Übersicht. Was soll gemessen werden? Physikalische Eigenschaften Kap. C-8 (z.b. Topographie, elektr., magnet., opt.)

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1 Übersicht Was soll gemessen werden? Physikalische Eigenschaften Kap. C-8 (z.b. Topographie, elektr., magnet., opt.) Chemische Zusammensetzung Kap. C-9 (Elemente, Stöchiometrie, Bindung) Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-1 Nanotechnologie wurde erst durch genaue Meßmethoden möglich, da Veränderungen erst dadurch nachgewiesen werden konnten. C8-1

2 Übersicht 8.1 Mechanisches Profilometer 8.2 SEM Scanning Electron Microscope TEM Transmission Electron Microscope 8.3 STM Scanning Tunneling Microscope 8.4 AFM Atomic Force Microscope 8.5 SPM Scanning Probe Microscope = SXM Scanning X Microscope Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-2 C8-2

3 Profilometer 8.1 Profilometer Prinzip: mechanisches Abtasten Verstimmen eines Schwingkreises Auflösung: Höhe 1 nm, lateral > µm Problem: Löcher, Stufen Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-3 Profilometer: Für optische Untersuchungsmethoden wie die Ellipsometrie muss die Probe lichtdurchlässig sein. Da dies für Metallschichten > 5 nm nicht der Fall ist, kommt hier sehr oft ein mechanisches Abtastverfahren zur Anwendung. Dabei wird eine Tastspitze mechanisch über eine Stufe hinwegbewegt. Der resultierende Hub kann über einen Resonanzschwingkreis sehr empfindlich gemessen werden. Die Tiefenauflösung beträgt etwa 1 nm. Aufgrund der Rundung der Spitze muss die minimale Weite der Vertiefung etwa 0,5 2,0 µm betragen. Durch Verschieben der Nadel verändert sich die Induktivität der Spule und damit auch der Schwingkreis, welcher allerdings für gute Messergebnisse eine sehr hohe Güte haben muss. Nachteil des Profilometer ist allerdings, dass die Nadel auf die Probe gedrückt werden muss. Das Verfahren ist also berührend, was zu Kontaminationen der Probe führen kann. C8-3

4 SEM 8.2SEM, TEM Sekundär Elektronen M., Raster Elektronen M., Scanning Electron M. Prinzip: reflektierte Sekundär Elektronen Auflösung: 1nm Filament: Anode: Linsen: Deflektor: Leuchtschirm: Elektronen Emitter 5-25 kev Fokussieren des Strahls Rastereinheit Wandlung von Elektronen in Licht Erste Konstruktion: Ardenne 1938 Erstes kommerzielles: Digital Inst Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-4 Das Filament erzeugt durch Glühemission einen Elektronenstrahl (benutzt wird Lantan oder Lantanfluorid). Durch die Anode werden die Elektronen ähnlich wie bei einem Fernsehapparat beschleunigt, und durch das Linsensystem zu einem Strahl geformt und geleitet. Dieser Elektronenstrahl schlägt sekundär Elektronen aus der Probe, deren Energie abhängig ist vom Probenmaterial: Folgende Probleme können allerdings bei der SEM Technik auftreten: Falls die Oberfläche der Probe eine gewisse Dicke unterschreitet kann der Elektronenstrahl sie durchdringen und sie dadurch dann übersehen werden. Das Probenmaterial wird geschädigt. C8-4

5 Auflösung 8.2 SEM, TEM Prozesse im SEM: Elastische Rückstreuung Inelastische Rückstreuung Charakteristische Röntgenstrahlung ( EDX) Auger Elektronen (elementspezifisch) Sekundärelektronen (imaging) Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-6 C8-6

6 SEM 8.2SEM, TEM Quelle: UniBw München Probleme: magnetische Einkopplung Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-7 C8-7

