Schichtspannungsmessung leicht gemacht!

In der Regel besitzt jede dünne Schicht intrinsische mechanische Spannungen. Dies resultiert meist schon aus dem Depositionsprozess. Beispiele sind zum einen die Gitteranpassung der Schicht an das Substrat beim epitaktischem Schichtwachstum oder aber auch thermisch induzierte Spannungen, hervorgerufen durch den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Schicht und Substrat.

Alle Spannungsarten resultieren in einer Dehnung der Schicht. Da die Schicht auf einem Substrat aufgewachsen ist, kann die Schicht diese Dehnung nur bedingt abbauen – das Substratwirkt diesem entgegen und krümmt sich entsprechend. Die Deposition von verspannten Schichten hat also eine Krümmung des Substrates zur Folge. Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckte der Wissenschaftler G. Stoney eine Formel, die den resultierenden Krümmungsradius des Substrates mit der Spannung der Schicht verlinkte. Großer Vorteil dieser Methode ist, dass außer der Dicke keinerlei mechanische Information über die Schicht benötigt wird.

Die Flexus-Serie von Toho Technology bedient sich der optischen Reflektion zweier Laserstrahlen (patentierte „Dual-Wavelength“-Technologie – 670 nm und 780 nm), die parallel über die Probe gerastert werden. Mit Hilfe einer äußerst akkuraten Scanning-Translationseinheit ist eine hochpräzise Bestimmung des Krümmungsradius (bzw. der Krümmungsradiusänderung) des Substrates möglich und erlaubt so die Bestimmung von Schichtspannungen in einem Bereich von 1 MPa bis hin zu 4 GPa. Zudem ist es möglich, Messungen in einem Temperaturbereich von -65 °C bis hin zu 500 °C durchzuführen und so Informationen über die temperaturabhängige Spannungsentwicklung der untersuchten Schicht zu gewinnen.