Sélection du matériau de la cible de pulvérisation pour la pulvérisation d'ions magnétron / couche de revêtement par évaporation d'échantillons SEM et science des matériaux
Introduction
Cet article décrit les options de matériaux cibles pour les revêtements par pulvérisation, les revêtements par pulvérisation magnétron, les revêtements de carbone à évaporation thermique qui déposent un mince revêtement de métal ou de carbone sur des échantillons SEM non conducteurs ou d'autres substrats. Le revêtement d'un échantillon avec un métal conducteur rend un échantillon isolant suffisamment conducteur pour minimiser les effets de charge sur l'image SEM. Dans la plupart des cas, le revêtement d'échantillons SEM avec seulement quelques nanomètres d'un métal donne des images nettes et claires. La sélection appropriée du matériau cible est dictée par les exigences d'imagerie globales, le SEM disponible, le matériau de l'échantillon en cours d'évaluation et si une microanalyse aux rayons X sera nécessaire.
Histoire du SEM et du Sputter Coater
Depuis son introduction commerciale en 1965, le microscope électronique à balayage (SEM) a évolué pour incorporer de nombreuses améliorations dans les capacités d'imagerie et de microanalyse, mais le problème de la charge dans les échantillons non conducteurs demeure jusqu'à nos jours. L'utilisateur du SEM doit toujours faire face à l'examen d'échantillons non conducteurs au cas par cas. Heureusement, il existe un certain nombre de stratégies pour faciliter ce processus.
Atténuation des frais
Le problème est le suivant. Une charge négative s'accumule sur un échantillon non conducteur à des tensions d'accélération d'électrons normales (kV), en particulier au-dessus de 10 kV, car davantage d'électrons atterrissent sur l'échantillon qui partent sous forme d'électrons secondaires (SE) ou d'électrons rétrodiffusés (BSE). Cela peut produire dans l'image SEM de fortes zones lumineuses et des décalages de trame de balayage. Ces artefacts d'image peuvent être si graves que l'image résultante n'a aucun rapport avec l'objet numérisé. Bien que la charge puisse être minimisée par l'imagerie à de faibles énergies de faisceau proches de 1 keV, seuls les modèles SEM récents, en particulier ceux utilisant des canons à électrons à émission de champ (FE-SEM), peuvent maintenir de petites tailles de sonde à faisceau d'électrons sur l'échantillon à une tension d'accélération aussi basse ( kV). Alternativement, un SEM à pression variable, fonctionnant en mode à faible vide (pression de la chambre d'échantillon d'environ 1 torr = 133 Pa), produit des ions positifs qui peuvent neutraliser la charge de surface. Un troisième procédé de suppression de l'accumulation de charge consiste à déposer sur la surface de l'échantillon non conducteur un revêtement conducteur extrêmement mince, généralement un métal qui ajoute une structure minimale à la surface réelle de l'échantillon. Cette dernière méthode est simple, fiable et peut être utilisée avec n'importe quel SEM. Certains revêtements présentent une structure granulaire qui peut être observée dans les SEM modernes, en particulier ceux équipés de canons à électrons à émission de champ (FE). Il existe une gamme de métaux pour le revêtement par pulvérisation, certains pour une utilisation à faible grossissement et d'autres pour une utilisation à fort grossissement dans un FE-SEM. Un avantage supplémentaire du revêtement métallique est que le rendement des électrons secondaires (SE) est généralement beaucoup plus élevé que pour la surface nue non conductrice.
Sélection de revêtement
Le métal de revêtement doit être sélectionné pour obtenir des performances optimales en fonction du type d'analyse à effectuer : par exemple, imagerie à faible grossissement, à fort grossissement ou microanalyse. La plupart des revêtements par pulvérisation SEM permettent des changements de cible rapides, permettant au microscopiste de sélectionner un métal de revêtement approprié pour la tâche à accomplir. Le revêtement pulvérisé doit avoir un rendement élevé d'émission d'électrons secondaires de sorte que le rapport signal sur bruit soit élevé. Le revêtement idéal ne devrait pas avoir de structure (grains ou îlots) qui interférerait avec les détails des caractéristiques de l'échantillon. Ainsi, les revêtements à gros grains ne conviendraient qu'aux faibles grossissements, où la structure du revêtement serait trop petite pour être vue. Certains métaux qui produisent des revêtements à grains fins adaptés à l'imagerie à fort grossissement se déposent à des vitesses plus lentes ; mais ce n'est pas un problème car les épaisseurs de revêtement utiles sont assez petites, généralement de 1 à 3 nm. Certains matériaux de revêtement ont des lignes de rayons X qui peuvent interférer avec la détection d'éléments dans l'échantillon. Cependant, à des tensions d'accélération typiques, cela ne devrait pas poser de problème lorsque le revêtement n'a qu'une épaisseur de 1 à 2 nm. S'il y a une interférence sérieuse, un autre métal de revêtement peut être choisi pour revêtir cet échantillon. Enfin, il y a un facteur de coût puisque les matériaux de revêtement les plus utiles sont les métaux précieux.
