Projekt: SMut - System zur Materialuntersuchung und Dünnschichtcharakterisierung

In-situ-Dünnschichtcharakterisierung für Material- und Bauelemententwicklung

Das Projekt entwickelt eine plattformbasierte In-situ-Charakterisierung für Dünnschichten, um elektrische, thermische und perspektivisch optische Eigenschaften zuverlässig zu messen – sowohl unter Inertbedingungen als auch in Luft.

Zielgruppe sind Forschungseinrichtungen, Materialentwickler und Bauelementdesigner, die Langzeitstabilität, Atmosphäreneinflüsse und Prozessparameter effizient analysieren wollen. Modularer Aufbau, spezielle Testsubstrate und automatisierte Software ermöglichen schnelle, standardisierte und materialschonende Messungen.

Motivation: Neue Materialien für OLED, OPV, Gassensoren und Wearables bilden die Grundlage für leistungsfähigere und innovativere Produkte.

Herausforderungen: Dünnschichtprozesse sind zeit- und kostenintensiv, Materialien oft luftempfindlich und nur in minimalen Mengen verfügbar. Die Plattform ermöglicht daher einen effizienten Umgang, um Materialeigenschaften zu bewerten und die Produktentwicklung zu beschleunigen.

Mobiler Probenmodulcarrier für flexible Atmosphärenbedingungen

Kern des Systems ist ein mobiler, gekapselter Probenmodulcarrier, der reversibel in einer Glovebox installiert und auch außerhalb von Inertbedingungen eingesetzt werden kann. Er ermöglicht kontaktierte Messungen unter Vakuum, Schutzgas oder Luft und erlaubt definierte Atmosphärenwechsel.

• Kontaktierung unter Vakuum- und Schutzgasbedingungen
• Exposition gegenüber Luft und variablen Atmosphären
• Integrierte Temperaturregelung (z. B. Peltier-Element)
• Flexible Aufnahme unterschiedlicher Testsubstrate

Die modulare Bauweise erlaubt den einfachen Transfer zwischen Prozess- und Messumgebung und lässt sich in bestehende Anlagen integrieren.

Testsubstrate für präzise elektrische Charakterisierung

Ergänzend werden spezialisierte Testsubstrate zur elektrischen Bewertung funktionaler Materialien entwickelt. Ziel ist die Bestimmung zentraler Kenngrößen in Abhängigkeit von Layout und Materialsystem.

• Elektrische Leitfähigkeit
• Kontaktwiderstände
• Ladungsträgermobilität
• Einfluss von Kanallänge und -breite

Variierbare Gate-, Source- und Drain-Geometrien sowie unterschiedliche Kontaktmaterialien und Gateoxide (z. B. SiO2, Ta2O5, Nb2O5, HfO2) ermöglichen eine systematische Material- und Layoutanalyse unter reproduzierbaren Bedingungen.

Automatisierte Messsoftware und Datenanalyse

Eine containerbasierte Softwareumgebung stellt die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Messergebnisse sicher. Messabläufe werden automatisiert, relevante Parameter automatisch berechnet und grafisch aufbereitet.

• Automatisierte Mess- und Auswerteprozesse
• Reduzierte Bedienereingaben
• Vergleich von Prozessparametern
• Konfigurierbarkeit für unterschiedliche Messaufbauten

Dadurch werden Entwicklungszyklen verkürzt und stabile, valide Messprozesse gewährleistet.

Referenz-Materialsystem zur Qualitätssicherung

Zur Qualifizierung neuer Messaufbauten wird ein Referenz-Materialsystem definiert. Es dient als Benchmark für Reproduzierbarkeit und Prozessstabilität und soll idealerweise langzeitstabil unter Luft sein, um Messungen auch außerhalb der Glovebox zu ermöglichen.

Insgesamt entsteht eine integrierte, skalierbare Plattform für die moderne Dünnschicht- und Bauelementforschung – reproduzierbar, prozessnah und effizient.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt F&E-Testsubstrate für die elektrische Material- und Dünnschichtcharakterisierung. Sie ermöglichen die präzise Messung von Transistorkennlinien und die Ableitung relevanter Parameter, z. B. zur Bewertung des Einflusses von Analytgasen auf das elektrische Verhalten. Mit über 20 Jahren Erfahrung in OFET-Substraten und etablierter siliziumbasierter Mikrotechnologie ist das Institut in Forschung und Industrie gut etabliert.

Design und Substratkonzepte

Vordefinierte und kundenspezifische Layouts sind auf optimale Messungen ausgelegt. Die Gateoxiddicke ist variabel (28–320 nm), und ein Chip kann unterschiedliche Elektrodengeometrien mit verschiedenen Kanalbreiten und -längen enthalten, um Layout- und Skalierungseffekte zu analysieren.

Abscheidung und Prozessvielfalt

Die Substrate lassen sich mit Verfahren wie CVD, Spincoating, Spraycoating oder ALD beschichten. Hohe Reproduzierbarkeit der Elektrodenstrukturen und unterschiedliche Transistororientierungen ermöglichen eine systematische Untersuchung prozessbedingter Effekte.

Einfache und reproduzierbare Messung

Die Bottom-Gate-Substrate zeichnen sich durch niedrige Gate-Leckströme im pA-Bereich aus und lassen sich einfach kontaktieren. Prober und Temperprozesse sind verfügbar, sodass Messungen reproduzierbar und Materialstabilität über längere Zeiträume analysierbar sind.