Substratschonende Präzisionsbearbeitung in Low-κ-Mehrschichtsystemen durch synergetische Nutzung von UV-Nanosekunden- und NIR-Femtosekunden-Laserpulsen (SYNULAS)

• Antragsteller: Professor Dr. Heinz Paul Huber; Professor Dr. Constantin Leon Häfner, seit 1/2025
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423531130

Die präzise Lasermaterialbearbeitung von dünnen, transparenten Low-k-Dielektrika ist für die fortlaufende Miniaturisierung integrierter Schaltkreise in der Halbleiterindustrie unerlässlich. In diesem Vorhaben wird eine schädigungsfreie Bearbeitung von Low-k-Dünnschichten auf Siliziumwafern mittels Laserstrahlung angestrebt. Durch die gezielte Steuerung der Energieeindringtiefe mittels Anregung freier Elektronen soll eine selektive Ablation der Dünnschicht ermöglicht und somit Schädigungen wie Delamination und Rissbildung vorgebeugt werden. Ein Nanosekunden-UV-Laserpuls, dessen Intensität unterhalb der Schädigungsschwelle des Materials gehalten wird, dient der gezielten Anregung freier Elektronen, was die Energieeindringtiefe für einen nachfolgenden Femtosekunden-IR-Laserpuls reduziert und eine effektive Ablation ermöglicht. Das unmittelbare Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines experimentell validierten, numerischen Prozessmodells für den selektiven und schädigungsfreien Doppelpulsabtrag von Low-k-Dünnschichten. Systematische Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen den ns-UV-Pulsen, den fs-IR-Pulsen und der Kombination beider Pulse mit dem Dünnschichtsystem sind vorgesehen. Im Fokus steht eine SiCO:H-Dünnschicht auf einem Silizium-Substrat, die später durch eine 100 nm starke SiNx-Passivierungsschicht ergänzt wird, unter Verwendung kommerziell verfügbarer Lasersysteme für potenzielle industrielle Anwendungen. Zur Erreichung der Projektziele wird die Ablationsdynamik durch eine Kombination aus Ultrakurzpuls-Pump-Probe-Experimenten und numerischen Simulationen, die Elektronendynamik, Laserstrahlungsabsorption und nachfolgende Erwärmung umfassen, eingehend charakterisiert. Das Modell strebt an, zeitabhängige Observablen wie transiente optische Eigenschaften (Reflexion, Absorption, Energieeindringtiefe, Transmission) sowie thermo-mechanische Parameter (Temperatur, Dichte, Druckwellen) präzise vorherzusagen, um anschließend spezifische Ablationskriterien umfassend untersuchen zu können. Am Projektende soll das experimentell validierte Modell ein Prozessfenster definieren, das einen schädigungsfreien Abtrag mit Doppelpulsen effizient ermöglicht. Es wird erwartet, dass die Forschungsergebnisse nicht nur die Qualität und Effizienz in der Halbleiterfertigung steigern, sondern auch das Verständnis der grundlegenden Mechanismen der ultrakurzen Laserbearbeitung von Low-k-Dielektrika erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Schulz, bis 1/2025