Fehleranalyse an Defekten in Schichtsystemen

mit FIB (Focused Ion Beam)

Viele Defekte in Schichten oder Mehrschichtsystemen erschließen sich nicht direkt einer Analyse, da sie verborgen innerhalb einer Schicht liegen oder von darüberliegenden Schichten bedeckt sind.

Für eine genaue Charakterisierung des Defektes bezüglich Struktur, chemischer Zusammensetzung und der Position innerhalb des Schichtsystems muss der Defekt den analytischen und mikroskopischen Verfahren zugänglich gemacht werden.

Typische Methoden hierfür sind zum einen das flächige Abtragen der Oberfläche durch Sputtern, angewandt bei tiefenprofilierenden Methoden wie AES (Auger-Elektronen-Spektroskopie), XPS (Photoelektronenspektroskopie) oder SIMS (Sekundärionenmassenspektrometrie).

Zum anderen kann die Analyse an einem Querschnitt zusammen mit einer ortsauflösenden Analysemethode durchgeführt werden. Zur Zielpräparation auf eine definierte Probenstelle, bei kleinen Querschnitten im Mikrometerbereich und bei oberflächennahen Querschnittsanalysen ist das FIB die Methode der Wahl.

Da die meisten FIBs Zweistrahlgeräte sind, d.h. ein REM (Rasterelektronenmikroskop) mit eingebaut haben, wird häufig mit REM/EDX (energiedispersive Röntgenanalyse) an den Schnittflächen analysiert. Aber auch andere Analyseverfahren sind hier möglich, z.B. AES oder ToF-SIMS (Sekundärionenmassenspektrometrie mit Flugzeitmassenspektrometer). An speziell mit dem FIB und einem Manipulator herauspräparierten Proben können außerdem Untersuchungen mit TEM (Transmissionselektronenmikroskopie) oder APT (Atomsondentomografie) durchgeführt werden.

Funktionsweise

Die Funktionsweise eines FIB ähnelt der eines REM. Statt Elektronen werden aber Ionen, meistens Galliumionen, beschleunigt, mit Hilfe elektrostatischer Linsen fokussiert und über die Probe gerastert. Es entstehen Sekundärelektronen, die für die Bildgebung verwendet werden, außerdem wird die Probe lokal abgetragen.

Durch entsprechende Steuerung des Ionenstrahls wird in der Probenoberfläche eine Vertiefung erzeugt, bei der eine Seitenwand eben und glatt poliert wird. Diese FIB-Schnittfläche steht normalerweise senkrecht zur Probenoberfläche und hat typischerweise eine Breite von einigen zehn Mikrometern und eine Tiefe von ca. 5-20 Mikrometern.

Das in Dual-Beam-Geräten eingebaute REM ist so positioniert, dass es diese Schnittfläche direkt abbilden und mit EDX analysieren kann.

Partikel in Multilagenschichtsystem

Auf einem Laserspiegel sind eine Vielzahl kleiner Defekte vorhanden, die die Reflektivität des gesamten Spiegels herabsetzen.

Ein Einzeldefekt stellt sich als Erhebung in der Ober-fläche dar. Es ist nicht zu erkennen, welcher Art der Defekt ist und wo er im Schichtsystem liegt. Mit dem FIB wurde ein Mikroquerschnitt durch den Defekt ausgeführt, der durch das gesamte Schichtpaket hindurch bis auf das Substrat reicht. Der im Defektursprung liegende Partikel wurde dabei freigelegt bzw. mit angeschnitten.

Durch eine Punktanalyse mit EDX wurde in dem Par-tikel am Defektursprung Kohlenstoff nachgewiesen.

Pore im Lack

In einer Lackschicht befinden sich Poren. Die Frage, ob durch die Poren unter dem Lack liegende Schichten freigelegt werden und somit lokal die Schutzfunktion des Lackes beeinträchtigt wird, konnte durch eine Serie von FIB-Schnitten geklärt werden.

Anhand der FIB-Schnitte kann außerdem beurteilt werden, ob zusätzliche Fehlerbilder, wie Einschlüsse oder Störungen in darunterliegenden Schichten, eine Rolle spielen.

Abbildungen im Detail

Schema einer Probenpräparation im FIB
Der Spiegeloberfläche
REM-Aufnahme des FIB-Schnittes in das Schichtpa-ket mit EDX-Spektren

FIB-Schnitte