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Dokumentenidentifikation DE4134896A1 01.04.1993
Titel Substrat mit einer dünnen Schicht
Anmelder Siemens AG, 8000 München, DE
Erfinder Zhang, Junming, Dipl.-Ing.;
Houdeau, Detlef, Dipl.-Ing.;
Steckenborn, Arno, Dipl.-Phys. Dr., 1000 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 18.10.1991
DE-Aktenzeichen 4134896
Offenlegungstag 01.04.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.04.1993
IPC-Hauptklasse G01N 3/02
IPC-Nebenklasse G01L 1/00   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein Substrat mit einer dünnen Schicht, die über einem freigelegten Bereich des Substrats eine T-förmige Teststruktur bildet.
Um mit einem Substrat mit einer derartigen Teststruktur besonders aussagefähige Messungen der Materialeigenschaften durchführen zu können, sind die beiden Seitenteile (8, 9) der T-förmigen Teststruktur (4) als schmale, mindestens einmal abgeknickte Tragelemente für das stabförmige Mittelteil (10) ausgestaltet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Substrat mit einer dünnen Schicht, die über einem ausgenommenen Bereich des Substrats eine T-förmige Teststruktur bildet

Bei einem bekannten Substrat dieser Art ("Appl. Phys. Lett." 51 (4), 27. Juli 1987, S. 241-243) ist die T-förmige Teststruktur in der Weise gebildet, daß auf die dünne Schicht auf dem Substrat eine Maske aufgebracht wird, die oberhalb des freizulegenden Bereichs des Substrats T-förmig ausgestaltet ist; in einem anschließenden Bearbeitungsvorgang wird die dünne Schicht so abgetragen, daß sie oberhalb des auszunehmenden Bereichs des Substrats T-förmig gestaltet ist. Anschließend wird das Substrat in diesem Bereich ebenfalls entfernt, so daß eine T-förmige Teststruktur gebildet ist, die sich über den ausgenommenen Bereich des Substrates erstreckt.

Wie aus der genannten Literaturstelle ferner entnehmbar ist, lassen sich mit einer derartigen Teststruktur wichtige Materialeigenschaften der dünnen Schicht, wie z. B. die Dehnungseigenschaften ermitteln. Dies geschieht durch eine meßtechnische Erfassung der geometrischen Veränderungen der Teststruktur und setzt voraus, daß sich diese merklich verändert. Derartige Veränderungen sind darauf zurückzuführen, daß beim Aufbringen der dünnen Schicht auf das Substrat mechanische Spannungen entstehen; auch durch beispielsweise unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten wird eine Normalspannung erzeugt. Bei der bekannten T-förmigen Teststruktur bereitet die Erfassung der Normalspannung insofern Schwierigkeiten, weil die Längenänderung des Mittelteils der T-förmigen Teststruktur verhältnismäßig gering ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Substrat mit einer dünnen Schicht hinsichtlich der T-förmigen Teststruktur so auszugestalten, daß sich möglichst großer Veränderungen der geometrischen Abmessungen infolge der Normalspannungen ergeben, so daß diese mit großer Genauigkeit erfaßt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Substrat der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß die beiden Seitenteile der T-förmigen Teststruktur als schmale, mindestens einmal abgeknickte Tragelemente für das stabförmige Mittelteil ausgestaltet.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Substrates besteht hinsichtlich seiner T-förmigen Teststruktur darin, daß bei ihr die beiden Seitenteile im wesentlichen nur als Tragelemente des stabförmigen Mittelteils wirksam sind, so daß sich das stabförmige Mittelteil aufgrund der Normalspannung in Längsrichtung weitgehend ungehindert ändern kann, weshalb aus dieser Änderung sehr genau auf die Größe der Normalspannung geschlossen werden kann.

Die Erfindung ist mit Vorteil auch anwendbar bei Substraten, deren Schicht auch aus mehreren Einzelschichten besteht.

Im allgemeinen wird es als ausreichend angesehen, wenn die beiden Seitenteile jeweils ein einziges Mal abgeknickt sind. Gegebenenfalls kann aber auch mit Tragelementen mit mehrfacher Abknickung gearbeitet werden, wenn Einflüsse der Halterung des stabförmigen Mittelteils im Bereich der beiden Seitenteile der T-förmigen Teststruktur auf das Meßergebnis weitestgehend ausgeschlossen werden sollen.

Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn das erfindungsgemäße Substrat über dem ausgenommenen Bereich fluchtend mit der einen T-förmigen Teststruktur eine weitere T-förmige Teststruktur liegend enthält und beide Teststrukturen im Bereich ihrer einander gegenüberliegenden Seitenteile an ihren Mittelteilen durch einen schmalen Steg aus der dünnen Schicht verbunden sind.

Mit einem derartig ausgestalteten Substrat kann in vorteilhaft einfacher Weise die Bruchdehnung bzw. die Bruchfestigkeit der dünnen Schicht ermittelt werden; die Anordnung bzw. das Substrat stellt dann gewissermaßen eine "Mikrozugmaschine" dar.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Substrats mit einer T-förmigen Teststruktur auf der dünnen Schicht gemäß der Erfindung und in

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines weiteren Substrats mit einer Doppel-T-förmigen Teststruktur gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gezeigt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 befindet sich auf einem Substrat 1 eine dünne Schicht 2, die in einem strichpunktierten Bereich 3 eine Teststruktur 4 aufweist. Die Teststruktur 4 ist in der Weise gebildet, daß auf die leitende Schicht 2 eine in der Figur nicht dargestellte Maske aufgebracht worden ist, die Öffnungen aufwies, wie sie in der Fig. 1 durch die freigelassenen inneren Bereiche 5, 6 und 7 gekennzeichnet ist. Anschließend wurde die dünne Schicht 2 an den Bereichen 5 bis 7 abgetragen. Danach wurde unterhalb des strichpunktiert dargelegten Bereichs 3 der dünnen Schicht 2 auch das Substrat 1 entfernt, so daß die Bereiche 5 bis 7 durchgehende Öffnungen in der dünnen Schicht 2 und in dem darunter liegenden Teil des Substrats 1 bilden, wobei innerhalb des gesamten Bereichs 3 das Substrat abgetragen ist. Über den ausgenommenen Bereich 3 des Substrats 1 liegt dann die Teststruktur 4, gebildet aus zwei Seitenteilen 8 und 9 sowie einem stabförmigen Mittelteil 10. Die Seitenteile 8 und 9 sind einmal abgeknickt und zwar in der Weise, daß die beiden Teile etwa gleich lang sind und in einem Winkel von 90° aufeinander stehen. Die Seitenteile 8 und 9 bilden flexible Tragelemente für das stabförmige Mittelteil 10 und beeinflussen Längenänderungen des stabförmigen Mitteilteils so gut wie gar nicht, so daß dessen Längenänderungen sehr genau Aufschluß über innere Spannungen geben. Bezeichnet man mit l&sub0; die Länge des stabförmigen Mitteilteils 10, wie sie sich aufgrund der Geometrie der Maske ergeben müßte (also ohne Beeinflussung durch innere Spannungen) und mißt man die jeweils aufgrund der inneren Spannungen sich ergebende aktuelle Länge l (vgl. Fig. 1), dann ergibt sich aufgrund des Hookeschen Gesetzes die Normalspannung σ0 in der dünnen Schicht nach folgender Beziehung (1)



Da der Elastizitätsmodul E des Materials der dünnen Schicht 2 bekannt ist, läßt sich dann anhand der Beziehung (1) nach Erfassung der Längenänderung des stabförmigen Mittelteils 10 die Normalspannung σO ermitteln.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist zur Erzielung der dort dargestellten Teststruktur 20 in entsprechender Weise vorgegangen worden, wie es im Zusammenhang mit der Fig. 1 ausführlich erläutert worden ist. Hier ist jedoch die Teststruktur 20 derart ausgestaltet, daß sie aus jeweils einer T-förmigen Teststruktur 21 und 22 zusammengesetzt ist, die jeweils fluchtend derart zueinander angeordnet sind, daß die Seitenteile 23, 24 der T-förmigen Teststruktur 21 den Seitenteilen 25, 26 der anderen T-förmigen Teststruktur 22 gegenüberliegen; zwischen den beiden T-förmigen Teststrukturen 21 und 22 befindet sich ein schmaler Steg 27 aus der dünnen Schicht, der eine definierte Breite b aufweist.

Aufgrund der inneren (Zug-)Spannungen wird der schmale Steg 27 von den beiden stabförmigen Mitteilungen 28 und 29 der T-förmigen Teststrukturen in zueinander entgegengesetzten Richtungen belastet. Benutzt man Teststrukturen gemäß Fig. 2 mit unterschiedlicher Breite des schmalen Steges 27, dann wird bei einer Teststruktur mit einer bestimmten Breite des schmalen Steges 27 ein Bruch eintreten. Die Bruchdehnung σb läßt sich dann nach folgender Beziehung (2) ermitteln:



in der σO wieder die Normalspannung angibt. Die übrigen Größen lassen sich aus der Fig. 2 entnehmen.

Mit dem erfindungsgemäßen Substrat ist es möglich, Erkenntnisse über die Materialeigenschaften dünner Schicht auf einem Substrat zu erfassen, was wichtige Rückschlüsse für die konstruktive Gestaltung von Beschichtungen zuläßt. Darüber hinaus läßt sich mit dem erfindungsgmäßen Substrat vor Ort im Rahmen einer Qualitätskontrolle bestimmen, ob die hergestellten Beschichtungen den gestellten Anforderungen entsprechen.


Anspruch[de]
  1. 1. Substrat mit einer dünnen Schicht, die über einem ausgenommenen Bereich des Substrats eine T-förmige Teststruktur bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seitenteile (8, 9) der T-förmigen Teststruktur (4) als schmale, mindestens einmal abgeknickte Tragelemente für den stabförmigen Mittelteil (10) ausgestaltet sind.
  2. 2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über dem freigelegten Bereich fluchtend mit der einen T-förmigen Teststruktur (21) eine weitere T-förmige Teststruktur (22) liegt und daß beide Teststrukturen (21, 22) im Bereich ihrer einander gegenüberliegenden Seitenteile (23, 24; 25, 26) an ihren Mitteilteilen (28, 29) durch einen schmalen Steg (27) aus der dünnen Schicht verbunden sind.






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