DE19702850C2

DE19702850C2 - Verfahren zur Untersuchung der Struktur dünner Schichten

Info

Publication number: DE19702850C2
Application number: DE1997102850
Authority: DE
Inventors: Karl-Aloys Buetefisch
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 2001-06-13
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: DE19702850A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Untersuchung der Struktur dünner Schichten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Untersuchung der Struktur dünner Schichten sind verschiedene Verfahren bekannt. Hierzu zählen licht- und elektronenmikrosko pische Verfahren sowie Röntgenbeugungsverfahren. Mit diesen speziellen Verfahren ist eine hohe räumliche Auflösung der Struktur in der Haupterstreckungsebene der untersuchten dünnen Schichten möglich. Sie sind apparativ aber sehr aufwendig.

Ein Verfahren zur Untersuchung der Struktur dünner Schichten, wobei die in ihrem Randbereich mit mindestens zwei sich gegenüberliegenden Elektroden kontaktierte dünne Schicht mit einem Laserstrahl beaufschlagt wird und wobei aufgrund der Beaufschlagung mit dem Laserstrahl zwischen den Elektroden auftretende Spannungen registriert werden, ist aus J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 11, 1978 999-1007 "Thin-film laser detectors" bekannt. Seitlich an der dünnen Schicht angebrachte Elektroden registrieren eine Spannung, die auf die Beleuchtung der dünnen Schicht mit dem Laserstrahl zurückzuführen ist. Die Höhe der Spannung ist abhängig von dem Material der dünnen Schicht und dessen Struktur sowie der geometrischen Ausrichtung der Struktur relativ zu den Elektroden. Das bekannte Verfahren löst aber nicht die Struktur der dünnen Schicht in ihrer Haupterstreck ungsebene auf.

Ein Verfahren zur Untersuchung der Struktur dünner Schichten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Druckschrift R. J. Gutfeld: "Optically induced transverse voltages in thin metal films"; Optics and Laser Technilogy, Dec. 1976, Seite 269-272 bekannt. Hierbei wird der Laserstrahl entlang der beiden Haupt erstreckungsrichtungen der dünnen Schicht verfahren und somit die Struktur der dünnen Schicht in ihrer Haupterstreckungsebene aufgelöst. Das Gewinnen zusätzlicher Informationen über die Struktur der untersuchten dünnen Schicht ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzuentwickeln, daß mit geringem zusätzlichem apparativem Aufwand zusätzliche Informationen über die Struktur der untersuchten dünnen Schichten gewonnen werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei dem neuen Verfahren ist der Teil der dünnen Schicht, der zu einem Zeitpunkt von dem Laserstrahl erfaßt wird, klein gegenüber den gesamten Abmessungen der dünnen Schicht. So wird eine lokale Information über die Struktur der dünnen Schicht gewonnen. Das den jeweils von dem Laserstrahl erfaßten Teil der dünnen Schicht umgebende Material der dünnen Schicht führt nicht zu einer solchen Dämpfung des zwischen den Elektroden registrierten Spannungssignals, daß dieses nicht mehr zuverlässig erfaßbar wäre. Dies gilt selbst dann, wenn der jeweils von dem Laserstrahl erfaßte Teil der dünnen Schicht klein gegenüber der Ausdehnung der dünnen Schicht in ihren beiden Haupterstreckungsrichtungen ist. Durch das Abtasten zumindest eines Bereichs der dünnen Schicht werden verschiedene Spannungswerte gewonnen, die der jeweils zugehörigen Lage des von dem Laserstrahl erfaßten Teils der dünnen Schicht zugeordnet werden. Der absolute Wert der jeweils registrierten Spannung ist bei dem Verfahren in Bezug auf die Struktur weniger aussagekräf tig als der Verlauf der registrierten Spannungen über den abgetasteten Bereich der dünnen Schicht. Gleichmäßige, das heißt regelmäßige oder gar periodische Änderungen der Spannungen weisen auf eine gleichbleibende und ungestörte Struktur der dünnen Schicht hin. Spannungssprünge und andere Unstetigkeiten deuten auf aneinander angrenzende Bereiche unterschiedlicher Struktur in der dünnen Schicht und Singularitäten, wie beispielsweise Korngrenzen, Einschlüsse und dergleichen. Das Abtasten der dünnen Schicht mit dem Laserstrahl wird mit einer Kamera beobachtet, wobei die registrierten Spannungen den einzelnen Bildern der Kamera und damit den jeweils von dem Laserstrahl erfaßten Teil der dünnen Schicht zugeordnet werden. Dies bietet die Möglichkeit, mit diesem Aufbau ohne zusätzlichen apparativen Aufwand zusätzliche Informationen über die Struktur der untersuchten dünnen Schichten zu gewinnen. So wird zusätzlich das Speckle-Muster in dem von dem Laserstrahl erfaßten Teil der dünnen Schicht registriert und der zugehörigen Lage des jeweils von dem Laserstrahl erfaßten Teils der dünnen Schicht zugeordnet. Das jeweilige Speckle-Muster ist ebenfalls von der lokalen Struktur der dünnen Schicht abhängig, so daß das neue Verfahren die Beschaffenheit der Struktur der dünnen Schicht auf zwei parallelen Wegen erfaßt.

