DE3507514C2

DE3507514C2 -

Info

Publication number: DE3507514C2
Application number: DE19853507514
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Phys. Martens; Michael Dipl.-Ing. 2000 Hamburg De Bellersen
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: 1990-04-19
Also published as: DE3507514A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Wölbung und der mechanischen Spannung infolge der Rückbiegekraft einseitig beschichteter Scheiben, insbesondere einkristalliner Silicium-Scheiben, unterschiedlicher Dicke entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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.

Aus "Holz als Roh- und Werkstoff" 26 (1968) 5, Seiten 170 bis 175 ist bereits eine Vorrichtung zur Messung der Durchbiegung eines Sägeblattes bekannt, bei der das Sägeblatt am Rande auf Kugeln aufliegt, das Sägeblatt in der Mitte definiert belastet wird und seine Durchbiegung mit einer über dem Blatt verstellbaren Tastuhr gemessen wird.

Weiter ist es aus "Maschinenbautechnik" 10 (1961) 3, Seiten 149 bis 156 bekannt, bei Elastizitätsmessungen an den Gummitüchern von Offset-Druckmaschinen einen Kraftsensor und einen Weglängensensor in einer Linie mit der eingebrachten Meßkraft anzuordnen.

Schließlich sind auch, z. B. aus R. Kautsch: Meßelektronik nichtelektrischer Größen, Teil 3, Bad Wörrishofen 1973, Seiten 67 bis 69 und 135 bis 146 Kraft- und Weglängensensoren bekannt, die ein dem gemessenen Wert proportionales elektrisches Signal abgeben.

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 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung erlaubt eine gleichzeitige, direkte und substratunabhängige Messung der Verformungskraft in p und der Wölbungshöhe in µm, 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 zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine Vorrichtung,

Fig. 2 mit der Vorrichtung nach Fig. 1 aufgenommenen Meßkurven für eine beschichtete Scheibe.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 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 so weit eingedreht, daß er beim Punkt a₁ (siehe Fig. 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 Fig. 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:

die Wölbung 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 Fig. 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:

läßt sich dann die Wölbung und Verformungskraft der bearbeiteten Scheibe berechnen, wobei sich die bearbeitungsbedingte Wölbung und Verformungskraft zu w = w₁ - w₀ bzw. F = F₁ - F₀ ergibt.

Damit läßt sich mit Hilfe der Beziehung

die resultierende Spannung berechnen.

Darin bedeuten:

q Poissonsche Zahl
t Substratdicke
D Auflagedurchmesser
K Konstante
d Dicke der aufgebrachten Schicht

Die Vorzeichen der Wölbungen w₀, w₁ lassen eine Definition der Wölbungsrichtung zu, so wird für die Werte < 0 die Wölbung als positiv und für die Werte < 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.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Wölbung und der mechanischen Spannung infolge der Rückbiegekraft einseitig beschichteter Scheiben, insbesondere einkristalliner Silicium-Scheiben, unterschiedlicher Dicke mit einer den Rand der zu messenden Scheibe unterstützenden Auflage, Mitteln zur definierten Belastung der Scheibe in ihrer Mitte zur Durchbiegung über den planen Zustand hinaus und mit Mitteln zur Messung der Durchbiegung der Scheibe, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zur Belastung der Scheibe (1) einen normal zur Scheibe verschiebbaren Stempel (4) aufweisen, wobei mit dem Stempel ein die Belastung messender Kraftsensor (7) und ein die Verschiebung des Stempels messender Weglängensensor (6) verbunden ist,
und daß unter der Mitte der Scheibe (1) ein Anschlag (3) angeordnet ist, der gegenüber der Auflage (2) um eine Strecke h zurückgesetzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Weglängensensor (6) und/oder der Kraftsensor (7) ein der gemessenen Weglänge bzw. Kraft entsprechendes elektrisches Signal abgeben.