Sonderforschungsbereich 379

Transkript

1 Sonderforschungsbereich 379 Mikromechanische Sensor- und Aktorarrays Elektrische Kraftmikroskopie Verfahren und Implementierung mit MEMS Prof. Dr. Michael Hietschold T Chemnitz, Institut für f r Physik Abschlusspräsentation

2 Einführung: Raster-Sonden-Verfahren Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM) und elektrische Raster-Kraft-Mikroskopie (SEFM) Miniaturisierung und Parallelisierung durch Mikrotechnologien Doppel-Cantilever MEMS für (AFM und SEFM) Zusammenfassung und Ausblick Abschlusspräsentation

3 Einführung: Raster-Sonden-Verfahren Grenzen der üblichen optischen Mikroskopie (Abbildung mittels Linsen): Beugungsbegrenzung Δx = 0.65 λ / n sin α λ / ( ½... ¼ µm) Nahfeldprinzip: Raster-Sonden-Mikroskopien nadelförmige lokal hochauflösende Sensoren rastern über die Probenoberfläche d s Geometriebegrenzung: Δx = d(s,...) Abschlusspräsentation 3

4 98 Raster-Tunnel-Mikroskop G.Binnig, H.Rohrer: Nobelpreis Raster-Kraft-Mikroskop (Atomic Force Microscope AFM) G.Binning, C.F.Quate, Ch.Gerber - höchstauflösende Oberflächenabbildungen (bis zu atomaren Strukturen) - Messung von physikalischen Größen mit nm-auflösung - Nanometerstrukturierung und molekulare/atomare Manipulation Raster-Sonden-Verfahren als mächtiges Werkzeug der Nanotechnologie!!! Abschlusspräsentation 4

5 Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM) und elektrische Raster-Kraft-Mikroskopie (SEFM) AFM im Kontaktmodus: Plattenspieler in Nanotechnologie Detektor F = N Lichtzeiger zur Auslenkungsdetektion Cantilever Sondenspitze d Scanner + Vertikal- steuerung Probe Abschlusspräsentation 5

6 niverselle Wechselwirkungskräfte: F Coulomb-Pauli-Repulsion z van der Waals attraction Kontakt-Modus Nicht-Kontakt Kontakt-Modus Oszillierender Cantilever: Verstimmung der Cantilevereigenfrequenz Im äußeren Kraftgradienten Abschlusspräsentation 6

7 Elektrische Raster Kraftmikroskopie: 3 simultane Informationskanäle Abschlusspräsentation 7

8 Abschlusspräsentation 8 Modulation der elektrischen Auslenkungskraft ( ) [ ] ωt - ωt z C z C F ωt ac ac dc ac dc el ac dc cos sin sin + + = = + = Auslenkung des Cantilevers ac el,ω el,ω 4 dc ac el,ω ac dc el,ω ac dc el,0 el el x x 4 z C k x z C k x z C k x F k x = = = + = =

9 SEFM: Kammelektrodenstruktur auf Glas Topographie Potentialverteilung Scanbereich: μm. Harmonische: vertikaler Kapazitäts- Gradient von C Spitze-Probe f r = 65kHz f c = 39kHz ac = 5Vrms ext = 7.6V Lokale elektronische Eigenschaften der Probenoberfläche Abschlusspräsentation 9

10 Miniaturisierung und Parallelisierung durch Mikrotechnologien - Cantilever-Spitze ist Mikrosystem - Weitere Komponenten (z.b. kapazititve oder piezoresistive Auslenkungsdetektion) integrierbar - Effektivierung durch Parallelisierung z.b. Millipede (IBM) mit 04 Cantilevers Abschlusspräsentation 0

11 Doppel-Cantilever MEMS für Nicht-Kontakt-AFM und SEFM Bondfläche Laserstrahl Pyrex-Substrat Aktor Sensor Spitze Silicium-Substrat Substrat (wird entfernt) Elektrostatische Auslenkung Optische oder kapazitive Detektion Abschlusspräsentation

12 Nicht-Kontakt-AFM Teststruktur: Liniengitter (6 x 6 µm ) Linke rechte Spitze Abschlusspräsentation

13 Elektrische Kraftmikroskopie (SEFM) Teststruktur: Dotierungsgitter Kommerzielles Gerät MEMS Struktur Topographie. Harmonische Abschlusspräsentation 3

14 Temporäres Device (MESFET) LR Energy Band Model of a Pt-Tip on a n-si-substrate covered with Oxide Pt-Coverage L R Si < 0 Control-Bias n-silicon Gate Abschlusspräsentation 4

15 Kennlinien Ersatzschaltbild Strom L-R [µa] 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0, Gate-Spannung - 0 V -8.9 V V -4. V -.97 V 0.03 V V.94 V 4.03 V 6.30 V 8.08 V 0.3 V 0,0 -,0-0,5 0,0 0,5,0 Spannung L-R [V] Experimentelle Messung und Simulation in guter Übereinstimmung Abschlusspräsentation 5

16 Zusammenfassung und Ausblick - arbeitsfähige Doppelcantileverstruktur für Nicht-Kontakt-AFM und SEFM mit optionaler optischer oder kapazitiver Detektion und mit vollwertiger Mikroskopumgebung (anfatec AG) - Testabbildungen mit überlappenden Bildbereichen - Elektrische Kraftmikroskopie - erste innovative Anwendung: temporäres Device - weitere Entwicklung vor allem bei Parallelisierung notwendig Ausblick: Spitzen für vielseitiges Mikro- und Nano-Laboratorium (simultane Abbildung in untersch. Moden;...) Abschlusspräsentation 6

17 Danksagung Dr. Anne-Dorothea Müller Dr. Falk Müller beide jetzt anfatec AG Zentrum für Mikrotechnologien (ZfM) der T Chemnitz: Prof. Th. Gessner Dr. J. Mehner Dr. B. Löbner Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Abschlusspräsentation 7