마그네트론 이온 스퍼터 / SEM 샘플의 증착 코팅기용 스퍼터링 타겟의 재료 선택 및 재료 과학

소개

이 문서에서는 비전도성 SEM 샘플 또는 기타 기판에 얇은 금속 또는 탄소 코팅을 증착하는 스퍼터 코터, 마그네트론 스퍼터 코터, 열 증발 탄소 코터의 타겟 재료 옵션에 대해 설명합니다. 샘플을 전도성 금속으로 코팅하면 SEM 이미지에 대한 대전 효과를 최소화할 수 있을 만큼 충분히 전도성이 있는 절연 샘플이 됩니다. 대부분의 경우 SEM 샘플을 단 몇 나노미터의 금속으로 코팅하면 선명하고 선명한 이미지가 생성됩니다. 적절한 타겟 재료 선택은 전체 이미징 요구 사항, 사용 가능한 SEM, 평가 중인 표본 재료 및 X선 미세 분석이 필요한지 여부에 따라 결정됩니다.

SEM 및 Sputter Coater의 역사

1965년에 상업적으로 도입된 이후 주사 전자 현미경(SEM)은 이미징 및 미세 분석 기능의 많은 개선을 통합하도록 발전했지만 비전도성 샘플의 전하 문제는 오늘날까지 남아 있습니다. SEM 사용자는 여전히 사례별로 비전도성 샘플 검사에 대처해야 합니다. 다행스럽게도 이 프로세스를 지원하는 여러 가지 전략이 있습니다.

A Useful Guide of the Selection of Sputtering Targets

충전 완화

문제는 다음과 같습니다. 정상 전자 가속 전압(kV), 특히 10kV 이상에서 비전도성 시편에 음전하가 축적됩니다. 이는 2차 전자(SE) 또는 후방 산란 전자(BSE)로 남겨지는 더 많은 전자가 시편에 도달하기 때문입니다. 이것은 SEM 이미지에서 강한 밝은 영역을 생성하고 래스터 이동을 스캔할 수 있습니다. 이러한 이미지 아티팩트는 너무 심각하여 결과 이미지가 스캔 중인 개체와 관련이 없을 수 있습니다. 전하는 1keV 근처의 낮은 빔 에너지에서 이미징하여 최소화할 수 있지만, 특히 전계 방출 전자총(FE-SEM)을 사용하는 최신 SEM 모델만이 낮은 가속 전압에서 표본에 작은 전자빔 프로브 크기를 유지할 수 있습니다. 케이 V). 또는 저진공 모드(시편 챔버 압력 약 1 torr=133 Pa)에서 작동하는 가변 압력 SEM은 표면 전하를 중화할 수 있는 양이온을 생성합니다. 전하 축적을 억제하는 세 번째 방법은 비전도성 시편 표면에 매우 얇은 전도성 코팅, 일반적으로 실제 시편 표면에 최소한의 구조를 추가하는 금속을 증착하는 것입니다. 후자의 방법은 쉽고 신뢰할 수 있으며 모든 SEM과 함께 사용할 수 있습니다. 일부 코팅은 최신 SEM, 특히 전계 방출(FE) 전자총이 장착된 SEM에서 관찰할 수 있는 입자 구조를 나타냅니다. 스퍼터링 코팅을 위한 다양한 금속이 있으며, 일부는 저배율에서 사용하기 위한 것이고 다른 일부는 FE-SEM에서 고배율에서 사용하기 위한 것입니다. 금속 코팅의 또 다른 이점은 2차 전자(SE)의 수율이 일반적으로 노출된 비전도성 표면보다 훨씬 높다는 것입니다.

코팅 선택

수행할 분석 유형(예: 저배율, 고배율 이미징 또는 미세 분석)에 따라 최적의 성능을 달성하도록 코팅 금속을 선택해야 합니다. 대부분의 SEM 스퍼터 코터는 빠른 대상 변경을 허용하므로 현미경 검사자가 당면한 작업에 적합한 코팅 금속을 선택할 수 있습니다. 스퍼터링된 코팅은 높은 2차 전자 방출 수율을 가져야 신호 대 잡음비가 높아집니다. 이상적인 코팅은 표본 특징의 세부 사항을 방해하는 구조(입자 또는 섬)가 없어야 합니다. 따라서 큰 입자를 가진 코팅은 코팅 구조가 너무 작아서 볼 수 없는 낮은 배율에만 적합합니다. 고배율 이미징에 적합한 미세 입자 코팅을 생성하는 일부 금속은 느린 속도로 증착됩니다. 그러나 이것은 유용한 코팅 두께가 일반적으로 1~3nm로 매우 작기 때문에 문제가 되지 않습니다. 일부 코팅 재료에는 시편의 원소 검출을 방해할 수 있는 X선 선이 있습니다. 그러나 일반적인 가속 전압에서는 코팅 두께가 1~2nm에 불과할 때 문제가 되지 않습니다. 심각한 간섭이 있는 경우 다른 코팅 금속을 선택하여 해당 시편을 코팅할 수 있습니다. 마지막으로 가장 유용한 코팅 재료는 귀금속이기 때문에 비용 요소가 있습니다.

재료 및 방법

완전하지는 않지만 아래의 재료 목록은 SEM용 샘플을 스퍼터링하는 데 사용되는 가장 일반적인 금속을 설명합니다. 이 정보는 순수 아르곤을 공정 가스로 사용하는 최신 DC 마그네트론 SEM 스퍼터 코터(VPI – 모델 900M)를 사용할 때만 유효합니다. 일부 코팅에는 처리 중 산화 가능성을 줄이기 위해 더 나은 진공에서 작동하는 "고해상도" 스퍼터 코터(VPI – SD650MH)가 필요합니다. 실제로 일부 시스템은 셔터를 사용하여 샘플을 차폐하고 산화물은 사전 조정 단계에서 타겟 자체에서 스퍼터링됩니다. 탄소는 일반적으로 미세 분석 샘플의 전도성 코팅으로 사용되지만 이 물질은 진공 증발 또는 이온 빔 스퍼터링에 의해 증착되어야 합니다.

악기

일반적으로 스퍼터 코터에는 두 가지 유형이 있습니다. 위의 시스템은 VPI 고진공 마그네트론 스퍼터링 코터 650MH와 같은 "고해상도" 스퍼터 코터로 설명할 수 있습니다. 터보 펌프를 사용하여 더 높은(그리고 더 깨끗한) 진공 환경을 얻고 순수한 아르곤 가스가 챔버에 다시 채워져 공기를 제거하고 스퍼터 효율을 높입니다. 두 번째 유형의 스퍼터 코터는 VPI의 마그네트론 스퍼터링 코터 SD-900M 모델과 같이 기계식 펌프로 적당한 진공만 개발하고 때로는 아르곤 백필 가스를 실내 공기로 대체하는 보다 기본적인 장치로 설명할 수 있습니다. 이 기본 스퍼터 코터는 Au, Au/Pd, Ag 필름 코팅에 적합하지만 더 미세한 입자 크기의 코팅에는 적합하지 않습니다. 진공 및 공기 백필이 불량한 시스템을 사용하면 스퍼터 효율이 낮아지고 필름이 깨끗하지 않게 증착됩니다. 두께 측정이라고도 하는 코팅막 두께 모니터는 시스템 고유의 석영 두께 모니터(4~6MHz에서 작동)를 사용하여 얻었습니다(VPI의 900M, 650MH, Carbon Coater는 두께 모니터 측정과 같은 옵션 액세서리를 제공할 수 있음).

대상 금속 선택 - 금

금은 비전도성 SEM 샘플에 가장 널리 사용되는 코팅 재료일 수 있지만 고배율 이미지가 필요한 연구 목적의 스퍼터링 코팅으로는 권장되지 않습니다. 금은 2차 전자 수율이 높고 비교적 빠르게 스퍼터링되지만 코팅 구조는 대부분의 현대 연구 수준 SEM에서 고배율로 관찰할 수 있는 큰 섬(입자)으로 구성되어 있습니다. 따라서 코팅 구조가 샘플의 구조적 세부 사항을 방해하지 않는 낮은 배율, 예를 들어 5000X 미만의 이미징에만 사용해야 합니다. 대부분의 다른 귀금속 코팅이 공유하는 이점인 Au 코팅은 실험실 공기 중에서 산화되지 않습니다. Au의 X선 방출선은 S와 Nb의 X선을 방해할 수 있는 반면, Au L-알파선은 Ge의 X선을 방해할 수 있습니다. 그러나 Au 코팅이 적절하게 얇다면 정성적 X-선 미세 분석에 큰 문제가 없어야 합니다.

