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

Mikro- und Nanoanalytik für die Mikroelektronik · Contact radius: 2 nm –15 nm Thin films with t > 50 nm –direct characterization t < 50 nm –substrate influence AFAM

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© Fraunhofer IZFP-D

Mit Beiträgen u.a. von

René Hübner, Peter Krüger, Kopycinska-Müller, Sven Niese, Rüdiger Rosenkranz, Yvonne Ritz, Andre Striegler,

Ehrenfried Zschech

Mikro- und Nanoanalytik für die Mikroelektronik

Bernd Köhler

© Fraunhofer IZFP-D

High Resolution Electron- and Ion-

microscopy

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)

NanoindentationScanning Acoustic Microscopy (SAM)

AFM AFAMXCT

TXM

FIB

SEM TEM

Nanoindentation

High Resolution Optical Properties

High Resolution MechanicalProperties

High Resolution X-Ray Techniques

Scanning Nearfield OpticalMicroscopy (SNOM)

Nano-Raman

10 nm Au particle

Raman-Shift

Mikro- und Nanoanalytik @ IZFP-D

SAM

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TEM (IZFP)

Tools - Microscopy Innovation Center Dresden

Joint Preparation Lab. SEM / FIB (Zeiss)

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Zeiss LIBRA® 200 HR MC Cs STEMAnalytisches 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

Transmissionselektronenmikroskopie

Dr. René Hübner

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Rasterelektronenmikroskopie (REM) Focussed Ion Beam (FIB)

3d-Bild

Dr. Rüdiger Rosenkranz

CrossBeam NVision 40®

FE-SEM & Ga-FIBEDXGas assisted etch & depositionKleindiek Nanomanipulator

Ausgewählte Spezifikationen:Auflösung (REM): 1.1 nm @ 20kV

2.5 nm @ 1 kVAuflösung FIB: ≤ 4nm @ 30kV

Anwendungsbereiche (Auswahl):REM mit klassischer PräparationFIB zur Präparation und Abbildung TEM ProbenpräparationFehlerlokalisation (z.B. Potentialkonstrast)

Forschungsprojekte (Auswahl):Kombination mit Laser-Cutting, LLBSE

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High Resolution Electron- and Ion-

microscopy

Transm. Electron Microscopy (TEM)Scanning Electron Microscopy (SEM)Focussed Ion Beam Techniques (FIB)

µ & Nano-X-Ray Tomography (XCT)µ & Nano-X-Ray Radiography (TXM)

AFM AFAMXCT

TXM

FIB

SEM TEM

High Resolution Optical Properties

High Resolution MechanicalProperties

High Resolution X-Ray Techniques

Scanning Nearfield OpticalMicroscopy (SNOM)

Nano-Raman

10 nm Au particle

Raman-Shift

Mikro- und Nanoanalytik @ IZFP-D

Nanoindentation

SAM

(acoustic) Atomic Force Microscopy (AFAM / AFM)

NanoindentationScanning Acoustic Microscopy (SAM)

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Nano-Röntgen Mikroskopie/Tomographie

Ausgewählte Spezifikation:Auflösung grosse Aufnehmefeld

< 50 nm @ 8keV (CuKα)

Auflösung Hochauflösung

< 25 nm

nano-XCT von Xradia:

Quellen: Cu (CuKα 8keV)Cr (CrKα 5keV)

Energiefilter Abbildung mit Frenel LinseAbsorptionkonstrast,Phasenkontrast

Anwendungen:Tomographie der Porosität von Gesteinen/Membranen

Defektoskopie von Mikroobjekten

z.B. on Chip Verdrahtung /Chip Durchkontaktierungen (3D TSV)

Blick hinter die Kulissen

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High Resolution Electron- and Ion-

microscopy

Transm. Electron Microscopy (TEM)Scanning Electron Microscopy (SEM)Focussed Ion Beam Techniques (FIB)

Nano-X-Ray Tomography (XCT)Nano-X-Ray Radiography (TXM)

AFM AFAMXCT

TXM

FIB

SEM TEM

High Resolution Optical Properties

High Resolution MechanicalProperties

High Resolution X-Ray Techniques

Scanning Nearfield OpticalMicroscopy (SNOM)

Nano-Raman

10 nm Au particle

Raman-Shift

Mikro- und Nanoanalytik @ IZFP-D

Nanoindentation

SAM

(acoustic) Atomic Force Microscopy (AFAM / AFM)

NanoindentationScanning Acoustic Microscopy (SAM)

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Hochaufgelöste elastische Eingenschaften mit AFAM

AFM AFAM

Dr. Malgorzata Kopycinska-Müller, Dr. Bernd Köhler

deflection

Applikationsbeispiele:Steifigkeitsmapping an biolog.-Materialien und Polymeren

quantitative Bestimmung der Steifigkeit in Schicht-Systemen

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

AFAM system

Device Modification by IZFP-D

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High Resolution Electron- and Ion-

microscopy

Transm. Electron Microscopy (TEM)Scanning Electron Microscopy (SEM)Focussed Ion Beam Techniques (FIB)

Nano-X-Ray Tomography (XCT)Nano-X-Ray Radiography (TXM)

AFM AFAMXCT

TXM

FIB

SEM TEM

Nanoindentation

High Resolution Optical Properties

High Resolution MechanicalProperties

High Resolution X-Ray Techniques

Scanning Nearfield OpticalMicroscopy (SNOM)

Nano-Raman

10 nm Au particle

Raman-Shift

Mikro- und Nanoanalytik @ IZFP-D

(acoustic) Atomic Force Microscopy (AFAM / AFM)

NanoindentationScanning Acoustic Microscopy (SAM)

SAM

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Wir diskutieren gerne Ihre Fragestellungen mit Ihnen !

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Hier folgen die Folien, zu denen gesprungenwerden kann.

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Sprungbereich TEM

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TEM-Hellfeldabbildung

RuhbildmikroskopieMit vorwiegend ungebeugten Elektronen

Unter Ausnutzung des Streuabsorptions-kontrasts und des Beugungskontrasts

Für eine Vielzahl von Proben

Zur Strukturcharakterisierung, Prozess-kontrolle, physikalischen Fehleranalyse

Anwendungsbereiche:Vergrößerungen: 8x – 106 x

Punktauflösung: ≤ 0.24 nm

Bildaufnahme: ∼ 1 s

Dr. René Hübner

Proben vom IWS

Multilayer Röntgen-Spiegel

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TEM: Nanodimanten für Sensor-Anwendungen

Sample preparation at Fraunhofer IZFP (A. Pohl)

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HAADF-STEM-Abbildung

Raster-TransmissionselektronenmikroskopieMit stark gestreuten Elektronen

Unter Ausnutzung des Ordnungszahlkontrasts zur qualitativen chemischen Analyse

Für eine Vielzahl von Proben

Zur Strukturcharakterisierung, Prozesskontrolle, physikalischen Fehleranalyse

Spezifikationen:Vergrößerungen: 2·103 x – 5·106 x

STEM-Auflösung: ≤ 0.12 nm

Bildaufnahme: ∼ 10 s

Charakterisierung von Transistor-strukturen

Dr. René Hübner

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Kombinierte EDXS-/EELS-Analytik

Chemische AnalytikMittels energiedispersiver Röntgenspek-troskopie

(EDXS) und/oder Elektronen-energieverlustspektroskopie (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

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600

10

20

30

40

50

60

70

80

Inte

nsitä

t [w

. E.]

Position [nm]

Cu Ta Si N

Cu/Ta62Si20N18/SiO2/Si: 600°C/100h

Stabilität von Diffusionsbarrieren

Dr. René Hübner

© Fraunhofer IZFP-D

EFTEM-Analytik

Chemische AnalytikAufnahme 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 Element-verteilung

SiNiTiO

Hellfeldabbildung

Elementverteilungen

Dr. René Hübner

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TEM – Elementanalyse (for HZB)

Wo befindet sich das Scandium in Al(Sc) Proben

Particle

Grain

Grain boundary

Triple point

Antwort: nur in Partikel-Ausscheidungen

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SprungbereichFIB/REM

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RasterelektronenmikroskopieSchnelle Inspektion von Strukturen z.B. zur Prozesscharakterisierung

Dr. Rüdiger Rosenkranz

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Focused Ion Beam

3d-Bild

Dr. Rüdiger Rosenkranz

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TEM-Probenpräparation

Mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB) fürKonventionelle 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

Enthaltene Leistungen:TEM-Zielpäparation für bereitgestelltes Probenmaterial

Spezifikationen:Kontrolle der finalen Dicke

Kontrolle der Randamorphisierung

KonventionelleLamelle

Planare Lamelle

Lift-out-Lamelle

Dr. René Hübner

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Fehlerlokalisierung

Nano-Prober im REMLokalisierung von Opens und Shorts mittels passivem und aktivem Potenzialkontrast 3d-Bild

Dr. Rüdiger Rosenkranz

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SEM/FIB- Project: Laserablation in Cross Beam Anlagen Für Querschnittespräparation ist Focused Ion Beam heute „state of the art“

Viele Proben erfordern zuviel Bearbeitungszeit

Laser-Mikrobearbeitung ist eine etablierte Technik, bisher aber nicht in Kombination mit einem SEM/FIB tool

SEM/FIB-tool

Laser

Laser preprocessing subsequent FIB-preparation

in one single tool

IZFP: Hard- and Software für die Integration eines Laser Systems in ein Zeiss SEM/FIB

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Through Silicon Vias (TSV) for 3D Integration

FIB cross sectioning

SEM/FIB: Project Laserablation

Laser Bearbeitung

Querschnitte tief im Volumen werden benötigt.

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FIB cut

SEM/FIB: Solar cell investigation (Solarion)

Studium der Kontakt Pads

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Leistung 95%Frequenz 20 kHzv = 100 mm/sLinienabstand 15 µmSchraffur 30xUmgebung Vakuum

12ps, max. 800 kHz, max. 50W, 1030nmOptik: f=100mmPlanfeldlinse => Fokusdurchmesser ~20µmAbtrag per Kreuzschraffur mit ~6µm Puls- und SpurversatzPulsenergie < 10µJUmgebung Luft

Proposed Project: Evaluation of Alternative Laser for Laser X-Beam

derzeitig verwendeter Laser alternativer Laser

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

BSE- spectrumSE- LL-BSE

© Jacksch, Zeiss NTS

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SprungbereichRöntgen

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Röntgen- Röhre

Energie Filter

Kondensor(Sammeloptik)

Probe

Objektiv(Zonenplatte)

KameraZernikePhasenring

Courtesy: Xradia Inc., Concord/CA

Schema der Laborbasierten Röntgen Miroskopie

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Röhre Kollimator Probe Linse Kamera

Realer Aufbau der Labor Röntgen-Mikroskopie

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klassisches abbildendes RöntgenMikro-CT

RGeo > DF

Auflösung ist durch die Quellgröße bestimmt

DF > 0.6 µm (dünnes Target)

SDD

SOD

DF

UF

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Hochauflösende Röntgentechniken

MikroCT (> 2 µm)

Defektoskopie

Alu-/Plastguss

Verklebungen

Zusammenbau- und Funktionsprüfung

Materialuntersuchungen

Medizinische Untersuchungen (an Präparaten)

Diamanttarget

Soft X-ray Kamera

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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

CT Limited angle CL CL with tilted axis

NEW!

laterale Ausdehnung des Objektes kann > Abstand Quelle-Objekt sein !

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µ CL- Beispiel: Keramische Mehrlagenleiterplatte (d=0.5 mm)

Ungenügende Aussage über Maßhaltigkeit, Vollständigkeit, Alignment,…

Vollständige Trennung der einzelnen Lagen

Radiographie

Tomographie/Laminographie

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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)

laminography:

imaging of interposer layers

underfiller with cracks and pores

a

b

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computed Laminographie CL

TSVs in einem 300 mm Wafer

Radiographie

keine Probennahme erforderlich

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nano CT an TSV- Arrays

TSV-Array

Dr. Peter Krüger

Einzelschnitte

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nanoXCT an TSV

Comparison of FIB cross section and nanoXCT

SEM nanoXCT

Cavity

Void chain

Round bottom

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SprungbereichAFAM

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Literaturwerte für Mf für SiO2:70 GPa … 90 GPa

Bestimmung des Indentationsmoduls des Schichtmaterials

F

AFAM- Quantitative Ergebnisse : Steifigkeit von Schichten

Dr. Malgorzata Kopycinska-Mueller

t [nm] Mf [GPa]

28 77.5 ± 8.7

16 88.1 ± 10.2

11 94.3 ± 8.9

8 94.9 ± 12.1

Nanoind (ASMEC)

82

87

80

76

Thin – film Probe Messung des Indentationsmodus Msam

Daten Analyse

4444 34444 21

samM

tF

sfst

eMMMME

1

*

11111

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−++=

−α

Si02 auf Si