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Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung elektronischer Bauteile Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung elektronischer Bauteile,
die wenigstens eine Schicht aus leitendem oder halbleitendem Material auf wenigstens
einer Oberfläche eines nichtleitenden Trägers aufweisen.
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Soweit bekannt, gab es bisher keine zerstörungsfreien Verfahren,
die eine einwandfreie Prüfung und Kontrolle derartiger Bauteile, wie es z. B. Dünnfilmbauelemente
sind, gestatteten. Es wurden lediglich der Stromdurchgang geprüft und der Widerstand
gemessen, wobei aber feine Risse oder Sprünge oft unbemerkt blieben, die später
beim Betrieb eine Störung oder einen Ausfall zur Folge hatten. Selbst genaue und
zeitraubende mikroskopische Untersuchungen führten nicht zu befriedigenden Ergebnissen.
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Demgegenüber wird in der vorliegenden Erfindung ein Verfahren angegeben,
welches eine einwandfreie zerstörungsfreie Funktions- und Qualitätskontrolle gestattet.
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Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das jeweils zu prüfende
Bauteil in den Weg eines Elektronenstrahls übergeführt wird, daß die Leistungsdichte
(Intensität) des Elektronenstrahls auf einen Wert eingestellt wird, bei dem der
Träger fluoresziert, daß der Elektronenstrahl über die Oberfläche des Bauteils gelenkt
wird und daß dabei zur Ermittlung von Fehlern in der leitenden Schicht die von dem
Träger ausgehende Fluoreszenz beobachtet wird.
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Der Erfindungsgedanke zu diesem Verfahren besteht darin, daß ein
Elektronenstrahl niedriger Intensität das Trägerplättchen, das gewöhnlich aus Aluminiumoxyd
besteht, zu lebhafter Fluoreszenz anregt und dabei Fehler und Unregelmäßigkeiten
sichtbar macht, die selbst bei hoher Vergrößerung ohne Fluoreszenz nicht zu entdecken
sind. Das Verfahren ist neben seiner Exaktheit besonders einfach und ökonomisch,
da die beobachteten Ergebnisse auch von nicht qualifizierten Kräften ausgewertet
werden können.
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In besonderer Ausbildung der Erfindung kann das beanspruchte Verfahren
unter Verwendung eines Elektronenstrahlgenerators, der eine von dem in ihm erzeugten
Elektronenstrahl durchsetzte Vakuumkammer aufweist, durchgeführt werden, indem das
zu prüfende Bauteil in die Vakuumkammer in den Weg des Elektronenstrahls übergeführt
wird. Durch diese Maßnahme kann das erfindungsgemäße Verfahren auch besonders vorteilhaft
in Verbindung mit bekannten Verfahren zur Herstellung von elektronischen Dünnfilm-Bauteilen
verwendet werden, bei denen sowohl das Aufdampfen der Schicht auf ein Trägerteil
als auch das Herausritzen der gewünschten Schaltung aus der Schicht mit Hilfe eines
Elektronenstrahles vorgenommen wird. Das Aufdampfen der Schicht ist z. B. in der
USA.-Patentschrift 2 746 420 beschrieben und das Herausritzen der Dünnfilmbauteile
in der deutschen Auslegeschrift 1 106 893 erläutert. Der gesamte Prozeß, bestehend
aus Aufdampfen, Herausritzen und Prüfen, kann damit unmittelbar aufeinanderfolgend
in der gleichen Vakuumkammer erfolgen.
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An Hand eines Ausführungsbeispiels wird das erfindungsgemäße Verfahren
beschrieben. Dabei werden die - an sich bekannten - Verfahren des Aufdampfens und
des Herausritzens wegen der erwähnten vorteilhaften Möglichkeit der Assoziierung
mit dem erfindungsgemäßen Prüfungsverfahren ebenfalls näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen für die Durchführung der Erfindung geeigneten Elektronenstrahlgenerator,
F i g. 2 eine Ansicht der evakuierten Arbeitskammer von F i g. 1, F i g. 3 eine
Seitenansicht der in F i g. 1 und 2 gezeigten Beschickungsvorrichtung und
F
i g. 4 die Vergrößerung eines Dünnschichtwiderstandes, der nach unserer Erfindung
geprüft wurde.
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F i g. 1 stellt eine Elektronenstrahlmaschine dar, die aus einer
Kammer 10 mit der Elektronenquelle, eine Säule 12, in der der Strahl fokussiert
wird, und einer evakuierten Arbeitskammer 14 besteht. In der Kammer 10 emittiert
eine direkt geheizte Kathode 16 Elektronen, die längs der Säule 12 in Abwärtsrichtung
durch eine Potentialdifferenz zwischen Kathode 16 und Anode 18 beschleunigt werden.
