Analytik und Metrologie

Unsere Charakterisierungsmethoden

Das Fraunhofer IPMS bietet in seinen Laboren eine Vielzahl von analytischen Charakterisierungsmethoden an. Der Schwerpunkt liegt auf der Wafercharakterisierung mit verschiedenen Röntgenmethoden (XPS, XRD/XRR und TXRF), sowie hochauflösende Elektronenmikroskopie (SEM, TEM mit EDX, EFTEM, EELS) und Kornanalyse (EBSD/TKD) mit entsprechenden Präparationstechniken (FIB, chemische und mechanische Präparation) zur Verfügung. Rasterkraftmikroskopie mit der Möglichkeit zur piezoelektrischen Untersuchung (AFM/PFM) runden das Portfolio ab.

Mit unserer Inline-Metrologie können wir physikalische und chemische Eigenschaften von Strukturen auf 300-mm-Wafern bestimmen, z. B. mit Röntgenbeugung (XRD), winkelaufgelöster Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XRS), spektraler Ellipsometrie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie. Alle unsere Geräte für die Analyse auf Waferebene sind in einer Reinraumumgebung der Klasse 6 (ISO 14644-1) untergebracht, die den Industriestandards entspricht.

Röntgenbeugung

Röntgendiffraktometrie und Röntgenreflektometrie

© Fraunhofer IPMS
XRD 2D-Karte der temperaturabhängigen Phasenänderung.

Die Röntgenbeugung untersucht die Anordnung der Atome in einer Probe, indem sie die Interferenz von Röntgenstrahlen nutzt, die an Gitterebenen oder Grenzflächen gestreut werden. Sie liefert Informationen über strukturelle Eigenschaften (z. B. kristallographische Phasen, Gitterkonstanten, Kristallisationsgrad) und mikrostrukturelle Eigenschaften (z. B. Korngröße, Vorzugsorientierung, Spannung, Schichtdicke, Rauheit, Dichte). Die Eindringtiefe kann zwischen einigen Nanometern und mehreren Mikrometern variiert werden. Die Empfindlichkeit liegt bei etwa 1 % Phasengehalt. Messungen sind bei Raumtemperatur als auch unter erhöhten Temperaturen möglich (Temperatureinfluss).

 

Fähigkeiten

  • Charakterisierung von EPI-Schichten 
  • Wachstumskinetik von z.B. Hf(Si)O2-Schichten 
  • Texturanalyse von z.B. Wolframschichten mit unterschiedlichem CMP-Verhalten 
  • Evaluierung von Kristallisationsverhalten an z.B. TiO2-Dünnschichten
  • Möglichkeit von XRD-Messungen bei erhöhter Temperatur (HT-XRD)

 

Equipment

  • Bruker D8 Discover

Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie

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XPS-Untersuchungsspektrum (oben) einer HfO2-Dünnschicht mit elementaren Peaks und dem entsprechenden Hf4f-Bereich mit Peak-Fit (unten).

Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie ist ein quantitatives Verfahren, das die Chemie eines Materials untersucht. Röntgenstrahlen auf eine Probe treffen, werden Elektronen durch den photoelektrischen Effekt angeregt. Die Energien der ausgestoßenen Photoelektronen werden analysiert, um Informationen über den chemischen Zustand und die elementare Zusammensetzung einer Probe zu erhalten. Wir bieten eine einzigartige laborgestützte Kombination monochromatischer Röntgenquellen an: eine weiche Röntgenquelle (Aluminium Kα) und eine hochenergetische Röntgenquelle (HAXPES mit Cr Kα) für ein breiteres Spektrum von Analyseanforderungen. Die Cr Kα-Quelle bietet einen größeren Messbereich und eine größere Analysetiefe, die etwa dreimal so groß ist wie bei der Al Kα-Quelle. Darüber hinaus können mit Cr Kα Tiefenprofile von vergrabenen Schichten ohne Ionenstrahlsputtern erstellt werden, wodurch eine ionenbasierte Degradation vermieden wird.

