DE19703271A1 - Materialprüfvorrichtung, Materialprüfgerät und Materialprüfverfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Materialprüfvorrich­ tung zum Prüfen der mechanischen Eigenschaften eines sehr dünnen Materials in Form einer Dünnschicht durch Anlegen einer Zugspannung an das Material, ein Materialprüfgerät zum Durchführen der Prüfung und ein Verfahren zum Prüfen des Materials.

Intensive Forschungen werden in der Mikro-Materialbearbei­ tungstechnologie für Halbleiter bzw. für MEMS (Mikro-Elektro- Mechanische Systeme) betrieben, in denen durch Verwenden von z. B. Photolithographie, Ätzen, Dünnschichtausbildungstechno­ logie oder dergl. eine mechanische Struktur mit einer Größe von einigen zehn bis einhundert µm ausgeführt wird, und die mechanische Struktur auf einen Sensor, ein optisches Element oder eine mechanische Vorrichtung oder auf eine Mikromaschine gelegt wird. Im Hinblick auf eine solche neue Vorrichtung wird eine Siliciumeinkristallschicht oder eine Oxidschicht, eine Nitridschicht oder dergl. auf der Oberfläche des Siliciumeinkristalls ausgebildet und anstelle eines herkömm­ lichen metallischen Materials wie Stahl der dergl. benutzt.

Die mechanischen Eigenschaften wie Elastizitätsmodul, Streck­ spannung oder dergl. dieser Werkstoffe sind bedeutsame Faktoren, die die Funktion der MEMS-Vorrichtungen steuern. Inzwischen wurde bekannt, daß sich die mechanischen Eigen­ schaften dieser Dünnschichten durch den Fertigungsprozeß signifikant verändern und somit wurde die Bedeutung der Meßverfahren und Bewertung dieser Materialien noch weiter hervorgehoben.

Die herkömmlicherweise vorgeschlagenen Verfahren zum Messen und Bewerten dieser Werkstoffe sind Verfahren, bei denen eine Membran in Dünnschicht hergestellt wird und die Ausbauchung der Membran gemessen wird, wenn ein Luftdruck an dieselbe angelegt wird, ein Verfahren, das einen Mikrohärtetester ver­ wendet, in dem ein Stempel auf ein Probestück schlägt, ein Verfahren, für das ein sehr kleines Probestück zubereitet wird, das Probestück einer Zugprüfung ausgesetzt wird, indem es an einem Zugprüfer befestigt wird und dergl.

Jedoch kann mit der herkömmlichen Methode zum Messen der Größe der Ausbeulung einer Membran zwar der Elastizitätsmodul gemessen werden, jedoch nicht die Streckspannung. Ferner ist das Verfahren unter Verwendung eines Mikrohärteprüfgeräts mit Schlagen eines Schlagstempels auf ein Probestück zum Bewerten der Streckspannung eines nachgiebigen Materials zwar einfach, diese Methode läßt sich jedoch nur schwer für ein sprödes Material wie Silicium und Siliciumverbindungen anwenden.

Diese Methode, die mit einem Zugspannungsprüfer arbeitet, ist zwar eines der am häufigsten eingesetzten Verfahren beim Bewerten der mechanischen Eigenschaften, jedoch kann ein sehr kleines Probestück, das leicht zerstört werden kann, wenn es in einen Zugspannungsprüfer eingespannt oder daran befestigt wird, infolge seiner Sprödigkeit leicht zerstört werden bzw. kann darauf eine Biegespannung entstehen, weil die Achse des Probestücks nicht genau nach der Zugachse ausgerichtet ist oder dergl. Ferner ist auch die Meßgenauigkeit der Spannung vielleicht nur gering, weil die Auslenkung beim Längen des Probestücks mit einer kurzen Meßlänge nur gering ist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zum Durchführen eines Zugspannungstests ohne direkte Be­ rührung mit einem sehr kleinen Probestück zu realisieren.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung eines Systems mit hoher Meßgenauigkeit für Zugspannungen in Fällen, in denen die Auslenkung beim Längen eines Probestücks mit nur kleiner Meßlänge gering ist.

Zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Systems wird ein Probestück einstückig mit einer Materialprüfvorrichtung ausgebildet, um die Zugspannungsprüfung ohne direkte Be­ rührung mit dieser auszuführen. Erfindungsgemäß ist ein Materialprüfgerät mit der Funktion des Anlegens einer ein­ achsigen Zugkraft an das Probestück durch Aufbringen einer vertikalen Last auf die Materialprüfvorrichtung vorgesehen. Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Prüfen des Materials vorgesehen, durch das die mechanischen Eigen­ schaften eines Materials, aus dem das Probestück besteht, gemessen und ausgewertet werden durch Anlegen einer ein­ achsigen Zugspannung an das Werkstück durch die Material­ prüfvorrichtung ohne direkte Berührung mit dem Probestück.

Erfindungsgemäß wird das Probestück an sich nicht in direkte Berührung mit einem Prüfgerät gebracht und somit treten die verschiedenen obigen Probleme beim Befestigen des Probestücks in einem Zugspannungsprüfer nicht auf und die Meßgenauigkeit läßt sich verbessern.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ausfüh­ rungsform einer erfindungsgemäßen Materialprüfvorrichtung zeigt;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die den Betrieb der erfin­ dungsgemäßen Materialprüfvorrichtung zeigt;

Fig. 3 ist ein Schaubild, das den Zusammenhang zwischen einer Auslenkung am Belastungspunkt und einer Last gemäß der Materialprüfvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 stellt Schnittansichten dar, die eine Stellung von Torsionsstäben und einer Biegedeformation eines Probestücks gemäß der Materialprüfvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigen;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel für ein Verfahren zum Haltern der Torsionsstäbe gemäß der Material­ prüfvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 6(a) ist eine Ansicht, die die erfindungsgemäße Mate­ rialprüfvorrichtung gesehen von oben zeigt;

Fig. 6(b) ist eine Ansicht, die die erfindungsgemäße Mate­ rialprüfvorrichtung gesehen von unten zeigt;

Fig. 7 zeigt Ansichten, die einzelne Schritte bei der span­ abhebenden Bearbeitung der erfindungsgemäßen Materialprüf­ vorrichtung zeigt;

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Materialprüfvorrichtung zeigt; und

Fig. 9 ist ein Schrittdiagramm, das eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Materialprüfvorrichtung zeigt.

Erfindungsgemäß umfaßt eine Materialprüfvorrichtung ein Probestück, einen Drehhebel zum Anlegen einer Zugspannung an das Probestück, einen elastischen Auflageteil zum elastischen Aufnehmen der Auslenkung des Drehhebels und einen starren Halterungsteil zum starren Haltern des Probestücks und des elastischen Auflageteils.

Ferner lassen sich die Werte der mechanischen Eigenschaften eines Siliciumeinkristalls durch den einstückigen Aufbau des Probestücks, des Drehhebels, des elastischen Auflageteils und des starren Halterungsteils aus dem Siliciumeinkristall messen.

Ferner kann das Probestück auch eine Dünnschicht aus einem anderen Material als ein Siliciumeinkristall sein, z. B. eine Schicht aus einer Siliciumverbindung wie z. B. eine Silicium­ oxidschicht oder eine Siliciumnitridschicht oder dergl., eine Metallbeschichtung, eine polykristalline Siliciumschicht oder eine sonstige allgemeine Dünnschicht sein, die durch die Schritte CVD (Chemical Vapor Deposition - Chemische Gas­ phasenabscheidung), Aufstäuben, Bedampfung oder dergl. auf­ gebracht wurde. In diesem Fall kann eine Materialprüfvor­ richtung durch Herstellen des Probestücks gefertigt werden, das zwischen einem starren Halterungsteil und einem Drehhebel eingespannt ist, der aus einem Siliciumeinkristall besteht.

Ein Materialprüfgerät gemäß der vorliegenden Erfindung be­ steht aus der Materialprüfvorrichtung, einem Lastaufbring­ mechanismus zum Aufbringen einer Last auf den Drehhebel, um auf diese Weise eine einachsige Zugkraft auf das Probestück zu legen, und aus einem Rotationserfassungsmechanismus zum Erfassen einer Rotation des Drehhebels.

Ein Materialprüfverfahren, das die erfindungsgemäße Material­ prüfvorrichtung verwendet, umfaßt einen Schritt zum Anlegen einer einachsigen Zugkraft an ein Probestück durch Aufbringen einer Last auf den Drehhebel, einen Schritt zur Berechnung der Auslenkung eines Lastpunkts am Drehhebel durch Erfassen der Rotation des Drehhebels, einen Schritt zum Berechnen eines Längungsbetrags des Probestücks aus der Auslenkung des Lastpunkts am Drehhebel, einen Schritt zum Berechnen einer an das Probestück angelegten Zugkraft durch Subtraktion eines Verformungsdrehmoments des elastischen Halterungsteils von der auf den Drehhebel aufgebrachten Last, und einen Schritt zum Berechnen der Werte der mechanischen Eigenschaften des Materials des Probestücks aus dem berechneten Längungsbetrag des Probestücks und der berechneten Zugkraft.

