Spezielle Anwendungen der Transmissionselektronenmikroskopie in der Siliziumhalbleiterindustrie

Die außerordentlichen Steigerungen der Funktionalität und Produktivität in der Halbleiterindustrie sind zum wesentlichen Teil auf eine Verkleinerung der Strukturdetails auf einer logarithmischen Skala über die letzten Jahrzehnte zurückzuführen. Sowohl zur Kontrolle des Fertigungsergebnisses als auch zur Klärung von Fehlerursachen ist die Nutzung transmissionselektronenmikroskopischer Methoden unabdingbar. Für die Zielpräparation von Halbleiterstrukturen sind Techniken unter Nutzung der Focused Ion Beam Geräte etabliert, die je nach der konkreten Aufgabenstellung variiert werden. Die Abbildung von Strukturdetails mit Abmessungen von wenigen Nanometern erfordert die Anwendung unterschiedlicher Kontrastmechanismen. Die Ergänzung der Abbildung durch die analytischen Techniken der energiedispersiven Röntgenmikroanalyse und der Elektronenenergieverlustanalyse ist ein wertvolles Werkzeug bei der Klärung von Fehlerursachen oder bei prozesstechnischen Fragestellungen. Die Nutzung der Rastertransmissionselektronenmikroskopie erlaubt die unmittelbare Kombination von Abbildung und Elementanalyse. Die lokale Verteilung von Dotierstoffen als wesentliche Grundlage für die Funktion von Bauelementen in der Halbleiterindustrie ist nur über ihre Auswirkung auf die Phase der transmittierten Elektronenwelle nachweisbar. Mittels Elektronenholographie kann dieser Einfluss gemessen werden und das Prozessergebnis von Implantationen dargestellt werden. Für die Charakterisierung von Details, die kleiner als die Probendicken sind, die im TEM genutzt werden, ist die Anwendung der Elektronentomographie ein geeignetes Werkzeug. Dazu sind spezielle Präparations- und Abbildungsstrategien erforderlich.:0. Gliederung Danksagung 3 Kurzfassung / Abstract 5 Abkürzungsverzeichnis 7 Verzeichnis der Symbole 9 0 Gliederung 13 1 Einleitung 15 1.1 Rahmenbedingungen der Halbleiterindustrie 15 1.2 Typische Strukturen und Fragestellungen in Halbleiterbauelementen 17 1.3 Analytische Untersuchungen an Halbleiterstrukturen 19 2 Einordnung der TEM in die Analytik von Halbleiterbauelementen 23 2.1 Einsatz struktur- und elementanalytischer Verfahren in der Halbleiterindustrie 23 2.2 Beitrag der Transmissionselektronenmikroskopie zu den Fragestellungen 25 2.3 Beispiele typischer Halbleiterstrukturen 27 2.4 Anforderungen an ein TEM für den Einsatz an einem Halbleiterproduktionsstandort 31 3 Präparation von Halbleiterstrukturen Untersuchung im TEM 35 3.1 Mechanische Vorbereitung 35 3.2 Endabdünnung größerer Bereiche 36 3.3 Zielpräparationen mittels Focused Ion Beam Technik 37 3.4 Lift-Out Techniken 40 4 Abbildende Untersuchungen und strukturanalytische Charakterisierung 45 4.1 Abbildungstechniken für mittlere Ortsauflösungen 46 4.2 Hochauflösende Abbildung kristalliner Bestandteile 56 4.3 Rastertransmissionselektronenmikroskopie 59 4.4 Elektronenbeugung 61 5 Elementanalytische Untersuchungen 65 5.1 Energiedispersive Röntgenanalyse im TEM 65 5.2 Nutzung von Energieverlusten der Elektronen zur Materialcharakterisierung 71 5.2.1 Ansatz und technische Lösungen 71 5.2.2 Elektronenenergiverlustspektroskopie 73 5.2.3 Energiegefilterte Abbildung 76 5.3 Spezielle Anwendungen von EELS und Energiefilterung 80 5.3.1 Energiegefilterte Abbildung unter Nutzung der Plasmonenmaxima 80 5.3.2 Nachweis der Bildung von Verbindungen 84 5.3.3 Abbildung mit reduziertem Energiefenster auf der elementspezifischen Kante 86 5.4 Energiegefilterte Abbildung im STEM-HAADF Modus 87 5.5 Kombination von Abbildung und Elementanalytik („Spectrum Imaging“) 93 14 6 Elektronenholographie 101 6.1 Prinzipielle Fragestellung 101 6.2 Physikalisches Prinzip der Elektronenholographie 109 6.3 Technische Umsetzung bei der Off-axis Holographie 112 6.4 Besonderheiten der Probenpräparation für elektronenholographische Untersuchungen 116 6.5 Hologrammaufnahme und numerische Auswertung 120 6.6 Anwendungen der Elektronenholographie an Halbleiterstrukturen 124 6.7 Elektronenholographische Untersuchungen ohne Einsatz einer Lorentzlinse 130 6.8 Möglichkeiten der Inline Holographie 134 7 Elektronentomographie 137 7.1 Prinzipielle Fragestellung 137 7.2 Theoretischer Ansatz zur Lösung 138 7.3 Praktische Umsetzung 143 7.4 Beispielhafte Ergebnisse 148 7.4.1 Charakterisierung von Diffusionsbarrieren 148 7.4.2 Geometrie des Substrates nach komplexer Prozessierung 150 7.4.3 Beschreibung und Messmöglichkeiten an 3-dimensional aufgebauten Transistoren 151 7.4.4 Fehleranalyse an Transistoren größerer Dimension 154 8 Zusammenfassung und Ausblick 157 8.1 Präparative Aspekte 157 8.2 Neue Herausforderungen an die Abbildungstechnik 158 8.3 Elementanalytische Arbeitstechniken 160 8.4 