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Maskenherstellung

2010-04-28T10:55:35Z

P Lab: Die Seite wurde neu angelegt: „Je nach physikalischer Fragestellung ist es möglich, dass eine oder mehrere Masken hergestellt werden müssen. Die Masken (plus die folgenden Prozessschritte) di...“

Je nach physikalischer Fragestellung ist es möglich, dass eine oder mehrere Masken hergestellt werden müssen. Die Masken (plus die folgenden Prozessschritte) dienen dazu den Halbleiter dahingehend zu modifizieren, die Fragestellung über Messungen beantworten zu können.

Darunter gehört die Definition:
* des Stromverlaufs(Mesa-Struktur)
* von Kontakten (Kontakt-Struktur)
* von Gates (Gate-Struktur)

Jede Maske wird zunächst am Computer mittels CorelDraw generiert, um sie dann auf ein Poster (DIN A0) zu drucken. Von diesem Poster wird dann mit einer speziellen Kamera eine Langzeitaufnahme gemacht, so dass ein negatives Abbild des Posters auf einer lichtempfindlichen "Fotoplatte" festgehalten wird. Diese Fotoplatte ist nach Entwicklung die fertige Maske, mit der man die oben genannten Definitionen im Gelbraum auf die Halbleiterprobe bringen kann.

Schritte zur Maskenherstellung:
* Unbelichtete Fotoplatten befinden sich im Fotolabor
* Die Fotoplatte im Fotolabor in die Kamera einsetzen: 1) Stift an der Kamera herausziehen und Klappe öffnen, 2) Emulsionsseite der Fotoplatte in die Kamera einlegen (Emulsionsseite zum Kamerainneren), 3) Stift wieder reinstecken und Klappe schließen
* Kamera mit passendem Objektiv versehen und Blendenzahl einstellen
* Einer Liste im Photolumineszenzlabor entnimmt man die Werte für "Entfernung", "Objektiv", "Vergrößerung" und "Belichtungsdauer"
* Kamera von L(Lock) auf B(Belichten) stellen
* DIN A0 Poster an der richtigen Position der Wand befestigen (Makierungen beachten)
* Fernauslöser sowie Strom für Kamera einstellen/einstecken
* 4 Lampen ein-, Deckenbelichtung ausschalten
* Kamerablende abnehmen, Kamera mittig auf Poster ausrichten, "Film laden" und beim Auslösen die Stopuhr starten
* Nach Zeitablauf "geriffelten" Ring an der Kamera nach oben drücken um Belichtungsvorgang zu unterbrechen
* Danach Fotoplatte im Fotolabor entnehmen und entwickeln (siehe [[Fotolabor]])

SOWAS:Festkörperphysik

2010-04-28T09:51:51Z

P Lab: /* Experimentelle Aufbauten, Präparationsanlagen */

Hier finden Sie alle Informationen über das SOWAS-Praktikum im Bereich Festkörperphysik. Diese umfassen das Themenangebot, die experimentellen Aufbauten und die dazugehörige Beschreibung der Software-/Hardware-Anwendung, sowie allgemeine und hilfreiche Darstellungen physikalischer Zusammenhänge.

== Themenvorschläge ==
Folgende Themen können (neben eigenen Anregungen) bearbeitet werden:
* [[Band gap engineering]]
* [[FIB-Sputtern und Visualisierung]]
* [[Photolithographische Definition von Feldeffekt-Transistoren und damit I-U-Charakterisierung und Anwendungsschaltungen]]
* [[In-Plane-Gate-Transistoren (IPGs)]]

== Experimentelle Aufbauten, Präparationsanlagen ==
'''Experimentelle Aufbauten'''

* [[Hall-Effekt-Aufbau]]
* [[Closed Cycle Cryostat]]
* [[Quanten-Hall-Effekt-Aufbau]]
* [[Kapazitäts-Spannungs-Spektroskopie]]
* [[Photolumineszenz-Aufbau]]
* [[Fokussierte Ionenstrahlen]]
* [[Rasterelektronenmikroskop]]
* [[Spitzenmessplatz]]
* [[Phaseninterferenzmikroskop]]
'''Präparationsanlagen'''
* [[Maskenherstellung]] und [[Fotolabor]]
* [[Diamantritzer]]
* [[Gelbraum]]
* [[Aufdampflabor]]
* [[Wedge-Bonder]]

== Anmeldung ==
Interessieren Sie sich (2 Personen) für die Bearbeitung eines SOWAS-Themas, so melden Sie sich bitte bei ''wieck.sekretariat@ruhr-uni-bochum.de''

'''Beachten Sie bitte, dass zu einem SOWAS-Praktikum beim Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik vorab eine Sicherheitsbelehrung stattfindet.'''

== Bisherige SOWAS-Projekte ==

SOWAS:Festkörperphysik

2010-04-28T09:36:41Z

P Lab: /* Experimentelle Aufbauten, Präparationsanlagen */

Hier finden Sie alle Informationen über das SOWAS-Praktikum im Bereich Festkörperphysik. Diese umfassen das Themenangebot, die experimentellen Aufbauten und die dazugehörige Beschreibung der Software-/Hardware-Anwendung, sowie allgemeine und hilfreiche Darstellungen physikalischer Zusammenhänge.

== Themenvorschläge ==
Folgende Themen können (neben eigenen Anregungen) bearbeitet werden:
* [[Band gap engineering]]
* [[FIB-Sputtern und Visualisierung]]
* [[Photolithographische Definition von Feldeffekt-Transistoren und damit I-U-Charakterisierung und Anwendungsschaltungen]]
* [[In-Plane-Gate-Transistoren (IPGs)]]

== Experimentelle Aufbauten, Präparationsanlagen ==
'''Experimentelle Aufbauten'''

* [[Hall-Effekt-Aufbau]]
* [[Closed Cycle Cryostat]]
* [[Quanten-Hall-Effekt-Aufbau]]
* [[Kapazitäts-Spannungs-Spektroskopie]]
* [[Photolumineszenz-Aufbau]]
* [[Fokussierte Ionenstrahlen]]
* [[Rasterelektronenmikroskop]]
* [[Spitzenmessplatz]]
* [[Phaseninterferenzmikroskop]]
'''Präparationsanlagen'''
* [[Maskenbelichtung]] und [[Fotolabor]]
* [[Diamantritzer]]
* [[Gelbraum]]
* [[Aufdampflabor]]
* [[Wedge-Bonder]]

== Anmeldung ==
Interessieren Sie sich (2 Personen) für die Bearbeitung eines SOWAS-Themas, so melden Sie sich bitte bei ''wieck.sekretariat@ruhr-uni-bochum.de''

'''Beachten Sie bitte, dass zu einem SOWAS-Praktikum beim Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik vorab eine Sicherheitsbelehrung stattfindet.'''

== Bisherige SOWAS-Projekte ==

SOWAS:Festkörperphysik

2010-04-28T09:33:28Z

P Lab: /* Anmeldung */

Hier finden Sie alle Informationen über das SOWAS-Praktikum im Bereich Festkörperphysik. Diese umfassen das Themenangebot, die experimentellen Aufbauten und die dazugehörige Beschreibung der Software-/Hardware-Anwendung, sowie allgemeine und hilfreiche Darstellungen physikalischer Zusammenhänge.

== Themenvorschläge ==
Folgende Themen können (neben eigenen Anregungen) bearbeitet werden:
* [[Band gap engineering]]
* [[FIB-Sputtern und Visualisierung]]
* [[Photolithographische Definition von Feldeffekt-Transistoren und damit I-U-Charakterisierung und Anwendungsschaltungen]]
* [[In-Plane-Gate-Transistoren (IPGs)]]

== Experimentelle Aufbauten, Präparationsanlagen ==
'''Experimentelle Aufbauten'''

* [[Hall-Effekt-Aufbau]]
* [[Closed Cycle Cryostat]]
* [[Quanten-Hall-Effekt-Aufbau]]
* [[Kapazitäts-Spannungs-Spektroskopie]]
* [[Photolumineszenz-Aufbau]]
* [[Fokussierte Ionenstrahlen]]
* [[Rasterelektronenmikroskop]]
* [[Spitzenmessplatz]]
* [[Phaseninterferenzmikroskop]]
'''Präparationsanlagen'''
* [[Fotolabor]]
* [[Diamantritzer]]
* [[Gelbraum]]
* [[Aufdampflabor]]
* [[Wedge-Bonder]]

== Anmeldung ==
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'''Beachten Sie bitte, dass zu einem SOWAS-Praktikum beim Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik vorab eine Sicherheitsbelehrung stattfindet.'''

== Bisherige SOWAS-Projekte ==

Fokussierte Ionenstrahlen

2010-04-21T12:24:31Z

P Lab: /* Aufbau einer FIB-Anlage */

Ein fokussierter Ionenstrahl (kurz FIB=focused ion beam) ist eine Anlage zur Oberflächenanalyse und -bearbeitung. Im Speziellen bedeutet das die Oberflächenmikroskopie, präzise Dotierung und das Abtragen von dünnen Schichten (Sputtern).

== Was erhalte ich durch die Anwendung einer Anlage "fokussierete Ionenstrahlen"? ==
Verwendet man eine Anlage "fokussierte Ionenstrahlen" erhält man:
* das gezielte Dotieren des Festkörpers (Implantation)
* das gezielte Abtragen des Targetmaterials
* eine Oberflächenabbild der Probe

Am Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik stehen 6 verschiedene FIB-Anlagen zur Verfügung.

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_FIB_Kaskaden.jpg|miniatur|400px|a:single-knock-on, b:linear collision cascade, c:spike]]
Treffen Ionen auf die Oberfläche eines Festkörpers, wechselwirken diese durch inelastische und elastische Stöße mit den Elektronen und Atomkernen des Festkörpers. Eine Folge von inelastischen Stößen ist die Emission von Sekundärelektronen, deren Detektion als Stanardmethode zur Bilderzeugung (aufgrund von "hell-dunkel"-Informationen) in fokussierten Ionenstrahl (kurz: FIB=focused ion beam) Systemen genutzt wird.

Sputtering ist ein Effekt von elastischen Stößen des einfallenden Ions mit den Atomen des Festkörpers. Hierbei bedeutet Oberflächenzerstäubung das Feisetzen von neutralen oder geladenen Atomen als Folge des Ionenbeschusses. Wenn energiereiche Ionen mit Ionenenergien von einigen keV auf eine Festkörperoberfläche auftreffen, wird Energie an die Gitteratome des Festkörpers übertragen. Die Primärionen mit Energien von einigen keV dringen bis zu 100 <math>\AA</math> tief ein. Dabei wird das Ion abgebremst und es entwickelt sich aufgrund des Impulsübertrages eine Kette von Stößen zwischen den Festkörperatomen. Rückstoßatome entstehen, die sich durch den Festkörper bewegen und mit anderen Atomen zusammenstoßen. So bildet sich eine Stoßkaskade. Wenn der Impulsübertrag durch die Stoßkaskade an die Oberflächenatome groß genug ist, können Atome die Oberflächenbindung aufbrechen und den Festkörper verlassen. Für den Sputterprozess gibt es, abhängig von der Ion-Target Kombination, eine charakteristische Schwellenenergie von etwa 10-30 eV. Bei größeren Energien nimmt die Eindringtiefe zu. Die Sputterrate, die mittlere Zahl der emittierten Targetatome pro auftreffendem Primärion, steigt mit zunehmender Ionenenergie mit einem Maximum bei einigen 10keV.

Bei noch größeren Energien nimmt die an die Oberfläche übertragene Energie ab. Wie effizient diese Stoßkaskaden sind, hängt von der Primärionenenergie und dem Massenverhältnis zwischen Targetatom un d Primärion ab. Dadurch lassen sich drei Arten von Stoßkaskaden klassifizieren, die sich hinsichtlich ihrer Anzahl an Rückstoßatomen unterscheiden:

* Ein Einzelteilchenstoß (single-knock-on) findet bei Beschuss mit leichten Primärionen, <math>M_{ion} << M_{atom}</math> oder bei niedrigen Ionenenergien <math>E_0 < 1keV</math> statt. Stoßkaskaden entstehen hier nicht. Eine einzelne Kollision zwischen zwei Stoßpartnern führt zum Impulsübertrag. Wenn die Energie ausreicht, kann ein oberflächennahes Atom die Oberflächenenergie überwinden. Die Sputterrate ist hier proportional zum Stoßquerschnitt.
* Die lineare Stoßkaskade (linear collision cascade) findet bei moderaten Ionenenergien 1keV < <math>E_0</math> < 100keV und einem Massenverhältnis von ungefähr eins zu eins statt. Der Impulsübertrag entsteht in Folge von binären Stößen. Eine Stoßkaskade bildet sich und in dem Fall, dass die in Richtung der Oberfläche übertragene Energie ausreicht um die Oberflächenbindungsenergie zu überwinden, verlassen einige der oberflächennahen Atome den Festkörper. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Tiefeneinheit. Der Linearkaskadenprozess ist der häufigste Prozess beim Arbeiten mit FIB-Systemen.
* Nicht-lineare Stoßkaskaden (spike) treten bei schweren Primärionen und großer Ionenenergie <math>E_0</math> > 100keV auf. Die Kollisionskaskade ist hier so dicht, dass sich ihre Äste überlappen. Dadurch bewegen sich die meisten Atome während der Kollision in einem begrenzten Volumen (Spikevolumen). Dies führt auch zur Zerstörung der lokalen Festkörperstruktur. Dieser Fall wird nur selten bei FIB-Anwendungen erreicht. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Volumeneinheit.

== Aufbau einer FIB-Anlage ==
[[Datei:FKP_W_FIB_LMIS.jpg|miniatur|300px|LMIS]]
[[Datei:FKP_W_FIB_Fraise.jpg|miniatur|300px|Schematisch: FIB-Anlage Fraise]]

Die Hauptbestandteile eines FIB-Systems sind eine Flüssigmetall-Ionenquelle (kurz LMIS=liquid metal ion source), eine ionenoptische Säule, ein Probentisch, ein Vakuumsystem, Detektoren und ein Computersystem zum Steuern der Anlage. Diese Bestandteile werden im Folgenden kurz beschrieben.

Die hierbeschriebene Anlage Fraise ist eine Stand-Alone Anlage, also ein Single-Beam Instrument, das nicht in ein weiteres Analysegerät integriert ist. Diese Anlage eignet sich gut zur Mikrostrukturierung von Proben, da sie kein (E x B))-Filter und nur eine Blende besitzt, wodurch hohe Strahlströme erzielt werden können. Die maximale Beschleunigungsspannung liegt bei 30kV.

* '''LMIS:''' Die LMIS besteht aus einer Nadel (Wolfram, Niob) mit einem Reservoir für das Quellenmaterial, um das sich eine Heizwendel befindet. Dieser Teil ist an einer Stromzuführung befestigt. Um eine Ionenemission zu erreichen, wird die Quelle zuerst auf den Schmelzpunkt des vorhandenen Quellenmetalls erhitzt, damit das Metall flüssig wird, wodurch die Nadel benetzt wird. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Quelle nicht überhitzt wird, weil sonst das ganze Metall schnell verdampfen kann. Zwischen der Nadel und der Extraktionsblende wird nun eine hohe positive Extraktionsspannung von einigen Kilovolt angelekt (bis zu etwa 12kV). Das elektrische Feld erzeugt an der benetzten Nadelspitze einen sogenannten Tylorkonus mit einem halben Öffnungswinkel von 49,3°. Die Konusform ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung und der elektrostatischen Kraft.

Die ''Extraktionsspannung'' bestimmt die Größe des Extraktionsstroms. Normalerweise arbeitet man bei niedrigen Emissionsströmen von wenigen Mikroampere, um die Breite der Energieverteilung und die Coulombwechselwirkungen im Ionenstrahl zu minimieren. Die Coulombwechselwirkungen beim Emissionspunkt bewirken, dass sich die positiv geladenen Ionen untereinander abstoßen, wodurch die Ionen eine größere Transversalgeschwindigkeit bekommen.
Da der Strahlstrom in der FIB-Säule und auf dem Target nur noch eine Sträke von einigen Nanoampere und weniger besitzt, ist dort die freie Weglänge der Ionen deutlich größer. Daher spielen die Coulombwechselwirkungen nur im Quellenbereich eine deutliche Rolle. Bei größeren Emissionsströmen wächst außerdem der Anteil von Klustern im Ionenstrahl, was den Quellendurchmesser erheblich vergrößert.
* '''Ionenoptische Säule:''' In der ionenoptischen Säule werden die aus der LMIS extrahierten Ionen auf das Probenmaterial beschleunigt und fokussiert. Sie hat zwei elektrostatische Linsen, die in der Regel ''Kondensorlinse'' und ''Objektivlinse'' genannt werden. Die Kondensorlinse bündelt den Ionenstrahl und die Objektivlinse fokussiert ihn auf die Probe. Das Verändern der Linsenspannungen erzeugt verschiedene Strahlengänge. Mit ''Blenden'' von unterschiedlichen Durchmessern kann man die Strahlgröße und den Strahlstrom(der über ein ''Faraday-Cup'' gemessen wird) zusätzlich zu den Linsen nochmals optimieren. Zur Steuerung des Ionenstrahls dient ein ''Deflektor''- und ein ''Blanking''system. Wie bei den Linsen erfolgt die Ablenkung des Strahls elektrostatisch. Plattenpaare für x- und y-Ablenkung, Quadrupole oder Oktupole erzeugen elektrische Felder, die den Strahl ablenken und über die Probe führen. Durch die maximal mögliche Ablenkung, die von der geometrischen Anordnung und der Beschleunigungsspannung abhängt, wird das Schreibfeld der FIB-Anlage definiert. Das Wegführen des Strahls von der Probe (blanking) kann ebenfalls durch verschiedene Plattenanordnungen erreicht werden.
* '''FIB-Steuerung:''' Die Anlagen werden mithilfe LabViews gesteuert.

[[Datei:FKP_W_FIB_Ionensorten.jpg|900px|vorhandene Ionensorten: orange]]

<br style="clear: both" />

== Hardware- & Softwareanwendung ==
Da alle FIB-Anlagen unterschiedlich sind, ist die Hardware- und Softwareanwendung bei jedem System anders. Es bedarf hier in beiden Fällen einer Unterweisung an der Anlage/den Anlagen selbst.

Datei:FKP W FIB Ionensorten.jpg

2010-04-21T12:23:37Z

P Lab:

Fokussierte Ionenstrahlen

2010-04-21T12:23:31Z

P Lab: /* Aufbau einer FIB-Anlage */

Ein fokussierter Ionenstrahl (kurz FIB=focused ion beam) ist eine Anlage zur Oberflächenanalyse und -bearbeitung. Im Speziellen bedeutet das die Oberflächenmikroskopie, präzise Dotierung und das Abtragen von dünnen Schichten (Sputtern).

== Was erhalte ich durch die Anwendung einer Anlage "fokussierete Ionenstrahlen"? ==
Verwendet man eine Anlage "fokussierte Ionenstrahlen" erhält man:
* das gezielte Dotieren des Festkörpers (Implantation)
* das gezielte Abtragen des Targetmaterials
* eine Oberflächenabbild der Probe

Am Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik stehen 6 verschiedene FIB-Anlagen zur Verfügung.

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_FIB_Kaskaden.jpg|miniatur|400px|a:single-knock-on, b:linear collision cascade, c:spike]]
Treffen Ionen auf die Oberfläche eines Festkörpers, wechselwirken diese durch inelastische und elastische Stöße mit den Elektronen und Atomkernen des Festkörpers. Eine Folge von inelastischen Stößen ist die Emission von Sekundärelektronen, deren Detektion als Stanardmethode zur Bilderzeugung (aufgrund von "hell-dunkel"-Informationen) in fokussierten Ionenstrahl (kurz: FIB=focused ion beam) Systemen genutzt wird.

Sputtering ist ein Effekt von elastischen Stößen des einfallenden Ions mit den Atomen des Festkörpers. Hierbei bedeutet Oberflächenzerstäubung das Feisetzen von neutralen oder geladenen Atomen als Folge des Ionenbeschusses. Wenn energiereiche Ionen mit Ionenenergien von einigen keV auf eine Festkörperoberfläche auftreffen, wird Energie an die Gitteratome des Festkörpers übertragen. Die Primärionen mit Energien von einigen keV dringen bis zu 100 <math>\AA</math> tief ein. Dabei wird das Ion abgebremst und es entwickelt sich aufgrund des Impulsübertrages eine Kette von Stößen zwischen den Festkörperatomen. Rückstoßatome entstehen, die sich durch den Festkörper bewegen und mit anderen Atomen zusammenstoßen. So bildet sich eine Stoßkaskade. Wenn der Impulsübertrag durch die Stoßkaskade an die Oberflächenatome groß genug ist, können Atome die Oberflächenbindung aufbrechen und den Festkörper verlassen. Für den Sputterprozess gibt es, abhängig von der Ion-Target Kombination, eine charakteristische Schwellenenergie von etwa 10-30 eV. Bei größeren Energien nimmt die Eindringtiefe zu. Die Sputterrate, die mittlere Zahl der emittierten Targetatome pro auftreffendem Primärion, steigt mit zunehmender Ionenenergie mit einem Maximum bei einigen 10keV.

