Mikro- und Nanoanalytik für die Mikroelektronik

Transkript

1 Mikro- und Nanoanalytik für die Mikroelektronik Bernd Köhler Mit Beiträgen u.a. von René Hübner, Peter Krüger, Kopycinska-Müller, Sven Niese, Rüdiger Rosenkranz, Yvonne Ritz, Andre Striegler, Ehrenfried Zschech

2 Mikro- und IZFP-D High Resolution Electron- and Ionmicroscopy High Resolution X-Ray Techniques High Resolution Mechanical Properties High Resolution Optical Properties Transm. Electron Microscopy (TEM) Scanning Electron Microscopy (SEM) Focussed Ion Beam Techniques (FIB) Nano-X-Ray Tomography (XCT) Nano-X-Ray Radiography (TXM) (acoustic) Atomic Force Microscopy (AFAM / AFM) Nanoindentation Scanning Acoustic Microscopy (SAM) Scanning Nearfield Optical Microscopy (SNOM) Nano-Raman XCT AFM AFAM Raman-Shift FIB Nanoindentation SEM TEM TXM 10 nm Au particle SAM

3 Tools - Microscopy Innovation Center Dresden TEM (IZFP) SEM / FIB (Zeiss) Joint Preparation Lab.

4 Transmissionselektronenmikroskopie Zeiss LIBRA 200 HR MC Cs STEM Analytisches TEM (200 kv) Monochromator 3-Linsen-Kondensorsystem Cs-Strahlkorrektor High-Resolution Objektivlinse Korrigierter Omega-Filter Ausgewählte Spezifikationen: Laterale Auflösung (STEM): < 0.12 nm Energieauflösung: < 0.15 ev Punktauflösung: 0.24 nm Anwendungsbereiche (Auswahl): TEM-Hellfeldabbildung HAADF-STEM-Abbildung EDXS Kombinierte EDXS-/EELS-Analytik EFTEM-Analytik Elektronentomographie Dr. René Hübner

5 Rasterelektronenmikroskopie (REM) Focussed Ion Beam (FIB) 3d-Bild CrossBeam NVision 40 FE-SEM & Ga-FIB EDX Gas assisted etch & deposition Kleindiek Nanomanipulator Ausgewählte Spezifikationen: Auflösung (REM): kV kv Auflösung FIB: 30kV Dr. Rüdiger Rosenkranz Anwendungsbereiche (Auswahl): REM mit klassischer Präparation FIB zur Präparation und Abbildung TEM Probenpräparation Fehlerlokalisation (z.b. Potentialkonstrast) Forschungsprojekte (Auswahl): Kombination mit Laser-Cutting, LLBSE

6 Mikro- und IZFP-D High Resolution Electron- and Ionmicroscopy High Resolution X-Ray Techniques High Resolution Mechanical Properties High Resolution Optical Properties Transm. Electron Microscopy (TEM) Scanning Electron Microscopy (SEM) Focussed Ion Beam Techniques (FIB) (acoustic) Atomic Force µ & Nano-X-Ray Tomography (XCT) Microscopy (AFAM / AFM) µ & Nano-X-Ray Radiography (TXM) Nanoindentation Scanning Acoustic Microscopy (SAM) Scanning Nearfield Optical Microscopy (SNOM) Nano-Raman XCT AFM AFAM Raman-Shift FIB Nanoindentation SEM TEM TXM 10 nm Au particle SAM

7 Nano-Röntgen Mikroskopie/Tomographie nano-xct von Xradia: Quellen: Cu (CuKα 8keV) Cr (CrKα 5keV) Energiefilter Abbildung mit Frenel Linse Absorptionkonstrast, Phasenkontrast Blick hinter die Kulissen Ausgewählte Spezifikation: Auflösung grosse Aufnehmefeld < 50 8keV (CuKα) Auflösung Hochauflösung < 25 nm Anwendungen: Tomographie der Porosität von Gesteinen/ Membranen Defektoskopie von Mikroobjekten z.b. on Chip Verdrahtung /Chip Durchkontaktierungen (3D TSV)

8 Mikro- und IZFP-D High Resolution Electron- and Ionmicroscopy High Resolution X-Ray Techniques High Resolution Mechanical Properties High Resolution Optical Properties Transm. Electron Microscopy (TEM) Scanning Electron Microscopy (SEM) Focussed Ion Beam Techniques (FIB) Nano-X-Ray Tomography (XCT) Nano-X-Ray Radiography (TXM) (acoustic) Atomic Force Microscopy (AFAM / AFM) Nanoindentation Scanning Acoustic Microscopy (SAM) Scanning Nearfield Optical Microscopy (SNOM) Nano-Raman XCT AFM AFAM Raman-Shift FIB Nanoindentation SEM TEM TXM 10 nm Au particle SAM