Matériaux et méthodes
Bien qu'elle ne soit pas exhaustive, la liste des matériaux ci-dessous décrit les métaux les plus couramment utilisés pour pulvériser des échantillons de revêtement pour le SEM. Gardez à l'esprit que ces informations ne sont valables que lors de l'utilisation d'une coucheuse à pulvérisation SEM à magnétron CC moderne (VPI - modèle 900M) avec de l'argon pur comme gaz de procédé. Certains revêtements nécessitent des revêtements par pulvérisation "haute résolution" (VPI - SD650MH) qui fonctionnent à un meilleur vide pour réduire la possibilité d'oxydation pendant le traitement ; en fait, certains systèmes utilisent un obturateur pour protéger l'échantillon pendant que l'oxyde est pulvérisé sur la cible elle-même lors d'une étape de préconditionnement. Le carbone est couramment utilisé comme revêtement conducteur pour les échantillons de microanalyse, mais ce matériau doit être déposé par évaporation sous vide ou pulvérisation par faisceau ionique.
Instruments
En général, il existe deux types de revêtements par pulvérisation cathodique. Le système ci-dessus pourrait être décrit comme une coucheuse par pulvérisation "haute résolution" comme VPI High Vacuum Magnetron Sputtering Coater 650MH car une pompe turbo est utilisée pour obtenir un environnement de vide plus élevé (et plus propre), et du gaz argon pur est rempli dans la chambre pour éliminer l'air et augmenter l'efficacité de la pulvérisation. Le deuxième type de revêtement par pulvérisation peut être décrit comme une unité plus basique, ne développant qu'un vide modeste avec une pompe mécanique et remplaçant parfois le gaz de remplissage argon par de l'air ambiant, comme le modèle SD-900M de revêtement par pulvérisation magnétron de VPI. Cette coucheuse à pulvérisation de base est acceptable pour le revêtement de films Au, Au/Pd, Ag, mais pas pour les revêtements avec des granulométries plus fines. L'utilisation d'un système avec un vide et un remplissage d'air plus faibles entraîne une efficacité de pulvérisation inférieure et des films déposés qui ne sont pas aussi propres. Le moniteur d'épaisseur de film de revêtement, également appelé mesures d'épaisseur, a été obtenu à l'aide du moniteur d'épaisseur de quartz (fonctionnant à 4 ~ 6 MHz) inhérent au système (VPI's 900M, 650MH, Carbon Coater pourrait fournir des accessoires optionnels tels que des mesures de moniteur d'épaisseur)
Sélection de métaux cibles - Or
L'or est peut-être le matériau de revêtement le plus largement utilisé pour les échantillons SEM non conducteurs, mais il n'est pas recommandé comme revêtement par pulvérisation à des fins de recherche où des images à fort grossissement sont nécessaires . L'or a un rendement élevé d'électrons secondaires et pulvérise relativement rapidement, mais la structure du revêtement est composée de grands îlots (grains) qui peuvent être observés à des grossissements élevés dans la plupart des SEM modernes de niveau recherche. Ainsi, il ne doit être utilisé que pour l'imagerie à de faibles grossissements, disons moins de 5000×, où la structure du revêtement n'interférera pas avec les détails structurels de l'échantillon. Un avantage partagé par la plupart des autres revêtements de métaux précieux, les revêtements Au ne s'oxydent pas dans l'air du laboratoire. Les lignes d'émission de rayons X de l'Au peuvent interférer avec les rayons X de S et Nb, tandis que la ligne Au L-alpha peut interférer avec les rayons X de Ge. Si le revêtement Au est suffisamment mince, cependant, il ne devrait pas y avoir de problèmes significatifs avec la microanalyse qualitative aux rayons X.