7 TEM Transmission Electron Microscope 8.2 SEM, TEM Prinzip: Durchstrahlung der Probe mit Elektronen hoher präparativer Aufwand Auflösung: atomar Betriebsmodi: imaging mode: Bild a) Abbildungsmodus diffraction mode: Bild b) Beugungsmodus HRTEM Kristallinität Bild c) SEM zum Vergleich Quelle: R. Waser, Nanoelectronics and Information Technology Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-8 Das TEM kann für Proben bis zu einer Dicke von maximal 100 nm eingesetzt werden, um eine Probe größerer Dicke zu untersuchen muss diese an einer Stelle die Probe gedünnt werden. C8-8

8 TEM 8.2SEM, TEM Präparation für TEM Cross Section Probendicke: nm Probenpräparation: Schleifen, Ätzen, Ion Milling Problem: mögl. Artefakte durch Präparation planare Probenpräparation fürtem Quelle: R. Waser, Nanoelectronics and Information Technology Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-9 Gemessen wird die Beugung eines Elektronenstrahls an einem optischen Gitter welches durch die Probe gebildet wird, deshalb werden auch nicht nur die Oberfläche sondern alle durchstrahlten Ebenen der Probe aufgelöst. C8-9

9 TEM 8.2SEM, TEM HRTEM: atomare Auflösung, kein direktes Bild, Beugungsmuster Quelle: UniBw München Problem: eingeschränkte Ortsauswahl Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-10 C8-10

10 Prinzip STM 8.3STM Atomar scharfe Spitze schwebt in Tunnelabstand über der Probe Anlegen einer Spannung Tunnelstrom Frage: atomare Auflösung? Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-11 Das STM ist das erste Verfahren mit dem mit atomare Auflösung eine Oberfläche betrachtet werden kann. Da die Dicke des verbleibenden Luftspaltes exponentiell in die Stromstärke eingeht schwankt dieser sehr stark im pa und na Bereich. C8-11

11 Tunnelstrom 8.3STM I T (A Φ B /d 2 ) exp(-b d Φ Β ) Φ B =(Φ 1 + Φ 2 ±U)/2 Quelle: Park Scientific Instruments Δd = 0,25 nm Δ j = 1/10 90% Strom über Spitzenatom atomare Auflösung Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-12 Da der Strom zu den Atomen in der zweiten Lage der Spitze um eine Dekade geringer ist als der zum Spitzenatom fließt ca. 90% des Stromes über die Spitze. Dasselbe gilt auch für die Oberfläche der Probe, daraus folgt auch die atomare Auflösung der Probenoberfläche. C8-12

12 Aufbau 8.3STM Prinzip: Annäherung im nm-bereich Anlegen einer Spannung zwischen Spitze und Probe Messen des Tunnelstroms Bewegen der Spitze über die Probe Regelung auf konstanten Abstand Quelle: Park Scientific Instruments Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-13 Die Regelung des Abstandes erfolgt über einen Regelkreis unter Ausnutzung des Piezoeffekts. Der auftretende Tunnelstrom ist dabei die Stellgröße für den PI-Regler. Die Messung muss in einem Ultra-Hoch-Vakuum durchgeführt werden, da sonst der Tunnelstrom sofort durch Siliziumdioxid (Isolator) oder Verunreinigungen unterbrochen würde. Ein bei STM auftretendes Problem ist das der Temperaturdrift. Deshalb müssen vergleichbare Messungen auch bei gleichen Temperaturbedingungen durchgeführt werden. C8-13

13 Feinpositionierung 8.3STM Anforderung: Lösung: Auflösung 0,001 nm Piezoelement Piezoelektrischer Effekt: Elektrisches Feld Ausdehnung Typ. Werte: 0,2... 0,6 nm/v oder: 0, ,0006 nm /mv Probleme: Kriechen Temperaturausdehnung Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-14 Das hystereseförmige Längenänderungsverhalten des Piezo kann kompensiert werden. durch Software C8-14

