DE19634979A1 - Verfahren zur Messung und Bestimmung von geometrischen Strukturen elektrisch leitfähiger planarer Strukturen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung und Bestimmung von geometrischen Parametern elektrisch leit­ fähiger planarer Strukturen von elektronischen Bauelementen.

Bisher werden geometrische Parameter elektrisch leitfähiger Strukturen in aller Regel direkt gemessen. Dabei werden Schichtdicken mit einem Profilometer und Strukturbreiten ent­ weder auf optischem Wege oder mit Hilfe eines Rasterelektro­ nenmikroskops bestimmt. Kantenwinkel können nur sehr schwie­ rig mit aufwendigen präparativen Maßnahmen bestimmt werden.

Alle diese Meßverfahren sind extrem arbeitsintensiv und auf­ wendig. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine Vielzahl von Bauelementesystemen auf einer Scheibe - Wafer - hergestellt wird, wie dies beispielsweise in der Halbleitertechnik oder OFW-Technik (mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Bauelemente) der Fall ist. Insbesondere kommen dabei die ge­ nannten Meßmethoden nicht für eine Bestimmung von Änderungen geometrischer Parameter über dem Wafer oder eine Prozeßüber­ wachung in Betracht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einfa­ che Möglichkeiten zur Messung und Bestimmung von geometri­ schen Parametern elektrisch leitfähiger planarer Strukturen auf elektrischem Wege anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Maßnahme nach dem kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran­ sprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len gemäß den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 und 2 eine schematische Aufsicht bzw. Seitenansicht von elektrisch leitfähigen planaren Strukturen zur Erläuterung von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu messenden bzw. zu bestimmenden geometrischen Para­ metern;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Interdigitalwand­ lers, wie er bei OFW-Bauelementen zur Anwendung kommt; und

Fig. 4 eine Ausführungsform eines Reflektors für OFW- Bauelemente mit integral in diesem vorgesehenen elek­ trisch leitfähigen planaren Strukturen zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Anhand der Fig. 1 und 2 werden zunächst geometrische Para­ meter erläutert, welche gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren meßbar bzw. bestimmbar sind. Es sei angenommen, daß es sich dabei beispielsweise um auf einem Halbleiterbauelementesystem verlaufende Leiterbahnen oder um Elektrodenfinger in OFW- Bauelementen handelt. In den Fig. 1 und 2 sind zwei Lei­ terbahnen bzw. Elektrodenfinger 1 und 2 dargestellt, die ge­ mäß Fig. 2 auf einem Substrat 10 verlaufen, bei dem es sich beispielsweise um eine Isolationsschicht eines Halbleiterbau­ elementesystems oder um ein piezoelektrisches Substrat eines OFW-Bauelementes handelt.

Die im Rahmen vorliegender Erfindung interessierenden und zu messenden bzw. zu bestimmenden Größen sind die Breite w, der Abstand a, die geometrische Periode p, die Dicke d und der Kantenwinkel α. Darüber hinaus sind das mit η bezeichnete Me­ tallisierungsverhältnis, das ist das Verhältnis der Größen w und p sowie die Anzahl N_p der Perioden, das ist der n-fache Wert der Größe p von Bedeutung.

Nachfolgend wird die Bestimmung des Metallisierungsverhält­ nisses η durch Messung der Kapazität einer Interdigitalstruk­ tur erläutert. Eine derartige Interdigitalstruktur ist in Fig. 3 dargestellt und mit 20 bezeichnet. Sie umfaßt eine er­ ste Anzahl von mit einer Sammelschiene 22 verbundenen Elek­ trodenfinger 21 sowie eine zweite Anzahl von mit einer Sam­ melschiene 24 verbundenen Elektrodenfinger 23. Diese Elektro­ denfinger 21, 23 greifen wie bei Interdigitalwandlern von OFW-Bauelementen üblich kammartig bzw. interdigital ineinan­ der. Für die Erläuterung der Messung bzw. Bestimmung des Me­ tallisierungsverhältnisses η sind noch die Apertur W, das ist die Länge der Überlappung der Elektrodenfinger 21, 23 sowie die relative Dielektrizitätskonstante ε_r eines Substrats, auf dem die Interdigitalstruktur 20 angeordnet ist, von Bedeu­ tung. Die absolute Dielektrizitätskonstante wird mit ε₀ be­ zeichnet.

