Rasterkraftmikroskopie (AFM) und akustische Rasterkraftmikroskopie (AFAM)

Rasterkraftmikroskopie – AFM

Das Fraunhofer IKTS bietet mit der Rasterkraftmikroskopie, AFM (engl. Atomic Force Microscopy), ein bildgebendes Verfahren zur hochauflösenden Oberflächenanalyse an. Die AFM erreicht eine laterale Größe von eins bis 90 Mikrometer mit einer Auflösung im Nanometerbereich. Die AFM ist damit ein wichtiges Werkzeug in der Oberflächenchemie, Oberflächenmechanik und Topographie. Sie dient dem mechanischen Abtasten von Oberflächen sowie der Messung atomarer Kräfte auf der Nanometerskala. Das Bildgebungsverfahren erfolgt im Kontakt- und Halb-Kontakt-Modus. Mit den beiden zur Verfügung stehenden AFM-Systemen sind auch PFM-Untersuchungen (Piezoresponse Force Microscopy) zu magnetischen sowie piezoelektrischen Eigenschaften von Oberflächen möglich. An 300 mm-Wafern kann so z. B. die Strukturgröße analysiert und die Stufenhöhe sowie die Oberflächenrauheit bestimmt werden.

Akustische Rasterkraftmikroskopie – AFAM

Eine andere Möglichkeit der Oberflächenanalyse bietet die am Fraunhofer IKTS eingesetzte Akustische Rasterkraftmikroskopie, AFAM (engl. Atomic Force Acoustic Microscopy). Bei der AFAM können Veränderungen elastischer Eigenschaften im Bereich von drei bis 300 GPa untersucht werden. Das gelingt durch Ultraschallanregung, mit der die elastischen Eigenschaften mit hoher Genauigkeit und hoher lateraler Auflösung extrahiert werden.  

Zusätzlich verbessert eine am Fraunhofer IKTS entwickelte Kalibrierungsmethode die Genauigkeit der berechneten elastischen Eigenschaften. Mit dieser optimierten Kalibrierung messen die Wissenschaftler zuverlässig die elastischen Eigenschaften von dünnen Schichten bis zu einer Dicke von 100 Nanometern.

Die Tabelle zeigt Messergebnisse eines Methodenvergleichs an porösen Organosilikat-Dünnschichten. Verglichen wurde die akustische Rasterkraftmikroskopie (AFAM) mit der Nanoindentationsmethode. Wie die Ergebnisse zeigen, liefern AFAM und Nanoindentation bei Schichtdicken bis 700 Nanometer ähnliche Messergebnisse. Bei dünnen Schichten stößt die Nanoindentation jedoch an Grenzen, die mit der AFAM dank der scharfen Nadel, Nadelgeometrie und speziellen Kalibrierung überwunden werden. Selbst bei Schichtdicken von 46 Nanometern liefert die AFAM noch genaue Ergebnisse.

Leistungsangebot zu AFM und AFAM

• Topographie-Charakterisierung zur Prozessoptimierung (auch von großen 300-mm-Wafern)
• Bestimmung des Young-Moduls/Indentationsmoduls im Bereich von 3 bis 300 GPa
• Mechanische Charakterisierung von dünnen Schichten
• Abbildung der mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen
• Charakterisierung piezoelektrischer Dünnschichten im Nanobereich (Erkennen der Piezoaktivität und Abbildung piezoelektrischer Domänen)
• Entwicklung von kundenspezifischen Verfahren zur nanoskaligen Charakterisierung von Strukturen und Materialien

Geräteausstattung zu AFM und AFAM

• Rasterkraftmikroskop Agilent LS5600 zur Messung der Topographie sowie des Piezo- und Lateralkraftmodus
• Akustisches Rasterkraftmikroskopie-System zur lokalen Bestimmung des Young-Moduls/Indentationsmoduls, zur Abbildung der Steifigkeit und zur Generierung kalibrierter Bilder des Elastizitätsmoduls.