Multiskalige 3D-Analytik, Datenkorrelation und Präparation in der Halbleiterentwicklung

Das Fraunhofer IKTS bietet analytische und prä­parative Workflows zur skalenübergreifenden, multimodalen Analytik für die Entwicklung von Materialien, Komponenten und Bauelementen der Mikro- und Leistungselektronik mit dem Ziel der beschleunigten Optimierung. Die Prä­paration erfolgt bei Bedarf inert und gekühlt (Flüssigstickstoff). Die Analytik beinhaltet Mikroskope (2D), die mit Elektronen Ionen und Licht (auch Röntgen) abbilden sowie Röntgen­tomographen (3D). Diese Geräte sind mit ope­rando-Modulen zur mechanischen Testung (z. B. Zug/Druck, Biegung, Haftung) ausgestat­tet. Die Gesamtheit aller so erzeugten Daten wird FAIR (findable, accessible, interoperable, reachable) abgelegt und zur korrelativen, quantitativen und statistischen Auswertung auch mit Methoden des maschinellen Lernens genutzt und dem Kunden bereitgestellt.

Zerstörungsfreie Volumenanalyse

Integrierte Halbleiterbauelemente (Bilder 1–4) können mittels Röntgenmikroskopie (XRM) tomographisch untersucht werden. Hier stehen verschiedene Geräte zur Verfügung, die mit 3D-Volumen-Pixeln (sogenannten Voxeln) von wenigen Nanometern bis einigen 10 μm Auf­lösung arbeiten. Im Kontrast erscheinen insbe­sondere die stark absorbierenden metallischen Leiterbahnen und vertikalen Kontakte. Etwaige Defekte wie schadhafte Metallisierungen kön­nen so im Volumen identifiziert und lokalisiert werden. Im Anschluss kann eine Zielpräparation zu den Defekten erfolgen und mit nachge­schalteter Analytik weiter untersucht werden.

Probenzielpräparation

Mikro- und Nano-Analytik erfordert meist dedizierte Probenzielpräparation, die vollumfänglich am Fraunhofer IKTS vorhanden ist und der Analytik entlang der Prozesskette zur Seite steht. Mittels Laserablation, mechanischer Politur (TXP) und Ionenätzen (TIC3X) können sowohl Verkapselungen von Bauelementen entfernt werden als auch ein schonendes Frei­legen innerer Oberflächen erfolgen. Eine nano­metergenaue finale Präparation erfolgt im Zweistrahl Rasterelektronen-Ionenmikroskop (FIB-SEM) für das Gallium-, Helium- und Neon- Ionen zur Verfügung stehen.

Skalenübergreifende, multi-modale und korrelative Analyse und Datenkorrelation

Mit analytischer Mikroskopie (Kompositionsbestimmung mit energiedispersiver Röntgenana­lyse – EDX) und Spektroskopie (z. B. molekula­res Fingerprinting mit Raman-Spektroskopie und Flugzeit-Massenspektroskopie – TOF-MS bei Ionenstrahlmaterialabtrag im FIB-SEM) kann ein umfassendes Bild über Morphologie und multi-physikalische Eigenschaften von Proben erzeugt werden. Im Rahmen der Zuverlässig­keitsanalyse werden am IKTS analytische Mik­roskopie in FIB-SEMs inklusive Element- und Kristallanalytik und elektrische Fehleranalyse mit Rastersondenverfahren kombiniert mit mechanischen Tests (im FIB-SEM und XRM). Dank der nanoGPS-Technologie [1] kann eine Relokalisation mit μm-Genauigkeit identischer Probenstellen in den verschiedenen Messmodalitäten erreicht werden. Die komplexen, sehr großen Datensätze (für XRM z. B. >15 GB pro Datensatz) werden mit KI-gestützten Methoden automatisiert, quantitativ und statistisch ausgewertet.

Literatur

[1] O. Acher et al., Meas. Sci. Technol. 32, 045402 (2021).