Infrarot-Mikroskopie macht Nanorisse in Kristallen sichtbar Verspannungen in der Nanowelt aufgedeckt - scinexx | Das Wissensmagazin
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Infrarot-Mikroskopie macht Nanorisse in Kristallen sichtbar

Verspannungen in der Nanowelt aufgedeckt

Beobachtung der Entstehung von Nanorissen mit einem Infrarot-Nahfeldmikroskop: a) Relief von dreieckigen Eindrücken auf der Oberfläche eines Siliziumcarbid - Kristalls, welche mit Hilfe einer scharfen Diamant - Spitze erzeugt wurden. Mit zunehmender Kraft werden die Eindrücke tiefer und größer.

Wissenschaftler haben eine neue störungsfreie Methode entwickelt, um nanoskopische Verspannungen in Halbleitermateralien nachzuweisen. Das auf der Infrarot-Nahfeldmikroskopie basierende Verfahren bietet neue Möglichkeiten zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Hochleistungskeramiken oder zur Messung der lokalen Leitfähigkeit in nanoskaligen Bauelementen modernster Computerchips, so die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“.

Die Charakterisierung von Materialverspannungen im Nanometerbereich – unter 100 Nanometer – ist eine wesentliche Anforderung an die moderne Messtechnik, da Verspannungen sowohl die mechanischen Eigenschaften von Hochleistungskeramiken, als auch die elektronischen Eigenschaften moderner Halbleiterbauelemente bestimmen. Eine störungs- und kontaktfreie Abbildung von Verspannungen und deren Auswirkungen auf die lokale Leitfähigkeit ist noch immer eine der großen Herausforderungen in der Nano- und Halbleitertechnologie.

Auflösungsvermögen von 20 Nanometer

Die Infrarot-Nanoskopie, die von Forschern am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München entwickelt wurde, bietet eine Möglichkeit für hochempfindliche Materialcharakterisierung. Sie basiert auf einem Raster-Kraft-Mikroskop (Atomic Force Microscope, AFM), dessen feine Abtastspitze mit nur 20 bis 40 nm Durchmesser die Streuung von optischen Nahfeldern registriert (scattering-type Scanning Near-field Optical Microscopy, s-SNOM).

Über das gestreute Licht lassen sich, zusätzlich zur Topographie, Informationen über die lokalen optischen und chemischen Eigenschaften von Materialien gewinnen. Die Nanowissenschaftler konnten in den letzten Jahren ihre Nahfeldtechnik auch auf den Infrarot- und Terahertz-Bereich ausdehnen und damit ein Auflösungsvermögen von 20 Nanometer erzielen.

Nanorisse in Kristallen aufgespürt

In der neuesten Studie zeigen die Wissenschaftler des baskischen Forschungsinstitutes CIC nanoGUNE in San Sebastian in einer Kooperation mit den Münchner Max-Planck-Instituten für Biochemie und Plasmaphysik, dass die Infrarot-Nahfeldmikroskopie auch in der Lage ist, kleinste Spannungsfelder und Nanorisse in Kristallen zu entdecken. In einem Demonstrationsexperiment erzeugten die Wissenschaftler mit Hilfe einer Diamant-Spitze verschieden starke Eindrücke auf der Oberfläche eines Siliziumcarbid-Kristalls. Mit ihrem Nahfeldmikroskop verfolgten sie die Entwicklung der nanoskopischen Spannungsfelder, die durch den Eindruck erzeugt wurden. Die aufgezeichneten Infrarotbilder visualisieren erstmals auch die Entstehung und Entwicklung von Nanorissen mit Hilfe einer optischen Methode.

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„Gegenüber anderen Mikroskopie-Verfahren, wie etwa Elektronenmikroskopie, hat unsere Methode den Vorteil, dass keine spezielle Probenpräparation notwendig ist. Modifikationen des ursprünglichen Probenzustandes durch eine Präparation werden somit vermieden“, kommentiert Andreas Huber, der die Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte. „Das Verfahren kann in Zukunft dazu angewendet werden, um etwa Nanorisse in Keramiken oder mikroelektronisch-mechanischen Systemen (MEMS) aufzuspüren, bevor sie zu Materialversagen führen“, meint Alexander Ziegler.

Interessante Anwendungsmöglichkeiten

Weiterhin zeigen die Wissenschaftler, dass die Infrarot-Nahfeldmikroskopie das Potential besitzt, gleichzeitig die Ladungsträger-Konzentration und -Mobilität in nanoskalig verspannten Halbleitern zu untersuchen. Lokale Spannungsfelder werden in modernen Halbleiterstrukturen verwendet, um gezielt die Leitfähigkeit zu erhöhen und dadurch elektronische Bauelemente etwa in Computer-Chips weiter zu verkleinern.

„Unsere Ergebnisse versprechen eine kontaktfreie und quantitative Abbildung der Ladungsträgereigenschaften. Deshalb ergeben sich für die Infrarot-Nahfeldmikroskopie interessante Anwendungsmöglichkeiten zur nano-skopischen Charakterisierung von zukünftigen elektronischen Bauelementen, bei denen lokal verspanntes Silizium ein wesentlicher Bestandteil ist“, so Rainer Hillenbrand, Leiter der Forschungsgruppe Nano-Photonics am Max-Planck-Institut für Biochemie, der jetzt die Leitung des Nanooptics Laboratory bei nanoGUNE übernommen hat.

(idw – Max-Planck-Institut für Biochemie, 12.01.2009 – DLO)

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