Da die dünnen Schichten, in denen die hier interessierenden Spannungen registriert werden, zumindest im Fall von Metallen eine maximale Schichtdicke von 500 nm aufweisen, kann die Kamera zur Beobachtung des Abtastens der dünnen Schicht mit dem Laserstrahl und insbesondere der dabei entstehenden Speckle- Muster bezogen auf den Laserstrahl auch hinter der dünnen Schicht angeordnet sein. Es versteht sich, daß hierfür ein durchsichtiges Substrat für die dünne Schicht Voraussetzung ist.

Der jeweils von dem Laserstrahl erfaßte Teil der dünnen Schicht kann klein gegenüber der Ausdehnung der dünnen Schicht in ihren beiden Haupterstreckungsrichtungen sein. Er weist typischerweise einen Durchmesser von weniger als 500 µm auf, wobei ein Durchmesser von nicht mehr als 100 µm bevorzugt ist, um die Struktur der dünnen Schicht möglichst fein aufzulösen.

Vorzugsweise wird die dünne Schicht mit dem Laserstrahl abge rastert, das heißt in regelmäßig beabstandeten Punkten von dem Laserstrahl zur Registrierung von Spannungen beaufschlagt.

Bei der Auswertung der registrierten Spannungen können perio dische Änderungen der Spannungen zwischen den Elektroden über den Abstand der Elektroden von anderen Spannungsänderungen abgetrennt, also beispielsweise abgefiltert oder geglättet werden. Wie bereits ausgeführt, sind regelmäßige und insbe sondere periodische Änderungen der Spannungen zwischen den Elektroden über den Abstand der Elektroden ein Hinweis auf eine gleichbleibende Struktur der dünnen Schicht, während andere Spannungsänderungen auf Strukturänderungen und Singularitäten der Struktur hinweisen.

Die mit dem neuen Verfahren untersuchbaren dünnen Schichten können verschiedene Zusammensetzungen aufweisen, beispielsweise kann es sich um Metalle, Übergangsmetalle und Halbleiter handeln. Insbesondere bei oxidationsempfindlichen Schichten ist das Verfahren jedoch unter einer Atmosphäre aus Schutzgas durchzuführen, um eine Veränderung der dünnen Schicht in den Teilen zu verhindern, in denen sie mit dem Laserstrahl beaufschlagt und dementsprechend erwärmt wird.

Von großem Vorteil ist, daß das neue Verfahren unter Normaldruck durchführbar ist, so daß keine Über- oder Unterdruckapparaturen benötigt werden. Umgekehrt kann das Verfahren aber auch problem los unter Über- oder Unterdruck durchgeführt werden, falls sich die zu untersuchenden dünnen Schichten bereits in einer solchen Umgebung befinden.