Die Kapazität eines Normalfingerwandlers, wie er durch den Wandler 20 nach Fig. 3 gegeben ist, sei mit C_N bezeichnet. Sie hängt von der effektiven Dielektrizitätskonstanten ε₀, ε_r, der geometrischen Periode p, dem Metallisierungsverhältnis η, der Apertur W und der Anzahl der Perioden N_p ab und ist in guter Näherung durch folgende Formel gegeben:

Die Funktionen auf und unter dem Bruchstrich der vorstehenden Formel sind Legendre-Funktionen. Die Apertur W ist vorgegeben und bekannt und hängt vom Herstellungsverfahren - in aller Regel eine Fotolithographie - der Interdigitalstruktur nicht ab. Bei einem vorgegebenen Substrat für die Interdigital­ struktur 20 ist auch die effektive Dielektrizitätskonstante ε₀ × ε_r bekannt. Damit kann das Metallisierungsverhältnis η durch Messung der Kapazität C_N beispielsweise mit Hilfe eines Spitzenmeßplatzes aus der vorstehenden Formel bestimmt wer­ den. Entsprechend wäre es auch möglich, die relative Dielek­ trizitätskonstante ε_r aus der Kapazitätsmessung zu bestimmen, wenn das Metallisierungsverhältnis η bekannt sein sollte.

Praktische Probleme, die sich aus in jeder Messung auftreten­ den parasitären Kapazitäten ergeben, können durch Messungen an mehreren Digitalstrukturen eliminiert werden. Es werden dazu entweder Wandler mit unterschiedlichen Aperturen W, die ansonsten identisch ausgebildet sind, oder Wandler mit iden­ tischer Apertur W aber verschiedenen Elektrodenfingerzahlen N verwendet. Durch experimentelle Bestimmung der Steigung einer Graden C (W) bzw. C(N) und Extrapolation von C an der Stelle W = 0 ist die Summe der parasitären Kapazitäten ermittelbar.

Ein weiteres Problem sind Endeffekte, die in die Periode N_p eingehen. Derartige Effekte können jedoch durch entsprechend lange Interdigitalstrukturen minimiert oder mit Hilfe eines Ladungsverteilungsprogramms exakt berechnet werden.

Es sei schließlich darauf hingewiesen, daß anstelle einer Normalfinger-Interdigitalstruktur entsprechend der Struktur 20 nach Fig. 1 auch andere Strukturen verwendbar sind, deren Kapazität berechenbar ist.

Im folgenden wird die Bestimmung der Schichtdicke d durch ei­ ne Widerstandsmessung an einem Mäander erläutert. Eine Mäan­ derstruktur ist nicht eigens dargestellt, weil sie im Prinzip lediglich einem mäanderförmigen Verlauf einer Leiterbahn ent­ sprechend den Leiterbahnen bzw. Elektrodenfinger 1, 2 nach den Fig. 1 und 2 entspricht.

Der ohmsche Widerstand eines Mäanders hängt vom spezifischen Widerstand ρ, von der geometrischen Periode p, dem Metalli­ sierungsverhältnis η, der Schichtdicke und der Länge L ab und ist durch folgende Beziehung gegeben:

Die Größen L und P des Mäanders sind bekannt und werden durch den Herstellungsprozeß (wie bereits erwähnt, in aller Regel eine Fotolithographie) nicht verändert. Das Metallisierungs­ verhältnis η kann aus der oben bereits erläuterten Kapazi­ tätsmessung gewonnen werden. Der spezifische Widerstand ρ ist ebenfalls bekannt, weil das Material für die Mäanderleiter­ bahn vorgegeben ist. Damit kann durch Messung des Widerstan­ des R und Auflösen der vorgenannten Gleichung nach d diese Größe bestimmt werden.

Diese Meßmethode ist auch deshalb interessant, weil mit be­ kannter Dicke d beispielsweise überprüft werden kann, ob ver­ schiedene Herstellungsprozesse verschiedene Leitfähigkeiten nach sich ziehen. Dabei handelt es sich also um eine einmali­ ge Bestimmung von Materialparametern. Es ist damit auch die Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes ρ von der Schicht­ dicke d meßbar.

Die erläuterte Methode kann standardmäßig zur Prozeßkontrolle verwendet werden.

