Photonische Prozesse zum schnellen, präzisen und flexiblen Heizen von Halbleiterbauelementen; Akronym: PhocoHila - Teilvorhaben Hochschule Mittweida: "Ultraschnelle in situ-Analyse von Annealing-Prozessen mittels Pump-Probe Messtechnik"

Abstract

Stand der Technik: Die Funktionalisierung von Halbleiterbauelementen durch Annealing stellt einen entscheidenden Teilschritt in der Fertigungskette dar. Maßgeblich wird dies durch temperaturgetriebene Diffusions- und Kristallisationsprozesse erreicht. Das Laserannealing stellt hierbei eine Weiterentwicklung bestehender Konzepte (klassisches Ofenannealing) dar. Die Steuerung der Energiedeposition im Materialvolumen erfolgt über die Parameter der applizierten Laserstrahlung. Aus Bezugsgröße für die Anpassung und Optimierung der beim Laserannealing eingesetzten Laserstrahlung ist eine möglichst exakte Kenntnis über die optischen Eigenschaften der zu annealenden Werkstoff essenziell. Durch die nachgelagerte erneute Vermessung der prozessierten Probenoberflächen soll eine Zuordnung der optischen Eigenschaften zu den korrelierenden elektrischen Eigenschaften nachgewiesen werden. Diese kann als Kriterium zum Validierung der erfolgreichen Funktionalisierung dienen. Zielsetzung der Untersuchungen: Mittels Laserannealing wird eine örtlich selektive Erwärmung von Materialien innerhalb eines nahezu beliebigen Temperaturbereichs ermöglicht. Das Teilvorhaben von PhocoHila an der Hochschule Mittweida zielte auf die Messung der physikalischen Prozesse und die Charakterisierung der selektiv geänderten Materialeigenschaften während und nach dem Annealingprozess. Im Ergebnis der Untersuchungen sollten Einflussgrößen zur gezielten Optimierung des Annealingverfahrens ermittelt werden. Methode: Die örtliche Verteilung der geänderten elektrischen Leitfähigkeit und der optischen Eigenschaften der annealten Materialien in Abhängigkeit der Intensitätsverteilung der verwendeten Laserstrahlung wurden ex situ mittels spektroskopischer, abbildender Ellipsometrie bestimmt. Elektronendynamische und wärmeinduzierte Prozesse während und nach der Laserbestrahlung wurden mittels spektroskopischer, abbildender Pump-Probe Ellipsometrie charakterisiert. Durch optische Modellierung der den Werkstoffverbund bildenden Schichten im Kombination mit durchgeführten Simulationsrechnungen konnte das Prozessverständnis für die physikalischen Vorgänge während und nach der Laserstrahlung-Materie Wechselwirkung erweitert werden. Ergebnis: Die gewonnenen Ergebnisse und die daraus abgeleiteten Strategien sind essenziell zur Verbesserung des Verständnisses der untersuchten Materialsysteme sowie der Interaktion dieser Systeme mit der beim Annealingprozess eingebrachten Wärmemenge. Die angestrebte Korrelation der optischen Eigenschaften mit der elektrischen Leitfähigkeit konnte nachgewiesen und validiert werden. Schlussfolgerungen / Anwendungen: Die genutzte Pump-Probe Messtechnik ist als Werkzeug zur Qualitätssicherung und zum Prozessmonitoring geeignet. Das erweiterte Prozessverständnis für die physikalischen Vorgänge während und nach der Laserstrahlung-Materie Wechselwirkung erlaubt in Kombination mit den materialspezifischen transienten optischen Eigenschaften der jeweiligen Werkstoffverbunde die Optimierung der Laserparameter.