DE102006054348B4

DE102006054348B4 - Layer thickness sensor and method for monitoring deposition processes

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Publication number: DE102006054348B4
Application number: DE102006054348A
Authority: DE
Inventors: Marc Loschonsky; Armin Dadgar; Leonhard Reindl
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2026-11-18
Also published as: EP2027435A1; WO2007140943A1; WO2007140943A8; DE102006054348A1

Abstract

Schichtdickensensor zur Überwachung von Abscheideprozessen, wobei der Schichtdickensensor einen akustischen Resonator mit einem sensitiven Bereich aufweist, der so angeordnet ist, dass er während des Abscheideprozesses mit der abgeschiedenen Schicht beschichtet wird, so dass eine Resonanzfrequenz des Schichtdickensensors sich in Abhängigkeit von der Dicke der abgeschiedenen Schicht verändert, wobei der akustische Resonator durch einen piezoelektrischen Dünnschichtresonator gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Resonator so ausgebildet ist, dass mindestens zwei Schwingungsmoden mit unterschiedlichen Frequenzen und unterschiedlichem Temperaturgang zur rechnerischen Kompensation des Temperaturganges des Schichtdickensensors anregbar sind.A layer thickness sensor for monitoring deposition processes, wherein the layer thickness sensor comprises an acoustic resonator with a sensitive region, which is arranged so that it is coated with the deposited layer during the deposition process, so that a resonant frequency of the layer thickness sensor depending on the thickness of the deposited layer changed, wherein the acoustic resonator is formed by a piezoelectric thin film resonator, characterized in that the acoustic resonator is formed so that at least two vibration modes with different frequencies and different temperature response for computational compensation of the temperature response of the film thickness sensor can be excited.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schichtdickensensor zur Überwachung von Abscheideprozessen sowie auf ein Verfahren zum Überwachen von Schichtabscheideprozessen in der Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie.The present invention relates to a film thickness sensor for monitoring deposition processes, and to a method for monitoring film deposition processes in microsystem technology and nanotechnology.

Es gibt sowohl in der Mikrosystemtechnik als auch in der Nanotechnologie zwei wesentliche Herstellungsverfahren für die Erzeugung von Strukturen, nämlich das „Top-Down”- und das „Bottom-Up”-Prinzip. Bei einer „Top-Down”-Technologie strukturiert man die im Vorfeld abgeschiedenen, unterschiedlich dicken Funktionsschichten gemäß den Bauteilanforderungen, bei der sogenannten „Bottom-Up”-Technologie scheidet man die Funktionsschichten auf vorstrukturierten Geometrien ab. Für beide Fertigungsprinzipien spielt die Schichtabscheidung eine wesentliche Rolle, da sie die Eigenschaften der Bauteilschichten und damit des fertigen Bauteils bestimmt. Aufgrund der stetigen Miniaturisierung nehmen die eingesetzten Schichtdicken immer mehr ab. Um zumindest eine gleich bleibende relative Schichtdickenmessgenauigkeit zu erhalten, muss beim Schichtdickenmesssystem die absolute Messauflösung umgekehrt proportional zur Schichtdicke zunehmen.There are two main production processes for the generation of structures in both microsystem technology and nanotechnology, namely the "top-down" and the "bottom-up" principle. In a "top-down" technology, one structures the pre-deposited, different thickness functional layers according to the component requirements, in the so-called "bottom-up" technology, the functional layers are deposited on pre-structured geometries. Layer deposition plays an important role for both production principles as it determines the properties of the component layers and thus of the finished component. Due to the constant miniaturization, the layer thicknesses used are decreasing more and more. In order to obtain at least a constant relative layer thickness measurement accuracy, the absolute measurement resolution must increase inversely proportional to the layer thickness in the layer thickness measurement system.

Die Anforderungen an die Messauflösung von kleinsten Stoffmengen sind daher in den letzten Jahren für prozesstechnologische Fragestellungen enorm gewachsen. Zwar existieren für die Schichtdickenmessung hoch entwickelte Messverfahren und Gerätschaften, wie z. B. die Raster-Ionenmikroskopie FIB (Focussed Ion Beam) mit anschließender Analyse im Rasterelektronenmikroskop REM, die Transmissionselektronenmikroskop(TEM)-Querpräparation oder, bei gleichen Materialien, auch das Rasterkraftmikroskop AFM (Atomic Force Microscope) in speziell dafür ausgestatteten Labors. Zur Steuerung der Abscheideprozesse sind diese Verfahren jedoch in den seltensten Fallen geeignet, da sie während des Abscheideprozesses meist nicht eingesetzt werden können.The requirements for the measurement resolution of very small amounts of substance have therefore grown enormously in recent years for process technology issues. Although exist for the coating thickness measurement sophisticated measuring methods and equipment, such. As the scanning ion microscopy FIB (Focussed Ion Beam) with subsequent analysis in the scanning electron microscope SEM, the transmission electron microscope (TEM) cross preparation or, for the same materials, the atomic force microscope AFM (Atomic Force Microscope) in specially equipped laboratories. However, these methods are rarely suitable for controlling the deposition processes, since they can usually not be used during the deposition process.

