Am Fraunhofer IKTS werden Röntgen-Mikroskope, REM und TEM nicht nur für die Abbildung winziger Mikrochip-Strukturen genutzt, sondern auch für nanomechanische In-situ-Experimente.

Darf ich vorstellen? Ich bin ein prozessierter Mikrochip, frisch aus der Produktion sozusagen. Doch mein Weg führte nicht wie üblich in ein Mikroelektronik-Package, auch bin ich nicht in einem Smartphone oder ähnlichem gelandet, um dort mein Arbeitsleben zu verbringen. Vielmehr kann man mit Fug und Recht behaupten: Mein Lebensweg ist außergewöhnlich – und äußerst zielführend für meine Hersteller. Denn ich helfe dabei, meine Ebenbilder zu perfektionieren. Kurzum: Ich wurde sicher verpackt in einer Probenschachtel ans Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS geschickt.

Hier soll ich quasi auf »Herz und Nieren« geprüft werden – besser gesagt schauen die IKTS-Forschenden, wie es um meine Zuverlässigkeit steht, wie meine Materialien auf der Mikroebene aussehen, wie ich mit mechanischen Spannungen oder thermischen Belastungen umgehe. Warum das Ganze? Nun, die Ergebnisse geben zum einen Aufschluss darüber, wo die Produktion meiner Ebenbilder noch optimiert werden kann, um Fehlerquellen auszuschließen und unsereins noch besser, leistungsfähiger, stabiler und langlebiger zu machen. Zum anderen fließen die gewonnenen Daten in Designtools ein, mit denen meine Hersteller neue Chips entwickeln und je nach gewünschter Funktionalität zusammenstellen. Die Software achtet darauf, dass alle nötigen Regeln eingehalten werden. Doch braucht es dafür exakte Daten zu meiner Funktionalität ebenso wie zu den Weglängen der Signale, die durch mich hindurchfließen. Zudem sind genaue Materialdaten gefragt: Da sich ein zentimetergroßes Kupferstück vollkommen anders verhält als das Kupfer in meinen nanometerdünnen Leitbahnen. 

Warum das Fraunhofer IKTS?

Was für ein Glück, dass mein Weg mich ausgerechnet ans Fraunhofer IKTS geführt hat! Denn hier lässt sich das Beste aus meinem kleinen Mikrochip-Leben herausholen. Warum? Es gibt hier nicht nur verschiedene nanoanalytische Mikroskope, mit denen man mich bis hinunter zur atomaren Ebene anschauen und untersuchen kann. Sondern: Alle Mikroskope sind mit kleinen Mikrotestern ausgestattet, die die verschiedenen Lasten, die auf mich einwirken könnten – seien sie thermisch, mechanisch oder elektrisch, mitunter sogar chemisch – im Mikroskop in-situ aufbringen können. So ist es beispielsweise möglich, dass die Forschenden über Mikromanipulatoren von zwei Seiten an mir ziehen und auf diese Weise einen Riss durch mich hindurchtreiben, während sie die Vorgänge über das Mikroskop live beobachten. Bei welcher Kraft versagt die Rissstoppstruktur und auf welche Weise? Wo ist eine Schwachstelle? Welche Eigenschaften haben die Grenzflächen und wie lassen sie sich verbessern? Auch verschiedene thermische Lasten lassen sich fahren: Bei der Röntgen-Mikroskopie kann ich sowohl bis auf minus 190 Grad heruntergekühlt als auch bis auf 600 Grad Celsius aufgeheizt werden, im Transmissions-Elektronen-Mikroskop (TEM) und Rasterelektronen-Mikroskop (REM) reicht das Temperaturspektrum von minus 150 bis 400 Grad Celsius.

So können am IKTS praktisch alle Materialien in den kleinen Größenmaßstäben thermomechanisch charakterisiert werden. Diese Daten fließen dann in komplexe Materialmodelle für weiterführende Simulationen des kompletten Chip-Systems ein.

Röntgen-Mikroskopie: Blick in die größeren Metallisierungsebenen

Na, dann mal los! Als erstes werde ich von einem Forschenden in ein Röntgen-Mikroskop gesteckt. Im Unterschied zu einem normalen Röntgen-Tomographen wird der Strahl hier nicht stetig breiter, sondern durch Röntgenlinsen gebündelt – eine Technologie, die lange Zeit technisch als nicht realisierbar galt. Auf diese Weise lassen sich Auflösungen erzielen, die mit 30 bis 40 Nanometern deutlich höher sind als die der Mikro-Computertomographie: Ausreichend, um meine größeren Metallisierungsebenen anzuschauen. Der Vorteil von Röntgenstrahlen dürfte den meisten Menschen aus der Medizin bekannt sein: Ob menschlicher Körper oder prozessierter Mikrochip, die Strahlen gehen durch das zu untersuchende Material hindurch, ohne es zu zerstören. Auch ein Vakuum ist überflüssig, so dass die Untersuchungen bei normaler Raumatmosphäre stattfinden. Dies bietet einen großen Vorteil für die verschiedenen Belastungsexperimente unter Zug, Druck oder Temperatureinwirkung, denn schließlich lassen sie sich bei üblichem Luftdruck deutlich leichter realisieren als im Ultrahochvakuum. Über die Bildgebung der Röntgen-Mikroskopie kann zum Beispiel überprüft werden, ob meine Durchkontaktierungen gefüllt und damit intakt sind – und zwar im dreidimensionalen Tomographie-Modus. Zudem verraten die Belastungsversuche, bei denen an mir gedrückt, gezogen und geruckelt wird, ich aufgeheizt und abgekühlt werde, wie es um meine Belastbarkeit steht. Dies können die Forschenden am Bildschirm mitverfolgen, während sie mich mit verschiedenen Belastungen beaufschlagen.

Rasterelektronen-Mikroskopie

Nachdem ich diese Prozedur überstanden habe, führt mein Weg weiter ins Rasterelektronenmikroskop. Denn so viele Vorteile das Röntgenmikroskop durch die zerstörungsfreie Messung bei Raumatmosphäre auch hat: Die Rasterelektronenmikroskopie punktet durch eine deutlich höhere Auflösung von ein bis zwei Nanometern. So lassen sich Mikrostrukturen erkennen, die den Röntgenstrahlen verborgen bleiben. Sie ist ein sehr flexibles Werkzeug, um Strukturen mit Nanometer-Auflösung anzuschauen und sie chemisch sowie kristallographisch zu charakterisieren. Auf diese Weise lassen sich Delaminationen ebenso aufspüren wie ungewollte Diffusionsprozesse, durch die die Atome sich an Stellen befinden, an denen sie nicht sein sollten. Wo in mir befindet sich Aluminium, wo Kupfer, wo Wolfram? Auch kristallographische Fragen lassen sich beantworten: Denn ungünstige Konstellationen der Kristalle können mittelfristig Zuverlässigkeitsprobleme nach sich ziehen, da die Kristalle in unterschiedlichen Richtungen verschiedene Eigenschaften besitzen. Welche Kristalle treten auf? Sind sie zufällig oder gleichmäßig orientiert? Und, hier kommt wieder die Expertise des Fraunhofer IKTS ins Spiel: Auch mit dem REM lassen sich in-situ Experimente auf Mikroebene durchführen. So drückt beispielsweise ein mechanischer Tester mit einer Kraft von wenigen Nanonewton auf mich herunter, oder aber es wird eine Grenzfläche von mir abgezogen und analysiert, um Delaminationen vorzubeugen. Es ist auch möglich, kleine Säulen aus mir herauszuschneiden und zu zerdrücken, oder aber Strukturen mit einem Ionenstrahl freizuschneiden und ihre Entspannung zu untersuchen. Denn daraus lässt sich auf die Eigenspannung schließen, die in meinem Material herrscht.

Für die Bildgebung nutzen die Forschenden einen fokussierten Elektronenstrahl, für das Schneiden einen Ionenstrahl aus Xenon oder Gallium. Mit dem Ionenstrahl lassen sich nicht nur hauchdünne Proben für die Untersuchung im Transmissions-Elektronen-Mikroskop aus mir herausschneiden, sondern auch Schicht für Schicht von mir abtragen, um mich in drei Dimensionen untersuchen zu können.

Transmissions-Elektronen-Mikroskopie

Anschließend geht der Blick der Forschenden noch tiefer in mein Inneres, genauer gesagt bis auf die atomare Auflösung hinunter: Mit der Transmissions-Elektronen-Mikroskopie. In meiner Front-end-of-Line, der Transistorenebene, schauen sich die Forschenden unter anderem die Transistorkanäle auf atomarer Ebene an, ebenso Dünnschichten im Transistor oder anderswo. Wie gehen Atomstrukturen ineinander über? Sind die Diffusions-Barriere-Schichten um eine Leiterbahn geschlossen? Wie setzen sich wenige Ångström-dicke Schichten chemisch zusammen? Kurzum: Das TEM erlaubt es, Strukturen anzuschauen, die nur aus wenigen Atomen bestehen – die Auflösung liegt bei 0,1 bis 0,2 Nanometern. Auch Band- und Elektronenstrukturen von Materialien lassen sich im TEM analysieren. Selbstverständlich erfordern solche Untersuchungen eine Hochvakuum-Technik, da die bildgebenden Elektronen ansonsten von der Luft statt von mir absorbiert würden. In-situ-Experimente sind trotz des Vakuums möglich: So konnten die Forschenden bei einem anderen Mikrochip – bisher einzigartig – live bei einem »Time-dependend dielectric breakdown« zuschauen, also bei einem mikroskopischen Kurzschluss. Diese Art von Fehlfunktion ist ein kritisches Problem in der modernen Elektronik. Auch das einzige jemals realisierte Zugexperiment an atomar einlagigem Graphen bei gleichzeitiger Beobachtung der Bandlücke fand am Fraunhofer IKTS statt.

Umfassende In-situ-Analysen

Als Mikrochip kann ich am Fraunhofer IKTS also umfassenden In-situ-Analysen unterzogen zu werden, die meine Eigenschaften und Leistungsfähigkeiten im Detail untersuchen. Die breite Palette an Analysetools, die hier zur Verfügung steht, ermöglicht es den Forschenden, wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung meiner Materialien und Designs zu gewinnen. Diese Forschungsansätze tragen entscheidend dazu bei, dass ich noch zuverlässiger, leistungsfähiger und langlebiger werde – lassen Sie uns diesen Weg zusammen gehen!