Handout zur Vorlesung "Rastermethoden" - Teil 1
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Rastermethoden / Bildgebende Verfahren<br />
Rastermethoden 1<br />
Klaus Meerholz<br />
WS 2010/11<br />
Sequentielle Datenerfassung:<br />
Parallele Datenerfassung:<br />
„Rastern“<br />
„Scannen“<br />
„Abbilden“<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 1<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 2<br />
Auflösung<br />
Scannen vs. Rastern<br />
• Laterale Auflösung bestimmt durch y<br />
– Stützstellenabstand,<br />
Scanschrittgröße (x, y)<br />
– xy-Ausdehnung des Meßpunktes, „Spotgröße“<br />
(Durchmesser d, Radius r)<br />
– Über die xy-Ausdehnung des Meßpunktes<br />
wird der Wert „gemittelt“.<br />
• Axiale Auflösung (z)<br />
– Über die z-Ausdehnung des Spots wird der Wert<br />
„gemittelt“.<br />
x<br />
Scannen<br />
• Kontinuierlich,<br />
Vorschubgesch wi nd igk eit v<br />
• Mittelwertbildun g<br />
im Intervall v * t<br />
• .<br />
v*t<br />
x<br />
Relativ<br />
langsam<br />
S cannen<br />
x > v* t<br />
Quasi-diskr et e<br />
Werte<br />
Relativ<br />
schnell<br />
S cannen<br />
x = v* t<br />
Rastern<br />
• diskrete Schritte<br />
x<br />
Diskr ete<br />
Werte<br />
x, v*t<br />
Mittelwerte<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 3<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 4<br />
Raster<br />
„Reinzoomen“<br />
V er r inger n der S chr ittweite bei gleicher S potgr öß e<br />
Spotgröße<br />
Schrittweite<br />
OK<br />
OK<br />
y<br />
x<br />
d
„Reinzoomen“<br />
V er r inger n der S chr ittweite bei gleicher S potgr öß e<br />
„Reinzoomen“<br />
V er r inger n der S chr ittweite bei gleicher S potgr öß e<br />
OK<br />
Grenzwertig<br />
y<br />
x<br />
d x, y<br />
y<br />
x<br />
d > x, y<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 7<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 8<br />
„Reinzoomen“<br />
V er r inger n der S chr ittweite bei gleicher S potgr öß e<br />
Analyse einer „Störstelle“<br />
20 x 20<br />
5 x 5<br />
2 x 2<br />
Irreführend<br />
d >> x, y<br />
1 x 1<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 9<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 10<br />
Komplikationen<br />
Auflösungs/Flächen Kompromiss<br />
Probe ändert sich zeitlich<br />
Größenskala<br />
• reversibel<br />
(z.B. durch Abtastverfahren selbst /<br />
Aufheizen) Random scan mit<br />
ausreichend Zeit zum Abklingen der<br />
Störung).<br />
m 2<br />
mm 2<br />
µm 2<br />
AFM<br />
Zwiebel<br />
400fach<br />
Opt. Mikroskopie<br />
• Irreversibel schnell sein<br />
Ortsauflösung<br />
nm 2<br />
nm 2 µm 2 mm 2 m 2<br />
Zu untersuchende Fläche<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 11<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 12<br />
2
Rastermethoden / Bildgebende Verfahren<br />
Lokale Information über<br />
I. Topographie<br />
II. Optische Eigenschaften<br />
III. Elektrische & elektronische Eigenschaften<br />
IV. Magnetische Eigenschaften<br />
V. Chemische Zusammensetzu ng<br />
VI. Morphologie<br />
I. Topographie<br />
Mechanisch (im Kontakt)<br />
• Profilometer<br />
• Atomic Force Microscopy (AFM)<br />
Optisch (berührungslos)<br />
• Interferometrie<br />
• Chromatischer Sensor<br />
• Elektronenmi kros kopie<br />
……… Etc.<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 13<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 14<br />
Profilometer<br />
Metall<br />
Profilometer<br />
HTL<br />
Glas<br />
HTL<br />
Kratzer bis auf das Glas<br />
Kante des Metalls<br />
Lochleiter<br />
300 nm<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 15<br />
800 µm<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 16<br />
Profilometer: Auflösungsgrenze<br />
200 nm<br />
800 µm<br />
Silicium-Gitter <strong>zur</strong> AFM-Kalibrierung<br />
Wahre Gittertiefe: 104,5 nm<br />
