Praktikum Physikalische Meßtechnik

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1 Praktikum Physikalische Meßtechnik Versuch 6: Schichtdickenmessung durch Walzenschliff 1. Einleitung Die Länge ist eine Grundgrößenart, ihre Einheit im metrischen System ist das Meter. Es sollte als 10 7 ter Teil des Abstandes zwischen Pol und Äquator der Erde ein Naturmaß sein und wurde durch ein in Paris aufbewahrtes Urmeter dargestellt. Später wurde das Meter über die Wellenlänge einer Strahlung von Krypton 86 definiert. Seit 1983 wird das Meter als der Weg definiert, den das Licht im Vakuum innerhalb 1/ Sekunde durchläuft. Längenmessungen sind immer ein Vergleich des Meßobjektes mit einem entsprechend der Meterdefinition hergestellten Maßstab. Dabei sollten nach dem Abbe schen Komparatorprinzip zur Vermeidung von Kippfehlern die zu messende Strecke und der Vergleichsmaßstab des Meßgerätes möglichst auf einer Achse liegen. Längen vertikal zur Oberfläche eines festen Körpers sind einem direkten Vergleich mit einem Maßstab nicht zugänglich. Derartige Meßaufgaben kommen sehr oft vor, denn Beschichtungen von Produkten und Materialien haben große technische Bedeutung. Je nach den physikalischen Eigenschaften und der Ausdehnung der Beschichtung und des Substrates gibt es eine Vielzahl von Meßmethoden, die jeweils bestimmte Eigenschaften der Schichten zur Dickenmessung ausnutzen. Das können optische Methoden bei durchsichtigen Materialien oder Widerstandsmessungen bei elektrisch leitfähigen Stoffen sein. Wenn solche Methoden versagen oder einer Eichung durch andersartige Messungen bedürfen, gibt es in vielen Fällen die Möglichkeit, die Vertikalstruktur der Probe durch Aufsägen oder eine Bohrung zugänglich zu machen. Die Zerstörung des Meßobjektes muß dabei in Kauf genommen werden. Eine interessante Methode dieser Art zur Messung dünner Schichten auf Substraten ist der Schrägschliff unter einem sehr kleinen Winkel. Die vertikalen Ausdehnungen werden zugänglich gemacht und zugleich stark vergrößert. Offensichtlich hängt die Meßgenauigkeit der Schrägschliffmethode stark von der exakten Einhaltung des Schliffwinkels ab. Diese Schwierigkeit läßt sich elegant umgehen durch die Anwendung eines Kugel- oder Walzenschliffs. Die Grenzen verschiedener Schichten, die vom Schliff abgetragen werden, zeichnen sich beim Kugelschliff als konzentrische Kreise, beim Walzenschliff als parallele Linien ab. Aus dem Radius der Kreise bzw. dem Abstand der Linien lassen sich bei Kenntnis des Radius des Schleifkörpers die Dicken der durchgeschliffenen Schichten berechnen. Für eine gewünschte Meßgenauigkeit muß kein Schliffwinkel exakt eingehalten werden. Die Schlifftiefe hat keinen direkten Einfluß auf das Meßergebnis. Sie muß lediglich in einem gewissen Bereich liegen, in dem die auszumessenden Linien gut erkennbar sind. Ein Hauptanwendungsgebiet dieser Schichtdickenmeßmethode ist die Mikroelektronik. Das beim Versuch verwendete Gerät wurde speziell für die mikroelektronische Industrie hergestellt. 2. Anwendung in der mikroelektronischen Industrie Hochintegrierte mikroelektronische Bauelemente haben in den letzten Jahrzehnten enorme Bedeutung erlangt. Sie werden in den meisten Fällen auf der Basis des Halbleiters Silizium hergestellt. Dabei 1