Kathode 16 ist von einer Kalotte20 umgeben, die als Gitter dient und die auf einer
gegenüber Kathode 16 negativen Spannung liegt. Die Größe dieser Vorspannung regelt
den Teilchenstrom und trägt infolge der Gestalt des Gitters auch zur Fokussierung
des Strahls bei. Die durch Säule 12 abwärts beschleunigten Elektronen werden von
der oberen Justierspule 24, der unteren Justierspule 26, dem magnetischen Linsensystem
29 und der oberen und unteren Lochblende 28 und 30 in einen engen Strahl 22 fokussiert.
Der Strahl 22 läuft durch das in Säule 12 hängende Rohr 32 in die Arbeitskammer
14, wo er auf das Werkstück trifft und seine Energie in Form von Wärme abgibt. Das
Werkstück kann unter dem Strahl bewegt werden, und der Strahl kann durch die Ablenkspulen
34 in begrenztem Maß über das Werkstück abgelenkt werden. Das Werkstück wird mit
dem Auge durch ein optisches System beobachtet, das nur teilweise gezeigt ist, und
welches das aus einer Lichtquelle 38 stammende Licht mit den Spiegeln 40 und 42
auf das Werkstück fokussiert. Der Lichtweg wird von der gestrichelten Linie 46 dargestellt.
Das Bild des Werkstücks wird wieder von den Spiegeln 40 und 42 reflektiert und gelangt
durch den Tubus 48 mit der Linse 50 in eine nicht dargestellte Mikroskopanordnung,
wo es vergrößert wird und von einem Techniker betrachtet werden kann. Zwischen der
Strahlsäule 12 und dem Tubus 48 befindet sich ein Bleiglasfilter 52, das den Techniker
vor den Röntgenstrahlen schützt, die während des Betriebs vom Elektronenstrahl erzeugt
werden.
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In der Arbeitskammer 14 ist eine Vorrichtung angebracht, welche die
zu beschichtenden und zu ritzenden Trägerpiättchen haltert und zentriert. Vorzugsweise
besteht sie aus einem Teil eines Zylinderringes 60. Dieser ist längs einer Kante
an einem Zahnrad 62 befestigt, das in das Zahnrad 63 greift, welches von einem nicht
gezeichneten Motor getrieben wird. In der Arbeitskammer sind der Zylinderring 60
und das Zahnrad 63 an dem Teil 64 und der Achse 66 drehbar gelagert. An der Innenfläche
des Zylinderringes 60 sind zwei Halter 68 und 70 angebracht, auf denen die zu beschichtenden
und anschließend zu ritzenden Trägerplättchen mit geeigneten Vorrichtungen befestigt
sind. Kammer 14 enthält außerdem einen fahrbaren Tisch 72, der auf einer Schiene
74 läuft. Tisch 72 trägt einen Verdampfertiegel 76, der, wie F i g. 3 deutlich zeigt,
über die eine Tischkante vorragt. Dem Verdampfertiegel 76 wird von der Last 78 das
Gleichgewicht gehalten.
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Der Arbeitsablauf spielt sich folgendermaßen ab.
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Die zu beschichtenden Trägerplättchen werden auf die Halter 68 und
70 gebracht und der Zylinderring 60 so gedreht, daß ein Loch 61 in seiner Mitte
in der Achse des Strahls 22 liegt. Der Verdampfertiegel 76 wird mit der Aufdampfsubstanz
beladen und vom Tisch 72 so eingefahren, daß er ebenfalls in der Achse des durch
das Loch 61 einfallenden Strahl es liegt. Nach dem Evakuieren der Arbeitskammer
mit
einer nicht dargestellten Vorrichtung stellt man die Strahlstärke sowie den Brennpunkt
am Elektronenstrahlerzeuger auf den für die Verdampfung der Substanz im Verdampfertiegel
benötigten Wert ein.
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Darauf wird der Strahlerzeuger eingeschaltet, der Strahl trifft nun
auf die Aufdampfsubstanz und verdampft sie. Der vom Verdampfertiegel 76 aufsteigende
Dampf kondensiert auf den Trägerplättchen, die an den Haltern 68 und 70 befestigt
sind. Diesen Schritt zeigt Fig. 2 und 3. Bei geeignetem Winkel und Abstand zwischen
den Haltern und dem Verdampfertiegel wird auf die Trägerplättchen eine gleichmäßige
Schicht aufgedampft. Selbstverständlich kann das Trägerplättchen maskiert werden,
so daß bestimmte Stellen nicht beschichtet werden, z. B. ein Rand längs der Kanten.
Zur Steuerung der Dicke der aufgedampften Schicht und zur Beendigung der Bedampfung,
sobald eine bestimmte Dicke oder Form der Schicht erreicht ist, kann man die Dicke
der Schicht auf dem Trägerplättchen mit einer photoelektrischen Vorrichtung verfolgen,
indem diese Vorrichtung die Helligkeit und Farbe einer Lichtquelle durch eine lichtdurchlässige
Vergleichsoberfläche ermittelt, die ebenfalls dem vom Verdampfertiegel aufsteigenden
Dampf ausgesetzt ist. Die photoelektrische Vorrichtung kann beispielsweise einen
Kontrollkreis schalten, der den Strahl 22 automatisch abschaltet, sobald die Schicht
die gewünschte Dicke erreicht hat.