Bei noch größeren Energien nimmt die an die Oberfläche übertragene Energie ab. Wie effizient diese Stoßkaskaden sind, hängt von der Primärionenenergie und dem Massenverhältnis zwischen Targetatom un d Primärion ab. Dadurch lassen sich drei Arten von Stoßkaskaden klassifizieren, die sich hinsichtlich ihrer Anzahl an Rückstoßatomen unterscheiden:

* Ein Einzelteilchenstoß (single-knock-on) findet bei Beschuss mit leichten Primärionen, <math>M_{ion} << M_{atom}</math> oder bei niedrigen Ionenenergien <math>E_0 < 1keV</math> statt. Stoßkaskaden entstehen hier nicht. Eine einzelne Kollision zwischen zwei Stoßpartnern führt zum Impulsübertrag. Wenn die Energie ausreicht, kann ein oberflächennahes Atom die Oberflächenenergie überwinden. Die Sputterrate ist hier proportional zum Stoßquerschnitt.
* Die lineare Stoßkaskade (linear collision cascade) findet bei moderaten Ionenenergien 1keV < <math>E_0</math> < 100keV und einem Massenverhältnis von ungefähr eins zu eins statt. Der Impulsübertrag entsteht in Folge von binären Stößen. Eine Stoßkaskade bildet sich und in dem Fall, dass die in Richtung der Oberfläche übertragene Energie ausreicht um die Oberflächenbindungsenergie zu überwinden, verlassen einige der oberflächennahen Atome den Festkörper. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Tiefeneinheit. Der Linearkaskadenprozess ist der häufigste Prozess beim Arbeiten mit FIB-Systemen.
* Nicht-lineare Stoßkaskaden (spike) treten bei schweren Primärionen und großer Ionenenergie <math>E_0</math> > 100keV auf. Die Kollisionskaskade ist hier so dicht, dass sich ihre Äste überlappen. Dadurch bewegen sich die meisten Atome während der Kollision in einem begrenzten Volumen (Spikevolumen). Dies führt auch zur Zerstörung der lokalen Festkörperstruktur. Dieser Fall wird nur selten bei FIB-Anwendungen erreicht. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Volumeneinheit.

== Aufbau einer FIB-Anlage ==
[[Datei:FKP_W_FIB_LMIS.jpg|miniatur|300px|LMIS]]
[[Datei:FKP_W_FIB_Fraise.jpg|miniatur|300px|Schematisch: FIB-Anlage Fraise]]

Die Hauptbestandteile eines FIB-Systems sind eine Flüssigmetall-Ionenquelle (kurz LMIS=liquid metal ion source), eine ionenoptische Säule, ein Probentisch, ein Vakuumsystem, Detektoren und ein Computersystem zum Steuern der Anlage. Diese Bestandteile werden im Folgenden kurz beschrieben.

Die hierbeschriebene Anlage Fraise ist eine Stand-Alone Anlage, also ein Single-Beam Instrument, das nicht in ein weiteres Analysegerät integriert ist. Diese Anlage eignet sich gut zur Mikrostrukturierung von Proben, da sie kein (E x B))-Filter und nur eine Blende besitzt, wodurch hohe Strahlströme erzielt werden können. Die maximale Beschleunigungsspannung liegt bei 30kV.

* '''LMIS:''' Die LMIS besteht aus einer Nadel (Wolfram, Niob) mit einem Reservoir für das Quellenmaterial, um das sich eine Heizwendel befindet. Dieser Teil ist an einer Stromzuführung befestigt. Um eine Ionenemission zu erreichen, wird die Quelle zuerst auf den Schmelzpunkt des vorhandenen Quellenmetalls erhitzt, damit das Metall flüssig wird, wodurch die Nadel benetzt wird. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Quelle nicht überhitzt wird, weil sonst das ganze Metall schnell verdampfen kann. Zwischen der Nadel und der Extraktionsblende wird nun eine hohe positive Extraktionsspannung von einigen Kilovolt angelekt (bis zu etwa 12kV). Das elektrische Feld erzeugt an der benetzten Nadelspitze einen sogenannten Tylorkonus mit einem halben Öffnungswinkel von 49,3°. Die Konusform ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung und der elektrostatischen Kraft.

Die ''Extraktionsspannung'' bestimmt die Größe des Extraktionsstroms. Normalerweise arbeitet man bei niedrigen Emissionsströmen von wenigen Mikroampere, um die Breite der Energieverteilung und die Coulombwechselwirkungen im Ionenstrahl zu minimieren. Die Coulombwechselwirkungen beim Emissionspunkt bewirken, dass sich die positiv geladenen Ionen untereinander abstoßen, wodurch die Ionen eine größere Transversalgeschwindigkeit bekommen.
Da der Strahlstrom in der FIB-Säule und auf dem Target nur noch eine Sträke von einigen Nanoampere und weniger besitzt, ist dort die freie Weglänge der Ionen deutlich größer. Daher spielen die Coulombwechselwirkungen nur im Quellenbereich eine deutliche Rolle. Bei größeren Emissionsströmen wächst außerdem der Anteil von Klustern im Ionenstrahl, was den Quellendurchmesser erheblich vergrößert.
* '''Ionenoptische Säule:''' In der ionenoptischen Säule werden die aus der LMIS extrahierten Ionen auf das Probenmaterial beschleunigt und fokussiert. Sie hat zwei elektrostatische Linsen, die in der Regel ''Kondensorlinse'' und ''Objektivlinse'' genannt werden. Die Kondensorlinse bündelt den Ionenstrahl und die Objektivlinse fokussiert ihn auf die Probe. Das Verändern der Linsenspannungen erzeugt verschiedene Strahlengänge. Mit ''Blenden'' von unterschiedlichen Durchmessern kann man die Strahlgröße und den Strahlstrom(der über ein ''Faraday-Cup'' gemessen wird) zusätzlich zu den Linsen nochmals optimieren. Zur Steuerung des Ionenstrahls dient ein ''Deflektor''- und ein ''Blanking''system. Wie bei den Linsen erfolgt die Ablenkung des Strahls elektrostatisch. Plattenpaare für x- und y-Ablenkung, Quadrupole oder Oktupole erzeugen elektrische Felder, die den Strahl ablenken und über die Probe führen. Durch die maximal mögliche Ablenkung, die von der geometrischen Anordnung und der Beschleunigungsspannung abhängt, wird das Schreibfeld der FIB-Anlage definiert. Das Wegführen des Strahls von der Probe (blanking) kann ebenfalls durch verschiedene Plattenanordnungen erreicht werden.
* '''FIB-Steuerung:''' Die Anlagen werden mithilfe LabViews gesteuert.

[[Datei:FKP_W_FIB_Ionensorten.jpg|300px|vorhandene Ionensorten: orange]]

<br style="clear: both" />

== Hardware- & Softwareanwendung ==
Da alle FIB-Anlagen unterschiedlich sind, ist die Hardware- und Softwareanwendung bei jedem System anders. Es bedarf hier in beiden Fällen einer Unterweisung an der Anlage/den Anlagen selbst.

Fokussierte Ionenstrahlen

2010-04-21T12:18:59Z

P Lab:

Ein fokussierter Ionenstrahl (kurz FIB=focused ion beam) ist eine Anlage zur Oberflächenanalyse und -bearbeitung. Im Speziellen bedeutet das die Oberflächenmikroskopie, präzise Dotierung und das Abtragen von dünnen Schichten (Sputtern).

== Was erhalte ich durch die Anwendung einer Anlage "fokussierete Ionenstrahlen"? ==
Verwendet man eine Anlage "fokussierte Ionenstrahlen" erhält man:
* das gezielte Dotieren des Festkörpers (Implantation)
* das gezielte Abtragen des Targetmaterials
* eine Oberflächenabbild der Probe

Am Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik stehen 6 verschiedene FIB-Anlagen zur Verfügung.

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_FIB_Kaskaden.jpg|miniatur|400px|a:single-knock-on, b:linear collision cascade, c:spike]]
Treffen Ionen auf die Oberfläche eines Festkörpers, wechselwirken diese durch inelastische und elastische Stöße mit den Elektronen und Atomkernen des Festkörpers. Eine Folge von inelastischen Stößen ist die Emission von Sekundärelektronen, deren Detektion als Stanardmethode zur Bilderzeugung (aufgrund von "hell-dunkel"-Informationen) in fokussierten Ionenstrahl (kurz: FIB=focused ion beam) Systemen genutzt wird.

Sputtering ist ein Effekt von elastischen Stößen des einfallenden Ions mit den Atomen des Festkörpers. Hierbei bedeutet Oberflächenzerstäubung das Feisetzen von neutralen oder geladenen Atomen als Folge des Ionenbeschusses. Wenn energiereiche Ionen mit Ionenenergien von einigen keV auf eine Festkörperoberfläche auftreffen, wird Energie an die Gitteratome des Festkörpers übertragen. Die Primärionen mit Energien von einigen keV dringen bis zu 100 <math>\AA</math> tief ein. Dabei wird das Ion abgebremst und es entwickelt sich aufgrund des Impulsübertrages eine Kette von Stößen zwischen den Festkörperatomen. Rückstoßatome entstehen, die sich durch den Festkörper bewegen und mit anderen Atomen zusammenstoßen. So bildet sich eine Stoßkaskade. Wenn der Impulsübertrag durch die Stoßkaskade an die Oberflächenatome groß genug ist, können Atome die Oberflächenbindung aufbrechen und den Festkörper verlassen. Für den Sputterprozess gibt es, abhängig von der Ion-Target Kombination, eine charakteristische Schwellenenergie von etwa 10-30 eV. Bei größeren Energien nimmt die Eindringtiefe zu. Die Sputterrate, die mittlere Zahl der emittierten Targetatome pro auftreffendem Primärion, steigt mit zunehmender Ionenenergie mit einem Maximum bei einigen 10keV.

Bei noch größeren Energien nimmt die an die Oberfläche übertragene Energie ab. Wie effizient diese Stoßkaskaden sind, hängt von der Primärionenenergie und dem Massenverhältnis zwischen Targetatom un d Primärion ab. Dadurch lassen sich drei Arten von Stoßkaskaden klassifizieren, die sich hinsichtlich ihrer Anzahl an Rückstoßatomen unterscheiden:

* Ein Einzelteilchenstoß (single-knock-on) findet bei Beschuss mit leichten Primärionen, <math>M_{ion} << M_{atom}</math> oder bei niedrigen Ionenenergien <math>E_0 < 1keV</math> statt. Stoßkaskaden entstehen hier nicht. Eine einzelne Kollision zwischen zwei Stoßpartnern führt zum Impulsübertrag. Wenn die Energie ausreicht, kann ein oberflächennahes Atom die Oberflächenenergie überwinden. Die Sputterrate ist hier proportional zum Stoßquerschnitt.
* Die lineare Stoßkaskade (linear collision cascade) findet bei moderaten Ionenenergien 1keV < <math>E_0</math> < 100keV und einem Massenverhältnis von ungefähr eins zu eins statt. Der Impulsübertrag entsteht in Folge von binären Stößen. Eine Stoßkaskade bildet sich und in dem Fall, dass die in Richtung der Oberfläche übertragene Energie ausreicht um die Oberflächenbindungsenergie zu überwinden, verlassen einige der oberflächennahen Atome den Festkörper. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Tiefeneinheit. Der Linearkaskadenprozess ist der häufigste Prozess beim Arbeiten mit FIB-Systemen.
* Nicht-lineare Stoßkaskaden (spike) treten bei schweren Primärionen und großer Ionenenergie <math>E_0</math> > 100keV auf. Die Kollisionskaskade ist hier so dicht, dass sich ihre Äste überlappen. Dadurch bewegen sich die meisten Atome während der Kollision in einem begrenzten Volumen (Spikevolumen). Dies führt auch zur Zerstörung der lokalen Festkörperstruktur. Dieser Fall wird nur selten bei FIB-Anwendungen erreicht. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Volumeneinheit.

== Aufbau einer FIB-Anlage ==
[[Datei:FKP_W_FIB_LMIS.jpg|miniatur|300px|LMIS]]
[[Datei:FKP_W_FIB_Fraise.jpg|miniatur|300px|Schematisch: FIB-Anlage Fraise]]

Die Hauptbestandteile eines FIB-Systems sind eine Flüssigmetall-Ionenquelle (kurz LMIS=liquid metal ion source), eine ionenoptische Säule, ein Probentisch, ein Vakuumsystem, Detektoren und ein Computersystem zum Steuern der Anlage. Diese Bestandteile werden im Folgenden kurz beschrieben.

Die hierbeschriebene Anlage Fraise ist eine Stand-Alone Anlage, also ein Single-Beam Instrument, das nicht in ein weiteres Analysegerät integriert ist. Diese Anlage eignet sich gut zur Mikrostrukturierung von Proben, da sie kein (E x B))-Filter und nur eine Blende besitzt, wodurch hohe Strahlströme erzielt werden können. Die maximale Beschleunigungsspannung liegt bei 30kV.

* '''LMIS:''' Die LMIS besteht aus einer Nadel (Wolfram, Niob) mit einem Reservoir für das Quellenmaterial, um das sich eine Heizwendel befindet. Dieser Teil ist an einer Stromzuführung befestigt. Um eine Ionenemission zu erreichen, wird die Quelle zuerst auf den Schmelzpunkt des vorhandenen Quellenmetalls erhitzt, damit das Metall flüssig wird, wodurch die Nadel benetzt wird. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Quelle nicht überhitzt wird, weil sonst das ganze Metall schnell verdampfen kann. Zwischen der Nadel und der Extraktionsblende wird nun eine hohe positive Extraktionsspannung von einigen Kilovolt angelekt (bis zu etwa 12kV). Das elektrische Feld erzeugt an der benetzten Nadelspitze einen sogenannten Tylorkonus mit einem halben Öffnungswinkel von 49,3°. Die Konusform ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung und der elektrostatischen Kraft.

Die ''Extraktionsspannung'' bestimmt die Größe des Extraktionsstroms. Normalerweise arbeitet man bei niedrigen Emissionsströmen von wenigen Mikroampere, um die Breite der Energieverteilung und die Coulombwechselwirkungen im Ionenstrahl zu minimieren. Die Coulombwechselwirkungen beim Emissionspunkt bewirken, dass sich die positiv geladenen Ionen untereinander abstoßen, wodurch die Ionen eine größere Transversalgeschwindigkeit bekommen.
Da der Strahlstrom in der FIB-Säule und auf dem Target nur noch eine Sträke von einigen Nanoampere und weniger besitzt, ist dort die freie Weglänge der Ionen deutlich größer. Daher spielen die Coulombwechselwirkungen nur im Quellenbereich eine deutliche Rolle. Bei größeren Emissionsströmen wächst außerdem der Anteil von Klustern im Ionenstrahl, was den Quellendurchmesser erheblich vergrößert.
* '''Ionenoptische Säule:''' In der ionenoptischen Säule werden die aus der LMIS extrahierten Ionen auf das Probenmaterial beschleunigt und fokussiert. Sie hat zwei elektrostatische Linsen, die in der Regel ''Kondensorlinse'' und ''Objektivlinse'' genannt werden. Die Kondensorlinse bündelt den Ionenstrahl und die Objektivlinse fokussiert ihn auf die Probe. Das Verändern der Linsenspannungen erzeugt verschiedene Strahlengänge. Mit ''Blenden'' von unterschiedlichen Durchmessern kann man die Strahlgröße und den Strahlstrom(der über ein ''Faraday-Cup'' gemessen wird) zusätzlich zu den Linsen nochmals optimieren. Zur Steuerung des Ionenstrahls dient ein ''Deflektor''- und ein ''Blanking''system. Wie bei den Linsen erfolgt die Ablenkung des Strahls elektrostatisch. Plattenpaare für x- und y-Ablenkung, Quadrupole oder Oktupole erzeugen elektrische Felder, die den Strahl ablenken und über die Probe führen. Durch die maximal mögliche Ablenkung, die von der geometrischen Anordnung und der Beschleunigungsspannung abhängt, wird das Schreibfeld der FIB-Anlage definiert. Das Wegführen des Strahls von der Probe (blanking) kann ebenfalls durch verschiedene Plattenanordnungen erreicht werden.
* '''FIB-Steuerung:''' Die Anlagen werden mithilfe LabViews gesteuert.

<br style="clear: both" />

== Hardware- & Softwareanwendung ==
Da alle FIB-Anlagen unterschiedlich sind, ist die Hardware- und Softwareanwendung bei jedem System anders. Es bedarf hier in beiden Fällen einer Unterweisung an der Anlage/den Anlagen selbst.

Fokussierte Ionenstrahlen

2010-04-21T12:18:43Z

P Lab:

Ein fokussierter Ionenstrahl (kurz FIB=focused ion beam) ist eine Anlage zur Oberflächenanalyse und -bearbeitung. Im Speziellen bedeutet das die Oberflächenmikroskopie, präzise Dotierung und das Abtragen von dünnen Schichten (Sputtern).

== Was erhalte ich durch die Anwendung einer Anlage "fokussierete Ionenstrahlen"? ==
Verwendet man eine Anlage "fokussierte Ionenstrahlen" erhält man:
* das gezielte Dotieren des Festkörpers (Implantation)
* das gezielte Abtragen des Targetmaterials
* eine Oberflächenabbild der Probe

Am Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik stehen 6 verschiedene FIB-Anlagen zur Verfügung.

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_FIB_Kaskaden.jpg|miniatur|400px|a:single-knock-on, b:linear collision cascade, c:spike]]
Treffen Ionen auf die Oberfläche eines Festkörpers, wechselwirken diese durch inelastische und elastische Stöße mit den Elektronen und Atomkernen des Festkörpers. Eine Folge von inelastischen Stößen ist die Emission von Sekundärelektronen, deren Detektion als Stanardmethode zur Bilderzeugung (aufgrund von "hell-dunkel"-Informationen) in fokussierten Ionenstrahl (kurz: FIB=focused ion beam) Systemen genutzt wird.

Sputtering ist ein Effekt von elastischen Stößen des einfallenden Ions mit den Atomen des Festkörpers. Hierbei bedeutet Oberflächenzerstäubung das Feisetzen von neutralen oder geladenen Atomen als Folge des Ionenbeschusses. Wenn energiereiche Ionen mit Ionenenergien von einigen keV auf eine Festkörperoberfläche auftreffen, wird Energie an die Gitteratome des Festkörpers übertragen. Die Primärionen mit Energien von einigen keV dringen bis zu 100 <math>\AA</math> tief ein. Dabei wird das Ion abgebremst und es entwickelt sich aufgrund des Impulsübertrages eine Kette von Stößen zwischen den Festkörperatomen. Rückstoßatome entstehen, die sich durch den Festkörper bewegen und mit anderen Atomen zusammenstoßen. So bildet sich eine Stoßkaskade. Wenn der Impulsübertrag durch die Stoßkaskade an die Oberflächenatome groß genug ist, können Atome die Oberflächenbindung aufbrechen und den Festkörper verlassen. Für den Sputterprozess gibt es, abhängig von der Ion-Target Kombination, eine charakteristische Schwellenenergie von etwa 10-30 eV. Bei größeren Energien nimmt die Eindringtiefe zu. Die Sputterrate, die mittlere Zahl der emittierten Targetatome pro auftreffendem Primärion, steigt mit zunehmender Ionenenergie mit einem Maximum bei einigen 10keV.

Bei noch größeren Energien nimmt die an die Oberfläche übertragene Energie ab. Wie effizient diese Stoßkaskaden sind, hängt von der Primärionenenergie und dem Massenverhältnis zwischen Targetatom un d Primärion ab. Dadurch lassen sich drei Arten von Stoßkaskaden klassifizieren, die sich hinsichtlich ihrer Anzahl an Rückstoßatomen unterscheiden:

* Ein Einzelteilchenstoß (single-knock-on) findet bei Beschuss mit leichten Primärionen, <math>M_{ion} << M_{atom}</math> oder bei niedrigen Ionenenergien <math>E_0 < 1keV</math> statt. Stoßkaskaden entstehen hier nicht. Eine einzelne Kollision zwischen zwei Stoßpartnern führt zum Impulsübertrag. Wenn die Energie ausreicht, kann ein oberflächennahes Atom die Oberflächenenergie überwinden. Die Sputterrate ist hier proportional zum Stoßquerschnitt.
* Die lineare Stoßkaskade (linear collision cascade) findet bei moderaten Ionenenergien 1keV < <math>E_0</math> < 100keV und einem Massenverhältnis von ungefähr eins zu eins statt. Der Impulsübertrag entsteht in Folge von binären Stößen. Eine Stoßkaskade bildet sich und in dem Fall, dass die in Richtung der Oberfläche übertragene Energie ausreicht um die Oberflächenbindungsenergie zu überwinden, verlassen einige der oberflächennahen Atome den Festkörper. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Tiefeneinheit. Der Linearkaskadenprozess ist der häufigste Prozess beim Arbeiten mit FIB-Systemen.
* Nicht-lineare Stoßkaskaden (spike) treten bei schweren Primärionen und großer Ionenenergie <math>E_0</math> > 100keV auf. Die Kollisionskaskade ist hier so dicht, dass sich ihre Äste überlappen. Dadurch bewegen sich die meisten Atome während der Kollision in einem begrenzten Volumen (Spikevolumen). Dies führt auch zur Zerstörung der lokalen Festkörperstruktur. Dieser Fall wird nur selten bei FIB-Anwendungen erreicht. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Volumeneinheit.

== Aufbau einer FIB-Anlage ==
[[Datei:FKP_W_FIB_Fraise.jpg|miniatur|300px|Schematisch: FIB-Anlage Fraise]]
[[Datei:FKP_W_FIB_LMIS.jpg|miniatur|300px|LMIS]]

Die Hauptbestandteile eines FIB-Systems sind eine Flüssigmetall-Ionenquelle (kurz LMIS=liquid metal ion source), eine ionenoptische Säule, ein Probentisch, ein Vakuumsystem, Detektoren und ein Computersystem zum Steuern der Anlage. Diese Bestandteile werden im Folgenden kurz beschrieben.

Die hierbeschriebene Anlage Fraise ist eine Stand-Alone Anlage, also ein Single-Beam Instrument, das nicht in ein weiteres Analysegerät integriert ist. Diese Anlage eignet sich gut zur Mikrostrukturierung von Proben, da sie kein (E x B))-Filter und nur eine Blende besitzt, wodurch hohe Strahlströme erzielt werden können. Die maximale Beschleunigungsspannung liegt bei 30kV.

* '''LMIS:''' Die LMIS besteht aus einer Nadel (Wolfram, Niob) mit einem Reservoir für das Quellenmaterial, um das sich eine Heizwendel befindet. Dieser Teil ist an einer Stromzuführung befestigt. Um eine Ionenemission zu erreichen, wird die Quelle zuerst auf den Schmelzpunkt des vorhandenen Quellenmetalls erhitzt, damit das Metall flüssig wird, wodurch die Nadel benetzt wird. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Quelle nicht überhitzt wird, weil sonst das ganze Metall schnell verdampfen kann. Zwischen der Nadel und der Extraktionsblende wird nun eine hohe positive Extraktionsspannung von einigen Kilovolt angelekt (bis zu etwa 12kV). Das elektrische Feld erzeugt an der benetzten Nadelspitze einen sogenannten Tylorkonus mit einem halben Öffnungswinkel von 49,3°. Die Konusform ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung und der elektrostatischen Kraft.

