Hochleistungszwerg

von Sabine Kieslich

Das Mini-PEEM der Universität Mainz

Das kleinste aller Photoemissions-Elektronenmikroskope? Die bizarre Konstruktion im dritten Stock des Instituts für Physik erinnert an ein Requisit aus einem Jules-Verne-Film und wiegt mindestens einhundert Kilogramm. Das eigentliche Mikroskop, eine Ansammlung von Linsen, verbirgt sich in einer überdimensionierten Keksdose aus Edelstahl, der Vakuumkammer. Von hier aus führt ein Wirrwarr von Kabeln, Anschlüssen und Halterungen in alle Richtungen und verbindet das Mikroskop mit vielerlei Technik. Auf einem Computermonitor entsteht langsam eine dunkelgraue Fläche mit hellgrauen Straßenzügen. Manche der Straßen laufen zusammen und dann wieder auseinander, andere wiederum kreuzen sich. Es sind die Leiterbahnen auf einem Mikroprozessor.

An der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz wurde das Mikroskop in Zusammenarbeit mit dem Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH (IMM) vier Jahre lang entwickelt und gebaut. Die Forscher nennen es liebevoll Mini-PEEM. Geballtes Fachwissen aus den Bereichen Elektronenmikroskopie und Mikrotechnik schuf einen Prototyp, der im Frühjahr 2002 auf der Hannovermesse präsentiert wurde. Surface Concept, ein Spin-off von Wissenschaftlern der Universitätsgruppe, führt das Mini-PEEM nun zur Marktreife.

Die Grenzen des Machbaren

Aus dem fachlichen Austausch zwischen Gerd Schönhense, Professor für Physik, und Wolfgang Ehrfeld, dem Gründer und damaligen Leiter des IMM, war die Idee erwachsen, ein Photoemissions-Elektronenmikroskop bis an die Grenzen des Machbaren zu verkleinern. "Ohne die interdisziplinäre Zusammenarbeit wäre es gar nicht möglich gewesen, das Gerät zu bauen", erklärt der Physikprofessor, heute selbst kommissarischer wissenschaftlicher Leiter des IMM. Seine Arbeitsgruppe an der Universität brachte das Fachwissen im Bereich der Elektronenmikroskopie ein, die Mitarbeiter des IMM hingegen kannten sich genauestens mit der Fertigung kleinster technischer Bauteile aus. "Aus diesen beiden Kompetenzbereichen ergab sich eine gewaltige Synergie, die wir genutzt haben, um ein nie da gewesenes kleines Mikroskop zu entwickeln", schwärmt Schönhense.

Unvorstellbar winzig

Das Prinzip eines PEEM, des Photoemissions-Elektronenmikroskops, erläutert Christian Ziethen, Mitglied der Universitätsgruppe, folgendermaßen: "Für die Abbildung einer Probe sorgen Elektronen. Sie haben eine viel kleinere Wellenlänge als Licht und können deshalb winzige Strukturen bis zu einer Größe von 20 Nanometer abbilden. Das ist etwa zehnmal feiner als mit dem besten Lichtmikroskop." Die Größenordnung verdeutlicht Ziethen plastisch: "Ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter und verhält sich in der Relation zu einem Meter wie eine Murmel zur Erdkugel." Beim PEEM werden die Elektronen durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht oder weicher Röntgenstrahlung aus der Probe ausgelöst. In einem System von Metallelektroden werden unter Hochspannung die Elektronen so abgelenkt, dass ein vergrößertes Bild der Probe entsteht. Das eigentliche Mikroskop besteht aus einer Anordnung von Linsen und Blenden in einem Vakuum. Allein die Optik ist bei einem herkömmlichen PEEM so groß wie eine zusammengerollte Isomatte.

Das Mainzer Mini-PEEM

Beim Mainzer Mini-PEEM ist das anders. Hier hat diese elektronen-optische Säule lediglich einen Durchmesser von einer Zwei-Euro-Münze, ein Fünftel des Herkömmlichen. Hinzu kommen dann noch bei jedem PEEM technische Komponenten wie Hochspannungskabel, Lampen, Probenschleuse, Vakuumpumpen und die Foto- oder Computertechnik.

Die Miniaturisierung erfolgte bereits mit Blick auf eine spätere Vermarktung. "Wir haben uns gedacht, wir machen das Gerät so klein wie eine Flasche", sagt Schönhense und deutet auf eine Mineralwasserflasche auf seinem Schreibtisch im IMM. "Der große Vorteil ist, dass es dann später einfach in eine Fertigungsanlage für Halbleiter, Schutzschichten oder nanoskalige Objekte eingebaut werden kann, um die Proben bereits während ihrer Herstellung zu charakterisieren."

Flexible Handhabung

Tatsächlich ist die herstellungsnahe Analyse mit einem klassischen Emissionselektronenmikroskop überhaupt nicht möglich: Zusammen mit sämtlichen Zusatzapparaturen haben diese Dinos ungefähr die Ausmaße eines Aktenschranks, zuviel für jede Produktionslinie. Dinos lassen sich die Proben bringen. "Zusätzlich zur flexiblen Handhabung hat das verkleinerte Mikroskop den Vorteil, dass es - in Serie produziert - viel kostengünstiger und ressourcenschonender zu fertigen ist, als sein behäbiger großer Bruder", ergänzt Schönhense.

Millimeterarbeit

Die Abteilung Mikrostrukturierung im Mainzer Institut für Mikrotechnik: Frauen und Männer sitzen still in ihre Arbeit vertieft vor Mikroskopen und komplizierten technischen Apparaturen. Ihre Einheitskleidung: hellblaue Kittel, Latexhandschuhe und Hauben, die tief bis über beide Ohren reichen. Blassrosa leuchten ihre Gesichter im Neonlicht. Monoton dröhnt die gigantische Klimaanlage. Ohne Kleidungs- und Kopfschutz darf hier keiner rein und das hat seinen Grund: "Hier fertigen wir winzige Strukturen, etwa in der Größenordnung von Staubkörnern, an. Das geht nur in extrem sauberer Luft", erklärt ein Mitarbeiter, "umherfliegende Schmutzpartikel können da Schaden anrichten".

Alles sauber: Reinraumbereich
Der Reinraumbereich im IMM ist der Ort, an dem die technischen Hürden auf dem Weg zum weltweit kleinsten Emissionselektronenmikroskop bewältigt wurden. Eine dieser Hürden war die winzige Achtpol-Linse zur Korrektur des Abbildungsfehlers, genannt Astigmatismus. "Wir haben gemerkt, dass bei der Mikrostrukturierung dieses kleinen Achtpols der eine oder andere Pol sich von Mal zu Mal von der Unterlage löste", schildert Schönhense das Problem. "Und da dieses Teil mit einem Bruchteil eines Millimeter sehr klein ist, konnten wir es nicht reparieren. Wenn die Anfertigung nicht auf Anhieb funktioniert, ist es unbrauchbar." Mehrmals musste das Herstellungsverfahren deshalb abgewandelt werden, bis die mehr als haarfeinen Goldelektroden da lagen wo sie liegen sollten. Auf die Achtpol-Linse kam es an: Als kleinstes Bauteil bestimmte sie den Gesamtumfang des Mikroskops. Die Miniaturisierung war nur so weit möglich, wie sich die Linse verkleinern ließ. "Damit hatten wir die Grenzen des technisch Machbaren erst einmal erreicht. Noch kleiner konnten wir die Linse und damit das Mikroskop nicht bauen", berichtet Schönhense.

Weitere Herausforderungen ergaben sich an der Schnittstelle zwischen der Mikrotechnik des IMM und der Mikroskoptechnik der Arbeitsgruppe an der Uni. "Auch das war alles andere als trivial", erinnert sich Schönhense, "weil wir die Teile beispielsweise elektrisch miteinander verbinden mussten. Das war in dieser Form noch nie gemacht worden. Üblicherweise haben wir Kabel angeschraubt, was bei so kleinen Teilen aber gar nicht mehr möglich ist". Die Wissenschaftler mussten wieder ins technische Neuland. Zwei Jahre lang tüftelten sie allein an ihren Anschlüssen. Die endgültige Lösung fanden sie im Bonden, einer Art Klebeverfahren. Dabei klebten sie zunächst winzige Kontaktdrähte an die Mikroelemente. Diese Anschlüsse übertrugen sie danach auf eine Zwischenstufe, auf der sie mit ganz kleinen Stecker weiterarbeiteten.

Debüt auf der Hannovermesse

Hannover im April 2002 - Tausende Besucher drängen auf die größte Industriemesse der Welt. In Halle 18, dem Standort für junge Technologien, wartet die Forschung aus Rheinland-Pfalz, darunter auch der Hochschul-Spin-off Surface Concept, der nach vier Jahren Entwicklungsarbeit das Mainzer Mini-PEEM der Öffentlichkeit vorstellt. Christian Ziethen, Gerd Schönhense und Andreas Oelsner, Wissenschaftler der Arbeitsgruppe Elektronenmikroskopie, hatten das Unternehmen Mitte des Jahres 2001 gegründet. Pasqual Bernhard, Doktorand der Physik, erinnert sich an einen stetig fließenden Besucherstrom: "Immer wieder kamen Leute vorbei, um sich das Mikroskop zeigen zu lassen. Es war vor allem die Miniaturisierung, die sie interessierte."

Interesse an Miniaturisierung

Dass das Mini-PEEM durchaus Aufmerksamkeit hervorrief, bestätigt auch Gerd Schönhense, es seien aber eher junge Wissenschaftler oder Schülergruppen gewesen. Die weitaus interessanteren Industrievertreter machten sich dagegen rar. "Um die zu überzeugen, müssen wir erst mal zeigen, was das Gerät leisten kann", sagt der auch in Geschäftsdingen erfahrene Hochschullehrer. Die meisten Industriezweige seien zudem sehr konservativ und würden aus Angst vor Verlusten die eingeschlagenen Pfade nur ungern verlassen. "Deshalb ist es sehr mühsam, beispielsweise in den Halbleitermarkt hineinzukommen", so Schönhense abschließend. Dennoch hat sich der Messebesuch für Surface Concept gelohnt. Viel versprechende Kontakte seien geknüpft worden, orakelt Christian Ziethen, kaufmännischer Geschäftsführer des jungen Unternehmens, daraus könnten sich konkrete Aufträge ergeben. Noch hat Ziethen kein Mini-Elektronenmikroskop verkauft, es gibt aber ernsthafte Interessenten aus der Halbleiterindustrie.

Für diese Art des Einsatzes sei das Mikroskop jedoch noch nicht hinreichend entwickelt, bekennt Schönhense. Surface Concept stecke zudem noch in den Anfängen und müsse nun erst einmal wachsen und geeignete Räumlichkeiten finden. Dann könne die Vermarktung des Gerätes so richtig in Angriff genommen werden. "Wir wollen jetzt viele Bilder machen, auf denen wir die möglichen Anwendungen unseres Mini-PEEM demonstrieren", beschreibt Schönhense die nächsten Schritte. "Dann erst sind wir so weit, dass wir für die Halbleiterhersteller einen Prospekt machen können."

Alles besser: Handys, Autoradios, Fernseher und Toaster

Immer bei der Arbeit: Selbst im Gang gibt es Computerbildschirme
Als Stand-alone-Gerät im Fachbereich Physik leistet das Mikroskop jedoch heute schon gute Dienste in der Nanoanalytik. Mit Hilfe eines Detektors, den die Forscher nach Abschluss der eigentlichen Entwicklungsphase eingebaut haben, lassen sich elektrische Schaltprozesse, die mit hoher Geschwindigkeit in Halbleitern ablaufen, in Echtzeit sichtbar machen. "Der Detektor ist eine Art Metallgitter, das die Elektronen passieren. Beim Hindurchfliegen geben sie an den jeweiligen Stellen elektrische Pulse ab. Diese Pulse werden anschließend an einen Computer weitergeleitet, der dann das Bild erzeugt", erläutert Ziethen das Prinzip. "So haben wir zum Beispiel elektronische Chips auf Defekte geprüft." Eine Auftragsarbeit für den Mainzer Halbleiterhersteller PREMA Semiconductor GmbH.

In den Produktionsräumen der PREMA, eines mittelständischen Unternehmens mit rund siebzig Mitarbeitern: Über viele Meter erstrecken sich schmale Gänge mit metallbeschichteten Fußböden, die das kalte Licht der Leuchtstoffröhren an der Decke spiegeln. Gelbe, grüne und graue Glasscheiben unterbrechen vereinzelt die weißen Wände. Dazwischen, etwa alle fünf Meter, ein Computermonitor, der von Zeit zu Zeit von weiß gekleideten Kittelträgern kontrolliert wird. Hinter den Wänden, von außen nicht sichtbar, werden elektronische Chips hergestellt. Dass Handys, Autoradios, Fernseher und Toaster in Zukunft noch besser funktionieren, dafür soll auch bald das Mini-PEEM sorgen. "Wir sind bereit, es direkt einzusetzen", sagt Hartmut Grützediek, Mitglied der Geschäftsleitung. "Bei der Fehlersuche in integrierten Halbleiterschaltungen wäre es uns von großem Nutzen. Aber es muss erst noch optimiert werden."