Das neue Verfahren ist besonders gut geeignet, um die Verän derungen einer dünnen Schicht aufgrund von Behandlungen der dünnen Schicht zu dokumentieren. Hierzu wird das Verfahren vor und nach der jeweiligen Behandlung an den dünnen Schichten durchgeführt und die registrierten Spannungen verglichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau zur Durchführung des neuen Verfahrens,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erste dünne Schicht bei der Durchführung des neuen Verfahrens,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine zweite dünne Schicht bei der Durchführung des neuen Verfahrens und

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine dritte dünne Schicht bei der Durchführung des neuen Verfahrens.

Mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau wird die Struktur einer dünnen Schicht 4 untersucht, die auf einem Substrat 1 angeordnet ist. Seitlich an der dünnen Schicht 4 sind zwei Elektroden 5 an gebracht. Die dünne Schicht 4 besteht aus einem leitenden Material, wie beispielsweise einem Übergangsmetall, und weist eine Schichtdicke 8 von maximal 500 nm auf. Bis zu dieser Schichtdicke 8 treten bei Beaufschlagung der dünnen Schicht 4 mit einem Laserstrahl 2 Spannungen zwischen den Elektroden 5 auf, die von einer Steuer- und Auswerteeinheit 6 leicht registriertbar sind. Bei darüber hinausgehenden Schichtdicken kommt es zu einem stärker werdenden Ausgleich der Spannungen in der Tiefe der elektrisch leitenden dünne Schicht 4. Bei halblei tenden dünnen Schichten kann die Schichtdicke 8 auch deutlich mehr als 500 nm betragen. Aus dem Vorgesagten ergibt sich, daß das Substrat 1 aus einem nicht elektrisch leitenden Material bestehen muß oder zumindest keinen elektrischen Kontakt zu der dünnen Schicht haben darf. Bevorzugt ist ein durchsichtiger Isolator, denn dann kann die Rückseite der dünnen Schicht 4 mit einer Kamera 7 beobachtet werden, um den jeweiligen Auftreffort des Laserstrahls 2 auf die dünne Schicht 4 genau festzuhalten. Auf diese Weise kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung 6 die jeweils registrierten Spannungen zwischen den Elektroden 5 genau einem bestimmten Teil der dünnen Schicht 4 zuordnen. Der Laserstrahl 2 wird von einer Lichtquelle 3 erzeugt und ist mit einer hier nicht dargestellten Traversierung in Richtung von Pfeilen 9 relativ zu der dünnen Schicht 4 verfahrbar, um diese zumindest in einem Bereich abzutasten. Die dabei registrierten Spannungen zwischen den Elektroden 5 variieren in Bereichen gleicher Struktur der dünnen Schicht 4 typischerweise regelmäßig und nahezu periodisch über den Ort. Zwischen Bereichen unter schiedlicher Struktur und bei anderen Singularitäten treten Spannungssprünge auf. Um eine Veränderung der dünnen Schicht 4 am Auftreffort des Laserstrahls 2 zu verhindern, wird das neue Verfahren vorzugsweise unter einer Atmosphäre von Schutzgas 12, beispielsweise unter Argon, durchgeführt. Mit der Kamera 7 wird nicht nur die genaue Lage des Auftrefforts des Laserstrahls 2 auf die dünne Schicht 4 registriert. Mit der Kamera 7 wird auch das jeweils entstehende Speckle-Muster beobachtet, das zusätzlich zu den registrierten Spannungen zwischen den Elektroden 5 eine Information über die Beschaffenheit der lokalen Struktur der dünnen Schicht 4 liefert.

In den Fig. 2 bis 4 sind dünne Schichten 4 mit verschiedener geometrischer Ausbildung dargestellt, die mit dem erfindungsge mäßen Verfahren untersucht werden können. Die dünne Schicht 4 gemäß Fig. 2 ist streifenförmig. Der hier nicht dargestellte Laserstrahl 2 trifft in einem Bereich 10 der dünnen Schicht 4 auf diese auf. Der Bereich 10 erstreckt sich über die gesamte Breite der dünnen Schicht 4 und wird in Richtung der Pfeile 9 beim Abtasten der dünnen Schicht 4 über diese verfahren.

