Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl-Multimodale Röntgen- und hyperspektrale Bildgebung für die Dünnschichtqualitätskontrolle – nanoQI
Mit nanoQI entsteht eine industrietaugliche, echtzeitfähige Technologie zur in-line Charakterisierung und Qualitätskontrolle von nanoskaligen Dünnschichteigenschaften auf großen Flächen basierend auf Hyper-Spectral Imaging.
Das Fraunhofer FEP koordiniert seit 2020 das EU-Projekt „nanoQI“. Thema des Vorhabens ist die Etablierung einer Technologie zur Qualitätskontrolle von Dünnschicht-eigenschaften wie z. B. Schichtdicken, Dichten und chemische Zusammensetzungen auf großen Substratflächen in industriellem Maßstab. Diese Technologie ist entscheidend für die Optimierung und Weiterentwicklung von modernen Dünnschichttechnologien in Bezug auf Materialqualität, Reproduzierbarkeit und Produktivität sowie den Technologietransfer dieser Prozesse in die Industrie.
Hierzu werden die Röntgenmessverfahren Röntgenreflektion (XRR) bzw. Röntgenbeugung (XRD) mit Hyperspektraler Bildgebung (HSI) im VIS-NIR Spektralbereich kombiniert und in verschiedene Prozessanlagen an den drei Partnerstandorten Fraunhofer FEP, Fraunhofer IAP und TNO Eindhoven integriert. Die dafür notwendigen Komponenten wie z. B. XRD/XRR Prototypen (Bruker AXS), Spektralkameras und Optiken (Norsk Elektro Optikk, NEO), HSI Lichtquellen (Fraunhofer IWS) sowie die Software zur HSI Datenerfassung, Auswertung und Visualisierung (Fraunhofer IWS, NEO, Fraunhofer FEP) wurden in enger Kooperation im Konsortium entwickelt.
Zur in-line Quantifizierung und Visualisierung der Schichteigenschaften mittels HSI werden Machine Learning Modelle entwickelt, die zunächst mit den Ergebnissen der XRD/XRR Messungen trainiert werden. Nach Implementierung der Modelle in die HSI Software an den Anlagen, kann diese dann eigenständig während des laufenden Beschichtungsprozesses aus den anfallenden HSI Rohdaten die Schichteigenschaften ermitteln und für Prozessteuerung und -überwachung bereitstellen.
In der finalen Phase des Projektes steht die Demonstration und industrielle Validierung der bisher entwickelten Methoden und Technologien im Vordergrund. Die NanoQI-Lösungen werden unter möglichst realistischen Betriebs- und Produktionsbedingungen eingesetzt, um Strategien für Upgrades und Optimierungen zu entwickeln, aber auch für die detaillierte Kosten-Nutzen-Analyse, um schließlich den Weg zur kommerziellen Verwertung zu ebnen.
Beispielsweise wird am Fraunhofer FEP die in-line HSI Qualitätskontrolle von <100 nm dünnen Barriere- und Kontaktschichten, abgeschieden durch Rolle-zu-Rolle Magnetronsputtern auf bis zu 600 mm breiten und mehrere 100 m langen Polymerfolien, umgesetzt. Dabei konnte für Oxidschichten auf PET bereits eine Schichtdickengenauigkeit von wenigen Nanometern bei einer Ortsauflösung unter 1 mm und einer Bandgeschwindigkeit von mehrere m/min demonstriert werden.