Sélection de métaux cibles - Or/palladium
Les alliages pulvérisés or/palladium ont une granulométrie plus petite et sont les revêtements métalliques recommandés à des fins de recherche générale. Les rendements d'électrons secondaires sont élevés et les taux de pulvérisation pour Au/Pd ne sont que légèrement inférieurs à ceux de l'Au pur. Les lignes de rayons X Pd ne chevauchent pas les lignes importantes d'autres éléments ; ainsi, aucune interférence supplémentaire avec la microanalyse aux rayons X ne serait attendue au-delà de celle mentionnée ci-dessus pour Au.
Sélection de métaux cibles - Platine
Le platine a une granulométrie plus fine que Au ou Au/Pd, ce qui le rend plus adapté aux applications à fort grossissement. Un revêtement de Pt pulvérisé présente un rendement SE élevé, mais le Pt a un taux de pulvérisation inférieur à celui de l'Au. Il a été observé que le Pt se fissure. Cet effet pourrait être une « fissuration sous contrainte » et pourrait être attribué au dépôt d'oxygène dans le revêtement pulvérisé, indiquant la nécessité d'une coucheuse par pulvérisation avec un meilleur vide. Les rayons X caractéristiques de Pt ont le potentiel de se chevaucher avec les lignes de P et Zr, mais les interférences doivent être minimes pour les revêtements de 1 à 2 nm d'épaisseur.
L'alliage platine / palladium a une petite taille de grain similaire et un rendement SE élevé à celui du Pt pur, mais il est moins sensible à la «fissuration sous contrainte». L'alliage Pt/Pd est un matériau de revêtement polyvalent adapté aux applications à fort grossissement.
Sélection du métal cible - Chrome
Le chrome a une granulométrie très fine, mais le taux de pulvérisation n'est qu'environ la moitié de celui de l'Au. Les films minces de Cr se sont avérés être un matériau de revêtement utile pour l'imagerie à fort grossissement dans les FE-SEM. Parce qu'il s'oxyde facilement, le Cr nécessite l'utilisation d'une coucheuse à pulvérisation haute résolution turbo-pompée avec un obturateur cible (la coucheuse VPI par exemple) pour le conditionnement de la cible afin d'éliminer l'oxyde avant le revêtement. Le meilleur vide, en combinaison avec un rinçage à l'argon pur de la chambre, réduit suffisamment la pression partielle d'oxygène pour éviter l'oxydation de la couche de Cr pulvérisée. Le film mince de Cr sur la surface de l'échantillon s'oxydera dans l'air et les échantillons doivent être visualisés immédiatement après le revêtement. Les échantillons peuvent être conservés sous vide poussé. Le chrome est un excellent matériau de revêtement pour l'imagerie électronique rétrodiffusée à haute résolution de matériaux à faible Z et d'échantillons biologiques. Le chrome peut être un bon choix pour la microanalyse aux rayons X car ses lignes de rayons X n'interfèrent pas avec les éléments courants des échantillons, à l'exception de l'oxygène.
Sélection de métaux cibles - Iridium
L'iridium présente une granulométrie fine sur pratiquement tous les matériaux d'échantillons et constitue un excellent matériau de revêtement polyvalent pour les applications à fort grossissement. C'est aussi généralement le métal de revêtement le plus cher, généralement environ le double du prix de Au/Pd et Pt. Ce matériau non oxydant a un rendement SE élevé et, pour certaines applications, il a remplacé le chrome pour le revêtement d'échantillons à haute résolution. Il pulvérise à un taux inférieur et nécessite l'utilisation d'une coucheuse à pulvérisation haute résolution à pompe turbo comme la coucheuse à pulvérisation magnétron sous vide poussé de VPI 650MH. Étant donné que les échantillons pour la microanalyse sont souvent recouverts de carbone évaporé par le revêtement de carbone à évaporation thermique pulsée SD-980 de VPI, Ir est un bon matériau de revêtement alternatif lorsque le carbone doit être analysé par microanalyse aux rayons X. L'interférence de l'Ir pourrait se produire pour P et Ga, respectivement. Encore une fois, un revêtement de 1 à 2 nm d'épaisseur fournira une conductivité adéquate sans interférer avec la microanalyse aux rayons X.
Sélection du métal cible - Tungstène
Le tungstène est un excellent revêtement pour le revêtement haute résolution car il a une granulométrie extrêmement fine. Mais W s'oxyde rapidement et nécessite la même coucheuse à haute résolution à turbopompe stricte (coucheuse à pulvérisation magnétron sous vide poussé de VPI 650MH) décrite pour Cr. En tant que métal réfractaire comme Cr, il a un faible taux de pulvérisation, mais le rendement SE est élevé. Les échantillons doivent être imagés immédiatement après le revêtement en raison de l'oxydation rapide dans l'air du laboratoire. Le spectre des rayons X W présente une large gamme d'interférences potentielles de microanalyse, mais le revêtement extrêmement fin (< 1 nm) minimise le problème.
