DE19750651A1 - Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen in dünnen Schichten - Google Patents

Description

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß metallische und nichtmetallische Schichten auf festen Substraten mit inneren Spannungen behaftet sein können.

So können galvanisch oder chemisch abgeschiedene Schichten auf metalli­ schen Substraten Druck- oder Zugspannungen besitzen. Derartige Spannun­ gen werden Eigenspannungen genannt.

Der Spannungszustand wird auf das Substrat übertragen und kann z. B. bei Blechen zur Verformung bzw. Maßveränderungen führen.

Es ist deshalb von großem Interesse, die Eigenspannungen von dünnen Schichten zu kennen, um konstruktive Maßnahmen bei den Substraten vor­ nehmen zu können oder die Herstellung der Schichten in geeigneter Weise anzupassen. Ferner ist es von technologischem Interesse, die Spannungsart und den Spannungsgrad in Abhängigkeit von der Schichtstärke zu kennen.

Für die Messung und Beurteilung von Eigenspannungen sind seit langem Vor­ richtungen vor allem für galvanisch oder chemisch abgeschiedene Schichten bekannt.

Bei Streifenmeßvorrichtungen die einen Meßstreifen und einen Rahmen zur Aufnahme der Meßvorrichtung benutzen, bestehen die Rahmenteile aus Me­ tallen oder aus Metallen die mit Kunststoffen umhüllten sind. Beide Werkstof­ fe besitzen wesentliche Nachteile bei der Anwendung in der Galvanik oder bei der chemischen Abscheidung von metallischen Schichten.

Die Nachteile sind starke Korrosionsanfälligkeit durch den Elektrolyten und die thermische Ausdehnung, die bei Metallen relativ groß und bei Kunststoffen besonders groß ist. Die thermische Ausdehnung erzwingt lange Wartezeiten, bis das Meßsystem im Elektrolyten mit Temperaturen von 30 bis 90°C in ein thermi­ sches Gleichgewicht gelangt, d. h. bis die Ausdehnung der verschiedenen Bautei­ le keine Längen bzw. Volumenänderungen erfahren. Die Zeit dafür beträgt bis zu einer Stunde bei einer Elektrolyttemperatur von beispielsweise 60°C. Das ist ein vielfaches der eigentlichen Abscheidezeit.

Lösungsvorschlag

Um diese beiden Nachteile zu überwinden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Meßstreifen senkrecht zwischen einem feststehenden und einem beweg­ lichen Halter (Gleitbolzen) kraftschlüssig eingespannt ist, wobei der bewegliche Halter zur Messung der Längenänderung des Meßstreifens dient und beide Halter aus Materialen bestehen, die einen kleinen und/oder extrem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Als Materialien dafür wird Quarzglas, Quarzgut bzw. metallische Werkstoffe mit extrem kleiner thermischer Ausdehnung vorge­ schlagen.

Quarzglas bzw. Quarzgut haben den Vorteil im Temperaturbereich bis 100°C praktisch keine thermische Ausdehnung zu zeigen. Der Ausdehnungskoeffizient von Quarzglas liegt im Bereich von 5.10^-7 (1/K), der von Legierungen bei 10.10^-6 (1/K) und der von Kunststoffen bei ca. 60.10^-6 (1/K) und größer.

Ein weiterer Vorteil von Quarzglas bzw. Quarzgut ist die immense Korrosionsbe­ ständigkeit gegenüber Elektrolyten. Keine der heute bekannten Elektrolyten der Galvanik korrodiert erkennbar Quarzglas.

Als metallische Werkstoffe werden Eisen-Nickel-Legierungen eingesetzt, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient im Bereich von 1.10^-6 (1/K) liegt und eine ho­ he Korrosionsfestigkeit besitzen.

Beschreibung der Meßvorrichtung

In der nachfolgenden Skizze wird die Verwendung von Quarzglas in der Form ei­ nes Quarzglasstabes bzw. eines Quarzglasrohres als feststehender Halter näher beschrieben.

In dem horizontalen, kreisförmigen Podest aus einer Eisen-Nickel-Legierung (1) (vgl. Skizze a) mit extrem kleiner thermischer Ausdehnung befindet sich in der Verschraubung (2) der feststehende Halter in der Form eines ca. 10 mm starken Quarzglasstabs (3), der unten rechtwinkelig abgebogen ist und einen Axialschlitz (4) sowie eine radiale Bohrung (5) mit ca. 3 mm besitzt.

