This work presents the development of a sub-micron nuclear microprobe for applications in the life sciences. It includes quantitative trace element analysis with sub-micron spatial resolution, 2D- and 3D-microscopy of density distributions and the targeted irradiation of living cells with counted single ions. The analytical methods base on particle induced X-ray emission spectrometry (PIXE), Rutherford backscattering spectrometry (RBS), scanning transmission ion microscopy (STIM) and STIM-tomography. The specific development of the existing nuclear microprobe LIPSION led to an improved performance of the capabilities for trace element analysis. For sub-micron analysis the spatial resolution could be improved to 300 nm at a sensitivity of about 1 µg/g for metal ions in biological matrices; for a resolution of 1 µm the sensitivity was improved to 200 ng/g (3 µmol/l). This habilitation thesis comprises a short general introduction including the motivation to utilize focussed high energy ion beams, an overview on the applications and actual research fields. The introduction is followed by the basic principles of the equipments and analytical methods. An estimation of the limits of resolution for element analytical and single ion techniques is given for the Leipzig system. Thereafter, selected studies from different research areas are presented. The first presented application is a study from environmental air pollution research. It is demonstrated that the microscopic elemental analysis of single aerosol particles can be used to assess the contributions from different sources. A further example is the analysis of the distribution of nanoparticles in skin cross-sections for a risk assessment of the applications of nanosized physical UV-filters in cosmetic products. The risk assessment is followed by the micro-analysis of trace elements, especially of bound metal ions, in brain sections on the cellular and sub-cellular level. After this the application of focussed MeV ion beams in low dose radiobiological research is presented. Finally, the analysis of 3D-density distributions by proton micro-tomography is demonstrated. A summary concludes on the applications and gives an outlook to further applications and methodological developments. The appendix comprises the relevant publications of the author. / Die vorliegende Arbeit etabliert für Anwendungen in den Lebenswissenschaften den Einsatz hochfokussierter MeV-Ionenstrahlen für nuklear-mikroskopische Methoden der quantitativen Spurenelementanalyse, der 2D- und 3D-Dichtemikroskopie sowie für die gezielte Bestrahlung einzelner lebender Zellen für radiobiologische Experimente. Zur Anwendung kamen die Methoden ortsaufgelöste Protonen induzierte Röntgenfluoreszenzanalyse (particle induced X-ray emission - PIXE), Spektrometrie rückgestreuter Ionen (Rutherford backscattering spectrometry - RBS) und Rastertransmissionsionenmikroskopie (scanning transmission ion microscopy - STIM). Durch eine gezielte Weiterentwicklung des bestehenden Ionenstrahlmikroskops, der Hochenergie Ionennanosonde LIPSION, konnte die Ortsauflösung für Spurenelementanalyse auf unter 300 nm verbessert werden, beziehungsweise die Sensitivität für Metallionen in biologischen Proben auf unter 200 ng/g (3 µmol/l) bei einer Ortsauflösung von 1 µm verbessert werden. Die Habilitationsschrift umfasst eine kurze allgemeine Einleitung einschließlich der Motivation für den Einsatz fokussierter MeV-Ionenstrahlen sowie einen Überblick über die Anwendungsgebiete und aktuellen Forschungsschwerpunkte. Danach werden kurz die Grundlagen der Technik und Methoden vorgestellt, gefolgt von einer Abschätzung der Auflösungsgrenzen für Elementanalysen und Einzelionentechniken. Danach werden ausgewählte Anwendungen aus verschiedenen Forschungsgebieten vorgestellt. Das erstes Beispiel ist aus der Umweltforschung. Es wird dargestellt, wie mittels ortsaufgelöster Elementspektroskopie eine Abschätzung der Feinstaubbelastung nach Beiträgen einzelner Verursacherquellen erfolgen kann. Dann folgt als Beispiel eine ortsaufgelöste Analyse der Verteilung von Nanopartikeln aus Sonnencremes in Hautquerschnitten zur Risikoabschätzung der Anwendungen von Nanotechnologie in kosmetischen Produkten. Desweiteren werden Studien der Spurenelementverteilung, speziell der von gebundenen Metallionen, in Hirnschnitten auf zellulärer und subzellulärer Ebene erläutert. Das anschließende Beispiel erläutert die Anwendung niedriger Energiedosen in der Radiobiologie anhand des Beschusses einzelner lebender Zellen mit abgezählten einzelnen Ionen. Als letztes Beispiel wird die Anwendung hochfokussierter Ionenstrahlen für die Mikrotomographie gezeigt. Abschließend folgt eine zusammenfassende Bewertung der vorgestellten Anwendungen mit einem Ausblick auf weitere Anwendungen und methodische Entwicklungen. Der Arbeit sind die relevanten Veröffentlichungen mit Beteiligung des Autors als Anhang beigefügt.