Die ''Extraktionsspannung'' bestimmt die Größe des Extraktionsstroms. Normalerweise arbeitet man bei niedrigen Emissionsströmen von wenigen Mikroampere, um die Breite der Energieverteilung und die Coulombwechselwirkungen im Ionenstrahl zu minimieren. Die Coulombwechselwirkungen beim Emissionspunkt bewirken, dass sich die positiv geladenen Ionen untereinander abstoßen, wodurch die Ionen eine größere Transversalgeschwindigkeit bekommen.
Da der Strahlstrom in der FIB-Säule und auf dem Target nur noch eine Sträke von einigen Nanoampere und weniger besitzt, ist dort die freie Weglänge der Ionen deutlich größer. Daher spielen die Coulombwechselwirkungen nur im Quellenbereich eine deutliche Rolle. Bei größeren Emissionsströmen wächst außerdem der Anteil von Klustern im Ionenstrahl, was den Quellendurchmesser erheblich vergrößert.
* '''Ionenoptische Säule:''' In der ionenoptischen Säule werden die aus der LMIS extrahierten Ionen auf das Probenmaterial beschleunigt und fokussiert. Sie hat zwei elektrostatische Linsen, die in der Regel ''Kondensorlinse'' und ''Objektivlinse'' genannt werden. Die Kondensorlinse bündelt den Ionenstrahl und die Objektivlinse fokussiert ihn auf die Probe. Das Verändern der Linsenspannungen erzeugt verschiedene Strahlengänge. Mit ''Blenden'' von unterschiedlichen Durchmessern kann man die Strahlgröße und den Strahlstrom(der über ein ''Faraday-Cup'' gemessen wird) zusätzlich zu den Linsen nochmals optimieren. Zur Steuerung des Ionenstrahls dient ein ''Deflektor''- und ein ''Blanking''system. Wie bei den Linsen erfolgt die Ablenkung des Strahls elektrostatisch. Plattenpaare für x- und y-Ablenkung, Quadrupole oder Oktupole erzeugen elektrische Felder, die den Strahl ablenken und über die Probe führen. Durch die maximal mögliche Ablenkung, die von der geometrischen Anordnung und der Beschleunigungsspannung abhängt, wird das Schreibfeld der FIB-Anlage definiert. Das Wegführen des Strahls von der Probe (blanking) kann ebenfalls durch verschiedene Plattenanordnungen erreicht werden.
* '''FIB-Steuerung:''' Die Anlagen werden mithilfe LabViews gesteuert.

<br style="clear: both" />

== Hardware- & Softwareanwendung ==
Da alle FIB-Anlagen unterschiedlich sind, ist die Hardware- und Softwareanwendung bei jedem System anders. Es bedarf hier in beiden Fällen einer Unterweisung an der Anlage/den Anlagen selbst.

Datei:FKP W FIB LMIS.jpg

2010-04-21T12:17:25Z

P Lab:

Fokussierte Ionenstrahlen

2010-04-21T12:17:18Z

P Lab: /* Aufbau einer FIB-Anlage */

Ein fokussierter Ionenstrahl (kurz FIB=focused ion beam) ist eine Anlage zur Oberflächenanalyse und -bearbeitung. Im Speziellen bedeutet das die Oberflächenmikroskopie, präzise Dotierung und das Abtragen von dünnen Schichten (Sputtern).

== Was erhalte ich durch die Anwendung einer Anlage "fokussierete Ionenstrahlen"? ==
Verwendet man eine Anlage "fokussierte Ionenstrahlen" erhält man:
* das gezielte Dotieren des Festkörpers (Implantation)
* das gezielte Abtragen des Targetmaterials
* eine Oberflächenabbild der Probe

Am Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik stehen 6 verschiedene FIB-Anlagen zur Verfügung.

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_FIB_Kaskaden.jpg|miniatur|400px|a:single-knock-on, b:linear collision cascade, c:spike]]
Treffen Ionen auf die Oberfläche eines Festkörpers, wechselwirken diese durch inelastische und elastische Stöße mit den Elektronen und Atomkernen des Festkörpers. Eine Folge von inelastischen Stößen ist die Emission von Sekundärelektronen, deren Detektion als Stanardmethode zur Bilderzeugung (aufgrund von "hell-dunkel"-Informationen) in fokussierten Ionenstrahl (kurz: FIB=focused ion beam) Systemen genutzt wird.

Sputtering ist ein Effekt von elastischen Stößen des einfallenden Ions mit den Atomen des Festkörpers. Hierbei bedeutet Oberflächenzerstäubung das Feisetzen von neutralen oder geladenen Atomen als Folge des Ionenbeschusses. Wenn energiereiche Ionen mit Ionenenergien von einigen keV auf eine Festkörperoberfläche auftreffen, wird Energie an die Gitteratome des Festkörpers übertragen. Die Primärionen mit Energien von einigen keV dringen bis zu 100 <math>\AA</math> tief ein. Dabei wird das Ion abgebremst und es entwickelt sich aufgrund des Impulsübertrages eine Kette von Stößen zwischen den Festkörperatomen. Rückstoßatome entstehen, die sich durch den Festkörper bewegen und mit anderen Atomen zusammenstoßen. So bildet sich eine Stoßkaskade. Wenn der Impulsübertrag durch die Stoßkaskade an die Oberflächenatome groß genug ist, können Atome die Oberflächenbindung aufbrechen und den Festkörper verlassen. Für den Sputterprozess gibt es, abhängig von der Ion-Target Kombination, eine charakteristische Schwellenenergie von etwa 10-30 eV. Bei größeren Energien nimmt die Eindringtiefe zu. Die Sputterrate, die mittlere Zahl der emittierten Targetatome pro auftreffendem Primärion, steigt mit zunehmender Ionenenergie mit einem Maximum bei einigen 10keV.

Bei noch größeren Energien nimmt die an die Oberfläche übertragene Energie ab. Wie effizient diese Stoßkaskaden sind, hängt von der Primärionenenergie und dem Massenverhältnis zwischen Targetatom un d Primärion ab. Dadurch lassen sich drei Arten von Stoßkaskaden klassifizieren, die sich hinsichtlich ihrer Anzahl an Rückstoßatomen unterscheiden:

* Ein Einzelteilchenstoß (single-knock-on) findet bei Beschuss mit leichten Primärionen, <math>M_{ion} << M_{atom}</math> oder bei niedrigen Ionenenergien <math>E_0 < 1keV</math> statt. Stoßkaskaden entstehen hier nicht. Eine einzelne Kollision zwischen zwei Stoßpartnern führt zum Impulsübertrag. Wenn die Energie ausreicht, kann ein oberflächennahes Atom die Oberflächenenergie überwinden. Die Sputterrate ist hier proportional zum Stoßquerschnitt.
* Die lineare Stoßkaskade (linear collision cascade) findet bei moderaten Ionenenergien 1keV < <math>E_0</math> < 100keV und einem Massenverhältnis von ungefähr eins zu eins statt. Der Impulsübertrag entsteht in Folge von binären Stößen. Eine Stoßkaskade bildet sich und in dem Fall, dass die in Richtung der Oberfläche übertragene Energie ausreicht um die Oberflächenbindungsenergie zu überwinden, verlassen einige der oberflächennahen Atome den Festkörper. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Tiefeneinheit. Der Linearkaskadenprozess ist der häufigste Prozess beim Arbeiten mit FIB-Systemen.
* Nicht-lineare Stoßkaskaden (spike) treten bei schweren Primärionen und großer Ionenenergie <math>E_0</math> > 100keV auf. Die Kollisionskaskade ist hier so dicht, dass sich ihre Äste überlappen. Dadurch bewegen sich die meisten Atome während der Kollision in einem begrenzten Volumen (Spikevolumen). Dies führt auch zur Zerstörung der lokalen Festkörperstruktur. Dieser Fall wird nur selten bei FIB-Anwendungen erreicht. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Volumeneinheit.

== Aufbau einer FIB-Anlage ==
[[Datei:FKP_W_FIB_Fraise.jpg|miniatur|300px|Schematisch: FIB-Anlage Fraise]]
[[Datei:FKP_W_FIB_LMIS.jpg|miniatur|300px|LMIS]]

Die Hauptbestandteile eines FIB-Systems sind eine Flüssigmetall-Ionenquelle (kurz LMIS=liquid metal ion source), eine ionenoptische Säule, ein Probentisch, ein Vakuumsystem, Detektoren und ein Computersystem zum Steuern der Anlage. Diese Bestandteile werden im Folgenden kurz beschrieben.

Die hierbeschriebene Anlage Fraise ist eine Stand-Alone Anlage, also ein Single-Beam Instrument, das nicht in ein weiteres Analysegerät integriert ist. Diese Anlage eignet sich gut zur Mikrostrukturierung von Proben, da sie kein (E x B))-Filter und nur eine Blende besitzt, wodurch hohe Strahlströme erzielt werden können. Die maximale Beschleunigungsspannung liegt bei 30kV.

* '''LMIS:''' Die LMIS besteht aus einer Nadel (Wolfram, Niob) mit einem Reservoir für das Quellenmaterial, um das sich eine Heizwendel befindet. Dieser Teil ist an einer Stromzuführung befestigt. Um eine Ionenemission zu erreichen, wird die Quelle zuerst auf den Schmelzpunkt des vorhandenen Quellenmetalls erhitzt, damit das Metall flüssig wird, wodurch die Nadel benetzt wird. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Quelle nicht überhitzt wird, weil sonst das ganze Metall schnell verdampfen kann. Zwischen der Nadel und der Extraktionsblende wird nun eine hohe positive Extraktionsspannung von einigen Kilovolt angelekt (bis zu etwa 12kV). Das elektrische Feld erzeugt an der benetzten Nadelspitze einen sogenannten Tylorkonus mit einem halben Öffnungswinkel von 49,3°. Die Konusform ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung und der elektrostatischen Kraft.

Die ''Extraktionsspannung'' bestimmt die Größe des Extraktionsstroms. Normalerweise arbeitet man bei niedrigen Emissionsströmen von wenigen Mikroampere, um die Breite der Energieverteilung und die Coulombwechselwirkungen im Ionenstrahl zu minimieren. Die Coulombwechselwirkungen beim Emissionspunkt bewirken, dass sich die positiv geladenen Ionen untereinander abstoßen, wodurch die Ionen eine größere Transversalgeschwindigkeit bekommen.
Da der Strahlstrom in der FIB-Säule und auf dem Target nur noch eine Sträke von einigen Nanoampere und weniger besitzt, ist dort die freie Weglänge der Ionen deutlich größer. Daher spielen die Coulombwechselwirkungen nur im Quellenbereich eine deutliche Rolle. Bei größeren Emissionsströmen wächst außerdem der Anteil von Klustern im Ionenstrahl, was den Quellendurchmesser erheblich vergrößert.
* '''Ionenoptische Säule:''' In der ionenoptischen Säule werden die aus der LMIS extrahierten Ionen auf das Probenmaterial beschleunigt und fokussiert. Sie hat zwei elektrostatische Linsen, die in der Regel ''Kondensorlinse'' und ''Objektivlinse'' genannt werden. Die Kondensorlinse bündelt den Ionenstrahl und die Objektivlinse fokussiert ihn auf die Probe. Das Verändern der Linsenspannungen erzeugt verschiedene Strahlengänge. Mit ''Blenden'' von unterschiedlichen Durchmessern kann man die Strahlgröße und den Strahlstrom(der über ein ''Faraday-Cup'' gemessen wird) zusätzlich zu den Linsen nochmals optimieren. Zur Steuerung des Ionenstrahls dient ein ''Deflektor''- und ein ''Blanking''system. Wie bei den Linsen erfolgt die Ablenkung des Strahls elektrostatisch. Plattenpaare für x- und y-Ablenkung, Quadrupole oder Oktupole erzeugen elektrische Felder, die den Strahl ablenken und über die Probe führen. Durch die maximal mögliche Ablenkung, die von der geometrischen Anordnung und der Beschleunigungsspannung abhängt, wird das Schreibfeld der FIB-Anlage definiert. Das Wegführen des Strahls von der Probe (blanking) kann ebenfalls durch verschiedene Plattenanordnungen erreicht werden.
* '''FIB-Steuerung:''' Die Anlagen werden mithilfe LabViews gesteuert.

== Hardware- & Softwareanwendung ==
Da alle FIB-Anlagen unterschiedlich sind, ist die Hardware- und Softwareanwendung bei jedem System anders. Es bedarf hier in beiden Fällen einer Unterweisung an der Anlage/den Anlagen selbst.

Fokussierte Ionenstrahlen

2010-04-21T12:10:32Z

P Lab: /* Hardware- & Softwareanwendung */

Ein fokussierter Ionenstrahl (kurz FIB=focused ion beam) ist eine Anlage zur Oberflächenanalyse und -bearbeitung. Im Speziellen bedeutet das die Oberflächenmikroskopie, präzise Dotierung und das Abtragen von dünnen Schichten (Sputtern).

== Was erhalte ich durch die Anwendung einer Anlage "fokussierete Ionenstrahlen"? ==
Verwendet man eine Anlage "fokussierte Ionenstrahlen" erhält man:
* das gezielte Dotieren des Festkörpers (Implantation)
* das gezielte Abtragen des Targetmaterials
* eine Oberflächenabbild der Probe

Am Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik stehen 6 verschiedene FIB-Anlagen zur Verfügung.

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_FIB_Kaskaden.jpg|miniatur|400px|a:single-knock-on, b:linear collision cascade, c:spike]]
Treffen Ionen auf die Oberfläche eines Festkörpers, wechselwirken diese durch inelastische und elastische Stöße mit den Elektronen und Atomkernen des Festkörpers. Eine Folge von inelastischen Stößen ist die Emission von Sekundärelektronen, deren Detektion als Stanardmethode zur Bilderzeugung (aufgrund von "hell-dunkel"-Informationen) in fokussierten Ionenstrahl (kurz: FIB=focused ion beam) Systemen genutzt wird.

Sputtering ist ein Effekt von elastischen Stößen des einfallenden Ions mit den Atomen des Festkörpers. Hierbei bedeutet Oberflächenzerstäubung das Feisetzen von neutralen oder geladenen Atomen als Folge des Ionenbeschusses. Wenn energiereiche Ionen mit Ionenenergien von einigen keV auf eine Festkörperoberfläche auftreffen, wird Energie an die Gitteratome des Festkörpers übertragen. Die Primärionen mit Energien von einigen keV dringen bis zu 100 <math>\AA</math> tief ein. Dabei wird das Ion abgebremst und es entwickelt sich aufgrund des Impulsübertrages eine Kette von Stößen zwischen den Festkörperatomen. Rückstoßatome entstehen, die sich durch den Festkörper bewegen und mit anderen Atomen zusammenstoßen. So bildet sich eine Stoßkaskade. Wenn der Impulsübertrag durch die Stoßkaskade an die Oberflächenatome groß genug ist, können Atome die Oberflächenbindung aufbrechen und den Festkörper verlassen. Für den Sputterprozess gibt es, abhängig von der Ion-Target Kombination, eine charakteristische Schwellenenergie von etwa 10-30 eV. Bei größeren Energien nimmt die Eindringtiefe zu. Die Sputterrate, die mittlere Zahl der emittierten Targetatome pro auftreffendem Primärion, steigt mit zunehmender Ionenenergie mit einem Maximum bei einigen 10keV.

Bei noch größeren Energien nimmt die an die Oberfläche übertragene Energie ab. Wie effizient diese Stoßkaskaden sind, hängt von der Primärionenenergie und dem Massenverhältnis zwischen Targetatom un d Primärion ab. Dadurch lassen sich drei Arten von Stoßkaskaden klassifizieren, die sich hinsichtlich ihrer Anzahl an Rückstoßatomen unterscheiden:

* Ein Einzelteilchenstoß (single-knock-on) findet bei Beschuss mit leichten Primärionen, <math>M_{ion} << M_{atom}</math> oder bei niedrigen Ionenenergien <math>E_0 < 1keV</math> statt. Stoßkaskaden entstehen hier nicht. Eine einzelne Kollision zwischen zwei Stoßpartnern führt zum Impulsübertrag. Wenn die Energie ausreicht, kann ein oberflächennahes Atom die Oberflächenenergie überwinden. Die Sputterrate ist hier proportional zum Stoßquerschnitt.
* Die lineare Stoßkaskade (linear collision cascade) findet bei moderaten Ionenenergien 1keV < <math>E_0</math> < 100keV und einem Massenverhältnis von ungefähr eins zu eins statt. Der Impulsübertrag entsteht in Folge von binären Stößen. Eine Stoßkaskade bildet sich und in dem Fall, dass die in Richtung der Oberfläche übertragene Energie ausreicht um die Oberflächenbindungsenergie zu überwinden, verlassen einige der oberflächennahen Atome den Festkörper. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Tiefeneinheit. Der Linearkaskadenprozess ist der häufigste Prozess beim Arbeiten mit FIB-Systemen.
* Nicht-lineare Stoßkaskaden (spike) treten bei schweren Primärionen und großer Ionenenergie <math>E_0</math> > 100keV auf. Die Kollisionskaskade ist hier so dicht, dass sich ihre Äste überlappen. Dadurch bewegen sich die meisten Atome während der Kollision in einem begrenzten Volumen (Spikevolumen). Dies führt auch zur Zerstörung der lokalen Festkörperstruktur. Dieser Fall wird nur selten bei FIB-Anwendungen erreicht. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Volumeneinheit.

== Aufbau einer FIB-Anlage ==
[[Datei:FKP_W_FIB_Fraise.jpg|miniatur|300px|Schematisch: FIB-Anlage Fraise]]

Die Hauptbestandteile eines FIB-Systems sind eine Flüssigmetall-Ionenquelle (kurz LMIS=liquid metal ion source), eine ionenoptische Säule, ein Probentisch, ein Vakuumsystem, Detektoren und ein Computersystem zum Steuern der Anlage. Diese Bestandteile werden im Folgenden kurz beschrieben.

Die hierbeschriebene Anlage Fraise ist eine Stand-Alone Anlage, also ein Single-Beam Instrument, das nicht in ein weiteres Analysegerät integriert ist. Diese Anlage eignet sich gut zur Mikrostrukturierung von Proben, da sie kein (E x B))-Filter und nur eine Blende besitzt, wodurch hohe Strahlströme erzielt werden können. Die maximale Beschleunigungsspannung liegt bei 30kV.

* '''LMIS:''' Die LMIS besteht aus einer Nadel (Wolfram, Niob) mit einem Reservoir für das Quellenmaterial, um das sich eine Heizwendel befindet. Dieser Teil ist an einer Stromzuführung befestigt. Um eine Ionenemission zu erreichen, wird die Quelle zuerst auf den Schmelzpunkt des vorhandenen Quellenmetalls erhitzt, damit das Metall flüssig wird, wodurch die Nadel benetzt wird. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Quelle nicht überhitzt wird, weil sonst das ganze Metall schnell verdampfen kann. Zwischen der Nadel und der Extraktionsblende wird nun eine hohe positive Extraktionsspannung von einigen Kilovolt angelekt (bis zu etwa 12kV). Das elektrische Feld erzeugt an der benetzten Nadelspitze einen sogenannten Tylorkonus mit einem halben Öffnungswinkel von 49,3°. Die Konusform ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung und der elektrostatischen Kraft.

Die ''Extraktionsspannung'' bestimmt die Größe des Extraktionsstroms. Normalerweise arbeitet man bei niedrigen Emissionsströmen von wenigen Mikroampere, um die Breite der Energieverteilung und die Coulombwechselwirkungen im Ionenstrahl zu minimieren. Die Coulombwechselwirkungen beim Emissionspunkt bewirken, dass sich die positiv geladenen Ionen untereinander abstoßen, wodurch die Ionen eine größere Transversalgeschwindigkeit bekommen.
Da der Strahlstrom in der FIB-Säule und auf dem Target nur noch eine Sträke von einigen Nanoampere und weniger besitzt, ist dort die freie Weglänge der Ionen deutlich größer. Daher spielen die Coulombwechselwirkungen nur im Quellenbereich eine deutliche Rolle. Bei größeren Emissionsströmen wächst außerdem der Anteil von Klustern im Ionenstrahl, was den Quellendurchmesser erheblich vergrößert.
* '''Ionenoptische Säule:''' In der ionenoptischen Säule werden die aus der LMIS extrahierten Ionen auf das Probenmaterial beschleunigt und fokussiert. Sie hat zwei elektrostatische Linsen, die in der Regel ''Kondensorlinse'' und ''Objektivlinse'' genannt werden. Die Kondensorlinse bündelt den Ionenstrahl und die Objektivlinse fokussiert ihn auf die Probe. Das Verändern der Linsenspannungen erzeugt verschiedene Strahlengänge. Mit ''Blenden'' von unterschiedlichen Durchmessern kann man die Strahlgröße und den Strahlstrom(der über ein ''Faraday-Cup'' gemessen wird) zusätzlich zu den Linsen nochmals optimieren. Zur Steuerung des Ionenstrahls dient ein ''Deflektor''- und ein ''Blanking''system. Wie bei den Linsen erfolgt die Ablenkung des Strahls elektrostatisch. Plattenpaare für x- und y-Ablenkung, Quadrupole oder Oktupole erzeugen elektrische Felder, die den Strahl ablenken und über die Probe führen. Durch die maximal mögliche Ablenkung, die von der geometrischen Anordnung und der Beschleunigungsspannung abhängt, wird das Schreibfeld der FIB-Anlage definiert. Das Wegführen des Strahls von der Probe (blanking) kann ebenfalls durch verschiedene Plattenanordnungen erreicht werden.
* '''FIB-Steuerung:''' Die Anlagen werden mithilfe LabViews gesteuert.

== Hardware- & Softwareanwendung ==
Da alle FIB-Anlagen unterschiedlich sind, ist die Hardware- und Softwareanwendung bei jedem System anders. Es bedarf hier in beiden Fällen einer Unterweisung an der Anlage/den Anlagen selbst.

