Diamantbeschichtungen gelten als Schlüsseltechnologie für zahlreiche industrielle Anwendungen, von der Leistungselektronik über die Optik bis hin zur Sensorik. Damit diese Hochleistungsbeschichtungen ihr volles Potenzial entfalten können, ist eine gleichmäßige Schichtqualität entscheidend. Forschende am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST haben nun nach Mitteilung des Instituts ein neues Mess- und Auswerteverfahren entwickelt, mit dem sich die optischen Konstanten großflächiger Diamantschichten präzise und effizient bestimmen lassen.
Die Homogenität von polykristallinen Diamantschichten ist ein zentraler Qualitätsfaktor für ihre Funktionalität und Lebensdauer. Besonders bei großformatigen Substraten, etwa bei Siliziumwafern mit Durchmessern bis zu 300 Millimetern, stoßen konventionelle Messmethoden jedoch an ihre Grenzen. Materialinhomogenitäten, Oberflächenrauheiten und komplexe Schichtaufbauten erschweren eine zuverlässige Analyse und machen die Prozesskontrolle aufwändig und zeitintensiv.
Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST setzt daher auf einen ganzheitlichen Ansatz und kombiniert verschiedene Messverfahren: Mit spektraler Photometrie wird untersucht, wie stark eine Oberfläche Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen reflektiert oder durchlässt. Je nach Material und Schichtdicke verändert sich der spektrale Reflexions- und Transmissionsverlauf. Ergänzend kommt die winkelabhängige Ellipsometrie zum Einsatz. Sie erfasst, wie sich der Zustand polarisierten Lichts nach der Reflexion bei verschiedenen Einfallswinkeln verändert und ermöglicht, wie die spektrale Photometrie, die Bestimmung von Brechungszahl, Extinktionskoeffizient und Schichtdicke. Beide Messverfahren basieren auf unterschiedlichen Messprinzipien und reagieren unterschiedlich empfindlich auf die Schichtparameter. In der Kombination liefern sie daher eine deutlich robustere und genauere Charakterisierung der Schichten.
Anstatt die Messungen einzeln auszuwerten, werden sie am Fraunhofer IST mit einem globalen Modellierungsverfahren simultan analysiert. Die Basis ist ein speziell entwickeltes Mehrschichtmodell, das die polykristalline Diamantschicht inklusive Rauheit realitätsnah abbildet und das bereits bekannte optische Materialdaten enthält. Durch die gleichzeitige Auswertung aller Messinformationen erreichen wir eine deutlich höhere Genauigkeit als mit klassischen Einzelmessungen und können die optische Dispersion und weitere relevante Schichtparameter präzise bestimmen, erläutert Dr. Volker Sittinger, Abteilungsleiter Diamantbasierte Systeme am Fraunhofer IST, das Alleinstellungsmerkmal des neuen simultanen Fit-Verfahrens.
Der entscheidende Vorteil dabei: Hat man die Dispersion und alle optischen Daten einmal zuverlässig bestimmt, ist der aufwändigste Teil dieser Analyse erledigt, denn nun muss man nicht mehr an jeder Stelle alle Daten kompliziert neu ermitteln. Eine einfache und schnelle Reflexionsmessung, die auf vielen Messpunkten der gesamten Oberfläche angewendet wird, ist ausreichend, um zum Beispiel die Schichtdicke und die daraus resultierende Uniformität der Beschichtung zu ermitteln. Durch dieses sogenannte Reflexionsmapping können großflächige Diamantbeschichtungen effizient charakterisiert werden.
Für Industriekunden bedeutet dies eine erheblich verkürzte Messzeit, eine verbesserte Prozesskontrolle und die Möglichkeit, die Schichthomogenität über große Flächen gezielt zu bewerten und zu optimieren. Am Beispiel von diamantbeschichteten 300-mm-Siliziumwafern konnte gezeigt werden, dass sich durch eine verbesserte Prozessführung die Schwankungen der Schichtdicke deutlich reduzieren lassen. Damit trägt das Verfahren unmittelbar zu einer höheren Produktionsqualität bei und schafft die Grundlage für leistungsfähige und langlebige Diamantbeschichtungen.
Mit dem verwendeten Messansatz bieten wir unseren Partnern eine leistungsfähige Lösung zur Qualitäts- und Prozesskontrolle moderner Diamantschichtsysteme, erklärt Sittinger. Das schnelle, robuste und automatisierbare Verfahren unterstütze Unternehmen dabei, Entwicklungs- und Produktionsprozesse zu beschleunigen, Ausschuss zu reduzieren und die Zuverlässigkeit ihrer Produkte nachhaltig zu steigern.
- www.ist.fraunhofer.de
Text zum Titelbild: Dr. Volker Sittinger (l.), Abteilungsleiter Diamantbasierte Systeme am Fraunhofer IST, überprüft gemeinsam mit einem seiner Kollegen mithilfe des neuen simultanen Fit-Verfahrens ein Messergebnis am Mappingtisch (© Fraunhofer IST)