9 Hochaufgelöste elastische Eingenschaften mit AFAM AFAM system Technical parameters: Tip radius: 5 nm 50 nm Static loads: 10 nn 1.5 µn Contact radius: 2 nm 15 nm Thin films with t > 50 nm direct characterization t < 50 nm substrate influence AFM Device Modification by IZFP-D deflection AFAM Applikationsbeispiele: Steifigkeitsmapping an biolog.-materialien und Polymeren quantitative Bestimmung der Steifigkeit in Schicht- Systemen Dr. Malgorzata Kopycinska-Müller, Dr. Bernd Köhler

10 Mikro- und IZFP-D High Resolution Electron- and Ionmicroscopy High Resolution X-Ray Techniques High Resolution Mechanical Properties High Resolution Optical Properties Transm. Electron Microscopy (TEM) Scanning Electron Microscopy (SEM) Focussed Ion Beam Techniques (FIB) Nano-X-Ray Tomography (XCT) Nano-X-Ray Radiography (TXM) (acoustic) Atomic Force Microscopy (AFAM / AFM) Nanoindentation Scanning Acoustic Microscopy (SAM) Scanning Nearfield Optical Microscopy (SNOM) Nano-Raman XCT AFM AFAM Raman-Shift FIB SEM TEM Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. TXM Wir diskutieren gerne Ihre Fragestellungen mit Ihnen! 10 nm Au particle Nanoindentation SAM

11 Hier folgen die Folien, zu denen gesprungen werden kann.

12 Sprungbereich TEM

13 TEM-Hellfeldabbildung Ruhbildmikroskopie Mit vorwiegend ungebeugten Elektronen Unter Ausnutzung des Streuabsorptionskontrasts und des Beugungskontrasts Für eine Vielzahl von Proben Zur Strukturcharakterisierung, Prozesskontrolle, physikalischen Fehleranalyse Multilayer Röntgen-Spiegel Anwendungsbereiche: Vergrößerungen: 8x 10 6 x Punktauflösung: 0.24 nm Bildaufnahme: 1 s Proben vom IWS Dr. René Hübner

14 TEM: Nanodimanten für Sensor-Anwendungen Sample preparation at Fraunhofer IZFP (A. Pohl)

15 HAADF-STEM-Abbildung Raster-Transmissionselektronenmikroskopie Mit stark gestreuten Elektronen Unter Ausnutzung des Ordnungszahlkontrasts zur qualitativen chemischen Analyse Für eine Vielzahl von Proben Zur Strukturcharakterisierung, Prozesskontrolle, physikalischen Fehleranalyse Charakterisierung von Transistorstrukturen Spezifikationen: Vergrößerungen: x x STEM-Auflösung: 0.12 nm Bildaufnahme: 10 s Dr. René Hübner

16 Kombinierte EDXS-/EELS-Analytik Chemische Analytik Mittels energiedispersiver Röntgenspek-troskopie (EDXS) und/oder Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) Als Punkt-, Linien- oder Flächenanalyse Für alle Elemente mit Z 3 Spezifikationen: Laterale Auflösung: 1 nm Nachweisgrenze: 1 at.-% Energieauflösung: EELS: < 0.15 ev (Monochromator) EDXS: 130 ev Zeitaufwand: 10 s pro Messpunkt Stabilität von Diffusionsbarrieren Cu/Ta 62 Si 20 N 18 /SiO 2 /Si: 600 C/100h Intensität [w. E.] Cu Ta 60 Si 50 N Position [nm] Dr. René Hübner

17 EFTEM-Analytik Chemische Analytik Aufnahme von Elementverteilungsbildern mittels energiegefilterter Abbildung Basierend auf EELS Sequentiell für alle Elemente mit Z 3 Zur Prozesskontrolle und physikalischen Fehleranalyse Spezifikationen: Laterale Auflösung: < 1 nm Energieauflösung: 20 ev Zeitaufwand: 1 min pro Elementverteilung Hellfeldabbildung Si Ni Ti O Elementverteilunge n Dr. René Hübner

18 TEM Elementanalyse (for HZB) Wo befindet sich das Scandium in Al(Sc) Proben Antwort: nur in Partikel- Ausscheidungen Particle Grain boundary Grain Triple point

19 Sprungbereich FIB/REM

20 Rasterelektronenmikroskopie Schnelle Inspektion von Strukturen z.b. zur Prozesscharakterisierung Dr. Rüdiger Rosenkranz

21 Focused Ion Beam 3d-Bild Dr. Rüdiger Rosenkranz

22 TEM-Probenpräparation Mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB) für Konventionelle und planare Lamellen Zielpräparation mittels in-situ Lift-out Spezielle Probengeometrien (z.b. Zylinder für Tomographie) Spezielle Probenhalter (z.b. Be-Träger) Reduzierung der Randamorphisierung durch Polieren mit Ga-Ionen geringer Energie Konventionelle Lamelle Planare Lamelle Lift-out-Lamelle Spezifikationen: Kontrolle der finalen Dicke Kontrolle der Randamorphisierung Enthaltene Leistungen: TEM-Zielpäparation für bereitgestelltes Probenmaterial Dr. René Hübner

