Spannung in der Nanowelt
Infrarot-Mikroskopie macht nanoskalige Verspannungen sichtbar
Wissenschaftler des baskischen Forschungsinstitutes CIC nanoGUNE in San Sebastian haben in einer Kooperation mit den Münchner Max-Planck-Instituten für Biochemie und Plasmaphysik eine neue störungsfreie Methode entwickelt, um nanoskopische Verspannungen in Halbleitermateralien nachzuweisen. Die auf der Infrarot-Nahfeldmikroskopie basierende Methode bietet neue Möglichkeiten zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Hochleistungskeramiken oder zur Messung der lokalen Leitfähigkeit in nanoskaligen Bauelementen modernster Computer Chips.
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. b) Infrarotbilder bei einer Wellenlänge von 10 Mikrometer zeigen deutlich die Spannungsfelder um die Eindrücke. Bereiche in denen der Kristall komprimiert wurde erscheinen hell, gedehnte Regionen dunkel. Aufgrund der außergewöhnlich hohen Auflösung lässt sich auch die Entstehung von Nanorissen erkennen (blau gestrichelter Kreis).
Andreas Huber, Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried
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.
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 20-40 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.
In der neuesten Studie zeigen die Wissenschaftler, 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. "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.
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 nanoskopischen Charakterisierung von zukünftigen elektronischen Bauelementen, bei denen lokal verspanntes Silizium ein wesentlicher Bestandteil ist", erklärt Rainer Hillenbrand, Leiter der Forschungsgruppe Nano-Photonics am Max-Planck-Institut für Biochemie, der jetzt die Leitung des Nanooptics Laboratory bei nanoGUNE in San Sebastian (Spanien) übernommen hat.
Originalveröffentlichung: A. J. Huber, A. Ziegler, T. Köck, and R. Hillenbrand; "Infrared nanoscopy of strained semiconductors"; Nat. Nanotech., advanced online publication, 11. Jan. 2009
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