2 werden auf der Oberfläche einer monokristallinen Scheibe zahlreiche Schichten präpariert und durch photolithographische Verfahren strukturiert. Die kleinsten lateralen Abmessungen dieser Strukturen liegen an der Grenze der Auflösung optischer Geräte oder sogar darunter. Die Schichtdicken liegen im Bereich von einigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern. An mehreren Stellen des Herstellungsprozesses mikroelektronischer Schaltkreise werden Dotanden eindiffundiert, die den Leitungstyp des Halbleiters verändern. Im Falle von Silizium führt eine Dotierung mit Phosphor zu n-leitung, eine Dotierung mit Bor zu p-leitung. Die Eindringtiefe der Dotanden und damit die Lage des p-n-überganges lassen sich gut mit der Schleifmethode messen. In der Produktion werden heute allerdings zerstörungsfreie und automatisierbare elektrische Messungen angewendet. 3. Versuchsdurchführung Mit Hilfe des Walzenschliffgerätes sollen Schichtdicken auf einer Si-Scheibe gemessen werden. Die konkrete Meßaufgabe nennt Ihnen der Versuchsbetreuer. Sie hängt vom zur Verfügung stehenden Scheibenmaterial ab. Die Siliziumscheiben werden mit Hilfe einer Walze angeschliffen, die mit Diamantpulver beschichtet ist. Die rotierende Walze bzw. Spindel wird mit einer konstanten Kraft auf die Oberfläche der Si-Scheibe gedrückt, so wie in Abb. 1 dargestellt. Die Spindel muß dabei so tief eindringen, daß die Schicht vollständig durch geschliffen und das Substrat leicht angeschliffen wird. Die Spindel darf weder zu tief eindringen, noch zu flach. Bei zu tiefem Eindringen wird die Differenz x y zu klein, um sie noch messen zu können. Dringt die Spindel zu flach ein, besteht die Gefahr, nicht bis auf das Substrat zu gelangen, so daß die Differenz x y ebenfalls nicht gemessen werden kann, da die Strecke y gar nicht entsteht. Es ist also zunächst zu ermitteln, welche Kraft für welche Zeitdauer wirken muß, um ein optimales Ergebnis zu erhalten. Ist eine auszumessende Schichtgrenze ein p-n-übergang, muß die Grenze nach dem Schleifen mit geeigneten Färbemitteln sichtbar gemacht werden, da sich p- und n-dotiertes Silizium optisch nicht unterscheiden. Kraft Probe Abb. 1 motorgetriebene Spindel Bereiten Sie zuerst die Kühlung für den Schleifprozeß vor. Stecken Sie dazu den Schlauch in ein Gefäß mit Wasser. Setzen Sie die Spindel in Bewegung, indem Sie eine beliebige Zeit wählen und den roten Startknopf drücken. Überzeugen Sie sich, daß sich nach Anlegen des Wischerblattes das Kühlwasser gleichmäßig auf der Spindel verteilt. 2