In der Prozesstechnologie wird bisher zur Prozesskontrolle überwiegend eine Quarzmikrowaage (engl. Bulk Acoustic Wave Resonator, BAW,. oder auch Quartz Micro Balance, QMB) eingesetzt, bei denen, wie dies aus „Verwendung von Schwingquarzen zur Wägung dünner Schichten und zur Mikrowägung”, G. Sauerbrey, Zeitschrift für Physik 155, 206–222 (1959), bekannt ist, eine angelagerte Stoffmenge Δm in eine Frequenzverschiebung Δf entsprechend dem Sauerbrey'schen Zusammenhang umgesetzt wird: Δf / f = – Δm / m (1) In process technology, a quartz microbalance (BAW, or Quartz Micro Balance, QMB) has hitherto been predominantly used for process control, in which, as is known from "Use of Quartz Crystals for the Weighting of Thin Layers and for Microwaving", G. Sauerbrey, Zeitschrift für Physik 155, 206-222 (1959), it is known that an accumulated amount of substance Δm is converted into a frequency shift Δf according to the Sauerbrey context: Δf / f = - Δm / m (1)

Die Massenauflösung Δm der Quarzmikrowaagen resultiert aus der extrem hohen Güte des Quarzes, die eine nachweisbare Frequenzverschiebung Δf von etwa 25 Hz erlaubt. In der Grundschwingung entspricht die Quarzdicke einer halben akustischen Wellenlänge. An der Ober- und Unterseite des Quarzplättchens tritt eine Totalreflexion aufgrund des Impedanzsprunges auf. Die herstellungsbedingte Dicke des Quarzplättchens von etwa 50 μm beschränkt die Resonanzfrequenz f der Grundmode auf typische 10 MHz bis max. 55 MHz. Quarzmikrowaagen in diesen Frequenzbereichen werden in der Prozesstechnologie seit Ende der 1960er Jahre erfolgreich für die Schichtdickenmessungen bei Abscheideverfahren aus der Gasphase eingesetzt. Der Einsatz einer Quarzmikrowaage zur Schichtdickenbestimmung bietet folgende Vorteile:

1. Kontinuierliche Messung während der Schichtherstellung,
2. Eignung für Dielektrika, Halbleiter und Metalle,
3. Einsetzbarkeit für einen Dickenbereich von 0,3 nm bis 3 μm,
4. Messung der Dicke von Dielektrika, Halbleiter und Metallschichten in beliebiger Aufeinanderfolge,
5. relativ robuster mechanischer Aufbau.

The mass resolution Δm of the quartz microbalances results from the extremely high quality of the quartz, which allows a detectable frequency shift Δf of about 25 Hz. In the fundamental mode, the quartz thickness equals half the acoustic wavelength. At the top and bottom of the quartz plate occurs a total reflection due to the impedance jump. The production-related thickness of the quartz plate of about 50 microns limits the resonant frequency f of the fundamental mode to typical 10 MHz to max. 55 MHz. Quartz microbalances in these frequency ranges have been used successfully in process technology since the end of the 1960s for layer thickness measurements in the gas phase deposition process. The use of a quartz microbalance for coating thickness determination offers the following advantages:

1. Continuous measurement during the coating production,
2. suitability for dielectrics, semiconductors and metals,
3. usability for a thickness range of 0.3 nm to 3 μm,
4. Measurement of the thickness of dielectrics, semiconductors and metal layers in any order,
5. Relatively robust mechanical construction.

