Infrarot-Mikroskop macht mechanische Spannungen auf der Nanoskala sichtbar – Leitfähigkeiten winziger Chipstrukturen werden sichtbar

Winzige Nanorisse in einem Siliziumcarbid-Kristall

Martinsried/San Sebastian (Spanien) - Die Chipentwickler von Intel, AMD, IBM oder Infineon können sich auf ein neues Mikroskop freuen, mit denen sie noch mehr Leistung aus ihren Siliziumchips kitzeln können. Deutsche und spanische Wissenschaftler entwickelten ein Infrarot-Nahfeldmikroskop, mit dem sich erstmals mechanische Verspannungen und dadurch auftretende Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit auf der Nanoskala störungsfrei beobachten lassen. Einen Prototyp des Analysegeräts stellen sie nun in der Fachzeitschrift "Nature Nanotechnology" vor.

"Gegenüber anderen Mikroskopie-Verfahren wie etwa der Elektronenmikroskopie hat unsere Methode den Vorteil, dass keine spezielle Probenpräparation notwendig ist", sagt Andreas Huber vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried. In Zusammenarbeit mit dem benachbarten Max-Planck-Institut für Plasmaphysik und Kollegen vom baskischen Forschungsinstitutes CIC nanoGUNE in San Sebastian nutzte Huber eine etwa 20 Nanometer dünne Spitze eines Raster-Kraft-Mikroskops, um mit extrem hoher Genauigkeit gestreutes Infrarotlicht aufzufangen. Über die Analyse dieser so genannten optischen Nahfelder konnten die Wissenschaftler auf lokale Verspannungen und elektrische Eigenschaften von filigranen Halbleiter-Proben beispielsweise aus Siliziumkristallen zurückschließen.

In ihrem Experiment, bei dem sie eine Auflösung von bis zu 20 Nanometern erreichten, übten die Forscher mit einer Diamant-Spitze Druck auf die Oberfläche eines Siliziumcarbid-Kristalls aus. Mit dem neuen Nahfeldmikroskop verfolgten sie die Entwicklung der nanoskopischen Spannungsfelder, die durch den Eindruck erzeugt wurden. "Das Verfahren kann in Zukunft auch angewendet werden, um etwa Nanorisse in Keramiken oder mikroelektronisch-mechanischen Systemen (MEMS) aufzuspüren, bevor sie zu Materialversagen führen", sagt der beteiligte Forscher Alexander Ziegler.

Neben den Materialwissenschaftlern könnten auch Chipentwickler großes Interesse an dieser Methode haben. Denn seit Jahren setzten sie Silizium unter mechanische Spannung, um gezielt die Eigenschaften für den Elektronentransport in Computerchips zu verbessern. Diese "Strained Silicon-Methode" könnte mit dem Mikroskop nun noch besser kontrolliert und weiter verfeinert werden. "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", sagt Rainer Hillenbrand, Leiter der Forschungsgruppe Nano-Photonics am Max-Planck-Institut für Biochemie. Hillenbrand hat jetzt die Leitung des Nanooptics Laboratory bei nanoGUNE in San Sebastian übernommen.