Die Spotgrößen können zwischen 7 und 200 μm im Durchmesser fokussiert werden, was eine Mikrosondenanalyse ermöglicht, bei der Punkte, Linien und Kartierungsbereiche definiert werden können. Die Tiefenanalyse mit Winkel- und Sputterprofilen ermöglicht die Bestimmung der Materialzusammensetzung in Schichtstapeln oder im Bulkmaterial. Aufnahme von REM-ähnlichen Bildern für die Analyse strukturierter und inhomogener Oberflächen ist ebenso möglich. Darüber hinaus können  temperaturabhängige in-situ XPS-Messungen im Bereich von -120 °C bis +300 °C durchgeführt werden.

 

Fähigkeiten

  • Duale monochromatische Anregung: AlKα- und CrKα-Röntgenstrahlquellen
  • Einzigartige Möglichkeiten zur Tiefenprofilierung
  • Definition verschiedener Analysebereiche bis zu einer Größe von mehreren Mikrometern
  • Analyse von strukturierten Wafern mit Hilfe der röntgeninduzierten Sekundärelektronenabbildung (SXI)
  • Temperaturabhängige In-situ-Messungen
  • Bestimmung der chemischen Zusammensetzung

 

Equipment

  • PHI Quantes Scanning XPS/HAXPES Microprobe

Time-of-Flight-Massenspektrometrie (ToF-SIMS)

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ToF-SIMS Graph (links) und ToF-SIMS Schema (rechts).

Bei der Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) wird ein Primärionenstrahl verwendet, um ein- und mehratomige Teilchen (Sekundärionen) von der Probenoberfläche zu erzeugen. Die Technik wird zur Charakterisierung der Oberfläche und des Bereichs unterhalb der Oberfläche von Materialien auf der Grundlage der Messung des m/z-Verhältnisses der ausgestoßenen Teilchen unter Ionenbeschuss eingesetzt. Die Masse der emittierten Ionen wird mit einem Massenspektrometer analysiert. Da der Ionenstrahl einen Krater in der Probe erzeugt, kann die Verteilung der verschiedenen Spezies innerhalb des Probenvolumens aufgezeichnet werden. Es können laterale Auflösungen von einigen hundert Nanometern und eine Tiefenauflösung von einigen Monoschichten erreicht werden. Um die absolute Konzentration der Elemente in der Probe zu quantifizieren, müssen die Analyseergebnisse mit Standards verglichen werden.

 

Fähigkeiten

  • Analyse eines RRAM-Stapels
  • Evaluierung Diffusionsverhalten von z.B.: Si in AL2O3

 

Equipment

  • ION-TOF TOF.SIMS 300R

Elektronenmikroskopie

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TEM-Hellfeld (links) und vergrößertes TEM-Hellfeld (rechts).

Die Elektronenmikroskopie nutzt einen Elektronenstrahl, der auf eine zu analysierende Probe trifft und mit dieser wechselwirkt. In der Folge erzeugen Elektronenmikroskope daraus hochauflösende Abbildungen des analysierten Probenbereiches bzw. mit Hilfe von verschiedenen Detektoren ebenso Elementanalysen.

Es gibt zwei verschiedene Arten von Elektronenmikroskopen: Rasterelektronenmikroskope (SEM, Auflösung bis zu ~1 nm) und Transmissionselektronenmikroskope (TEM, Auflösung bis zu 0,1 nm). Im REM wird der Elektronenstrahl über die Probe gescannt und emittierte Sekundärelektronen oder rückgestreute Elektronen zur Erzeugung der Abbildung verwendet. Im TEM wird der Elektronenstrahl durch eine dünne elektronentransparente Lamelle geleitet, die den interessierenden Bereich enthält. 