14 Piezoscanner 8.3STM Ausführungsformen Dreibeinscanner: Röhrchenscanner: Längenkontraktion Querkontraktion Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-15 Das Rohr kann durch Anlegen einer positiven Spannung nach oben, durch das Anlegen einer negativen Spannung nach unten gekrümmt werden. Durch Anlegen einer Gleichspannung an allen Elektroden lässt sich die Länge verändern. C8-15

15 STM - Spitze 8.3STM Präparation Material: W, Pt, Pt-Ir Herstellungsprozess: abzwicken und schleifen Elektrochemisches Ätzen Achtung: Doppelspitzen an Stufen Artefakte Ätzen im Wesentlichen an der Oberfläche der Lösung Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-16 Falls die Spitze der Messspitze mehr als monoatomar dick ist, kann auf dem gemessenen Bild ein Schatten auftreten welcher aus Strömen resultiert, welche über die anderen Atome an der Spitze fliesen. Die Spitze kann allerdings durch das Anlegen einer hohen Spannung durch Emission gereinigt und geformt werden. C8-16

16 STM - Spitze 8.3STM Messfehler Faltung aus Spitzengeometrie und Topographie wichtig ist vor allem das Aspektverhältnis Artefakte durch ungünstige Geometrien Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-17 C8-17

17 Mechanischer Aufbau 8.3STM Anforderungen: Vibrationsdämpfung Thermische Stabilität Typische Fehlerquellen: Gebäudeschwingungen - Amplitude: ca µm - Frequenz: ca Hz Schall Pumpen Abhilfe: Software Korrektur Wahl des Materials Abhilfe: Dämpfen Aufbau Wahl des Aufstellungsortes Ionengetterpumpen Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-18 C8-18

18 Beispiel 1 8.3STM Si (111) - 7x7 Rekonstruktion Schematische Darstellung STM Bild: 12nm x 12nm Quelle: UniBw München Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-19 Hier gezeigt ist ein Beispiel für eine Selbstorganisation von Siliziumatomen, die so genannte 7x7 Rekonstruktion der Silizium Atome auf einer (111) Si-Oberfläche. Rekonstruktion ist ein Zustand minimaler Energie, der sich in diesem Fall nach Bereitstellen eines gewissen thermischen Budgets einstellt. Bei einer Oberflächenrekonstruktion liegt eine regelmäßige Anordnung vom Kristallatomen auf einer Kristalloberfläche vor. Zum Erreichen der dargestellten Si (111) 7x7 Rekonstruktion wird die Probe zuerst auf 1200 C erhitzt. Dabei wird die Oberfläche von Oxiden und Kohlenstoff gereinigt und gleichzeitig wird sie verflüssigt, somit liegt die nötige Beweglichkeit zum Einnehmen der 7x7 vor. Anschließend wird die Probe kontrolliert mit 1K/sec abgekühlt. Ab 800 C liegt eine relativ defektfreie Oberfläche vor. 7x7 bedeutet, der Abstand zweier Cornerholes (die schwarzen Löcher im STM Bild) ist 7 mal größer als der Abstand zweier benachbarter Atome auf einer unrekonstruierten Oberfläche. C8-19

19 Beispiel 2 8.3STM Fe auf Cu(111) Bedeutung: Atom Quelle: IBM Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-20 Die Möglichkeit Atome geordnet auf einer Oberfläche anzuordnen macht einen Einsatz als Speicher denkbar. Es wäre eine Speicherdichte von pro Quadratzentimeter möglich. Allerdings wäre wegen der zu geringen Lesegeschwindigkeit nur ein Einsatz als Rom denkbar, maximal als Festplatte. C8-20

20 AFM - Prinzip 8.4AFM Atomic Force Microscope Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-23 Folgende interatomare Kräfte können wirken: -Coulombkraft -van der Wales Kraft -Oberflächenspannung Bei Annäherung werden die Körper stark angezogen und unter der Bindungslänge stark abgestoßen. Vorteile des AFM gegenüber dem STM -es sind keine leitenden Proben nötig, es sind auch Messungen an Isolatoren möglich -es ist finanziell günstiger C8-23

