Helium-Ionen-Mikroskop

Ein Helium-Ionen-Mikroskop (auch: Scanning Helium Ion Microscope, SHIM) ist ein bildgebendes Verfahren, welches darauf basiert, dass ein Helium-Ionen-Strahl das zu untersuchende Objekt abtastet^[1]. Das Verfahren ähnelt dem eines Rasterelektronenmikroskops. Entwickelt wurde das Helium-Ionen-Mikroskop von der US-amerikanischen Firma ALIS Corporation, diese wurde 2006 von Carl Zeiss SMT übernommen. Diese ist derzeit (2010) einziger Hersteller eines solchen Gerätes.

Aufbau und Strahlerzeugung

In der tiefgekühlten, unter Hochvakuum stehenden Apparatur wird ein Strahl von Helium-Ionen verwendet; dieser wird von einer spitzen Wolfram-Nadel durch eine angelegte Hochspannung in dem dadurch entstehenden, starken elektrischen Feld erzeugt. Helium-Atome geben (durch den Tunneleffekt) Elektronen an die Wolfram-Nadel ab und werden dann von der Nadel wegbeschleunigt. Der Helium-Ionen-Strahl wird präpariert (d. h. gebündelt und gerichtet) und auf das zu untersuchende Material gelenkt. Gemessen werden die Intensitäten des durch die Probe durchgehenden Strahles und des von der Probe reflektierten Strahles, sowie die Zahl der erzeugten Sekundärelektronen.

Vergleich mit einem Rasterelektronenmikroskop

Die Technologie des SHIM hat mehrere Vorteile gegenüber dem Rasterelektronenmikroskop:

• Aufgrund der kurzen De-Broglie-Wellenlänge der Helium-Ionen ist es möglich, den Strahl feiner zu fokussieren, wodurch theoretisch eine feinere Auflösung erreicht werden kann.
• Zudem treten zwischen dem Ionenstrahl und der Probe weniger Wechselwirkungen auf, wodurch der Strahl weniger aufgeweitet wird und der Informationsbereich beschränkt bleibt. In Rasterlektronenmikroskopen entsteht durch die starke Streuung der Elektronen eine sogenannte Anregungsbirne mit einem Durchmesser von mehr als 100 Nanometer bis einige Mikrometer.
• Im Vergleich zu einem Rasterelektronenmikroskop ist die Ausbeute sekundärer Elektronen relativ hoch. Die Zahl der detektierten Sekundärelektronen bestimmt den Grauwert jedes einzelnen Bildelements. Die Detektoren liefern informationsreiche Bilder, die topographische, materielle, kristallographische und elektrische Eigenschaften der Probe wiedergeben.
• Es gibt Untersuchungen die zeigen, dass der Energiebereich der erzeugten Sekundärelektronen sehr viel schmaler/kleiner ist. D.h. in der Tiefe erzeugten Sekundärelektronen gelangen schwerer an die Oberfläche bzw. zum Detektor. Die Aufnahmen sind daher oberflächensensitiver. Moderne Rasterelektronenmikroskopen mit verbesserten Abbildungsleistungen bei kleiner 1 keV Beschleunigungsspannung können aber ähnlich Verbesserungen erzielen.

Vergleich zu anderen Focused-Ion-Beam-Mikroskopen

Focused Ion Beam Geräte arbeiten gewöhnlich mit Galliumionen, um Oberflächen im Mikrometerbereich zu bearbeiten. Aufgrund der geringen Masse der Heliumionen ist der Sputtereffekt sehr viel geringer, aber trotzdem vorhanden und kann auch genutzt werden. Systematische Untersuchungen zur Substratschädigung liegen aber nicht vor.

Bei den seit 2007^[2][3] auf dem Markt befindlichen Mikroskopen wird eine Vergrößerung von bis zu einer Million Mal und eine Auflösung von mindestens 0,75 nm angegeben^[4]. Ein Auflösungsrekord von 0,24 nm wurde am 21. November 2008 bekanntgegeben. Der Wert ist aber nur schwer vergleichbar, da hier die Breite der Kante gemessen wird und nicht (wie beim normalen Standard) der minimale Abstand zwischen zwei Objekten.^[5][6]

Einzelnachweise

1. ↑ Nanotechwire press release announcing new microscope, retrieved December 13, 2006
2. ↑ http://www.azonano.com/news.asp?newsID=4667
3. ↑ http://www.labtechnologist.com/news/ng.asp?n=78339-carl-zeiss-alis-corporation-orion-helium-ion-sem
4. ↑ Carl Zeiss SMT AG – Nano Technology Systems Division: Orion PLUS Essential Specification (abgerufen am 24. Oktober 2008)
5. ↑ Fabtech.org: Microscopy resolution record claimed by Carl Zeiss, 21. November 2008 (abgerufen am 22. November 2008)
6. ↑ Carl Zeiss SMT Press Release: Carl Zeiss Sets New World Record in Microscopy Resolution Using Scanning Helium Ions, 21. November 2008 (abgerufen am 22. November 2008)

Weblinks

• Funktionsbeschreibung (PDF-Datei; 302 kB)
• Herstellerseite (Carl Zeiss SMT AG, englisch)

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