Diplomarbeit - Institut für Halbleiter

VORWORT iii
Kurzfassung
Das atomistische Modell des griechischen Philosophen Demokrit um 350 v.Chr. basiert auf der Annah-
me, dass die gesamte Materie aus kleinen, unteilbaren Teilchen (Atomen) aufgebaut sei. Im Laufe der
Geschichte wurde dieses Gedankenmodell immer wieder kritisiert. Insbesondere wurde angeführt, dass
noch nie jemand diese Atome gesehen habe und es deshalb unsinnig sei, sie als real existent anzusehen.
Auch die Erfindung des optischen Mikroskops im 17. Jahrhundert konnte das Rätsel um die Existenz
der Atome nicht lösen. Erst die Entdeckung des Elektrons durch J. J. Thomson und die theoretischen
Arbeiten von Louis de Broglie legten den Grundstein, um in die Welt der Atome einzudringen. Dem
Elektroingenieur Ernst Ruska gelang es in Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaftlern erstmals
ein Gerät zu entwickeln und zu bauen, das mittels beschleunigter Elektronen in der Lage war, ein-
zelne Atome einer durchstrahlten Probe sichtbar zu machen - das Transmissionselektronenmikroskop
(TEM).
In dieser Diplomarbeit sind die Funktionsweise und Anwendungsmöglichkeiten eines TEMs in ei-
ner Form aufbereitet, die für Lehrkräfte an höheren Schulen und für Schüler (8. Klasse Gymnasium
bzw. 5. Klasse HTL) sowie ambitionierte Laien verständlich ist, ohne die physikalischen Grundlagen
auszusparen. Insbesondere werden bestehende Analogien und Unterschiede zu einem Durchlichtmi-
kroskop herausgearbeitet. Der Aufbau eines optischen Analogons dient zur Veranschaulichung der
Funktionsweise eines TEMs.
Nach einem einführenden Kapitel über die Motivation, die zur Entwicklung eines TEMs führte,
und der geschichtliche Entwicklung der Transmissionselektronenmikroskopie werden die physikalischen
Grundlagen erarbeitet. Diese umfassen im besonderen die Beschreibung der Streuprozesse, denen die
Elektronen beim Durchgang durch eine Probe ausgesetzt sind. Ebenso wird eine geeignete Beschrei-
bung der kristallinen Struktur der Proben aufgezeigt. Ausführlich wird danach der Aufbau und die
Funktionsweise eines TEMs behandelt, die mit sehr einfachen Methoden beschrieben werden kann.
Kurz wird auch auf die notwendige Probenpräparation eingegangen.
Anhand von zahlreichen Beispielen werden die Einsatzmöglichkeiten eines TEMs zur Proben-
analyse auf atomarer Ebene demonstriert; wie zB: einkristallines Silizium (Si) in zwei Betrachtungs-
richtungen, Analyse von Siliziumkarbid-Ausscheidungen (SiC), Massekontrast zwischen Silizium (Si)
und Germanium (Ge), Verspannungskontrast in einem Vielschichtsystem aus Si und Ge, Analyse ei-
nes Halbleiterbauelements der neuesten Generation (Heterobipolartransistor, HBT), Visualisierung
von Bereichen verschiedener kristalliner Orientierung und Kristalldefekte sowie unerwünschte Effekte
beim Mikroskopieren.
Ein kurzer mathematischer Exkurs, Biographien der wichtigsten im Text genannten Personen,
eine Auflistung verwendeter physikalischer Konstanten und themenbezogener Internetlinks beschließen
diese Diplomarbeit.
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