Materialauswahl des Sputtertargets für Magnetron-Ionensputter / Verdampfungsbeschichtung Beschichter von REM-Proben und Materialwissenschaften
Einführung
Dieser Artikel beschreibt Zielmaterialoptionen für Sputter-Coater, Magnetron-Sputter-Coater, Carbon-Coater mit thermischer Verdampfung, die eine dünne Metall- oder Kohlenstoffbeschichtung auf nichtleitenden SEM-Proben oder anderen Substraten abscheiden. Das Beschichten einer Probe mit einem leitfähigen Metall macht eine isolierende Probe leitfähig genug, um Aufladungseffekte auf dem SEM-Bild zu minimieren. In den meisten Fällen führt die Beschichtung von REM-Proben mit nur wenigen Nanometern eines Metalls zu gestochen scharfen, klaren Bildern. Die richtige Auswahl des Zielmaterials wird durch die allgemeinen Bildgebungsanforderungen, das verfügbare SEM, das zu bewertende Probenmaterial und die Frage, ob eine Röntgenmikroanalyse erforderlich ist, bestimmt.
Geschichte von SEM und Sputter Coater
Seit seiner kommerziellen Einführung im Jahr 1965 hat sich das Rasterelektronenmikroskop (SEM) dahingehend weiterentwickelt, dass es viele Verbesserungen in den Bildgebungs- und Mikroanalysefähigkeiten beinhaltet, aber das Problem der Aufladung in nichtleitenden Proben bleibt bis heute bestehen. Der REM-Anwender muss sich weiterhin im Einzelfall mit der Untersuchung von nichtleitenden Proben auseinandersetzen. Glücklicherweise gibt es eine Reihe von Strategien, um diesen Prozess zu unterstützen.
Gebührenminderung
Das Problem ist wie folgt. Auf einer nichtleitenden Probe baut sich bei normalen Elektronenbeschleunigungsspannungen (kV), insbesondere über 10 kV, eine negative Ladung auf, weil mehr Elektronen auf der Probe landen, als sie als Sekundärelektronen (SEs) oder Rückstreuelektronen (BSEs) verlassen. Dadurch können im REM-Bild starke Aufhellungen und Scanrasterverschiebungen entstehen. Diese Bildartefakte können so schwerwiegend sein, dass das resultierende Bild in keinem Zusammenhang mit dem gescannten Objekt steht. Während die Aufladung durch Bildgebung bei niedrigen Strahlenergien nahe 1 keV minimiert werden kann, können nur neuere SEM-Modelle, insbesondere solche, die Feldemissionselektronenkanonen (FE-SEMs) verwenden, kleine Elektronenstrahlsondengrößen auf der Probe bei einer so niedrigen Beschleunigungsspannung aufrechterhalten ( kV). Alternativ erzeugt ein SEM mit variablem Druck, das im Niedervakuummodus arbeitet (Probenkammerdruck etwa 1 Torr = 133 Pa), positive Ionen, die die Oberflächenladung neutralisieren können. Ein drittes Verfahren zur Unterdrückung des Ladungsaufbaus besteht darin, auf der nichtleitenden Probenoberfläche eine extrem dünne leitfähige Beschichtung abzuscheiden, typischerweise ein Metall, das der echten Probenoberfläche eine minimale Struktur hinzufügt. Die letztere Methode ist einfach, zuverlässig und kann mit jedem SEM verwendet werden. Einige Beschichtungen weisen eine Kornstruktur auf, die in modernen SEMs beobachtet werden kann, insbesondere solchen, die mit Feldemissions-(FE)-Elektronenkanonen ausgestattet sind. Es gibt eine Reihe von Metallen für die Sputterbeschichtung, einige für die Verwendung bei geringen Vergrößerungen und andere für die Verwendung bei hohen Vergrößerungen in einem FE-REM. Ein zusätzlicher Vorteil der Metallbeschichtung besteht darin, dass die Ausbeute an Sekundärelektronen (SEs) normalerweise viel höher ist als bei der blanken nichtleitenden Oberfläche.
Beschichtungsauswahl
Das Beschichtungsmetall sollte ausgewählt werden, um basierend auf der Art der durchzuführenden Analyse eine optimale Leistung zu erzielen: zum Beispiel Bildgebung mit geringer Vergrößerung, hohe Vergrößerung oder Mikroanalyse. Die meisten REM-Sputterbeschichter ermöglichen schnelle Zielwechsel, sodass der Mikroskopiker ein geeignetes Beschichtungsmetall für die jeweilige Aufgabe auswählen kann. Die gesputterte Beschichtung sollte eine hohe Sekundärelektronenemissionsausbeute haben, damit das Signal-Rausch-Verhältnis hoch ist. Die ideale Beschichtung sollte keine Struktur (Körner oder Inseln) aufweisen, die die Details der Probenmerkmale stören würde. Daher wären Beschichtungen mit großen Körnern nur für geringe Vergrößerungen geeignet, wo die Struktur der Beschichtung zu klein wäre, um gesehen zu werden. Einige Metalle, die feinkörnige Beschichtungen erzeugen, die für Abbildungen mit hoher Vergrößerung geeignet sind, scheiden sich langsamer ab; Dies ist jedoch kein Problem, da nützliche Beschichtungsdicken ziemlich klein sind, typischerweise 1–3 nm. Einige Beschichtungsmaterialien weisen Röntgenlinien auf, die den Nachweis von Elementen in der Probe beeinträchtigen können. Bei typischen Beschleunigungsspannungen sollte dies jedoch kein Problem darstellen, wenn die Beschichtung nur 1–2 nm dick ist. Wenn es eine ernsthafte Interferenz gibt, könnte ein anderes Beschichtungsmetall ausgewählt werden, um diese Probe zu beschichten. Schließlich gibt es einen Kostenfaktor, da die nützlichsten Beschichtungsmaterialien Edelmetalle sind.
Materialen und Methoden
Obwohl nicht erschöpfend, beschreibt die nachstehende Materialliste die am häufigsten verwendeten Metalle, die zum Sputterbeschichten von Proben für das REM verwendet werden. Beachten Sie, dass diese Informationen nur bei Verwendung eines modernen DC-Magnetron-SEM-Sputtercoaters (VPI – Modell 900M) mit reinem Argon als Prozessgas gültig sind. Einige Beschichtungen erfordern „hochauflösende“ Sputter Coater (VPI – SD650MH), die mit einem besseren Vakuum arbeiten, um die Möglichkeit einer Oxidation während der Verarbeitung zu reduzieren; Tatsächlich verwenden einige Systeme einen Verschluss, um die Probe abzuschirmen, während Oxid in einem Vorkonditionierungsschritt vom Target selbst gesputtert wird. Kohlenstoff wird üblicherweise als leitfähige Beschichtung für Mikroanalyseproben verwendet, aber dieses Material sollte durch Vakuumverdampfung oder Ionenstrahlzerstäubung abgeschieden werden.
Instrumente
Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Sputter Coatern. Das obige System könnte als „hochauflösender“ Sputter Coater wie VPI High Vacuum Magnetron Sputtering Coater 650MH beschrieben werden, da eine Turbopumpe verwendet wird, um eine höhere (und sauberere) Vakuumumgebung zu erhalten, und reines Argongas in die Kammer zurückgefüllt wird Entfernen Sie Luft und erhöhen Sie die Sputter-Effizienz. Die zweite Art von Sputter Coater kann als eine einfachere Einheit beschrieben werden, die nur ein bescheidenes Vakuum mit einer mechanischen Pumpe entwickelt und manchmal Argon-Füllgas durch Raumluft ersetzt, wie das Magnetron-Sputter-Coater SD-900M-Modell von VPI. Dieser grundlegende Sputterbeschichter ist zum Beschichten von Au-, Au/Pd-, Ag-Filmen akzeptabel, jedoch nicht für Beschichtungen mit feineren Korngrößen. Die Verwendung eines Systems mit einem schlechteren Vakuum und Luftfüllung führt zu einer geringeren Sputtereffizienz und abgeschiedenen Filmen, die nicht so sauber sind. Beschichtungsfilmdickenmonitor, auch Dickenmessung genannt, wurde unter Verwendung des Quarzdickenmonitors (Betrieb bei 4~6 MHz) erhalten, der dem System innewohnt (VPIs 900M, 650MH, Carbon Coater könnte optionales Zubehör wie Dickenmonitormessungen liefern).
Zielmetallauswahl - Gold
Gold ist vielleicht das am weitesten verbreitete Beschichtungsmaterial für nichtleitende REM-Proben, wird jedoch nicht als Sputterbeschichtung für Forschungszwecke empfohlen, bei denen Bilder mit hoher Vergrößerung erforderlich sind . Gold hat eine hohe Sekundärelektronenausbeute und zerstäubt relativ schnell, aber die Beschichtungsstruktur besteht aus großen Inseln (Körnern), die bei hohen Vergrößerungen in den meisten modernen REMs auf Forschungsniveau beobachtet werden können. Daher sollte es nur zur Bildgebung bei geringen Vergrößerungen verwendet werden, z. B. weniger als 5000-fach, wo die Beschichtungsstruktur die strukturellen Details der Probe nicht stört. Ein Vorteil, der von den meisten anderen Edelmetallbeschichtungen geteilt wird, Au-Beschichtungen oxidieren nicht in Laborluft. Röntgenemissionslinien von Au können Röntgenstrahlen von S und Nb stören, während die L-Alpha-Linie von Au Röntgenstrahlen von Ge stören kann. Bei entsprechend dünner Au-Beschichtung dürften jedoch keine nennenswerten Probleme bei der qualitativen Röntgenmikroanalyse auftreten.
Zielmetallauswahl – Gold/Palladium
Gold/Palladium-Sputterlegierungen haben eine kleinere Korngröße und sind die empfohlenen Metallbeschichtungen für allgemeine Forschungszwecke. Die Sekundärelektronenausbeute ist hoch, und die Sputterraten für Au/Pd sind nur geringfügig niedriger als für reines Au. Die Pd-Röntgenlinien überlappen keine wichtigen Linien von anderen Elementen; somit würde keine zusätzliche Interferenz mit der Röntgenmikroanalyse über die oben für Au erwähnte hinaus erwartet werden.
Zielmetallauswahl – Platin
Platin hat eine feinere Korngröße als Au oder Au/Pd, wodurch es besser für Anwendungen mit höherer Vergrößerung geeignet ist. Eine gesputterte Pt-Beschichtung zeigt eine hohe SE-Ausbeute, aber Pt hat eine niedrigere Sputterrate als Au. Es wurde beobachtet, dass Pt bricht. Dieser Effekt könnte „Spannungsrisse“ sein und könnte einer Sauerstoffabscheidung in der gesputterten Beschichtung zugeschrieben werden, was auf die Notwendigkeit eines Sputtercoaters mit besserem Vakuum hinweist. Die charakteristischen Röntgenstrahlen von Pt können sich möglicherweise mit Linien von P und Zr überlappen, aber die Interferenz sollte bei 1–2 nm dicken Beschichtungen minimal sein.
Platin/Palladium-Legierung hat eine ähnlich kleine Korngröße und eine hohe SE-Ausbeute wie reines Pt, ist aber weniger empfindlich gegenüber „Spannungsrissen“. Die Pt/Pd-Legierung ist ein geeignetes Allround-Beschichtungsmaterial für Anwendungen mit hoher Vergrößerung.
Zielmetallauswahl – Chrom
Chrom hat eine sehr feine Korngröße, aber die Sputterrate ist nur etwa halb so hoch wie die von Au. Dünne Cr-Filme haben sich als nützliches Beschichtungsmaterial für die Bildgebung mit hoher Vergrößerung in FE-REMs erwiesen. Da es leicht oxidiert, erfordert Cr die Verwendung eines turbogepumpten, hochauflösenden Sputter-Coaters mit einem Target-Shutter (z. B. VPI-Coater) für die Target-Konditionierung, um das Oxid vor dem Beschichten zu entfernen. Das bessere Vakuum in Kombination mit einer Spülung der Kammer mit reinem Argon verringert den Sauerstoffpartialdruck ausreichend, um eine Oxidation der gesputterten Cr-Schicht zu vermeiden. Der dünne Cr-Film auf der Probenoberfläche oxidiert an der Luft, und die Proben müssen sofort nach dem Beschichten betrachtet werden. Proben können im Hochvakuum gelagert werden. Chrom ist ein ausgezeichnetes Beschichtungsmaterial für die hochauflösende Bildgebung mit rückgestreuten Elektronen von Materialien mit niedrigem Z und biologischen Proben. Chrom kann eine gute Wahl für die Röntgenmikroanalyse sein, da seine Röntgenlinien übliche Probenelemente mit Ausnahme von Sauerstoff nicht stören.
Zielmetallauswahl – Iridium
Iridium weist auf praktisch allen Probenmaterialien eine feine Korngröße auf und ist ein hervorragendes Allround-Beschichtungsmaterial für Anwendungen mit hoher Vergrößerung. Es ist normalerweise auch das teuerste Beschichtungsmetall, typischerweise etwa doppelt so teuer wie Au/Pd und Pt. Dieses nicht oxidierende Material hat eine hohe SE-Ausbeute und ersetzt bei einigen Anwendungen Chrom für hochauflösende Probenbeschichtungen. Es sputtert mit einer niedrigeren Rate und erfordert die Verwendung eines turbogepumpten hochauflösenden Sputter-Coaters wie VPIs Hochvakuum-Magnetron-Sputter-Coater 650MH. Da Proben für die Mikroanalyse häufig mit aufgedampftem Kohlenstoff durch den Kohlenstoffbeschichter SD-980 mit pulsierender thermischer Verdampfung von VPI beschichtet werden, ist Ir ein gutes alternatives Beschichtungsmaterial, wenn Kohlenstoff durch Röntgenmikroanalyse analysiert werden muss. Eine Interferenz des Ir könnte für P bzw. Ga auftreten. Auch hier bietet eine 1–2 nm dicke Beschichtung eine ausreichende Leitfähigkeit, ohne die Röntgenmikroanalyse zu beeinträchtigen.
Zielmetallauswahl – Wolfram
Wolfram ist eine hervorragende Beschichtung für hochauflösende Beschichtungen, da es eine extrem feine Korngröße hat. Aber W oxidiert schnell und erfordert den gleichen stringenten turbogepumpten hochauflösenden Beschichter (VPIs Hochvakuum-Magnetron-Sputter-Beschichter 650MH), der für Cr beschrieben wurde. Als hochschmelzendes Metall wie Cr hat es eine niedrige Sputterrate, aber die SE-Ausbeute ist hoch. Die Proben müssen wegen der schnellen Oxidation in der Laborluft sofort nach der Beschichtung abgebildet werden. Das W-Röntgenspektrum weist ein breites Spektrum potenzieller Interferenzen bei der Mikroanalyse auf, aber die extrem dünne Beschichtung (< 1 nm) minimiert das Problem.
Andere Metalle. Alternative Edelmetalle (Silber, Tantal und Palladium) und unedle Metalle (Nickel, Kupfer und Titan) wurden für spezielle Zwecke verwendet. Die Möglichkeit der Beschichtungsoxidation kann jedoch für einige von ihnen (Ag, Ta, Ni, Cu und Ti) immer noch ein Problem darstellen. Silber hat einen besonderen Vorteil, der bei anderen Beschichtungen nicht zu finden ist: Es kann aufgelöst werden und die Oberfläche in den unbeschichteten Zustand zurückversetzen. VPIs Hochvakuum-Magnetron-Sputter-Gleichstrom- und HF-Stromversorger-Beschichter könnte alle Arten von Metallen und Nichtmetallen (oben diskutiert) auf die Materialien auftragen.
Zusammenfassung und Rückblick
Dieser hier gezeigte Artikel gilt nur bei Verwendung eines modernen turbogepumpten DC-Magnetron-SEM-Sputtercoaters (VPI SD-650MH oder SD-900M, SD-980 Carbon Coater) mit Argon als Prozessgas. Die Korngröße der Beschichtung hängt von der Beschichtungsdicke und der Wechselwirkung Beschichtung/Probenmaterial ab. Je dünner die Beschichtung ist, desto kleiner ist in der Regel die Korngröße. Wenn die Oberfläche eine unregelmäßige Topographie mit Hohlräumen aufweist, kann es schwierig sein, eine gleichmäßige Beschichtung zu erreichen. Als Ergebnis könnte eine lokalisierte Oberflächenladung die Bildqualität verschlechtern. Dieses Problem kann normalerweise mit einem rotierenden Probentisch behoben werden (VPI könnte einen optionalen Probentisch mit horizontaler Rotation oder andere Raten bereitstellen), der innerhalb des Sputter-Beschichtungssystems eingesetzt wird. Die Beschichtungsdicke wurde unter Verwendung eines Quarzdickenmonitors bestimmt. Schichtdickenüberwachungen registrieren in der Regel nicht absolute Werte. Auch die visuelle Bewertung der Filmfarbe und -opazität kann beim Abschätzen der Dicke des gesputterten Films nützlich sein. Wenn eine Röntgenmikroanalyse der Probe erforderlich ist, wählen Sie ein Beschichtungsmaterial (Zielmaterial), das nicht in der Probe vorhanden ist. Dadurch sollen störende Peaks im Röntgenspektrum der Probe vermieden werden. Berücksichtigen Sie auch alle möglichen Röntgenlinien Ihrer Probe und des gesputterten Films. Es muss nicht nur berücksichtigt werden, welche Röntgenlinien vorhanden sein könnten, sondern auch, welche Linien bei der in Ihrer Studie zu verwendenden Elektronenstrahl-Beschleunigungsspannung (kV) verstärkt werden könnten. Wenn alle möglichen Interferenzen vermieden werden müssen, ist die klassische Kohlenstoffabscheidung (thermische Verdampfung) der empfohlene Ansatz, um eine nichtleitende Probe für die Röntgenmikroanalyse zugänglich zu machen. Die Faustregel für die Auswahl eines Sputtertargets zum Beschichten einer SEM-Probe ist, das Metall zu wählen, das die kleinste Korngröße erzeugt, die mit den Fähigkeiten des verfügbaren SEM übereinstimmt. Somit kann Au für ein Tisch-SEM für Vergrößerungen unter 5000× akzeptabel sein; Au/Pd und Pt wären für allgemeine REM-Bildgebung nützlich; und Cr oder W wären für hochauflösende Bildgebung mit hoher Vergrößerung mit einem FE-SEM geeignet. Sobald das Zielmetall ausgewählt wurde, sollte das Bemühen darauf gerichtet sein, den dünnsten Metallfilm herzustellen, der Aufladungseffekte abschwächt, idealerweise im Bereich von 1–2 nm.
Anregungen
Die Leichtigkeit, mit der Sputter-Coater-Targetmetalle geändert werden können, ermöglicht Flexibilität bei der Vorbereitung von REM-Proben für Bildgebung und Mikroanalyse oder materialwissenschaftliche Beschichtungen. VPI-Beschichter sind für alle Arten von Kunden weltweit geeignet und kostengünstig. Mittlerweile sind Targets für Arbeiten mit niedriger und hoher Vergrößerung erhältlich, und sie können geändert werden, um die Elementaranalyse zu erleichtern. Verwenden Sie die Metallbeschichtung, die die kleinste Kornstruktur erzeugt, die mit den Fähigkeiten des verfügbaren SEM übereinstimmt. Unterschiedliche Sputtertargets unterscheiden sich in den Kosten, die Leistung der Sputtertargets, die VPI bietet, ist sehr gut und stabil, und einige erfordern zusätzliche Infrastruktur, wie z. B. die erhöhten Pump-/Vakuumfähigkeiten eines hochauflösenden Sputtercoaters.
