oder mindestens eines der Probenelemente (50, 60) eine auf dem Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) aufgebrachte Schicht oder Teil einer solchen Schicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Probenelement (50, 60) oder mindestens eines der Probenelemente (50, 60) ein Dehnungsmessstreifen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kontrollierte Biegemoment mittels mindestens eines Piezoaktors (7, 17, 27, 37) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegemoment mittels einer parallel zur Scheibenfläche des Substrats (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) wirkenden Kraft erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegemoment mittels einer Mehrzahl von senkrecht zur Scheibenfläche des Substrats (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) auf das Grundelement (2, 12, 22, 32) wirkenden Piezoaktoren (7, 17, 27, 37) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) mittels Unterdrucks am Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) auf das Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) geklebt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) und Grundelement (2, 12, 22, 32) ein flexibles Kissenelement (44) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ablösung des Substrats (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) das Kissenelement (44) mittels mindestens eines durch das Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) hindurch geführten Stiftelements (46) in mindestens einem begrenzten Ablösebereich vom Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) abgehoben wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kissenelement (44) während des Einsatzes des mindestens einen Stiftelements (46) außerhalb des mindestens einen Ablösebereichs am Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) fixiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung am Probenelement (50, 60) oder an mindestens einem der Probenelemente (50, 60) zur Kontaktierung mindestens ein Kontaktelement (54, 64) aus einem flexiblen Material eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (54, 64) oder mindestens eines der Kontaktelemente (54, 64) anisotrop elektrisch leitend ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (54, 64) gleichzeitig als Kissenelement (44) nach einem der Ansprüche 10 bis 12 eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend Biegemittel zum Erzeugen eines kontrollierten Biegemoments, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegemittel auf ein Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) wirken und Mittel zum Halten eines scheibenförmigen Substrats (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) auf dem Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) derart ausgebildet sind, dass das Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) infolge der Biegebewegung des Grundelements gekrümmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) plattenförmig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) metallisch ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) einstückig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegemittel mindestens einen Piezoaktor (7, 17, 27, 37) umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegemittel derart ausgestaltet sind, dass die Kraft zur Erzeugung des kontrollierten Biegemoments parallel zur Scheibenfläche des Substrats (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) wirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von senkrecht zur Scheibenfläche des Substrats (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) auf das Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) wirkenden Piezoaktoren (7, 17, 27, 37) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, gekennzeichnet durch mindestens ein zwischen Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) und Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) angeordnetes adhäsiv wirkendes flexibles Kissenelement (44).
Vorrichtung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung eines Vakuums zwischen dem mindestens einen Kissenelement (44) und dem Grundelement (2, 12, 22, 32, 42).
Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Kissenelement (44) auf der dem Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) zugewandten Seite fluidleitende Strukturen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, gekennzeichnet durch mindestens eine sich durch das Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) hindurch erstreckende Stiftdurchführung (45), mindestens ein Stiftelement (46) und Mittel zur kontrollierten Bewegung des mindestens einen Stiftelements (46) durch die Stiftdurchführung (45) hindurch.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 26, gekennzeichnet durch mindestens einen zur Kontaktierung mindestens eines an dem Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) angeordneten Probenelements (50, 60) geeigneten Messaufnehmer (6, 54, 57, 64).
Vorrichtung nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch auf den mindestens einen Messaufnehmer (6, 54, 57, 64) wirkende Verfahrmittel, wobei die Verfahrmittel derart ausgestaltet sind, dass der mindestens eine Messaufnehmer (6, 54, 57, 64) einer Biegebewegung des Substrats (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) folgt.
Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (6, 54, 57, 64) mindestens ein Kontaktelement (54, 57, 64) aus einem flexiblen Material umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (54, 57, 64) anisotrop elektrisch leitend ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (54, 57, 64) bei seiner Anwendung zwischen Grundelement (2, 12, 22, 32, 42) und Substrat (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63) angeordnet ist.