In dem Podest (1) befindet sich der leicht gleitende bewegliche Halter (6) (Gleit­ bolzen) in einer PTFE-Buchse; er besteht aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit extrem kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einem Durchmesser von ca. 5 mm und trägt am oberen Teil einen Ring (7). Zwischen Podest (1) und Ring (7) befindet sich eine Spiralfeder (8) aus Federstahl. Im unteren Ende besitzt der bewegliche Halter (6) einen axialen Schlitz (9) und eine radiale Bohrung (10). In den Schlitz (9) wird der Meßstreifen (11) eingelegt und mit einem Stift aus VA-Material oder Silber via Bohrung (10) befestigt.

Das andere Ende des Meßstreifens (11) wird in den Schlitz (4) des Quarzglashal­ ters eingelegt und durch Ziehen nach unten um ca. 4 mm mit einem Quarzglas­ stift via Bohrung (5) justiert. Auf der oberen Stirnfläche des Rings (7) liegt einge­ tieft eine Scheibe (∅ 10× ca. 1,5 mm) aus Quarzglas (12) (vgl. Skizze b). Auf der Quarzglasscheibe steht der senkrecht bewegliche Meßfühler (13) einer Län­ genmeßvorrichtung, z. B. einer digitalen Meßuhr (14).

Die Meßuhr (14) ist via Halter (15) an dem feststehenden Halter (3) (Quarzglas­ stab) festgeklemmt.

Wenn stark schäumende Elektrolyte benutzt werden, ist es notwendig den Gleit­ bolzen im Gleitbereich zu schützen. Dazu wird ein Spritzschutz (17) unterschied­ licher Stärke, z. B. 2 cm, auf der Unterseite des Podestes (1) angeschraubt.

Die Meßvorrichtung wird in den auf 60°C vorgewärmten Elektrolyten getaucht, bis der Elektrolyt ca. 1 cm unterhalb des beweglichen Halters (6) steht. Bereits nach fünf bis sieben Minuten ist die Anlage im thermischen Gleichgewicht. Das ist erkennbar an der unveränderten Anzeige der Meßuhr. Bereits nach fünf Minu­ ten kann mit der galvanischen Abscheidung begonnen werden.

Vergleichsweise dazu benötigt eine Vorrichtung mit einem kunststoffumhüllten Metallhalter etwa 30 bis 40 Minuten.

Der extrem rasche thermische Ausgleich ist die Folge der erfindungsgemäßen Maßnahmen:

• 1. Der feststehende Halter und die Auflage des Meßfühlers der Meßuhr bestehen aus Quarzglas.
• 2. Der bewegliche Halter (Gleitbolzen) besteht aus einer Legierung mit extrem kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
• 3. Die Meßuhr ist am feststehenden Halter fixiert.
• 4. Das Podest besteht ebenfalls aus einer Legierung mit extrem kleinem thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten.

Unter "extrem kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten" ist ein Wert von (≦ 5.10^-6 (1/K) zu verstehen.

Die Längenänderung am Meßstreifen wird von der digitalen Meßuhr registriert und via einer RS 232 Schnittstelle in einem angeschlossenen Computer verar­ beitet, d. h. die zeitliche Längenänderung am Meßstreifen wird am Monitor in der Form eines Plots Längenänderung vers. Zeit dargestellt. Auch die zeitliche Än­ derung der Eigenspannung in dem Maß N/mm² oder MPa kann so als Graph dargestellt werden.

Diese Arbeitsweise ist mit der geschilderten Vorrichtung von besonderer Bedeu­ tung bei der chemischen bzw. stromlosen Abscheidung von Nickel, Gold und anderen Metallen, da die Abscheidung nach Eintauchen der Anlage in den Elek­ trolyten sofort am Meßstreifen beginnt. In diesem Fall ist es unzulässig, eine län­ gere Zeit zu warten, bis das System in das thermische Gleichgewicht gelangt. Wird in diesem Fall die Meßvorrichtung auf 5 bis 10°C über die Elektrolyttempe­ ratur außerhalb des eigentlichen Elektrolyten vorgeheizt, z. B. in destilliertem Wasser und dann innerhalb von 5 bis 10 Sekunden in den Elektrolyten getaucht, so ist die Verfälschung der Messung durch Temperaturausgleich zu vernachläs­ sigen.

Im Fall der chemischen Abscheidung von Metallen zeigt Quarzglas einen weite­ ren Vorteil. Die Oberfläche von Quarzglasstäben und Quarzglasrohren ist extrem glatt und praktisch "keimfrei". Eine derartige keimfreie Oberfläche führt zu keiner parasitären Metallabscheidung. Die parasitäre Metallabscheidung ist von Nachteil für die Messung, da Metallflitter in den Elektrolyten und schließlich an den Meß­ streifen gelangen und dort die Schichtdicke, die nach der Abscheidung gemessen wird, verfälschen.

An Stelle des Quarzglasstabes (3) kann vorteilhafterweise auch ein entsprechend geformtes Quarzglasrohr benutzt werden.

Da der Elektrolyt in das Quarzglasrohr eindringt, kann das Quarzglasrohr zur Auf­ nahme eines Temperaturfühlers oder pH-Meters verwendet werden. Dazu ist es sinnvoll, das Quarzglasrohr mit seitlichen Bohrungen zu versehen, um einen ra­ schen Elektrolytaustausch zu gewährleisten.

Das ist von Vorteil, wenn nur geringe Elektrolytmengen von ca. 250 ml zur Verfü­ gung stehen.

Die Form des feststehenden Halters kann auch U-förmig sein. Die beiden Enden des Quarzglasstabes oder Quarzglasrohres können in dem Podest (1) verschraubt oder mit einem Hochtemperaturkitt befestigt sein. Die Befestigung via Verschrau­ bung hat den Vorteil, schnell und sicher ohne besondere Justierung die L- und U-förmigen Quarzglashalter austauschen zu können.

Bei der Verschraubung zeigt sich Quarzglas in der Form von Stäben und Rohren ebenfalls von besonderem Vorteil, da es relativ große Druckkräfte aufnehmen kann. Dazu ist es vorteilhaft, für die anpressenden Teile (Konen) in der Verschraubung weiches Aluminium, Messing und/oder Kunststoff, z. B. TEFLON, zu verwenden.

Bei der galvanischen Metallabscheidung wird das Podest (1) via Buchse (16) an die Kathode angeklemmt. Der Gleichstrom fließt vom Podest (1) via Feder (8) und be­ weglichem Halter (6) zum Meßstreifen (11), auf dem die Metallabscheidung erfolgt.

Der Kathodenstrom kann auch direkt dem beweglichen Halter (6) oder dem Meß­ streifen (11) mit einem weichen Leitungsband aus Kupfer oder Silber von der Buch­ se (16) oder dem Podest (1) aus zugeführt werden. In beiden Fällen kann dann der bewegliche Halter aus Quarzglas bestehen.

Die Vorrichtung ist auch geeignet, die Eigenspannungen von aufgedampften, auf­ gesprühten oder aufgestrichenen Schichten zu ermitteln. Dazu werden beide Seiten des Meßstreifens beschichtet.

Soll beispielsweise die Eigenspannung einer Lackschicht auf einer Acetatfolie be­ stimmt werden, ist es vorteilhaft - da hierbei keine Korrosion auftreten kann - den feststehenden Halter aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit einem thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten von ca. 3.10^-6 (1/K) zu benutzen. Die Acetatfolie, die zwi­ schen feststehendem und beweglichen Halter eingespannt ist, wird besprüht und die Längenänderung beim Trocknen bzw. Aushärten der Lackschicht gemessen. Soll die Längenänderung des Meßstreifens bei erhöhter Aushärtetemperatur ver­ folgt werden, wird die besprühte Folie in die auf Aushärtetemperatur erwärmte Vor­ richtung eingespannt und anschließend die Längenänderung verfolgt, z. B. mit ei­ ner digitalen Meßuhr, die an einen Computer angeschlossen ist und die zeitliche Änderung des Meßstreifens aufzeichnet. Auf diese Weise kann die optimale Aus­ härtezeit und Aushärtetemperatur bestimmt werden.

Als Meßstreifen eignen sich Streifen aus Messing, Aluminium, legiertem und unle­ giertem Stahl, Kunststoff-Folien oder Papier.

Wenn an Teilen aus der Produktion die Eigenspannung der Schichten gemessen werden soll, können auch anders geformte Teile eingesetzt werden, z. B. Rohre oder Drähte. In diesen Fällen eignet sich eine Vorrichtung, bei der der feststehen­ de Halter U-förmig ausgebildet ist und im Falle der galvanischen oder stromlosen Beschichtung aus Quarzstäben mit ∅ bis zu 30 mm beträgt, um Teile bis zu einer Länge von ca. 1 m prüfen zu können.

In gleicher Weise und mit vergleichbar schnellem thermischen Ausgleich funktio­ niert die Meßeinrichtung, wenn Halter und Gleitbolzen aus einer Eisen-Nickel-Le­ gierung gefertigt werden, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient bei 1 bis 5.10^-6 (1/K) liegt. Um eine Metallabscheidung beim Einsatz in der Galvanik zu ver­ hindern, wird der metallische Halter mit einer Lackschicht umhüllt. Der hauptsäch­ liche Einsatz einer derartigen Meßvorrichtung liegt jedoch außerhalb der Galvanik, z. B. bei der Beschichtung von Kunststoffen mit Aluminium, Gold oder anderen Metallen. Ferner bei der Beschichtung von Metall-Folien mit Sputterschichten wie Titancarbonitrid oder Titannidrid.

Bei Einbau der Meßvorrichtung in Sputter-Rezipienten ist es vorteilhaft, eine hori­ zontale und axialdrehbare Anordnung zu wählen, um eine gleichmäßige Beschich­ tung des Meßstreifens zu gewährleisten.

Die vorgeschlagene Meßvorrichtung eignet sich für dilatometrische Messungen, z. B. zur Bestimmung des thermischen Ausdehnungsverhaltens von beschichteten Materialien wie beschichtetem Papier, mehrlagigen Schichtwerkstoffen oder Schrumpfwerkstoffen. Dazu werden die entsprechenden Teile wie Streifen, Schläuche etc. an die Stelle des Meßstreifens eingespannt und einer Temperatur­ rampe unterworfen, wobei gleichzeitig die zeitliche Längenänderung gemessen wird.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Messen von Eigenspannungen in metallischen oder nichtme­ tallischen, festen, dünnen Schichten durch Messen der Längenänderung eines Meßstreifens, auf den die zu vermessende Schicht abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstreifen senkrecht zwischen einem feststehenden und einem be­ weglichen Halter (Gleitbolzen) kraftschlüssig eingespannt ist, wobei der bewegli­ che Halter zur Messung der Längenänderung des Meßstreifens dient und beide Halter aus Materialen bestehen, die einen kleinen und/oder extrem kleinen ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Halter aus einem oder mehreren Quarzglas- und/oder Quarzgutstäben mit einem Durchmesser von 3 bis ca. 30 mm besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Halter aus einem oder mehreren Quarzglas- und/oder Quarzgutrohren mit einem Außendurchmesser von 3 bis 30 mm besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Halter aus einem oder mehreren metallischen Stäben und/oder Rohren besteht, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ≦5.5.10^-6 (1/K) und einen Durchmesser bzw. Außendurchmesser von 5 bis 30 mm besitzen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende, nichtmetallische Halter in einer Metallklemmverschrau­ bung befestigt und die Klemmverschraubung in einem Podest verschraubt oder eingeschweißt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende metallische Halter in einem Podest verschraubt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Halter im Podest in Längsrichtung und/oder um seine Längsachse verstellbar ist, um unterschiedlich lange Meßstreifen einspannen zu können.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Halter L-förmig, U-förmig bzw. zweckdienlich geformt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Halter (Gleitbolzen) stab- oder rohrförmig ausgebildet ist und aus Quarzglas oder einem metallischen Werkstoff mit extrem kleinem ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten besteht und im Podest senkrecht gleiten kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Podest aus einem metallischen Werkstoff mit kleinem thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung für die zeitliche Längenänderung des Meßstreifen in der Art einer Meßuhr oder eines kapazitiven oder induktiven Wegaufnehmers am beweglichen Halter befestigt ist und die Längenänderung über den beweglichen Halter (Gleitbolzen) an die Meßvorrichtung übermittelt resp. transferiert wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung für die zeitliche Längenänderung des Meßstreifen in der Art einer Meßuhr, eines kapazitiven oder induktiven Wegaufnehmers auf dem Podest mit einem Halter aus einer Legierung mit extrem kleinem thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten befestigt ist und die Längenänderung über den beweglichen Halter an die Meßvorrichtung übermittelt resp. transferiert wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler der Meßvorrichtung für die zeitliche Längenänderung am Meßstreifen auf einer Scheibe aus Quarzglas aufliegt, die sich am oberen Ende des beweglichen Halters befindet.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die zeitliche Längenänderung des Meßstreifens Meßvorrichtungen be­ nutzt werden, die eine online Verarbeitung der Meßsignale via Computer ermög­ lichen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung horizontal angeordnet benutzt wird.