THz-SEMICON: Präzise Halbleiterprüfung mit Terahertz-Technologie

Halbleiter sind das Herzstück moderner Technologien – ob im Smartphone, Elektroauto, in Solaranlagen oder Hochleistungscomputern. Im Projekt »THz-SEMICON« (Terahertz-Semiconductor Inspection) entwickeln wir gemeinsam mit unseren Partnern ein innovatives, zerstörungsfreies Prüfsystem für die Halbleiterindustrie. Mithilfe der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie (THz-TDS) vermessen wir hochpräzise und möglichst schnell dünne Schichten von Halbleitermaterialien wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN). Das unterstützt Unternehmen zukünftig bei der Qualitätskontrolle und Prozessüberwachung in der Mikroelektronik, insbesondere bei Schichtsystemen im Mikrometerbereich.

In der modernen Halbleiterindustrie kommen zunehmend komplexe Schichtstrukturen und Materialsysteme zum Einsatz. Der Widerstand, die Ladungsträgerdichte und die Dicke der Schichten sind dabei entscheidende Parameter für die jeweilige Mikroelektronik. Das schnelle, zerstörungsfreie und berührungslose Messen dieser Werte ist dabei besonders wichtig bei der Materialentwicklung, Qualitätskontrolle, Kostenmanagement und Prozessüberwachung. Neben klassischen Halbleitern wie Silizium sind auch Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumcarbid (SiC) immer mehr gefragt – insbesondere beim Entwickeln von Hochleistungselektronik für den Mobilfunk und die Satellitenkommunikation. Etablierte Methoden wie die Vier-Spitzen-Messung oder die Mercury-Probe-Methode müssen zur Messung direkt in Kontakt mit der Probe gebracht werden, was erhebliche Nachteile mit sich bringt.

Effiziente Prüfsysteme mit Terahertz-Technologie

Berührungslose Methoden auf Basis von Mikrowellen oder Radiowellen sind in der Materialforschung etabliert, sie stoßen jedoch bei Schichtsystemen im Mikrometerbereich an ihre Grenzen. Unsere Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie bietet eine vielversprechende Alternative. Dank ihrer hohen Frequenz ermöglicht sie präzise und schnelle Prüfung von Halbleitermaterialien, die mit bisherigen Methoden schwer oder nur kontaktbasiert zu messen sind. Mit unserer Expertise arbeiten wir daran, diese Technologie zur Marktreife zu führen.

Neben der technischen Machbarkeit ist die Integration des Terahertz-Systems in ein komplettes Prüfsystem für Unternehmen besonders interessant. Dabei bietet eine berührungslose Messung nicht nur den Vorteil, dass die Gefahr einer Beschädigung oder Verunreinigung des untersuchten Wafers vermieden wird. Auch die Messgeschwindigkeit kann deutlich schneller sein, als wenn für jeden Messpunkt die Probe kontaktiert werden muss. 

Unsere Expertise: Datenanalyse und Modellbildung am Fraunhofer ITWM

Unser Team am Fraunhofer ITWM bringt neben seiner Expertise zum industriellen Design von Prüfgeräten auch seine Stärken in der Modellbildung und der Entwicklung präziser und schneller Auswertealgorithmen ein. Mit unseren Algorithmen analysieren wir Reflexions- und Transmissionsdaten, um wichtige Materialparameter wie Widerstand, Ladungsträgerdichte und Schichtdicke zuverlässig zu bestimmen.

Das Projekt konzentriert sich sowohl auf Halbleiter-Epitaxieschichten mit Beschichtungsstärken von 10 μm und dünner – nahe der Auflösungsgrenze aktueller Terahertz-Spektrometer – als auch dickere Wafer. Gleichzeitig soll eine hohe Messgeschwindigkeit von über 1.000 Terahertz-Impulsen pro Sekunde erreicht werden. Diese Anforderungen stellen hohe Ansprüche an die Signalqualität und die Leistungsfähigkeit der Analysealgorithmen.