Das REM am Fraunhofer IPMS ermöglicht ergänzende Element- und Kornanalysen mittels EDX & EBSD/TKD Detektoren. Durch die Anordnung der angeschlossenen Detektoren können beide Methoden gleichzeitig durchgeführt werden. Während die EDX-Analyse die Elementzusammensetzung aufdeckt, gibt die EBSD/TKD-Analyse Aufschluss über die kristallographische Struktur & mögliche Textur. Transmissions-Kikuchi-Diffraktion (TKD) bietet dabei die Möglichkeit, nanostrukturierte Materialien und dünne Schichten auf elektronentransparenten Lamellen zu analysieren, während die EBSD-Analyse auf größeren Flächen des Bulkmaterials durchgeführt wird.

Die Struktur und Zusammensetzung der einer Probe kann im TEM auf verschiedene Arten analysiert werden. Das TEM am Fraunhofer IPMS bietet hierbei folgende Möglichkeiten ereugte Informationen zu nutzen:

  • Hellfeldabbildung / Dunkelfeldabbildung
  • Hochwinklige ringförmige Dunkelfeldabtastung TEM (HAADF-STEM)
  • Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)
  • Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) und 
  • Energiegefiltertes TEM (EFTEM).

 

Fähigkeiten

  • Bewertung eines Ätzprozesses
  • Physikalische Fehleranalyse
  • HAADF-STEM  
  • EDX-Profilierung von Dünnschichtstapeln
  • EBSD/TKD
  • EFTEM

 

Equipment

  • Thermo Fisher Apreo S
  • Hitachi S5000
  • FEI Tecnai F20

Focused Ion Beam

© Fraunhofer IPMS
Cu-Kornstruktur von galvanisch abgeschiedenem Cu auf einem Siliziumwafer (links) und Präparation einer Lamelle. Die ROI wird zunächst mit Schutzschichten aus C und/oder Pt bedeckt. Anschließend werden die Konturen mittels Ionenstrahl herausgeschnitten, die vorgedünnte Lamelle auf ein Grid transferiert und abschließend endgedünnt.

Der fokussierte Ionenstrahl ist ein wesentliches Werkzeug in der modernen physikalischen Fehleranalyse. Ein fein fokussierter Ionenstrahl ermöglicht ein präzises Schneiden in eine Probe. Die Ausnutzung der Zielpräparation ist hierbei ein wichtiges Werkzeug zur Erzeugung von TEM und TKD Lamellen. FIB-Geräte sind heutzutage in der Regel Zweistrahlgeräte, die sowohl mit einer Ionenstrahlsäule als auch mit einer Elektronenstrahlsäule ausgestattet sind; somit können Bilder mit Elektronen und Ionen parallel aufgenommen werden. Darüber hinaus ist unser Gerät mit einem Mikromanipulator und einem Platin- sowie einem Kohlenstoffgasinjektionssystem ausgestattet, welches eine lokale Abscheidung von Platin bzw. Kohlenstoff ermöglicht. Dadurch kann das Gerät auch für die Nanolithographie und die Modifikation von Schaltkreisen eingesetzt werden.

 

Fähigkeiten

  • Herstellung von elektronentransparenten Lamellen für TEM oder TKD
  • Ionenstrahl-Bildgebung
  • Herstellung von Querschnitten von Wafern für die Bewertung von z. B. Abscheidungs- und Ätzverfahren sowie für die Fehleranalyse

 

Equipment

  • FEI Strata 400

Lichtmikroskopie

Die Vollwafer-Lichtmikroskopie ermöglicht Bilder des gesamten Wafers. Die mögliche Fixierung der 200 bzw. 300 mm Wafer wird mittels Vakuum gewährleistet und ermöglicht eine optimale Handhabung sowie eine stabile Bildaufnahme. Die automatische Datenerfassung von vordefinierten Waferbereichen oder des gesamten Wafers erfolgt mit automatischer Tischbewegung und Stapeln in Z-Richtung (EDF-Funktion). Vergrößerungen von 2,5x (Übersicht) bis zu 150x sind möglich. Die erweiterte Fokusfunktion ermöglicht scharfe Bilder auch von Proben mit sehr hoher Topologie. Dedizierte Bereiche (Zoom) und Positionserkennung sind ebenfalls verfügbar.

