Alexander Pil
9 October 2007

Het Eindhovense FEI heeft een elektronenmicroscoop gebouwd die structuren zichtbaar maakt tot 0,5 ångström. De Nederlandse vestiging van de Amerikaanse apparatenbouwer werkte daarbij samen met het Duitse Ceos uit Heidelberg en vier laboratoria die gelieerd zijn aan het Amerikaanse ministerie van Energie. FEI zegt dat het met de Transmission electron aberration-corrected microscope (Team) mogelijk is om te onderzoeken hoe atomen georganiseerd zijn in een materiaal, hoe kristallen groeien en hoe ze reageren op invloeden van buitenaf. De doorbraak is behaald dankzij de inzet van zowel Tem- (transmissie-elektronenmicroscoop) als Stem- (scanning transmissie-elektronenmicroscoop) technieken.

FEI en zijn partners baseerden het nieuwe instrument op de Titan S/Tem-technologie. Stabilisering was de grootste uitdaging. ’Op ångströmschaal heb je last van alle mogelijke trillingen‘, zegt Mike Stekelenburg, directeur van de FEI‘s Tem-productgroep. ’Geluid, vibraties van de waterkoeling of uit de omgeving en elektromagnetische velden van elektronica. Op dit niveau kunnen ze allemaal roet in het eten gooien.‘ De eerste verbetering was dan ook redelijk rechttoe rechtaan. De Eindhovense technici bouwden een zware geluiddempende kast om de microscoop heen.

Interessanter is de gestabiliseerde elektronica. Stekelenburg: ’Iedere elektronische schakeling vertoont lichte variaties in de stroom. Dat is inherent aan elektronica en meestal ook niet zo erg. De lenzen van de microscoop besturen we echter ook met elektronische componenten. Stroomschommelingen zijn daar ontoelaatbaar.‘ FEI gebruikte Spice-achtige simulatietools om de schakeling te onderzoeken. ’We hebben gezocht naar de limieten van de elektronica en hebben die verschoven. We zijn nu zover dat de stroomvariaties nooit groter zijn dan een tienmiljoenste van het signaal. De hoogspanning van de microscoop, die we gebruiken om de elektronen te versnellen, varieert met slechts 20 millivolt op een waarde van 300 duizend volt.‘

FEI20Titan
De Titan van FEI is de basis voor een microscoop die details ziet van 0,05 nanometer.

De Team-microscoop stopt ook meer stroom in de elektronenbundel. ’Meer stroom betekent meer helderheid‘, legt FEI-productmarketingmanager Bert Freitag uit. ’Je kunt het vergelijken met een fototoestel. Met meer licht kun je in kortere tijd een scherp plaatje schieten doordat bewegingsonscherpte verdwijnt.‘

Een vierde verbetering komt van Ceos, de Duitse specialist in optische componenten voor elektronenmicroscopen. Stekelenburg: ’Lenzen vertonen aan de randen altijd afwijkingen, sferische aberraties heet dat in de optica. Hierdoor ontstaat er geen scherp focuspunt. De onderzoekers uit Heidelberg hebben afwijkingscorrectoren ontwikkeld die de resolutie aanzienlijk verhogen.‘

In microscopie met licht zijn de aberraties relatief eenvoudig op te lossen met holle lenzen. Voor elektronen zijn zulke negatieve objectieven theoretisch niet mogelijk. ’De enige manier om deze fundamentele eigenschap te compenseren is via het doorbreken van de symmetrie‘, weet Stekelenburg. De onderzoekers gebruiken hiervoor magnetische hexapolen waarbij zes polen om en om noord of zuid zijn. De elektronen die door het veldvrije midden van deze kring schieten, kunnen ongehinderd verder. Aan de rand ligt het wat ingewikkelder. De polen sturen de elektronen daar de verkeerde richting op. Een tweede hexapool die precies tegengesteld is aan de eerste, zet de afgebogen deeltjes echter weer op het goede pad.

Ook de softwareafdeling droeg zijn steentje bij. Freitag: ’De softwarejongens hebben zich gestort op de alignment, de uitlijning van het lenzensysteem. De programmatuur meet de optische aberraties en rekent dan de correctiestromen uit. Dankzij verbeterde algoritmes is de precisie van deze terugkoppeling toegenomen.‘

Fei20Hexapool web
De Team gebruikt hexapolen om de elektronen in goede banen te leiden. De groene elektronen vliegen er gewoon doorheen. De paarse schiet naar binnen, de gele juist naar buiten. Door een tweede tegengestelde hexapool te gebruiken, komen alle elektronen toch op de juiste plek terecht.

De Team-microscoop ziet nu details tot 0,5 ångström. Dat is ongeveer de grootte van een waterstofatoom. ’Wetenschappers zijn vooral geïnteresseerd in grensvlakken en overgangen‘, aldus Freitag. ’Neem bijvoorbeeld de mechanische spanning in silicium transistoren. Om die goed onder controle te houden, is het noodzakelijk om op atomaire schaal te weten wat er aan de hand is.‘

Zit er nog een limiet aan de resolutie? Stekelenburg: ’Het was een hele toer om van 0,63 naar 0,5 ångström te komen. De rek is er nu wel een beetje uit. Ik verwacht dat er nog vele jaren nodig zijn voordat er een elektronenmicroscoop op de markt is die 0,3 ångström haalt. De theoretische grens ligt echter rond de 0,02 ångström maar de praktische beperkingen om daar te komen zijn gigantisch.‘