21 Aufbau 8.4AFM Vorteil: nicht leitende Oberflächen oder Proben Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-25 Die auftretenden Kräfte sind im nn Bereich und daher auf konventionelle Art kaum zu messen, daher wird der Cantilever mit einem Laser abgetastet und eine Biegung anhand der Abweichung des Strahls gemessen. Diese wird dann über einem 4-Quadranten Photosensor gemessen. C8-25

22 Anforderungen 8.4AFM Anforderungen an AFM-Cantilever: geeignete Federkonstante (contact-afm: weich, non-contact AFM: hart) unempfindlich gegen äußere Schwingungen (Eigenfreq. maximieren) Anforderungen an AFM-Spitzen: geringer Krümmungsradius + hohes Aspektverhältnis = "scharf" robust (v.a. contact-afm) Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-26 C8-26

23 Contact-AFM 8.4AFM Anwendungen: Flüssigkeiten, Lithographie, harte Oberflächen Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-27 Im Gesamtmessaufbau wird über ein Piezoelement die Position der Probe so geregelt, dass der Strahl des Lasers stabil auf einen Punkt strahlt. Aus dieser Stellgröße werden dann die Topographie ermittelt. C8-27

24 Non-Contact-AFM 8.4AFM Anwendungen: weiche Proben (z.b. Biologie), extrem harte Proben Vorteil: zerstörungsfrei Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-28 Eine Verbesserung des AFM ist das non contact AFM, bei dem zur Unterdrückung von Driftgrößen ein Wechselsignal an das Piezo angelegt. Die Resonanzfrequenz des Piezo muss bekannt sein. Bei Annährung des Cantilever an die Probe wird die Resonanz durch die Anziehungskräfte gedämpft und verändert sich. Dies wird über die Photodetektion bestimmt und die Durchbiegung des Cantilever geregelt. C8-28

25 Cantilever 8.4AFM Beam Deflection Cantilever Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-30 C8-30

26 AFM Spitze 8.4AFM Messfehler Faltung aus Spitzengeometrie und Topographie wichtig ist vor allem das Aspektverhältnis Artefakte durch ungünstige Geometrien Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-31 Hier wird noch mal deutlich gemacht wie die Geometrie der Messspitze auf die Messergebnisse Einfluss nimmt. C8-31

27 AFM Spitzen 8.4AFM aus einkristallinem Material geätzte AFM-Spitzen aus Silizium (Si) und Siliziumnitrid (Si 3 N 4 ) Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-32 Die AFM Spitzen werden in aller Regel auf einem Si- oder Siliziumnitrid Wafer gefertigt. C8-32

28 AFM Spitzen 8.4AFM EBD-Spitzen (electron beam deposited) Abscheidung auf Standard-Cantilevern polymerisierte Kohlenstoffverbindungen (je nach Gas im SEM auch leitfähig) Hohe Aspektverhältnisse Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-33 C8-33

29 Beispiel 1 8.4AFM Germanium-Pyramiden auf Si(111) Quelle: BBSRC, UK Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-34 Grund für die nicht perfekte Pyramidenstruktur in dieser Aufnahme ist die schon angesprochene Verfälschung des Messbildes durch die Spitzengeometrie. C8-34

30 Beispiel 2 8.4AFM rotes Blutkörperchen Quelle: BBSRC, UK Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-35 C8-35

31 Beispiel 3 8.4AFM UHV-AFM: atomare Auflösung auf Nanotubes Quelle: Omicron Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-36 C8-36

32 SPM, SXM 8.5SPM, SXM Scanning Probe Microscopy Prof. Dr. H. Baumgärtner C8-37 Die Funktionsweise des MFM ist ähnlich der einer Festplatte. Es werden über die Spitze, welche magnetisiert ist, Magnetkräfte gemessen. Die Auflösung ist allerdings sehr gering, da kein exponentieller Zusammenhang zwischen Magnetfeld und Entfernung besteht. C8-37