 

Fähigkeiten

  • Hellfeld / Dunkelfeld
  • Interferenzkontrast in zirkular polarisiertem Licht (C-DIC)
  • Untersuchung gesamter Wafer oder Waferbruchstücke
  • Motorisierter Fokustrieb (5 nm) und motorisierter x-y-Scanningtisch

 

Equipment

  • Zeiss Axio Imager KMAT
  • Axio Imager.A1m

Rasterkraftmikroskopie

© Fraunhofer IPMS
AFM im Topographiemodus zur Analyse der Oberflächenrauheit und des entsprechenden 3D-Profils.

Unser Labor-AFM von Oxford Instruments ist zusätzlich mit den Modi PFM (Piezokraftmikroskopie) und C-AFM (AFM) ausgestattet. Der Tapping/Non-Contact-Modus wird für die Analyse von Oberflächenrauheiten an Luft verwendet. Das Sichtfeld beträgt 30 x 30 µm2, und typische Probengrößen sind 1 x 1 cm2. Messbare Rauheitsniveaus liegen zwischen 3 nm und 1 µm.

 

Fähigkeiten

  • Topographie (AFM-Standard)
  • C-AFM
  • PFM

 

Equipment

  • Oxford Instruments Asylum Research Cypher

Raman-Spektroskopie

© Fraunhofer IPMS
Mit Raman gewonnene Silizium-Spannungskarte, Probengröße 10 x 10 µm (rot = Druckspannung, blau = Zugspannung).

Die Raman-Spektroskopie nutzt die inelastische Streuung von Laserlicht, um charakteristische Schwingungsmoden in einem Material lokal anzuregen und abzubilden. Dieser Streuprozess beinhaltet die Anregung oder den Zerfall charakteristischer Schwingungen chemischer Bindungen. Daher kann die Raman-Spektroskopie für die Analyse der Orientierung, Phase und Zusammensetzung eines Materials sowie für lateral aufgelöste Spannungs- und Temperaturabbildungen verwendet werden. Unsere Instrumente ermöglichen eine laterale Auflösung von bis zu 300 nm. Mit verschiedenen Lasern können wir die Oberflächenempfindlichkeit variieren und die Integrationstiefe von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern variieren.

 

Fähigkeiten

  • Spannungskarten von Gräben (von oben nach unten und im Querschnitt)
  • Seitlich aufgelöste Temperaturmessungen
  • Lateral aufgelöste Phasenanalyse

 

Equipment

  • Renishaw Invia Reflex

Inline-Metrologie

© Fraunhofer IPMS
2D-Dickenkarte einer 10 nm dicken Al2O3-Schicht.

Die physikalische und chemische Charakterisierung ganzer Wafer mit hohem Durchsatz ohne Beeinträchtigung der Funktionalität der Wafer-Dies ist ein Schlüssel zur Überwachung der Produktion von Halbleiterbauelementen. Am Fraunhofer IPMS verfügen wir über eine Reihe verschiedener Inline-Metrologie-Tools für die Messung von Schichtdicken, Schichtwiderstand, Oberflächenzusammensetzung, chemischen Bindungszuständen, Oberflächen- und Seitenwandtopographien sowie für die Defektinspektion auf 200- und 300-mm-Wafern.

 

Fähigkeiten

  • Wafer-Mapping der Oberflächenzusammensetzung (Thermo Fisher Theta300i ARXPS)
  • Profilometrie und 3D-AFM (KLA Tencor HRP340 & Bruker Nano X3D)
  • XRD (Bede HR, Videosystem, Mikrofokus-Röntgenröhre)
  • Defektprüfung (KLA Tencor SP3 SurfScan & Applied Materials G3E FIB, AMAT Verity CD SEM, NextIn Solutions AEGIS Wafer Inspection System)
  • Schichtdicken-Wafer-Mapping (KLA Tencor Spectra FX100)
  • Schichtwiderstand (EURIS WS3000 & KLA Tencor RS100)

Weitere Informationen

Datenblatt

300 mm Prozesskatalog