Der Einsatz von Oberflächenwellen-Bauelementen (OFW) als massensensitive Resonatoren bietet prinzipiell die Möglichkeit, die Resonanzfrequenz f zu erhöhen und die schwingende Masse m deutlich zu verringern. Die Resonanzfrequenz des OFW-Resonators wird durch die Periode der Fingerstrukturen festgelegt, derzeit in einem Bereich von 50 MHz bis 3,15 GHz. Die Totalreflexion erfolgt durch beidseitig angebrachte akustische Bragg-Gitter. Eine Massenanlagerung verändert die Eigenschaften des OFW über einen Effekt zweiter Ordnung („mass- and stressloading”). Die bei OFW-Resonatoren erzielbare Güte von max. 10.000 liegt deutlich unter der von Quarzresonatoren. Diese beiden Einflüsse verringern die Sensitivität von OFW-Mikrowaagen gegenüber Quarzmikrowaagen. Mikrowaagen auf der Basis von OFW-Resonatoren für gassensorische Anwendungen befinden sich derzeit noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium mit nur geringem Anwendungsfeld. Die maximal zulässige akkumulierte Schichtdicke ist bei OFW-Sensoren auf einige Prozent der akustischen Wellenlänge beschrankt. Ein Einsatz für Schichtdickenmonitoring in der Prozesstechnologie ist damit sehr eingeschränkt.The use of surface acoustic wave components (SAW) as mass-sensitive resonators basically offers the possibility of increasing the resonance frequency f and of significantly reducing the oscillating mass m. The resonant frequency of the SAW resonator is determined by the period of the finger structures, currently in a range of 50 MHz to 3.15 GHz. The total reflection takes place by means of bilateral acoustic Bragg gratings. Mass accumulation alters the properties of the SAW via a second-order effect ("mass and stress-loading"). The achievable with SAW resonators quality of max. 10,000 is well below that of quartz resonators. These two influences reduce the sensitivity of OFW microbalances to quartz microbalances. Microbalances based on SAW resonators for gas sensor applications are currently still in the research and development stage with only a small field of application. The maximum permissible accumulated layer thickness of SAW sensors is limited to a few percent of the acoustic wavelength. A use for layer thickness monitoring in process technology is therefore very limited.

Ein anderes Einsatzgebiet für OFW-Bauelemente ist die mobile Kommunikationstechnik. Deren rasanter Fortschritt führte in den letzten Jahren zu einer dramatisch ansteigenden Nachfrage an hochfrequenten, steilflankigen, miniaturisierten Filterbauelementen. Hierfür werden neuerdings auch akustische Dünnschichtresonatoren, sogenannte FBARs eingesetzt (Thin Film Bulk Acoustic Resonators). Auch die FBARs basieren auf einer stehenden Volumenwelle (BAW, bulk acoustic wave). Die Resonanzfrequenz wird bei FBARs jedoch im Gegensatz zu klassischen Quarzmikrowaagen durch die Dicke einer aufgebrachten piezoelektrischen Schicht bestimmt und kann daher im Bereich von 500 MHz bis weit über 10 GHz liegen. Die Totalreflexion an der Oberseite erfolgt durch den Impedanzsprung beim Übergang von oberer Elektrode zur Umgebung (Luft oder Vakuum). Für die Totalreflexion an der Unterseite werden zwei Techniken entwickelt: die Reflexion an Umgebung (Luft oder Vakuum), sogenannte „Membrane-Type FBARs”, oder an einem vergrabenen akustischen Bragg-Spiegel, sogenannte „Solidly-Mounted Bulk Acoustic Resonators” (SBAR).Another field of application for SAW components is mobile communication technology. Their rapid progress has led in recent years to a dramatically increasing demand for high-frequency, steep-flanked, miniaturized filter components. Recently, acoustic thin-film resonators, known as FBARs (Thin Film Bulk Acoustic Resonators), are being used for this purpose. Also the FBARs are based on a bulk wave (BAW). However, in contrast to classical quartz microbalances, the resonant frequency of FBARs is determined by the thickness of an applied piezoelectric layer and can therefore be in the range from 500 MHz to well above 10 GHz. The total reflection at the top is made by the impedance jump in the transition from upper electrode to the environment (air or vacuum). For the total reflection at the bottom, two techniques are developed: the reflection to ambient (air or vacuum), so-called "membrane-type FBARs", or to a buried acoustic Bragg mirror, so-called "Solidly-Mounted Bulk Acoustic Resonators" (SBAR). ,

