Neues Großgerät für Forschung im Nanometerbereich
School, ZEITlab |
Das Dual-Beam FIB (Focused Ion Beam) ist das neue Herzstück des ZEITlab, dem Technologiehub der TUM School of Computation, Information and Technology. Das ZEITlab verbindet Neuro- und Bio-Engineering, Chemie, Nanostrukturierung, Mikroelektronik, Messtechnik, Aufbau- und Verbindungstechnik sowie Prototyping in einem gemeinsamen Laborverbund.
Das Großgerät wurde vom Technologiekonzern Rohde & Schwarz im Rahmen eines Sponsoring-Vertrags als Dauerleihgabe für die Technische Universität München (TUM) beschafft und ermöglicht nun Wissenschaft und Wirtschaft präzise Materialbearbeitung im Nanometerbereich. Gerade für die Prototypenentwicklung ist das Dual-Beam FIB ideal geeignet.
Das höchst empfindliche Gerät steht im Südwestteil des ZEITlab Reinraums im 2022 eröffneten Neubau für Elektro- und Informationstechnik. Für den Laien unscheinbar ist es schon vom Besucherflur aus durch ein Fenster neben einem Rasterkraftmikroskop und einer neuen sogenannten Elektronenstrahllithografieanlage zu sehen. Damit zu arbeiten, erfordert Schutzkleidung und Reinraumhandschuhe, damit die analysierten Proben oder das Gerät selbst nicht kontaminiert werden können.
Dual-Beam FIB: ein Mikroskop für hochpräzise Arbeiten
Ein Dual-Beam FIB ist ein Mikroskop, das zwei Strahlen gleichzeitig nutzt:
- Einen Elektronenstrahl (SEM - Scanning Electron Microscope), der zur hochauflösenden Bildgebung von Proben dient
- Einen Ionenstrahl (FIB - Focused Ion Beam), der dazu verwendet wird, Materialien gezielt abzutragen, zu schneiden oder zu bearbeiten.
Mit einem Dual-Beam FIB kann man also:
- Material hochpräzise abtragen (zum Beispiel Halbleiterproben präparieren, Strukturen freilegen, Defekte sichtbar machen)
- Dünnschnitte für die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Analyse weitestgehend automatisch herstellen
- Metalle und Isolatoren gezielt abscheiden, Nanostrukturen erzeugen oder modifizieren
- Fehler in Halbleiterschaltungen on-chip reparieren (Schaltkreise editieren)
- Eigenschaften von dünnen Filmen gezielt verändern, prototypisch Metamaterialien herstellen
- Durch eine Vielzahl an Detektoren die Topografie von Nanostrukturen analysieren sowie Material- und Kristallkontrast qualitativ und quantitativ auswerten
- 3D-Bildgebung durch schrittweises Abtragen ermöglichen (3D Tomografie)
Kurz gesagt: Das Dual-Beam FIB kombiniert hochauflösende Bildgebung mit präziser Materialbearbeitung und Materialanalyse auf Mikro- und Nanometerskala. Es ist das „Schweizer Taschenmesser“ der Nanotechnologie.
"Hort der Freude und Innovation"
Zusammen mit Alexander Braun, dem Vizepräsidenten für Digitalisierung und IT-Systeme der TUM, Hans-Joachim Bungartz, Dekan der CIT, sowie Vertretern der Professorenschaft des Departments Electrical Engineering besichtigte eine Delegation des Technologiekonzerns Rohde & Schwarz am 30. Januar 2025 das Messgerät.
Als „Hort der Freude und der Innovation“ bezeichnete Christian Leicher, Geschäftsführer und Chief Executive Officer von Rohde & Schwarz, die TUM. Er hat selbst Elektrotechnik und Informationstechnik an der TUM studiert und ist immer noch sehr verbunden mit seiner Alma Mater. Als „Leuchtturm der Zuversicht“ sieht er sie und ist daher gerne der Einladung an die TUM gefolgt. Im Rahmen des Sponsoring-Vertrags ist das ZEITlab auch für Mitarbeitende von Rohde & Schwarz für Fehleranalysen, Chip-Modifikation und Materialanalysen offen.
FIB-Technologie hat lange Tradition an der CIT
Bereits seit 1999 wird die FIB-Technologie an der TUM verwendet. Am damaligen Lehrstuhl für Technische Elektronik wurde deutschlandweit das erste FIB-Gerät an einer Ingenieurwissenschaftlichen Fakultät installiert. In enger Zusammenarbeit zwischen Industrie und Wissenschaft hat sich die Technologie in den letzten 25 Jahren rapide weiterentwickelt.
Seitdem wird diese Technologie für Routineaufgaben wie „Circuit Editing“ und Querschnittsanalyse eingesetzt und stellt heute in der Forschung eine wesentliche Methode bei direkten Strukturierungs- und Implantationsaufgaben dar. So können zum Beispiel in dünnen Yttrium-Eisen-Granat-Filmen (engl. Yttrium Iron Garnet, kurz: YIG) mittels präzise eingestellter Ionenbestrahlung „optische Elemente“ für sogenannte Spin-Wellen (Linsen, Gitter, Zonenplatten etc.) prototypisch hergestellt werden. Eine Methode, wie sie vor kurzem in der Fachzeitschrift Small von einem Team von Forschenden der TUM publiziert wurde und von der man sich deutlich skalierte Hochfrequenzbauelemente für on-chip Anwendungen erhofft.