Post on 09-Mar-2019
© 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
© Fraunhofer IZFP-D
TEM (IZFP)
Tools - Microscopy Innovation Center Dresden
Joint Preparation Lab. SEM / FIB (Zeiss)
© Fraunhofer IZFP-D
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 !
© Fraunhofer IZFP-D
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
© Fraunhofer IZFP-D
TEM – Elementanalyse (for HZB)
Wo befindet sich das Scandium in Al(Sc) Proben
Particle
Grain
Grain boundary
Triple point
Antwort: nur in Partikel-Ausscheidungen
© Fraunhofer IZFP-D
RasterelektronenmikroskopieSchnelle Inspektion von Strukturen z.B. zur Prozesscharakterisierung
Dr. Rüdiger Rosenkranz
© Fraunhofer IZFP-D
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
© Fraunhofer IZFP-D
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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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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Röntgen- Röhre
Energie Filter
Kondensor(Sammeloptik)
Probe
Objektiv(Zonenplatte)
KameraZernikePhasenring
Courtesy: Xradia Inc., Concord/CA
Schema der Laborbasierten Röntgen Miroskopie
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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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nanoXCT an TSV
Comparison of FIB cross section and nanoXCT
SEM nanoXCT
Cavity
Void chain
Round bottom
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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