FIB - ein Mikroskop mausert sich zur Werkbank

Bern (ots)

Erfolgreiche Untersuchungen auch für die Materialwissenschaften

Bis jetzt oft nur für die Fehleranalyse und
Modifikation moderner Mikrochips und Halbleitersysteme eingesetzt,
werden die beiden FIBs (Focused Ion Beam) an der Empa erfolgreich
auch für den Einsatz auf Gebieten der Materialwissenschaften, der
Füge- und Beschichtungstechnik und der Biologie herangezogen.

Beim langwierigen Herstellungsprozess von Mikrochips wirken sich
Fehler im Schaltungsdesign verheerend auf Entwicklungs- und
Lieferzeiten aus. Die Korrektur von Designfehlern mit klassischer
Prozesslithographie kann mehrere Wochen dauern. Erst dann weiss der
Chip-Ingenieur, ob seine Schaltung überhaupt funktioniert. Schneller
und meist preiswerter geht's mit dem FIB: Eine Prototypen-Reparatur
mit dem Ionenmikroskop, das in der Auflösung und Vergrösserung um
Grössenordnungen über denen eines Lichtmikroskops liegt, sorgt innert
weniger Stunden für Klarheit. Mit den beiden FIBs, die in einem Labor
der Abteilung Elektronik/Messtechnik stehen, werden dazu geeignete
Gase mit einem Gallium-Ionenstrahl an die fehlerhaften Stellen
geleitet. Auf den Zehntelmikrometer genau werden damit lokal
begrenzte «Mikroreaktionen» produziert - dünne, elektrisch leitende
Schichten aus Wolfram oder Platin oder isolierende Filme aus
Siliziumoxid lassen sich so örtlich äusserst präzise abscheiden. Mit
seiner Fähigkeit, sowohl zu schneiden als auch Schichten zu
deponieren, wird das FIB über seine Mikroskopeigenschaften hinaus zur
Reparaturwerkbank fehlerhaft konstruierter Mikrostruktur-Prototypen.
Mit der Pflege dieses Gebiets reicht das Arbeits- und
Forschungsspektrum der Empa nunmehr von gewagten
Strassenbrücken-Konstruktionen bis zur Charakterisierung von
Strukturen im Bereich von einigen Nanometern.

Neue Einsatzgebiete für das FIB an der Empa:

Während die FIB-Methode sich in der Fehleranalyse und Modifikation
moderner Mikrochips und mikromechanischer Systeme (MEMS=Micro Electro
Mechanical Systems und MOEMS=Micro Opto-Electro Mechanical Systems)
in den vergangenen Jahren fest etabliert hat, ist sie in
Wissensgebieten mit teilweise vergleichbaren Anforderungen, wie etwa
den Materialwissenschaften, der Füge- und Beschichtungstechnik oder
der Biologie, noch kaum bekannt. Die Empa schlägt mit ihren beiden
interdisziplinär konzipierten Anlagen eine Brücke zwischen
herkömmlichen und neu zu erschliessenden Anwendungen.

Ein Fall für FIB in der Beschichtungstechnik:

Die Analyse eines Schadensfalls veranschaulicht, wie nützlich der
Einsatz eines FIB für die Beschichtungstechnik sein kann. So bediente
man sich des FIB, um einen scheinbar harmlosen Lackfehler an einer
neuen Autotür zu analysieren. Unter dem unscheinbaren, mit einer
einfachen Lupe kaum erkennbaren Lackfehler taten sich im
FIB-Mikroschnitt unerwartete Abgründe auf: In der seitlichen,
ebenfalls im FIB «in situ» erfolgten Inspektion war zu erkennen, wie
ein Lufteinschluss im Grundierlack sich unter ständiger
Volumenvergrösserung als Luftblase in die jeweils folgende
Decklackschicht fortgesetzt hatte. Direkt unter der Oberfläche war so
ein riesiger Hohlraum entstanden, der, von aussen kaum erkennbar, ein
«unheimliches» Potenzial birgt. Er ist der geradezu «ideale» Speicher
für Salzwasser und nachfolgende Korrosionsprobleme.

Was ist ein FIB?

Das Grundprinzip eines FIB ist einfach: An einem normalen
Rasterelektronenmikroskop (REM) wird die Elektronenquelle durch eine
Gallium-Ionen-Kanone ersetzt. Mit der Elektronenquelle eines REMs
werden aus den Atomen der Probe Elektronen herausgeschlagen, ohne
dass die Atome wesentlich verändert würden. Diese so genannten
sekundären Elektronen geben sodann Aufschluss über die Topografie und
Materialbeschaffenheit der Stelle, wo der (primäre) Elektronenstrahl
auf die Probenoberfläche auftraf. Indem dieser Strahl nun, wie beim
Fernsehbild, Zeile für Zeile über das Probenobjekt rastert, entsteht
Punkt für Punkt, Zeile für Zeile ein Gesamtbild des
Probenausschnitts.

Der Vorteil der FIB-Gallium-Ionen gegenüber dem Elektronenstrahl
des REM liegt in ihrer um Grössenordnungen höheren Masse. Deshalb
fällt die Wechselwirkung mit der Probe entsprechend massiver aus.
Würde der Elektronenstrahl mit einem kleinen Taschenlämpchen
verglichen, welches die Probe beleuchtet, so entspräche der
Galliumstrahl einer sehr starken, aber regulierbaren Laserkanone. Mit
dieser Kanone lässt sich Material sehr zielgenau und präzise aus der
Probenoberfläche herausschlagen («sputtern»). Genau das beherrscht
der Gallium-Ionenstrahl beim FIB - nur eben alles in viel winzigeren
Dimensionen. Ganz nebenbei werden bei diesem
Gallium-Ionen-Bombardement natürlich auch Sekundärelektronen aus der
Probe freigeschlagen: Das ermöglicht über die Probenbearbeitung
hinaus eine bildliche Betrachtung der Probe in einer Qualität, die
den Vergleich mit guten REMs nicht zu scheuen braucht.

Der «dernier cri» in der FIB-Technologie ist die Kombination von
FIB, Gaschemie und klassischem Rasterelektronenmikroskop in einer
Anlage. Diese Anordnung wird als Dual-Beam-FIB bezeichnet und
multipliziert die Vorteile des FIB mit denen der klassischen
Rasterelektronenmikroskopie. Für bestimmte Anwendungen, wie etwa die
präzise und schnelle Präparation von Proben für die noch stärker
vergrössernde Transmissionselektronen-Mikroskopie, die früher ein
zeitaufwendiges Spezialgebiet einiger weniger Experten war, schafft
dies zusätzliche Vorteile und Möglichkeiten. Eine der beiden Anlagen
an der Empa ist ein solches Dual-Beam-FIB.

Wer mehr Informationen über Einsatz- und Anwendungsmöglichkeiten
dieser Anlagen wünscht, setzt sich mit einem der Empa-Spezialisten
auf diesem Fachgebiet in Verbindung.

Kontakt:

Leiter Abteilung Elektronik/Messtechnik
Dr. Urs Sennhauser
Tel. +41/1/823'41'73
mailto:urs.sennhauser@empa.ch

Abteilung Elektronik/Messtechnik
Peter Jacob
Tel. +41/1/823'42'88
mailto:peter.jacob@empa.ch