Nano-Röntgentomograph für Industrie und Forschung
16.06.2020Mit einem verbesserten System der Röntgentomographie lassen sich Objekte der Mikroelektronik und Mikromechanik jetzt deutlich schneller bis in ihre Nanodimensionen abbilden. Ein Team aus der Physik hat daran mitgewirkt.
Vor 125 Jahren entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen an der Universität Würzburg die nach ihm benannten Strahlen. Schon sehr bald wurde klar, dass die neue Art von Strahlen nicht nur für Fortschritte in der Medizin sorgen sollte.
Mit Röntgenstrahlen können heute auch der Aufbau und die Qualität von technischen Konstruktionen und Werkstoffen bis in den Nanometerbereich beurteilt werden, ohne dass die Proben dafür zerstört werden müssen. Mit röntgentomographischen Verfahren werden zum Beispiel kleinste Risse in Lithium-Elektroden sichtbar. Auch die komplexen inneren Strukturen von modernen Werkstoffen und Mikrochips lassen sich bis in Nanodimensionen hinein abbilden.
Messzeiten der NanoCT deutlich verkürzt
Passend zum Röntgen-Jubiläumsjahr 2020 stellt das Fraunhofer-Entwicklungszentrum Röntgentechnik (EZRT) des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen (IIS) eine Neuerung in der Röntgentomographie vor: Das NanoCT-System ntCT wurde derart weiterentwickelt, dass es bei deutlich verkürzten Messzeiten gleichbleibend gute Ergebnisse liefert. Das System eignet sich für die mikroskopisch feine Untersuchung von Objektproben mit einer Auflösung von bis zu 150 Nanometern.
Solche Diagnosesysteme werden immer wichtiger, weil die Mikroelektronik zum Beispiel in Halbleiterspeichern zunehmend komplexer, kompakter und dreidimensionaler wird. „Nach Jahrzehnten erfolgreicher Miniaturisierung produziert die Industrie heute Strukturen, die für die Untersuchung mit gewöhnlichen Röntgen-Systemen oft zu fein sind“, schreibt das Fraunhofer IIS in einer Pressemitteilung.
Kooperation mit dem Lehrstuhl für Röntgenmikroskopie
An dem NanoCT-System arbeitet das EZRT seit Anfang eng mit der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg zusammen. Der Kooperationspartner ist der Lehrstuhl für Röntgenmikroskopie unter Leitung von Professor Randolf Hanke; der Lehrstuhl gehört zur Fakultät für Physik und Astronomie.
Dr. Christian Fella hat in seiner Zeit als Doktorand an der JMU den Grundstein für das Gerät gelegt. Nach der Promotion übernahm er beim Fraunhofer EZRT als Gruppenleiter die weitere Entwicklung des NanoCT-Systems.
Für die Weiterentwicklung der NanoCT-Techniken am Lehrstuhl ist neben anderen aktuell Doktorand Dominik Müller zuständig. „Wir können hier am Hubland das neueste ntCT-Gerät nutzen“, freut sich der Materialwissenschaftler. Das sei einmalig im Laborumfeld, denn die ntCT sei den üblichen kommerziell verfügbaren Geräten dieser Art um eine Generation voraus. Davon profitieren auch viele andere Forschungsgruppen der JMU, die bei Müller ihre neu entwickelten Halbleiterelemente oder Funktionsmaterialien mittels NanoCT analysieren lassen.
Röntgenröhre der neuesten Generation
2018 hat das Fraunhofer EZRT die ntCT der ersten Generation vorgestellt. In Kooperation mit der schwedischen Firma Excillum AB konnte jetzt die Röntgenquelle, eine der Kernkomponenten des Systems, nochmals verbessert werden: Das System ist nun in der Lage, Messzeiten von nur wenigen Stunden für einen kompletten CT-Scan mit einer Auflösung unter 200 Nanometern zu realisieren. Zuvor dauerten die Messzeiten fast vier Mal so lange.
Damit eignet sich die Nanoskalentomographie nun auch für die Integration in Produktionsumgebungen. Neben einem hochautomatisierten Betrieb für die meisten Anwendungen können die Nutzerinnen und Nutzer in einem erweiterten Betriebsmodus auf alle Einstellparameter und Rohdaten zugreifen. Für Objekte aus der Mikroelektronik, die den Einsatz einer höheren Röntgenenergie erfordern, kann das System in einer 110-Kilovolt-Variante ausgeliefert werden.
„Das ntCT-System bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten für nahezu alle Bereiche, in denen eine zerstörungsfreie 3D-Analyse mit höchster Auflösung erforderlich ist. Das System besteht nicht nur aus der Hardware, es ist eine komplette Analyseumgebung, die die Anwenderin oder den Anwender vom Einlegen der Proben bis hin zu den rekonstruierten Daten begleitet«, sagt Dr. Christian Fella.
Upgradesystem kommerziell verfügbar
Die neue Version der ntCT ist ab sofort in der Produktreihe „ProCon CT-Alpha“ über die Firma ProCon XRay GmbH kommerziell verfügbar. Laut Fraunhofer IIS ermöglicht die Zusammenarbeit zwischen dem Fraunhofer EZRT als forschungsorientiertem Entwickler und der ProCon X-Ray GmbH als Systemintegrator eine wesentlich schnellere Umsetzung neuester technologischer Entwicklungen in einsatzbereite Produkte.
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