DE4410315A1

DE4410315A1 - Mikrosensor zur Messung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit dünner Schichten

Info

Publication number: DE4410315A1
Application number: DE19944410315
Authority: DE
Inventors: Friedmann Voelklein; Ernst Kesler; Udo Schmidt; Thomas Stuerz
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Priority date: 1994-03-25
Filing date: 1994-03-25
Publication date: 1995-11-30

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrosensor zur Messung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit dünner Schichten der zur "in-situ"-Messung während der Schichtabscheidung genannter Schichten bestimmt ist.

Beschreibung

Ein grundsätzliches Problem bei der Messung der Wärmeleitfähigkeit dün ner Schichten ist der Einfluß des Substrates, auf das die Schichten abge schieden werden, auf den Meßvorgang. Um eine ausreichende Meß genauigkeit zu erreichen, muß das Produkt aus Wärmeleitfähigkeit λ_s und d_s des Substrates kleiner sein als das entsprechende Produkt aus Wärme leitfähigkeit λ und Dicke d der zu vermessenden Schicht.

Bekannt sind Meßmethoden, bei denen aus diesem Grunde sehr dünne und schlecht wärmeleitende Folien als Substrate verwendet werden (Boikov, J.A.; Golcman, B.M. und Sinenko, S.F., Prib. Techn. Eksp. 2, 1975, S. 230/ Völklein, F. und Kessler, E., Measurement 5, 1987, S. 38). Nachteilig ist aber, daß diese Folien thermisch nicht belastbar sind, so daß Schichten, bei deren Herstellung (z. B. Aufdampfen oder Sputtern) eine starke Substrat erwärmung auftritt, nicht auf diesen Folien aufgebracht werden können.

Bekannt ist auch die Verwendung von thermisch stabilen dünnen Glas- oder Glimmersubstraten (Nath, P. and Chopra, K.L. Thin Solid Films 18, 1973, S. 28/Abrosimov, V.M. und Egorov, B.N., Fiz. Tverd. Tela 11, 1969, S. 530), diese liegen aber in dem Produkt λ_s _*d_s um mindestens eine Größenordnung höher als die genannten Folien, so daß die Meßgenauigkeit für viele Schichten nicht mehr ausreicht.

