Vereinfachung von Probenpräparation mittels fokussierender Ionenstrahltechnik

Hochintegrierte mikroelektronische Schaltungen sind in einer Vielzahl von modernen Zukunftstechnologien verbaut. Für die Fehleranalyse solcher Bauteile hat sich unter anderem die fokussierende Ionenstrahltechnik (FIB) bewährt. Ein neues Forschungsprojekt des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und der point electronic GmbH untersucht einen innovativen Ansatz für die nanometergenaue Hochdurchsatz-Probenpräparation mittels FIB, um die bisherigen geräteabhängigen Verfahren zu vereinfachen.

Autonomes Fahren, Smart-Home-Integration und Künstliche Intelligenz sind nur einige Beispiele, für die mikroelektronische Schaltungen unabdingbar sind. Um Funktionalität und Zuverlässigkeit der dabei eingesetzten Bauelemente gewährleisten zu können, werden diese während der Entwicklung, Fertigung und Einsatzkontrolle einer umfassenden mikrostrukturellen Charakterisierung unterzogen. Sie werden hierfür beispielsweise mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) betrachtet und analysiert, um selbst kleinste Defekte in den Dimensionen von zehn bis einiger hundert Nanometer erkennen zu können.

Erfolgsentscheidend ist dabei die Qualität der Proben, die meist mittels fokussierender Ionenstrahltechnik (FIB) aufwendig vorbereitet werden müssen: Der Ionenstrahl trägt dabei Material von der Probe ab, bis die zu untersuchende Stelle dünn genug ist, um mittels TEM untersucht werden zu können. Die hierfür eingesetzten Anlagen zeichnen sich zwar durch Ziel- und Prozessgenauigkeit aus. Sie können jedoch nicht gleichzeitig hohe Präzision und eine hohe Abtragsrate erzielen.

»Präzision kann bisher nur durch sehr fein fokussierte und räumlich begrenzte Strahlen realisiert werden, wohingegen eine hohe Abtragsrate über einen intensiven und dabei zwangsläufig nicht mehr so zielgenauen Strahl erreicht wird«, fasst Dr. Michael Krause, Projektleiter am Fraunhofer IMWS, das Problem zusammen.

Um dieses Problem zu lösen, erforscht das Fraunhofer IMWS gemeinsam mit der point electronic GmbH ein neuartiges Verfahren für die nanometergenaue Hochdurchsatz-Probenpräparation mittels fokussierter Ionenstrahltechnik. Ein bereits entwickeltes Verfahren zur gezielten, lokalen Erhöhung des Materialabtrags während des Ionenstrahldünnens ebener Flächen soll auf die FIB-Präparation von TEM-Proben übertragen werden. Die am Fraunhofer IMWS entwickelte iNotch™-Technologie bildet die Grundlage für diesen neuen Präparationsworkflow.

Die point electronic GmbH liefert mit Systemen zur digitalen Bildgebung sowie zur Ansteuerung elektronenoptischer Säulen wichtiges Know-how. Das Unternehmen nutzt diese derzeit einzigartigen Voraussetzungen, um im Laufe des bis Frühjahr 2022 laufenden Forschungsprojekts ein spezielles System zur Ansteuerung des ionenoptischen Systems von FIB-Anlagen zu entwickeln. Wenn die Projektpartner erfolgreich sind, steht eine deutlich leistungsfähigere Methode zur Probenpräparation zur Verfügung, die einen Beitrag zur Sicherung der Zuverlässigkeit mikroelektronischer Bauelemente für wichtige Zukunftstechnologien leistet.