Bis jetzt oft nur für die Fehleranalyse und Modifikation moderner Mikrochips und Halbleitersysteme eingesetzt, werden die beiden FIBs (Focused Ion Beam) an der Empa erfolgreich auch für den Einsatz auf Gebieten der Materialwissenschaften, der Füge- und Beschichtungstechnik und der Biologie herangezogen.

Fehler im Schaltungsdesign

Beim langwierigen Herstellungsprozess von Mikrochips wirken sich Fehler im Schaltungsdesign verheerend auf Entwicklungs- und Lieferzeiten aus. Die Korrektur von Designfehlern mit klassischer Prozesslithographie kann mehrere Wochen dauern. Erst dann weiss der Chip-Ingenieur, ob seine Schaltung überhaupt funktioniert.

Neue Einsatzgebiete für das FIB an der Empa

Während die FIB-Methode sich in der Fehleranalyse und Modifikation moderner Mikrochips und mikromechanischer Systeme (MEMS=Micro Electro Mechanical Systems und MOEMS=Micro Opto-Electro Mechanical Systems) in den vergangenen Jahren fest etabliert hat, ist sie in Wissensgebieten mit teilweise vergleichbaren Anforderungen, wie etwa den Materialwissenschaften, der Füge- und Beschichtungstechnik oder der Biologie, noch kaum bekannt.

Ein Fall für FIB in der Beschichtungstechnik

Die Analyse eines Schadensfalls veranschaulicht, wie nützlich der Einsatz eines FIB für die Beschichtungstechnik sein kann. So bediente man sich des FIB, um einen scheinbar harmlosen Lackfehler an einer neuen Autotür zu analysieren. Unter dem unscheinbaren, mit einer einfachen Lupe kaum erkennbaren Lackfehler taten sich im FIB-Mikroschnitt unerwartete Abgründe auf: In der seitlichen, ebenfalls im FIB «in situ» erfolgten Inspektion war zu erkennen, wie ein Lufteinschluss im Grundierlack sich unter ständiger Volumenvergrösserung als Luftblase in die jeweils folgende Decklackschicht fortgesetzt hatte. Direkt unter der Oberfläche war so ein riesiger Hohlraum entstanden, der, von aussen kaum erkennbar, ein «unheimliches» Potenzial birgt. Er ist der geradezu «ideale» Speicher für Salzwasser und nachfolgende Korrosionsprobleme.

Was ist ein FIB?

Das Grundprinzip eines FIB ist einfach: An einem normalen Rasterelektronenmikroskop (REM) wird die Elektronenquelle durch eine Gallium-Ionen-Kanone ersetzt. Mit der Elektronenquelle eines REMs werden aus den Atomen der Probe Elektronen herausgeschlagen, ohne dass die Atome wesentlich verändert würden.

Der Vorteil der FIB-Gallium-Ionen gegenüber dem Elektronenstrahl des REM liegt in ihrer um Grössenordnungen höheren Masse. Deshalb fällt die Wechselwirkung mit der Probe entsprechend massiver aus. Würde der Elektronenstrahl mit einem kleinen Taschenlämpchen verglichen, welches die Probe beleuchtet, so entspräche der Galliumstrahl einer sehr starken, aber regulierbaren Laserkanone. Mit dieser Kanone lässt sich Material sehr zielgenau und präzise aus der Probenoberfläche herausschlagen («sputtern»). Genau das beherrscht der Gallium-Ionenstrahl beim FIB – nur eben alles in viel winzigeren Dimensionen. Ganz nebenbei werden bei diesem Gallium-Ionen-Bombardement natürlich auch Sekundärelektronen aus der Probe freigeschlagen: Das ermöglicht über die Probenbearbeitung hinaus eine bildliche Betrachtung der Probe in einer Qualität, die den Vergleich mit guten REMs nicht zu scheuen braucht.

Der «dernier cri» in der FIB-Technologie ist die Kombination von FIB, Gaschemie und klassischem Rasterelektronenmikroskop in einer Anlage. Diese Anordnung wird als Dual-Beam-FIB bezeichnet und multipliziert die Vorteile des FIB mit denen der klassischen Rasterelektronenmikroskopie. Für bestimmte Anwendungen, wie etwa die präzise und schnelle Präparation von Proben für die noch stärker vergrössernde Transmissionselektronen-Mikroskopie, die früher ein zeitaufwendiges Spezialgebiet einiger weniger Experten war, schafft dies zusätzliche Vorteile und Möglichkeiten. Eine der beiden Anlagen an der Empa ist ein solches Dual-Beam-FIB.