Das Problem von parasitären Widerständen kann auch hier durch Verwendung von Mäandern verschiedener Länge L beseitigt wer­ den. Dabei wird nur die Steigung der Geraden R(L) experimen­ tell bestimmt. Eine Extrapolation von R an der Stelle L = 0 liefert die Summe der parasitären Widerstände.

Schließlich kann der Kantenwinkel α bei bekannten Größen d (Schichtdicke) und w (Breite von Leiterbahn bzw. Elektroden­ finger) mittels eines Simulationsmodells über die Berechnung der Mittenfrequenz eines entsprechenden OFW-Resonators be­ rechnet werden. Da als einzige noch freie geometrische Größe, die in die Mittenfrequenz eingeht, der Kantenwinkel α übrig­ bleibt, kann dieser durch Anpassung der Mittenfrequenz der Simulation ermittelt werden.

Das oben erläuterte erfindungsgemäße Verfahren bietet den we­ sentlichen Vorteil, daß Meß- bzw. Teststrukturen speziell bei OFW-Bauelementen einen integralen Bestandteil von elektrisch leitfähigen planaren Strukturen des Bauelementes selbst bil­ den können. Tests können daher am zu verkaufenden Bauelement durchgeführt werden. Daraus ergibt sich der weitere Vorteil, daß kein Platz für Strukturen verschwendet wird, welche le­ diglich Testzwecken dienen aber sonst keine Funktion haben.

Ein Ausführungsbeispiel eines so aufgebauten OFW-Resonators ist in Fig. 4 dargestellt. In seinem generellen Aufbau han­ delt es sich bei diesem Reflektor um einen Zweitor-Reflektor mit einem Ein- und Auskoppel-Interdigitalwandler 40, 41 sowie zwei die akustische Laufstrecke abschließenden Reflektoren 42 und 43 auf voneinander abgewandten Seiten der Interdigital­ wandler 40, 41. Die Reflektoren 42 und 43 werden ihrerseits durch Mäanderstrukturen 50 bis 54 und Interdigitalstrukturen 55, 56 - Reflektor 42 - bzw. Mäanderstrukturen 60 bis 62 und eine Interdigitalstruktur 63 - Reflektor 43 - gebildet. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Kapa­ zitätsmessung beispielsweise an der Interdigitalstruktur 63 und eine Widerstandsmessung an mindestens einer der Mäander­ strukturen 60 bis 62 des Reflektors 43 durchgeführt werden.

Eine Ausführungsform nach Fig. 4 bietet den zusätzlichen Vorteil, daß die zu messenden Strukturen sehr dicht beieinan­ derliegen und damit eine hohe Meßgenauigkeit und Ortsauflö­ sung erreicht werden kann, wobei die oben genannten geometri­ schen Größen einfach und schnell mit Hilfe eines automati­ schen Spitzenmeßplatzes getestet werden können.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung und Bestimmung von geometrischen Pa­ rametern elektrisch leitfähiger planarer Strukturen (beispielsweise 60 bis 63) von elektrischen Bauelementen, dadurch gekennzeichnet ,
daß die Kapazität und/oder der elektrische Widerstand einer elektrisch leitfähigen planaren Struktur (beispielsweise 63 bzw. 60 bis 62) gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß eine Kapazitätsmessung an einer elektrisch leitfähigen planaren Struktur (beispielsweise 63 oder 60 bis 62) mit ei­ ner derartigen geometrischen Form durchgeführt wird, daß ihre Kapazität berechenbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapazitätsmessung an einer elektrisch leitfähigen planaren Interdigitalstruktur (beispielsweise 63) durchge­ führt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapazitätsmessung an einer elektrisch leitfähigen planaren Mäanderstruktur (beispielsweise 60 bis 62) durchge­ führt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Widerstandsmessung an einer elektrisch leitfähigen planaren Mäanderstruktur (beispielsweise 60 bis 62) durchge­ führt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung an einer einem integralen Bestandteil von elektrisch leitfähigen planaren Strukturen von elektronischen Bauelementen durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6 zur Messung und Bestimmung von geometrischen Parametern elektrisch leitfähiger planarer Strukturen von akusto-elektrischen Bauelementen - OFW- Bauelemente -, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Interdigitalstruktur (63) und/oder einer Mäan­ derstruktur (60 bis 62) in einem Reflektor (40 bis 43) gemes­ sen wird.