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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Untersuchungen im Transmissionselektronenmikroskop zur Realisierung des Meters über den Gitterabstand von Silizium

12.10.2023

Gemäß der neuen Mise en pratique kann der Gitterabstand von kristallinem Silizium als sekundäre Realisierung des Meters auf der Nanoskala genutzt werden. Da sich die Materialeigenschaften in diesem Größenbereich teilweise erheblich ändern können, stellt sich die Frage, ob der Gitterabstand auch bei ultradünnen Proben von nur wenigen Nanometern Dicke konstant bleibt. Um diese Frage zu beantworten ist eine robuste Messmethode erforderlich. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) mit Aberrationskorrektur erreicht atomare Auflösung und erlaubt so die direkte Abbildung der Atomsäulen zur Analyse der Gitterabstände des Materials.

Dazu wurden Querschnittsproben aus Silizium unterschiedlicher Dicke mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) hergestellt. Dabei wurde eine spezielle Präparationsroutine verwendet, um die Strahlenschädigung zu reduzieren. Die lokalen Dicken der präparierten Lamellen wurden an-schließend mittels PACBED-Analyse (Position Averaged Convergent Beam Electron Diffraction) bestimmt. Sie lagen zwischen 20 nm und 125 nm.

Zur Bestimmung der d220-Netzebenenabstände wurden die Silizium-Atomsäulen entlang der [110]-Richtung mittels STEM-HAADF (High-Angle Annular Dark-Field) abgebildet, wobei die unvermeidlichen Driften durch ein spezielles Aufnahmeverfahren minimiert wurden. In den resultierenden Abbildungen wurden die exakten Positionen der Atomsäulen mit Hilfe eines selbstentwickelten Softwarepakets bestimmt.

Eine detaillierte Analyse zeigte keine signifikante Abweichung der gemessenen d220-Netzebenenabstände zwischen den verschiedenen Lamellendicken. Der Gitterabstand betrug 0,192 nm ± 0,001 nm aus 871 Einheitszellen. Die erreichte Standardabweichung lag bei 1 pm. Unsere Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass die sekundäre Realisierung des Meters über den Gitterabstand von Silizium (Si) unabhängig von der Lamellendicke möglich ist.
Die Ergebnisse der Untersuchungen werden interessierten Kollegen in der Sitzung der CCL WG Nano am 12.10.2023 in Helsinki vorgestellt.


Abb. 1: Mittels FIB gewonnene Si-Querschnittsprobe in unterschiedlicher Dicke (links); HAADF-Abbildung der Si-Atomsäulen entlang der [001] Richtung (Mitte); sowie der Einfluss der lokalen Dicken auf den gemessenen Gitterabstand d220 (rechts).

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