Übrigens ist es offensichtlich, daß nur ein geeigneter Teil der obigen Schritte ausgewählt werden muß, wenn nur ein Teil der mechanischen Eigenschaften, z. B. die Bruchdehnungs­ spannung oder die Bruchbeanspruchung gemessen werden soll.

Gemäß dem neuen System der einachsigen Mikrozugspannungs­ prüfung durch die Materialprüfvorrichtung, das Material­ prüfgerät und das Materialprüfverfahren, werden das Zug­ probestück und der Lastaufbringmechanismus auf dem gleichen Silicium-Wafer integriert, wodurch die einachsige Zugbean­ spruchung ohne direkte Berührung mit dem Probestück auf­ gebracht werden kann. Der Lastaufbringmechanismus beinhaltet einen Mechanismus zum Vergrößern der Längungsdeformation an einem Ende des Probestücks, wodurch die Längungsdeformation durch Vergrößern erfaßt werden kann. Dementsprechend lassen sich die Werte der mechanischen Eigenschaften eines sehr kleinen Materials oder eines spröden Materials durch die vorliegende Erfindung einfach und genau messen und bewerten.

Im folgenden wird nun eine ins einzelne gehende Erklärung der vorliegenden Erfindung anhand der Ausführungsformen gegeben. Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Materialprüfvorrichtung 1 zeigt. Die Materialprüfvorrichtung 1 besteht aus einem Probestück 2, dessen mechanische Eigenschaften gemessen werden sollen, einem Drehhebel 3, der mit dem Probestück 2 verbunden ist, einem Paar Torsionsstäbe 4, die als elastischer Halterungs­ teil des Drehhebels 3 wirken, und einem Rahmen 5, der als starrer Halterungsteil des Probestücks 2 und der Torsions­ stäbe 4 wirkt und den Außenrahmen der Materialprüfvorrichtung 1 bildet. Eine Gesamtheit der Materialprüfvorrichtung 1 ist, z. B. aus einem Siliciumeinkristall, einstückig ausgebildet.

Mit Hilfe der Materialprüfvorrichtung 1 werden die mechani­ schen Eigenschaften des Probestücks 2 gemessen durch Auf­ bringen einer senkrechten Last W auf ein Ende des Drehhebels 3, die auf diese Weise eine einachsige Zugkraft im Probestück 2 in Pfeilrichtung A-A erzeugt. Das Probestück 2 ist mit dem Rahmen 5 und dem Drehhebel 3 einstückig ausgebildet und daher ist nur der Rahmen 2 befestigt und die mechanischen Eigen­ schaften eines Probestücks, das nur mit Schwierigkeiten in eine Prüfvorrichtung eingespannt oder daran befestigt werden könnte, lassen sich leicht messen, weil sich die Notwendig­ keit der direkten Berührung auf dem Probestück 2 erübrigt

Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die das Verhalten der ein­ achsigen Kraft auf das Probestück 2 durch die vertikale Last W zeigt. Wenn die vertikale Last W auf ein Ende des Dreh­ hebels 3 aufgebracht wird, dreht der Drehhebel 3 um eine geometrische Mittelachse 6 der Torsionsstäbe 4, wodurch die einachsige Zugkraft in Richtung der Pfeile A-A an das Probe­ stück 2 gelegt wird. Ein durch die angelegten vertikale Last W entstehendes Moment ist statisch im Gleichgewicht mit der Summe der durch die Reaktion der Torsionsstäbe 4 und die Reaktion (Zugkraft in horizontaler Richtung) des Probestücks 2 erzeugten Momente.

Die an das Probestück 2 angelegte Zugkraft läßt sich berech­ nen durch Auswertung des Drehmoment-Rotationswinkels, der für die Torsionsstäbe 4 charakteristisch ist, nach dem Test und Subtraktion von diesem. Dann läßt sich die Beanspruchung des Probestücks 2 aus der Auslenkung "a" am Belastungspunkt des Drehhebels 3 berechnen.