Autres métaux. Des métaux précieux alternatifs (argent, tantale et palladium) et des métaux communs (nickel, cuivre et titane) ont été utilisés à des fins particulières. Cependant, la possibilité d'oxydation du revêtement peut encore être un problème pour certains d'entre eux (Ag, Ta, Ni, Cu et Ti). L'argent a un avantage particulier que l'on ne trouve pas avec d'autres revêtements : il peut être dissous, ramenant la surface à l'état non revêtu. La coucheuse de fournisseur d'énergie CC et RF à pulvérisation magnétron sous vide poussé de VPI peut recouvrir toutes sortes de métaux et de non-métaux (discutés ci-dessus) sur les matériaux.
Résumé et examen
Cet article a montré ici n'est valable que lors de l'utilisation d'une coucheuse de pulvérisation SEM à magnétron DC turbo-pompé moderne (VPI SD-650MH ou SD-900M, coucheuse de carbone SD-980) avec de l'argon comme gaz de procédé. La granulométrie du revêtement dépend de l'épaisseur du revêtement et de l'interaction matériau revêtement/échantillon. En règle générale, plus le revêtement est fin, plus la taille des grains est petite. Si la surface a une topographie irrégulière avec des cavités, un revêtement uniforme peut être difficile à obtenir. Par conséquent, une charge de surface localisée pourrait dégrader la qualité de l'image. Ce problème peut généralement être résolu avec une platine d'échantillonnage rotative (VPI pourrait fournir une platine de conception de rotation horizontale d'échantillon facultative ou d'autres taux) déployée dans le système de revêtement par pulvérisation. L'épaisseur du revêtement a été déterminée à l'aide d'un moniteur d'épaisseur à quartz. En règle générale, les moniteurs d'épaisseur de revêtement enregistrent des valeurs qui ne sont pas absolues. Une évaluation visuelle de la couleur et de l'opacité du film peut également être utile pour estimer l'épaisseur du film pulvérisé. Si une microanalyse aux rayons X de l'échantillon est nécessaire, sélectionnez un matériau de revêtement (cible) qui n'est pas présent dans l'échantillon. Cela devrait éviter les pics interférents dans le spectre de rayons X de l'échantillon. Considérez également toutes les lignes de rayons X possibles à partir de votre échantillon et du film pulvérisé. Il faut garder à l'esprit non seulement quelles lignes de rayons X pourraient être présentes, mais aussi quelles lignes pourraient être améliorées à la tension d'accélération du faisceau d'électrons (kV) à utiliser dans votre étude. Si toutes les interférences possibles doivent être évitées, le dépôt de carbone classique (évaporation thermique) est l'approche recommandée pour rendre un échantillon non conducteur propice à la microanalyse aux rayons X. La règle de base pour la sélection d'une cible de pulvérisation pour le revêtement d'un spécimen SEM est de choisir le métal qui produit la plus petite taille de grain compatible avec les capacités du SEM disponible. Ainsi, Au peut être acceptable pour un SEM de table pour des grossissements inférieurs à 5000 × ; Au/Pd et Pt seraient utiles pour l'imagerie SEM à usage général ; et Cr ou W serait approprié pour l'imagerie à haute résolution et à fort grossissement avec un FE-SEM. Une fois le métal cible sélectionné, l'effort doit être de produire le film métallique le plus fin qui atténue les effets de charge, idéalement dans la plage de 1 à 2 nm.
Suggestions
La facilité avec laquelle les métaux cibles du revêtement par pulvérisation cathodique peuvent être changés permet une flexibilité dans la préparation des spécimens SEM pour l'imagerie et la microanalyse ou les revêtements de science des matériaux. Les Coaters VPI sont adaptés et rentables pour tous les types de clients dans le monde. Pendant ce temps, des cibles sont disponibles pour les travaux à faible grossissement et à fort grossissement, et elles peuvent être modifiées pour faciliter l'analyse élémentaire. Utilisez le revêtement métallique qui produit la plus petite structure de grain compatible avec les capacités du SEM disponible. Les différentes cibles de pulvérisation varient en coût, les performances des cibles de pulvérisation fournies par VPI sont très bonnes et stables, et certaines nécessitent une infrastructure supplémentaire telle que les capacités de pompage/vide accrues d'un revêtement par pulvérisation à haute résolution.