Fokussierte Ionenstrahlen

2010-04-21T12:02:35Z

P Lab: /* Aufbau einer FIB-Anlage */

Ein fokussierter Ionenstrahl (kurz FIB=focused ion beam) ist eine Anlage zur Oberflächenanalyse und -bearbeitung. Im Speziellen bedeutet das die Oberflächenmikroskopie, präzise Dotierung und das Abtragen von dünnen Schichten (Sputtern).

== Was erhalte ich durch die Anwendung einer Anlage "fokussierete Ionenstrahlen"? ==
Verwendet man eine Anlage "fokussierte Ionenstrahlen" erhält man:
* das gezielte Dotieren des Festkörpers (Implantation)
* das gezielte Abtragen des Targetmaterials
* eine Oberflächenabbild der Probe

Am Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik stehen 6 verschiedene FIB-Anlagen zur Verfügung.

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_FIB_Kaskaden.jpg|miniatur|400px|a:single-knock-on, b:linear collision cascade, c:spike]]
Treffen Ionen auf die Oberfläche eines Festkörpers, wechselwirken diese durch inelastische und elastische Stöße mit den Elektronen und Atomkernen des Festkörpers. Eine Folge von inelastischen Stößen ist die Emission von Sekundärelektronen, deren Detektion als Stanardmethode zur Bilderzeugung (aufgrund von "hell-dunkel"-Informationen) in fokussierten Ionenstrahl (kurz: FIB=focused ion beam) Systemen genutzt wird.

Sputtering ist ein Effekt von elastischen Stößen des einfallenden Ions mit den Atomen des Festkörpers. Hierbei bedeutet Oberflächenzerstäubung das Feisetzen von neutralen oder geladenen Atomen als Folge des Ionenbeschusses. Wenn energiereiche Ionen mit Ionenenergien von einigen keV auf eine Festkörperoberfläche auftreffen, wird Energie an die Gitteratome des Festkörpers übertragen. Die Primärionen mit Energien von einigen keV dringen bis zu 100 <math>\AA</math> tief ein. Dabei wird das Ion abgebremst und es entwickelt sich aufgrund des Impulsübertrages eine Kette von Stößen zwischen den Festkörperatomen. Rückstoßatome entstehen, die sich durch den Festkörper bewegen und mit anderen Atomen zusammenstoßen. So bildet sich eine Stoßkaskade. Wenn der Impulsübertrag durch die Stoßkaskade an die Oberflächenatome groß genug ist, können Atome die Oberflächenbindung aufbrechen und den Festkörper verlassen. Für den Sputterprozess gibt es, abhängig von der Ion-Target Kombination, eine charakteristische Schwellenenergie von etwa 10-30 eV. Bei größeren Energien nimmt die Eindringtiefe zu. Die Sputterrate, die mittlere Zahl der emittierten Targetatome pro auftreffendem Primärion, steigt mit zunehmender Ionenenergie mit einem Maximum bei einigen 10keV.

Bei noch größeren Energien nimmt die an die Oberfläche übertragene Energie ab. Wie effizient diese Stoßkaskaden sind, hängt von der Primärionenenergie und dem Massenverhältnis zwischen Targetatom un d Primärion ab. Dadurch lassen sich drei Arten von Stoßkaskaden klassifizieren, die sich hinsichtlich ihrer Anzahl an Rückstoßatomen unterscheiden:

* Ein Einzelteilchenstoß (single-knock-on) findet bei Beschuss mit leichten Primärionen, <math>M_{ion} << M_{atom}</math> oder bei niedrigen Ionenenergien <math>E_0 < 1keV</math> statt. Stoßkaskaden entstehen hier nicht. Eine einzelne Kollision zwischen zwei Stoßpartnern führt zum Impulsübertrag. Wenn die Energie ausreicht, kann ein oberflächennahes Atom die Oberflächenenergie überwinden. Die Sputterrate ist hier proportional zum Stoßquerschnitt.
* Die lineare Stoßkaskade (linear collision cascade) findet bei moderaten Ionenenergien 1keV < <math>E_0</math> < 100keV und einem Massenverhältnis von ungefähr eins zu eins statt. Der Impulsübertrag entsteht in Folge von binären Stößen. Eine Stoßkaskade bildet sich und in dem Fall, dass die in Richtung der Oberfläche übertragene Energie ausreicht um die Oberflächenbindungsenergie zu überwinden, verlassen einige der oberflächennahen Atome den Festkörper. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Tiefeneinheit. Der Linearkaskadenprozess ist der häufigste Prozess beim Arbeiten mit FIB-Systemen.
* Nicht-lineare Stoßkaskaden (spike) treten bei schweren Primärionen und großer Ionenenergie <math>E_0</math> > 100keV auf. Die Kollisionskaskade ist hier so dicht, dass sich ihre Äste überlappen. Dadurch bewegen sich die meisten Atome während der Kollision in einem begrenzten Volumen (Spikevolumen). Dies führt auch zur Zerstörung der lokalen Festkörperstruktur. Dieser Fall wird nur selten bei FIB-Anwendungen erreicht. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Volumeneinheit.

== Aufbau einer FIB-Anlage ==
[[Datei:FKP_W_FIB_Fraise.jpg|miniatur|300px|Schematisch: FIB-Anlage Fraise]]

Die Hauptbestandteile eines FIB-Systems sind eine Flüssigmetall-Ionenquelle (kurz LMIS=liquid metal ion source), eine ionenoptische Säule, ein Probentisch, ein Vakuumsystem, Detektoren und ein Computersystem zum Steuern der Anlage. Diese Bestandteile werden im Folgenden kurz beschrieben.

Die hierbeschriebene Anlage Fraise ist eine Stand-Alone Anlage, also ein Single-Beam Instrument, das nicht in ein weiteres Analysegerät integriert ist. Diese Anlage eignet sich gut zur Mikrostrukturierung von Proben, da sie kein (E x B))-Filter und nur eine Blende besitzt, wodurch hohe Strahlströme erzielt werden können. Die maximale Beschleunigungsspannung liegt bei 30kV.

* '''LMIS:''' Die LMIS besteht aus einer Nadel (Wolfram, Niob) mit einem Reservoir für das Quellenmaterial, um das sich eine Heizwendel befindet. Dieser Teil ist an einer Stromzuführung befestigt. Um eine Ionenemission zu erreichen, wird die Quelle zuerst auf den Schmelzpunkt des vorhandenen Quellenmetalls erhitzt, damit das Metall flüssig wird, wodurch die Nadel benetzt wird. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Quelle nicht überhitzt wird, weil sonst das ganze Metall schnell verdampfen kann. Zwischen der Nadel und der Extraktionsblende wird nun eine hohe positive Extraktionsspannung von einigen Kilovolt angelekt (bis zu etwa 12kV). Das elektrische Feld erzeugt an der benetzten Nadelspitze einen sogenannten Tylorkonus mit einem halben Öffnungswinkel von 49,3°. Die Konusform ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung und der elektrostatischen Kraft.

Die ''Extraktionsspannung'' bestimmt die Größe des Extraktionsstroms. Normalerweise arbeitet man bei niedrigen Emissionsströmen von wenigen Mikroampere, um die Breite der Energieverteilung und die Coulombwechselwirkungen im Ionenstrahl zu minimieren. Die Coulombwechselwirkungen beim Emissionspunkt bewirken, dass sich die positiv geladenen Ionen untereinander abstoßen, wodurch die Ionen eine größere Transversalgeschwindigkeit bekommen.
Da der Strahlstrom in der FIB-Säule und auf dem Target nur noch eine Sträke von einigen Nanoampere und weniger besitzt, ist dort die freie Weglänge der Ionen deutlich größer. Daher spielen die Coulombwechselwirkungen nur im Quellenbereich eine deutliche Rolle. Bei größeren Emissionsströmen wächst außerdem der Anteil von Klustern im Ionenstrahl, was den Quellendurchmesser erheblich vergrößert.
* '''Ionenoptische Säule:''' In der ionenoptischen Säule werden die aus der LMIS extrahierten Ionen auf das Probenmaterial beschleunigt und fokussiert. Sie hat zwei elektrostatische Linsen, die in der Regel ''Kondensorlinse'' und ''Objektivlinse'' genannt werden. Die Kondensorlinse bündelt den Ionenstrahl und die Objektivlinse fokussiert ihn auf die Probe. Das Verändern der Linsenspannungen erzeugt verschiedene Strahlengänge. Mit ''Blenden'' von unterschiedlichen Durchmessern kann man die Strahlgröße und den Strahlstrom(der über ein ''Faraday-Cup'' gemessen wird) zusätzlich zu den Linsen nochmals optimieren. Zur Steuerung des Ionenstrahls dient ein ''Deflektor''- und ein ''Blanking''system. Wie bei den Linsen erfolgt die Ablenkung des Strahls elektrostatisch. Plattenpaare für x- und y-Ablenkung, Quadrupole oder Oktupole erzeugen elektrische Felder, die den Strahl ablenken und über die Probe führen. Durch die maximal mögliche Ablenkung, die von der geometrischen Anordnung und der Beschleunigungsspannung abhängt, wird das Schreibfeld der FIB-Anlage definiert. Das Wegführen des Strahls von der Probe (blanking) kann ebenfalls durch verschiedene Plattenanordnungen erreicht werden.
* '''FIB-Steuerung:''' Die Anlagen werden mithilfe LabViews gesteuert.

== Hardware- & Softwareanwendung==
Coming soon

Datei:FKP W FIB Fraise.jpg

2010-04-21T11:16:36Z

P Lab:

Fokussierte Ionenstrahlen

2010-04-21T11:16:29Z

P Lab:

Fokussierte Ionenstrahlen

2010-04-21T11:11:31Z

P Lab:

Ein fokussierter Ionenstrahl (kurz FIB=focused ion beam) ist eine Anlage zur Oberflächenanalyse- und bearbeitung. Im Speziellen bedeutet das die Oberflächenmikroskopie, präzise Dotierung und das Abtragen von dünnen Schichten (Sputtern).

== Was erhalte ich durch die Anwendung einer Anlage "fokussierete Ionenstrahlen"? ==
Verwendet man eine Anlage "fokussierte Ionenstrahlen" erhält man:
* das gezielte Dotieren des Festkörpers (Implantation)
* das gezielte Abtragen des Targetmaterials

Am Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik stehen 6 verschiedene FIB-Anlagen zur Verfügung.

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_FIB_Kaskaden.jpg|miniatur|400px|a:single-knock-on, b:linear collision cascade, c:spike]]
Treffen Ionen auf die Oberfläche eines Festkörpers, wechselwirken diese durch inelastische und elastische Stöße mit den Elektronen und Atomkernen des Festkörpers. Eine Folge von inelastischen Stößen ist die Emission von Sekundärelektronen, deren Detektion als Stanardmethode zur Bilderzeugung (aufgrund von "hell-dunkel"-Informationen) in fokussierten Ionenstrahl (kurz: FIB=focused ion beam) Systemen genutzt wird.

Sputtering ist ein Effekt von elastischen Stößen des einfallenden Ions mit den Atomen des Festkörpers. Hierbei bedeutet Oberflächenzerstäubung das Feisetzen von neutralen oder geladenen Atomen als Folge des Ionenbeschusses. Wenn energiereiche Ionen mit Ionenenergien von einigen keV auf eine Festkörperoberfläche auftreffen, wird Energie an die Gitteratome des Festkörpers übertragen. Die Primärionen mit Energien von einigen keV dringen bis zu 100 <math>\AA</math> tief ein. Dabei wird das Ion abgebremst und es entwickelt sich aufgrund des Impulsübertrages eine Kette von Stößen zwischen den Festkörperatomen. Rückstoßatome entstehen, die sich durch den Festkörper bewegen und mit anderen Atomen zusammenstoßen. So bildet sich eine Stoßkaskade. Wenn der Impulsübertrag durch die Stoßkaskade an die Oberflächenatome groß genug ist, können Atome die Oberflächenbindung aufbrechen und den Festkörper verlassen. Für den Sputterprozess gibt es, abhängig von der Ion-Target Kombination, eine charakteristische Schwellenenergie von etwa 10-30 eV. Bei größeren Energien nimmt die Eindringtiefe zu. Die Sputterrate, die mittlere Zahl der emittierten Targetatome pro auftreffendem Primärion, steigt mit zunehmender Ionenenergie mit einem Maximum bei einigen 10keV.

Bei noch größeren Energien nimmt die an die Oberfläche übertragene Energie ab. Wie effizient diese Stoßkaskaden sind, hängt von der Primärionenenergie und dem Massenverhältnis zwischen Targetatom un d Primärion ab. Dadurch lassen sich drei Arten von Stoßkaskaden klassifizieren, die sich hinsichtlich ihrer Anzahl an Rückstoßatomen unterscheiden:

* Ein Einzelteilchenstoß (single-knock-on) findet bei Beschuss mit leichten Primärionen, <math>M_{ion} << M_{atom}</math> oder bei niedrigen Ionenenergien <math>E_0 < 1keV</math> statt. Stoßkaskaden entstehen hier nicht. Eine einzelne Kollision zwischen zwei Stoßpartnern führt zum Impulsübertrag. Wenn die Energie ausreicht, kann ein oberflächennahes Atom die Oberflächenenergie überwinden. Die Sputterrate ist hier proportional zum Stoßquerschnitt.
* Die lineare Stoßkaskade (linear collision cascade) findet bei moderaten Ionenenergien 1keV < <math>E_0</math> < 100keV und einem Massenverhältnis von ungefähr eins zu eins statt. Der Impulsübertrag entsteht in Folge von binären Stößen. Eine Stoßkaskade bildet sich und in dem Fall, dass die in Richtung der Oberfläche übertragene Energie ausreicht um die Oberflächenbindungsenergie zu überwinden, verlassen einige der oberflächennahen Atome den Festkörper. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Tiefeneinheit. Der Linearkaskadenprozess ist der häufigste Prozess beim Arbeiten mit FIB-Systemen.
* Nicht-lineare Stoßkaskaden (spike) treten bei schweren Primärionen und großer Ionenenergie <math>E_0</math> > 100keV auf. Die Kollisionskaskade ist hier so dicht, dass sich ihre Äste überlappen. Dadurch bewegen sich die meisten Atome während der Kollision in einem begrenzten Volumen (Spikevolumen). Dies führt auch zur Zerstörung der lokalen Festkörperstruktur. Dieser Fall wird nur selten bei FIB-Anwendungen erreicht. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Volumeneinheit.

== Hardwareanwendung ==

== Softwareanwendung ==

Fokussierte Ionenstrahlen

2010-04-21T11:10:59Z

P Lab: hat „Fokussierende Ionenstrahlen“ nach „Fokussierte Ionenstrahlen“ verschoben

[[Datei:FKP_W_EdwinHall.jpg|miniatur|200px|Edwin Hall]]
Ein fokussierter Ionenstrahl (kurz FIB=focused ion beam) ist eine Anlage zur Oberflächenanalyse- und bearbeitung. Im Speziellen bedeutet das die Oberflächenmikroskopie, präzise Dotierung und das Abtragen von dünnen Schichten (Sputtern).

== Was erhalte ich durch die Anwendung einer Anlage "fokussierete Ionenstrahlen"? ==
Verwendet man eine Anlage "fokussierte Ionenstrahlen" erhält man:
* das gezielte Dotieren des Festkörpers (Implantation)
* das gezielte Abtragen des Targetmaterials

Am Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik stehen 6 verschiedene FIB-Anlagen zur Verfügung.

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_FIB_Kaskaden.jpg|miniatur|400px|a:single-knock-on, b:linear collision cascade, c:spike]]
Treffen Ionen auf die Oberfläche eines Festkörpers, wechselwirken diese durch inelastische und elastische Stöße mit den Elektronen und Atomkernen des Festkörpers. Eine Folge von inelastischen Stößen ist die Emission von Sekundärelektronen, deren Detektion als Stanardmethode zur Bilderzeugung (aufgrund von "hell-dunkel"-Informationen) in fokussierten Ionenstrahl (kurz: FIB=focused ion beam) Systemen genutzt wird.

Sputtering ist ein Effekt von elastischen Stößen des einfallenden Ions mit den Atomen des Festkörpers. Hierbei bedeutet Oberflächenzerstäubung das Feisetzen von neutralen oder geladenen Atomen als Folge des Ionenbeschusses. Wenn energiereiche Ionen mit Ionenenergien von einigen keV auf eine Festkörperoberfläche auftreffen, wird Energie an die Gitteratome des Festkörpers übertragen. Die Primärionen mit Energien von einigen keV dringen bis zu 100 <math>\AA</math> tief ein. Dabei wird das Ion abgebremst und es entwickelt sich aufgrund des Impulsübertrages eine Kette von Stößen zwischen den Festkörperatomen. Rückstoßatome entstehen, die sich durch den Festkörper bewegen und mit anderen Atomen zusammenstoßen. So bildet sich eine Stoßkaskade. Wenn der Impulsübertrag durch die Stoßkaskade an die Oberflächenatome groß genug ist, können Atome die Oberflächenbindung aufbrechen und den Festkörper verlassen. Für den Sputterprozess gibt es, abhängig von der Ion-Target Kombination, eine charakteristische Schwellenenergie von etwa 10-30 eV. Bei größeren Energien nimmt die Eindringtiefe zu. Die Sputterrate, die mittlere Zahl der emittierten Targetatome pro auftreffendem Primärion, steigt mit zunehmender Ionenenergie mit einem Maximum bei einigen 10keV.

Bei noch größeren Energien nimmt die an die Oberfläche übertragene Energie ab. Wie effizient diese Stoßkaskaden sind, hängt von der Primärionenenergie und dem Massenverhältnis zwischen Targetatom un d Primärion ab. Dadurch lassen sich drei Arten von Stoßkaskaden klassifizieren, die sich hinsichtlich ihrer Anzahl an Rückstoßatomen unterscheiden:

* Ein Einzelteilchenstoß (single-knock-on) findet bei Beschuss mit leichten Primärionen, <math>M_{ion} << M_{atom}</math> oder bei niedrigen Ionenenergien <math>E_0 < 1keV</math> statt. Stoßkaskaden entstehen hier nicht. Eine einzelne Kollision zwischen zwei Stoßpartnern führt zum Impulsübertrag. Wenn die Energie ausreicht, kann ein oberflächennahes Atom die Oberflächenenergie überwinden. Die Sputterrate ist hier proportional zum Stoßquerschnitt.
* Die lineare Stoßkaskade (linear collision cascade) findet bei moderaten Ionenenergien 1keV < <math>E_0</math> < 100keV und einem Massenverhältnis von ungefähr eins zu eins statt. Der Impulsübertrag entsteht in Folge von binären Stößen. Eine Stoßkaskade bildet sich und in dem Fall, dass die in Richtung der Oberfläche übertragene Energie ausreicht um die Oberflächenbindungsenergie zu überwinden, verlassen einige der oberflächennahen Atome den Festkörper. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Tiefeneinheit. Der Linearkaskadenprozess ist der häufigste Prozess beim Arbeiten mit FIB-Systemen.
* Nicht-lineare Stoßkaskaden (spike) treten bei schweren Primärionen und großer Ionenenergie <math>E_0</math> > 100keV auf. Die Kollisionskaskade ist hier so dicht, dass sich ihre Äste überlappen. Dadurch bewegen sich die meisten Atome während der Kollision in einem begrenzten Volumen (Spikevolumen). Dies führt auch zur Zerstörung der lokalen Festkörperstruktur. Dieser Fall wird nur selten bei FIB-Anwendungen erreicht. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Volumeneinheit.

== Hardwareanwendung ==

== Softwareanwendung ==

Fokussierende Ionenstrahlen

2010-04-21T11:10:59Z

P Lab: hat „Fokussierende Ionenstrahlen“ nach „Fokussierte Ionenstrahlen“ verschoben

#REDIRECT [[Fokussierte Ionenstrahlen]]

SOWAS:Festkörperphysik

2010-04-21T11:09:45Z

P Lab:

Hier finden Sie alle Informationen über das SOWAS-Praktikum im Bereich Festkörperphysik. Diese umfassen das Themenangebot, die experimentellen Aufbauten und die dazugehörige Beschreibung der Software-/Hardware-Anwendung, sowie allgemeine und hilfreiche Darstellungen physikalischer Zusammenhänge.

== Themenvorschläge ==
Folgende Themen können (neben eigenen Anregungen) bearbeitet werden:
* [[Band gap engineering]]
* [[FIB-Sputtern und Visualisierung]]
* [[Photolithographische Definition von Feldeffekt-Transistoren und damit I-U-Charakterisierung und Anwendungsschaltungen]]
* [[In-Plane-Gate-Transistoren (IPGs)]]

== Experimentelle Aufbauten, Präparationsanlagen ==
'''Experimentelle Aufbauten'''

* [[Hall-Effekt-Aufbau]]
* [[Closed Cycle Cryostat]]
* [[Quanten-Hall-Effekt-Aufbau]]
* [[Kapazitäts-Spannungs-Spektroskopie]]
* [[Photolumineszenz-Aufbau]]
* [[Fokussierte Ionenstrahlen]]
* [[Rasterelektronenmikroskop]]
* [[Spitzenmessplatz]]
* [[Phaseninterferenzmikroskop]]
'''Präparationsanlagen'''
* [[Fotolabor]]
* [[Diamantritzer]]
* [[Gelbraum]]
* [[Aufdampflabor]]
* [[Wedge-Bonder]]

== Anmeldung ==
Interessieren Sie sich (2 Personen) für die Bearbeitung eines SOWAS-Themas, so melden Sie sich bitte bei ''wieck.sekretariat@ruhr-uni-bochum.de''

== Bisherige SOWAS-Projekte ==

Fokussierte Ionenstrahlen

2010-04-21T11:07:23Z

P Lab:

Datei:FKP W FIB Kaskaden.jpg

2010-04-21T10:55:50Z

P Lab:

Fokussierte Ionenstrahlen

2010-04-21T10:55:25Z

P Lab:

[[Datei:FKP_W_EdwinHall.jpg|miniatur|200px|Edwin Hall]]
Ein fokussierter Ionenstrahl (kurz FIB=focused ion beam) ist eine Anlage zur Oberflächenanalyse- und bearbeitung. Im Speziellen bedeutet das die Oberflächenmikroskopie, präzise Dotierung und das Abtragen von dünnen Schichten (Sputtern).

== Was erhalte ich durch die Anwendung einer Anlage "fokussierete Ionenstrahlen"? ==
Verwendet man eine Anlage "fokussierte Ionenstrahlen" erhält man:
*
SPEZIALKOMMENTAR

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_FIB_Kaskaden.jpg|miniatur|240px|a:single-knock-on, b:linear collision cascade, c:spike]]
Treffen Ionen auf die Oberfläche eines Festkörpers, wechselwirken diese durch inelastische und elastische Stöße mit den Elektronen und Atomkernen des Festkörpers. Eine Folge von inelastischen Stößen ist die Emission von Sekundärelektronen, deren Detektion als Stanardmethode zur Bilderzeugung (aufgrund von "hell-dunkel"-Informationen) in fokussierten Ionenstrahl (kurz: FIB=focused ion beam) Systemen genutzt wird.

Sputtering ist ein Effekt von elastischen Stößen des einfallenden Ions mit den Atomen des Festkörpers. Hierbei bedeutet Oberflächenzerstäubung das Feisetzen von neutralen oder geladenen Atomen als Folge des Ionenbeschusses. Wenn energiereiche Ionen mit Ionenenergien von einigen keV auf eine Festkörperoberfläche auftreffen, wird Energie an die Gitteratome des Festkörpers übertragen. Die Primärionen mit Energien von einigen keV dringen bis zu 100 <math>\AA</math> tief ein. Dabei wird das Ion abgebremst und es entwickelt sich aufgrund des Impulsübertrages eine Kette von Stößen zwischen den Festkörperatomen. Rückstoßatome entstehen, die sich durch den Festkörper bewegen und mit anderen Atomen zusammenstoßen. So bildet sich eine Stoßkaskade. Wenn der Impulsübertrag durch die Stoßkaskade an die Oberflächenatome groß genug ist, können Atome die Oberflächenbindung aufbrechen und den Festkörper verlassen. Für den Sputterprozess gibt es, abhängig von der Ion-Target Kombination, eine charakteristische Schwellenenergie von etwa 10-30 eV. Bei größeren Energien nimmt die Eindringtiefe zu. Die Sputterrate, die mittlere Zahl der emittierten Targetatome pro auftreffendem Primärion, steigt mit zunehmender Ionenenergie mit einem Maximum bei einigen 10keV.

Bei noch größeren Energien nimmt die an die Oberfläche übertragene Energie ab. Wie effizient diese Stoßkaskaden sind, hängt von der Primärionenenergie und dem Massenverhältnis zwischen Targetatom un d Primärion ab. Dadurch lassen sich drei Arten von Stoßkaskaden klassifizieren, die sich hinsichtlich ihrer Anzahl an Rückstoßatomen unterscheiden:

* Ein Einzelteilchenstoß (single-knock-on) findet bei Beschuss mit leichten Primärionen, <math>M_{ion} << M_{atom}</math> oder bei niedrigen Ionenenergien <math>E_0 < 1keV</math> statt. Stoßkaskaden entstehen hier nicht. Eine einzelne Kollision zwischen zwei Stoßpartnern führt zum Impulsübertrag. Wenn die Energie ausreicht, kann ein oberflächennahes Atom diie Oberflächenenergie überwinden. Die Sputterrate ist hier proportional zum Stoßquerschnitt.
* Die lineare Stoßkaskade (linear collision cascade) findet bei moderation Ionenenergien 1keV < <math>E_0</math> < 100keV und einem Massenverhältnis von ungefähr eins zu eins statt. Der Impulsübertrag entsteht in Folge von binären Stößen. Eine Stoßkaskade bildet sich und in dem Fall, dass die in Richtung der Oberfläche übertragene Energie ausreicht um die Oberflächenbindungsenergie zu überwinden, verlassen einige der oberflächennahen Atome den Festkörper. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Tiefeneinheit. Der Linearkaskadenprozess ist der häufigste Prozess beim Arbeiten mit FIB-Systemen.
* Nicht-lineare Stoßkaskaden (spike) treten bei schweren Primärionen und großer Ionenenergie <math>E_0</math> > 100keV auf. Die Kollisionskaskade ist hier so dicht, dass sich ihre Äste überlappen. Dadurch bewegen sich die meisten Atome während der Kollision in einem begrenzten Volumen (Spikevolumen). Dies führt auch zur Zerstörung der lokalen Festkörperstruktur. Dieser Fall wird nur selten bei FIB-Anwendungen erreicht. Die Sputterrate ist proportional zur Energiedeposition pro Volumeneinheit.

== Hardwareanwendung ==

== Softwareanwendung ==

Fokussierte Ionenstrahlen

2010-04-21T09:42:39Z

P Lab:

Fokussierte Ionenstrahlen

2010-04-21T09:17:49Z

P Lab: Die Seite wurde neu angelegt: „Edwin Hall EINLEITUNG == Was erhalte ich durch die Anwendung einer Anlage "fokussierete Ionenstrahlen"? == Verwendet ...“

[[Datei:FKP_W_EdwinHall.jpg|miniatur|200px|Edwin Hall]]
EINLEITUNG
== Was erhalte ich durch die Anwendung einer Anlage "fokussierete Ionenstrahlen"? ==
Verwendet man eine Anlage "fokussierte Ionenstrahlen" erhält man:
*
SPEZIALKOMMENTAR

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_HallEffekt.jpg|miniatur|240px|Hall-Effekt]]

== Hardwareanwendung ==

== Softwareanwendung ==

Phaseninterferenzmikroskop

2009-10-16T12:11:41Z

P Lab:

== Was erhalte ich, wenn ich das Phaseninterferenzmikroskop benutze? ==
Das Phaseninterferenzmikroskop (Firma: Zygo) kann zur Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit sowie zur Schichtdickenbestimmung herangezogen werden.

== Physikalischer Hintergrund ==
Im Prinzip liefert das Phaseninterferenzmikroskop die Oberflächentopographie indem das Interferenzmuster, das durch Reflexion von Laserlicht an der Probenoberfläche und einer Referenzfläche zustande kommt, ausgenutzt wird. Die Probe oder die Dicke der Schicht, die man vermessen will, muss mindestens einen Reflexionsgrad von 1% haben, damit das Verfahren noch funktionieren kann. Durch automatisches Verschieben der Referenzoberfläche verändert sich je nach Verschiebung das Interferenzmuster. Aus der Sammlung der verschiedenen Referenzmuster kann mithilfe eines Computers dann die Oberflächentopographie ausgerechnet/rekonstruiert werden. Das Ergebnis wird in Falschfarben auf dem Bildschirm dargestellt.

== Hardwareanwendung ==
Das Phaseninterferenzmikroskop steht in einem Reinraum, so dass vor dem Betreten des Reinraums andere Schuhe und ein Kittel angezogen werden müssen (diese liegen allesamt in einem Vorraum des Reinraums).

Um die Probe oder gar nur eine Schicht in ihrer Rauhigkeit oder Dicke untersuchen zu wollen, öffnet man zunächst die Außenverkleidung des Mikroskops. Auf einen runden ''Probenhalter'' kann man die Probe platzieren und schließlich unter die drei Objektive des Mikroskops legen. Anschließend kann der auf dem Mikroskop befindliche Monitor sowie das Laserlicht hinter dem Aufbau eingeschaltet werden. Als nächstes muss man über die Höheneinstellung des Objektivs ein Interferenzmuster erzeugen, dass auf dem Bildschirm sichtbar gemacht werden kann. Dazu die Höheneinstellung recht langsam benutzen, da der Bereich, in dem Interferenz auftritt recht klein ist. Ist dies geschafft lässt sich mit weiteren Mikrometerschrauben die Breite der Interferenzmaxima bzw. Interferenzminima verändern. Man sollte versuchen ein scharfes, tiefschwarzes und breites Interferenzminimum auf dem Schirm zu generieren. Danach kann die Außenverkleidung wieder geschlossen werden.

== Softwareanwendung ==
Am nebenstehenden Computer ist nach Einschalten des Monitors die Programmoberfläche zu sehen. Links oben kann das gewählte Objektiv ausgewählt werden. Alle anderen Einstellungen sind schon gemacht, so dass der Messvorgang direkt gestartet werden kann. Während der Messung sollte man jedwede Schwingungen vermeiden, so dass ein gutes Ergebnis erzielt werden kann. Das sich verändernde Interferenzmuster kann am Bildschirm verfolgt werden. Nach kurzer Zeit ist der Messvorgang abgeschlossen und man kann die Topographie der Probenoberfläche in einem Falschfarbenbild am Computer begutachten. Möchte man eine Schichtdickenmessung vornehmen, so kann auf dem Abbild der Probenoberfläche mittels zweier ''Dreiecke'' eine Linie bestimmt werden, entlang derer das Höhenprofil zweidimensional dargestellt werden soll. Mit diesem zweidimensionalen Schnitt kann man die Höhe der Stufenkante bestimmen.

Phaseninterferenzmikroskop

2009-10-16T12:00:27Z

P Lab: Die Seite wurde neu angelegt: „== Was erhalte ich, wenn ich das Phaseninterferenzmikroskop benutze? == Das Phaseninterferenzmikroskop (Firma: Zygo) kann zur Bestimmung der Oberflächenrauhigkei...“

Closed Cycle Cryostat

2009-10-16T11:21:09Z

P Lab: /* Softwareanwendung */

Mit dem zweistufigen Pulsrohrkühler (Closed Cycle Cryostat) kann man temperaturabhängige Hall-Messungen und temperaturabhängige C-V-Spektroskopie betreiben. Ferner lässt sich zu jedem Zeitpunkt ein Magnetfeld zwischen -1,5T bis 1,5T einschalten oder ein wählbares Magnetfeldintervall durchfahren. Das Pulsrohr kann Temperaturen zwischen 340K und 4,2K anfahren.

== Was erhalte ich durch die Anwendung des Hall-Effekt-Aufbaus? ==
Genauso wie bei der Messung des Hall-Effektes können folgende Halbleitermerkmale ermittelt werden:
* Flächenladungsträgerdichte n (<math>\text{cm}^{-2}</math> )
* Mobilität µ (<math>\text{cm}^2V^{-1}s^{-1}</math>)
* Schichtwiderstand R<math>_\text{S}</math> (<math>\Omega</math>)
* Hallspannung U<math>_\text{H}</math> (V)
* Mittlere freie Weglänge <math>\lambda</math> (µm)
Der Unterschied zum Hall-Effekt-Aufbau ist die Einstellmöglichkeit der Temperatur sowie des Magnetfeldes über ein großes Intervall.

== Hardwareanwendung ==

* Wie wird die Probe eingesetzt?
* Wie kontaktiere ich meine Probe?
* Möchte ich zu der Messung ein Magnetfeld dazuschalten?
* Wie fahre ich die Temperatur kontrolliert hoch/herunter?
* Was muss ich nach meiner Messung beachten?

==== Wie wird die Probe eingesetzt? ====
Zunächst muss man überprüfen, ob die Probenkammer unter Vakuum steht und ob die Temperatur im Pulsrohr nahe Raumtemperatur ist. Ist die Temperatur weitaus geringer als Raumtemperatur, so darf die Probenkammer '''nicht''' belüftet werden. Ist die Temperatur nahe Raumtemperatur, so kann die Probenkammer belüftet werden (hierzu schaltet man die Pumpe einfach aus und öffnet ein Ventil (siehe Bild rechts)). In der Zeit (während die Probenkammer belüftet) kann man sicherstellen, dass auch kein Magnetfeld anliegt und es ggf. abschalten. Ist die Probenkammer belüftet, so kann das Pulsrohr an dem dafür vorgesehenen Griff hervorgezogen werden. Nun kann die Schelle gelockert und schließlich entfernt werden. Danach kann die "untere äußere Hülle" vorsichtig entfernt werden. Die "innere Hülle" muss abgeschraubt werden. Hierzu ziehe man sich bitte vorher Handschuhe an, die in dem Labor vorhanden sind. Ist die "innere Hülle" abgeschraubt, kann der Kaltfinger vorsichtig freigelegt werden. Man erkennt nun, wo die Probe platziert werden soll. Mit einem kleinen Punkt auf dem Kaltfinger hat man definiert, wo Pin 1 der Probe ist (siehe hierzu [[Hall-Effekt-Aufbau]] unter ''Hardwareanwendung'' für die Orientierung und Nummerierung der Pins der Probe). Mit angezogenen Handschuhen kann man die Probe nun in die Finger nehmen und sie in den Kaltfinger montieren (bitte eine leichte Gegenkraft von der Hinterseite des Kaltfingers bei der Montage der Probe ausüben). Nach Montage der Probe kann die "innere Hülle" und "äußere Hülle" wieder angebracht werden. Als letztes bleibt noch das Einschalten der Pumpe, die den Probenraum auf weniger als <math>10^{-5} mbar</math> evakuiert.

==== Wie kontaktiere ich meine Probe? ====
Am Kryostaten sind BNC-Buchsen angebracht über die man die einzelnen Pins ansteuern kann. Die dazu nötigen Kabel liegen direkt neben dem Kryostaten und sind durchnummeriert. Für die Notwendigkeit der Nummerierung lesen Sie bitte den Abschnitt ''Hardwareanwendung'' auf der Seite [[Hall-Effekt-Aufbau]], falls Sie das nicht schon getan haben (s. oben).
Die BNC-Kabel sind ferner an einer Schaltmatrix (die wiederum an ein Digitalmultimeter angschlossen ist) angeschlossen, die automatisch über ein LabView-Programm die nötigen Schaltvorgänge ausübt.

=== Möchte ich zu der Messung ein Magnetfeld dazuschalten? ===
Wenn man ein Magnetfeld für die Messung benötigt sind einige Dinge zu beachten. Da das Magnetfeld über ein großes Spulenpaar erzeugt wird und Magnetfelder bis zu 1,5T hochgefahren werden können, bedarf es einer Kühlung des Spulenpaares, da unter Volllast ein Strom von 20A durch das Spulenpaar fließt. Um also eine Kühlung des Spulenpaares zu gewährleisten, müssen die Wasserkühlungsventile geöffnet werden (s. rechtes Bild, ''Magnet'' und ''Magnetnetzteil'').

Danach muss die Stromquelle eingschaltet werden. Hierzu stellt man den Schalter an der Stromquelle auf ''Local'' und drückt den ''Standby''-Knopf. Danach drückt man den ''Power-On''-Knopf (nicht erschrecken, es gibt ein lautes Geräusch). Danach kann der Schalter auf ''Remote'' umgeschaltet werden, weil alle anderen Steuerungen über den Computer gemacht werden. Wie man das Magnetfeld ansteuert und variiert wird unter Softwareanwendung erläutert.

=== Wie fahre ich die Temperatur kontrolliert hoch/herunter? ===
Der Kaltfinger des zweistufigen Pulsrohrs wird über komprimierte Helium-Pulse heruntergekühlt. Der Kompressor, der dazu notwendig ist, benötigt ebenfalls wie das Spulenpaar eine Wasserkühlung, dessen Ventil geöffnet werden muss (dort wo man auch die Ventile für den Magneten öffnet; ''Kompressor'').

Die Temperatur wird über einen ''Temperature Controller'' weitgehend über ein LabView-Programm gesteuert (man kann den Kontroller natürlich auch manuell steuern; wird allerdings nicht empfohlen, da die LabView-VIs bedienungsfreundlicher sind). Hat man die Temperaturrampe, sowie den ''Endpunkt''/''Setpoint'' eingestellt, muss nur noch der Kompressor gestartet werden (siehe Bild rechts; Umlegen des Schalters), damit die Temperatur auch heruntergefahren wird.

Soll die Temperatur von einem niedrigen Wert wieder auf Raumtemperatur steigen, so gibt es zwei Möglichkeiten:
* Der ''Endpunkt''/''Setpoint'' wird auf Raumtemperatur geändert. Ferner kann die Temperturrampe eingestellt werden (Bsp: <math>3\frac{K}{min}</math>). Das Pulsrohr kann dann ausgeschaltet werden. Die integrierte ''Heizung'' sorgt für das kontrollierte hochfahren der Temperatur. Beachtet werden muss allerdings, dass die Heizung bei erreichen der Raumtemperatur ausgeschaltet werden muss. Das macht man manuell am ''Temperature Controller'', indem man auf ''Local'' schaltet und den Knopf ''Heater Off'' drückt.
* Das Pulsrohr wird ausgeschaltet; am ''Temperature Controller'' wird der Knopf ''Heater Off'' gedrückt. Das System wird nun sich selbst überlassen. Mit einiger Zeit wird sich das System auf Raumtemperatur einstellen.

=== Was muss ich nach meiner Messung beachten? ===
Nach der Messung sollten Sie beachten, dass
* die ''Heizung'' nach Erreichen der Raumtemperatur wieder ausgeschaltet wird
* das Magnetnetzteil bei 0T ausgeschaltet wird
* die Wasserkühlungsventile geschlossen werden

== Softwareanwendung ==
Die ''Software'' für den Kryostaten ist im Grunde vollständig vorhanden. Allerdings gibt es eine Vielzahl von experimentellen Fragestellungen, die mit dem Kryostaten bearbeitet werden können, so dass häufig für eine spezielle Fragestellung ein eigenes LabView-Programm geschrieben werden muss. Es gibt eine Bibliothek an Bausteinen (z.B. Ansprechen des Digitalmultimeters, Ansprechen des ''Temperature Controllers'', Probenstrom einstellen, usw.), aus denen nahezu jedes gewünschte Programm programmiert werden kann. In diesem Sinne wird auf die vorhandenen Bausteine auf dem entsprechenden Computer am Kryostaten verwiesen, an dem man das jeweilige Programm erstellen kann.

Closed Cycle Cryostat

2009-10-16T09:55:15Z

P Lab: /* Hardwareanwendung */

Closed Cycle Cryostat

2009-10-16T09:22:45Z

P Lab: /* Wie kontaktiere ich meine Probe? */

Closed Cycle Cryostat

2009-10-16T09:06:05Z

P Lab: /* Wie kontaktiere ich meine Probe? */

Closed Cycle Cryostat

2009-10-15T11:40:35Z

P Lab: /* Hardwareanwendung */

Closed Cycle Cryostat

2009-10-15T10:23:25Z

P Lab: /* Hardwareanwendung */

Closed Cycle Cryostat

2009-10-15T10:17:52Z

P Lab:

Closed Cycle Cryostat

2009-10-15T10:09:26Z

P Lab:

Hall-Effekt-Aufbau

2009-10-15T10:07:57Z

P Lab:

[[Datei:FKP_W_EdwinHall.jpg|miniatur|200px|Edwin Hall]]
1879 entdeckte Edwin Hall den nach ihm benannten Hall-Effekt. Dieser Effekt sieht wie folgt aus:
Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld, so werden die in dem Leiter vorhandenen Ladungsträger durch die Lorentzkraft abgelenkt. Diese Ablenkung geschieht sowohl senkrecht zum Magnetfeld, als auch senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungsträger. Durch abgelenkte Ladungsträger wird sich auf einer Seite des Leiters eine erhöhte Ladung aufbauen, so dass ein elektrisches Feld generiert wird, das der Lorentzkraft entgegenwirkt. Die mit dem elektrischen Feld einhergehende Spannung wird Hall-Spannung U<math>_\text{H}</math> genannt.
== Was erhalte ich durch die Anwendung des Hall-Effekt-Aufbaus? ==
Verwendet man den Hall-Effekt-Aufbau so können aus Widerstands- und Spannungsmessungen folgende Halbleitermerkmale ermittelt werden:
* Flächenladungsträgerdichte n (<math>\text{cm}^{-2}</math> )
* Mobilität µ (<math>\text{cm}^2V^{-1}s^{-1}</math>)
* Schichtwiderstand R<math>_\text{S}</math> (<math>\Omega</math>)
* Hallspannung U<math>_\text{H}</math> (V)
* Mittlere freie Weglänge <math>\lambda</math> (µm)

Die Messung kann bei Raumtemperatur (RT) und bei 4,2K (liquid Helium (lHe)) und jeweils im Dunkeln sowie unter Beleuchtung durchgeführt werden.

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_HallEffekt.jpg|miniatur|240px|Hall-Effekt]]
Der Hall-Effekt kann, wie oben beschrieben, dazu ausgenutzt werden die Ladungsträgerdichte in Halbleitern zu bestimmen. Hierzu macht man folgende theoretische Überlegungen:
Der Lorentzkraft wirkt ein elektrisches Feld entgegen, so dass bei Kompensation folgendes gilt:
<div align="center"><math>q\left(\vec E + \vec v \times \vec B\right) = 0</math></div>

Mit der Wahl des Koordinatensystems, in dem sich die Elektronen in x-Richtung bewegen und das Magnetfeld in z-Richtung zeigt, ergibt sich <math>\text{E}_\text{y}-\text{v}_\text{x}\text{B}_\text{z} = 0</math>, was mit der Stromdichte <math>\text{j}_\text{x} = \text{n}_{\text{3d}}\text{q} \text{v}_\text{x}</math> zu Folgendem führt:

<math>E_y = \frac{1}{n_{3d}q}j_xB_z = R_Hj_xB_z</math>

wobei <math>\text{R}_\text{H} = \left(n_{3d} q\right)^{-1}</math> die Hall-Konstante ist. Mit <math>E_y=\frac{U_H}{w}</math>, wobei w die Breite der Schicht ist, und mit <math>j_x = \frac{I_x}{wd}</math>, wobei d die Dicke der Schicht ist, folgt die Hallspannung <math>\text{U}_\text{H}</math> und eine Vorschrift für die Ladungsträgerdichte:

<div align="center"><math>U_H = R_H\frac{I_xB_z}{d} = \frac{I_xB_z}{n_{3d}qd}=\frac{I_xB_z}{n_{2d}q}\Leftrightarrow n_{2d}=\frac{I_xB_z}{qU_H}</math></div>

Um also die Flächenladungsträgerdichte zu ermitteln muss man die Hall-Spannung messen. Der Strom wird selbst bestimmt, das Magnetfeld ist bekannt und durch das Vorzeichen von <math>n</math> lässt sich feststellen, ob die Probe n- bzw. p-leitend ist (Vorzeichen von q).