Durch zu dicke Spitze gemessene Tiefe: ca. 30 nm<br />
SEM Image<br />
AFM<br />
Atomic Force Microscopy<br />
104,5 nm<br />
Dektak Spitze<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 17<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 18<br />
3
AFM - Aufbau<br />
AFM - Aufbau<br />
• Lateral: ca.100nm (Tip-abhängig)<br />
• Axial: ca.1nm<br />
Cantilever: AFM Spitzen<br />
• Lateral: ca.100nm – 120µm<br />
• Tiefe: ca.1nm – 1µm<br />
Tisch/Scanner: Piezo-Keram ik<br />
Blei–Zirkonium-Titan Verbindungen<br />
Messaufbau<br />
Messaufbau<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 19<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 20<br />
AFM - Messprinzip<br />
AFM –Modes<br />
Input<br />
Signal<br />
Cantilever<br />
deflection<br />
Photodiode,<br />
Gitter<br />
Messung der Tastenspitzen-Auslenkung<br />
Feedback Loop<br />
Laser<br />
X,Y<br />
Z<br />
Feedback<br />
Electronics<br />
Feedback Loop<br />
Output Signal<br />
Adjusts Z position<br />
Contact<br />
Non-contact<br />
Contact<br />
Modes<br />
Vibrating<br />
Modes<br />
Mode<br />
Contact (Topography)<br />
Lateral Force (Friction)<br />
Lithography (engraving)<br />
Scanning Thermal<br />
Tapping (Topography)<br />
Magnetic Force<br />
Elec tric Forc e<br />
Kelvin Probe<br />
Electrochemistry<br />
Wechselwirkungspotential U:<br />
R Kugelradius, A Hamakerkonstante<br />
Contact mode<br />
Vibrating mode<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 21<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 22<br />
AFM: Tapping mode<br />
AFM: Contact-Force mode<br />
Beispiel: Chrom auf oxidiertem Si-Wafer (<strong>zur</strong> Eichung des AFM)<br />
Topogr aphi e<br />
S ignal<br />
(sensitiv<br />
Phasen Signal<br />
auf “Här te” des Mater ials)<br />
Van-der-Waals Kräfte<br />
- Repulsion<br />
- Attraktion<br />
Hook’s Law: F = -k Z<br />
10µm 10µm<br />
Sample<br />
Kratfkonstante<br />
(Cantilever)<br />
Abstand<br />
Hexadezimale Kodierung des Ortes<br />
Stufenhöhe ca. 100 nm<br />
Sprung des Signals an allen Kanten (Artefact)<br />
“Bananenschale n”: Morphologie des SiO2<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 23<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 24<br />
4
AFM: Einzelmolekü l-Kraftsp ektroskopi e<br />
Zusammenfassung AFM<br />
Reversible unfolding of immunoglobulin domains<br />
Kraft -Abstandskurve<br />
• Nichtleitende und leitende Materialen<br />
• Depth-Resolution 1 nm<br />
• Anwendungen je nach Modus,<br />
Großtechnisch: CD und DVD Qualitätskontrolle<br />
• Störungen:<br />
Abstand<br />
- Entfaltungskinetik<br />
- Van der Waals Wechselwirkungen<br />
- Bindungsstärken<br />
– Vibration, Schall<br />
– Statische Aufladunge n<br />
– thermische Drift<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 25<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 26<br />
Optische Methoden <strong>zur</strong> Oberflächencharakterisierung<br />
Chromatische Abstandsmessung<br />
• Chromatischer Sensor<br />
• Interferometrie<br />
• Elektronenmi kros kopie (<strong>Teil</strong> 2)<br />
1. Weißes Licht wird durch optische Faser und Linse auf zu untersuche nd e Fläche fokussiert; dabei<br />
liegt der „blaue“ Fokus über dem „roten“ Fokus (wegen Dispersion des Brechungsind ex der Linse).<br />
Das Licht wird von der Oberfläche reflektiert und wieder von der Faser „aufgesamm elt “ (konfokale<br />
2.<br />
Anordnung).<br />
3. Die Wellenlänge, deren Fokus in der Ebene der Oberfläche liegt, wird bevorzugt „aufgesam melt “<br />
4. Aus dieser Wellenlänge lässt sich bei bekannter „Länge“ (blau – rot) des Fokus auf die Topographie<br />
der Oberfläche <strong>zur</strong>ückschließe n.<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 27<br />
Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 28<br />
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