Elektronenholographie 161 8.5 Elektronentomographie 162 8.6 Weitere Fragestellungen 163 9 Literaturverzeichnis 165The strong improvements in functionality and productivity in the semiconductor industry are mostly a result of the decrease of structural details on a logarithmic scale during the last decades. The monitoring of the production process, as well as failure analyses, utilize methods of transmission electron microscopy. For targeted preparations of semiconductor structures, techniques based on focused ion beams are established, with adaptions to the current task. The imaging of structural details with dimensions of a few nanometers requires the application of different contrast techniques, depending on the detailed request. Different opportunities of elemental analysis, such as energy dispersive X-ray analysis or electron energy loss analysis, deliver additional information about the chemical composition and binding states on a nanoscale. The use of scanning transmission electron microscopy enables a direct combination of imaging and elemental analysis. The local distribution of dopants, as one of the major basics for the function of semiconductor devices, can be observed via the phase shift of the transmitted electron wave only. This influence requires the application of electron holography, a technique which enables the visualization of the process result of implantations or diffusion processes. The characterization of details which are smaller than the thickness of a TEM-sample is enabled through the use of electron tomography. This technique requires special strategies for preparation and imaging and delivers a 3D-dataset, describing the structure.:0. Gliederung Danksagung 3 Kurzfassung / Abstract 5 Abkürzungsverzeichnis 7 Verzeichnis der Symbole 9 0 Gliederung 13 1 Einleitung 15 1.1 Rahmenbedingungen der Halbleiterindustrie 15 1.2 Typische Strukturen und Fragestellungen in Halbleiterbauelementen 17 1.3 Analytische Untersuchungen an Halbleiterstrukturen 19 2 Einordnung der TEM in die Analytik von Halbleiterbauelementen 23 2.1 Einsatz struktur- und elementanalytischer Verfahren in der Halbleiterindustrie 23 2.2 Beitrag der Transmissionselektronenmikroskopie zu den Fragestellungen 25 2.3 Beispiele typischer Halbleiterstrukturen 27 2.4 Anforderungen an ein TEM für den Einsatz an einem Halbleiterproduktionsstandort 31 3 Präparation von Halbleiterstrukturen Untersuchung im TEM 35 3.1 Mechanische Vorbereitung 35 3.2 Endabdünnung größerer Bereiche 36 3.3 Zielpräparationen mittels Focused Ion Beam Technik 37 3.4 Lift-Out Techniken 40 4 Abbildende Untersuchungen und strukturanalytische Charakterisierung 45 4.1 Abbildungstechniken für mittlere Ortsauflösungen 46 4.2 Hochauflösende Abbildung kristalliner Bestandteile 56 4.3 Rastertransmissionselektronenmikroskopie 59 4.4 Elektronenbeugung 61 5 Elementanalytische Untersuchungen 65 5.1 Energiedispersive Röntgenanalyse im TEM 65 5.2 Nutzung von Energieverlusten der Elektronen zur Materialcharakterisierung 71 5.2.1 Ansatz und technische Lösungen 71 5.2.2 Elektronenenergiverlustspektroskopie 73 5.2.3 Energiegefilterte Abbildung 76 5.3 Spezielle Anwendungen von EELS und Energiefilterung 80 5.3.1 Energiegefilterte Abbildung unter Nutzung der Plasmonenmaxima 80 5.3.2 Nachweis der Bildung von Verbindungen 84 5.3.3 Abbildung mit reduziertem Energiefenster auf der elementspezifischen Kante 86 5.4 Energiegefilterte Abbildung im STEM-HAADF Modus 87 5.5 Kombination von Abbildung und Elementanalytik („Spectrum Imaging“) 93 14 6 Elektronenholographie 101 6.1 Prinzipielle Fragestellung 101 6.2 Physikalisches Prinzip der Elektronenholographie 109 6.3 Technische Umsetzung bei der Off-axis Holographie 112 6.4 Besonderheiten der Probenpräparation für elektronenholographische Untersuchungen 116 6.5 Hologrammaufnahme und numerische Auswertung 120 6.6 Anwendungen der Elektronenholographie an Halbleiterstrukturen 124 6.7 Elektronenholographische Untersuchungen ohne Einsatz einer Lorentzlinse 130 6.8 Möglichkeiten der Inline Holographie 134 7 Elektronentomographie 137 7.1 Prinzipielle Fragestellung 137 7.2 Theoretischer Ansatz zur Lösung 138 7.3 Praktische Umsetzung 143 7.4 Beispielhafte Ergebnisse 148 7.4.1 Charakterisierung von Diffusionsbarrieren 148 7.4.2 Geometrie des Substrates nach komplexer Prozessierung 150 7.4.3 Beschreibung und Messmöglichkeiten an 3-dimensional aufgebauten Transistoren 151 7.4.4 Fehleranalyse an Transistoren größerer Dimension 154 8 Zusammenfassung und Ausblick 157 8.1 Präparative Aspekte 157 8.2 Neue Herausforderungen an die Abbildungstechnik 158 8.3 Elementanalytische Arbeitstechniken 160 8.4 Elektronenholographie 161 8.5 Elektronentomographie 162 8.6 Weitere Fragestellungen 163 9 Literaturverzeichnis 16