Ferner lässt sich über eine Hall-Messung ebenfalls die Beweglichkeit µ über den Schichtwiderstand <math>\text{R}_\text{S}</math> und Hall-Spannung bzw. Flächenladungsträgerdichte bestimmen. Der Zusammenhang sieht wie folgt aus:
<div align="center"><math>\mu = \frac{U_H}{R_SIB} = \frac{1}{qn_{2d}R_S}</math></div>

Die Messung des Schichtwiderstandes ist Bestandteil der Van-der-Pauw-Technik.

== Hardwareanwendung ==
Hat man seine strukturierte Halbleiterprobe mit einem Chipcarrier mittels Bond-Drähte verbunden, so kann man den Chipcarrier in die Hall-Anlage einbauen.
[[Datei:FKP_W_Chipcarrier.png|thumb|Chipcarrier]]

[[Datei:FKP_W_Bondplan.png|thumb|Bond-Plan]]

An der rechten Seite kann man einen ''gebondeten'' Chipcarrier sehen. Da, wo die halbkreisförmige Aussparung zu sehen ist, ist ''oben''. Der neben der halbkreisförmigen Aussparung liegende lange goldene Strich zeigt an, wo die ''1'' der nach unten zeigenden Pins ist. Hierbei zählt man '''entgegen''' dem Uhrzeigersinn. Die Frage ist, mit welchem Pad Pin Nr. ''1'' verbunden ist. Wenn man genau hinsieht ist ein Pad etwas kürzer als alle anderen Pads. Dieses kürzere Pad ist Pad Nr. ''1'' und ist mit Pin Nr. ''1'' verbunden. Auch die Pads werden entgegen dem Uhrzeigersinn hochgezählt (rechts neben Pad Nr. ''1'' ist also Pad Nr. ''16'', das mit Pin Nr. ''16'' verbunden ist [das wiederum lässt sich gegenüber von Pin Nr. ''1'' finden]). Da man nun weiß wo beim Chipcarrier ''oben'' ist, kann man ihn in die Hall-Anlage/den Probenhalter einbauen. Genauso, wie man ihn auf dem rechten Bild sehen kann, wird er eingebaut.

Um nicht durcheinander zu kommen welcher Pin zu welchem Pad gehört und zu welcher Struktur wiederum welches Pad gehört macht man sich Bond-Pläne. Eine Rohfassung kann man bekommen oder sich selbst aufmalen.

Für gewöhnlich hat man mehr als eine Struktur auf einer Halbleiterprobe, so dass man noch mit den an der Hall-Anlage befindlichen Kabeln definieren muss, welche Struktur man ausmessen möchte. Die Kabel sind durchnummeriert (1, 2, 3, 4) und müssen an BNC-Buchsen angeschlossen werden. Haben Sie beispielsweise eine Van-der-Pauw-Struktur (vier Kontakte an den Ecken), so ist links-oben die ''1'', links-unten die ''2'', rechts-unten die ''3'' und rechts-oben die ''4''. Die damit beschrifteten Kabel müssen Sie nun mit ''der'' BNC-Buchse verbinden, die die Nummer des zu untersuchenden Pins beschreibt (siehe Bond-Plan).

Wurde alles richtig angeschlossen, kann man bei Raumtemperatur eine Hall-Messung durchführen.

<br style="clear: both" />

== Softwareanwendung ==
Die Anwendung der Software gliedert sich in ca. sieben Schritte:
# Eingabe globaler Daten
# Wahl des elektrischen Stromes
# eventuelle Beleuchtung der Probe bei 4,2K
# Kontaktkontrolle
# Bestimmung des Schichtwiderstandes
# Messung der Hall-Spannung
# Speichern und eventuelles Drucken der Messergebnisse

Bevor die einzelnen Schritte im Detail beschrieben werden, können Sie im nachstehenden Bild die Hauptebene des Programms ''Hall_Main_EXP2.vi'' sehen:
{|
|[[Datei:FKP_W_HallA_Hauptbildschirm.png]]
|[[Datei:FKP_W_HallA_VdPbar.PNG|thumb|oben: Van-der-Pauw-Geometrie, unten: Bar-Geometrie]]
|}

Von der Hauptebene des Programms kommt man zu den Voreinstellungen (''Global settings'', ''Auto Current'', ''Illuminate''), zu den Messvorgängen (''Check contacts'', ''Resistivity'', ''Hall measurement'', ''IV-Graph'') und der Speicherung der Messergebnisse (''Save Data'', ''Print''). Die einzige direkte Einstellmöglichkeit auf der Hauptebene ist die Festlegung der Probengeometrie: Hier kann man zwischen Van-der-Pauw- und Bar-Geometrie wählen, indem man auf das Bild unter VDP/bar klickt. Die Zahlen auf den Bildern spiegeln die Kontaktorientierung wider, die zum Anschluss der Kontakte an die Hardware wichtig ist.

=== Eingabe globaler Daten / ''Global settings'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Global settings_3.PNG|right|]]
Die globalen Daten dienen dazu die Messergebnisse einer bestimmten Probe zuzuordnen und anzugeben unter welchen Bedingungen gemessen wurde. Im Feld '''Operator''' gibt man seinen Namen ein, in '''Identification (MBE number)''' gibt man die Probennummer ein, die jeder Halbleiterprobe vorab vergeben wird, in '''Description''' kann man eine nähere Beschreibung zur Messung angeben. Der Schalter '''Illumination''' gibt an, ob die Messung unter Beleuchtung (grün leuchtet auf) oder in Dunkelheit durchgeführt wird.
Ferner kann man unter '''Temperature''' angeben bei welcher Probentemperatur die Messung durchgeführt wird (für gewöhnlich Raumtemperatur (RT) und in flüssigem Helium 4,2K (lHe)).

Bei RT wird automatisch Magnetfeldquelle auf ''permanent'' geschaltet. Der Permanentmagnet hat eine Feldstärke von 123mT. Bei lHe wird die Magnetfeldquelle automatisch auf ''coil'' geschaltet. Da diese Messung innerhalb einer Heliumkanne durchgeführt wird und am Lehrstuhl für ''Angewandte Festkörperphysik'' zwei verschiedene gibt, muss man im erscheinenden Fenster zwischen normalleitender und supraleitender Spule wählen. Man findet am Kannenhals die Art der sich in der Heliumkanne befindlichen Spule.

Diese Angaben werden letztlich mit den Messergebnissen abgespeichert, um die Messergebnisse eindeutig zuordnen zu können.
<br style="clear: both" />

=== Wahl des elektrischen Stromes / ''Auto current'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Auto Current.PNG|right|]]
Für die Messung des Hall-Effektes kann in dieser Ebene der Strom festgelegt werden. Mit dem Button '''Autoset''' wird für die benutzte Halbleiterprobe der Strom gesetzt, bei dem 25mV an den Kontakten abfällt. Man kann allerdings den Strom in der Box '''Current [µA]''' selbst festlegen. Der Strom wird in µA angegeben und liegt für Standard-Hallproben bei 100µA. Mit '''OK''' bestätigt man die Festlegung des Stromes für die Messung/en.
<br style="clear: both" />

=== eventuelle Beleuchtung der Probe bei 4,2K / ''Illumination'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Illumination.PNG|right|]]
In dieser Ebene kann man die Halbleiterprobe mit einer LED, die man in den Probenhalter installiert hat, beleuchten. Mit dieser Beleuchtung forciert man die Erhöhung der Ladungsträgerdichte durch Fundamentalabsorption. Der LED-Strom ist für gewöhnlich 10mA, die Dauer der Beleuchtung kann selbst eingestellt werden. Hat man den LED-Strom und die gewünschte Beleuchtungsdauer eingestellt, so kann man über '''exposure''' den Beleuchtungsvorgang starten.

Hinweis: Die Dauer der Beleuchtung wird nicht automatisch abgespeichert; es ist also ratsam die Dauer oder die Gesamtdauer der Beleuchtung in ''Global settings'' <math>\rightarrow</math> ''Description'' einzugeben.
<br style="clear: both" />

=== Kontaktkontrolle / ''Check contacts'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Check_Contacts.PNG|right|]]
Die auf der Probe aufgedampften Strukturen sind für gewöhnlich sehr klein und werden mittels eines dünnen (Durchmesser 30µm) Aluminium-''Bond''-Drahtes mit Pads eines Chipträgers / Chipcarriers verbunden. Ob die Strukturen auf der Probe mit den Pads des Chipcarriers gut verbunden sind und um festzustellen wie die Unterschiede in Hinblick des Widerstandes zwischen den Kontakten sind, kann in dieser Ebene festgestellt werden. Die grünen Zahlen auf der linken Seite (100, 50, 10) spiegeln den Messstrom wider (100%, 50%, 10% des festgelegten Stromes), die oberhalb der gelben Zahlen (1-2, 2-3, 3-4 usw.) geben an zwischen welchen beiden Kontakten der Widerstand gemessen wird (s. oben VDP/bar). Die Tabelle mit den gelben Zahlen sind dann folglich die gemessenen Widerstandswerte und geben auch Auskunft über die Symmetrie der Probe.
Für den Fall, dass sich z.B. ein Bond-Draht (aufgrund der Abkühlung auf 4,2K und der einhergehenden Kontraktion des dünnen Bond-Drahtes) von der Probe oder dem Pad löst oder gar reißt, kann hier festgestellt werden, ob die weiteren Messungen noch Sinn machen.
<br style="clear: both" />

=== Bestimmung des Schichtwiderstandes / ''Resistivity'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Schichtwiderstand.PNG|right|]]
Wie oben bereits erwähnt ist die Ermittlung des Schichtwiderstandes <math>\text{R}_\text{S}</math> Bestandteil der Van-der-Pauw-Technik.
Es wird der festgelegte Strom angezeigt, die Kontaktkonfiguration der Messung (S21M34 bedeutet z.B., dass durch die Kontakte 2-1 der Strom fließt ('''S'''ource) und zwischen den Kontakten 3-4 der Widerstand gemessen wird ('''M'''easure)), ferner wird der dazugehörige Spannungsabfall und als Resultat der Messung der Schichtwiderstand angegeben.
Man kann die Messung mittels '''Measure''' beliebig oft wiederholen und mittels '''OK''' verlassen.
<br style="clear: both" />

=== Messung der Hall-Spannung / ''Hall meas.'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Hall-Messung.PNG|center|none]]
In dieser Ebene wird die Hall-Spannung gemessen und die daraus resultierenden Werte für Flächenladungsträgerdichte und Mobilität berechnet.

In der oberen Leiste ''Hall settings'' wird die Kontaktkonfiguration angegeben. Die Verstärkungsfaktoren ''G0'' und ''G1'', die durch die Buttons ''premeasurement'' und ''optimize gain'' gefunden werden, dienen dazu den Messbereich optimal auszunutzen. Die häufige Klick-Reihenfolge ''premeasurement'' <math>\rightarrow</math> ''optimize gain'' <math>\rightarrow</math> ''measure'' wurde im Button ''compl. measure'' vereinigt. Man kann allerdings die Verstärkungsfaktoren auch manuell eingeben.

Die Hall-Spannung wird in beide Magnetfeldrichtungen gemessen, so dass man Spannungsoffsets eliminieren kann. Hierzu gibt es die obere Leiste ''Field + \ Field -'' in der man die Mittelwerte und die Abweichung der Hall-Spannung ablesen kann.

Mit ''OK'' verlässt man diese Ebene und kommt zum Hauptbildschirm zurück.
<br style="clear: both" />

=== Speichern und eventuelles Drucken der Messergebnisse / ''Save data'' und ''Print'' ===
'''Save data''': ''Save data'' speichert die Ergebnisse der Messung. Ist der nebenstehende Schalter ''Autosave'' auf ''Y'' (Yes) gestellt, so öffnet sich ein Dialog, in dem man den Speicherort und den Dateinamen angeben kann. Jedes weitere Klicken auf ''Save data'' hängt die Messergebnisse an die schon bestehende Liste der erstellten Datei an. Steht der Schalter ''Autosave'' auf ''N'' (No) kann man die erwähnten Schritte manuell ausführen (Speicherort festlegen, Dateiname, Header ja/nein, Daten anhängen ja/nein usw.).

'''Print''': Klickt man nach einer kompletten Messung auf ''Print'', so werden die wesentlichen Daten in ein vorgefertigtes, halbseitiges Forumlar gedruckt. Der neben dem Button ''Print'' liegende Schalter ''upper'' / ''lower'' dient dazu den "Druckort" auf dem DIN A4-Blatt zu bestimmen. Nach jedem Drucken wechselt der Schalter automatisch von ''upper'' auf ''lower'' und umgekehrt.

Hall-Effekt-Aufbau

2009-10-15T10:07:43Z

P Lab: /* Hardwareanwendung */

Closed Cycle Cryostat

2009-10-15T10:06:14Z

P Lab:

Closed Cycle Cryostat

2009-10-15T10:05:42Z

P Lab: Die Seite wurde neu angelegt: „Mit dem zweistufigen Pulsrohrkühler (Closed Cycle Cryostat) kann man temperaturabhängige Hall-Messungen und temperaturabhängige C-V-Spektroskopie betreiben. Fe...“

Hall-Effekt-Aufbau

2009-10-15T10:05:28Z

P Lab: /* Was erhalte ich durch die Anwendung des Hall-Effekt-Aufbaus? */

[[Datei:FKP_W_EdwinHall.jpg|miniatur|200px|Edwin Hall]]
1879 entdeckte Edwin Hall den nach ihm benannten Hall-Effekt. Dieser Effekt sieht wie folgt aus:
Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld, so werden die in dem Leiter vorhandenen Ladungsträger durch die Lorentzkraft abgelenkt. Diese Ablenkung geschieht sowohl senkrecht zum Magnetfeld, als auch senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungsträger. Durch abgelenkte Ladungsträger wird sich auf einer Seite des Leiters eine erhöhte Ladung aufbauen, so dass ein elektrisches Feld generiert wird, das der Lorentzkraft entgegenwirkt. Die mit dem elektrischen Feld einhergehende Spannung wird Hall-Spannung U<math>_\text{H}</math> genannt.
== Was erhalte ich durch die Anwendung des Hall-Effekt-Aufbaus? ==
Verwendet man den Hall-Effekt-Aufbau so können aus Widerstands- und Spannungsmessungen folgende Halbleitermerkmale ermittelt werden:
* Flächenladungsträgerdichte n (<math>\text{cm}^{-2}</math> )
* Mobilität µ (<math>\text{cm}^2V^{-1}s^{-1}</math>)
* Schichtwiderstand R<math>_\text{S}</math> (<math>\Omega</math>)
* Hallspannung U<math>_\text{H}</math> (V)
* Mittlere freie Weglänge <math>\lambda</math> (µm)

Die Messung kann bei Raumtemperatur (RT) und bei 4,2K (liquid Helium (lHe)) und jeweils im Dunkeln sowie unter Beleuchtung durchgeführt werden.

== Hardwareanwendung ==
Es gibt einige Dinge, die man überprüfen muss, bevor man mit einer Messung am Pulsrohr starten kann. Man muss sich zunächst die Frage stellen, ob man für die folgenden Messungen ein Magnetfeld braucht. Da das Magnetfeld über ein großes Spulenpaar erzeugt wird und die Magnetfelder bis zu 1,5T hochgefahren werden können, bedarf es einer Kühlung des Spulenpaares, da unter Volllast ein Strom von 20A durch das Spulenpaar fließt. Um also eine Kühlung des Spulenpaares zu gewährleisten, müssen die Wasserkühlungsventile geöffnet werden (s. rechtes Bild).

Danach muss die Stromquelle eingschaltet werden. Hierzu stellt man den Schalter an der Stromquelle auf ''Local'' und drückt den ''Standby''-Knopf. Danach kann der Schalter auf ''Remote'' umgeschaltet werden, weil alle anderen Steuerungen über den Computer gemacht werden.

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_HallEffekt.jpg|miniatur|240px|Hall-Effekt]]
Der Hall-Effekt kann, wie oben beschrieben, dazu ausgenutzt werden die Ladungsträgerdichte in Halbleitern zu bestimmen. Hierzu macht man folgende theoretische Überlegungen:
Der Lorentzkraft wirkt ein elektrisches Feld entgegen, so dass bei Kompensation folgendes gilt:
<div align="center"><math>q\left(\vec E + \vec v \times \vec B\right) = 0</math></div>

Mit der Wahl des Koordinatensystems, in dem sich die Elektronen in x-Richtung bewegen und das Magnetfeld in z-Richtung zeigt, ergibt sich <math>\text{E}_\text{y}-\text{v}_\text{x}\text{B}_\text{z} = 0</math>, was mit der Stromdichte <math>\text{j}_\text{x} = \text{n}_{\text{3d}}\text{q} \text{v}_\text{x}</math> zu Folgendem führt:

<math>E_y = \frac{1}{n_{3d}q}j_xB_z = R_Hj_xB_z</math>

wobei <math>\text{R}_\text{H} = \left(n_{3d} q\right)^{-1}</math> die Hall-Konstante ist. Mit <math>E_y=\frac{U_H}{w}</math>, wobei w die Breite der Schicht ist, und mit <math>j_x = \frac{I_x}{wd}</math>, wobei d die Dicke der Schicht ist, folgt die Hallspannung <math>\text{U}_\text{H}</math> und eine Vorschrift für die Ladungsträgerdichte:

<div align="center"><math>U_H = R_H\frac{I_xB_z}{d} = \frac{I_xB_z}{n_{3d}qd}=\frac{I_xB_z}{n_{2d}q}\Leftrightarrow n_{2d}=\frac{I_xB_z}{qU_H}</math></div>

Um also die Flächenladungsträgerdichte zu ermitteln muss man die Hall-Spannung messen. Der Strom wird selbst bestimmt, das Magnetfeld ist bekannt und durch das Vorzeichen von <math>n</math> lässt sich feststellen, ob die Probe n- bzw. p-leitend ist (Vorzeichen von q).

Ferner lässt sich über eine Hall-Messung ebenfalls die Beweglichkeit µ über den Schichtwiderstand <math>\text{R}_\text{S}</math> und Hall-Spannung bzw. Flächenladungsträgerdichte bestimmen. Der Zusammenhang sieht wie folgt aus:
<div align="center"><math>\mu = \frac{U_H}{R_SIB} = \frac{1}{qn_{2d}R_S}</math></div>

Die Messung des Schichtwiderstandes ist Bestandteil der Van-der-Pauw-Technik.

== Hardwareanwendung ==
Hat man seine strukturierte Halbleiterprobe mit einem Chipcarrier mittels Bond-Drähte verbunden, so kann man den Chipcarrier in die Hall-Anlage einbauen.
[[Datei:FKP_W_Chipcarrier.png|thumb|Chipcarrier]]

[[Datei:FKP_W_Bondplan.png|thumb|Bond-Plan]]

An der rechten Seite kann man einen ''gebondeten'' Chipcarrier sehen. Da, wo die halbkreisförmige Aussparung zu sehen ist, ist ''oben''. Der neben der halbkreisförmigen Aussparung liegende lange goldene Strich zeigt an, wo die ''1'' der nach unten zeigenden Pins ist. Hierbei zählt man '''entgegen''' dem Uhrzeigersinn. Die Frage ist, mit welchem Pad Pin Nr. ''1'' verbunden ist. Wenn man genau hinsieht ist ein Pad etwas kürzer als alle anderen Pads. Dieses kürzere Pad ist Pad Nr. ''1'' und ist mit Pin Nr. ''1'' verbunden. Auch die Pads werden entgegen dem Uhrzeigersinn hochgezählt (rechts neben Pad Nr. ''1'' ist also Pad Nr. ''16'', das mit Pin Nr. ''16'' verbunden ist [das wiederum lässt sich gegenüber von Pin Nr. ''1'' finden]). Da man nun weiß wo beim Chipcarrier ''oben'' ist, kann man ihn in die Hall-Anlage/den Probenhalter einbauen. Genauso, wie man ihn auf dem rechten Bild sehen kann, wird er eingebaut.

Um nicht durcheinander zu kommen welcher Pin zu welchem Pad gehört und zu welcher Struktur wiederum welches Pad gehört macht man sich Bond-Pläne. Eine Rohfassung kann man bekommen oder sich selbst aufmalen.

Für gewöhnlich hat man mehr als eine Struktur auf einer Halbleiterprobe, so dass man noch mit den an der Hall-Anlage befindlichen Kabeln definieren muss, welche Struktur man ausmessen möchte. Die Kabel sind durchnummeriert (1, 2, 3, 4) und müssen an BNC-Buchsen angeschlossen werden. Haben Sie beispielsweise eine Van-der-Pauw-Struktur (vier Kontakte an den Ecken), so ist links-oben die ''1'', links-unten die ''2'', rechts-unten die ''3'' und rechts-oben die ''4''. Die damit beschrifteten Kabel müssen Sie nun mit ''der'' BNC-Buchse verbinden, die die Nummer des zu untersuchenden Pins beschreibt (siehe Bond-Plan).

Wurde alles richtig angeschlossen, kann man bei Raumtemperatur eine Hall-Messung durchführen.

<br style="clear: both" />

== Softwareanwendung ==
Die Anwendung der Software gliedert sich in ca. sieben Schritte:
# Eingabe globaler Daten
# Wahl des elektrischen Stromes
# eventuelle Beleuchtung der Probe bei 4,2K
# Kontaktkontrolle
# Bestimmung des Schichtwiderstandes
# Messung der Hall-Spannung
# Speichern und eventuelles Drucken der Messergebnisse

Bevor die einzelnen Schritte im Detail beschrieben werden, können Sie im nachstehenden Bild die Hauptebene des Programms ''Hall_Main_EXP2.vi'' sehen:
{|
|[[Datei:FKP_W_HallA_Hauptbildschirm.png]]
|[[Datei:FKP_W_HallA_VdPbar.PNG|thumb|oben: Van-der-Pauw-Geometrie, unten: Bar-Geometrie]]
|}

Von der Hauptebene des Programms kommt man zu den Voreinstellungen (''Global settings'', ''Auto Current'', ''Illuminate''), zu den Messvorgängen (''Check contacts'', ''Resistivity'', ''Hall measurement'', ''IV-Graph'') und der Speicherung der Messergebnisse (''Save Data'', ''Print''). Die einzige direkte Einstellmöglichkeit auf der Hauptebene ist die Festlegung der Probengeometrie: Hier kann man zwischen Van-der-Pauw- und Bar-Geometrie wählen, indem man auf das Bild unter VDP/bar klickt. Die Zahlen auf den Bildern spiegeln die Kontaktorientierung wider, die zum Anschluss der Kontakte an die Hardware wichtig ist.

