DE19750651C2 - Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen in dünnen Schichten - Google Patents

Description

Kurzfassung

Es wird ein Verfahren zum Messen von Eigenspannungen in dünnen metalli­ schen oder nichtmetallischen Schichten gemäß Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 vorgeschlagen, bei der parasitäre Längenänderungen durch Tem­ peratureinfluß praktisch ausgeschaltet sind.

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 umhüllt sind. Beide Werkstoffe 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 Kunststof­ fen besonders groß ist. Die thermische Ausdehnung erzwingt lange Wartezei­ ten, bis das Meßsystem im Elektrolyten mit Temperaturen von 30 bis 90°C in ein thermisches Gleichgewicht gelangt, d. h. bis die Ausdehnung der ver­ schiedenen Bauteile keine Längen bzw. Volumenänderungen erfahren. Die Zeit dafür beträgt bis zu einer Stunde bei einer Elektrolyttemperatur von bei­ spielsweise 60°C. Das ist ein vielfaches der eigentlichen Abscheidezeit.

Bekannt ist die Verwendung eines Meßstreifens bei der Bestimmung von Ei­ genspannungen in galvanischen Schichten (SU 1678917 A1). Dabei wird der Meßstreifen am Boden des Elektrolytgefäßes befestigt. Der Gefäßboden ist je­ doch wegen der relativ großen geometrischen Ausdehnung und Maßinstabilität die Quelle von parasitären Längenänderungen, die auf den Meßstreifen übertra­ gen werden und so die Meßgenauigkeit der Längenänderung am Meßstreifen mindern.

Ferner werden Meßstreifen mit Spannrahmen in der Bautechnik benutzt, um die Witterungseinflüsse auf Dichtungsmittel zu überprüfen ("Weathering Rack for Se­ alants"; Journal of Coatings Technologie, Vol. 49 No. 626 March (1977), K. K. Karpati u. a.) Derartige Vorrichtungen sind jedoch nicht für die präzise Bestim­ mung von Eigenspannungen in dünnen Schichten auf Meßstreifen einsetzbar.

Längenänderungen werden auch zur Bestimmung der thermischen Eigenschaften von Materialien mit geringer Festigkeit wie Asphalt, Wachs, Schokolade etc. be­ nutzt, insbes. zur Bestimmung der Sprödbrüchigkeit (brittle point). Eine entspre­ chende Vorrichtung wird beschrieben in EP 0539 932 A1, bei der ein feststehen­ der und ein beweglicher Halter für die Probe, eine Belastungsvorrichtung und ei­ ne Kraftmeßdose benutzt werden. Diese Vorrichtung ist zur Bestimmung von Ei­ genspannungen in dünnen Schichten auf Meßstreifen nicht geeignet.

Die Eigenspannungen in dünnen Filmen, insbes. Halbleiterschichten wird in Ab­ hängigkeit von der Temperatur auf optischen Weg mittels Laser bestimmt, wobei die Änderung des Krümmungsradius der Probe vermessen wird (Rev. Sci. In­ strum., Vol. 63, Nr. 4 (1992) S. 2305-2309, P. J. von Preising). Auch diese Vor­ richtung, die speziell für Temperaturen bis 700°C ausgelegt ist, eignet sich nicht für die Bestimmung der Eigenspannung von abgeschiedenen Schichten auf Meß­ streifen.

Die Längenänderung eines Körpers ist bei metallkundlichen Untersuchungen von Interesse, z. B. bei der Bestimmung von Phasenumwandlungen. Dazu werden Di­ latometer benutzt, wie in der DE-PS 15 73 486 beschrieben. Die Meßeinrichtung benutzt für die wesentlichen Geräteteil Quarzglas in der Form von Rohren um pa­ rasitäre Längenänderungen so weit wie möglich zu eliminieren. Die Vorrichtung arbeitet jedoch im Vakuum oder Schutzgas und ist nicht in flüssigen Elektrolyten einsetzbar. Ferner wird die Längenänderung an massiven Körpern und nicht an Meßstreifen bestimmt.

