Liquid Contact Probing inside the SEM

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Sergej Fatikow
• Subject Area: Measurement Systems ; Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics ; Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering ; Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2017 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 381855500

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurden sowohl etablierte Methoden untersucht als auch neue entwickelt, um Kontaktmessungen im Submikrometerbereich mit erhöhter Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit auf Basis von Flüssigmetall durchzuführen. Die genaue Kenntnis der Grenzflache zwischen Sonde und Kontaktflache (Pad) spielt dabei und bei der Interpretation der Messwerte eine sehr wichtige Rolle. Das Projekt war unterteilt in drei Hauptphasen. In der ersten instrumentellen Phase wurde ein robotischer Aufbau entwickelt und realisiert, der für das restliche Projekt die Grundlage schuf Flüssigmetall auf der gewünschten Skala effizient manipulieren und verarbeiten zu können. In der zweiten, der experimentellen, Phase lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung von Techniken zur Verarbeitung von Flüssigmetall und dem Einsatz des Materials für Kontaktmessungen in einem REM. Nach erfolgreicher Entwicklung effizient anwendbarer Techniken wurden in der Verwertungsphase diese Entwicklungen verwendet, um gezielt Strukturen mittels Hochfrequenz auf der Nanoskala zu vermessen. Mit diesen Techniken konnten die für dieses Projekt angestrebten Kontaktpads aus Flüssigmetall hergestellt und elektrisch ausgemessen werden. Dabei wurden diese Flüssigmetall-Pads durch Hochfrequenzmessungen charakterisiert und mit den Simulations- und experimentellen Messdaten von kommerziellen Pads verglichen. Insbesondere untersuchte man das Verhalten der Pads während der Falschpositionierung des Probers. Dabei zeigten sich im Gleichspannungs- und Hochfrequenz Bereich deutliche Vorteile beim Hart-Weich-Hart-Kontakt im Vergleich zum kommerziellen Hart-Hart-Kontakt. Es konnten mit der Etablierung eines flüssigen Interfaces sowohl Abriebeffekte als auch elektrische Messfehler signifikant reduziert werden. Die Ergebnisse dieses Projektes ermöglichen somit die robotergestutzte, automatisierte elektrische Messung von kleinen Bauteilen mit Flüssigmetall und haben somit das Potenzial, ein neues Forschungs- und Industriegebiet zu erschließen. Des Weiteren bietet sich eine Vielzahl an neuen Forschungsfeldern an. So erfolgte experimentell der Einsatz von Flüssigmetall bei Adhäsionsmessungen, wobei es möglich war, Flüssig-Fest Adhäsion im Nanometerbereich zum ersten Mal gezielt zu untersuchen und optisch auszuwerten. Auch weitere Techniken waren vielversprechend, wie ein auf Flüssigmetall basierendes Greifersystem, bei dem durch den Wechsel des Aggregatzustands das Aufheben und Ablegen mikroskaliger Strukturen ermöglicht wurde. Es zeigt sich somit, dass die Forschung zu Flüssigkeiten im Nanometerbereich, insbesondere Flüssigmetallen, noch viele offene (Forschungs-) Fragen aufwirft, welche mit Hilfe der in diesem Projekt entwickelten Techniken endlich angegangen werden können. In der zweiten Phase stellte sich heraus, dass mit den neuwertigen entwickelten Techniken eine bis jetzt nicht erzielbare Genauigkeit und Effizienz der Manipulation und Strukturierung von Flüssigmetall auf der Nanoskala erreicht werden konnte. So können durch gezieltes Ausnutzen von Elektromigration hochgenaue Volumina aus reinem Flüssigmetall hergestellt und gezielt abgelegt werden. Weiterhin ließen sich diese Volumina dann anschließend mit der entwickelten und zum Patent angemeldeten Technik der erzwungenen Benetzung durch Ionenimplantation gezielt strukturieren und funktionalisieren. Dies eröffnete ein komplett neues Forschungsfeld für die Verwendung von Flüssigleiten im Nanometerbereich. Insbesondere der zweiten Technik wird hohes Potential zugeschrieben, da diese bis jetzt die einzige Technik darstellt Flüssigkeiten in dieser Art hochpräzise und reproduzierbar zu manipulieren.

Publications

• „Manipulation of Liquid Metal Inside an SEM by Taking Advantage of Electromigration”, 2018, Journal of Microelectromechanical Systems
  F. von Kleist-Retzow, O. Hänßler and S. Fatikow
  
• „Liquid Metal-Based Manipulator for Microscale Handling Inside SEM“, Best Poster Award, 2019, IEEE-NEMS
  F. von Kleist-Retzow, M. Bartenwerfer and S. Fatikow
  
• „Multi-target tracking for automated RF on-wafer probing based on template matching”, 2019, MARSS Conference
  L. Hai, F. von Kleist-Retzow, O. Hänßler, S. Fatikow and X. Zhang
  
• „Assessing micro- and nanoscale adhesion via liquid metal-based contact angle measurements in vacuum”, 2020, Journal of Materials Science
  V. F. von Kleist-Retzow, W. Klauser, S. Zimmermann and S. Fatikow
  
• “Robotic Liquid Metal Manipulation and Electrical Contact Probing at Small Scales”, 2021, Verlag Dr. Hut, Munich, Germany
  V. F. von Kleist-Retzow
  
• "Line Tension and Drop Size Dependence of Contact Angle at the Nanoscale", 2022, Nanomaterials
  W. Klauser, F. von Kleist-Retzow, and S. Fatikow