MIKROSTRUKTURZENTRUM

• Allgemeine Information

Das Oberflächenanalyselabor ist Bestandteil des Mikrostrukturzentrums des Institutes für Physik. An den vorhandenen Anlagen, die mittels Vakuumschleuse miteinander verbunden sind und somit einen Probentransfer unter Luftabschluss möglich machen, lassen sich insgesamt vier verschiedene Messprinzipien realisieren.

Beide Anlagen dienen im Rahmen der Forschung zur chemischen und topographischen Charakterisierung von Oberflächen von im Hause hergestellten Halbleiterproben oder auch anderen Proben von externen Einrichtungen. Studenten fortgeschrittener Semester können sich bei Praktika insbesondere mit den Techniken XPS und AES experimentell vertraut machen.

• Technische Ausstattung

Die Multitechnik-Anlage der amerikanischen Firma Perkin Elmer (jetzt Physical Electronics) dient zur chemischen Charakterisierung von metallischen Oberflächen bis zu Tiefen von einigen Nanometern. Die angewandten Techniken sind Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS oder ESCA) sowie Auger-Elektronenspektroskopie (AES). Beide unterscheiden sich hinsichtlich der Anregungsquelle und der Art der energetisch spektroskopierten Elektronen. Je nach Zielsetzung erfolgt die Auswahl der einen oder anderen Technik.
Wird besonderer Wert auf die chemische Zusammensetzung lateral über die Oberfläche bis hinunter in den Submikrometerbereich gelegt und reichen halbquantitative Konzentrationsangaben aus, ist AES zu bevorzugen. Kann über eine größere Probenoberfläche von minimal 800 µm integriert werden, sind die Ergebnisse bzgl. quantitativer chemischer Konzentrationen genauer und man erhält zusätzlich Informationen über die Bindungskonfiguration der betrachteten Atomart durch die "chemical Shift" des entsprechenden Photoelektronen-Peaks.

Um Oberflächenkontaminationen auf frisch eingeschleusten Probenoberflächen zu entfernen oder auch chemische Konzentrationen unterhalb der obersten Atomlagen zu erhalten (Tiefenprofile), wird die Oberfläche mittels Argonionen von einer Ionenquelle abgesputtert. Durch Messung der Sekundär- sowie rückgestreuten Elektronen können weiterhin Aussagen zur Probentopographie (Rasterelektronenmikroskopie) sowie indirekt zur qualitativen chemischen Zusammensetzung der Oberfläche (BSE) getroffen werden. Die hardwaremäßige Gerätesteuerung und Ergebnisauswertung erfolgt über entsprechend konfigurierten Schnittstellen von einem PC mittels spezieller Software.

UHV-Atomkraft-/Rastertunnelmikroskop

Die zweite Anlage ist ein im Ultrahochvakuum arbeitendes Rastertunnel- sowie Rasterkraftmikroskop (STM/AFM). Unter Ausnutzung des Tunneleffektes zwischen metallischer oder halbleitender Probenoberfläche und Tunnelspitze wird letztere lateral über die Probe geführt und unter Konstanthaltung des Tunnelstroms über einen Regelkreis in der Höhe nachgestellt. Diese über Piezoaktuatoren technisch realisierten Spitzenansteuerung gestattet sogenannte Lateralscans zwischen einigen 10 nm und 5 µm bei Höhenauflösungen unter 1Å.

Bei entsprechend präparierten Proben erhält man damit Informationen zur Oberflächentopographie bis hinunter zu atomarer Auflösung. Durch Aufnahme von U-I-Kennlinien an einem ausgewählten Ort bekommt man prinzipiell chemische Informationen. Handelt es sich bei der Probenoberfläche insbesondere um einen Isolator, kann ein Biegebalken (Cantilever) über die Probe geführt werden, seine Höhenauslenkungen werden bei Konstanthalten der Kraftwirkung über einen Lichtzeiger registriert. Auch hierbei erhält man Informationen zur Oberflächentopographie. Ansteuerung der Anlage und Ergebnisverarbeitung erfolgen über eine Sun-Workstation.

Für alle genannten Techniken sind UHV-Bedingungen erforderlich, d.h. über verschiedenste Pumpsysteme wird in den Analysekammern, in die die Proben eingeschleust werden, ständig ein Vakuum im Bereich von etwa 10^-10 mbar aufrechterhalten.

Anwendungsbeispiele (mit Bildergalerie)

Mit Hilfe der vorhandenen Messtechnik ist es möglich, Probenoberflächen chemisch und topographisch bis in den Submikrometerbereich zu charakterisieren. Die folgenden Beispiele zeigen einige Messergebnisse an ausgewählten Proben.

Kohenstoff-Verteilung auf einer WC-Probe	Differenzierter Auger-Übergang des Sauerstoffs in verschiedenen Sputtertiefen	Atomare Konzentration bei einer PZT-Oberfläche	Differenziertes Energiespektrum bei AES