Werkstoffe und Halbleiter

Nanopartikel gewinnen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften sowohl für die Industrie als auch für die universitäre Forschung immer mehr an Bedeutung. Ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften hängen stark von ihrer Größe, Form und Zusammensetzung ab. Mit den Hochleistungsinstrumenten von JEOL lassen sich diese Eigenschaften bis in den Sub-Nanometerbereich hinein zuverlässig analysieren.

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Eisenoxid-Nanopartikels

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Universität Bielefeld Frau Dr. Ennen / Applikationsarbeit F200

Nanopartikel gewinnen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften sowohl für die Industrie als auch für die universitäre Forschung immer mehr an Bedeutung. Ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften hängen stark von ihrer Größe, Form und Zusammensetzung ab. Mit den Hochleistungsinstrumenten von JEOL lassen sich diese Eigenschaften bis in den Sub-Nanometerbereich hinein zuverlässig analysieren.

Elementverteilung eines Core-Shell-Nanopartikels. Der innere Gold-Kern (rot) ist mit einer 0,6nm dünnen Palladium-Schicht (grün) überzogen

Bildquelle: JEOL Ltd. / Präsentation GrandARM

Papier als Massenprodukt kann kostengünstig produziert werden, wenn das Verhältnis von Fasern und Füllstoffen optimiert wird ohne die mechanischen und drucktechnischen Eigenschaften zu verändern. Hierzu ist es entscheidend, während der Papierentwicklung wie auch produktionsbegleitend, die Verteilung von Faser- und Füllstoff im Papier zu untersuchen. Die äußerst robusten Analytiksysteme von JEOL können im anspruchsvollen Routinebetrieb zur artefaktfreien Präparation wie auch zur präzisen morphologischen und chemischen Charakterisierung von Zellstoffen eingesetzt werden.

Planschnitt durch ein Blatt Papier

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Schleifmittel enthalten Partikel aus sehr harten, keramischen Körnern. Die mechanische Freilegung des Materialgefüges zur Evaluation der Korn- und Porenverteilung ist daher sehr anspruchsvoll. JEOL Systeme ermöglichen die einfache und artefaktfreie Herstellung zur Untersuchung großflächiger Querschnitte.

Querschnitt durch einen Schleifwerkstoff mit Körnern aus Bornitrid

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH,  Diamant-Gesellschaft Tesch GmbH, Material freigegben

Asbest wurde über Jahrzehnte hinweg als feuer- und temperaturfester Werk- und Dämmstoff eingesetzt. Nach der Entdeckung der gesundheitlichen Gefahren werden potentiell asbesthaltige Baustoffe in vielen Labors untersucht. Als einziger Hersteller bietet JEOL die hochleistungsfähige Kombination eigener Elektronenmikroskope und eigener Spektrometer als Komplettlösung für die normgerechte Asbestanalytik an.

Identifizierung einer Chrysotil-Faser mittels REM-Abbildung und EDX-Spektrum

Bildquelle: JED-Broschüre

Integrierte Schaltungen und Bauteile der Elektronikindustrie müssen durch Drähte kontaktiert werden. Das Versagen dieses Interfaces ist eine der häufigsten Ausfallursachen für diese Bauteile. Zur Charakterisierung der Qualität dieses Interfaces ist eine zielgenaue Querschnittspräparation ohne jede thermo-mechanische Belastung des Drahtes notwendig. Die von JEOL hergestellten Systeme erlauben eine schnelle, einfache und artefaktfreie sowie zielgenaue Präparation und detaillierte Charakterisierung dieser Grenzfläche.

Querschnitt durch den Bond-Pad einer Leuchtdiode.

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Die Oberfläche von Lotusblättern kann als Modellsystem für selbstreinigende Oberflächen dienen. Die genaue Charakterisierung dieser Oberflächen ist essentiell um sie nachbauen zu können. Die Oberfläche von Lotusblättern besteht aus kleinen Wachsröhren, die während der Untersuchung mittels Elektronenstrahl leicht zerstört werden können. Hierzu offeriert JEOL maßgeschneiderte Lösungen mit welchen die Proben kontrolliert thermisch stabilisiert werden und somit eine Zerstörung durch die Beobachtung ausgeschlossen werden kann.

Oberfläche einen Lotusblattes. Der Durchmesser der Wachsröhren beträgt ca 50 nm

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Um die mechanischen Eigenschaften eines metallischen Gefüges zu definieren, wird das Bilden von Ausscheidungen gezielt eingesetzt. In Form von Verunreinigungen können diese jedoch auch unerwünscht sein. Um die Qualität einer Legierung beurteilen zu können, müssen die Morphologie sowie die chemische Zusammensetzung der Ausscheidungen bestimmt werden. Zu diesem Zweck bietet JEOL allumfassende Komplettlösungen, von der artefaktfreien Probenpräparation bis zur hochaufgelösten Analyse von der µm bis nm Ebene an.

Elementverteilungsbild einer Messinglegierung

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Metallpulver werden unter anderem bei der Herstellung von Metallkeramiken verwendet. Hierbei spielen die Dichte und der Aufbau des Pulvers eine tragende Rolle. Mit JEOL Mikroskopen ist es möglich, Struktur und Materialzusammensetzungen bis ins Detail darzustellen. Hierfür bietet JEOL eine etablierte und leistungsfähige Komplettlösung zur einfachen, artefaktfreien Präparation und höchstauflösenden Abbildung und Analytik.

REM- Abbildung eines metallischen Pulvers

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Moderne Lackierungen sind in der Regel Mehrschichtsysteme. Bei makroskopisch sichtbaren Lackfehlern ist es von großer Bedeutung, jene Schicht zu ermitteln, in welcher die Ursache des Fehlers liegt. Die Präparationssysteme von JEOL ermöglichen die einfache und reproduzierbare Herstellung von artefaktfreien Querschnitten.

Querschnitt einer lackierten Metalloberfläche. Durchmesser des Einschlusses ca. 10µm

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre CP

Fasern werden in vielen Industriezweigen eingesetzt, bspw. in der Textilverarbeitung oder als Konstruktionswerkstoff im Maschinenbau. Ihre strukturellen Eigenschaften lassen sich beispielsweise anhand eines Faserquerschnittes studieren. Hierfür bietet JEOL eine etablierte und leistungsfähige Komplettlösung zur einfachen, artefaktfreien Präparation und höchstauflösenden Abbildung und Analytik.

REM-Abbildung eines Querschnitts durch ein Faserbündel

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre Ion Slicer

Zur atomaren Abbildung und Analyse von leichten und elektronenstrahl-empfindlichen Materialien bedarf es der Hochleistungsmikroskopie. Durch die hohe Stabilität und ausgezeichnete Auflösung von JEOL Transmissionselektronenmikroskopen können selbst zwischen einzelnen Kohlenstoffatomen mühelos Gitterfehler identifiziert und untersucht werden.

Atomar aufgelöste Abbildung von Graphen

Bildquelle: JEOL Ltd., Präsentation GrandARM

In modernen Halbleiterbauteilen müssen komplexe, funktionelle Strukturen auf immer kleinerem Raum realisiert werden. Um Fehler zuverlässig zu lokalisieren und identifizieren zu können, ist eine genaue Analyse des Aufbaus und der Elementverteilung zwingend erforderlich. Mit den automatisierten Systemen von JEOL lassen sich Halbleiterbauteile zielgerichtet mit höchster Genauigkeit präparieren, abbilden und auf Fehler hin analysieren.

3-dimensionale Elementverteilung einer NAND-Schaltung

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre/Präsentation JEM-2800

Um die komplexen Zusammenhänge biologischer Proben zu verstehen, sind hochaufgelöste 3D-Darstellungen unerlässlich. Mit JEOL Transmissionselektronenmikroskopen können empfindliche biologische Strukturen schonend abgebildet und vollautomatisiert in allen drei Raumdimensionen rekonstruiert werden. Für eine einfache Interpretation kann das errechnete 3D-Modell virtuell beliebig bewegt, segmentiert und untersucht werden.

Elektronenmikroskopische Aufnahme und rekonstruiertes Modell eines Golgi-Appartes eines Fadenwurms

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, ENI / Göttingen

Die Eigenschaften von Werkstoffen werden maßgebend durch ihre Struktur und die Bindungszustände der Atome bestimmt. Genaue Kenntnisse über Aufbau und chemische Zusammensetzung sind für die Entwicklung neuer Werkstoffe von essenzieller Bedeutung. Mit den hochauflösenden Spektroskopie-Systemen von JEOL können solche Bindungszustände lokal mit atomarer Genauigkeit untersucht werden.

Energieverlustspektrum der Minerale Rutil (rot) und Anatase (grau)

Bildquelle: JEOL Ltd., Präsentation ARM200F

Im Betrieb werden Werkstoffe häufig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, welche die Mikrostruktur oder chemische Zusammensetzung des Werkstoffs verändern. Um diese Veränderung im Rasterelektronenmikroskop untersuchen zu können, stattet JEOL seine EDX-Detektoren mit der Möglichkeit aus, die zeitliche Veränderung aufzuzeichnen. So kann bspw. das Kornwachstum sowie die chemische Entmischung durch einen externen Wärmeeintrag in-situ beobachtet werden.

Thermisch induzierte Veränderung von Lötzinn (Pb Sn)

Bildquelle: JEOL Ltd.

Durch die Kombination von JEOL patentierten TEM und EDX Systemen kann der Nachweis von Elementen bis in den nm und sub-nm Bereich realisiert werden. Moderne Techniken erlauben es innerhalb kürzester Zeit eine genaue Aussage über die chemische Zusammensetzung zu treffen. Dadurch kann zeiteffizient auf  Problemstellungen und Fragen reagiert werden.

Chemisches Elementmapping an einer Halbleiterprobe (JEM-2800)

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Demoreport AMS AG

Der Nachweis von Seltenen Erden ist nicht nur in mineralogischen Proben von Interesse, sondern gewinnt durch die fortlaufende Entwicklung von Hochleistungsmikroelektronik  immer mehr an Bedeutung. Für den Nachweis der zumeist niedrigkonzentrierten Elemente setzt JEOL seit Jahrzehnten den Maßstab für energetisch und räumlich höchstauflösende Spurenelementanalytik.

Seltene Erden als Beispiel für Spurenelementanalytik

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Demoreport Uni. Wien (JXA)

Mineralien sind häufig als komplexe Strukturen aus einer Vielzahl von Elementen aufgebaut. Zur ortsaufgelösten Visualisierung der chemischen Zusammensetzung stellen Elementverteilungsbilder eine der wichtigsten Methoden dar. Mit Hilfe dieser Verteilungsbilder werden essentielle Informationen wie z.B. die Entstehung und die Struktur der zu untersuchenden Probe gewonnen. Für diese Aufgabe liefert JEOL die stabilsten sowie energetisch und räumlich höchstauflösenden Spektroskopie-Systeme.

Elementverteilungsbilder eines Symplektit-Schliffes

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Demoreport Uni. Wien (JXA)

Neuartige Werkstoffe werden immer häufiger hinsichtlich Ihres Einsatzgebietes maßgeschneidert hergestellt. Diese zielgerichteten Modifikationen erstrecken sich häufig bis zur Nanoskala. Die Charakterisierung  solch empfindlicher Oberflächen erfordert höchste Ansprüche an das bildgebende Instrument. Die hochauflösenden Rasterelektronenmikroskope von JEOL lassen sich routinemäßig in diesem Grenzbereich betreiben.

Oberflächenabbildung einer Zeolithverbindung

Bildquelle: JEOL Ltd.

Viele Materialsysteme werden heutzutage funktionalisiert. Maßgeschneiderte Eigenschaften wie z.B. Abriebfestigkeit, Farbe oder chemische Widerstandsfähigkeit werden durch Ausbildung von Mehrschichtsystemen auf Substraten erreicht. Die von JEOL hergestellten Systeme erlauben es auf einfache Weise diese Schichtsysteme zu Untersuchen. Hierbei bietet JEOL Komplettlösungen von der artefaktfreie Präparation bis hin zur automatisierten und reproduzierbaren Extraktion relevanter Parameter wie Schichtdicke oder -rauheit.

Schichtsystem auf metallischem Substrat

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Fotolithographie ist eine essentielle Methode in der Halbleiter- und Mikroelektrotechnik, etwa zur Herstellung integrierter Schaltungen mit hohem Durchsatz. Elektronenoptische Systeme von JEOL ermöglichen eine schnelle und zuverlässige Qualitätskontrolle als auch der Optimierung bzw. Entwicklung von neuen Verfahren in der Halbleitertechnik.

Fotolithographisch strukturierte Siliziumwafer

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Max-Planck-Institut für Halbleiterforschung, München.

Für funktionalisierte Hochleistungswerkstoffe wird die Notwendigkeit Mehrschichtsysteme kontrolliert auf ein Substrat aufbringen zu können stetig wichtiger. Besonders im Zusammenhang mit Schutzschichten auf metallischen Substraten leisten diese Systeme einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Langlebigkeit von stark beanspruchen Komponenten. Um die chemische Zusammensetzung sowie die mikrostrukturellen Eigenschaften abbilden zu können, hat JEOL Instrumente entwickelt, die es ermöglichen, Mehrschichtkomponenten präparieren und mit einer noch nie dagewesenen Detailtiefe abbilden zu können.

Farbschichten auf einem Al-Substrat

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Moderne metallische Werkstoffe sind häufig aus unterschiedlichen Komponenten komplex zusammengesetzte Systeme. Die räumliche Orientierung der einzelnen Kristalle (Textur) sowie die chemische Zusammensetzung sind wichtige Komponenten hinsichtlich der resultierenden mechanischen Eigenschaften. Um sowohl die Textur als auch die chemische Zusammensetzung parallel erfassen zu können bietet JEOL leistungsfähige Komplettlösungen von der artefaktfreien Probenpräparation bis hin zur vollständigen dreidimensionalen Rekonstruktion an. Somit können beide Analysetechniken direkt miteinander verglichen werden.

Multilagen Schaltkreis auf keramischem Substrat (Al2O3, Mo, W)

Bildquelle: JEOL Ltd.

In der industriellen Qualitätskontrolle ist die einfache und schnelle Charakterisierung eines Werkstückes von höchster Bedeutung. Für diesen Zweck kommen Rasterelektronenmikroskope dank ihrer hohen Auflösung, leistungsfähiger Elementanalytik und vor allem, dank ihrer einzigartigen Tiefenschärfe vermehrt zum Einsatz. Sämtliche Systeme von JEOL verfügen über eine spezielle Optik, welche für eine verzerrungsfreie, tiefenscharfe Abbildung makroskopischer Bauteile sorgt.

Elektronenmikroskopische Abbildung einer 33mm langen Schraube

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH