Imaging-Ellipsometrie für die Prozesskontrolle in Dünnschichtbauelementen
Links: Dickenbild MXene-basierter kapazitiver Kammstruktur-Bauelemente (heller Kontrast) auf einem Siliziumwafer mit 100 nm Oxid (rot). Rechts: Zwei Vergrößerungen zeigen die Homogenität des Films im Mikrometerbereich. Entsprechend der Farbskala sind kleine Variationen um die mittlere Schichtdicke von 5,4 nm herum innerhalb der Mikrostrukturen erkennbar. © Applied Physics Letters (2026)
Imaging-Ellipsometrie-Bilder einer MXene-basierten Kammstruktur zeigen die Schichtdicke auf zwei Längenskalen (links, Mitte) sowie die Leitfähigkeit (rechts). © Applied Physics Letters (2026)
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.
- Nanosilber als Elektrokatalysator für die CO₂-VerwertungDurch Elektrolyse lässt sich CO2 zu CO reduzieren, einem Ausgangsstoff für weitere chemische Produkte wie beispielsweise Kraftstoffe. Im Rahmen des GreenQUEST-Projekts hat ein internationales Team um den HZB-Chemiker Prashanth Menezes Katalysatorschichten aus Silbernanopartikeln systematisch untersucht und dabei sowohl die Partikelgröße als auch deren Dichte variiert. Die beste Ausbeute wurde mit Nanopartikeln mit Durchmessern von etwa 10 nm erzielt, die locker verteilt waren. Darüber hinaus zeigten sie, wie sich die Wirtschaftlichkeit der elektrochemischen Zelle durch eine zusätzliche chemische Reaktion an der Anode verbessern lässt, indem gleichzeitig wertvolle Ameisensäure, Wasserstoff und CO erzeugt wird.
- BESSY II: Erster Film von Spinwellen im Nano-OszillatorSpin-Hall-Nano-Oszillatoren sind winzige Bauelemente auf Basis von ultradünnen CoFeB-Schichten. Sie wandeln Gleichstrom in Mikrowellensignale um und gelten als Option für eine besonders effiziente drahtlose Kommunikation oder für eine neue Technologie der Datenverarbeitung, die vom Gehirn inspiriert ist. Ein schwedisch-deutsches Team konnte nun an BESSY II zum ersten Mal die Magnetisierungsdynamik im Inneren eines solchen Spin-Hall-Nano-Oszillators abbilden, sozusagen filmen. Dazu nutzten sie die zeitaufgelöste Röntgen-Rastertransmissionsmikroskopie am MAXYMUS-Instrument. Die Abbildungen zeigen Merkmale von Spinwellen, die in den bisherigen indirekten Messverfahren nicht sichtbar waren. Die Studie ist in „Advanced Materials“ veröffentlicht.
- Gemeinsame Power statt doppelter Strukturen:Die Berliner Wissenschaft treibt ihre Forschungsexzellenz durch den Aufbau einer leistungsfähigen, institutionenübergreifend nutzbaren Daten- und KI-Infrastruktur weiter voran. Mit einer am 18. September 2026 unterzeichneten gemeinsamen Vereinbarung ebnen die Berlin University Alliance (BUA), das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und das Zuse-Institut Berlin (ZIB) den Weg für ein gemeinsames Data-Science- und KI-Zentrum in Berlin-Dahlem und Adlershof.