Die Meßergebnisse aus der auf den Hebel aufgebrachten Last W und die Auslenkung "a" des Lastpunkts in vertikaler Richtung bei der Ausführung der Zugprüfung mit einem Siliciumein­ kristall als Probestück wird in Fig. 3 gezeigt. Die Last W nimmt linear zu mit der Zunahme der Auslenkung "a", die den Lastpunkt des Drehhebels nach unten drückt, wie in der Figur durch eine dick ausgezogene Linie gezeigt wird. Nachdem das Probestück 2 bei Punkt P unter der Spannung gerissen ist, fällt die Last schnell ab bis zu der Last, die für das Torsionsdrehmoment der Torsionsstäbe erforderlich ist.

Die Deformations/Last-Kennlinie des Torsionsstabs als solche, die nach dem Bruch des Probestücks gemessen werden kann, ist in der Figur gestrichelt dargestellt. Wenn eine Last Wt, die für das Torsionsdrehmoment erforderlich ist, von der Defor­ mations/Last-Kennlinie des Probestücks vor dem Bruch sub­ trahiert wird, läßt sich das Verhältnis zwischen einer Zug­ last Wn, die auf das Probestück gelegt wird, und der Auslen­ kung "a" berechnen.

Zum Beispiel werden die Spannung "s" und die Beanspruchung "e", die im Probestück durch die Auslenkung des Endteils des Drehhebels am Punkt a1 in Fig. 3 bewirkt werden, nach den folgenden Gleichungen berechnet:

Spannung s = (Wn × R)/(A × d)
Beanspruchung e = (a1 × d)/(L × R)

dabei ist Wn eine Last, die berechnet wird durch Subtraktion der Last Wt, die für das Drehmoment der Torsionsstäbe erfor­ derlich ist, von der Last W auf dem Drehhebel;
R ist der Abstand in horizontaler Richtung (x-Richtung in Fig. 4) zwischen dem Drehzentrum der Torsionsstäbe und dem Belastungspunkt des Drehhebels;
A ist ein Schnittbereich des Probestücks,
d ist der Abstand in vertikaler Richtung (Z-Richtung in Fig. 4) zwischen dem Drehzentrum der Torsionsstäbe und der Achse des Probestücks;
a1 ist die nach unten gedrückte Auslenkung des Belastungs­ punkts des Drehhebels;
L ist die Länge des Probestücks.

Wie aus der Gleichung im Hinblick auf die Höhe der Belastung "e" bekannt ist, ist die erfindungsgemäße Materialprüfvor­ richtung mit einer Struktur versehen, in der das Verhältnis der Werte "R" zu "d" im allgemeinen groß ist, und daher kann auch eine kleine Beanspruchung durch eine verhältnismäßig große Auslenkung "a" des Drehhebels gemessen werden. Das be­ deutet, daß die Materialprüfvorrichtung einen Vergrößerungs­ mechanismus für die Längungsverformung des Probestücks auf­ weist.

Als nächstes soll eine Erklärung gegeben werden, unter welchen Bedingungen die einachsige Zugkraft im Zugprobestück im Verhältnis zur Position und der Form der Torsionsstäbe erzeugt wird.

(1) Position der Torsionsstäbe

Die geometrische Mittelachse 6 der Torsionsstäbe 4 ist vor­ zugsweise genau unter einem Ende des Zugprobestücks positio­ niert, wie in Fig. 2 gezeigt wird. Wenn die geometrische Mittelachse 6 der Torsionsstäbe 4 nicht genau unter einem Ende des Zugprobestücks 2 liegt, wird, wie in Fig. 4(a) ge­ zeigt ist, das eine Ende des Probestücks 2 mit der Rotation des Drehhebels 3 in Auf/Abwärtsrichtung verschoben und dem­ entsprechend wird eine unerwünschte Biegebeanspruchung im Probestück 2 erzeugt. Dementsprechend wird die Mittelachse 6 der Torsionsstäbe 4 auf eine Linie B-B in Fig. 4(a) ausge­ richtet.

(2) Abmessungen der Abschnitte der Torsionsstäbe

Die Drehsteifigkeit der Torsionsstäbe 4 muß gering und ihre Biegefestigkeit muß hoch sein. Wenn die Biegefestigkeit in x-Richtung in Fig. 4 gering ist, dann wird eine Verschiebung Ux in x-Richtung in den Torsionsstäben 4 bewirkt, wie in Fig. 4(b) gezeigt wird, dadurch kann keine hinreichend genaue Zug­ verschiebung λ an das Zugprobestück angelegt werden. Wenn andererseits die Biegefestigkeit in Z-Richtung in Fig. 4 gering ist, dann wird eine Verschiebung Uz in Z-Richtung in den Torsionsstäben 4 bewirkt, wie in Fig. 4(c) gezeigt wird, wobei dem Probestück eine Biegebeanspruchung überlagert wird und dementsprechend kann die ausreichende Zugverschiebung λ auch in diesem Fall nicht angelegt werden. Jedoch wird die kleine Größenordnung der Biegefestigkeit in Z-Richtung unproblematisch durch Auflegen des Teils genau unter den Torsionsstäben 4 auf eine Messerkante 10, wie in Fig. 5 gezeigt wird. Somit sollte für ein solches Auflagesystem der Querschnitt der Torsionsstäbe 4 vorzugsweise eine flache Form haben.

Hier nachstehend soll ein Beispiel einer repräsentativen Materialprüfvorrichtung mit verschiedene Abmessungen be­ schrieben werden.
Außenrahmen: Länge 12 mm, Breite 12 mm. Dicke 400 µm
Probestück: Dicke 5-20 µm, Bereite 50-300 µm, Länge 1 mm
Drehstab: Dicke 200-300 µm, Breite 400-1200 µm
Drehhebel: Breite 3 mm, Länge 5 mm, Dicke 400 µm.

Die Materialprüfvorrichtung für die feine und reproduzierbare Zugprüfung wird in Mikro-Materialbearbeitungstechnik aus Silicium hergestellt. Eine Erklärung des Herstellungsver­ fahrens wird nachstehend gegeben. Hier soll eine Erklärung gegeben werden für ein Beispiel eines Verfahrens zur Her­ stellung einer Materialprüfvorrichtung aus einem Silicium­ einkristall-Wafer einer Form, wie sie in den Fig. 6(a) und 6(b) gezeigt wird. Fig. 6(a) ist eine Draufsicht der Mate­ rialprüfvorrichtung und Fig. 6(b) ist die entsprechende Unteransicht.

Die Materialprüfvorrichtung wird gefertigt durch material­ abhebende Bearbeitung eines Siliciumeinkristall-Wafers durch chemisches anisotropes Ätzen unter Verwendung einer wäßrigen KOH-Lösung. Die Fig. 7(a) bis einschließlich 7(n) zeigen diese Schritte, dabei zeigen die Fig. 7(a) bis 7(g) Schritte entlang eines Schnittes in der Linie C-C einschließlich des Probestücks 2 in Fig. 6, und Fig. 7(h) bis (n) zeigen Schritte entlang eines Schnitts in der Linie D-D einschließ­ lich der Torsionsstäbe 4 in Fig. 6. Als Material der Vor­ richtung wurde ein Einkristall-Wafer (Flächenausrichtung {100}, Dicke: 400 µm) benutzt und eine thermisch oxidierte Siliciumschicht (Dicke 0.6-2.2 µm) wurde als Maskenmaterial beim Ausätzen benutzt.

Zunächst wird eine thermisch oxidierte Schicht 16 auf der Oberfläche des Silicium-Wafers 15 in einem ersten thermischen Oxidierungsschritt ausgebildet und die thermisch oxidierte Schicht wird teilweise abgezogen, um eine vorgegebene Form zu bilden, wie in den Fig. 7(a) bis 7(h) gezeigt wird. In einem ersten Ausätzschritt der Fig. 7(b) und 7(i) wird ein Profil 17 des Probestücks festgelegt. Anschließend wird in einem zweiten thermischen Oxidierungsschritt wieder auf der Siliciumoberfläche eine thermisch-oxidierte Schicht 18 aus­ gebildet und die thermisch oxidierte Schicht wird teilweise abgezogen, um die vorgegebene Form gemäß Fig. 7(c) und 7(j) zu bilden. In einem zweiten Ätzschritt der Fig. 7(d) und 7(k) wird das Ätzen ausgeführt, bis die ausgeätzten Teile 14 mit der Dicke der Torsionsstäbe vorgesehen sind. In diesem Ver­ fahren wird das Profil 17 des Probestücks durch eine Oxid­ schichtmaske 18 geschützt. In einem dritten Oxidierungs­ schritt wird eine thermisch oxidierte Schicht 19 wieder auf der Siliciumoberfläche gebildet und die thermisch-oxidierte Schicht wird teilweise abgezogen, um eine vorgegeben Form zu bilden wie in den Fig. 7(e) und 7(1) gezeigt wird. In einem dritten Oxidierungsschritt der Fig. 7(f) und 7(m) wird von der Rückseite her eine Ätzung ausgeführt, um das Profil der Torsionsstäbe 4 zu bilden. Der Betrag der Ätzung hier be­ stimmt die Dicke des Probestücks 2. Fig. 7(g) und Fig. 7(n) zeigen entsprechende Schnitte der fertigen Prüfvorrichtung, während das Probestück 2 und die Torsionsstäbe 4 reprodu­ zierbar in den vorgegebenen Profilen und Dicken ausgebildet werden können.