A Detached-Eddy-Simulation study: Proper-Orthogonal-Decomposition of the wake flow behind a model wind turbine

In times of intense renewable energy development, the planning of wind farms and the improvement of their total efficiency has become a major field of research. A precise analysis of the velocity deficit, fluctuation load and the wake properties behind a turbine is essential to identify the optimal positioning and control of a wind farm cluster. Due to the increasing computer performance, numerical models have become an important tool for the precise analysis of the turbulent wake flow and for the optimization of the positioning of the turbine in a wind farm. In this study the wake characteristics are calculated with a Delayed-Detached-Eddy-Simulation (DDES) using a sliding mesh technique. The simulation is based on a 3D model wind turbine with a diameter of 0.89 m and a test area which corresponds to the wind tunnel geometry at the Department of Energy and Process Engineering at NTNU. A validation of DDES with an experimental Laser-Doppler-Anemometry (LDA) matches well with the results of the simulation. Furthermore, the coherent motions of vortex shedding in the near wake are detected with the Proper-Orthogonal-Decomposition (POD) technique while the significant frequencies are detected with a Power-Spectral-Density (PSD). These quantities describe the transition from coherent to turbulent motions in the wake and explain the influence of the downstream flow in detail. The investigation shows that the DDES computations are able to accurately predict the mean and turbulent wake flow behind a model wind turbine

Experimental validation of analytical wake and downstream turbine performance modelling

Wake effects in wind farms can cause significant power losses. In order to reduce these losses layout and control optimization can be applied. For this purpose, simple and fast prediction tools for the wake flow are needed. In the first part of this work, five analytical wind turbine wake models are compared to small-scale turbine wind tunnel measurements. The measurements are conducted at several downstream distances, varying the ambient turbulence intensity and upstream turbine blade pitch angle. Furthermore, an adjustment of a recently developed wake model is proposed. Subsequently, the adjusted model is found to perform best throughout all test cases. In the second part, the performance of an aligned downstream turbine is modelled based on the predicted wake flow using a Blade Element Momentum method with guaranteed convergence. In order to consider the non-uniform inflow velocity a mean-blade-element-velocity method is developed. Moreover, a blockage effect correction is applied. A comparison to wind tunnel measurement data shows that the wake velocity as well as the combined power of two aligned turbines are fairly well predicted. Additionally, the presented analytical framework of wake and downstream turbine performance modelling proposes several model improvements for state-of-the art wind farm simulation tools

The state of the Martian climate

60°N was +2.0°C, relative to the 1981–2010 average value (Fig. 5.1). This marks a new high for the record. The average annual surface air temperature (SAT) anomaly for 2016 for land stations north of starting in 1900, and is a significant increase over the previous highest value of +1.2°C, which was observed in 2007, 2011, and 2015. Average global annual temperatures also showed record values in 2015 and 2016. Currently, the Arctic is warming at more than twice the rate of lower latitudes

State of the climate in 2018

In 2018, the dominant greenhouse gases released into Earth’s atmosphere—carbon dioxide, methane, and nitrous oxide—continued their increase. The annual global average carbon dioxide concentration at Earth’s surface was 407.4 ± 0.1 ppm, the highest in the modern instrumental record and in ice core records dating back 800 000 years. Combined, greenhouse gases and several halogenated gases contribute just over 3 W m−2 to radiative forcing and represent a nearly 43% increase since 1990. Carbon dioxide is responsible for about 65% of this radiative forcing. With a weak La Niña in early 2018 transitioning to a weak El Niño by the year’s end, the global surface (land and ocean) temperature was the fourth highest on record, with only 2015 through 2017 being warmer. Several European countries reported record high annual temperatures. There were also more high, and fewer low, temperature extremes than in nearly all of the 68-year extremes record. Madagascar recorded a record daily temperature of 40.5°C in Morondava in March, while South Korea set its record high of 41.0°C in August in Hongcheon. Nawabshah, Pakistan, recorded its highest temperature of 50.2°C, which may be a new daily world record for April. Globally, the annual lower troposphere temperature was third to seventh highest, depending on the dataset analyzed. The lower stratospheric temperature was approximately fifth lowest. The 2018 Arctic land surface temperature was 1.2°C above the 1981–2010 average, tying for third highest in the 118-year record, following 2016 and 2017. June’s Arctic snow cover extent was almost half of what it was 35 years ago. Across Greenland, however, regional summer temperatures were generally below or near average. Additionally, a satellite survey of 47 glaciers in Greenland indicated a net increase in area for the first time since records began in 1999. Increasing permafrost temperatures were reported at most observation sites in the Arctic, with the overall increase of 0.1°–0.2°C between 2017 and 2018 being comparable to the highest rate of warming ever observed in the region. On 17 March, Arctic sea ice extent marked the second smallest annual maximum in the 38-year record, larger than only 2017. The minimum extent in 2018 was reached on 19 September and again on 23 September, tying 2008 and 2010 for the sixth lowest extent on record. The 23 September date tied 1997 as the latest sea ice minimum date on record. First-year ice now dominates the ice cover, comprising 77% of the March 2018 ice pack compared to 55% during the 1980s. Because thinner, younger ice is more vulnerable to melting out in summer, this shift in sea ice age has contributed to the decreasing trend in minimum ice extent. Regionally, Bering Sea ice extent was at record lows for almost the entire 2017/18 ice season. For the Antarctic continent as a whole, 2018 was warmer than average. On the highest points of the Antarctic Plateau, the automatic weather station Relay (74°S) broke or tied six monthly temperature records throughout the year, with August breaking its record by nearly 8°C. However, cool conditions in the western Bellingshausen Sea and Amundsen Sea sector contributed to a low melt season overall for 2017/18. High SSTs contributed to low summer sea ice extent in the Ross and Weddell Seas in 2018, underpinning the second lowest Antarctic summer minimum sea ice extent on record. Despite conducive conditions for its formation, the ozone hole at its maximum extent in September was near the 2000–18 mean, likely due to an ongoing slow decline in stratospheric chlorine monoxide concentration. Across the oceans, globally averaged SST decreased slightly since the record El Niño year of 2016 but was still far above the climatological mean. On average, SST is increasing at a rate of 0.10° ± 0.01°C decade−1 since 1950. The warming appeared largest in the tropical Indian Ocean and smallest in the North Pacific. The deeper ocean continues to warm year after year. For the seventh consecutive year, global annual mean sea level became the highest in the 26-year record, rising to 81 mm above the 1993 average. As anticipated in a warming climate, the hydrological cycle over the ocean is accelerating: dry regions are becoming drier and wet regions rainier. Closer to the equator, 95 named tropical storms were observed during 2018, well above the 1981–2010 average of 82. Eleven tropical cyclones reached Saffir–Simpson scale Category 5 intensity. North Atlantic Major Hurricane Michael’s landfall intensity of 140 kt was the fourth strongest for any continental U.S. hurricane landfall in the 168-year record. Michael caused more than 30 fatalities and $25 billion (U.S. dollars) in damages. In the western North Pacific, Super Typhoon Mangkhut led to 160 fatalities and$6 billion (U.S. dollars) in damages across the Philippines, Hong Kong, Macau, mainland China, Guam, and the Northern Mariana Islands. Tropical Storm Son-Tinh was responsible for 170 fatalities in Vietnam and Laos. Nearly all the islands of Micronesia experienced at least moderate impacts from various tropical cyclones. Across land, many areas around the globe received copious precipitation, notable at different time scales. Rodrigues and Réunion Island near southern Africa each reported their third wettest year on record. In Hawaii, 1262 mm precipitation at Waipā Gardens (Kauai) on 14–15 April set a new U.S. record for 24-h precipitation. In Brazil, the city of Belo Horizonte received nearly 75 mm of rain in just 20 minutes, nearly half its monthly average. Globally, fire activity during 2018 was the lowest since the start of the record in 1997, with a combined burned area of about 500 million hectares. This reinforced the long-term downward trend in fire emissions driven by changes in land use in frequently burning savannas. However, wildfires burned 3.5 million hectares across the United States, well above the 2000–10 average of 2.7 million hectares. Combined, U.S. wildfire damages for the 2017 and 2018 wildfire seasons exceeded $40 billion (U.S. dollars)

Spezielle Anwendungen der Transmissionselektronenmikroskopie in der Siliziumhalbleiterindustrie

The strong improvements in functionality and productivity in the semiconductor industry are mostly a result of the decrease of structural details on a logarithmic scale during the last decades. The monitoring of the production process, as well as failure analyses, utilize methods of transmission electron microscopy. For targeted preparations of semiconductor structures, techniques based on focused ion beams are established, with adaptions to the current task. The imaging of structural details with dimensions of a few nanometers requires the application of different contrast techniques, depending on the detailed request. Different opportunities of elemental analysis, such as energy dispersive X-ray analysis or electron energy loss analysis, deliver additional information about the chemical composition and binding states on a nanoscale. The use of scanning transmission electron microscopy enables a direct combination of imaging and elemental analysis. The local distribution of dopants, as one of the major basics for the function of semiconductor devices, can be observed via the phase shift of the transmitted electron wave only. This influence requires the application of electron holography, a technique which enables the visualization of the process result of implantations or diffusion processes. The characterization of details which are smaller than the thickness of a TEM-sample is enabled through the use of electron tomography. This technique requires special strategies for preparation and imaging and delivers a 3D-dataset, describing the structure

Spezielle Anwendungen der Transmissionselektronenmikroskopie in der Siliziumhalbleiterindustrie

Die außerordentlichen Steigerungen der Funktionalität und Produktivität in der Halbleiterindustrie sind zum wesentlichen Teil auf eine Verkleinerung der Strukturdetails auf einer logarithmischen Skala über die letzten Jahrzehnte zurückzuführen. Sowohl zur Kontrolle des Fertigungsergebnisses als auch zur Klärung von Fehlerursachen ist die Nutzung transmissionselektronenmikroskopischer Methoden unabdingbar. Für die Zielpräparation von Halbleiterstrukturen sind Techniken unter Nutzung der Focused Ion Beam Geräte etabliert, die je nach der konkreten Aufgabenstellung variiert werden. Die Abbildung von Strukturdetails mit Abmessungen von wenigen Nanometern erfordert die Anwendung unterschiedlicher Kontrastmechanismen. Die Ergänzung der Abbildung durch die analytischen Techniken der energiedispersiven Röntgenmikroanalyse und der Elektronenenergieverlustanalyse ist ein wertvolles Werkzeug bei der Klärung von Fehlerursachen oder bei prozesstechnischen Fragestellungen. Die Nutzung der Rastertransmissionselektronenmikroskopie erlaubt die unmittelbare Kombination von Abbildung und Elementanalyse. Die lokale Verteilung von Dotierstoffen als wesentliche Grundlage für die Funktion von Bauelementen in der Halbleiterindustrie ist nur über ihre Auswirkung auf die Phase der transmittierten Elektronenwelle nachweisbar. Mittels Elektronenholographie kann dieser Einfluss gemessen werden und das Prozessergebnis von Implantationen dargestellt werden. Für die Charakterisierung von Details, die kleiner als die Probendicken sind, die im TEM genutzt werden, ist die Anwendung der Elektronentomographie ein geeignetes Werkzeug. Dazu sind spezielle Präparations- und Abbildungsstrategien erforderlich.:0. Gliederung Danksagung 3 Kurzfassung / Abstract 5 Abkürzungsverzeichnis 7 Verzeichnis der Symbole 9 0 Gliederung 13 1 Einleitung 15 1.1 Rahmenbedingungen der Halbleiterindustrie 15 1.2 Typische Strukturen und Fragestellungen in Halbleiterbauelementen 17 1.3 Analytische Untersuchungen an Halbleiterstrukturen 19 2 Einordnung der TEM in die Analytik von Halbleiterbauelementen 23 2.1 Einsatz struktur- und elementanalytischer Verfahren in der Halbleiterindustrie 23 2.2 Beitrag der Transmissionselektronenmikroskopie zu den Fragestellungen 25 2.3 Beispiele typischer Halbleiterstrukturen 27 2.4 Anforderungen an ein TEM für den Einsatz an einem Halbleiterproduktionsstandort 31 3 Präparation von Halbleiterstrukturen Untersuchung im TEM 35 3.1 Mechanische Vorbereitung 35 3.2 Endabdünnung größerer Bereiche 36 3.3 Zielpräparationen mittels Focused Ion Beam Technik 37 3.4 Lift-Out Techniken 40 4 Abbildende Untersuchungen und strukturanalytische Charakterisierung 45 4.1 Abbildungstechniken für mittlere Ortsauflösungen 46 4.2 Hochauflösende Abbildung kristalliner Bestandteile 56 4.3 Rastertransmissionselektronenmikroskopie 59 4.4 Elektronenbeugung 61 5 Elementanalytische Untersuchungen 65 5.1 Energiedispersive Röntgenanalyse im TEM 65 5.2 Nutzung von Energieverlusten der Elektronen zur Materialcharakterisierung 71 5.2.1 Ansatz und technische Lösungen 71 5.2.2 Elektronenenergiverlustspektroskopie 73 5.2.3 Energiegefilterte Abbildung 76 5.3 Spezielle Anwendungen von EELS und Energiefilterung 80 5.3.1 Energiegefilterte Abbildung unter Nutzung der Plasmonenmaxima 80 5.3.2 Nachweis der Bildung von Verbindungen 84 5.3.3 Abbildung mit reduziertem Energiefenster auf der elementspezifischen Kante 86 5.4 Energiegefilterte Abbildung im STEM-HAADF Modus 87 5.5 Kombination von Abbildung und Elementanalytik („Spectrum Imaging“) 93 14 6 Elektronenholographie 101 6.1 Prinzipielle Fragestellung 101 6.2 Physikalisches Prinzip der Elektronenholographie 109 6.3 Technische Umsetzung bei der Off-axis Holographie 112 6.4 Besonderheiten der Probenpräparation für elektronenholographische Untersuchungen 116 6.5 Hologrammaufnahme und numerische Auswertung 120 6.6 Anwendungen der Elektronenholographie an Halbleiterstrukturen 124 6.7 Elektronenholographische Untersuchungen ohne Einsatz einer Lorentzlinse 130 6.8 Möglichkeiten der Inline Holographie 134 7 Elektronentomographie 137 7.1 Prinzipielle Fragestellung 137 7.2 Theoretischer Ansatz zur Lösung 138 7.3 Praktische Umsetzung 143 7.4 Beispielhafte Ergebnisse 148 7.4.1 Charakterisierung von Diffusionsbarrieren 148 7.4.2 Geometrie des Substrates nach komplexer Prozessierung 150 7.4.3 Beschreibung und Messmöglichkeiten an 3-dimensional aufgebauten Transistoren 151 7.4.4 Fehleranalyse an Transistoren größerer Dimension 154 8 Zusammenfassung und Ausblick 157 8.1 Präparative Aspekte 157 8.2 Neue Herausforderungen an die Abbildungstechnik 158 8.3 Elementanalytische Arbeitstechniken 160 8.4 Elektronenholographie 161 8.5 Elektronentomographie 162 8.6 Weitere Fragestellungen 163 9 Literaturverzeichnis 165The strong improvements in functionality and productivity in the semiconductor industry are mostly a result of the decrease of structural details on a logarithmic scale during the last decades. The monitoring of the production process, as well as failure analyses, utilize methods of transmission electron microscopy. For targeted preparations of semiconductor structures, techniques based on focused ion beams are established, with adaptions to the current task. The imaging of structural details with dimensions of a few nanometers requires the application of different contrast techniques, depending on the detailed request. Different opportunities of elemental analysis, such as energy dispersive X-ray analysis or electron energy loss analysis, deliver additional information about the chemical composition and binding states on a nanoscale. The use of scanning transmission electron microscopy enables a direct combination of imaging and elemental analysis. The local distribution of dopants, as one of the major basics for the function of semiconductor devices, can be observed via the phase shift of the transmitted electron wave only. This influence requires the application of electron holography, a technique which enables the visualization of the process result of implantations or diffusion processes. The characterization of details which are smaller than the thickness of a TEM-sample is enabled through the use of electron tomography. This technique requires special strategies for preparation and imaging and delivers a 3D-dataset, describing the structure.:0. Gliederung Danksagung 3 Kurzfassung / Abstract 5 Abkürzungsverzeichnis 7 Verzeichnis der Symbole 9 0 Gliederung 13 1 Einleitung 15 1.1 Rahmenbedingungen der Halbleiterindustrie 15 1.2 Typische Strukturen und Fragestellungen in Halbleiterbauelementen 17 1.3 Analytische Untersuchungen an Halbleiterstrukturen 19 2 Einordnung der TEM in die Analytik von Halbleiterbauelementen 23 2.1 Einsatz struktur- und elementanalytischer Verfahren in der Halbleiterindustrie 23 2.2 Beitrag der Transmissionselektronenmikroskopie zu den Fragestellungen 25 2.3 Beispiele typischer Halbleiterstrukturen 27 2.4 Anforderungen an ein TEM für den Einsatz an einem Halbleiterproduktionsstandort 31 3 Präparation von Halbleiterstrukturen Untersuchung im TEM 35 3.1 Mechanische Vorbereitung 35 3.2 Endabdünnung größerer Bereiche 36 3.3 Zielpräparationen mittels Focused Ion Beam Technik 37 3.4 Lift-Out Techniken 40 4 Abbildende Untersuchungen und strukturanalytische Charakterisierung 45 4.1 Abbildungstechniken für mittlere Ortsauflösungen 46 4.2 Hochauflösende Abbildung kristalliner Bestandteile 56 4.3 Rastertransmissionselektronenmikroskopie 59 4.4 Elektronenbeugung 61 5 Elementanalytische Untersuchungen 65 5.1 Energiedispersive Röntgenanalyse im TEM 65 5.2 Nutzung von Energieverlusten der Elektronen zur Materialcharakterisierung 71 5.2.1 Ansatz und technische Lösungen 71 5.2.2 Elektronenenergiverlustspektroskopie 73 5.2.3 Energiegefilterte Abbildung 76 5.3 Spezielle Anwendungen von EELS und Energiefilterung 80 5.3.1 Energiegefilterte Abbildung unter Nutzung der Plasmonenmaxima 80 5.3.2 Nachweis der Bildung von Verbindungen 84 5.3.3 Abbildung mit reduziertem Energiefenster auf der elementspezifischen Kante 86 5.4 Energiegefilterte Abbildung im STEM-HAADF Modus 87 5.5 Kombination von Abbildung und Elementanalytik („Spectrum Imaging“) 93 14 6 Elektronenholographie 101 6.1 Prinzipielle Fragestellung 101 6.2 Physikalisches Prinzip der Elektronenholographie 109 6.3 Technische Umsetzung bei der Off-axis Holographie 112 6.4 Besonderheiten der Probenpräparation für elektronenholographische Untersuchungen 116 6.5 Hologrammaufnahme und numerische Auswertung 120 6.6 Anwendungen der Elektronenholographie an Halbleiterstrukturen 124 6.7 Elektronenholographische Untersuchungen ohne Einsatz einer Lorentzlinse 130 6.8 Möglichkeiten der Inline Holographie 134 7 Elektronentomographie 137 7.1 Prinzipielle Fragestellung 137 7.2 Theoretischer Ansatz zur Lösung 138 7.3 Praktische Umsetzung 143 7.4 Beispielhafte Ergebnisse 148 7.4.1 Charakterisierung von Diffusionsbarrieren 148 7.4.2 Geometrie des Substrates nach komplexer Prozessierung 150 7.4.3 Beschreibung und Messmöglichkeiten an 3-dimensional aufgebauten Transistoren 151 7.4.4 Fehleranalyse an Transistoren größerer Dimension 154 8 Zusammenfassung und Ausblick 157 8.1 Präparative Aspekte 157 8.2 Neue Herausforderungen an die Abbildungstechnik 158 8.3 Elementanalytische Arbeitstechniken 160 8.4 Elektronenholographie 161 8.5 Elektronentomographie 162 8.6 Weitere Fragestellungen 163 9 Literaturverzeichnis 16

