Bei sehr großen Vergrößerungsfaktoren muss der mechanische Aufbau des optischen Systems möglichst stabil sein. Kleinste Bewegungen oder auch nur Erschütterungen führen zu Unschärfen in den Bildern. Es gibt Stative, die die Kamera mit ihrem Objektiv vertikal fixieren. Darunter befindet sich dann das Objekt. Diese Stative gibt es auch motorisiert, so dass darüber die Fokussierung erfolgen kann. Eine Alternative ist es die optische Achse horizontal auszurichten. Die Kamera liegt hier auf einer ESD-Matte, deren Oberfläche eine gewisse Haftung mit sich bringt und gleichzeitig Erschütterungen dämpft.
Das Auslösen der Kamera erfolgt mit einer Fernbedienung, so dass die Kamera dabei nicht bewegt wird. An dieser Stelle sind spiegellose Kameras von Vorteil. Die Bewegung des Spiegels erzeugt bereits genug Erschütterungen, dass sich teilweise die Bildqualität verschlechtert. Bei Spiegelreflexkameras kann man die Spiegelvorauslösung nutzen. Dabei bewegt die Kamera den Spiegel und belichtet den Sensor erst nach einer kurzen Pause. Die Canon 90D bietet diesbezüglich eine besonders vorteilhafte Funktion. Der elektronische Verschluss ermöglicht es Bilder aufzunehmen, ohne den mechanischen Verschluss zu betätigen, so dass sich in der Kamera überhaupt nichts mehr bewegt.
Bei hohen Vergrößerungsfaktoren ist der Bereich, der scharf dargestellt wird, nur noch sehr schmal. Entsprechend genau muss man das System fokussieren. Hat man das abzubildende Objekt grob passend positioniert, dann erfolgt das Fokussieren zuletzt über den Fokusring. Ein Ultraschall-Fokussystem ist hier von Vorteil, da dessen Fokusring sehr leichtgängig ist. Die Überwachung der Bildqualität erfolgt über den Monitor der Kamera, was üblicherweise ausreichend ist. Man könnte die Kamera aber natürlich auch an einen externen Monitor anschließen.
Die Fixierung und Positionierung des Objekts erfolgt hier mit einer klassischen dritten Hand und mit einer moderneren Variante dieses Hilfsmittels. Ein Mikropositionierungssystem würde eine einfachere und genauere Positionierung ermöglichen, ist aber weniger flexibel. Die dritte Hand ermöglicht es das Objekt schnell zu verkippen. Außerdem kann man damit schnell von einzelnen Dies auf größere Packages wechseln. Bei hohen Vergrößerungsfaktoren ist es enorm wichtig den Arm zur Ausrichtung des Objekts möglichst kurz zu halten. Die Länge, die man im rechten Bild sieht, verstärkt den Effekt von kleinen Erschütterungen.
Wie man hier erkennen kann, ist der Abstand zwischen dem Objektiv und dem Objekt verhältnismäßig groß. Das erleichtert die Dokumentation von Elementen, in deren nächster Nähe sich höhere Aufbauten befinden.
Eine Krokodilklemme der dritten Hand wird für größere Elemente genutzt. Die andere Krokodilklemme ist mit einem doppelseitigen Klebeband umwickelt. Darauf lassen sich Dies ausreichend gut fixieren und auch wieder lösen. Die dritte Hand steht sehr stabil, lässt sich aber gleichzeitig noch gut verschieben, wenn der Bildausschnitt nicht der richtige ist.
Will man Panoramabilder erstellen, so benötigt man einen XY-Mikromanipulator. Nur so schafft man Bilderserien aufzunehmen, die eine ausreichende Qualität für größere Panoramen bieten. Der hier zu sehende Mikromanipulator ist sehr schlank, was es erleichtert Licht von hinter dem Objekt zuzuführen. Auf der Vorderseite befindet sich eine runde Fläche, die mit einem doppelseitigen Klebeband beklebt ist. Neben der X- und Y-Verschiebung erlaubt der Mikromanipulator auch ein Schwenken um die X- und um die Y-Achse. Das Schwenken ist sehr wichtig, um das Objekt vollständig in die Schärfenebene zu bringen.
Die Grobausrichtung in X- und Z-Richtung lässt sich durch eine Verschiebung des Mikromanipulators erreichen. Für die Grobausrichtung in Y-Richtung wurde ein kleiner Halter konstruiert. Dort befestigen zwei Madenschrauben einen Metallblock an einer Gewindestange. Der Mikromanipulator bietet am hinteren Ende eine Überwurfmutter, mit der er am Metallblock verschraubt wird.
Verschiedene Lichtquellen und Beleuchtungswinkel erzeugen sehr unterschiedliche optische Effekte. Dies kann man nutzen, wenn man bestimmte Strukturen herausarbeiten will.
Die Oberfläche von integrierten Schaltkreisen erscheint schwarz. Die Metalllage besteht aus Aluminium oder Kupfer und zeigt entsprechend die typischen Farben einer Metalloberfläche. Die darüber liegende Siliziumoxidschicht, die den integrierten Schaltkreis schützt, ist durchsichtig. Mit einem solchen Bild kann man kaum Details erkennen. Abgesehen von der Metalllage zeichnen sich nur schwach einige Kanten ab. Die Kanten ergeben sich durch Unebenheiten, die beim Ausformen der einzelnen Elemente des integrierten Schaltkreises entstehen.
Nutzt man eine koaxiale Beleuchtung, so zeichnen sich deutlich die verschiedenen Elemente ab, die im Silizium integriert sind. Für eine Analyse ist es wichtig zu verstehen, dass die Bereiche nicht wirklich diese Farben tragen. Die Farben entstehen durch Resonanzen in der dünnen Siliziumoxidschicht auf der Oberfläche des integrierten Schaltkreises. Beim Aufbau der verschiedenen Bereiche wird immer wieder die Siliziumoxidschicht lokal geöffnet und danach eine neue Schicht vollflächig aufgetragen. So ergeben sich auf den verschiedenen Bereichen unterschiedlich dicke Siliziumoxidschichten. Darin treten für einige Wellenlängen destruktive und konstruktive Interferenzen auf und es lassen sich entsprechend verschiedene Farben beobachten.
Wenn man die Farben interpretiert, muss man immer im Hinterkopf behalten, dass es sich nicht um reale Farben, sondern um Lichtresonanzen handelt. Das bedeutet, dass beim gleichen Baustein mit unterschiedlichen Beleuchtungsarten unterschiedliche Farben auftreten können. Da die Farben von der Dicke der Siliziumoxidschicht abhängen, kann es vorkommen, dass unterschiedliche Bereiche die gleichen Farben zeigen. An Kanten zwischen zwei Bereichen bilden sich außerdem Schrägen aus, die sich farblich absetzen können, obwohl sich dort kein dritter Bereich befindet.
Grundsätzlich kann man eine beliebige Lichtquelle verwenden. Hier zeigt sich allerdings, dass eine Leuchtstoffröhre die meisten Farben erzeugt, was bei der Analyse von Schaltungen sehr hilfreich ist.
Mikroskope, die Koaxiallicht bieten, koppeln das Licht zur Beleuchtung des Objekts mit einem halbdurchlässigen Spiegel in die optische Achse des Objektivs ein. So etwas lässt sich mit dem hier beschriebenen Aufbau nur schwer realisieren. Es zeigt sich aber, dass sich ein ähnlicher Effekt einstellt, wenn man die Lichtquelle hinter dem Objekt platziert.
Fixiert man die Lichtquelle direkt hinter dem Objekt, dann verschlechtert sich die Bildqualität. Eine Platzierung ein kleines Stück außerhalb der optischen Achse erweist sich als optimal. Das Die befindet sich senkrecht auf der optischen Achse des Objektivs. Es scheint, dass ein Teil des Lichts an der Linse reflektiert wird und dann wie Koaxiallicht wirkt.
Interessanterweise tritt der gleiche Effekt ein, wenn man das Die schräg stellt und die Beleuchtung aus einem ähnlichen Winkel auf das Objekt strahlen lässt. Durch die Schrägstellung ist hier Focus-Stacking zwingend notwendig.
Es zeigt sich, dass auf den schrägen Aufnahmen (rechts) noch etwas mehr Details erkennbar werden.
Die schräg aufgenommenen Bilder haben einen weiteren Vorteil. Sie zeigen die Oberflächenstruktur des ICs. Bei der Interpretation der Strukturen muss man allerdings vorsichtig sein. Das linke Bild entstand mit einer Schrägstellung und einer Beleuchtung hinter dem IC. Auch wenn es in diesem Beispiel teilweise anders aussieht, ist die Bildqualität in dieser Konfiguration üblicherweise etwas schlechter. Die Oberflächenstruktur zeigt sich aber, wie sie real auf dem Chip zu finden ist. Die Transistoren befinden sich in Vertiefungen.
Mit der obigen Anordnung ergibt sich üblicherweise das mittlere Bild. Auf den ersten Blick erscheint die Oberflächenstruktur invertiert. Die Transistoren scheinen sich jetzt auf Sockeln zu befinden. Wie sich dieser Effekt ergibt ist unklar. Will man die Oberflächenstruktur verstehen und interpretieren, so hilft es anzunehmen, dass sich die Lichtquelle unterhalb des Bilds befindet. So stimmen die Schattenwürfe mit den tatsächlichen Geometrien überein. Das wird klarer, wenn man das Bild um 180° dreht (rechts). Hier scheinen sich die Transistoren wieder in Vertiefungen zu befinden, wie es in der Realität auch der Fall ist.
Dokumentiert man höher aufbauende und diesbezüglich komplexere Strukturen, so ist eine gute Lichtverteilung sehr wichtig. Die hier zu sehende Leuchtstoffröhre ist mit ihrem Reflektor deutlich größer als die abzubildenden Objekte, trotzdem erzeugt sie störende Reflektionen und Schatten. Ein gefaltetes Blatt Papier ist eine einfache Abhilfemaßnahme. Es reduziert die Lichtstärke mehr als ein Diffusor, der auf diesen Zweck ausgelegt ist. Das ist hier allerdings kein großer Nachteil, weil die Belichtungszeit unkritisch ist.
