Abbildung der Oberfläche
HIM | REM | FIB | Lichtmikroskope
HIM - Helium Ionenmikroskop
Das Heliumionenmikroskop ermöglicht eine exzellente Auflösung in der Bildgebung gepaart mit einer sehr großen Tiefenschärfe. Die Heliumionen werden an einer Spitze von nur drei einzelnen Atomen, dem Trimer, erzeugt. Jedes dieser Atome erzeugt in der an der Spitze herrschenden Heliumatmosphäre einen Ionenstrahl. Von diesen wird dann der intensivste Strahl gezielt in die Optik des Mikroskops gelenkt und durch die Säule hindurch auf die Probe fokussiert. Heliumionen dringen bei gleicher Beschleunigungsspannung deutlich weiter in das Substrat ein als Elektronen. Dadurch weitet der Strahl sich erst in Tiefen auf, aus denen Sekundärelektronen das Substrat nicht mehr verlassen können. Somit kann eine nochmals bessere Auflösung als bei einem Elektronenmikroskop erzielt werden.
Zeiss ORION Nanofab
Das Orion Nanofab ermöglicht eine max. Auflösung von 0,4 nm bei einer 5-10x größeren Tiefenschärfe als bei einem Rasterelektronenmikroskop. Zur Bildgebung dienen standardmäßig Sekundärelektronen, wobei nur SE aus den obersten nm einer Oberfläche nennenswert zum Signal beitragen. Dadurch bietet das HIM eine extrem hohe Oberflächenempfindlichkeit und kann höchstauflösend Schichten abbilden, die im REM wegen der Durchstrahlung mit Elektronen nur bei sehr niedrigen Beschleunigungsspannungen sichtbar wären.
Da Substrate durch den Beschuss mit Heliumionen immer positiv aufgeladen werden, können diese im HIM mit einer Elektronen-Floodgun neutralisiert werden. Das HIM ist daher besonders gut geeignet um isolierende Substrate abzubilden.
Das Orion Nanofab verfügt auch über zwei Kleindiek Manipulatoren, mit denen z.B. Nanopartikel positioniert oder Elektroden gezielt kontaktiert werden können.
Zusätzlich können durch das Gas-Injektions-System mit drei Precursoren auch Platin-, Wolfram- oder Siliziumoxidhaltige Schichten gezielt abgeschieden werden (s. Ionstrahlinduzierte Deposition).
REM - Elektronenmikroskop
Bei der Elektronenmikroskopie wird ein fokussierter Elektronenstrahl zeilenweise über ein Substrat gerastert. An jeder Position des Elektronenstrahls erzeugt die Wechselwirkung mit dem Substrat ein Signal, dessen Intensität durch die Helligkeit auf einer Graustufenskala dargestellt wird. Mit jedem Scan entsteht so ein Schwarz-Weiß-Bild der Oberfläche, das Informationen über die Topographie und mögliche Materialunterschiede enthält.
Für die Abbildung der Oberfläche werden vor allem die durch inelastische Wechselwirkung entstehenden Sekundärelektronen (SE) genutzt. SE besitzen eine sehr geringe Energie von ca. 5 eV (per Definition < 50 eV), wodurch hauptsächlich SE aus den obersten 1-10 nm der Oberfläche zum Signal beitragen und die hohe Auflösung eines REM ermöglichen. Zur Detektion der SE dient typischerweise ein Everhart-Thornly Detektor. Dieser saugt die entstehenden SE ab und beschleunigt diese auf ein signalverstärkendes Szintillator/Photomultiplier-System.Da der ET-Detektor seitlich angeordnet ist, beeinflusst die Topographie das Signal erheblich durch Abschattung der vom Detektor abgewandten Seitenwänden (dunkle Bereiche) und die erhöhte SE-Ausbeute an geneigten Oberflächen (helle Bereiche).
Alternativ können zur Abbildung der Oberfläche auch Rückstreuelektronen (RE) verwendet werden. Als RE bezeichnet man Elektronen des Primärstrahls, die im Material elastisch reflektiert werden und das Substrat mit nahezu ungeminderter Energie wieder verlassen. Die Abbildung mit RE kann vor allem einen sehr guten Materialkontrast erzeugen, da ihre Ausbeute linear von der Ordnungszahl der Materialien abhängt. RE werden durch die vergleichsweise schwache Ansaugspannung des ET-Detektors quasi nicht beeinflusst. Zur Detektion verwendet man deshalb einen separater Detektor, dessen Segmente zur Signaloptimierung einen möglichst großen Winkelbereich oberhalb des Substrats abdecken. Addiert man das Signal der verschiedenen Segmente wird der Topographieeinfluss minimiert und man erhält ein quasi reines Materialkontrastbild. Subtrahiert man hingegen das Signal gegenüberliegender Segmente wird der Topographiekontrast maximiert.
JEOL JSM-6500F
Unser JSM-6500F ist ein Feldemissions-REM mit einem Schottky-Feldemitter. Die Säule erlaubt den Betrieb mit Beschleunigungsspannungen von 0,5 kV - 30 kV und bietet eine max. Auflösung von 2 nm im Bereich von 5 - 30 kV. Die Stage nimmt Proben bis 2" Durchmesser und 30 mm Höhe auf und erlaubt einen Tilt bis max. 70°. Das System ist mit einem einfahrbaren Rückstreuelektronen-Detektor ausgestattet.
Zusätzlich ermöglichen EDX und EBSD Detektoren sowohl Analyse als auch Mapping der chemischen und kristallographischen Zusammensetzung.
ZEISS LEO Gemini 1550 VP
Unser LEO 1550 VP ist ein Feldemissions-REM mit einem Schottky-Feldemitter. Die Säule erlaubt den Betrieb mit Beschleunigungsspannungen von 0,2 kV - 30 kV und bietet eine max. Auflösung von 5 nm im Bereich von 1 - 30 kV. Die Stage nimmt Proben bis 2" Durchmesser und 30 mm Höhe auf und erlaubt einen Tilt bis max. 90°. Das System ist mit einem einfahrbaren Rückstreuelektronen-Detektor ausgestattet.
Das REM verfügt auch über zwei Kleindiek Manipulatoren (MM3A-EM), mit denen z.B. Nanopartikel positioniert oder Elektroden gezielt kontaktiert werden können. Als erweitertes Zubehör stehen auch ein Mikro-Greifer (MGS2-EM) und ein Gas Injection System (GIS-EM) zur Verfügung.
FIB - Focused Ion Beam
Ein FIB funktioniert ähnlich wie ein Rasterelektronenmikroskop. Nur werden typischerweise Galliumionen anstatt Elektronen zu einem Strahl gebündelt. Die Galliumionen werden aus einer Flüssigmetall-Ionen-Quelle gewonnen deren Lebensdauer durch den Verbrauch des Ga-Vorrats begrenzt ist. Da Ga-Ionen ein vielfaches der Masse eines Elektrons haben und typischerweise auch auf 30kV beschleunigt werden, ist der Energieeintrag in das Substrat deutlich höher, sodass die Oberflächenatome des Substrats abgetragen werden. Mit dem Galliumstrahl ist es möglich Strukturen mit einer Auflösung von bis zu 30 nm zu erzeugen.
FEI Strata DB235
Die Strata DB235 ist ein Dual Beam System, besitzt also zur Ga-Säule noch eine Elektronensäule zur Bildgebung. Die Säulen sind in einem Winkel von 52° zueinander angebracht.
Die Elektronensäule verfügt über einen Everhart-Thornly Detektor zur Bildgebung im Standard-Modus und einen zusätzlichen Through-Lense Detektor für den Ultra-High Resolution Modus. Die Säule bietet im UHR Modus eine max. Auflösung von 1,8 nm.
Die Ionen-Säule dient im wesentlichen der Bearbeitung der Substrate (Cross-Section, TEM-Lamellen, nano-Strukturierung), kann aber auch zur Bildgebung verwendet werden. Besonders interessant ist die Verwendung des Ionenstrahls zur Visualisierung von Korngrenzen und deren Orientierung. Auch der Materialkontrast kann durch die Bildgebung mittel Sekundärionen im Vergleich zum Elektronenstrahl verstärkt werden. Für die Ionensäule steht ein CDM-E/-I Detektor zur verfügung, welcher ein speziell auf den Ionenstrahl optimiertes S/N Verhältniss bietet.
Die Strata DB235 kann Proben bis 2" Durchmesser und ca. 10 mm Höhe aufnehmen.
Leider ist unser eigenes FIB außer Betrieb, aber wir beraten gern bezüglich alternative Systeme benachbarter Institute.
Optische Mikroskope
In unserem Reinraum stehen den LISA+ Nutzern die zwei Inspektionsmikroskope Olympus MX50 bzw. BX60 zur Verfügung:
Olympus MX50
Das MX50 befindet sich im Photolithographie-Labor und ist, z.B. für die Inspektion von lithographisch erstellten Photolack-Strukturen, mit einem Differentialinterferenzkontrast (DIC) Modul und einem Rotfilter ausgestattet. Das Mikroskop kann im Reflektions- oder Transmissionsmodus betrieben werden. Zur Dokumentation steht eine Digitalkamera vom Typ Leica EC3 zur Verfügung. Die UIS-Objektive bieten die Vergrößerungen 5x, 10x, 20x, 50x, und 100x bei einer zusätzlichen 10x Vergrößerung durch das Okular.