3 3.1. Vorgehensweise Präparieren Sie nun die Spindel: Starten Sie dazu die Spindel erneut. Säubern Sie die rotierende Spindel mit einer kleinen Menge Methyl Ethyl Keton (MEK). Tragen Sie anschließend das Dressing DWD-1 mit dem Pinsel auf die trockene Spindel auf. Achten Sie hierbei darauf, alles möglichst gleichmäßig zu verteilen. Dabei beginnen Sie an einem Ende der Spindel und bewegen den Pinsel innerhalb von etwa 10 Sekunden zum anderen Ende. Schalten Sie den Motor durch Zurückdrehen des Drehknopfes aus. Auf der Spindel sollte sich jetzt trockenes Schleifmaterial befinden. Legen Sie die zu schleifende Scheibe in die Haltevorrichtung und befestigen Sie diese mit den Schrauben. Arretieren Sie anschließend die Haltevorrichtung mit der Scheibe in der dafür vorgesehenen Position. Wählen Sie nun am linken Drehknopf den richtigen Scheibendurchmesser. Wählen Sie sogleich am rechten Drehknopf die gewünschte Zeit, und starten Sie den Motor. Bringen Sie nun das Kühlwasser an die Spindel, indem Sie an der rechten Seite den blauen Hebel nach oben bewegen. Auf der Spindel muß sich jetzt langsam von der Mitte nach außen Wasser verteilen. Wenn die Spindel vollständig benetzt ist, können Sie die Haltevorrichtung mit der zu schleifenden Scheibe an die Spindel drücken. Die Halterung rastet ein und drückt die Scheibe gemäß der vorgewählten Zeit mit einer definierten Kraft an die Spindel, so daß der Schliff entsteht. Sobald der Schleifprozeß beendet ist, bewegt sich die Halterung in die Ruheposition zurück. Entnehmen Sie nun die Halterung und wischen Sie mit einem trockenen Tuch über den Schliff, so daß dieser keine Feuchtigkeit mehr aufweist. Legen Sie die Halterung mitsamt Scheibe mit der angeschliffenen Seite nach unten auf das Mikroskop, und zwar so, daß die Haltebügel an der rechten Kante der Mikroskopauflage anliegen. Der Schliff sollte sich nun direkt über dem Mikroobjektiv befinden. Betrachten Sie den Schliff mit dem Mikroskop und messen Sie die für die Bestimmung der Schichtdicke nötigen Strecken. Säubern Sie am Ende aller Versuche die Spindel mit MEK. 4. Berechnung der Schichtdicke aus dem Schliffbild R x Abb. 2 s y Schicht Substrat Abb. 2 zeigt das Schnittbild des Schliffes. 3

4 Nach dem Schliff legt man die Probe auf ein Mikroskop und bestimmt mit Hilfe eines Meßokulars die Längen x und y. Die Schichtdicke s läßt sich danach mit Gleichung 1 ermitteln. mit R Spindelradius x, y zu messende Strecken Da der Radius der Walze wesentlich größer ist als die Strecken x und y, läßt sich Gl. 1 vereinfachen. Formt man Gl. 1 um so lassen sich die Wurzeln in eine Potenzreihe entwickeln, die wegen und nach dem ersten Glied abgebrochen werden kann: Für die Schichtdicke s erhält man in guter Näherung 5. Auswertung und Fehlerrechnung Die Schlifftiefe hängt von den eingestellten Schleifparametern ab, variiert aber auch durch die allgemein ungleichmäßige Beschichtung der Walze mit Schleifmittel. Der Schliff ist also an verschiedenen Stellen unterschiedlich breit Wählen Sie nach der Präparation des Schliffes fünf geeignete Stellen aus, an denen sich die Abstände der Linien gut messen lassen und messen Sie diese mit Hilfe des Mikroskops aus. Notieren Sie die am Meßgerät angezeigten Werte und die berechnete Schichtdicke und bilden Sie den Mittelwert. Berechnen Sie zur Kontrolle einen Wert nach Gleichung 2 und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem vom Meßgerät ermittelten Wert! 5.1. Fehlerbestimmung Schätzen Sie die Meßgenauigkeit der mit dem Mikroskop gemessenen Längen ( x, y) und die Genauigkeit des Walzenradius ( R) ab und berechnen Sie daraus die prozentualen Fehleranteile der eingehenden Größen und den prozentualen Größtfehler der Schichtdicke! 4

5 mit Wodurch wird die Genauigkeit der Messung wesentlich begrenzt? Literatur: Karl Nitzsche, Schichtmeßtechnik, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig 1974 (Bibliothek FH Jena Nr ) Zur Halbleiterphysik und Mikroelektronik z.b. Frank Thuselt, Physik der Halbleiterbauelemente, Springer 2005 (Bibliothek FH Jena Nr ) Hans-Günter Wagemann, Tim Schönauer, Silizium-Planartechnologie, B.G. Teubner Stuttgart 2003 (Bibliothek FH Jena Nr ) 5