Die dünne Schicht 4 gemäß Fig. 3 ist zwar auch noch streifen förmig, ihre Breite ist jedoch deutlich größer als der Durch messer des Bereichs 10. Zum Abtasten der dünnen Schicht wird der Bereich 10 daher nicht nur in Richtung der Pfeile 9 sondern auch senkrecht dazu in Richtung eines Pfeils 11 relativ zu der dünnen Schicht 4 verfahren.

Gemäß Fig. 4 weist die dünne Schicht 4 etwa quadratische Abmessungen in ihrer Haupterstreckungsebene auf. Dabei sind nicht nur zwei, sondern insgesamt vier Elektroden 5 in den Ecken der dünnen Schicht 4 angeordnet, um die aufgrund der Beaufschla gung der dünnen Schicht 4 mit dem Laserstrahl 2 auftretenden Spannungen zu registrieren. Dabei können die Spannungen zwischen ausgewählten oder allen möglichen Paaren der Elektroden 5 registriert werden. Es ist auch möglich, die Potentiale der einzelnen Elektroden 5, gegenüber einem Normpotential festzu halten, woraus sich die Spannungen zwischen den Elektroden 5 beliebiger Paare bestimmen lassen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Substrat

2

Laserstrahl

3

Lichtquelle

4

dünne Schicht

5

Elektrode

6

Steuer- und Auswerteeinrichtung

7

Kamera

8

Schichtdicke

9

Pfeil

10

Bereich

11

Pfeil

12

Schutzgas

Claims

1. Verfahren zur Untersuchung der Struktur dünner Schichten, wobei die in ihrem Randbereich mit mindestens zwei sich gegen überliegenden Elektroden kontaktierte dünne Schicht mit einem Laserstrahl beaufschlagt wird, wobei aufgrund der Beaufschlagung mit dem Laserstrahl zwischen den Elektroden auftretende Spannungen registriert werden, wobei zumindest ein Bereich der dünnen Schicht mit dem Laserstrahl abgetastet wird, indem der Laserstrahl relativ zu der dünnen Schicht verfahren wird, wobei der jeweils von dem Laserstrahl erfaßte Teil der dünnen Schicht klein gegenüber der Ausdehnung der dünnen Schicht in mindestens einer ihrer beiden Haupterstreckungsrichtungen ist und wobei den registrierten Spannungen die zugehörige Lage des von dem Laserstrahl erfaßten Teils der dünnen Schicht zugeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtasten der dünnen Schicht (4) mit dem Laserstrahl (2) mit einer Kamera (7) beobachtet wird und daß ein Speckle-Muster in dem von dem Laserstrahl (2) erfaßten Teil der dünnen Schicht (4) registriert und der zugehörigen Lage des jeweils von dem Laserstrahl (2) erfaßten Teils (10) der dünnen Schicht (4) zugeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (7) bezüglich des Laserstrahls (2) hinter der dünnen Schicht (4) angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils von dem Laserstrahl (2) erfaßte Teil der dünnen Schicht (4) klein gegenüber der Ausdehnung der dünnen Schicht (4) in ihren beiden Haupterstreckungsrichtungen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß der jeweils von dem Laserstrahl (2) erfaßte Teil (10) der dünnen Schicht (4) einen Durchmesser von weniger als 500 µm aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils von dem Laserstrahl (2) erfaßte Teil (10) der dünnen Schicht (4) einen Durchmesser von nicht mehr als 100 µm auf weist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die dünne Schicht (4) mit dem Laserstrahl (2) abgerastert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß periodische Änderungen der Spannungen zwischen den Elektroden (5) über den Abstand der Elektroden (5) von anderen Spannungsänderungen abgetrennt werden.