Lösungsvorschlag

Um diese beiden Nachteile - langsame Einstellung des thermischen Gleichge­ wichts und parasitäre Längenänderungen - zu überwinden, wird erfindungsge­ mäß vorgeschlagen, daß der Meßstreifen senkrecht zwischen einem feststehen­ den und einem beweglichen Halter (Gleitbolzen) kraftschlüssig eingespannt ist, wobei die Längenänderung des Meßstreifens während des Abscheidens der Schicht über den beweglichen Halter auf die Längenmeßvorrichtung übermittelt wird und beide Halter sowie das Podest, in dem der feststehende Halter befestigt ist, und die Auflagefläche der Längenmessvorrichtung aus Materialien bestehen, die einen thermischen Ausdehnugskoeffizienten von ≦ 5,5 × 10^-6 (1/K) besitzen.

Als Materialien dafür werden Quarzglas, Quarzgut bzw. metallische Werkstoffe mit kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten vorgeschlagen.

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 Ausdehungskoeffizient 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 kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 1 . 10^-6 (1/K) befindet sich in der Verschraubung (2) der feststehende Halter in der Form eines ca. 10 mm starken Quarzglasstabs (3), der unten rechtwinkelig abgebo­ gen ist und einen Achsialschlitz sowie eine radiale Bohrung mit ca. 3 mm be­ sitzt.

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 kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 1 . 10^-6 (1/K)) 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 unte­ ren Ende besitzt der bewegliche Halter (6) einen achsialen 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 beispielsweise 60°C vorgewärmten Elektro­ lyten getaucht, bis der Elektrolyt ca. 1 cm unterhalb des beweglichen Halters (6) steht. Bereits nach fünf bis sieben Minuten ist die Anlage im thermischen Gleich­ gewicht. Das ist erkennbar an der unveränderten Anzeige der Meßuhr. Bereits nach fünf Minuten kann mit der galvanischen Abscheidung begonnen werden.

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

Der schnelle thermische Ausgleich wird durch folgende Maßnahmen erreicht:

• 1. Der feststehende Halter (3) und die Auflage des Meßfühlers (12) der Meßuhr be­ stehen aus Quarzglas.
• 2. Der bewegliche Halter (6) (Gleitbolzen) besteht aus einer Legierung mit sehr kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
• 3. Die Meßuhr ist am feststehenden Halter (3) fixiert.
• 4. Das Podest besteht ebenfalls aus einer Legierung mit sehr kleinem thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten.

Unter "sehr 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 verarbeitet, d. h. die zeitliche Längenänderung am Meßstreifen wird am Monitor in der Form eines Plots Längenänderung gegen Zeit dargestellt. Auch die zeitliche Änderung der Ei­ genspannung 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 an­ deren Metallen, da die Abscheidung nach Eintauchen der Anlage in den Elektroly­ ten sofort am Meßstreifen beginnt. In diesem Fall ist es unzulässig, eine längere Zeit zu warten, bis das System in das thermische Gleichgewicht gelangt. Wird in diesem Fall die Meßvorrichtung auf 5 bis 10°C über die Elektroyttemperatur außer­ halb des eigentlichen Elektrolyten vorgeheizt, z. B. in destilliertem Wasser und dann innerhalb von 5 bis 10 Sekunden in den Elektrolyten getaucht, so ist die Verfäl­ schung der Messung durch Temperaturausgleich zu vernachlässigen.

Im Fall der chemischen Abscheidung von Metallen zeigt Quarzglas einen weiteren Vorteil. Die Oberfläche von Quarzglasstäben und Quarzglasrohren ist extrem glatt und praktisch "keimfrei". Eine derartige keimfreie Oberfläche führt zu keiner parasi­ tären Metallabscheidung. Die parasitäre Metallabscheidung ist von Nachteil für die Messung, da Metallflitter in den Elektrolyten und schließlich an den Meßstreifen ge­ langen und dort die Schichtdicke, die nach dar Abscheidung gemessen wird, ver­ fälschen.

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 Verschrau­ bung weiches Aluminium, Messing und/oder Kunststoff, z. B. TEFLON, zu verwen­ den.

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 beweglichem Halter (6) zum Meßstreifen (11), auf dem die Metallabscheidung er­ folgt.

Der Kathodenstrom kann auch direkt dem beweglichen Halter (6) oder dem Meß­ streifen (11) mit einem weichen Leitungsband aus Kupfer oder Silber von der Buchse (16) oder dem Podest (1) aus zugeführt werden.