Die Technologie der FBAR und SBAR-Bauelemente wurde bisher nur hinsichtlich der Anforderungen der mobilen Kommunikationstechnik optimiert. Diese unterscheiden sich jedoch in wesentlichen Punkten von den Anforderungen an einen massensensitiven Resonator. Zwar ist für beide eine hohe Güte essentiell, jedoch ist ein hoher elektromechanischer Kopplungsfaktor nur für Filteranwendungen nötig. Dieser hohe Kopplungsfaktor wurde im Wesentlichen mit longitudinalpolarisierten Wellentypen auf Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AlN) erzielt. Für eine Schichtdickenmessung ist ein hoher Kopplungsfaktor nicht essentiell, solange das Material ausreichend piezoelektrisch verbleibt. Auch der verwendete Wellentypus ist von untergeordneter Bedeutung.The technology of the FBAR and SBAR components has so far been optimized only with regard to the requirements of mobile communication technology. However, these differ in essential points from the requirements of a mass-sensitive resonator. Although a high quality is essential for both, however, a high electromechanical coupling factor is only necessary for filter applications. This high coupling factor was achieved mainly with longitudinally polarized modes on zinc oxide (ZnO) or aluminum nitride (AlN). For a layer thickness measurement, a high coupling factor is not essential as long as the material remains sufficiently piezoelectric. Also, the wave type used is of minor importance.

Die bestehenden Schichtdickenmesssysteme basierend auf Schwingquarzen sind aufgrund ihrer herstellungsbedingten Resonatordicke in ihrer Massenauflösung und Miniaturisierbarkeit begrenzt und sind daher nur für einen Schichtdicken bis minimal ca. 0,2 nm geeignet.The existing Schichtdickenmesssysteme based on quartz crystals are limited in their mass resolution and Miniaturizierbarkeit due to their manufacturing resonator thickness and are therefore suitable only for a layer thickness to a minimum of about 0.2 nm.

Die WO 00/7488 A1 bezieht sich auf eine hochtemperaturbeständige Mikrowaage zum Überwachen von Abscheideprozessen mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD) oder physikalischer Dampfabscheidung (PVD). Als Alternative zu einkristallinen piezoelektrischen Materialien wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, Mehrschichtaufbauten von geeigneten piezoelektrischen Materialien, wie beispielsweise Ca₃Ga₂Ge₄O₁₄-Materialien, Galliumphosphat oder Materialien aus dem Al, GaN-System zu verwenden.The WO 00/7488 A1 refers to a high temperature resistant microbalance for monitoring chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD) deposition processes. As an alternative to single-crystalline piezoelectric materials, this document proposes to use multilayer constructions of suitable piezoelectric materials, such as Ca ₃ Ga ₂ Ge ₄ O ₁₄ materials, gallium phosphate or materials of the Al, GaN system.

Um die Effekte infolge von Temperaturänderungen zu eliminieren, werden sowohl der zu beschichtende Körper als auch die Mikrowaage auf Temperaturen von mindestens 500°C erhöht und die Temperatur wird jeweils aufgezeichnet.In order to eliminate the effects due to temperature changes, both the body to be coated and the microbalance are raised to temperatures of at least 500 ° C and the temperature is recorded.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, für Schichtdickenmesssysteme einen verbesserten Sensor zur Verfügung zu stellen, der die Bestimmung von Schichtdicken im Bereich weniger als ca. 0,2 nm ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to provide an improved sensor for coating thickness measurement systems which makes it possible to determine layer thicknesses in the range of less than about 0.2 nm.

Als erfinderische Lösung werden für diese Aufgabe sowohl longitudinal als auch transversal polarisierte, piezoelektrische Dünnschichtresonatoren vorgesehen.As an inventive solution, both longitudinally and transversely polarized, piezoelectric thin-film resonators are provided for this task.

Wesentliche Merkmale für eine hohe Genauigkeit bei einer Schichtdickenmessung sind

1. Eine genaue Kontrolle der Temperatureffekte, entweder durch a. Verwendung eines temperaturkompensierten Materials, oder durch b. rechnerische Kompensation der Temperaturquereinflüsse.
2. Unterdrückung von störenden Nebenmoden
3. Eine hohe Güte der akustischen Schwingung
4. Eine gute Reproduzierbarkeit der akustischen und piezoelektrischen Eigenschalten der FBAR- und SBAR-Schichten

Essential features for a high accuracy in a layer thickness measurement are

1. A close control of the temperature effects, either by a. Using a temperature compensated material, or b. Computational compensation of the temperature cross influences.
2. Suppression of disturbing secondary modes
3. A high quality of the acoustic oscillation
4. Good reproducibility of the acoustic and piezoelectric characteristics of the FBAR and SBAR layers