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Wenn eine Schicht der gewünschten Dicke auf dem Trägerplättchen abgeschieden
ist, wird der Strahlerzeuger abgeschaltet und Tisch 72 zurückgefahren.
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Wie man aus F i g. 1 sehen kann, wird der Zylinderring 60 nun gedreht,
bis der eine Halter 68 in der Strahlachse liegt. Dann wird der Strahlerzeuger so
eingestellt, daß ein stark fokussierter Strahl hoher Intensität erzeugt wird. Nun
wird der Strahlerzeuger neu eingeschaltet und der Strahl über die Oberfläche des
Trägerplättchens abgelenkt, indem der den Ablenkspulen 34 zugeführte Strom verändert
wird. Dies kann ein Techniker von Hand ausführen, während er den Arbeitsablauf durch
das optische System verfolgt, oder man programmiert die Strahlablenkung mit Hilfsmitteln,
wie sie aus der Rechenmaschinentechnik bekannt sind. Der wandernde Strahl hoher
Intensität ritzt durch lokale Verdampfung einzelne Linien oder Muster in die zuvor
aufgedampfte Schicht ein. Ljnienbreiten von 0,0018 cm und Linienabstände von 0,0075
cm können erreicht werden. F i g. 4 zeigt einen typischen Dünnschichtindikator,
der mit einem Elektronenstrahl auf einen genau vorherberechneten Widerstandswert
geritzt wurde. Die tatsächlichen Maße des in Fig.4 abgebildeten Widerstandes betragen
2,28 cm2 bei 0,025 cm Dicke. Natürlich können mit dieser Methode auch Dünnschichtinduktoren
und Kondensatoren hergestellt werden. In der Anordnung von F i g. 4 können Zuleitungen
an den Kontaktstellen 80 und 82 angebracht werden. An diesem Punkt des Arbeitsablaufs
können die an die Kontaktstellen gebrachten Anschlüsse mit dem Elektronenstrahl
an das Dünnschichtelement angeschweißt werden.
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Nach dem Ritzvorgang wird der Strahl defokussiert und seine Intensität
vermindert. Durch Verändening des Stroms durch die Ablenkspulen 34 wird der defokussierte
Strahl über die Oberfläche des Dünnschiehtbauteils hin- und hergeführt, während
das Bauteil vom Teehniker mit dem optischen System beobachtet wird. Dabei werden
Fehler und Untegelmäßigkeiten
leicht sichtbar, auch wenn das Dünnschichtbauteil
von einer SiO-Schutzschicht überdeckt ist. Die Schicht deckt das Fluoreszenzleuchten
ab, so daß es nur an den Stellen sichtbar wird, wo der Strahl eine Linie geritzt
hat oder wo sich ein Fehler in der Schicht befindet. Beispielsweise lassen die stark
vergrößert dargestellten Haarrisse 84 das Fluoreszenzleuchten des Trägerplättchens
durchscheinen und können so, zum Teil durch den Kontrast zur unbeschädigten Schicht,
leicht vom Techniker erkannt werden. Die Risse 84 würden von einer Widerstandsmessung
oder einer Mikroskopuntersuchung nicht erfaßt und würden, wenn Schwingungen auftreten,
sich ausbreiten und zum Ausfall des Bauteils führen.
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Die vom defokussierten Strahl hervorgerufene Fluoreszenz macht nicht
nur Fehler in der Metallschicht sichtbar, sondern dient auch als wertvolle Methode,
mit der visuell am Dünnschichtbauteil geprüft werden kann, ob die Metallschicht
an den geritzten Stellen völlig entfernt wurde, ob die entsprechenden Kontaktstellen
völlig voneinander isoliert sind und ob durch das Ritzen angehende Fehler in der
Widerstandsschicht entstanden sind. Zudem erhält man Aufschluß über die Oberflächenbeschaffenheit
des Trägerplättchens. Beispielsweise fluoresziert unbeschädigtes Aluminiumoxyd rötlich,
grün nach leichtem Aufschmelzen durch Elektronenbeschuß und blau bei heftigem Elektronenbeschuß
und damit stärkerem Aufschmelzen der Oberfläche.
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Das Prüfverfahren ist auch anwendbar bei Bauteilen, die nach anderen
Verfahren hergestellt und nur zur Prüfung in die Elektronenstrahlmaschine gebracht
werden. Die Erfindung ist bei allen Untersuchungen von Eigenschaften dünner Metallschichten
verwendbar,
die aufgedampft oder in anderer Weise auf ein Trägerplättchen wie Aluminiumoxyd
aufgebracht wurden, bei der Untersuchung von verschiedenen metallisierten Schichten,
wie Moly-Mangan, das auf die Unterlage gebrannt wurde und von Dünnschichtbauteilen,
die mit einem Elektronenstrahl oder mit anderen Mitteln geritzt wurden.