=== Eingabe globaler Daten / ''Global settings'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Global settings_3.PNG|right|]]
Die globalen Daten dienen dazu die Messergebnisse einer bestimmten Probe zuzuordnen und anzugeben unter welchen Bedingungen gemessen wurde. Im Feld '''Operator''' gibt man seinen Namen ein, in '''Identification (MBE number)''' gibt man die Probennummer ein, die jeder Halbleiterprobe vorab vergeben wird, in '''Description''' kann man eine nähere Beschreibung zur Messung angeben. Der Schalter '''Illumination''' gibt an, ob die Messung unter Beleuchtung (grün leuchtet auf) oder in Dunkelheit durchgeführt wird.
Ferner kann man unter '''Temperature''' angeben bei welcher Probentemperatur die Messung durchgeführt wird (für gewöhnlich Raumtemperatur (RT) und in flüssigem Helium 4,2K (lHe)).

Bei RT wird automatisch Magnetfeldquelle auf ''permanent'' geschaltet. Der Permanentmagnet hat eine Feldstärke von 123mT. Bei lHe wird die Magnetfeldquelle automatisch auf ''coil'' geschaltet. Da diese Messung innerhalb einer Heliumkanne durchgeführt wird und am Lehrstuhl für ''Angewandte Festkörperphysik'' zwei verschiedene gibt, muss man im erscheinenden Fenster zwischen normalleitender und supraleitender Spule wählen. Man findet am Kannenhals die Art der sich in der Heliumkanne befindlichen Spule.

Diese Angaben werden letztlich mit den Messergebnissen abgespeichert, um die Messergebnisse eindeutig zuordnen zu können.
<br style="clear: both" />

=== Wahl des elektrischen Stromes / ''Auto current'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Auto Current.PNG|right|]]
Für die Messung des Hall-Effektes kann in dieser Ebene der Strom festgelegt werden. Mit dem Button '''Autoset''' wird für die benutzte Halbleiterprobe der Strom gesetzt, bei dem 25mV an den Kontakten abfällt. Man kann allerdings den Strom in der Box '''Current [µA]''' selbst festlegen. Der Strom wird in µA angegeben und liegt für Standard-Hallproben bei 100µA. Mit '''OK''' bestätigt man die Festlegung des Stromes für die Messung/en.
<br style="clear: both" />

=== eventuelle Beleuchtung der Probe bei 4,2K / ''Illumination'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Illumination.PNG|right|]]
In dieser Ebene kann man die Halbleiterprobe mit einer LED, die man in den Probenhalter installiert hat, beleuchten. Mit dieser Beleuchtung forciert man die Erhöhung der Ladungsträgerdichte durch Fundamentalabsorption. Der LED-Strom ist für gewöhnlich 10mA, die Dauer der Beleuchtung kann selbst eingestellt werden. Hat man den LED-Strom und die gewünschte Beleuchtungsdauer eingestellt, so kann man über '''exposure''' den Beleuchtungsvorgang starten.

Hinweis: Die Dauer der Beleuchtung wird nicht automatisch abgespeichert; es ist also ratsam die Dauer oder die Gesamtdauer der Beleuchtung in ''Global settings'' <math>\rightarrow</math> ''Description'' einzugeben.
<br style="clear: both" />

=== Kontaktkontrolle / ''Check contacts'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Check_Contacts.PNG|right|]]
Die auf der Probe aufgedampften Strukturen sind für gewöhnlich sehr klein und werden mittels eines dünnen (Durchmesser 30µm) Aluminium-''Bond''-Drahtes mit Pads eines Chipträgers / Chipcarriers verbunden. Ob die Strukturen auf der Probe mit den Pads des Chipcarriers gut verbunden sind und um festzustellen wie die Unterschiede in Hinblick des Widerstandes zwischen den Kontakten sind, kann in dieser Ebene festgestellt werden. Die grünen Zahlen auf der linken Seite (100, 50, 10) spiegeln den Messstrom wider (100%, 50%, 10% des festgelegten Stromes), die oberhalb der gelben Zahlen (1-2, 2-3, 3-4 usw.) geben an zwischen welchen beiden Kontakten der Widerstand gemessen wird (s. oben VDP/bar). Die Tabelle mit den gelben Zahlen sind dann folglich die gemessenen Widerstandswerte und geben auch Auskunft über die Symmetrie der Probe.
Für den Fall, dass sich z.B. ein Bond-Draht (aufgrund der Abkühlung auf 4,2K und der einhergehenden Kontraktion des dünnen Bond-Drahtes) von der Probe oder dem Pad löst oder gar reißt, kann hier festgestellt werden, ob die weiteren Messungen noch Sinn machen.
<br style="clear: both" />

=== Bestimmung des Schichtwiderstandes / ''Resistivity'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Schichtwiderstand.PNG|right|]]
Wie oben bereits erwähnt ist die Ermittlung des Schichtwiderstandes <math>\text{R}_\text{S}</math> Bestandteil der Van-der-Pauw-Technik.
Es wird der festgelegte Strom angezeigt, die Kontaktkonfiguration der Messung (S21M34 bedeutet z.B., dass durch die Kontakte 2-1 der Strom fließt ('''S'''ource) und zwischen den Kontakten 3-4 der Widerstand gemessen wird ('''M'''easure)), ferner wird der dazugehörige Spannungsabfall und als Resultat der Messung der Schichtwiderstand angegeben.
Man kann die Messung mittels '''Measure''' beliebig oft wiederholen und mittels '''OK''' verlassen.
<br style="clear: both" />

=== Messung der Hall-Spannung / ''Hall meas.'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Hall-Messung.PNG|center|none]]
In dieser Ebene wird die Hall-Spannung gemessen und die daraus resultierenden Werte für Flächenladungsträgerdichte und Mobilität berechnet.

In der oberen Leiste ''Hall settings'' wird die Kontaktkonfiguration angegeben. Die Verstärkungsfaktoren ''G0'' und ''G1'', die durch die Buttons ''premeasurement'' und ''optimize gain'' gefunden werden, dienen dazu den Messbereich optimal auszunutzen. Die häufige Klick-Reihenfolge ''premeasurement'' <math>\rightarrow</math> ''optimize gain'' <math>\rightarrow</math> ''measure'' wurde im Button ''compl. measure'' vereinigt. Man kann allerdings die Verstärkungsfaktoren auch manuell eingeben.

Die Hall-Spannung wird in beide Magnetfeldrichtungen gemessen, so dass man Spannungsoffsets eliminieren kann. Hierzu gibt es die obere Leiste ''Field + \ Field -'' in der man die Mittelwerte und die Abweichung der Hall-Spannung ablesen kann.

Mit ''OK'' verlässt man diese Ebene und kommt zum Hauptbildschirm zurück.
<br style="clear: both" />

=== Speichern und eventuelles Drucken der Messergebnisse / ''Save data'' und ''Print'' ===
'''Save data''': ''Save data'' speichert die Ergebnisse der Messung. Ist der nebenstehende Schalter ''Autosave'' auf ''Y'' (Yes) gestellt, so öffnet sich ein Dialog, in dem man den Speicherort und den Dateinamen angeben kann. Jedes weitere Klicken auf ''Save data'' hängt die Messergebnisse an die schon bestehende Liste der erstellten Datei an. Steht der Schalter ''Autosave'' auf ''N'' (No) kann man die erwähnten Schritte manuell ausführen (Speicherort festlegen, Dateiname, Header ja/nein, Daten anhängen ja/nein usw.).

'''Print''': Klickt man nach einer kompletten Messung auf ''Print'', so werden die wesentlichen Daten in ein vorgefertigtes, halbseitiges Forumlar gedruckt. Der neben dem Button ''Print'' liegende Schalter ''upper'' / ''lower'' dient dazu den "Druckort" auf dem DIN A4-Blatt zu bestimmen. Nach jedem Drucken wechselt der Schalter automatisch von ''upper'' auf ''lower'' und umgekehrt.

Hall-Effekt-Aufbau

2009-09-11T09:58:18Z

P Lab: /* Hardwareanwendung */

Hall-Effekt-Aufbau

2009-09-11T09:56:20Z

P Lab: /* Hardwareanwendung */

[[Datei:FKP_W_EdwinHall.jpg|miniatur|200px|Edwin Hall]]
1879 entdeckte Edwin Hall den nach ihm benannten Hall-Effekt. Dieser Effekt sieht wie folgt aus:
Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld, so werden die in dem Leiter vorhandenen Ladungsträger durch die Lorentzkraft abgelenkt. Diese Ablenkung geschieht sowohl senkrecht zum Magnetfeld, als auch senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungsträger. Durch abgelenkte Ladungsträger wird sich auf einer Seite des Leiters eine erhöhte Ladung aufbauen, so dass ein elektrisches Feld generiert wird, das der Lorentzkraft entgegenwirkt. Die mit dem elektrischen Feld einhergehende Spannung wird Hall-Spannung U<math>_\text{H}</math> genannt.
== Was erhalte ich durch die Anwendung des Hall-Effekt-Aufbaus? ==
Verwendet man den Hall-Effekt-Aufbau so können aus Widerstands- und Spannungsmessungen folgende Halbleitermerkmale ermittelt werden:
* Flächenladungsträgerdichte n (<math>\text{cm}^{-2}</math> )
* Mobilität µ (<math>\text{cm}^2V^{-1}s^{-1}</math>)
* Schichtwiderstand R<math>_\text{S}</math> (<math>\Omega</math>)
* Hallspannung U<math>_\text{H}</math> (V)
* Mittlere freie Weglänge <math>\lambda</math> (µm)

Die Messung kann bei Raumtemperatur (RT) und bei 4,2K (liquid Helium (lHe)) und jeweils im Dunkeln sowie unter Beleuchtung durchgeführt werden.

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_HallEffekt.jpg|miniatur|240px|Hall-Effekt]]
Der Hall-Effekt kann, wie oben beschrieben, dazu ausgenutzt werden die Ladungsträgerdichte in Halbleitern zu bestimmen. Hierzu macht man folgende theoretische Überlegungen:
Der Lorentzkraft wirkt ein elektrisches Feld entgegen, so dass bei Kompensation folgendes gilt:
<div align="center"><math>q\left(\vec E + \vec v \times \vec B\right) = 0</math></div>

Mit der Wahl des Koordinatensystems, in dem sich die Elektronen in x-Richtung bewegen und das Magnetfeld in z-Richtung zeigt, ergibt sich <math>\text{E}_\text{y}-\text{v}_\text{x}\text{B}_\text{z} = 0</math>, was mit der Stromdichte <math>\text{j}_\text{x} = \text{n}_{\text{3d}}\text{q} \text{v}_\text{x}</math> zu Folgendem führt:

<math>E_y = \frac{1}{n_{3d}q}j_xB_z = R_Hj_xB_z</math>

wobei <math>\text{R}_\text{H} = \left(n_{3d} q\right)^{-1}</math> die Hall-Konstante ist. Mit <math>E_y=\frac{U_H}{w}</math>, wobei w die Breite der Schicht ist, und mit <math>j_x = \frac{I_x}{wd}</math>, wobei d die Dicke der Schicht ist, folgt die Hallspannung <math>\text{U}_\text{H}</math> und eine Vorschrift für die Ladungsträgerdichte:

<div align="center"><math>U_H = R_H\frac{I_xB_z}{d} = \frac{I_xB_z}{n_{3d}qd}=\frac{I_xB_z}{n_{2d}q}\Leftrightarrow n_{2d}=\frac{I_xB_z}{qU_H}</math></div>

Um also die Flächenladungsträgerdichte zu ermitteln muss man die Hall-Spannung messen. Der Strom wird selbst bestimmt, das Magnetfeld ist bekannt und durch das Vorzeichen von <math>n</math> lässt sich feststellen, ob die Probe n- bzw. p-leitend ist (Vorzeichen von q).

Ferner lässt sich über eine Hall-Messung ebenfalls die Beweglichkeit µ über den Schichtwiderstand <math>\text{R}_\text{S}</math> und Hall-Spannung bzw. Flächenladungsträgerdichte bestimmen. Der Zusammenhang sieht wie folgt aus:
<div align="center"><math>\mu = \frac{U_H}{R_SIB} = \frac{1}{qn_{2d}R_S}</math></div>

Die Messung des Schichtwiderstandes ist Bestandteil der Van-der-Pauw-Technik.

== Hardwareanwendung ==
Hat man seine strukturierte Halbleiterprobe mit einem Chipcarrier mittels Bond-Drähte verbunden, so kann man den Chipcarrier in die Hall-Anlage einbauen.
[[Datei:FKP_W_Chipcarrier.png|thumb|Chipcarrier]]

[[Datei:FKP_W_Bondplan.png|thumb|Bondplan]]

An der rechten Seite kann man einen ''gebondeten'' Chipcarrier sehen. Da, wo die halbkreisförmige Aussparung zu sehen ist, ist ''oben''. Der neben der halbkreisförmigen Aussparung liegende lange goldene Strich zeigt an, wo die ''1'' der nach unten zeigenden Pins ist. Hierbei zählt man '''entgegen''' dem Uhrzeigersinn. Die Frage ist, mit welchem Pad Pin Nr. ''1'' verbunden ist. Wenn man genau hinsieht ist ein Pad etwas kürzer als alle anderen Pads. Dieses kürzere Pad ist Pad Nr. ''1'' und ist mit Pin Nr. ''1'' verbunden. Auch die Pads werden entgegen dem Uhrzeigersinn hochgezählt (rechts neben Pad Nr. ''1'' ist also Pad Nr. ''16'', das mit Pin Nr. ''16'' verbunden ist [das wiederum lässt sich gegenüber von Pin Nr. ''1'' finden]). Da man nun weiß wo beim Chipcarrier ''oben'' ist, kann man ihn in die Hall-Anlage/den Probenhalter einbauen. Genauso, wie man ihn auf dem rechten Bild sehen kann, wird er eingebaut.

Um nicht durcheinander zu kommen welcher Pin zu welchem Pad gehört und zu welcher Struktur wiederum welches Pad gehört macht man sich Bond-Pläne. Eine Rohfassung kann man bekommen oder sich selbst aufmalen.

Für gewöhnlich hat man mehr als eine Struktur auf einer Halbleiterprobe, so dass man noch mit den an der Hall-Anlage befindlichen Kabeln definieren muss, welche Struktur man ausmessen möchte. Die Kabel sind durchnummeriert (1, 2, 3, 4) und müssen an BNC-Buchsen angeschlossen werden. Haben Sie beispielsweise eine Van-der-Pauw-Struktur (vier Kontakte an den Ecken), so ist links-oben die ''1'', links-unten die ''2'', rechts-unten die ''3'' und rechts-oben die ''4''. Die damit beschrifteten Kabel müssen Sie nun mit ''der'' BNC-Buchse verbinden, die die Nummer des zu untersuchenden Pins beschreibt (siehe Bond-Plan).

Wurde alles richtig angeschlossen, kann man bei Raumtemperatur eine Hall-Messung durchführen.

<br style="clear: both" />

== Softwareanwendung ==
Die Anwendung der Software gliedert sich in ca. sieben Schritte:
# Eingabe globaler Daten
# Wahl des elektrischen Stromes
# eventuelle Beleuchtung der Probe bei 4,2K
# Kontaktkontrolle
# Bestimmung des Schichtwiderstandes
# Messung der Hall-Spannung
# Speichern und eventuelles Drucken der Messergebnisse

Bevor die einzelnen Schritte im Detail beschrieben werden, können Sie im nachstehenden Bild die Hauptebene des Programms ''Hall_Main_EXP2.vi'' sehen:
{|
|[[Datei:FKP_W_HallA_Hauptbildschirm.png]]
|[[Datei:FKP_W_HallA_VdPbar.PNG|thumb|oben: Van-der-Pauw-Geometrie, unten: Bar-Geometrie]]
|}

Von der Hauptebene des Programms kommt man zu den Voreinstellungen (''Global settings'', ''Auto Current'', ''Illuminate''), zu den Messvorgängen (''Check contacts'', ''Resistivity'', ''Hall measurement'', ''IV-Graph'') und der Speicherung der Messergebnisse (''Save Data'', ''Print''). Die einzige direkte Einstellmöglichkeit auf der Hauptebene ist die Festlegung der Probengeometrie: Hier kann man zwischen Van-der-Pauw- und Bar-Geometrie wählen, indem man auf das Bild unter VDP/bar klickt. Die Zahlen auf den Bildern spiegeln die Kontaktorientierung wider, die zum Anschluss der Kontakte an die Hardware wichtig ist.

=== Eingabe globaler Daten / ''Global settings'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Global settings_3.PNG|right|]]
Die globalen Daten dienen dazu die Messergebnisse einer bestimmten Probe zuzuordnen und anzugeben unter welchen Bedingungen gemessen wurde. Im Feld '''Operator''' gibt man seinen Namen ein, in '''Identification (MBE number)''' gibt man die Probennummer ein, die jeder Halbleiterprobe vorab vergeben wird, in '''Description''' kann man eine nähere Beschreibung zur Messung angeben. Der Schalter '''Illumination''' gibt an, ob die Messung unter Beleuchtung (grün leuchtet auf) oder in Dunkelheit durchgeführt wird.
Ferner kann man unter '''Temperature''' angeben bei welcher Probentemperatur die Messung durchgeführt wird (für gewöhnlich Raumtemperatur (RT) und in flüssigem Helium 4,2K (lHe)).

Bei RT wird automatisch Magnetfeldquelle auf ''permanent'' geschaltet. Der Permanentmagnet hat eine Feldstärke von 123mT. Bei lHe wird die Magnetfeldquelle automatisch auf ''coil'' geschaltet. Da diese Messung innerhalb einer Heliumkanne durchgeführt wird und am Lehrstuhl für ''Angewandte Festkörperphysik'' zwei verschiedene gibt, muss man im erscheinenden Fenster zwischen normalleitender und supraleitender Spule wählen. Man findet am Kannenhals die Art der sich in der Heliumkanne befindlichen Spule.

Diese Angaben werden letztlich mit den Messergebnissen abgespeichert, um die Messergebnisse eindeutig zuordnen zu können.
<br style="clear: both" />

=== Wahl des elektrischen Stromes / ''Auto current'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Auto Current.PNG|right|]]
Für die Messung des Hall-Effektes kann in dieser Ebene der Strom festgelegt werden. Mit dem Button '''Autoset''' wird für die benutzte Halbleiterprobe der Strom gesetzt, bei dem 25mV an den Kontakten abfällt. Man kann allerdings den Strom in der Box '''Current [µA]''' selbst festlegen. Der Strom wird in µA angegeben und liegt für Standard-Hallproben bei 100µA. Mit '''OK''' bestätigt man die Festlegung des Stromes für die Messung/en.
<br style="clear: both" />

=== eventuelle Beleuchtung der Probe bei 4,2K / ''Illumination'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Illumination.PNG|right|]]
In dieser Ebene kann man die Halbleiterprobe mit einer LED, die man in den Probenhalter installiert hat, beleuchten. Mit dieser Beleuchtung forciert man die Erhöhung der Ladungsträgerdichte durch Fundamentalabsorption. Der LED-Strom ist für gewöhnlich 10mA, die Dauer der Beleuchtung kann selbst eingestellt werden. Hat man den LED-Strom und die gewünschte Beleuchtungsdauer eingestellt, so kann man über '''exposure''' den Beleuchtungsvorgang starten.

Hinweis: Die Dauer der Beleuchtung wird nicht automatisch abgespeichert; es ist also ratsam die Dauer oder die Gesamtdauer der Beleuchtung in ''Global settings'' <math>\rightarrow</math> ''Description'' einzugeben.
<br style="clear: both" />

=== Kontaktkontrolle / ''Check contacts'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Check_Contacts.PNG|right|]]
Die auf der Probe aufgedampften Strukturen sind für gewöhnlich sehr klein und werden mittels eines dünnen (Durchmesser 30µm) Aluminium-''Bond''-Drahtes mit Pads eines Chipträgers / Chipcarriers verbunden. Ob die Strukturen auf der Probe mit den Pads des Chipcarriers gut verbunden sind und um festzustellen wie die Unterschiede in Hinblick des Widerstandes zwischen den Kontakten sind, kann in dieser Ebene festgestellt werden. Die grünen Zahlen auf der linken Seite (100, 50, 10) spiegeln den Messstrom wider (100%, 50%, 10% des festgelegten Stromes), die oberhalb der gelben Zahlen (1-2, 2-3, 3-4 usw.) geben an zwischen welchen beiden Kontakten der Widerstand gemessen wird (s. oben VDP/bar). Die Tabelle mit den gelben Zahlen sind dann folglich die gemessenen Widerstandswerte und geben auch Auskunft über die Symmetrie der Probe.
Für den Fall, dass sich z.B. ein Bond-Draht (aufgrund der Abkühlung auf 4,2K und der einhergehenden Kontraktion des dünnen Bond-Drahtes) von der Probe oder dem Pad löst oder gar reißt, kann hier festgestellt werden, ob die weiteren Messungen noch Sinn machen.
<br style="clear: both" />

=== Bestimmung des Schichtwiderstandes / ''Resistivity'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Schichtwiderstand.PNG|right|]]
Wie oben bereits erwähnt ist die Ermittlung des Schichtwiderstandes <math>\text{R}_\text{S}</math> Bestandteil der Van-der-Pauw-Technik.
Es wird der festgelegte Strom angezeigt, die Kontaktkonfiguration der Messung (S21M34 bedeutet z.B., dass durch die Kontakte 2-1 der Strom fließt ('''S'''ource) und zwischen den Kontakten 3-4 der Widerstand gemessen wird ('''M'''easure)), ferner wird der dazugehörige Spannungsabfall und als Resultat der Messung der Schichtwiderstand angegeben.
Man kann die Messung mittels '''Measure''' beliebig oft wiederholen und mittels '''OK''' verlassen.
<br style="clear: both" />

=== Messung der Hall-Spannung / ''Hall meas.'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Hall-Messung.PNG|center|none]]
In dieser Ebene wird die Hall-Spannung gemessen und die daraus resultierenden Werte für Flächenladungsträgerdichte und Mobilität berechnet.

