Imaging-Ellipsometrie für die Prozesskontrolle in Dünnschichtbauelementen

Ein deutsch-israelisches Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Andreas Furchner hat gezeigt, wie Imaging-Ellipsometrie die zerstörungsfreie Charakterisierung und Qualitätskontrolle mikrostrukturierter MXene-Dünnschichten während der Bauelementherstellung ermöglicht. Die Autoren nutzten zwei komplementäre ellipsometrische Ansätze für einen präzisen, skalenübergreifenden Zugang zu Materialeigenschaften. Die Arbeit etabliert Imaging-Ellipsometrie als leistungsfähige Methode zur Überwachung von Schichthomogenität, Bauelementintegrität und Funktionalität entlang des Herstellungsprozesses, einschließlich lithografischer Schritte. Die Studie wurde in Applied Physics Letters veröffentlicht und als „Editor’s Pick“ ausgewählt.

MXene sind zweidimensionale Nanomaterialien in vielseitigen Einsatzfeldern, unter anderem für mikroelektronische und photonische Bauelemente („MXetronics“). An der Tel Aviv University wird die Anwendung strukturierter MXene-basierter Dünnfilme als Rückseitenkontakte in Photodetektoren der nächsten Generation erforscht. Hierbei hat sich die Imaging-Ellipsometrie als zentrale zerstörungsfreie Methode zur Prozessüberwachung erwiesen, ohne die Bauelemente zu beschädigen.

Ellipsometrie analysiert die Änderungen des Polarisationszustands des am Bauelement reflektierten Lichts und ermöglicht so einen direkten, quantitativen Zugang zu Dünnschichtmerkmalen wie Schichtdicke, Zusammensetzung und Ladungstransportverhalten. Der hohe optische Kontrast reagiert äußerst empfindlich auf selbst kleinste laterale Variationen. Dabei werden nicht nur Strukturen abgebildet, sondern auch funktionale Eigenschaften, was die Ellipsometrie wertvoll für die Bauelementfertigung macht.

Die Autoren verfolgten zwei optische Ansätze. Die spektroskopische Mikro-Ellipsometrie (SME) an The Hebrew University of Jerusalem ermöglicht hochaufgelöste Einzelpunktmessungen zur Probencharakterisierung und eignet sich besonders für gezielte schnelle Messungen während der Fertigung. SME liefert eine Momentaufnahme dessen, was an einem bestimmten Punkt des Bauelements passiert.

Die spektroskopische Imaging-Ellipsometrie (ISE) hingegen ermöglicht ortsaufgelöste Messungen ganzer Bauelemente. Am HZB steht ein Imaging-Ellipsometer von Park Systems mit einzigartiger Fokussieroptik (bis 1 µm Auflösung) zur Verfügung. Strukturelle und funktionale Filmeigenschaften großflächiger Proben lassen sich mit diesem Ellipsometer von Mikro- bis Millimetern über mehrere Längenskalen hinweg erfassen.

Eine Stärke der Methode ist die Verfolgung lokaler Veränderungen während Prozessschritten wie der Photoresist-Entwicklung. Diese spiegeln sich im optischen Signal wider und erlauben die kontaktlose Analyse von Struktur- und Ladungstransporteigenschaften. Lokale Eigenschaften können so mit dem Gesamtverhalten eines Bauelements korreliert werden, was entscheidend für dessen Optimierung und Fertigung ist.

Die Methode stößt am HZB und international auf reges Interesse und hat zu laufenden Kooperationen geführt. Das vielseitige Ellipsometer eignet sich für isotrope und anisotrope Materialien, einschließlich zweidimensionaler Systeme. Das HZB-Team freut sich über Anfragen zu Messungen oder Kooperationen.