Halbleiterindustrie

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind integrale Bestandteile von Mobiltelefonen und Telekommunikationsinfrastruktur, deren Entwicklung, Produktion und Qualitätsprüfung messtechnisch aufgrund der hohen Frequenzen und kleinen Dimensionen sehr herausfordernd sind.
5G- und zukünftige 6G-Standards treiben den relevanten Frequenzbereich bis etwa 20 GHz. Wir haben eine Laser-Ultraschall-Methode entwickelt (Frequency Domain Laser UltraSound "FreDomLUS"), mit der die ortsaufgelöste Charakterisierung von Ein- und Mehrschichtsystemen hinsichtlich elastischer Eigenschaften, Dämpfung, Dicke und Fehlstellen möglich ist.
In der Abbildung (A) sind eine Skizze der Probe und die ermittelte Dämpfung αL an zwei Schichtmaterialien (Al und W), die in Bulk-Acoustic-Wave „BAW“ Filtern verwendet werden, und das thermoelastische Limit dargestellt.
Für das in (B) gezeigte Experiment wurde eine Probe mit einem Höhenprofil im Schachbrettmuster hergestellt und mit FreDomLUS gescannt. Die Dickenvariationen von 8 nm konnten exakt rekonstruiert werden und wurden auch mit einer AFM-Messung (Atomic Force Microscopy) verglichen.

Weitere Details finden Sie unter doi.org/10.1121/10.0017652; ICPPP21 conference presentation.

Die Anregung und Detektion von Schallwellen kann genutzt werden, um Dicke und elastische Eigenschaften von Schichtstrukturen zu bestimmen.
Selbst wenn die Dicke einer Schicht so klein ist, dass eine Untersuchung mit Puls-Echo-Messungen nicht mehr praktikabel ist, können aus dem Ausbreitungsverhalten von Oberflächenwellen die Dicke oder die elastischen Eigenschaften einer Schicht berechnet werden.
Je nach Frequenz dringt eine Oberflächenwelle verschieden tief in das Schicht- und Substratmaterial unter der Oberfläche ein. Tiefe Frequenzen bedeuten große Wellenlängen und große Eindringtiefen, hohe Frequenzen bedeuten kleine Wellenlängen und kleine Eindringtiefen (siehe Graphik).
Die unterschiedlichen Eigenschaften von Schicht und Substrat resultieren in einer frequenzabhängigen Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle. Diese kann gemessen und mathematisch modelliert werden und somit die Dicke und elastischen Eigenschaften bestimmt werden.

Weitere Informationen finden Sie in unserer Publikation: https://doi.org/10.1115/QNDE2021-74927

Die optische Pump-Probe-Spektroskopie auf der Pikosekunden-Zeitskala (Pikosekunden-Laser-Ultraschall „PLUS“) ermöglicht die Untersuchung elastischer Phänomene im GHz- und sogar im THz-Bereich.
Wir wenden verschiedene Detektionsverfahren an, um eine große Vielfalt an Materialien zu untersuchen, von Metallen, Halbleitern und Polymeren bis hin zu neuartigen Nano- und sog. "Low Dimensional"-Materialien.
Dadurch erhalten wir Zugang zu materialeigenen Parametern wie akustischer Dämpfung, Wärmediffusion und anderen Dissipationsmechanismen, Dotierungsprofilen sowie zu strukturellen Eigenschaften wie Schichtdicken im sub-nm- bis niedrigen um-Bereich, weiters auch zur Adhäsionsqualität von dünnen Beschichtungen und zu anderen grenzflächenbezogenen Eigenschaften.
Weitere Informationen über eine mögliche Anwendung finden Sie unter https://doi.org/10.1016/j.pacs.2023.100464

Die longitudinale und transversale Schallgeschwindigkeit lassen Rückschlüsse auf die Mikrostruktur zu, beispielsweise auf den Grad der Rekristallisation von Metallen während thermischer Behandlungen.
Oft wird auch die Dicke einer Platte bzw. eines Bleches benötigt. Bisherige akustische Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit und der Dicke einer Platte erfordern die Kenntnis der jeweils anderen Größe oder eine räumliche Abtastung. Die von uns entwickelte Methode kann diese Eigenschaften in einer einzigen Messung bestimmen.
Dabei werden in der Plattenprobe durch einen Laserpuls mit periodischem Linienmuster gleichzeitig eine spezifische Oberflächenwelle und mehrere Plattenresonanzen angeregt und anschließend analysiert. Dies ermöglicht (bei bekannter Dichte) die vollständige elastische Charakterisierung und gleichzeitige Dickenbestimmung von isotropen Platten. Ein diesbezügliches Patent wurde angemeldet.
Weitere Informationen finden sie in unserer Publikation: https://pub.dega-akustik.de/DAGA_2023/data/articles/000177.pdf

Wie hier am Beispiel einer organischen Photovoltaik-Zelle gezeigt, können z.B. mit Hilfe der OCT (Optischer Kohärenztomographie) mehrschichtige Strukturen vermessen und analysiert werden. Organische PV-Zellen sind aus organischen Halbleitermaterialien, die die Donator- bzw. Akzeptorfunktion übernehmen, transparenten Elektroden sowie Schutzschichten aufgebaut. Daher ist ein homogener Schichtaufbau ohne Defekte, Einschlüsse, etc. für die Qualität, Funktionalität und dauerhafte Performance des Produkts häufig maßgeblich.

Wollen Sie auf Mikrometer genau wissen, wie die örtliche Verteilung von chemischen Bestandteilen in Ihren Produkten aussieht? Mit Infrarot-Mikroskopie im mittleren Infrarot können wir Materialien und Schnittproben mit einer Ortsauflösung von bis zu 5 µm chemisch charakterisieren und z.B. Rückstände oder Einschlüsse vermessen.