23 Fehlerlokalisierung Nano-Prober im REM Lokalisierung von Opens und Shorts mittels passivem und aktivem Potenzialkontrast 3d-Bild Dr. Rüdiger Rosenkranz

24 SEM/FIB- Project: Laserablation in Cross Beam Anlagen Für Querschnittespräparation ist Focused Ion Beam heute state of the art Laser Viele Proben erfordern zuviel Bearbeitungszeit Laser-Mikrobearbeitung ist eine etablierte Technik, bisher aber nicht in Kombination mit einem SEM/FIB tool SEM/FIB-tool IZFP: Hard- and Software für die Integration eines Laser Systems in ein Zeiss SEM/FIB Laser preprocessing in one single tool subsequent FIB-preparation

25 SEM/FIB: Project Laserablation Through Silicon Vias (TSV) for 3D Integration Laser Bearbeitung FIB cross sectioning Querschnitte tief im Volumen werden benötigt.

26 SEM/FIB: Solar cell investigation (Solarion) Studium der Kontakt Pads FIB cut

27 Proposed Project: Evaluation of Alternative Laser for Laser X-Beam derzeitig verwendeter Laser alternativer Laser Leistung 95% Frequenz 20 khz v = 100 mm/s Linienabstand 15 µm Schraffur 30x Umgebung Vakuum 12ps, max. 800 khz, max. 50W, 1030nm Optik: f=100mm Planfeldlinse => Fokusdurchmesser ~20µm Abtrag per Kreuzschraffur mit ~6µm Puls- und Spurversatz Pulsenergie < 10µJ Umgebung Luft

28 Low-Loss Back-Scattered Electron (LL BSE) Contrast Zeiss Feature ( derzeitig einzigartig): in-lens Detektion mit Trennung von Sekundärelektronen (SE) and Rückstreuelektronen (BSE) Kontrast Jacksch, Zeiss NTS SE- BSE- spectrum LL-BSE

29 Sprungbereich Röntgen

30 Schema der Laborbasierten Röntgen Miroskopie Röntgen- Röhre Probe Kamera Zernike Phasenring Energie Filter Kondensor (Sammeloptik) Objektiv (Zonenplatte) Courtesy: Xradia Inc., Concord/CA

31 Realer Aufbau der Labor Röntgen-Mikroskopie Röhre Kollimator Probe Linse Kamera

32 klassisches abbildendes Röntgen Mikro-CT U F D F SOD SDD R Geo > D F Auflösung ist durch die Quellgröße bestimmt D F > 0.6 µm (dünnes Target)

33 Hochauflösende Röntgentechniken MikroCT (> 2 µm) Defektoskopie Alu-/Plastguss Verklebungen Zusammenbau- und Funktionsprüfung Materialuntersuchungen Medizinische Untersuchungen (an Präparaten) Diamanttarget Soft X-ray Kamera

34 Tomography (CT), Laminography (CL) Johann Radon backprojection possible based on projections of different angles Rotation of sample or X-ray source Reconstruction of 3D data, e.g. by filtered backprojection Aufnahme-Geometrie hängt von der Probengeometrie ab Zylindrische Proben: normale CT flache Proben: Laminography, typical artifacts NEW! CT Limited angle CL CL with tilted axis laterale Ausdehnung des Objektes kann > Abstand Quelle-Objekt sein!

35 µ CL- Beispiel: Keramische Mehrlagenleiterplatte (d=0.5 mm) Radiographie Ungenügende Aussage über Maßhaltigkeit, Vollständigkeit, Alignment, Tomographie/ Laminographie Vollständige Trennung der einzelnen Lagen

36 µcl-beispiel: Interposer/Underfiller Micro focus X-ray CL resolution down to 1 µm package inspection In-Situ inspection (preserving functionality) Interposer (a) Underfiller (b) b a laminography: imaging of interposer layers underfiller with cracks and pores

37 TSVs in einem 300 mm Wafer keine Probennahme erforderlich Radiographie computed Laminographie CL

38 nano CT an TSV- Arrays TSV-Array Einzelschnitte Dr. Peter Krüger

39 nanoxct an TSV Comparison of FIB cross section and nanoxct Cavity Void chain SEM nanoxct Round bottom

40 Sprungbereich AFAM

41 AFAM- Quantitative Ergebnisse : Steifigkeit von Schichten Bestimmung des Indentationsmoduls des Schichtmaterials Thin film Probe Messung des Indentationsmodus M sam Daten Analyse Si0 2 auf Si t [nm] M f [GPa] ± 8.7 Nanoind (ASMEC) 82 1 E * = 1 M t + F t α + e M s M f M s M sam ± ± ± Literaturwerte für M f für SiO 2 : 70 GPa 90 GPa Dr. Malgorzata Kopycinska-Mueller F