DE19634979C2

DE19634979C2 - Verfahren zur Bestimmung der geometrischen Strukturen von Oberflächenwellenbauelementen

Info

Publication number: DE19634979C2
Application number: DE1996134979
Authority: DE
Inventors: Gerd Scholl; Ulrich Knauer; Werner Ruile; Walter Schoepf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1996-08-29
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: DE19634979A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestim mung der geometrischen Parameter elektrisch leitfähiger planarer Strukturen von Oberflächenwellenbauelementen.

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.

Aus der DE-PS 34 08 704 ist ein Verfahren zum Prüfen von elektrisch leitfähigen planaren Strukturen elektrischer Bau elemente bekannt geworden, bei dem die Kapazität und der elektrische Widerstand der elektrisch leitfähigen planaren Strukturen gemessen wird. Dabei wird ausgenutzt, daß die Ka pazitätswerte eine Funktion der Länge und Breite der elek trisch leitfähigen planaren Strukturen sind, wobei ihre Länge bis zu einer Unterbrechung gemessen und bestimmt wird.

Speziell werden dabei an verschiedenen Meßpunkten elektrische Widerstände und Kapazitäten gemessen und mit einem Normwert bzw. einem Normbereich verglichen. Daraus ist eine Ja/Nein- Aussage über die Funktionstüchtigkeit von Bauelementen möglich. Eine Überwachung von Herstellungsprozessen sowie ei ne Prozessorkorrektur ist jedoch nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einfa che Möglichkeiten zur Bestimmung von geometrischen Parametern elektrisch leitfähiger planarer Strukturen von Oberflächen wellenbauelementen auf elektrischem Wege anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Patentanspruch 1 ge löst.

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 zu bestimmenden geometrischen Parame tern;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Interdigitaiwand 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.

Anhand der Fig. 1 und 2 werden zunächst geometrische Para meter erläutert, welche gemäß dem Verfahren 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 Leiterbahnen bzw. Elektrodenfinger 1 und 2 dargestellt, die gemäß Fig. 2 auf einem Substrat 10 verlaufen, bei dem es sich beispielsweise um eine Isolations schicht eines Halbleiterbauelementesystems oder um ein piezo elektrisches 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 ε₀ε_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 bzw. N = 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 Simmulationsmodells 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

1. Verfahren zur indirekten Bestimmung von dem Metallisie rungsverhältnis η, der Schichtdicke d oder dem Kantenwinkel α elektrisch leitfähiger planarer Strukturen von Oberflächen wellenbauelementen zur Prozeßüberwachung bei der Herstellung der Oberflächenwellenbauelemente,

1. bei dem die Kapazität und/oder der elektrische Wider stand der elektrisch leitfähigen planaren Struktur gemessen wird und
2. bei dem aus den gemessenen Werten für Kapazität und/oder Widerstand zusammen mit bekannten geometrischen Parametern und Materialkonstanten der elektrisch leitfähigen planaren Strukturen die zu bestimmenden Größen berechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapazitätsmessung an einer elektrisch leitfähigen planaren Interdigitalstruktur durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapazitätsmessung an einer elektrisch leitfähigen planaren Mäanderstruktur durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Widerstandsmessung an einer elektrisch leitfähigen planaren Mäanderstruktur durchgeführt wird.