2. Bildgebende Verfahren

Transkript

1 Vorlesung Charakterisierung von Halbleitermaterialien I Elektronenmikroskopie (Raster-, ) Rasterkraftmikroskopie (Rasterkraft-, Rastertunnel-, Rasterkapazitätsmikroskop) Lichtoptische Verfahren (Lichtmikroskop, Polarisation, Doppelbrechung, Ellipsometrie, Interferometrie, Lichtstreuungstomographie) Materials for Electronics and Energy Technology Einführung Gleichmäßige Ausleuchtung und simultane Aufzeichnung (Flächendetektor) Lichtquanten (Photonen) (Licht, LASER, Röntgen) Wellenlänge = c/ = hc/e Licht: = 1240/E[eV] Abbildung (Optik) Realraum Bildgeneration Anregung und Detektion Strahlengang/Abbildung Punktförmige Ausleuchtung und x-y-strahlverschiebung (Rastergenerator) Korpuskularstrahlen (Elektronen, Neutronen) de-broglie-wellenlänge = h/(mv) Elektronen: [nm] = 1,226/ U[V] Beugungsbild (Diffraktion) reziproker Raum (c) 2011 PD Dr. M. Bickermann, I-MEET, Uni Erlangen Einführung Auflösungsvermögen von Methoden der Oberflächenund Mikrobereichsanalyse 1931 erste Demonstration (FU Berlin) 1965 erstes kommerzielles Gerät 1986 Nobelpreis für E. Ruska

2 Elektronenmikroskop: Kleine Wellenlänge, kleine Strahlquelle höhere Auflösung Geringe Apertur mehr Tiefenschärfe Wechselwirkungen Elektronen mit Materie leitfähige Proben Vakuumkammer versch. Detektoren Aufbau eines s Diffusionszone der Elektronen bei Auftreffen auf die Probenoberfläche Wechselwirkungsprodukte Rückstreuelektronen Sekundärelektronen

3 REM wichtige Strahlparameter Erzeugungsbereiche der Wechselwirkungsprodukte in der Probe Beschleunigungsspannung Strahlstrom entscheidend für die Messung dünner Schichten begrenzt die Auflösung v.a. bei Licht-/Röntgendetektion und Kathodolumineszenz REM Sekundärelektronen REM Sekundärelektronen Sekundärelektronendetektor 1 Elektron 2 10 Photonen 8 Absaugen der SE (< 50 ev) 10 Elektronen Spannungsamplitude (Videosignal) geom. Separation zu RE (1 40 kev) richtungsunabhängig? Sekundärelektronenbild: Flächenneigungskontrast Kantenkontrast Abschattungskontrast Materialkontrast Orientierungskontrast (Channeling, Beugung, Kikuchi-Linien) ( Aufladungseffekte) Nur oberflächennahe SE können die Probe verlassen!

4 REM Sekundärelektronen SE-Bild: Besser bei höherer Beschleunigungsspannung REM Sekundärelektronen REM Sekundärelektronen SE-Bild: Besser bei niedrigem Strahlstrom Kippen der Probe im REM führt evtl. zu besserem Kontrast REM Rückstreuelektronen Rückstreuelektronenbild: Materialkontrast Flächenneigungskontrast Abschattungskontrast Kantenkontrast ( Aufladungseffekte) Detektor: ringförmige Schottkydiode um die Elektronen-Austrittsöffnung Vergleich SE RE: RE schlechteres Bild (Detektorausbeute), aber besserer Materialkontrast!

5 REM Rückstreuelektronen REM Rückstreuelektronen RE-Bild: Besser bei niedrigerer Beschleunigungsspannung COMPO TOPO Trennung der Material- und Topograhiekontraste durch zweiteilige RE-Detektoren Polierte Silberlotverbindung: oben TOPO, unten COMPO REM Vergleich SE- und RE-Bilder REM Interne Probenströme (EBIC) Stärkerer Abschattungskontrast im RE-Bild Interne Probenströme: (Electron Beam Induced Current) Lage von pn-übergängen Diffusion von Ladungsträgern Ladungsträger werden am pn- Übergang getrennt: Strom fließt EBIC-Strom I = G IP exp( x/l) Elektron-Loch-Paare pro Primärelektron Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger Abstand zum pn-übergang Primärelektronenstrom

6 REM Interne Probenströme (EBIC) REM Potentialkontrast Bauelement im Betrieb: Unterschiedliche Spannungen an der Oberfläche führen zu unterschiedlichen SE-Ausbeuten Dynamisches Verhalten sichtbar durch Abtastfrequenz (z.b. Logic State Mapping) Dioden (GaAs-Mesa) mit pn-übergang (SE-Bild überlagert mit EBIC-Bild) x-kanal: Zeit y-kanal: Rasterlinie (z.b. quer zu den Leiterbahnen) REM Potentialkontrast weitere Abbildungsverfahren REM/TEM hell: +10V dunkel: 0V An anderer Stelle werden diskutiert: Kathodolumineszenz optische Methoden Auger-Elektronen chemische Methoden Röntgenemission (EDX) chemische Methoden

7 Das TEM kein reines Durchlichtmikroskop! Aufbau wie REM, aber Detektion transmittierter Elektronen und Photonen unterhalb der Probe Wechselwirkungsvolumen wird durch höhere Beschleunigungsspannung ( kev) vergrößert; dennoch müssen Proben sehr dünn sein (< 500 nm Dicke), damit Elektronen austreten können Man sieht die senkrechte Projektion durch die Probendicke! (Volumeneffekte) Immer auch Beugung der Elektronen an periodischen Strukturen: Diffraktion (Phasenkontrast) trägt wesentlich zur Abbildung bei Meist gleichmäßige Ausleuchtung und Kontrastbildung/Flächendetektion wie beim Lichtmikroskop; es gibt aber auch Rasterverfahren (STEM) Probenpräparation Mechanisches Schleifen, danach a) Ionenstrahldünnen, Ätzen oder Ultraschalldünnen keilförmiger Probenquerschnitt, schlechte Ortskontrolle geringe Fläche, Dickenkontrast/Interferenzen b) Herausschneiden eines dünnen Plättchens mittels fokussierten Ionenstrahlen (FIB-Schnitt) gleichmäßiger Probenquerschnitt, gute Ortskontrolle aufwändig und teuer FIB-Schnitt Platinstreifen aufdampfen Materialentfernung unterund oberhalb der Probe Kippen und freischneiden Übertragen der Probe auf ein Trägernetz (Cu) Links: Selected Area Diffraction (SAD) Rechts: Abbildung (Hell-/Dunkelfeld) Aber: Alle Abbildungsmodi beinhalten immer beide Kontraste!

8 TEM Kontrastarten Hellfeld Dunkelfeld Hell-/Dunkelfeldabbildung im Hellfeld erscheinen Probenorte dunkel, wenn sie den Elektronenstrahl streuen (analog zum Lichtmikroskop) oder ihn abbeugen im Dunkelfeld erscheinen Probenorte hell, wenn sie den Elektronenstrahl in die eingestellte Richtung abbeugen (gut z.b. für die Analyse von Burgersvektoren etc.) Exakte Probenorientierung! Massenkontrast: Schwerere Elemente streuen die Elektronen mehr und erscheinen daher im Hellfeld dunkler Schnitt durch einen Intel Pentium 100 TEM Kontrastarten TEM Kontrastarten Dickenkontrast: Interferenzen zwischen Primärstrahl und gebeugtem Strahl führen zu Linienmustern in der Hellfeldabbildung Spannungs- und Phasenkontrast: Die Phasenverschiebung beim Durchgang des Elektronenstrahls ändert sich bei Inhomogenitäten/Fremdphasen in der Probe Interferenz zwischen Primärstrahl und phasenverschobenem Strahl führt zu einer Abbildung der Inhomogenität/ Fremdphase. Abbildung einer Ge-Pyramide

9 TEM Kontrastarten Diffraktion (Phasenkontrast) Beugung an periodischen Strukturen TEM Kontrastarten Versetzungsabbildung im Dunkelfeld Defekte mit g b=0 sind unsichtbar! Wird die Objektivblende bei Hellfeldabbildung stark verengt, dann sieht man nur noch Beugungsmuster (unten links) weak beam führt zu einer Aufweichung der Beugungsbedingung: Auch verzerrte Bereiche um die Versetzung herum werden kontrastiert abgebildet. Hochauflösungs-Aufnahmen (HRTEM) Atomare Auflösung (mit Massenkontrast) TEM vs. REM Sehr kleine Objektivund Diffraktionsblende, exakte Probenorientierung, höchste Auflösung: Ein TEM ist teurer (Anschaffung und Betrieb) Proben sind schwierig zu präparieren meistens nicht digitalisiert (Filmentwicklung) schwieriger zu bedienen und zu lernen (Interpretation der Ergebnisse!) ungeeignet für grossflächige Aufnahmen Man sieht nicht die Atome, sondern die lokale Ladungsträgerdichte!...aber dafür... höhere Auflösung mehr Probeninformation durch Diffraktion Die Fouriertransformierte der Abbildung ist das lokale Beugungsmuster.

10 Literatur Literatur ie (REM) ie (TEM) W. Schäfer, G. Terlecki, Halbleiterprüfung: Licht- und ie, Dr. Alfred Hüthig-Verlag, Heidelberg 1986 (14GW/wer ) C. Colliex, Elektronenmikroskopie: eine anwendungsbezogene Einführung, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 2008 (H00/2009 A2795) L. Reimer, G. Pfefferkorn, ie, Springer-Verlag, Berlin u.a. 2. Aufl (09GP/ R363) P. J. Goodhew, J. F. Humphreys, Elektronenmikroskopie: Grundlagen und Anwendung, McGraw-Hill, London u.a (T80/10 D6+11) H. Bethge, J. Heidenreich, Elektronenmikroskopie in der Festkörperphysik, Springer-Verlag, Berlin u.a (T80/10 D7+3) S. L. Flegler, J. W. Heckman, K. L. Klomparens, Elektronenmikroskopie: Grundlagen - Methoden Anwendungen, Spektrum Akadademie Verlag, Heidelberg u.a (T00/phy 5-130) D.B. Holt, D.C. Joy, SEM Microcharacterisation of Semiconductors, Academic Press, London 1989 B. Fultz, J. M. Howe, Transmission Electron Microscopy and Diffractometry of Materials, Springer-Verlag, Berlin u.a L. Reimer, Transmission Electron Microscopy, Springer-Verlag, Berlin 1989 D. B. Williams, C. B. Carter: Transmission Electron Microscopy A Textbook for Materials Science, Plenum Press, New York 1996 Vorlesungsskripte zu Thema REM/TEM Prof. E. Spiecker (WW7), VL Grundlagen der Nanotechnologie Charakterisierung, Kapitel G Prof. L. Frey (LEB), VL Halbleiter- und Bauelementemesstechnik, Kapitel 10 Prof. S. Virtanen (LKO), VL Korrosion und Oberflächentechnik II: Surface Science