Wenn das Material für die Zugprüfung eine Siliciumoxidschicht oder eine Siliciumnitridschicht sein soll, werden diese Schichten oben auf der Oberfläche eines Teils der Vorrichtung entsprechend dem Probestück ausgebildet und der Silicium­ einkristall unter dem Probestück wird in der dritten Ätzung voll abgezogen, wobei nur diese Schichten zwischen dem Dreh­ hebel und dem Halterungsrahmen als Probestück eingespannt sind. Der Grund dafür ist, daß diese Schichten einen Wider­ stand gegen das Ätzen durch KOH aufweisen.

Wenn andere Materialien mit diesem Widerstand gegen das KOH- Ätzen, z. B. eine Dünnschicht, die durch Nickelaufplattieren entstanden ist, geprüft werden sollen, nachdem diese Schichten oben auf einem Teil der Vorrichtung entsprechend dem Probestück durch einen Schritt des Aufstäubens, der Gasphasenabscheidung oder dergl. vor dem dritten Ätzgang aufgebracht wurden, wird die Siliciumeinkristallschicht entsprechend dem Probestück im dritten Ätzgang vollständig abgezogen, wodurch die Materialprüfvorrichtung auf ähnliche Weise ausgebildet werden kann.

Wenn das geprüfte Material ein Material ohne Widerstand gegen das KOH-Ätzen ist, z. B. eine polykristalline Siliciumschicht, wird nach den Schützen der Schicht durch ein Drittmaterial, das den Ätzwiderstand von oben und von unten aufweist, das Ätzen des Siliciumeinkristalls ausgeführt und schließlich wird das Drittmaterial selektiv abgezogen. Als Drittmaterial sind eine Siliciumoxidschicht, eine Siliciumnitridschicht, eine Nickelschicht und dergl. geeignet.

Fig. 8 und Fig. 9 zeigen jeweils ein Materialprüfgerät bzw. ein Materialprüfverfahren für die obige Zugprüfung. In Fig. 8 ist eine Materialprüfvorrichtung 1 auf eine X-Y-Z-Θ Bühne 21 aufgesetzt. Eine am Vorderende einer Parallelblattfeder 22 befestigte Nadel 23 bringt eine vertikale Last auf den Drehhebel 3 der Materialprüfvorrichtung 1. Die Wurzel der Parallelblattfeder 22 ist an einer Z Bühne 22 befestigt und durch zugehöriges Aufwärts- und Abwärtsbewegen der Z Bühne 24 wird eine Last entsprechend dem Betrag der Auslenkung der Parallelblattfeder 22 auf den Drehhebel 3 gelegt. Die Spannung und die Beanspruchung, die im Probestück 2 auftritt, läßt sich durch Erfassen der auf die Nadel 23 gelegten Last und der Auslenkung des Lastpunkts in vertikaler Richtung berechnen.

Die Auslenkung des Lastpunkts kann durch eine Längenmeß­ maschine 25 vom Lasertyp direkt gemessen werden, während die Last aus der Größe der Auslenkung der Parallelblattfeder 22 berechnet wird. Die Größe der Auslenkung der Parallelblatt­ feder 22 wird berechnet durch die entsprechenden gemessenen Bewegungen in Aufwärts- und Abwärtsrichtung Z0 bzw. Z1 der Wurzel und des Vorderendes und Berechnen der Differenz zwischen beiden.

Die Torsionssteife der Torsionsstäbe 4 läßt sich aus der Form der Torsionsstäbe 4 berechnen, sie kann also durch Bestimmen des drehmomentabhängigen Drehwinkels berechnet werden, der charakteristisch für die Torsionsstäbe 4 ist, und zwar durch erneutes Aufbringen einer Last auf den Drehhebel 3 über die Nadel 23 am Vorderende der Parallelblattfeder 22, nachdem das Probestück 2 durch die Spannung gebrochen ist.

Übrigens kann hinsichtlich der Erfassung der Längung des Probestücks, anders als bei der obigen Methode, bei der die nach unten gedrückte Strecke des Hebels erfaßt wird, auch die Länge der Auslenkung des Probestücks durch Messen des Dreh­ winkels des Hebels nach dem Prinzip des "Optischen Hebels" berechnet werden, indem der Laserstrahl auf die Oberfläche des Drehhebels gerichtet wird und dieser Wert verwendet wird.

Auf jeden Fall können durch Anwendung des Materialprüfver­ fahrens und des Materialprüfgeräts der vorliegenden Erfindung die Werte der mechanischen Eigenschaften genau vermessen werden, im allgemeinen bei einem spröden Material und auch bei Dünnschichtmaterial mit kleiner Längsbeanspruchung.

Fig. 9 ist eine Flußdiagramm, das die Schritte der Berechnung der Werte der mechanischen Eigenschaften eines Materials durch das obige Materialprüfgerät zeigt. In Schritt 101 (nachfolgend S101) werden die Größen der Auf- und Abbewegung in Richtung Z0 und Z1 der Wurzel und des Vorderendes der Parallelblattfeder 22 gemessen. In Schritt S102 wird die Auslenkung des Belastungspunkts des Drehhebels 3 aus dem gemessenen Wert Z1 berechnet. In Schritt S103 wird die Be­ rechnung gemäß dem Hebelprinzip aus der Auslenkung des Be­ lastungspunkts des Drehhebels 3 ausgeführt, und in Schritt S104 wird die Längung des Probestücks 2 berechnet. In Schritt S105 wird die Größe der Verformung der Parallelblattfeder 22 aus den gemessenen Werten Z0 und Z1 berechnet, und in Schritt S106 wird die von der Nadel 23 auf den Drehhebel 3 aufge­ brachte Last berechnet. In Schritt S107 wird die Komponente, die sich aus dem Drehmoment von den Torsionsstäben 4 ab­ leitet, von der auf den Drehhebel 3 aufgebrachten Last sub­ trahiert und in Schritt S108 wird die Zugkraft berechnet, die auf das Probestück 2 einwirkt. In Schritt S109 werden die Spannung und Beanspruchung, die im Probestück 2 hervorgerufen werden, aus der in Schritt S104 berechneten Längung des Probestücks 2 und der an das Probestück 2 angelegten, in Schritt S108 berechneten Zugkraft bestimmt, und in Schritt S110 werden die Werte der mechanischen Eigenschaften des geprüften Materials aus den Berechnungsergebnissen errechnet.

Vorstehend wurde das Verfahren der Materialprüfmethode gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Schritt S101 der Be­ rechnung der gemessenen Werte und Schritt S105 der Berechnung des Betrages der Verformung können sich entsprechend ver­ ändern, wenn die Mittel zum Aufbringen der Last verändert werden.

Wie oben beschrieben, lassen sich bezüglich der neuen erfin­ dungsgemäßen Zugprüfung drei Vorteile aufzählen.

• (1) Es erübrigt sich, ein sehr kleines Probestück zu hand­ haben, das leicht zerstört werden kann und auf einem Wafer ausgebildet ist.
• (2) Die Auslenkung des einen Endes des sehr kleinen Probe­ stücks wird erfaßt durch Vergrößern der Auslenkung am Be­ lastungspunkt (Hebelende) gemäß dem Hebelprinzip.
• (3) Als Material des Probestücks können neben Siliciumein­ kristall auch verschiedene auf der Oberfläche eines Wafers ausgebildete Dünnschichtmaterialien benutzt werden.

Ferner kann durch den Einsatz dieser Vorrichtung die Prüfung nicht nur im Hinblick auf Werte der mechanischen Eigen­ schaften verschiedener auf der Oberfläche eines Silicium- Wafers ausgebildeten Dünnschichtmaterialien, insbesondere hinsichtlich Streckspannung, Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und dergleichen ausgeführt werden, sondern auch hinsichtlich Ermüdungserscheinungen durch wiederholtes Aufbringen einer Last. Wenn ferner die Schicht als Probestück ausgebildet wird, dann wird sie verschiedenen Arbeitsgängen unterzogen wie Ionenimplantation, Wärmebehandlung usw., hier läßt sich die Drehung des Drehhebels messen und so auch die Längung oder Kontraktion der Dünnschicht erfassen.

Auch kann die Vorrichtung als Mittel benutzt werden, um eine Veränderung in einer Dünnschicht zu beobachten, die auftritt, wenn das Dünnschichtmaterial einer konstanten Spannung aus­ gesetzt wird, wie z. B. die Beobachtung einer Strukturänderung im Dünnschichtmaterial unter konstanter Zugspannung. Dazu kann der zugaufbringende Mechanismus und das Beobachtungs­ mittel, z. B. das Ultraschall-Mikroskopsystem und das Raman- Spektroskopiesystem und dergl. in Kombination eingesetzt werden.

Wie oben beschrieben hat die vorliegende Erfindung die nach­ stehenden Auswirkungen.

• (1) Es erübrigt sich die Handhabung sehr kleiner Prüfstücke, die leicht zerstört werden können und die auf einem Wafer ausgebildet sind.
• (2) Die Auslenkung eines Endes des sehr kleinen Prüfstücks wird erfaßt durch Vergrößern der Auslenkung des Belastungs­ punkts (Hebelende) nach dem Hebelprinzip.
• (3) Neben einem Siliciumeinkristall können auch verschiedene andere Dünnschichtmaterialien als Material für das Probestück benutzt werden.
• (4) Neben der Zugprüfung kann auch die Ermüdungsprüfung einer Dünnschicht ausgeführt werden.
• (5) Die Veränderung in einer Dünnschicht läßt sich beob­ achten, während eine konstante Zugspannung an das Dünn­ schichtmaterial angelegt wird.

Claims (5)

1. Eine Materialprüfvorrichtung, enthaltend:
Ein Probestück;
einen Drehhebel zum Aufbringen einer vorbestimmten Spannung auf das Probestück;
einen elastischen Halterungsteil zum elastischen Haltern einer Auslenkung des Drehhebels; und
einen starren Halterungsteil zum starren Haltern des Probestücks und des elastischen Halterungsteils.

2. Die Materialprüfvorrichtung gemäß Anspruch 1, in der das Probestück, der Drehhebel, der elastische Halterungsteil und der starre Halterungsteil einstückig aus einem Siliciumein­ kristall gebildet sind.

3. Die Materialprüfvorrichtung gemäß Anspruch 1, in der der Drehhebel, der elastische Halterungsteil und der starre Halterungsteil einstückig aus einem Siliciumeinkristall ge­ bildet sind und das Probestück aus einer Dünnschicht besteht, wobei das zu prüfende Material zwischen dem starren Hal­ terungsteil und dem Drehhebel eingespannt ist.

4. Ein Materialprüfgerät enthaltend:
Eine Materialprüfvorrichtung bestehend aus einem Probe­ stück, einem Drehhebel zum Anlegen einer vorgegebenen Span­ nung an das Probestück, einem elastischen Halterungsteil zum elastischen Haltern einer Auslenkung des Drehhebels, und einem starren Halterungsteil zum starren Haltern des Probe­ stücks und des elastischen Halterungsteils;
einen Lastaufbringmechanismus zum Anlegen einer ein­ achsigen Zugkraft an des Probestück durch Aufbringen einer Last auf den Drehhebel; und
einen Drehungserfassungsmechanismus zum Erfassen einer Drehung des Drehhebels.

5. Ein Verfahren zum Prüfen eines Materials durch Verwenden einer Materialprüfvorrichtung, enthaltend ein Probestück, einen Drehhebel zum Anlegen einer vorbestimmten Spannung an das Probestück, einen elastischen Halterungsteil zum elasti­ schen Haltern einer Auslenkung des Drehhebels, und einen starren Halterungsteil zum starren Haltern des Probestücks und des elastischen Halterungsglieds, wobei das Verfahren beinhaltet:
einen Schritt zum Anlegen einer einachsigen Zugkraft an das Probestück durch Aufbringen einer Last auf den Drehhebel; und
einen Schritt zur Berechnung der Auslenkung an einem Belastungspunkt des Drehhebels durch Erfassen der Drehung des Drehhebels;
einen Schritt zur Berechnung des Betrags der Längung des Probestücks aus der Auslenkung des Belastungspunkts am Dreh­ hebel;
einen Schritt zum Berechnen einer an das Probestück an­ gelegten Zugkraft durch Subtraktion des Verformungsdreh­ moments des elastischen Halterungsteils von der an den Dreh­ hebel angelegten Last; und
einen Schritt zum Berechnen der Werte der mechanischen Eigenschaften des Materials des Probestücks aus dem berech­ neten Längungsbetrags des Probestücks und der berechneten Zugkraft.