Nanomaterialien und Analytik

Mikro- und Nanostrukturcharakterisierung mit elektronenmikroskopischen und spektroskopischen Methoden

Für die multiskalige und multiphysikalische Materialcharakterisierung, Bewertung und Analyse von Werkstoffzuständen setzt die Gruppe »Mikro- und Nanoanalytik« des Fraunhofer IKTS hochauflösende Elektronen-, Ionenmikroskopie, Röntgentechniken sowie Methoden zu Bestimmung nanomechanischer Eigenschaften ein.

Die vorhandenen elektronenmikroskopischen Methoden werden zur Abbildung und hochaufgelösten Analyse unterschiedlichster Materialien und Bauteile eingesetzt. So können folgende Fragen beantwortet werden:

• Welche Elementzusammensetzung hat die Ausscheidung an der Metall/Keramikgrenzfläche?
• Wie groß sind die mechanischen Spannungen im Silicium-Substrat neben einen Cu-TSV?
• Funktioniert ein Abscheideprozess für Dünnfilme (Dicke, Morphologie) oder TSV (vollständige Füllung, Poren?)
• Wie sind die Phasen dreidimensional in Werkstoff angeordnet?
• Wie unterscheiden sich Filterwerkstoffe in ihrer Porengrößenverteilung  und wie sieht das Porennetzwerk dreidimensional aus?
• Wie versagt ein dielektrischer Werkstoff in einem Mikrochip?
• Welche Abmessungen haben Nanostrukturen, sind sie kristallin und welche Orientierung haben sie?

Röntgenmikroskopie/Röntgennanotomographie

Ein Verfahren, das am Fraunhofer IKTS zur Analyse von Strukturen und Fehlern in Werkstoffen eingesetzt wird, ist die Röntgenmikroskopie und die darauf basierende Nano-Röntgentomographie. Das Verfahren ermöglicht die zerstörungsfreie Untersuchung von Struktur- und Funktionswerkstoffen auf mikroskopischer Ebene mit einer Auflösung bis ca. 50 nm.
Die Hauptanwendungen liegen in der Visualisierung von Poren, Einschlüssen und Rissen in Kompositwerkstoffen (z. B.: faserverstärkte Keramiken), nanoporösen Werkstoffen (Filtermembranen) und Mikroelektronik (Through Silicon Vias).

Entwicklung von Prüftechnik und Prüfmethoden für Mikro- und Nanostrukturen

Neuartige Werkstoffe und Produktionstechnologien in der Dünnschicht- und Nanotechnologie sowie für biologische und medizinische Anwendungen verlangen nach neuen Prüfverfahren.

Die Gruppe »Mikro- und Nanoanalytik« am Fraunhofer IKTS verfügt über eine in dieser Breite einzigartige Infrastruktur an hochauflösenden mikroskopischen Verfahren und entwickelt kontinuierlich innovative theoretische, experimentelle und technologisch ausgerichtete Verfahren und Geräte, um anspruchsvolle Zukunftsfelder wie die Nanotechnologie bedienen zu können.

Mit der Kombination unterschiedlicher Techniken und einem tiefgreifenden Prozess- und Verfahrens-Know-how können so anspruchsvolle Aufgaben gelöst werden, die mit einer Charakterisierungstechnik allein nicht zu bewältigen sind.

Leistungsangebot

• Zielpräparation mikroskopischer Proben von Bauteilen und Gruppen (mechanisch, nasschemisch und mit FIB)
• Hochauflösende Rasterelektronenmikroskopie (FE-SEM) und Elementanalyse (EDX)
• Potentialkontrastmikroskopie
• Schaltungsmodifikation (mit FIB und Pt-Abscheidung)
• FIB-Tomographie
• Höchstauflösende Transmissionselektronenmikroskopie in TEM und STEM
• Elementanalyse im TEM durch EDX und EELS
• Eigenspannungsmessung in der Umgebung von TSVs
• Nanoindentation und Zugversuche im TEM von Nanostrukturen
• Abbildung und Analytik im TEM bis 400 °C
• Röntgenmikroskopie, Röntgentomographie und Röntgen-Laminographie bis 50 nm Auflösung, auch unter erhöhten Temperaturen und Schutzgas, insitu-Reaktionskammer und mikromechanische Experimente (Indendation, Double Cantilever Beam Test)
• Entwicklung und Charakterisierung neuartiger Röntgenoptiken (MLL, Multilayer Laue Linsen) für Röntgenmikroskopie
• Optimierung bildgebender Verfahren und Algorithmen

Technische Ausstattung

• Vollständig ausgestattetes Präparationslabor mit Abzug, Schleif- und Poliergeräten, Gatan PIPS (Precision Ion Polishing System Model 691) und Gatan Plasma Cleaner
• SEM/FIB: Zeiss NVision 40 (analytisches Zweistrahlgerät mit hochauflösendem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop und Focussed Ion Beam Säule) mit EDX und STEM
• Analytisches TEM/Korrigiertes STEM: Zeiss Libra 200 HR MC Cs STEM (80 und 200 kV) mit EELS und EDX
• Röntgenmikroskop/Nanotomoagraph: Xradia nanoXCT-100