BRR, das neue nahtlos integrierte SEM/AFM System

Binnig, Rohrer, Ruska vereinigt. Nicht nur im gemeinsamen Nobelpreis

Im Jahr 2011 werden zwei der größten Innovationen im Feld der Mikroskopie ihr Jubiläum feiern. Als vor 80 Jahren Ernst Ruska erstmals einen Elektronenstrahl mit Hilfe von Magneten fokussierte war die Grundlage für die Elektronenmikroskopie gelegt. Nur 2 Jahre später gelang es ihm mit einem selbst entwickelten Elektronenmikroskop eine 12.000 fache Vergrößerung zu erreichen und damit das Auflösungsvermögen des Lichtmikroskops deutlich zu überbieten. Gerd Binnig und Heinrich Rohrer beobachteten 1981 erstmals den Effekt des "Tunnelns" von Elektronen zwischen einer Sonde und einer Oberfläche an Luft. Schon ein Jahr später kombinierten sie diesen Effekt mit einer rasterartigen Bewegung der Sonde über die Oberfläche und betrieben so das erste Rastertunnelmikroskop, damit war der Grundstein für die Rastersondenmikroskopie gelegt. Für diese herausragenden Leistungen wurden Binnig, Rohrer und Ruska im Jahre 1986 mit dem Nobelpreis der Physik geehrt.

DME hat sich der Herausforderung gestellt, diese beiden hochauflösenden mikroskopischen Techniken erstmals nahtlos miteinander zu kombinieren und somit als Werkzeug der Forschung zur Verfügung zu stellen. In Erinnerung an die Erfinder der in diesem Gerät kombinierten mikroskopischen Techniken Binnig, Rohrer und Ruska wird das erste integrierte REM/AFM System ihre Initialen, BRR, als seinen Namen tragen. Das links abgebildete Logo vereint die Initialen wie auch eine symbolische Darstellung beider Techniken. So sind die Initialen von Binnig, B und Rohrer, R durch einen AFM Sensor (Cantilever), verbunden. Ernst Ruska wird durch das zweite R, welches zum Teil durch eine eine Welle dargestellt wird, vertreten. Das Symbol der Welle steht für den in Elektronenmikroskopen genutzten Elektronenstrahl. Das aus dem Wort "inside" herausgerückte "e" repräsentiert die Sekundärelektronen dar, welche in der Elektronenmikroskopie zur Bildgebung genutzt werden. Das Logo vereint somit in seiner grundlegenden Symbolik die hier vereinten Techniken sowie die Initialen ihrer wissenschaftlichen Begründer.

Warum ein kombiniertes SEM/AFM?

Ein kombiniertes SEM/AFM-System bietet zahlreiche Vorteile, die die Einzelkomponenten allein nicht aufweisen. Siehe dazu unseren Artikel SEM und AFM, eine natürliche Vereinigung.

Hardware Integration

Unser Ansatz zur Entwicklung eines kombinierten SEM/AFM Systems lag in der Integration eines Vakuum-kompatiblem AFM in bestehende SEM Systeme. Diese Strategie wurde gewählt, um möglichst hohe Bedienerfreundlichkeit zu erreichen und Nutzern von SEM eine Möglichkeit zur Erweiterung ihrer bereits vorhandenen SEM Systeme zu bieten. Dabei bleibt die gesamte Funktionalität des SEM erhalten und kann zeitgleich mit dem AFM betrieben werden, so dass kombinierte Messungen möglich sind.

Das für die Integration entwickelte AFM ist als Probenscanner ausgelegt (Probe bewegt sich beim Scannen, der Cantilever steht still), da es so möglich ist, die AFM Spitze auch während des Scannens einen konstanten Abstand zwischen Spitze und Elektronenstrahl einzuhalten. Das Konzept des Probenscanners ermöglicht zudem einen wesentlich einfacheren Cantilever und Probenwechsel. Zudem sind maximaler Auflösung und einer hohen Bildrate in höchstem Maße Rechnung getragen. Der Scanner weist einen Scanbereich von 9 μm in XY und 1 μm in Z Richtung auf. Der Scanner ist eine Weiterentwicklung unserer STM Scanner welche schon seit Jahrzehnten höchste Auflösung und Verlässlichkeit beweisen. Sämtliche Elektronik wie Vorverstärker sowie Laser und Photodiode zur Detektion der Cantileverauslenkung befinden sich direkt am Gerät und sind durch Kapselung vom Vakuum getrennt. Die Justage des Laserpfades wird durch von außen bedienbare, motorisierte Spiegeleinheiten ausgeführt. Zur groben XYZ Positionierung von Probe zu Spitze ist unterhalb der AFM Einheit eine motorisierte Positioniereinheit verbaut. Mit wenigen Modifikationen ist auch eine UHV fähige Version des beschriebenem AFM erhältlich.

Das BRR stellt eine Integration des von DME entwickelten AFMs in einem AURIGA(R) System der Firma Carl Zeiss dar. Hierbei befindet sich die Cantileverspitze im im Schnittpunkt zwischen Elektronenstrahl und FIB, im "Crossbeampoint" des Auriga Systems. So kann der Operator SEM, AFM und FIB an ein und dem selben Punkt betreiben. Bei der Anwendung kommt der Rotationsachse eine besonders wichtige Rolle zu teil. Durch sie kann das AFM um ca. 85° um den Crossbeampoint rotiert werden. Damit wird es möglich, entweder den Elektronenrahl oder den FIB senkrecht zur Probe auszurichten. Zudem ermöglicht diese Bewegung auch die seitliche Betrachtung der AFM Spitze mittels SEM und FIB, und das mit kommerziell erhältlichen Standardcantilevern. Der direkte Blick auf die Sensorspitze wäre ohne die Rotationsmöglichkeit beim Blick von oben bei den meisten Cantilevertypen durch den Cantilever selbst versperrt. Das technische Design des Systems ermöglicht dem Operator den parallelen Einsatz aller drei Messverfahren in verschiedensten Manipulator-Beobachter Rollenverteilungen.

Software Integration

Die Funktionalität komplexer Instrumente, wie dem BRR, wird zu einem großen Teil durch die Betriebssoftware definiert. Um der angestrebten nahtlosen Integration gerecht zu werden, sind SEM und AFM über ein und die selbe Softwareoberfläche angesteuert, unserer ScanTool Software. Hierzu wurde eine eigens entwickelte SEM-Steuerungssoftware in unsere Standard AFM Software ScanTool integriert. Dadurch bietet die ScanTool Benutzeroberfläche direkten Zugriff auf alle Steuerungsparameter des gesamten BRR Systems. Ein schnelles Arbeiten mit SEM und AFM im einzelnen wie auch im in kombinieren Betrieb sind so möglich. Durch die Wahl unseres Dateiformats und der engen Vernetzung der Bediensoftware ist es möglich, akquirierte Daten zusammen zu speichern und zu bearbeiten. Die Analyse von Bilddaten, ob AFM oder SEM, können im ScanTool Programm durchgeführt werden. Zusätzlich zu den in der Software verfügbaren Analysefunktionen besteht die Möglichkeit über den ScanTool "Image Calculator" eigene Analysefunktionen zu generieren. Auch die Erstellung kombinierter Bilder ist möglich, z.B. durch Erzeugung eines 3D-Bildes, bei der die Dimensionsinformation aus der AFM Messung und die Texturierung aus der SEM Messung stammt. Durch ihr offenes Design und den ScanTool "Automator" ermöglicht die Software unvergleichliche Freiheiten in Zugriff auf Instrumentensteuerung und in der Definition von automatisierten experimentellen Abläufen und Messroutinen. Kombinierte Messungen an verschiedenen Probenarealen können so exakt gleich durchgeführt werden, um vergleichbare Datensätze zu erhalten.

Applikation

Das von uns entwickelte System eröffnet völlig neue Möglichkeiten in der Untersuchung von Oberflächen und in der Nanostrukturanalyse. Die Kombination der hoch auflösenden elektronenoptischen Mikroskopie mit AFM ermöglicht eine nanometergenaue Positionierung der AFM Spitze. Das AFM liefert punktgenau Information über topographische, elektrische und mechanische Eigenschaften der Oberfläche. Verschiedenste Beobachter-, Modulator Rollenverteilungen zwischen SEM, AFM und FIB sind denkbar, welche die Untersuchung auch völlig neuer physikalischer Phänomene ermöglicht.