In der oberen Leiste ''Hall settings'' wird die Kontaktkonfiguration angegeben. Die Verstärkungsfaktoren ''G0'' und ''G1'', die durch die Buttons ''premeasurement'' und ''optimize gain'' gefunden werden, dienen dazu den Messbereich optimal auszunutzen. Die häufige Klick-Reihenfolge ''premeasurement'' <math>\rightarrow</math> ''optimize gain'' <math>\rightarrow</math> ''measure'' wurde im Button ''compl. measure'' vereinigt. Man kann allerdings die Verstärkungsfaktoren auch manuell eingeben.

Die Hall-Spannung wird in beide Magnetfeldrichtungen gemessen, so dass man Spannungsoffsets eliminieren kann. Hierzu gibt es die obere Leiste ''Field + \ Field -'' in der man die Mittelwerte und die Abweichung der Hall-Spannung ablesen kann.

Mit ''OK'' verlässt man diese Ebene und kommt zum Hauptbildschirm zurück.
<br style="clear: both" />

=== Speichern und eventuelles Drucken der Messergebnisse / ''Save data'' und ''Print'' ===
'''Save data''': ''Save data'' speichert die Ergebnisse der Messung. Ist der nebenstehende Schalter ''Autosave'' auf ''Y'' (Yes) gestellt, so öffnet sich ein Dialog, in dem man den Speicherort und den Dateinamen angeben kann. Jedes weitere Klicken auf ''Save data'' hängt die Messergebnisse an die schon bestehende Liste der erstellten Datei an. Steht der Schalter ''Autosave'' auf ''N'' (No) kann man die erwähnten Schritte manuell ausführen (Speicherort festlegen, Dateiname, Header ja/nein, Daten anhängen ja/nein usw.).

'''Print''': Klickt man nach einer kompletten Messung auf ''Print'', so werden die wesentlichen Daten in ein vorgefertigtes, halbseitiges Forumlar gedruckt. Der neben dem Button ''Print'' liegende Schalter ''upper'' / ''lower'' dient dazu den "Druckort" auf dem DIN A4-Blatt zu bestimmen. Nach jedem Drucken wechselt der Schalter automatisch von ''upper'' auf ''lower'' und umgekehrt.

Hall-Effekt-Aufbau

2009-09-11T09:55:46Z

P Lab: /* Hardwareanwendung */

[[Datei:FKP_W_EdwinHall.jpg|miniatur|200px|Edwin Hall]]
1879 entdeckte Edwin Hall den nach ihm benannten Hall-Effekt. Dieser Effekt sieht wie folgt aus:
Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld, so werden die in dem Leiter vorhandenen Ladungsträger durch die Lorentzkraft abgelenkt. Diese Ablenkung geschieht sowohl senkrecht zum Magnetfeld, als auch senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungsträger. Durch abgelenkte Ladungsträger wird sich auf einer Seite des Leiters eine erhöhte Ladung aufbauen, so dass ein elektrisches Feld generiert wird, das der Lorentzkraft entgegenwirkt. Die mit dem elektrischen Feld einhergehende Spannung wird Hall-Spannung U<math>_\text{H}</math> genannt.
== Was erhalte ich durch die Anwendung des Hall-Effekt-Aufbaus? ==
Verwendet man den Hall-Effekt-Aufbau so können aus Widerstands- und Spannungsmessungen folgende Halbleitermerkmale ermittelt werden:
* Flächenladungsträgerdichte n (<math>\text{cm}^{-2}</math> )
* Mobilität µ (<math>\text{cm}^2V^{-1}s^{-1}</math>)
* Schichtwiderstand R<math>_\text{S}</math> (<math>\Omega</math>)
* Hallspannung U<math>_\text{H}</math> (V)
* Mittlere freie Weglänge <math>\lambda</math> (µm)

Die Messung kann bei Raumtemperatur (RT) und bei 4,2K (liquid Helium (lHe)) und jeweils im Dunkeln sowie unter Beleuchtung durchgeführt werden.

== Physikalischer Hintergrund ==
[[Datei:FKP_W_HallEffekt.jpg|miniatur|240px|Hall-Effekt]]
Der Hall-Effekt kann, wie oben beschrieben, dazu ausgenutzt werden die Ladungsträgerdichte in Halbleitern zu bestimmen. Hierzu macht man folgende theoretische Überlegungen:
Der Lorentzkraft wirkt ein elektrisches Feld entgegen, so dass bei Kompensation folgendes gilt:
<div align="center"><math>q\left(\vec E + \vec v \times \vec B\right) = 0</math></div>

Mit der Wahl des Koordinatensystems, in dem sich die Elektronen in x-Richtung bewegen und das Magnetfeld in z-Richtung zeigt, ergibt sich <math>\text{E}_\text{y}-\text{v}_\text{x}\text{B}_\text{z} = 0</math>, was mit der Stromdichte <math>\text{j}_\text{x} = \text{n}_{\text{3d}}\text{q} \text{v}_\text{x}</math> zu Folgendem führt:

<math>E_y = \frac{1}{n_{3d}q}j_xB_z = R_Hj_xB_z</math>

wobei <math>\text{R}_\text{H} = \left(n_{3d} q\right)^{-1}</math> die Hall-Konstante ist. Mit <math>E_y=\frac{U_H}{w}</math>, wobei w die Breite der Schicht ist, und mit <math>j_x = \frac{I_x}{wd}</math>, wobei d die Dicke der Schicht ist, folgt die Hallspannung <math>\text{U}_\text{H}</math> und eine Vorschrift für die Ladungsträgerdichte:

<div align="center"><math>U_H = R_H\frac{I_xB_z}{d} = \frac{I_xB_z}{n_{3d}qd}=\frac{I_xB_z}{n_{2d}q}\Leftrightarrow n_{2d}=\frac{I_xB_z}{qU_H}</math></div>

Um also die Flächenladungsträgerdichte zu ermitteln muss man die Hall-Spannung messen. Der Strom wird selbst bestimmt, das Magnetfeld ist bekannt und durch das Vorzeichen von <math>n</math> lässt sich feststellen, ob die Probe n- bzw. p-leitend ist (Vorzeichen von q).

Ferner lässt sich über eine Hall-Messung ebenfalls die Beweglichkeit µ über den Schichtwiderstand <math>\text{R}_\text{S}</math> und Hall-Spannung bzw. Flächenladungsträgerdichte bestimmen. Der Zusammenhang sieht wie folgt aus:
<div align="center"><math>\mu = \frac{U_H}{R_SIB} = \frac{1}{qn_{2d}R_S}</math></div>

Die Messung des Schichtwiderstandes ist Bestandteil der Van-der-Pauw-Technik.

== Hardwareanwendung ==
Hat man seine strukturierte Halbleiterprobe mit einem Chipcarrier mittels Bond-Drähte verbunden, so kann man den Chipcarrier in die Hall-Anlage einbauen.
[[Datei:FKP_W_Chipcarrier.png|thumb|Chipcarrier]]

[[Datei:FKP_W_Bondplan.png|thumb|Bondplan]]

An der rechten Seite kann man einen ''gebondeten'' Chipcarrier sehen. Da wo die halbkreisförmige Aussparung zu sehen ist, ist ''oben''. Der neben der halbkreisförmigen Aussparung liegende lange goldene Strich zeigt an, wo die ''1'' der nach unten zeigenden Pins ist. Hierbei zählt man '''entgegen''' dem Uhrzeigersinn. Die Frage ist, mit welchem Pad Pin Nr. ''1'' verbunden ist. Wenn man genau hinsieht ist ein Pad etwas kürzer als alle anderen Pads. Dieses kürzere Pad ist Pad Nr. ''1'' und ist mit Pin Nr. ''1'' verbunden. Auch die Pads werden entgegen dem Uhrzeigersinn hochgezählt (rechts neben Pad Nr. ''1'' ist also Pad Nr. ''16'', das mit Pin Nr. ''16'' verbunden ist [das wiederum lässt sich gegenüber von Pin Nr. ''1'' finden]). Da man nun weiß wo beim Chipcarrier ''oben'' ist, kann man ihn in die Hall-Anlage/den Probenhalter einbauen. Genauso, wie man ihn auf dem rechten Bild sehen kann, wird er eingebaut.

Um nicht durcheinander zu kommen welcher Pin zu welchem Pad gehört und zu welcher Struktur wiederum welches Pad gehört macht man sich Bond-Pläne. Eine Rohfassung kann man bekommen oder sich selbst aufmalen.

Für gewöhnlich hat man mehr als eine Struktur auf einer Halbleiterprobe, so dass man noch mit den an der Hall-Anlage befindlichen Kabeln definieren muss, welche Struktur man ausmessen möchte. Die Kabel sind durchnummeriert (1, 2, 3, 4) und müssen an BNC-Buchsen angeschlossen werden. Haben Sie beispielsweise eine Van-der-Pauw-Struktur (vier Kontakte an den Ecken), so ist links-oben die ''1'', links-unten die ''2'', rechts-unten die ''3'' und rechts-oben die ''4''. Die damit beschrifteten Kabel müssen Sie nun mit ''der'' BNC-Buchse verbinden, die die Nummer des zu untersuchenden Pins beschreibt (siehe Bond-Plan).

Wurde alles richtig angeschlossen, kann man bei Raumtemperatur eine Hall-Messung durchführen.

<br style="clear: both" />

== Softwareanwendung ==
Die Anwendung der Software gliedert sich in ca. sieben Schritte:
# Eingabe globaler Daten
# Wahl des elektrischen Stromes
# eventuelle Beleuchtung der Probe bei 4,2K
# Kontaktkontrolle
# Bestimmung des Schichtwiderstandes
# Messung der Hall-Spannung
# Speichern und eventuelles Drucken der Messergebnisse

Bevor die einzelnen Schritte im Detail beschrieben werden, können Sie im nachstehenden Bild die Hauptebene des Programms ''Hall_Main_EXP2.vi'' sehen:
{|
|[[Datei:FKP_W_HallA_Hauptbildschirm.png]]
|[[Datei:FKP_W_HallA_VdPbar.PNG|thumb|oben: Van-der-Pauw-Geometrie, unten: Bar-Geometrie]]
|}

Von der Hauptebene des Programms kommt man zu den Voreinstellungen (''Global settings'', ''Auto Current'', ''Illuminate''), zu den Messvorgängen (''Check contacts'', ''Resistivity'', ''Hall measurement'', ''IV-Graph'') und der Speicherung der Messergebnisse (''Save Data'', ''Print''). Die einzige direkte Einstellmöglichkeit auf der Hauptebene ist die Festlegung der Probengeometrie: Hier kann man zwischen Van-der-Pauw- und Bar-Geometrie wählen, indem man auf das Bild unter VDP/bar klickt. Die Zahlen auf den Bildern spiegeln die Kontaktorientierung wider, die zum Anschluss der Kontakte an die Hardware wichtig ist.

=== Eingabe globaler Daten / ''Global settings'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Global settings_3.PNG|right|]]
Die globalen Daten dienen dazu die Messergebnisse einer bestimmten Probe zuzuordnen und anzugeben unter welchen Bedingungen gemessen wurde. Im Feld '''Operator''' gibt man seinen Namen ein, in '''Identification (MBE number)''' gibt man die Probennummer ein, die jeder Halbleiterprobe vorab vergeben wird, in '''Description''' kann man eine nähere Beschreibung zur Messung angeben. Der Schalter '''Illumination''' gibt an, ob die Messung unter Beleuchtung (grün leuchtet auf) oder in Dunkelheit durchgeführt wird.
Ferner kann man unter '''Temperature''' angeben bei welcher Probentemperatur die Messung durchgeführt wird (für gewöhnlich Raumtemperatur (RT) und in flüssigem Helium 4,2K (lHe)).

Bei RT wird automatisch Magnetfeldquelle auf ''permanent'' geschaltet. Der Permanentmagnet hat eine Feldstärke von 123mT. Bei lHe wird die Magnetfeldquelle automatisch auf ''coil'' geschaltet. Da diese Messung innerhalb einer Heliumkanne durchgeführt wird und am Lehrstuhl für ''Angewandte Festkörperphysik'' zwei verschiedene gibt, muss man im erscheinenden Fenster zwischen normalleitender und supraleitender Spule wählen. Man findet am Kannenhals die Art der sich in der Heliumkanne befindlichen Spule.

Diese Angaben werden letztlich mit den Messergebnissen abgespeichert, um die Messergebnisse eindeutig zuordnen zu können.
<br style="clear: both" />

=== Wahl des elektrischen Stromes / ''Auto current'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Auto Current.PNG|right|]]
Für die Messung des Hall-Effektes kann in dieser Ebene der Strom festgelegt werden. Mit dem Button '''Autoset''' wird für die benutzte Halbleiterprobe der Strom gesetzt, bei dem 25mV an den Kontakten abfällt. Man kann allerdings den Strom in der Box '''Current [µA]''' selbst festlegen. Der Strom wird in µA angegeben und liegt für Standard-Hallproben bei 100µA. Mit '''OK''' bestätigt man die Festlegung des Stromes für die Messung/en.
<br style="clear: both" />

=== eventuelle Beleuchtung der Probe bei 4,2K / ''Illumination'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Illumination.PNG|right|]]
In dieser Ebene kann man die Halbleiterprobe mit einer LED, die man in den Probenhalter installiert hat, beleuchten. Mit dieser Beleuchtung forciert man die Erhöhung der Ladungsträgerdichte durch Fundamentalabsorption. Der LED-Strom ist für gewöhnlich 10mA, die Dauer der Beleuchtung kann selbst eingestellt werden. Hat man den LED-Strom und die gewünschte Beleuchtungsdauer eingestellt, so kann man über '''exposure''' den Beleuchtungsvorgang starten.

Hinweis: Die Dauer der Beleuchtung wird nicht automatisch abgespeichert; es ist also ratsam die Dauer oder die Gesamtdauer der Beleuchtung in ''Global settings'' <math>\rightarrow</math> ''Description'' einzugeben.
<br style="clear: both" />

=== Kontaktkontrolle / ''Check contacts'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Check_Contacts.PNG|right|]]
Die auf der Probe aufgedampften Strukturen sind für gewöhnlich sehr klein und werden mittels eines dünnen (Durchmesser 30µm) Aluminium-''Bond''-Drahtes mit Pads eines Chipträgers / Chipcarriers verbunden. Ob die Strukturen auf der Probe mit den Pads des Chipcarriers gut verbunden sind und um festzustellen wie die Unterschiede in Hinblick des Widerstandes zwischen den Kontakten sind, kann in dieser Ebene festgestellt werden. Die grünen Zahlen auf der linken Seite (100, 50, 10) spiegeln den Messstrom wider (100%, 50%, 10% des festgelegten Stromes), die oberhalb der gelben Zahlen (1-2, 2-3, 3-4 usw.) geben an zwischen welchen beiden Kontakten der Widerstand gemessen wird (s. oben VDP/bar). Die Tabelle mit den gelben Zahlen sind dann folglich die gemessenen Widerstandswerte und geben auch Auskunft über die Symmetrie der Probe.
Für den Fall, dass sich z.B. ein Bond-Draht (aufgrund der Abkühlung auf 4,2K und der einhergehenden Kontraktion des dünnen Bond-Drahtes) von der Probe oder dem Pad löst oder gar reißt, kann hier festgestellt werden, ob die weiteren Messungen noch Sinn machen.
<br style="clear: both" />

=== Bestimmung des Schichtwiderstandes / ''Resistivity'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Schichtwiderstand.PNG|right|]]
Wie oben bereits erwähnt ist die Ermittlung des Schichtwiderstandes <math>\text{R}_\text{S}</math> Bestandteil der Van-der-Pauw-Technik.
Es wird der festgelegte Strom angezeigt, die Kontaktkonfiguration der Messung (S21M34 bedeutet z.B., dass durch die Kontakte 2-1 der Strom fließt ('''S'''ource) und zwischen den Kontakten 3-4 der Widerstand gemessen wird ('''M'''easure)), ferner wird der dazugehörige Spannungsabfall und als Resultat der Messung der Schichtwiderstand angegeben.
Man kann die Messung mittels '''Measure''' beliebig oft wiederholen und mittels '''OK''' verlassen.
<br style="clear: both" />

=== Messung der Hall-Spannung / ''Hall meas.'' ===
[[Datei:FKP_W_HallA_Hall-Messung.PNG|center|none]]
In dieser Ebene wird die Hall-Spannung gemessen und die daraus resultierenden Werte für Flächenladungsträgerdichte und Mobilität berechnet.

In der oberen Leiste ''Hall settings'' wird die Kontaktkonfiguration angegeben. Die Verstärkungsfaktoren ''G0'' und ''G1'', die durch die Buttons ''premeasurement'' und ''optimize gain'' gefunden werden, dienen dazu den Messbereich optimal auszunutzen. Die häufige Klick-Reihenfolge ''premeasurement'' <math>\rightarrow</math> ''optimize gain'' <math>\rightarrow</math> ''measure'' wurde im Button ''compl. measure'' vereinigt. Man kann allerdings die Verstärkungsfaktoren auch manuell eingeben.

Die Hall-Spannung wird in beide Magnetfeldrichtungen gemessen, so dass man Spannungsoffsets eliminieren kann. Hierzu gibt es die obere Leiste ''Field + \ Field -'' in der man die Mittelwerte und die Abweichung der Hall-Spannung ablesen kann.

Mit ''OK'' verlässt man diese Ebene und kommt zum Hauptbildschirm zurück.
<br style="clear: both" />

=== Speichern und eventuelles Drucken der Messergebnisse / ''Save data'' und ''Print'' ===
'''Save data''': ''Save data'' speichert die Ergebnisse der Messung. Ist der nebenstehende Schalter ''Autosave'' auf ''Y'' (Yes) gestellt, so öffnet sich ein Dialog, in dem man den Speicherort und den Dateinamen angeben kann. Jedes weitere Klicken auf ''Save data'' hängt die Messergebnisse an die schon bestehende Liste der erstellten Datei an. Steht der Schalter ''Autosave'' auf ''N'' (No) kann man die erwähnten Schritte manuell ausführen (Speicherort festlegen, Dateiname, Header ja/nein, Daten anhängen ja/nein usw.).

'''Print''': Klickt man nach einer kompletten Messung auf ''Print'', so werden die wesentlichen Daten in ein vorgefertigtes, halbseitiges Forumlar gedruckt. Der neben dem Button ''Print'' liegende Schalter ''upper'' / ''lower'' dient dazu den "Druckort" auf dem DIN A4-Blatt zu bestimmen. Nach jedem Drucken wechselt der Schalter automatisch von ''upper'' auf ''lower'' und umgekehrt.

Datei:FKP W Bondplan.png

2009-09-11T09:54:25Z

P Lab:

Spitzenmessplatz

2009-09-11T09:50:16Z

P Lab:

Hat man eine Schaltung oder eine Struktur auf einem Halbleiter gefertigt, so kann man mittels des Spitzenmessplatzes einige bis alle Eigenschaften dieser Schaltung elektrisch ausmessen, ohne dabei den Halbleiter in einen Chipcarrier einzubauen und ohne die Kontakte auf dem Halbleiter mit den Pads des Chipcarriers mittels eines Bonddrahtes zu verbinden.

Dieser experimentelle Aufbau dient demnach der ersten elektrischen Charakterisierung des gefertigten Halbleiters. Da man weder einen Chipcarrier noch Bonddrähte hat, geschieht die Kontaktierung des Halbleiters (wie der Name des Aufbaus schon verrät) über feine Spitzen/Nadeln, die mittels Mikrometerschrauben auf die Kontakte positioniert werden. Die Probe wird während der Kontaktierung und des Messens mit Unterdruck an seinem Platz gehalten, so dass die Probe nicht verrutschen kann (sinnvoll ist hierbei möglichst viele Ansauglöcher mit der Probe zu überdecken).

Hat die elektrische Kontaktierung geklappt, so kann man zum Beispiel transistorspezifische Charakteristika aufnehmen.

Bei der Positionierung der Messsspitzen auf die Kontaktflächen der Probe und beim Entfernen der Spitzen von der Kontaktfläche sollte man vorsichtig sein, denn die Spitzen können die aufgedampften Strukturen beschädigen. Man sollte sich ''vorher'' durch Ausprobieren gemerkt haben, wie die Spitzen beim Drehen an den Mikrometerschrauben verfahren. Die Spitze beim Entfernen versehentlich noch weiter herabzusetzen ist zwar möglich, kann aber bei grober Handhabung zum Schaden der Kontaktflächen führen.

[[Datei:FKP_W_Spitzenmessplatz1.png|left|300px]][[Datei:FKP_W_Spitzenmessplatz2.png|right|449px]]

* Mikrometerschraube 1: Im Uhrzeigersinn drehen --> Verschiebt die Spitze nach hinten
* Mikrometerschraube 2: Im Uhrzeigersinn drehen --> Verschiebt die Spitze nach links
* Mikrometerschraube 3: Im Uhrzeigersinn drehen --> Verschiebt die Spitze nach oben (grob!)
* Mikrometerschraube 4: Im Uhrzeigersinn drehen --> Verschiebt die Spitze nach unten (fein!)
(Alle Angaben in Richtung des Spitzenarmes)

Spitzenmessplatz

2009-09-11T09:42:35Z

P Lab:

Datei:FKP W Spitzenmessplatz2.png

2009-09-11T09:41:05Z

P Lab:

Spitzenmessplatz

2009-09-11T09:40:57Z

P Lab:

Datei:FKP W Spitzenmessplatz1.png

2009-09-11T09:40:09Z

P Lab:

Spitzenmessplatz

2009-09-11T09:40:00Z

P Lab:

Datei:FKP W Chipcarrier.png

2009-09-11T08:07:41Z

P Lab: