Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Früherkennung für Materialfehler: SEMIKRON Innovation Award für neuartigen Leistungselektronik-Test

14.03.2016

Forscher von Fraunhofer IISB, FAU Erlangen-Nürnberg, Infineon und Intego erhielten den SEMIKRON Innovation Award 2016. Das Team entwickelte ein neues Messgerät zur schnellen und kontaktlosen Diagnose von Materialfehlern auf SiC-Wafern. Mittels Photolumineszenz (PL) lassen sich strukturelle Defekte zerstörungsfrei und bei Raumtemperatur detektieren. Der im Projekt SiC-WinS entwickelte PL-Scanner hat eine Auflösung von 2-5 µm und scannt einen 150-mm-Wafer in 30 min. Das Projekt SiC-WinS wurde durch die Bayerische Forschungsstiftung gefördert.

Sie sind unentbehrlich, wenn elektrische Energie verteilt, umgewandelt oder gespeichert werden soll: leistungselektronische Bauelemente. Besonders zuverlässig müssen diese Bauteile sein, wenn sie an zentralen oder schwer zugänglichen Punkten im Energienetz wie in Umspannwerken oder Offshore-Windanlagen zum Einsatz kommen.


Bildunterschrift siehe IPTC-Daten

Fraunhofer IISB

Gerade für höhere Spannungsklassen können zukünftig Bauelemente aus dem Material Siliziumkarbid herkömmliche Bauelemente aus Silizum ablösen, da sich hiermit wesentlich energieeffizientere Lösungen realisieren lassen. Doch Siliziumkarbid enthält noch deutlich mehr Materialfehler als Silizium, die sich zuweilen erst im Laufe der Zeit durch den Ausfall von Bauteilen zeigen.

Einem Konsortium aus Wirtschaft und Wissenschaft ist es gelungen, einen kostengünstigen Test zu entwickeln, mit dem sich kleinste Defekte bereits auf Siliziumkarbid-Wafern – dem Rohmaterial für neuartige, besonders energieeffiziente Bauelemente – nachweisen lassen.

Stellvertretend für ihre Teams sind die vier Projektleiter Dr. Patrick Berwian (Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB), Dr. Michael Krieger (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg), Larissa Wehrhahn-Kilian (Infineon Technologies AG) sowie Dr. Michael Schütz (Intego GmbH) mit dem SEMIKRON Innovation Award 2016 ausgezeichnet worden.

Der kontinuierlich steigende Anteil erneuerbarer Energien mit schwankender Einspeisung und den oft sehr langen Wegen zwischen Stromerzeugung und Verbrauchern stellt sehr hohe und steigende Anforderungen an die öffentlichen Stromnetze. Deren Infrastruktur wird zunehmend auf intelligenten Energiesystemen beruhen, welche die elektrische Energie nach Bedarf verteilen, umwandeln, speichern und filtern.

Aufgrund der zunehmenden Komplexität der Systeme und der hierfür benötigten Leistungselektronik werden auch an die Zuverlässigkeit der Komponenten höchste Anforderungen gestellt. Beispielsweise stelle man sich eine Offshore-Windturbine mit ausgefallener Leistungselektronik vor: Die Reparatur auf hoher See verursacht großen Aufwand und hohe Kosten, ganz zu schweigen von Zuverlässigkeitsproblemen in zentralen Einrichtungen der Hochspannungsversorgung, wie zum Beispiel Umspannwerken oder Stromtrassen.

Halbleiterbauelemente aus dem Material Siliziumkarbid (SiC) können eine zentrale Rolle in künftigen leistungselektronischen Systemen spielen. SiC-basierte Leistungselektronik hat im Vergleich zu konventioneller siliziumbasierter Leistungselektronik das Potenzial, die Energieeffizienz aller Anwendungen deutlich zu steigern und zugleich die Kosten auf System­ebene zu reduzieren. Die Herstellung kostengünstiger, energieeffizienter und höchst zuverlässiger SiC-Leistungsbauelemente für Energieanwendungen ist deshalb ein wichtiges Ziel der Halbleiterindustrie.

Anspruchsvolles Halbleitermaterial

In Bezug auf Herstellung und Bearbeitung ist SiC allerdings ein anspruchsvolles Material. Bislang haben vor allem die bereits kommerziell erhältlichen so genannten unipolaren SiC-Bauelemente eine sehr hohe Zuverlässigkeit bewiesen. Dagegen sind bipolare SiC-Bau­elemente, welche für Anwendungen in Energiesystemen mit höheren Spannungsklassen benötigt werden, heute noch deutlich anfälliger für bestimmte Materialdefekte.

Eine Schwierigkeit ist dabei, dass diese Defekte nicht immer zum sofortigen Ausfall des bipolaren Bau­elements führen, sondern es zu einer schleichenden Degradation kommen kann, die nach dem heutigen Stand der Technik nur mit unvertretbar hohem Aufwand während der Herstellung bzw. im Endtest der Bauelemente beim Hersteller erkannt wird.

Vor diesem Hintergrund haben sich die Infineon Technologies AG und die Intego GmbH mit dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB sowie dem Lehrstuhl für Angewandte Physik (LAP) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg im Rahmen des von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Projekts „SiC-WinS“ zusammengeschlossen.

Ziel der Zusammenarbeit war die Verbesserung eines qualitätskritischen Prozessschrittes bei der Bauelementherstellung, der sogenannten Epitaxie des Driftgebiets, und die Entwicklung und Evaluierung einer neuen Methode für die Qualitätskontrolle. Die Vision war, in der Qualitätskontrolle eine Null-Fehler-Toleranz zu erreichen und damit hunderprozentige Zuverlässigkeit bei Bauelementen für die besonders anspruchsvollen Anwendungen in der Energietechnik zu garantieren.

Stand der Messtechnik: ausbaufähig

Aktuell kommt zum Nachweis einer Degradation von SiC-Bipolarbauelementen ein elektrischer Stresstest zum Einsatz, bei dem die Bauelemente für mehrere Minuten bis hin zu Stunden mit hohen Strömen von über 100 A/cm² beaufschlagt werden. Da dieser Test zum einen zeitaufwändig und teuer ist und zum anderen nicht frühzeitig in der Produktion auf Waferebene, sondern nur bei fertig gekapselten Bauelementen durchgeführt werden kann, ist diese Methode für eine industrielle Fertigung nicht geeignet.

Die Idee der Projektpartner war es, die Ursache der Bauelementdegradation – spezifische Kristalldefekte in den SiC-Scheiben – durch direkte Abbildung nachzuweisen. Um ein solches Verfahren auch in industriellen Produktionslinien einsetzen zu können, musste es für die Inspektion ganzer SiC-Wafer ausgelegt sowie zerstörungs- und kontaminationsfrei und vor allem schnell sein.

Die Forscher haben sich deshalb für die Methode der abbildenden Photolumineszenz (PL) bei Raumtemperatur entschieden, um die kritischen Defekte nachzuweisen. Aus der wissenschaftlichen Literatur war bereits bekannt, dass in PL-Bildern von SiC-Substraten die Defekte als helle oder dunkle Strukturen vor dem Hintergrund des SiC-Grundmaterials abgebildet werden können, je nach Art des Defekts und der Wellenlänge der Lumineszenz-Signale. Allerdings existierte bislang kein PL-Messgerät, das schnell genug für die Defektanalyse ganzer Wafer und damit für den Einsatz in einer Fertigungslinie geeignet war.

Reihenuntersuchung für SiC-Wafer

Im Rahmen des Projektes SiC-WinS, das durch die Bayerische Forschungsstiftung gefördert wurde, konnte diese Herausforderung gemeistert werden. Ein neu entwickeltes PL-Mess­gerät liefert Aufnahmen ganzer SiC-Wafer und aller darauf teilprozessierten Bauelemente mit einer Auflösung von 2 bis 5 µm. Kritische Bauelemente, die später im Betrieb ausfallen würden, lassen sich so sicher identifizieren und markieren. Die zerstörungsfreie und kontaktlose Messung eines 150-Millimeter-Wafers benötigt dabei weniger als 30 Minuten und kann nach verschiedenen Zwischenschritten bei der Prozessierung des Wafers wiederholt werden.