Prinzipiell sind beide Dünnfilmresonator-Prinzipien, FBAR- und SBAR-Bauform, für eine Anwendung zur Schichtbestimmung von Wachstumsprozessen der Nanotechnologie geeignet. Die zulässige Schichtdicke, die auf einen FBAR aufgebracht werden kann, darf einen recht weiten Bereich umfassen, ohne die prinzipielle Funktion zu beeinträchtigen, da die Totalreflexion an der oberen und der unteren Grenzschicht zu Luft oder Vakuum erhalten bleibt. In einem SBAR wird die Mittenfrequenz und Bandbreite des vergrabenen Spiegels durch dessen Schichtfolge bestimmt und kann später nicht mehr beeinflusst werden. Wenn nun die Resonanzfrequenz der oberen Schichten, Piezoschicht, untere und obere Elektrode und der akkumulierten, zu messenden Schicht aufgrund des Schichtwachstums aus der Bandbreite des Bragg-Spiegels herauswandert, so bricht die Güte der akustischen Schwingung und damit die des Resonators zusammen; eine Verwendung des Resonators in einem Oszillator ist dann nicht mehr möglich. Der zulässige akkumulierte Schichtdickenbereich für einen SBAR ist somit im Vergleich zu einem FBAR deutlich eingeschränkt. Nachteilig bei einem FBAR können seine verminderte mechanische Stabilität und der höhere Aufwand bei der Prozessierung mittels Opferschichten sein.In principle, both thin-film resonator principles, FBAR and SBAR design, are suitable for an application for determining the location of growth processes in nanotechnology. The allowable layer thickness that can be applied to an FBAR may be quite wide without compromising the principal function, as the total reflection at the upper and lower boundary layers to air or vacuum is maintained. In an SBAR, the center frequency and bandwidth of the buried mirror is determined by its layer sequence and can not be influenced later. If the resonant frequency of the upper layers, piezoelectric layer, lower and upper electrode and the accumulated layer to be measured moves out of the bandwidth of the Bragg mirror due to the layer growth, then the quality of the acoustic oscillation and thus that of the resonator breaks down; a use of the resonator in an oscillator is then no longer possible. The allowable accumulated layer thickness range for a SBAR is thus significantly limited compared to an FBAR. A disadvantage of an FBAR can be its reduced mechanical stability and the higher outlay in processing by means of sacrificial layers.

GaN und AlN haben im Bereich der Optoelektronik und Elektronik inzwischen eine große kommerzielle Bedeutung erlangt. Im Bereich der BAW-Anwendungen wird zum Teil mit gesputterten AlN-Schichten gearbeitet, seltener mit epitaktischen Schichten. Solche epitaktischen c-planaren AlN- und GaN-BAW-Schichten wurden in den letzten Jahren von mehreren Gruppen untersucht, wobei diese Untersuchungen die hervorragende Eignung der Materialien für BAW Bauelemente belegen. AlN und GaN-Schichten sind deutlich reproduzierbarer als z. B. ZnO und zeigen auch eine höhere Güte, jedoch sind bisher keine temperaturkompensierten Schichten in der Literatur bekannt.GaN and AlN have become very important in the field of optoelectronics and electronics. In the field of BAW applications, sputtered AlN layers are used, sometimes with epitaxial layers. Such epitaxial c-planar AlN and GaN-BAW layers have been studied by several groups in recent years, and these studies demonstrate the excellent suitability of the materials for BAW devices. AlN and GaN layers are much more reproducible than z. B. ZnO and also show a higher quality, but so far no temperature-compensated layers are known in the literature.