Knorpel ist ein kompliziertes System aus einem kollagenen Netzwerk, gefüllt mit wasserbindenden Makromolekülen (Proteoglykanen) und darin eingebetteten Zellen. Störungen in den komplexen Wechselbeziehungen können zur Gefährdung der strukturellen Integrität des Knorpels führen. Die hochauflösende Magnetresonanztomographie (NMR-Mikroskopie) kann über die Analyse der Signalintensität interne Knorpelstrukturen darstellen (hypo- und hyperintense Zonen). Mit Hilfe ionenmikroskopischer Analysemethoden (PIXE, RBS, ERDA) wurden im Knorpel (femorale und tibiale Kondyle des Hausschweins) im Querschnitt die zweidimensionalen Verteilungen der Knorpelelemente (H, C, N, O, P, S, Cl, K und Ca) aufgenommen sowie die Konzentrationen in ausgewählten Zonen bestimmt. Ergänzend wurde mit STIM die Dichteverteilung im Knorpel untersucht. Es gelang auch mit STIM, erstmalig kollagene Fasern in ihrer, bis auf den Wasserentzug natürlichen, Umgebung im Knorpel und damit unverändert in ihrer Anordnung sichtbar zu machen (keine chemische Demaskierung nötig). Die Ergebnisse wurden mit NMR- und polarisationsmikroskopischen Untersuchungen verglichen und in ihrem Zusammenhang mit den histologischen Knorpelzonen diskutiert. In den NMR-hypointensen Zonen fanden sich eine erhöhte Chlorkonzentration und punktförmige Calciumanreicherungen. Diese Zonen waren (im gefriergetrockneten Zustand) durch eine, bis zu einem Faktor vier höhere Dichte gekennzeichnet, die im maximalen Gehalt der Matrixelemente, H, C, N, O, (höchste Kollagendichte) begründet liegt. Im tibialen Knorpel konnten in der NMR-hypointensen Zone radial verlaufende einzelne Kollagenfasern nachgewiesen werden. Im femoralen Knorpel wurden in dieser Zone keine Einzelfasern nachgewiesen. Es deutete sich eine tubuläre Anordnung der Kollagenfasern an. In der hypertrophen Zone zeigten sich hohe Konzentrationen an Phosphor (Zellorganellen), Schwefel (Proteoglykane), Kalium (alkalisches Milieu) und Calcium (Vorstufe der Kalzifizierung). Die Chlorkonzentration hatte dort ihr Minimum. In dieser Zone verlaufen die Kollagenfasern radial und münden senkrecht in den Kalkknorpel. In der Tangentialfaserschicht wurde eine erhöhte Konzentration an Calcium und Phosphor beobachtet (Einlagerung von Calciumphosphaten). In dieser Zone wurden tangential verlaufende Kollagenfasern und ihr Übergang zur stärkeren Vernetzung mit teilweise arkadenförmiger Überstruktur sichtbar gemacht. Zur genaueren Aufklärung der dreidimensionalen Anordnung der Kollagenen Strukturen wurden erste Experimente zur STIM-Tomographie durchgeführt.

This work presents the development of a sub-micron nuclear microprobe for applications in the life sciences. It includes quantitative trace element analysis with sub-micron spatial resolution, 2D- and 3D-microscopy of density distributions and the targeted irradiation of living cells with counted single ions. The analytical methods base on particle induced X-ray emission spectrometry (PIXE), Rutherford backscattering spectrometry (RBS), scanning transmission ion microscopy (STIM) and STIM-tomography. The specific development of the existing nuclear microprobe LIPSION led to an improved performance of the capabilities for trace element analysis. For sub-micron analysis the spatial resolution could be improved to 300 nm at a sensitivity of about 1 µg/g for metal ions in biological matrices; for a resolution of 1 µm the sensitivity was improved to 200 ng/g (3 µmol/l). This habilitation thesis comprises a short general introduction including the motivation to utilize focussed high energy ion beams, an overview on the applications and actual research fields. The introduction is followed by the basic principles of the equipments and analytical methods. An estimation of the limits of resolution for element analytical and single ion techniques is given for the Leipzig system. Thereafter, selected studies from different research areas are presented. The first presented application is a study from environmental air pollution research. It is demonstrated that the microscopic elemental analysis of single aerosol particles can be used to assess the contributions from different sources. A further example is the analysis of the distribution of nanoparticles in skin cross-sections for a risk assessment of the applications of nanosized physical UV-filters in cosmetic products. The risk assessment is followed by the micro-analysis of trace elements, especially of bound metal ions, in brain sections on the cellular and sub-cellular level. After this the application of focussed MeV ion beams in low dose radiobiological research is presented. Finally, the analysis of 3D-density distributions by proton micro-tomography is demonstrated. A summary concludes on the applications and gives an outlook to further applications and methodological developments. The appendix comprises the relevant publications of the author. / Die vorliegende Arbeit etabliert für Anwendungen in den Lebenswissenschaften den Einsatz hochfokussierter MeV-Ionenstrahlen für nuklear-mikroskopische Methoden der quantitativen Spurenelementanalyse, der 2D- und 3D-Dichtemikroskopie sowie für die gezielte Bestrahlung einzelner lebender Zellen für radiobiologische Experimente. Zur Anwendung kamen die Methoden ortsaufgelöste Protonen induzierte Röntgenfluoreszenzanalyse (particle induced X-ray emission - PIXE), Spektrometrie rückgestreuter Ionen (Rutherford backscattering spectrometry - RBS) und Rastertransmissionsionenmikroskopie (scanning transmission ion microscopy - STIM). Durch eine gezielte Weiterentwicklung des bestehenden Ionenstrahlmikroskops, der Hochenergie Ionennanosonde LIPSION, konnte die Ortsauflösung für Spurenelementanalyse auf unter 300 nm verbessert werden, beziehungsweise die Sensitivität für Metallionen in biologischen Proben auf unter 200 ng/g (3 µmol/l) bei einer Ortsauflösung von 1 µm verbessert werden. Die Habilitationsschrift umfasst eine kurze allgemeine Einleitung einschließlich der Motivation für den Einsatz fokussierter MeV-Ionenstrahlen sowie einen Überblick über die Anwendungsgebiete und aktuellen Forschungsschwerpunkte. Danach werden kurz die Grundlagen der Technik und Methoden vorgestellt, gefolgt von einer Abschätzung der Auflösungsgrenzen für Elementanalysen und Einzelionentechniken. Danach werden ausgewählte Anwendungen aus verschiedenen Forschungsgebieten vorgestellt. Das erstes Beispiel ist aus der Umweltforschung. Es wird dargestellt, wie mittels ortsaufgelöster Elementspektroskopie eine Abschätzung der Feinstaubbelastung nach Beiträgen einzelner Verursacherquellen erfolgen kann. Dann folgt als Beispiel eine ortsaufgelöste Analyse der Verteilung von Nanopartikeln aus Sonnencremes in Hautquerschnitten zur Risikoabschätzung der Anwendungen von Nanotechnologie in kosmetischen Produkten. Desweiteren werden Studien der Spurenelementverteilung, speziell der von gebundenen Metallionen, in Hirnschnitten auf zellulärer und subzellulärer Ebene erläutert. Das anschließende Beispiel erläutert die Anwendung niedriger Energiedosen in der Radiobiologie anhand des Beschusses einzelner lebender Zellen mit abgezählten einzelnen Ionen. Als letztes Beispiel wird die Anwendung hochfokussierter Ionenstrahlen für die Mikrotomographie gezeigt. Abschließend folgt eine zusammenfassende Bewertung der vorgestellten Anwendungen mit einem Ausblick auf weitere Anwendungen und methodische Entwicklungen. Der Arbeit sind die relevanten Veröffentlichungen mit Beteiligung des Autors als Anhang beigefügt.

Knorpel ist ein kompliziertes System aus einem kollagenen Netzwerk, gefüllt mit wasserbindenden Makromolekülen (Proteoglykanen) und darin eingebetteten Zellen. Störungen in den komplexen Wechselbeziehungen können zur Gefährdung der strukturellen Integrität des Knorpels führen. Die hochauflösende Magnetresonanztomographie (NMR-Mikroskopie) kann über die Analyse der Signalintensität interne Knorpelstrukturen darstellen (hypo- und hyperintense Zonen). Mit Hilfe ionenmikroskopischer Analysemethoden (PIXE, RBS, ERDA) wurden im Knorpel (femorale und tibiale Kondyle des Hausschweins) im Querschnitt die zweidimensionalen Verteilungen der Knorpelelemente (H, C, N, O, P, S, Cl, K und Ca) aufgenommen sowie die Konzentrationen in ausgewählten Zonen bestimmt. Ergänzend wurde mit STIM die Dichteverteilung im Knorpel untersucht. Es gelang auch mit STIM, erstmalig kollagene Fasern in ihrer, bis auf den Wasserentzug natürlichen, Umgebung im Knorpel und damit unverändert in ihrer Anordnung sichtbar zu machen (keine chemische Demaskierung nötig). Die Ergebnisse wurden mit NMR- und polarisationsmikroskopischen Untersuchungen verglichen und in ihrem Zusammenhang mit den histologischen Knorpelzonen diskutiert. In den NMR-hypointensen Zonen fanden sich eine erhöhte Chlorkonzentration und punktförmige Calciumanreicherungen. Diese Zonen waren (im gefriergetrockneten Zustand) durch eine, bis zu einem Faktor vier höhere Dichte gekennzeichnet, die im maximalen Gehalt der Matrixelemente, H, C, N, O, (höchste Kollagendichte) begründet liegt. Im tibialen Knorpel konnten in der NMR-hypointensen Zone radial verlaufende einzelne Kollagenfasern nachgewiesen werden. Im femoralen Knorpel wurden in dieser Zone keine Einzelfasern nachgewiesen. Es deutete sich eine tubuläre Anordnung der Kollagenfasern an. In der hypertrophen Zone zeigten sich hohe Konzentrationen an Phosphor (Zellorganellen), Schwefel (Proteoglykane), Kalium (alkalisches Milieu) und Calcium (Vorstufe der Kalzifizierung). Die Chlorkonzentration hatte dort ihr Minimum. In dieser Zone verlaufen die Kollagenfasern radial und münden senkrecht in den Kalkknorpel. In der Tangentialfaserschicht wurde eine erhöhte Konzentration an Calcium und Phosphor beobachtet (Einlagerung von Calciumphosphaten). In dieser Zone wurden tangential verlaufende Kollagenfasern und ihr Übergang zur stärkeren Vernetzung mit teilweise arkadenförmiger Überstruktur sichtbar gemacht. Zur genaueren Aufklärung der dreidimensionalen Anordnung der Kollagenen Strukturen wurden erste Experimente zur STIM-Tomographie durchgeführt.

Die außerordentlichen Steigerungen der Funktionalität und Produktivität in der Halbleiterindustrie sind zum wesentlichen Teil auf eine Verkleinerung der Strukturdetails auf einer logarithmischen Skala über die letzten Jahrzehnte zurückzuführen. Sowohl zur Kontrolle des Fertigungsergebnisses als auch zur Klärung von Fehlerursachen ist die Nutzung transmissionselektronenmikroskopischer Methoden unabdingbar. Für die Zielpräparation von Halbleiterstrukturen sind Techniken unter Nutzung der Focused Ion Beam Geräte etabliert, die je nach der konkreten Aufgabenstellung variiert werden. Die Abbildung von Strukturdetails mit Abmessungen von wenigen Nanometern erfordert die Anwendung unterschiedlicher Kontrastmechanismen. Die Ergänzung der Abbildung durch die analytischen Techniken der energiedispersiven Röntgenmikroanalyse und der Elektronenenergieverlustanalyse ist ein wertvolles Werkzeug bei der Klärung von Fehlerursachen oder bei prozesstechnischen Fragestellungen. Die Nutzung der Rastertransmissionselektronenmikroskopie erlaubt die unmittelbare Kombination von Abbildung und Elementanalyse. Die lokale Verteilung von Dotierstoffen als wesentliche Grundlage für die Funktion von Bauelementen in der Halbleiterindustrie ist nur über ihre Auswirkung auf die Phase der transmittierten Elektronenwelle nachweisbar. Mittels Elektronenholographie kann dieser Einfluss gemessen werden und das Prozessergebnis von Implantationen dargestellt werden. Für die Charakterisierung von Details, die kleiner als die Probendicken sind, die im TEM genutzt werden, ist die Anwendung der Elektronentomographie ein geeignetes Werkzeug. Dazu sind spezielle Präparations- und Abbildungsstrategien erforderlich. / The strong improvements in functionality and productivity in the semiconductor industry are mostly a result of the decrease of structural details on a logarithmic scale during the last decades. The monitoring of the production process, as well as failure analyses, utilize methods of transmission electron microscopy. For targeted preparations of semiconductor structures, techniques based on focused ion beams are established, with adaptions to the current task. The imaging of structural details with dimensions of a few nanometers requires the application of different contrast techniques, depending on the detailed request. Different opportunities of elemental analysis, such as energy dispersive X-ray analysis or electron energy loss analysis, deliver additional information about the chemical composition and binding states on a nanoscale. The use of scanning transmission electron microscopy enables a direct combination of imaging and elemental analysis. The local distribution of dopants, as one of the major basics for the function of semiconductor devices, can be observed via the phase shift of the transmitted electron wave only. This influence requires the application of electron holography, a technique which enables the visualization of the process result of implantations or diffusion processes. The characterization of details which are smaller than the thickness of a TEM-sample is enabled through the use of electron tomography. This technique requires special strategies for preparation and imaging and delivers a 3D-dataset, describing the structure.

Die außerordentlichen Steigerungen der Funktionalität und Produktivität in der Halbleiterindustrie sind zum wesentlichen Teil auf eine Verkleinerung der Strukturdetails auf einer logarithmischen Skala über die letzten Jahrzehnte zurückzuführen. Sowohl zur Kontrolle des Fertigungsergebnisses als auch zur Klärung von Fehlerursachen ist die Nutzung transmissionselektronenmikroskopischer Methoden unabdingbar. Für die Zielpräparation von Halbleiterstrukturen sind Techniken unter Nutzung der Focused Ion Beam Geräte etabliert, die je nach der konkreten Aufgabenstellung variiert werden. Die Abbildung von Strukturdetails mit Abmessungen von wenigen Nanometern erfordert die Anwendung unterschiedlicher Kontrastmechanismen. Die Ergänzung der Abbildung durch die analytischen Techniken der energiedispersiven Röntgenmikroanalyse und der Elektronenenergieverlustanalyse ist ein wertvolles Werkzeug bei der Klärung von Fehlerursachen oder bei prozesstechnischen Fragestellungen. Die Nutzung der Rastertransmissionselektronenmikroskopie erlaubt die unmittelbare Kombination von Abbildung und Elementanalyse. Die lokale Verteilung von Dotierstoffen als wesentliche Grundlage für die Funktion von Bauelementen in der Halbleiterindustrie ist nur über ihre Auswirkung auf die Phase der transmittierten Elektronenwelle nachweisbar. Mittels Elektronenholographie kann dieser Einfluss gemessen werden und das Prozessergebnis von Implantationen dargestellt werden. Für die Charakterisierung von Details, die kleiner als die Probendicken sind, die im TEM genutzt werden, ist die Anwendung der Elektronentomographie ein geeignetes Werkzeug. Dazu sind spezielle Präparations- und Abbildungsstrategien erforderlich.:0. Gliederung Danksagung 3 Kurzfassung / Abstract 5 Abkürzungsverzeichnis 7 Verzeichnis der Symbole 9 0 Gliederung 13 1 Einleitung 15 1.1 Rahmenbedingungen der Halbleiterindustrie 15 1.2 Typische Strukturen und Fragestellungen in Halbleiterbauelementen 17 1.3 Analytische Untersuchungen an Halbleiterstrukturen 19 2 Einordnung der TEM in die Analytik von Halbleiterbauelementen 23 2.1 Einsatz struktur- und elementanalytischer Verfahren in der Halbleiterindustrie 23 2.2 Beitrag der Transmissionselektronenmikroskopie zu den Fragestellungen 25 2.3 Beispiele typischer Halbleiterstrukturen 27 2.4 Anforderungen an ein TEM für den Einsatz an einem Halbleiterproduktionsstandort 31 3 Präparation von Halbleiterstrukturen Untersuchung im TEM 35 3.1 Mechanische Vorbereitung 35 3.2 Endabdünnung größerer Bereiche 36 3.3 Zielpräparationen mittels Focused Ion Beam Technik 37 3.4 Lift-Out Techniken 40 4 Abbildende Untersuchungen und strukturanalytische Charakterisierung 45 4.1 Abbildungstechniken für mittlere Ortsauflösungen 46 4.2 Hochauflösende Abbildung kristalliner Bestandteile 56 4.3 Rastertransmissionselektronenmikroskopie 59 4.4 Elektronenbeugung 61 5 Elementanalytische Untersuchungen 65 5.1 Energiedispersive Röntgenanalyse im TEM 65 5.2 Nutzung von Energieverlusten der Elektronen zur Materialcharakterisierung 71 5.2.1 Ansatz und technische Lösungen 71 5.2.2 Elektronenenergiverlustspektroskopie 73 5.2.3 Energiegefilterte Abbildung 76 5.3 Spezielle Anwendungen von EELS und Energiefilterung 80 5.3.1 Energiegefilterte Abbildung unter Nutzung der Plasmonenmaxima 80 5.3.2 Nachweis der Bildung von Verbindungen 84 5.3.3 Abbildung mit reduziertem Energiefenster auf der elementspezifischen Kante 86 5.4 Energiegefilterte Abbildung im STEM-HAADF Modus 87 5.5 Kombination von Abbildung und Elementanalytik („Spectrum Imaging“) 93 14 6 Elektronenholographie 101 6.1 Prinzipielle Fragestellung 101 6.2 Physikalisches Prinzip der Elektronenholographie 109 6.3 Technische Umsetzung bei der Off-axis Holographie 112 6.4 Besonderheiten der Probenpräparation für elektronenholographische Untersuchungen 116 6.5 Hologrammaufnahme und numerische Auswertung 120 6.6 Anwendungen der Elektronenholographie an Halbleiterstrukturen 124 6.7 Elektronenholographische Untersuchungen ohne Einsatz einer Lorentzlinse 130 6.8 Möglichkeiten der Inline Holographie 134 7 Elektronentomographie 137 7.1 Prinzipielle Fragestellung 137 7.2 Theoretischer Ansatz zur Lösung 138 7.3 Praktische Umsetzung 143 7.4 Beispielhafte Ergebnisse 148 7.4.1 Charakterisierung von Diffusionsbarrieren 148 7.4.2 Geometrie des Substrates nach komplexer Prozessierung 150 7.4.3 Beschreibung und Messmöglichkeiten an 3-dimensional aufgebauten Transistoren 151 7.4.4 Fehleranalyse an Transistoren größerer Dimension 154 8 Zusammenfassung und Ausblick 157 8.1 Präparative Aspekte 157 8.2 Neue Herausforderungen an die Abbildungstechnik 158 8.3 Elementanalytische Arbeitstechniken 160 8.4 Elektronenholographie 161 8.5 Elektronentomographie 162 8.6 Weitere Fragestellungen 163 9 Literaturverzeichnis 165 / The strong improvements in functionality and productivity in the semiconductor industry are mostly a result of the decrease of structural details on a logarithmic scale during the last decades. The monitoring of the production process, as well as failure analyses, utilize methods of transmission electron microscopy. For targeted preparations of semiconductor structures, techniques based on focused ion beams are established, with adaptions to the current task. The imaging of structural details with dimensions of a few nanometers requires the application of different contrast techniques, depending on the detailed request. Different opportunities of elemental analysis, such as energy dispersive X-ray analysis or electron energy loss analysis, deliver additional information about the chemical composition and binding states on a nanoscale. The use of scanning transmission electron microscopy enables a direct combination of imaging and elemental analysis. The local distribution of dopants, as one of the major basics for the function of semiconductor devices, can be observed via the phase shift of the transmitted electron wave only. This influence requires the application of electron holography, a technique which enables the visualization of the process result of implantations or diffusion processes. The characterization of details which are smaller than the thickness of a TEM-sample is enabled through the use of electron tomography. This technique requires special strategies for preparation and imaging and delivers a 3D-dataset, describing the structure.:0. Gliederung Danksagung 3 Kurzfassung / Abstract 5 Abkürzungsverzeichnis 7 Verzeichnis der Symbole 9 0 Gliederung 13 1 Einleitung 15 1.1 Rahmenbedingungen der Halbleiterindustrie 15 1.2 Typische Strukturen und Fragestellungen in Halbleiterbauelementen 17 1.3 Analytische Untersuchungen an Halbleiterstrukturen 19 2 Einordnung der TEM in die Analytik von Halbleiterbauelementen 23 2.1 Einsatz struktur- und elementanalytischer Verfahren in der Halbleiterindustrie 23 2.2 Beitrag der Transmissionselektronenmikroskopie zu den Fragestellungen 25 2.3 Beispiele typischer Halbleiterstrukturen 27 2.4 Anforderungen an ein TEM für den Einsatz an einem Halbleiterproduktionsstandort 31 3 Präparation von Halbleiterstrukturen Untersuchung im TEM 35 3.1 Mechanische Vorbereitung 35 3.2 Endabdünnung größerer Bereiche 36 3.3 Zielpräparationen mittels Focused Ion Beam Technik 37 3.4 Lift-Out Techniken 40 4 Abbildende Untersuchungen und strukturanalytische Charakterisierung 45 4.1 Abbildungstechniken für mittlere Ortsauflösungen 46 4.2 Hochauflösende Abbildung kristalliner Bestandteile 56 4.3 Rastertransmissionselektronenmikroskopie 59 4.4 Elektronenbeugung 61 5 Elementanalytische Untersuchungen 65 5.1 Energiedispersive Röntgenanalyse im TEM 65 5.2 Nutzung von Energieverlusten der Elektronen zur Materialcharakterisierung 71 5.2.1 Ansatz und technische Lösungen 71 5.2.2 Elektronenenergiverlustspektroskopie 73 5.2.3 Energiegefilterte Abbildung 76 5.3 Spezielle Anwendungen von EELS und Energiefilterung 80 5.3.1 Energiegefilterte Abbildung unter Nutzung der Plasmonenmaxima 80 5.3.2 Nachweis der Bildung von Verbindungen 84 5.3.3 Abbildung mit reduziertem Energiefenster auf der elementspezifischen Kante 86 5.4 Energiegefilterte Abbildung im STEM-HAADF Modus 87 5.5 Kombination von Abbildung und Elementanalytik („Spectrum Imaging“) 93 14 6 Elektronenholographie 101 6.1 Prinzipielle Fragestellung 101 6.2 Physikalisches Prinzip der Elektronenholographie 109 6.3 Technische Umsetzung bei der Off-axis Holographie 112 6.4 Besonderheiten der Probenpräparation für elektronenholographische Untersuchungen 116 6.5 Hologrammaufnahme und numerische Auswertung 120 6.6 Anwendungen der Elektronenholographie an Halbleiterstrukturen 124 6.7 Elektronenholographische Untersuchungen ohne Einsatz einer Lorentzlinse 130 6.8 Möglichkeiten der Inline Holographie 134 7 Elektronentomographie 137 7.1 Prinzipielle Fragestellung 137 7.2 Theoretischer Ansatz zur Lösung 138 7.3 Praktische Umsetzung 143 7.4 Beispielhafte Ergebnisse 148 7.4.1 Charakterisierung von Diffusionsbarrieren 148 7.4.2 Geometrie des Substrates nach komplexer Prozessierung 150 7.4.3 Beschreibung und Messmöglichkeiten an 3-dimensional aufgebauten Transistoren 151 7.4.4 Fehleranalyse an Transistoren größerer Dimension 154 8 Zusammenfassung und Ausblick 157 8.1 Präparative Aspekte 157 8.2 Neue Herausforderungen an die Abbildungstechnik 158 8.3 Elementanalytische Arbeitstechniken 160 8.4 Elektronenholographie 161 8.5 Elektronentomographie 162 8.6 Weitere Fragestellungen 163 9 Literaturverzeichnis 165

Die vorliegende Arbeit stellt die Ergebnisse der methodologischen Entwicklung räumlich aufgelöster Analyse mittels Scanning Laserablation-ICP-Massenspektrometrie dar. Eine neue Behandlung zur Quantifizierung transienter analytischer Signale wurde für die Wiederherstellung von Konzentrationsprofilen vorgeschlagen. Die Anwendung der entwickelten Modelle auf die räumlich aufgelöste Analyse mittels LA-ICP-MS ermöglicht verbesserten Informationsgewinn und lässt dadurch eine höhere räumliche Auflösung erreichen. Die Anwendbarkeit der LA-ICP-MS für die räumlich aufgelöste Bestimmung der Stöchiometrie in supraleitenden Borokarbiden wurde untersucht. Der Einfluss apparativer Größen auf das analytische Signal wurde aufgeklärt, um die Messbedingungen zu optimieren. Zusätzlich wurden Fraktionierungseffekte untersucht, um die Ursache und deren Auswirkung auf die Analyse supraleitender Borokarbiden zu erklären. / This work represents the results of the methodological development of spatially resolved analysis by scanning laser ablation ICP mass spectrometry. A new approach to the quantification of transient analytical signals was proposed to reveal the concentration profile. An application of the developed models on spatially resolved analysis by LA-ICP-MS allows to gain more information from experimental data and hence to achieve better spatial resolution. The applicability of LA-ICP-MS to the spatially resolved determination of the stoichiometry of superconducting borocarbides was investigated. The effect of experimental parameters on analytical signals was elucidated in order to optimize the experimental conditions. In addition, fractionation effects were investigated to identify the causes for fractionation and their influence on the analysis of superconducting borocarbides.

Die vorliegende Arbeit stellt die Ergebnisse der methodologischen Entwicklung räumlich aufgelöster Analyse mittels Scanning Laserablation-ICP-Massenspektrometrie dar. Eine neue Behandlung zur Quantifizierung transienter analytischer Signale wurde für die Wiederherstellung von Konzentrationsprofilen vorgeschlagen. Die Anwendung der entwickelten Modelle auf die räumlich aufgelöste Analyse mittels LA-ICP-MS ermöglicht verbesserten Informationsgewinn und lässt dadurch eine höhere räumliche Auflösung erreichen. Die Anwendbarkeit der LA-ICP-MS für die räumlich aufgelöste Bestimmung der Stöchiometrie in supraleitenden Borokarbiden wurde untersucht. Der Einfluss apparativer Größen auf das analytische Signal wurde aufgeklärt, um die Messbedingungen zu optimieren. Zusätzlich wurden Fraktionierungseffekte untersucht, um die Ursache und deren Auswirkung auf die Analyse supraleitender Borokarbiden zu erklären. / This work represents the results of the methodological development of spatially resolved analysis by scanning laser ablation ICP mass spectrometry. A new approach to the quantification of transient analytical signals was proposed to reveal the concentration profile. An application of the developed models on spatially resolved analysis by LA-ICP-MS allows to gain more information from experimental data and hence to achieve better spatial resolution. The applicability of LA-ICP-MS to the spatially resolved determination of the stoichiometry of superconducting borocarbides was investigated. The effect of experimental parameters on analytical signals was elucidated in order to optimize the experimental conditions. In addition, fractionation effects were investigated to identify the causes for fractionation and their influence on the analysis of superconducting borocarbides.