Die Ergebnisse, die mit dieser abbildenden Photolumineszenz-Messtechnik erzielt werden, sind beeindruckend und haben die ursprünglichen Erwartungen übertroffen. Bereits nach dem ersten Prozessschritt der Bauelementfertigung – der epitaktischen Abscheidung des Driftgebiets – identifiziert der PL-Scanner Materialdefekte in den noch unfertigen Bauelementen. In umfangreichen Studien konnte gezeigt werden, dass es im späteren Betrieb genau bei diesen Bauelementen zu Ausfällen kommt, selbst wenn sie in den üblichen elektrischen Standardtests absolut unauffällig waren.

Damit ist das neu entwickelte Inspektionsverfahren eine sehr wertvolle Ergänzung der Qualitätskontrollmethoden bei der industriellen Produktion von bipolaren SiC-Hochvoltbauelementen. Durch die Vorhersage des Fehlerverhaltens trägt die PL-Messtechnik unmittelbar zur Einführung zuverlässiger und effizienter bipolarer SiC-Leistungsbauelemente im Energie- und Hochvoltmarkt bei.

SEMIKRON Innovation Award

Der SEMIKRON Innovation Award würdigt herausragende Innovationen bei Projekten, Prototypen, Dienstleistungen und innovativen Konzepten im Bereich der Leistungselektronik in Europa. Die SEMIKRON Stiftung würdigt Innovationen, die ein hohes Potenzial sozialen Nutzens bergen und die Energieeffizienz, Ressourcenschonung, Nachhaltigkeit und Umweltschutz verbessern. Die Preisträger werden in Zusammenarbeit mit dem Europäischen Zentrum für Leistungselektronik ECPE gewählt. Der Hauptpreis ist mit 10.000 Euro dotiert.

Fraunhofer IISB

Das 1985 gegründete Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB betreibt angewandte Forschung und Entwicklung auf den Gebieten der Mikro- und Nanoelektronik, Leistungselektronik und Mechatronik. Mit Technologie-, Geräte- und Materialentwicklungen für die Nanoelektronik sowie seinen Arbeiten zu leistungselektronischen Systemen für Energieeffizienz, Hybrid- und Elektroautomobile genießt das Institut internationale Aufmerksamkeit und Anerkennung. Rund 250 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten in der Vertragsforschung für die Industrie und öffentliche Einrichtungen. Neben seinem Hauptsitz in Erlangen hat das IISB zwei weitere Standorte in Nürnberg und Freiberg. Das IISB kooperiert eng mit dem Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

Ansprechpartner

Dr. Jochen Friedrich

Fraunhofer IISB
Schottkystraße 10, 91058 Erlangen

Tel. +49 9131 761 270
Fax +49 9131 761 280
info@iisb.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

http://www.iisb.fraunhofer.de/presse Homepage Fraunhofer IISB (Pressebereich)

Kommunikation | Fraunhofer-Gesellschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Förderungen Preise:

nachricht Bund fördert Entwicklung sicherer Schnellladetechnik für Hochleistungsbatterien mit 2,5 Millionen
06.12.2016 | Technische Universität Clausthal

nachricht Fraunhofer WKI koordiniert vom BMEL geförderten Forschungsverbund zu Zusatznutzen von Dämmstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen
05.12.2016 | Fraunhofer-Institut für Holzforschung - Wilhelm-Klauditz-Institut WKI

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Förderungen Preise >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Das Universum enthält weniger Materie als gedacht

07.12.2016 | Physik Astronomie

Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle

07.12.2016 | Physik Astronomie

Bakterien aus dem Blut «ziehen»

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie