DE3507514A1

DE3507514A1 - Vorrichtung zur messung der woelbung und der rueckbiegekraft von scheiben

Info

Publication number: DE3507514A1
Application number: DE19853507514
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Bellersen; Thomas Dipl.-Phys. Martens
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1985-03-04
Filing date: 1985-03-04
Publication date: 1986-09-04
Also published as: DE3507514C2

Description

Vorrichtung zur Messung der Wölbung und der
Rückbiegekraft von Scheiben Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Wölbung und der mechanischen Spannung (Rückbiegekraft) behandelter Scheiben, insbesondere einkristalliner Siliciumscheiben, unterschiedlicher Dicke.
In der Fertigung von Halbleiterbauelementen gewinnt das Problem der Wölbung von normalerweise aus einkristallinem Silicium bestehender Substratscheiben durch Materialspannungen zunehmend an Bedeutung. Eine solche Wölbung tritt insbesondere bei der einseitigen Beschichtung Scheiben großen Durchmessers auf und führt insbesondere zu Schwierigkeiten, wenn sehr kleine Halbleiterstrukturen auf der Scheibe realisiert werden sollen.
Zur Überwachung des Fertigungsprozesses ist es daher unumgänglich, exakte Aussagen über die Verformungskraft der verursachenden Schicht sowie das Ausmaß der Verformung zu machen.
Die bisher üblichen Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Wölbung von Scheiben sind für den Einsatz in der Halbleiterfertigung weniger geeignet, da der zeitliche und apparative Aufwand zu groß und eine Messung der mechanischen Spannung nicht ohne weiteres möglich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß Wölbungshöhe und Wölbungsrichtung sowie die Materialspannung schnell, einfach und mit hoher Genauigkeit gemessen werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch a) eine den Rand unterstützende Auflage 2 für die Scheibe 1 und für die beiderseitige Messung der Scheibe, b) einen auf die Mitte der Scheibe 1 aufsetzbaren, normal zur Scheibe verschiebbaren Stempel 4, mit dem die Scheibe über den planen Zustand hinaus durchbiegbar ist, c) einen die Verschiebung des Stempels 4 messender Weglängensensor 6, und d) einen die von dem Stempel 4 auf die Scheibe 1 beim Durchbiegen ausgeübte Kraft messenden Kraftsensor 7.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung erlaubt eine gleichzeitige, direkte und substratunabhängige Messung der Verformungskraft in p und der Wölbungshöhe in pm, sowie der Wölbungsrichtung mit hoher Genauigkeit. Eine vorherige Eichmessung ist nicht erforderlich.
Die Vorrichtung kann weiter auf einfache Weise zur elektrisch gesteuerten Meßwerterfassung und Auswertung mit einem Schreiber, Rechner, Drucker etc. verbunden werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 mit der Vorrichtung nach Figur 1 aufgenommenen Meßkurven für eine beschichtete Scheibe.
Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung nach der Erfindung mit einer als Schneide ausgebildeten Auflage 2 für die zu messende Scheibe 1. Auf die Mitte der Scheibe 1 ist ein normal zu ihr verschiebbarer Stempel 4 aufgesetzt, mit dem die Scheibe durchbiegbar ist. Der Stempel 4 wird dazu mit einem Antrieb 5, der als Handantrieb oder als motorischer Antrieb ausgebildet sein kann, verschoben. Mit dem Stempel 4 ist ein elektrischer Weglängensensor 6 verbunden, der die durch den Antrieb 5 bewirkte Verschiebung des Stempels 4 mißt. Weiter ist zwischen dem Stempel 4 und dem Antrieb 5 ein elektrischer Kraftsensor 7 angeordnet, der die Kraft mißt, die der Stempel 4 auf die Scheibe 1 ausübt.
Unter der Scheibe ist ein Anschlag 3 angeordnet, der gegenüber der Unterseite einer völlig planen Scheibe und dem Betrag h zurückgesetzt ist, der so gewählt ist, daß eine unzulässig hohe Durchbiegung der zu messenden Scheibe verhindert wird.
Die Funktionsweise dieser Vorrichtung ist wie folgt: zunächst wird die zu messende Scheibe unbekannten Wölbungsgrades mit ihrer Oberseite nach oben auf die Auflage 2 aufgelegt. Der Stempel 4 wird dann mit Hilfe des Antriebes zunächst soweit eingedreht, daß er beim Punkt a1 (siehe Figur 2) auf die Scheibe aufsetzt; dies ist am Signalanstieg des Kraftsensors 7 erkennbar.
Der Stempel 4 wird dann weiter nach unten verschoben und dabei die in Figur 2 dargestellte F(x)-Funktion f1 aufgenommen, wobei F die von dem Stempel 4 auf die Scheibe ausgeübte Kraft und x der von dem Stempel 4 nach unten zurückgelegte Weg ist. Dies geschieht so lange, bis der Endpunkt e1 erreicht ist, d.h. die Maximalkraft des Kraftsensors erreicht oder die durchgebogene Scheibe 1 an den Anschlag 3 angeschlagen ist.
Der Stempel wird dann wieder zurückgeführt, die Scheibe 1 entnommen und seitenverkehrt wieder auf die Auflage aufgelegt und der beschriebene Meßvorgang wiederholt. Wobei sich die Funktion f2(x) mit dem Aufsatz Punkt a2 ergibt.
Aus diesen beiden Messungen kann dann mit Hilfe der Beziehungen: wo = a1-a2, a1+a2, die Whlbunq und die Verformungskraft der Scheibe berechnet werden.
Nachdem die Scheibe dann bearbeitet, d.h. mit dünnen Schichten bedeckt worden ist, werden die beschriebenen Meßvorgänge wiederholt, wobei sich die ebenfalls in Figur 2 dargestellten Funktionen f3 und f4 ergeben.
Aus der Differenz der beiden Endpunkte, d.h. e1-e2 ergibt sich dann die Dicke d der aufgebrachten Beschichtung.
Mit den Beziehungen: W1= a}a4 , F1=f4(a4+w1+d) läßt sich dann die Wölbung und Verformungskraft der bearbeiteten Scheibe berechnen, wobei sich die bearbeitungsbedingte Wölbung und Verformungskraft zu w=w1-wO bzw. F=F1-Fo ergibt.
Damit läßt sich mit Hilfe der Bezeichnung die resultierende Spannung berechnen.
Darin bedeuten: γ Poissonsche Zahl t Substratdicke D Auflagedurchmesser K Konstante d Dicke der aufgebrachten Schicht Die Vorzeichen der Wölbungen wO, w1 lassen eine Definition der Wölbungsrichtung zu, so wird für die Werte 7 0 die Wölbung als positiv und für die Werte 4 0 als negativ definiert.
Das Vorzeichen der Verformungskraft F läßt zudem eine Aussage über die Richtung der lateral wirkenden Verformungskräfte in der aufgebrachten Schicht in bezug auf das Substrat, d.h. die Ausgangsscheibe zu.
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Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur Messung der Wölbung und der mechanischen Spannung (Rückbiegekraft) behandelter Scheiben, insbesondere einkristalliner Silicium-Scheiben, unterschiedlicher Dicke gekennzeichnet durch a) eine den Rand unterstützende Auflage (2) für die Scheibe (1) und für die beiderseitige Messung der Scheibe, b) einen auf die Mitte der Scheibe (1) aufsetzbaren, normal zur Scheibe verschiebbaren Stempel (4), mit dem die Scheibe über den planen Zustand hinaus durchbiegbar ist, c) einen die Verschiebung des Stempels (4) messender Weglangensensor (6), und d) einen die von dem Stempel (4) auf die Scheibe (1) beim Durchbiegen ausgeübte Kraft messenden Kraftsensor (7).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Anschlag (3) unter der Mitte der Scheibe (1), der gegenüber der Auflage (2) um eine Strecke h zurückgesetzt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Weglängensensor und/oder der Kraftsensor einen der gemessenen Weglänge bzw. Kraft entsprechendes elektrisches Signal abgeben.