Microstructure and Interface Characteristics of 17-4PH/YSZ Components after Co-Sintering and Hydrothermal Corrosion

Combining stainless steel with zirconia components by powder technological shaping routes for manufacturing of multifunctional parts is an advantageous and promising one-step method making expensive and time-consuming additional joining steps redundant. However, several requirements for co-shaping and co-sintering of the very different compound partners have to be met. The microstructural and chemical constitution of the interface between both materials plays an important role for the mechanical properties, durability and corrosion resistance of the manufactured parts. In the present study, different shaping techniques for co-shaping of stainless steel and zirconia are introduced. The microstructure and the interphase properties of metal/ceramic hybrid parts have been investigated for samples made by tape casting, subsequent lamination and co-sintering. Nevertheless, the results of this study are valid for components made by other hybrid shaping processes as well. The interfaces were characterized by TEM, FESEM, EDX, and X-ray diffraction. Furthermore, the hydrothermal stability of the material compound was investigated

A Detached-Eddy-Simulation study: Proper-Orthogonal-Decomposition of the wake flow behind a model wind turbine

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Analysis of the effect of TSV-induced stress on devices performance by direct strain and electrical measurements and FEA simulations

A well-documented effect of the mechanical stresses generated by 3D IC packaging on the performance of electrical circuits, in some cases leading to their parametric failure, can be controlled by means of stress assessment EDA tools. Verification and calibration of the layout engineered stress models are traditionally performed on the basis of electrical data demonstrating the stress induced changes in transistors' drain currents. This paper demonstrates the validity of such an approach in the case of chip-package interaction (CPI) induced stresses. Through-silicon vias (TSV) were chosen in this study as a well-controlled stress source. Specially designed test-structures were used for measurements of TSV-induced strains in FET channels by means of the TEM/CBED (Transmission Electron Microscopy/Convergent Beam Electron Diffraction) technique. Measured strains were used for calibrating the developed finite-element analysis (FEA) model of TSV-induced stress. The calibrated stress model was employed for calculating the TSV induced drain current changes in the nearby devices in the test structures designed for electrical measurements. The demonstrated good fit between the calculated and measured current changes validates the use of electrical measurements for calibrating CPI stress assessment models