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

Soll beispielsweise die Eigenspannung einer Lackschicht auf einer Acetatfolie be­ stimmt werden, ist es vorteilhaft - da hierbei keine Korrosions auftreten kann - den feststehenden Halter aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit einem thermischen Ausdehungskoeffizienten von ca. 3 . 10^-6 (1/K) zu benutzen. Die Acetatfolie, die zwischen feststehendem und beweglichen Halter eingespannt ist, wird besprüht und die Längenänderung beim Trocknen bzw. Aushärten der Lackschicht gemes­ sen. Soll die Längenänderung des Meßstreifens bei erhöhter Aushärtetemperatur verfolgt werden, wird die besprühte Folie in die auf Aushärtetemperatur erwärmte Vorrichtung eingespannt und anschließend die Längenänderung verfolgt, z. B. mit einer 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 besteht, 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 feststehender Halter (3) und Gleitbolzen (6) aus ei­ ner Eisen-Nickel-Legierung gefertigt werden, deren thermischer Ausdehnungs­ koeffizient bei 1 bis 5 . 10^-6 (1/K) liegt. Um eine Metallabscheidung beim Einsatz in der Galvanik zu verhindern, wird der metallische Halter (3) mit einer Lackschicht umhüllt. Der hauptsächliche Einsatz einer derartigen Meßvorrichtung liegt jedoch außerhalb der Galvanik. Beispielsweise bei der Messung von Eigenspannungen in Abhängigkeit der Temperatur von dünnen Metallschichten aus Alumium, Chrom oder Gold auf Kunststoff-Folien oder Spritzgussteilen, die durch Aufdampfen oder Sputtern erzeugt werden. Ferner von PVD- oder Sputterschichten aus Titancar­ bonitrid oder Titannitrid auf Werkzeugen oder Metallfolien.

Dazu werden die entsprechenden streifenartigen Teile an die Stelle des Meßstrei­ fens (11) eingespannt und die Länenänderung in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt, und daraus wiederum die Eigenspannung der dünnen Schichten be­ rechnet. Als Temperaturübertragungsmedium eignen sich Luft, Schutzgase, Was­ ser, Paraffinöl oder Siliconöle mit niederem Dapfdruck, die das Meßobjekt gleich­ mässig umspülen.

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 auch zur Bestimmung des thermi­ schen Ausdehnungs- u/o Schrumpfverhaltens von beschichteten Materialien wie beschichtetem Papier, mehrlagigen Schichtwerkstoffen oder Schrumpfwerkstof­ fen, z. B. Schrumpfschläuchen. Dazu werden die entsprechenden Teile wie Strei­ fen, Schläuche etc. an die Stelle des Meßstreifens (11) eingespannt und einer Temperaturrampe unterworfen, wobei gleichzeitig die zeitliche Längenänderung gemessen wird.

Claims (12)

1. Verfahren zum Messen von Eigenspannungen in metallischen oder nichtmetal­ lischen, festen, dünnen Schichten durch Messen der Längenänderung eines Meßstreifens mittels einer Längenmeßvorrichtung auf den die zu vermessende Schicht abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstreifen senkrecht zwischen einem feststehenden und einem be­ weglichen Halter kraftschlüssig eingespannt ist, wobei die Längenänderung des Meßstreifens während des Abscheidens der Schicht über den beweglichen Hal­ ter auf die Längenmeßvorrichtung übermittelt wird und beide Halter, sowie das Podest, in dem der feststehende Halter befestigt ist, und die Auflagefläche der Längenmeßvorrichtung, aus Materialen bestehen, die einen thermischen Ausde­ hungskoeffizenten von ≦ 5,5 . 10^-6 (1/K) besitzen.

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

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

7. Verfahren nach Anspruch 5 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Halter im Podest in Längsrichtung verstellbar ist, um unter­ schiedlich lange Meßstreifen einspannen zu können.

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

9. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Längenmeßvorrichtung für die zeitliche Längenänderung des Meßstrei­ fens als kapazitiver oder induktiver Wegaufnehmer am feststehenden Halter be­ festigt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Längenmeßvorrichtung für die zeitliche Längenänderung des Meßstreifen als kapazitiver oder induktiver Wegaufnehmer auf dem Podest mit einem Halter aus einer Legierung mit kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ≦ 5.5 . 10^-6 (1/K) befestigt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler der Längenmeßvorrichtung für die zeitliche Längenänderung des Meßstreifens auf einer Scheibe aus Quarzglas aufliegt, die sich am oberen Ende des beweglichen Halters befindet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß für die zeitliche Längenänderung des Meßstreifens Längenmeßvorrichtungen benutzt werden, die eine online Verarbeitung der Meßsignale via Computer er­ möglichen.