Het Delftse technologiebedrijf Delmic introduceert een geautomatiseerd meetsysteem dat kristaldefecten in halfgeleidermaterialen op nanoschaal zichtbaar maakt. Het systeem, dat AURORA heet, is gericht op de productie en ontwikkeling van chips op basis van siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN). Het geautomatiseerd detecteren van defecten moet het materiaalonderzoek versnellen en chipfabrikanten helpen met het verbeteren van hun productieopbrengst.
De vraag naar rekenkracht en elektriciteit zorgt ook voor nieuwe eisen aan de vermogenselektronica die deze ontwikkelingen mogelijk maakt. Met name vanuit datacenters groeit de vraag naar efficiënte stroomvoorzieningen snel. Onder meer door de snelle omarming van kunstmatige intelligentie (AI), wat om veel rekenkracht vraagt en stroomverbruik met zich meebrengt. Het Internationaal Energieagentschap (IEA) verwacht dat het wereldwijde elektriciteitsverbruik door datacenters stijgt van ongeveer 485 terawattuur in 2025 tot ongeveer 950 terawattuur in 2030.
Minimale verliezen
Door de groeiende vraag naar elektriciteit neemt ook het belang toe van halfgeleidermaterialen die elektrische energie met minimale verliezen kunnen omzetten en distribueren. Silicium is traditioneel het belangrijkste materiaal voor het fabriceren van chips. Voor toepassingen met hoge spanningen, temperaturen en vermogensniveaus zijn echter ook alternatieve materialen beschikbaar, die interessante mogelijkheden bieden.
Siliciumcarbide en galliumnitride behoren tot de klasse van de zogenaamde halfgeleiders met een brede bandkloof. Door hun grotere bandkloof zijn deze materialen bestand tegen hogere elektrische veldsterktes en kunnen ze bij hogere temperaturen functioneren dan conventioneel silicium. Bovendien maken hun materiaaleigenschappen efficiëntere en snellere schakelprocessen mogelijk.
Deze materialen worden onder andere gebruikt in oplaadtechnologie, elektrische voertuigen en voedingen voor datacenters. SiC is met name interessant voor toepassingen met hoge spanning en hoog vermogen, terwijl GaN veel mogelijkheden biedt voor compacte en hoogfrequente vermogenselektronica.
Nieuwe uitdagingen
De productie van deze halfgeleiders brengt echter specifieke uitdagingen met zich mee. Het kweken van hoogwaardige kristallen is complex, en kleine onvolkomenheden in het uitgangsmateriaal kunnen tijdens het productieproces worden overgedragen naar de lagen die op de wafer worden aangebracht. Daardoor kunnen defecten uiteindelijk de prestaties en betrouwbaarheid van de geproduceerde chips beïnvloeden.
Bestaande inspectiemethoden detecteren niet alle afwijkingen. Soms worden problemen pas ontdekt als een chip al in een eindproduct is geïntegreerd. Dit is kostbaar, vooral omdat siliciumcarbide-wafers aanzienlijk duurder zijn dan conventionele siliciumwafers. Een betere analyse van de oorsprong en verspreiding van defecten kan daarom bijdragen aan een hoger materiaalbenuttingspercentage en een efficiënter productieproces.
Kathodoluminescentie brengt defecten in kaart
AURORA automatiseert een aanzienlijk deel van het onderzoek dat momenteel nog steunt op tijdrovende handmatige metingen door gespecialiseerd personeel. Het systeem gebruikt kathodoluminescentie, een analytische techniek waarbij een materiaal wordt bestraald met een elektronenstraal en daardoor licht uitzendt.
Indien een materiaal kristaldefecten bevat, veranderen de eigenschappen van het uitgezonden licht. Zo kan bijvoorbeeld de lichtintensiteit afnemen of kan de kleur van de emissie verschuiven. Door deze veranderingen nauwkeurig te meten, ontstaat een gedetailleerde kaart van de materiaaleigenschappen. Dit maakt onder andere het onderzoek naar kristaldefecten, materiaalspanningen en variaties in dotering op nanoschaal mogelijk.
De techniek is niet nieuw in het halfgeleideronderzoek. Onderzoekers gebruiken kathodoluminescentie al langer voor het bestuderen van de optische en elektronische eigenschappen van materialen. AURORA maakt het echter mogelijk de meetprocedure te automatiseren en daarnaast grotere oppervlakken systematisch te analyseren.
Het systeem positioneert automatisch de optische spiegel en houdt de meting scherp, zelfs wanneer een wafer licht kromgetrokken is. Vervolgens kan het zelfstandig een vooraf ingesteld meetprotocol uitvoeren. Afhankelijk van de gebruikte elektronenmicroscoop kunnen wafers met een diameter tot 300 millimeter worden onderzocht. De bijbehorende software telt en analyseert de gedetecteerde defecten. Hierdoor kunnen onderzoekers beter vaststellen of een defect al in het ruwe materiaal aanwezig was of tijdens een latere productiestap is ontstaan.
Integratie met bestaande elektronenmicroscopen
AURORA is overigens geen op zichzelf staand meetsysteem, maar een uitbreiding voor bestaande elektronenmicroscopen. Het systeem is integreerbaar met de meeste commerciële microscopen met een grote monsterkamer. Laboratoria kunnen dan ook hun bestaande apparatuur uitbreiden en hoeven niet te investeren in een volledig nieuw microscoopsysteem. Daarnaast blijft de elektronenmicroscoop beschikbaar voor andere onderzoeksactiviteiten door de optische spiegel in te trekken.
Het meetsysteem is vanaf het eerste kwartaal van 2027 beschikbaar. Delmic biedt het systeem in vier standaardconfiguraties aan, waarvan elk is geoptimaliseerd voor een ander soort materiaal. Het systeem is daarnaast modulair. Zo kunnen zowel de spiegels, filters als detectoren worden upgradet of vervangen.