Ein weiterer Nachteil bei der Untersuchung sehr dünner Schichten besteht darin, daß beim Wärmefluß durch die Schichten bzw. Substrate ein erhebli cher Wärmeanteil durch Strahlung an die Umgebung abgegeben wird. Des halb kann die Wärmeleitfähigkeit nicht direkt gemessen, sondern erst nach einer zusätzlichen Messung des Emissionsvermögens der Schicht errechnet werden. Es ist also prinzipiell die Messung von zwei Schichteigenschaften nötig, um die Wärmeleitfähigkeit dünner Schichten bestimmen zu können, es sei denn, die Messungen werden bei tiefen Temperaturen durchgeführt. Aus diesem Grunde sind "in-situ"-Messungen während eines Beschich tungsprozesses bisher nicht möglich, weil dann auch das Emissionsver mögen bei der Herstellung "in-situ" bestimmt werden müßte. Gerade "in- situ"-Messungen sind aber von besonderem technischen Interesse, weil man dann z. B. bei der Herstellung von Dünnschicht-Bauelementen deren thermischen Leitwerte während der Beschichtung kontrollieren und gezielt einstellen könnte. Dies hat vor allem für die Herstellung von Dünnschicht- Sensoren oder -Aktuatoren mit thermischen Wirkprinzipien oder für Leistungsbauelemente große Bedeutung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Mikrosensor anzu geben, der zur direkten Messung der Wärmeleitfähigkeit auch an sehr dünnen Schichten ohne zusätzliche Bestimmung des Emissionsvermögens oder anderer Schichteigenschaften und für prinzipiell alle Schichther stellungsarten unabhängig von der thermischen Belastung des Substrates und für "in-situ"-Messungen geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß der Mikrosensor eine thermisch stabile, schlecht wärmeleitende, dünne freitragende Membran, z. B. bestehend aus SiO₂ oder Si₃N₄ oder einer Schichtkombination von beiden, aufweist. Wird eine solche Schicht oder Schichtkombination bspw. auf einem Si-Chip aufgebracht, läßt sich ge nannte freitragende Membran durch fotolithografische mikromechanische Ätztechniken präparieren. Die Membrandicke sollte gemäß der Erfindung bevorzugt unterhalb von 800 nm liegen. Erfindungsgemäß ist dabei die Membran rechteckförmig ausgebildet, wobei die Membranbreite (1+g) kleiner als 100 µm und die Membranlänge (b) möglichst groß, typischer Weise zu 1 mm bis 2 mm, gewählt ist. Auf diese Membran ist gemäß der Erfindung ein schmaler Dünnschicht-Heizstreifen parallel zur Membran längsausdehnung und im wesentlichen in der Membranmitte angeordnet, dessen Ausdehnung (g) in Richtung der Membranbreitenausdehnung unterhalb eines Fünfzehntels der Membranbreite (1+g) festgelegt ist und typischer Weise weniger als 6 µm beträgt. Vorteilhaft sind metallische Heizstreifen, z. B. Aluminium, Silber, Gold oder Platin, mit einem positiven Temperaturkoeffizienten β des elektrischen Widerstands und geringem Strahlungsemissionsvermögen. Ebenso einsetzbar sind auch halbleitende Schichten, z. B. aus Poly-Silizium oder epitaktischem Silizium, mit Temperaturkoeffizienten β, die durch entsprechende Dotie rungen einstellbar sind. Die erfindungsgemäß dimensionierte Membran breite garantiert, daß die Wärmeabstrahlung der zu untersuchenden Schicht, die auf der Dünnschicht-Heizstreifen-abseitigen Membranseite abgeschieden wird, im Vergleich zur Wärmeleitung so gering ist, daß sie keinen schädigenden Einfluß auf die Genauigkeit der Wärmeleitfähig keitsmessung hat, und der erfindungsgemäß angeordnete und dimensio nierte Dünnschicht-Heizstreifen bedingt vernachlässigbare Wärmever luste durch Strahlung bei der Wärmeleitfähigkeitsmessung.

Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Mikrosensors wird die zu vermes sende Schicht mittels beliebiger Beschichtungsverfahren auf die Dünn schicht-Heizstreifen-abseitige Membranfläche mittels beliebiger Beschichtungsverfahren aufgebracht. Bei gleichzeitiger gesonderter elek trischer Aufheizung des Dünnschicht-Heizstreifens mit einer Heizleistung N ist dessen Temperaturerhöhung bzw. Widerstandsänderung ΔR (bezogen auf den ungeheizten Widerstand R) ein Maß für die Wärmeleit fähigkeit der aufgebrachten Schicht gemäß einer Beziehung

g = N · R · β · 1/(4·ΔR·b·d) - λ_s · d_s/d,

wobei die Substrateigenschaften λ_s und d_s für den Sensorchip vorbestimmbar sind. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Sensors als Mikrochip erfolgt die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit allein durch Messung der Heizleistung und der Widerstandsänderung des Dünnschicht-Heizstreifens mit hoher Präzision, ohne daß eine Zusatzmessung des Strahlungs emissionsvermögens oder anderer Schichteigenschaften erforderlich ist.

Für "in-situ"-Messungen ist der Mikrosensor in eine temperierte Substrat halterung eingebaut, die in eine beliebige Beschichtungsapparatur ein bringbar ist, wobei die Dünnschicht-Heizstreifen-abseitige Membran fläche mit der während des Beschichtungsprozesses aufwachsenden Schicht bedeckt wird. Im unbeschichteten Zustand der Membranfläche weist der Dünnschicht-Heizstreifen eine Widerstandsänderung ΔR₀ auf. Die mit hoher Präzision meßbare Heizleistung N und die Widerstands änderung ΔR(d) des Dünnschicht-Heizstreifens während des Beschich tungsprozesses ergeben direkt entsprechend einer Beziehung gemäß der Erfindung:

die aktuelle Wärmeleitfähigkeit λ(d) bei der jeweiligen aufgewachsenen Schichtdicke d ohne Messung zusätzlicher Größen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand einer schematischen Dar stellung des Mikrosensors näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Beispiel eines Mikrosensors gemäß der Erfindung in perspektivischer und tlw. geschnittener Darstellung.

Auf einem Silizium-Chip 1 ist eine dünne, thermisch bis ca. 700°C belast bare und schlecht wärmeleitende Schicht (z. B. aus SiO₂, Si₃N₄) aufge bracht, die durch fotolithografische Belichtung und Anwendung mikro mechanischer Ätztechnik aus dem Silizium-Chip 1 als freitragende Membran 2 mit den gemäß der Erfindung beanspruchten Dimensionen mit hoher Präzision präparierbar ist. Auf der Membran 2 ist ein Dünnschicht- Heizstreifen 3, dessen erfindungsgemäße Dimensionierung ebenfalls durch fotolithografische Strukturierung erzielbar ist, aufgebracht. Der Dünnschicht-Heizstreifen besteht dabei aus einer Metallschicht mit posi tivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes und geringem Emissionsvermögen, wie z. B. Aluminium, Silber, Gold oder Platin. Ebenso einsetzbar ist auch eine Halbleiterschicht, wie Poly- Silizium oder epitaktisches Silizium. Der Dünnschicht-Heizstreifen ist mit Kontaktflächen 4, vorzugsweise metallischen Kontaktflächen versehen, die z. B. als Bondpads zur elektrischen Kontaktierung bestimmt sind. Zur Bestimmung der aktuellen Wärmeleitfähigkeit einer beliebigen Schicht 5, die auf der Dünnschicht-Heizstreifen-abseitigen Membranfläche mittels beliebiger Beschichtung abgeschieden wird, findet der erfindungsgemäß angegebene Zusammenhang Verwendung.

Claims

1. Mikrosensor zur Messung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit dünner Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß ein rahmenförmiger Träger chip (1) mit einer schlecht wärmeleitfähigen und weitestgehend tempe raturbeständigen Schicht (2) mit einer Schichtdicke von weniger als 800 nm derart versehen ist, daß diese Schicht im Rahmenfenster als eine freitragende Membran verbleibt, wobei deren Membranlänge (b) wenigstens ein Zehnfaches der Membranbreite (1+g), bei einer Membranbreite in der Größenordnung von 100 µm, beträgt und auf der Membran parallel zur Membranlängsausdehnung ein schmaler Dünnschicht-Heizstreifen (3) im wesentlichen in der Membranmitte an geordnet ist, dessen Ausdehnung (g) in Richtung der Membranbreiten ausdehnung unterhalb eines Fünfzehntels der Membranbreite liegt.

2. Mikrosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünn schicht-Heizstreifen außerhalb des freitragenden Membranbereichs elektrisch kontaktiert ist.

3. Mikrosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Material des Dünnschicht-Heizstreifens ein solches mit möglichst hoher elektrischer Leitfähigkeit gewählt ist.

4. Mikrosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Material des Dünnschicht-Heizstreifens ein solches mit möglichst ge ringem Strahlungsemissionsvermögen gewählt ist.

5. Mikrosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Material des Dünnschicht-Heizstreifens ein solches mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands gewählt ist.

6. Mikrosensor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Dünnschicht-Heizstreifen bevorzugt Aluminium, Silber, Gold oder Platin gewählt ist.

7. Mikrosensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das Material des Dünnschicht-Heizstreifens ein halbleitendes Material, wie Poly-Silizium oder epitaktisches Silizium mit durch Dotierungen einstellbarem elektrischen Temperatur koeffizienten gewählt ist.

8. Mikrosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich net, daß der gesamte Sensor in eine temperierbare Halterung eingebaut und bei beliebigen Beschichtungsprozessen zur "in-situ"-Messung der Wärmeleitfähigkeit sich auf die Dünnschicht-Heizstreifen-abseitige Membranfläche abscheidender Materialien gemäß einer Beziehung: eingesetzt ist.