Scharfes Auge für die Nanowelt - Carl Zeiss

ReportScharfes Auge für die NanoweltDas neue Helium-Ionen-Mikroskop erzeugt besonders hoch aufgelöste BilderDie erste Herausforderungmusste ORIONgleich bei seiner Anlieferungbestehen. Weil die Türen im GebäudeE am Manfred-von-Ardenne-Ring nicht breit und hoch genugwaren, blieb dem „Klotz“ nur dermühsame Weg durchs Fenster. Danktatkräftiger Unterstützung von engagiertenMitarbeitern, einem Kranund vielen Holzpaletten gelang dieschwierige Prozedur mit dem tonnenschwerenInstrument am Endedennoch glücklich. Seit Ende Oktober„thront“ das neuartige Mikroskopmit dem Markennamen ORION aufseinem vorgesehenen Platz im CarlZeiss Innovation Center Dresden.Darstellung eines Defektes auf einer Halbleiterstruktur mit Helium-Ionen Technologie:Das Helium-Ionen-Mikroskop ORION TM (links) besticht besonders durch seine brillanteKontrastfähigkeit, die Raster-Elektronenmikroskope mit ihrer sehr hohen Auflösung(rechts) nicht bieten.Hinter der Sternenbezeichnung verbirgtsich eine bahnbrechende Technologie,die mit Helium-Ionen Bilderaus der Nanowelt generiert, in denAbmessungen von milliardstel Meterndas Maß aller Dinge sind. Die Entwicklunggeht auf patentierte Arbeitenvon ALIS (Peabody, Massachusetts)unter Leitung von Bill Ward zurück.Dieses Start-up Unternehmen wurdevon Carl Zeiss SMT im Sommer 2006erworben und inzwischen vollständigintegriert. „Mit dem ORION habenwir ein wirklich revolutionäres Produktauf den Markt gebracht“, freutsich Erfinder Ward, Cheftechnologeder amerikanischen Carl Zeiss SMT,die mittlerweile auch in Peabody,nördlich von Boston, angesiedelt ist.Das Helium-Ionen-Mikroskop im TechnoparkNord der sächsischen Hauptstadtist bislang das einzige dieser Artin Europa. Zusammen mit einem Mikroskopder Cross Beam-Technologie(CrossBeam 1540 EsB), das die Möglichkeitenvon Elektronen- und Ionen-strahlen zur Abbildung und Materialbearbeitungkleinster Teilchen undStrukturen nutzt, bildet es das Herzstückdes Innovation Centers, das innerhalbdes Verbundprojektes „Nanoanalytik“die Entwicklung künftigerChipgenerationen voranbringensoll. An dem Vorhaben, das vom Bundesministeriumfür Bildung und Forschung(BMBF) mit zwölf MillionenEuro gefördert wird, sind neben CarlZeiss SMT auch die HalbleiterherstellerAMD und Qimonda beteiligt.Immer komplexere Strukturen in immerkleinere Dimensionen. AbbildendeVerfahren haben immer wiederdie Voraussetzungen für neue Erkenntnissein den Naturwissenschaftengeschaffen. Mit einem intensivenStrahl einzelner Helium-Ionen lassensich nun Bilder erzeugen, deren Auflösungund Kontrast Maßstäbe setzt.Wichtigster Baustein für das Mikroskopist eine langlebige Quelle fürdie Helium-Ionen, in der eine scharfe34Innovation 19, 3 / 2008

Report: Neue DimensionenWolfram-Nadel in einem Hochvakuumbei sehr tiefen Temperaturenplatziert ist. Die angelegte Hochspannungerzeugt um die Nadelspitze herumein extrem dichtes elektrischesFeld, dessen Stärke ausreicht, um vorbeifliegendeHelium-Atome zu ionisieren.Dabei wird ein Elektron überden Tunneleffekt an die Spitze abgegeben,sodass positiv geladeneHelium-Ionen resultieren, die von derNadel wegbeschleunigt werden. DerIonenstrahl wird dann durch eineSäule mit einer ganzen Reihe von Fokussier-,Justier- und Abtastelementengeführt, bevor er auf der kaumvorstellbaren Fläche mit einem Durchmesservon nur 0,75 Nanometern gebündeltwird. Hier tastet der Strahldie Probe wie bei einem RasterelektronenmikroskopPixel für Pixel ab.„Der Grauwert jedes einzelnen Bildelementswird durch die Anzahl derdetektierten Sekundärelektronen bestimmt“,erklärt Ward. Anhand derso genannten Streubirne, die beimStreuen der Helium-Ionen beim Eindringenin die Probe entsteht, lässtsich das Potenzial des neuen Verfahrensabschätzen: Ihr Querschnitt istdeutlich kleiner als bei einem Elektronenstrahlund sorgt für die hoheAuflösung – in dieser Beziehung istdas ORION dem Rasterelektronenmikroskop(SEM) klar überlegen.„Die Probengröße liegt bei etwa einemQuadratzentimeter, wobei wirbis zu sechs der Objekte gleichzeitiguntersuchen können. Der Wechsel,der weitgehend automatisiert abläuft,dauert unter zehn Minuten, dieAbläufe erlauben also einen sehr gutenDurchsatz“, betont Dr. HeikoStegmann, der das Carl Zeiss Team imInnovation Center Dresden leitet. Zusammenmit den Partnern aus derChipindustrie arbeitet die Wissenschaftlergruppean der dreidimensionalenCharakterisierung von Halbleiterstrukturenund neuen Materialienzur Chipproduktion. „Als Herstellerinnovativer Mikroprozessoren stehenwir vor der Herausforderung, immerkomplexere Strukturen in immer kleinerenDimensionen in höchster Ausbeutefertigen zu müssen“, begründetDr. Udo Nothelfer, Vice PresidentAMD Fab 36, das Engagement derdrei Partner. „Mit den inzwischen erreichtenStrukturabmessungen lassensich heutige Speicherzellen nur nochunter dem Elektronenmikroskop erkennen“,bestätigt auch Frank Prein,Geschäftsführer Qimonda DresdenGmbH und weltweiter Leiter Technologieder Qimonda AG.Biologische Proben und Halbleiterchips.Das neue Hochleistungsinstrumentsteht aber nicht nur den Verbundpartnernoffen, sondern alleninteressierten Firmen und Institutenim Raum Dresden. Sämtliche rund250 Mitglieder des Netzwerkes SiliconSaxony, zu dem beispielsweisedie TU Dresden oder das Fraunhofer-Center Nanoelektronische TechnologienCNT gehören, können Anwendungsfragender Nanotechnologiestellen und beantworten lassen. Darüberhinaus werden aktuell in Dresdenbiologische Proben des Naturwissenschaftlichenund MedizinischenInstitutes an der Universität Tübingen(NMI) untersucht.Strategische Partnerschaften. Nichtnur führende Unternehmen der Mikroelektronikin Europa nutzen dasTonnenschweres Hochleistungsinstrument:das Helium-Ionen-Mikroskop ORION TMneue Präzisionsinstrument von CarlZeiss, auch jenseits des Atlantiks istdas Interesse enorm. Erste Systemewurden erfolgreich bei Schlüsselkundeninstalliert, so wie am National Institutefor Standards and Technologyin Gaithersburg (Maryland). Auch dieUniversität Harvard (Cambridge, Massachusetts)setzt für ihr Center forNanoscale Systems (CNS) auf Technologievon Carl Zeiss. Gleich acht Elektronen-und Ionenmikroskope, darunterauch ein ORION, hat Harvardbei Carl Zeiss SMT bestellt. „DieserAuftrag, der gleichzeitig eine langfristigestrategische Partnerschaft fürunseren Konzern bedeutet, ist einegroße Ehre und Auszeichnung“, soDr. Dirk Stenkamp, Vorstandsmitgliedvon Carl Zeiss SMT. Bleibt nur zu hoffen,dass im CNS „die wissenschaftlichenSchwergewichte“ auch durchdie Türen passen.Klaus JoppInnovation 19, 3 / 200835