Die metallorganische Dampfphasenepitaxie (engl. metal organic chemical vapor Phase epitaxy, MOVPE) ist für die Erzeugung von GaN-basierten Bragg-Reflektoren für optische, aber nicht für akustische Anwendungen bekannt. Auf Silizium ist das Wachstum solcher akustischer Bragg-Reflektoren aufgrund der benötigten großen Schichtdicken und der geringen Unterschiede im akustischen Brechungsindex der möglichen Materialien jedoch nicht durchführbar, denn es führt zwangsläufig zum Reißen der Schichten. Dafür eignen sich wiederum gesputterte Reflektoren, wobei zum Beispiel W-SiO₂-Wechselfolgeschichten gesputtert werden können, die dann amorph bzw. polykristallin vorliegen. Es wird jedoch im Gegensatz zu den üblichen gesputterten Materialien von einkristallinen bzw. stark texturierten Materialien eine geringere Dämpfung der Reflektoren und damit eine bessere Güte erreicht. Solche höherwertigen gesputterten Schichten können durch einen starken Energieeintrag während des Sputtervorgangs realisiert werden. Auf gesputterte Metall und Oxid- sowie Nitridschichten, mit deren Hilfe diese akustischen Reflektorschichten dann auf eine als Elektrode geeignete Metallschicht aufgebracht werden kann dann z. B. mittels der metallorganischen Dampfphasenepitaxie darauf c-planares oder a-planares GaN oder AlN aufgebaut werden. Als Alternative ist auch das Wachstum von r-planarem GaN möglich, hier liegt die c-Achse gekippt und die akustischen Wellen nehmen eine Zwischenform an. Als Metall bzw. hochleitfähiges Material auf Silizium ist in der Literatur bislang nur HfN bekannt, auf welchem hochwertiges GaN gewachsen werden kann. Auch Metalle wie z. B. Ag, Au, W, Mo, Ni, Pt, die direkt auf Si z. B. mit einem Elektronenstrahlverdampfer aufgebracht oder gesputtert werden, wobei ersteres gegenüber Sputtermethoden meist eine geringere Orientierung der Schicht bewirkt, sind hierfür geeignet. Dies ist Grundlage für die kombinierte Herstellung von SBAR-Strukturen mittels Sputter- und Epitaxiemethoden.Metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is known for the production of GaN-based Bragg reflectors for optical but not acoustic applications. On silicon, however, the growth of such acoustic Bragg reflectors due to the required large layer thicknesses and the small differences in the acoustic refractive index of the possible materials is not feasible, because it inevitably leads to tearing of the layers. In turn, sputtered reflectors are suitable for this purpose, it being possible, for example, to sputter W-SiO ₂ alternating layers which are then present in amorphous or polycrystalline form. However, in contrast to the usual sputtered materials of monocrystalline or heavily textured materials, a lower attenuation of the reflectors and thus a better quality is achieved. Such higher-order sputtered layers can be realized by a strong energy input during the sputtering process. On sputtered metal and oxide and nitride layers, with the help of these acoustic reflector layers can then be applied to a metal layer suitable as an electrode then z. B. by means of metal-organic vapor phase epitaxy c-planar or a-planar GaN or AlN can be constructed. Alternatively, the growth of r-planar GaN is possible, here lies the c-axis tilted and the acoustic waves assume an intermediate form. As a metal or highly conductive material on silicon in the literature so far only HfN is known on which high-quality GaN can be grown. Also metals such. B. Ag, Au, W, Mo, Ni, Pt, directly on Si z. B. applied or sputtered with an electron beam evaporator, the former usually causes a lower orientation of the layer compared to sputtering methods are suitable for this purpose. This is the basis for the combined production of SBAR structures by means of sputtering and epitaxy methods.

Für das Wachstum von Schichten für membranbasierte Resonatoren auf Silizium muss auch eine ausreichende Dicke und eine geringe Verspannung der GaN bzw. AlN Schicht gewährleistet werden, um ein Reißen der Membran zu verhindern. Die Herstellung von bis zu 7 μm dicken rissfreien GaN-Schichten auf Silizium (111) und (001) ist in der Literatur dokumentiert.For the growth of layers for membrane-based resonators on silicon also a sufficient thickness and a low strain of the GaN or AlN layer must be ensured in order to prevent cracking of the membrane. The production of up to 7 μm thick crack-free GaN layers on silicon (111) and (001) is documented in the literature.

Vorteilhaft ist das Wachstum gegenseitig verspannter Schichten, um einen stark verringerten Temperaturgang zu erzeugen. Vorteilhaft ist hierfür die Kontrolle der Verspannung schon während des Schichtwachstums z. B. mittels optischer Krümmungsmessungen.Advantageously, the growth of mutually strained layers to produce a greatly reduced temperature response. Advantageous for this is the control of the tension already during the layer growth z. B. by means of optical curvature measurements.

Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten vorteilhaften Ausgestaltungen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten des erfindungsgemäßen Gegenstands sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:With reference to the advantageous embodiments shown in the accompanying drawings, the invention will be explained in more detail below. Similar or corresponding details of the subject invention are provided with the same reference numerals. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Schichtdickensensors gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform; 1 a schematic representation of a film thickness sensor according to a first advantageous embodiment;

2 eine schematische Darstellung eines Schichtdickensensors gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform. 2 a schematic representation of a film thickness sensor according to a second advantageous embodiment.

1 zeigt schematisch einen Schichtdickensensor 100 nach dem oben beschriebenen Membran-Typ FBAR-Prinzip, bei dem auf einem Substrat 1 eine Trägermembran 2 angeordnet ist, die auf einer Seite die zwischen zwei Elektroden eingebettete piezoelektrischen Schicht 3 trägt und auf der gegenüberliegenden Seite durch eine Öffnung in dem Substrat hindurch mit Luft oder Vakuum in Verbindung steht. 1 schematically shows a layer thickness sensor 100 according to the above-described membrane type FBAR principle, in which on a substrate 1 a carrier membrane 2 is arranged, on one side the embedded between two electrodes piezoelectric layer 3 carries and communicates on the opposite side through an opening in the substrate with air or vacuum.

Alternativ weist der in 2 gezeigte SBAR-Schichtdickensensor 200 einen vergrabenen akustischen Bragg-Spiegel 4 auf.Alternatively, the in 2 shown SBAR layer thickness sensor 200 a buried acoustic Bragg mirror 4 on.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Schichtdickenmesssystem, insbesondere für Schichtabscheideverfahren aus der gasförmigen Phase, basierend auf massensensitiven, sowohl longitudinal als auch transversal polarisierten, piezoelektrischen Dünnschichtresonatoren angegeben. Hierzu kommen speziell auf die Prozessmesstechnik optimierte piezoelektrische Schichten zum Einsatz. Beide Funktionsprinzipien des akustischen Resonators, das Bragg-Spiegel-Prinzip, das in 2 dargestellt ist, oder das Membran-Prinzip gemäß 1, sind geeignet.According to the present invention, there is provided a film thickness measurement system, in particular for gaseous phase film deposition processes, based on mass-sensitive, both longitudinally and transversely polarized, piezoelectric thin film resonators. For this purpose, piezoelectric layers optimized especially for process measuring technology are used. Both functional principles of the acoustic resonator, the Bragg-mirror principle, which in 2 is shown, or the membrane principle according to 1 , are suitable.

Die Minimierung des Temperaturganges wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung durch die Erregung zweier unterschiedlicher Moden mit unterschiedlichem Temperaturgang zur rechnerischen Kompensation des Temperaturquereffektes erreicht.The minimization of the temperature response is achieved according to an advantageous development of the present invention by the excitation of two different modes with different temperature response for computational compensation of the temperature transverse effect.

Diese temperaturgangkompensierbaren Dünnschichtresonatoren werden als gravimetrische Sensoren in einer rauscharmen, langzeitstabilen Oszillatorschaltung aufgebaut und schließlich in einem prozesstauglichen mikrosystemtechnischen Gesamtsystem integriert.These temperaturgangkompensierbaren thin-film resonators are constructed as gravimetric sensors in a low-noise, long-term stable oscillator circuit and finally integrated in a process-compatible microsystem overall system.

Einige Parameter eines möglichen Systems sind im folgenden aufgelistet:
Schwingende Resonatormasse: 7 ng
Resonanzfrequenz: 1,880 GHz
SNR 20 dB
Anzahl Messpunkte für ein Auswerteintervall: N = 2500 bei tA = 1 sSome parameters of a possible system are listed below:
Oscillating resonator mass: 7 ng
Resonant frequency: 1.880 GHz
SNR 20 dB
Number of measuring points for an evaluation interval: N = 2500 at tA = 1 s

Für das sogenannte Cramer-Rao-Lower-Bound (CRLB) ergibt sich für den in (1) beschriebenen Zusammenhang damit:

Δf / f = 3,056E – 13

Δm = 21,392E – 22g

For the so-called Cramer-Rao-Lower-Bound (CRLB) it follows for the relationship described in (1):

Δf / f = 3.056E-13

Δm = 21.392E - 22g

Die höchste Genauigkeit wird dann erzielt, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung der akustische Dünnschichtresonator gleichzeitig auch als Temperatursensor eingesetzt wird. Dies wird durch Verwendung von zwei oder mehr Resonanzmoden mit deutlich verschiedenem Temperaturgang erreicht. Des weiteren werden zur Kompensation des Temperaturgangs gegeneinander verspannte Al(Ga)N/Ga(Al, In)N-Schichten verwendet.The highest accuracy is achieved when, according to an advantageous embodiment of the present invention, the acoustic thin-film resonator is also used as a temperature sensor. This is achieved by using two or more resonant modes with significantly different temperature response. Furthermore, mutually strained Al (Ga) N / Ga (Al, In) N layers are used to compensate for the temperature variation.

Die zur Verfügung stehenden Methoden der Krümmungsmessung bzw. in-situ Verspannungsbestimmung ermöglichen eine exakte Kontrolle dieser Parameter, die ex-situ mittels Röntgenbeugung- und Reflexion weiter analysiert werden sollen.The available methods of curvature measurement or in-situ stress determination allow an exact control of these parameters, which are to be further analyzed ex-situ by means of X-ray diffraction and reflection.

Die Anregung und die Frequenzcharakteristik der höheren Moden und der parasitären Nebenmoden ergeben sich bei Vorliegen einer Rotationssymmetrie aus einem 2D-Modell, ansonsten aus einem 3D-Modell. Diese Parameter und die akustischen Modenprofile, welche die spätere Dämpfung bestimmen, lassen sich aus solchen Modellen berechnen.The excitation and the frequency characteristics of the higher modes and the parasitic secondary modes result in the presence of a rotational symmetry of a 2D model, otherwise from a 3D model. These parameters and the acoustic mode profiles that determine the later damping can be calculated from such models.

Die Dünnschichtresonatoren zeichnen sich für die Verwendung in Schichtdickenmesssystemen durch folgende Eigenschaften aus:

1. maximale Güte, minimale Dämpfung
2. geringer Temperaturgang
3. maximale Sensitivität
4. zusätzliche starke Erregung mindestens einer Nebenmode mit eigenem Temperaturgang und unterschiedlicher Massensensitivität als Referenz, alternativ wird ein zusätzlicher Temperatursensor im Chip integriert
5. Unterdrückung aller übrigen Nebenmoden

The thin-film resonators are characterized by the following properties for use in coating thickness measuring systems:

1. maximum quality, minimum damping
2. low temperature response
3. maximum sensitivity
4. additional strong excitation of at least one secondary mode with its own temperature response and different mass sensitivity as a reference, alternatively, an additional temperature sensor is integrated in the chip
5. Suppression of all other secondary modes

Claims

A layer thickness sensor for monitoring deposition processes, wherein the layer thickness sensor comprises an acoustic resonator with a sensitive region, which is arranged so that it is coated with the deposited layer during the deposition process, so that a resonant frequency of the layer thickness sensor depending on the thickness of the deposited layer changed, wherein the acoustic resonator is formed by a piezoelectric thin-film resonator, characterized in that the acoustic resonator is designed so that at least two vibration modes with different frequencies and different temperature response for computational compensation of the temperature response of the film thickness sensor can be excited.

The film thickness sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric thin-film resonator has an ambient-level total reflection acoustic mirror on a back surface of the film thickness sensor.

The film thickness sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric thin-film resonator has a buried total refractive acoustic Bragg reflector on a back surface of the film thickness sensor.

A film thickness sensor according to any one of the preceding claims, operable to monitor a gaseous phase film deposition process.

Layer thickness sensor according to one of the preceding claims, wherein at least one vibration mode of the thin-film resonator is longitudinally polarized.

Layer thickness sensor according to one of the preceding claims, wherein at least one vibration mode of the thin-film resonator is transversely polarized.

Layer thickness sensor according to one of the preceding claims, wherein the acoustic thin-film resonator has at least one AlN and / or GaN layer.

Layer thickness sensor according to one of the preceding claims, wherein the acoustic thin-film resonator having mutually strained Al (Ga) N / Ga (Al, In) N layers.

Method for monitoring deposition processes with the following steps: Depositing a layer on a substrate to be coated; Operating a piezoelectric resonator as a film thickness sensor, which is arranged such that a sensitive region is coated with the deposited layer during the deposition process, such that a resonant frequency of the resonator changes as a function of the thickness of the deposited layer, wherein the resonator is replaced by a piezoelectric thin-film resonator is formed, characterized in that the method further comprises the steps of: exciting at least two different vibration modes with different frequencies and different temperature response; Determining sensor signals for each vibration mode; Computational compensation of the temperature response of the film thickness sensor using the different sensor signals.

The method of claim 9, wherein the piezoelectric thin-film resonator comprises an ambient-related total reflection acoustic mirror on a back side of the film thickness sensor.

The method of claim 9, wherein the piezoelectric thin film resonator comprises a buried total refractive acoustic Bragg reflector on a back surface of the film thickness sensor.

Method according to one of claims 9 to 11, wherein the deposition of the layer takes place from a gaseous phase.

The method of any one of claims 9 to 12, wherein at least one vibration mode of the thin-film resonator is longitudinally polarized.

Method according to one of claims 9 to 13, wherein at least one vibration mode of the thin-film resonator is transversely polarized.