대상 금속 선택 - 금/팔라듐

금/팔라듐 스퍼터링 합금은 입자 크기가 더 작으며 일반적인 연구 목적으로 권장되는 금속 코팅입니다. 2차 전자 수율이 높고 Au/Pd의 스퍼터링 속도는 순수한 Au보다 약간 낮습니다. Pd X선 선은 다른 원소의 중요한 선과 겹치지 않습니다. 따라서 Au에 대해 위에서 언급한 것 이상으로 X선 미세 분석에 대한 추가 간섭이 예상되지 않습니다.

대상 금속 선택 - 플래티넘

백금은 Au 또는 Au/Pd보다 입자 크기가 미세하여 고배율 용도에 더 적합합니다. 스퍼터링된 Pt 코팅은 높은 SE 수율을 나타내지만 Pt는 Au보다 스퍼터링 속도가 낮습니다. Pt에 균열이 관찰되었습니다. 이 효과는 "응력 균열"일 수 있으며 스퍼터링된 코팅의 산소 증착에 기인할 수 있으며 이는 더 나은 진공을 가진 스퍼터 코터의 필요성을 나타냅니다. Pt의 특성 X선은 P 및 Zr의 선과 중첩될 가능성이 있지만 1~2nm 두께의 코팅에 대해 간섭이 최소화되어야 합니다.

백금/팔라듐 합금은 순수한 Pt와 유사한 작은 입자 크기와 높은 SE 수율을 갖지만 "응력 균열"에 덜 민감합니다. Pt/Pd 합금은 고배율 응용 분야에 적합한 만능 코팅 재료입니다.

대상 금속 선택 - 크롬

크롬은 입자 크기가 매우 미세하지만 스퍼터링 속도는 Au의 절반 정도에 불과합니다. 얇은 Cr 필름은 FE-SEM의 고배율 이미징에 유용한 코팅 재료임이 입증되었습니다. Cr은 쉽게 산화되기 때문에 코팅 전에 산화물을 제거하기 위해 타겟 컨디셔닝을 위해 타겟 셔터(예: VPI의 코터)가 있는 터보 펌프식 고해상도 스퍼터 코터를 사용해야 합니다. 챔버의 순수한 아르곤 플러싱과 함께 더 나은 진공은 스퍼터링된 Cr 층의 산화를 방지하기에 충분할 정도로 산소의 분압을 감소시킵니다. 샘플 표면의 얇은 Cr 필름은 공기 중에서 산화되므로 코팅 직후 샘플을 확인해야 합니다. 샘플은 고진공 상태로 보관할 수 있습니다. 크롬은 낮은 Z 물질 및 생물학적 샘플의 고해상도 후방 산란 전자 이미징을 위한 우수한 코팅 물질입니다. 크롬은 X선 선이 산소를 제외하고 일반적인 표본 요소를 방해하지 않기 때문에 X선 미세 분석에 적합한 선택일 수 있습니다.

대상 금속 선택 - 이리듐

이리듐은 거의 모든 시편 재료에서 미세한 입자 크기를 나타내며 고배율 응용 분야를 위한 우수한 만능 코팅 재료입니다. 또한 일반적으로 가장 비싼 코팅 금속이며 일반적으로 Au/Pd 및 Pt 가격의 약 두 배입니다. 이 비산화 물질은 SE 수율이 높으며 일부 응용 분야에서 고해상도 샘플 코팅을 위해 크롬을 대체하고 있습니다. 더 낮은 속도로 스퍼터링하며 VPI의 고진공 마그네트론 스퍼터링 코터 650MH와 같은 터보 펌프 고해상도 스퍼터 코터를 사용해야 합니다. 미세 분석을 위한 시편은 VPI의 SD-980 펄스 열 증착 탄소 코팅기에 의해 증발 탄소로 코팅되는 경우가 많기 때문에 Ir은 탄소를 X-선 미세 분석으로 분석해야 할 때 좋은 대체 코팅 재료입니다. Ir의 간섭은 각각 P와 Ga에 대해 발생할 수 있습니다. 다시 말하지만, 1~2nm 두께의 코팅은 X선 미세 분석을 방해하지 않으면서 적절한 전도성을 제공합니다.

대상 금속 선택 - 텅스텐

텅스텐은 입자 크기가 매우 미세하기 때문에 고해상도 코팅에 탁월한 코팅입니다. 그러나 W는 빠르게 산화되며 Cr에 대해 설명한 것과 동일한 엄격한 터보 펌핑 고해상도 코터(VPI의 고진공 마그네트론 스퍼터링 코터 650MH)가 필요합니다. Cr과 같은 내화성 금속으로 스퍼터링 속도는 낮으나 SE 수율이 높다. 샘플은 실험실 공기에서 빠르게 산화되기 때문에 코팅 직후에 이미지를 생성해야 합니다. W X-선 스펙트럼은 잠재적인 미세 분석 간섭이 광범위하지만 매우 얇은 코팅(< 1 nm)이 문제를 최소화합니다.

기타 금속. 대체 귀금속(은, 탄탈륨, 팔라듐)과 일반 금속(니켈, 구리, 티타늄)이 특수 용도로 사용되었습니다. 그러나 코팅 산화 가능성은 일부(Ag, Ta, Ni, Cu 및 Ti)에서 여전히 문제가 될 수 있습니다. 은은 다른 코팅에서는 찾아볼 수 없는 특별한 이점이 있습니다. 은은 용해되어 표면을 코팅되지 않은 상태로 되돌릴 수 있습니다. VPI의 고진공 마그네트론 스퍼터링 DC 및 RF 전원 공급 장치 코팅기는 재료에 모든 종류의 금속 및 비금속(위에서 논의)을 코팅할 수 있습니다.

요약 및 검토

이 기사는 아르곤을 공정 가스로 사용하는 최신 터보 펌프 DC 마그네트론 SEM 스퍼터 코터(VPI SD-650MH 또는 SD-900M, SD-980 탄소 코터)를 사용할 때만 유효함을 보여줍니다. 코팅의 입자 크기는 코팅 두께와 코팅/시료 재료 상호 작용에 따라 달라집니다. 일반적으로 코팅이 얇을수록 입자 크기가 작아집니다. 표면에 공동이 있는 불규칙한 지형이 있으면 균일한 코팅이 어려울 수 있습니다. 결과적으로 국부적인 표면 대전은 이미지 품질을 저하시킬 수 있습니다. 이 문제는 일반적으로 스퍼터 코팅 시스템 내에 배치된 회전 샘플 스테이지(VPI는 선택적 샘플 수평 회전 디자인 스테이지 또는 기타 비율을 제공할 수 있음)로 해결할 수 있습니다. 석영 두께 모니터를 사용하여 코팅 두께를 측정하였다. 일반적으로 코팅 두께는 절대값이 아닌 레지스터 값을 모니터링합니다. 또한 필름 색상 및 불투명도의 육안 평가는 스퍼터링된 필름의 두께를 추정하는 데 유용할 수 있습니다. 시료의 X-선 미세분석이 필요한 경우 시료에 존재하지 않는 코팅(표적) 물질을 선택합니다. 이렇게 하면 시료의 X선 스펙트럼에서 피크 간섭을 피할 수 있습니다. 또한 샘플과 스퍼터링된 필름에서 가능한 모든 X선 라인을 고려하십시오. 어떤 X선 선이 존재할 수 있는지 뿐만 아니라 연구에 사용할 전자 빔 가속 전압(kV)에서 어떤 선이 향상될 수 있는지도 염두에 두어야 합니다. 가능한 모든 간섭을 피해야 하는 경우 X선 미세 분석에 적합한 비전도성 샘플을 만들기 위해 일반적인 탄소 증착(열 증발)이 권장되는 접근 방식입니다. SEM 시편을 코팅하기 위한 스퍼터 타겟을 선택하기 위한 경험 법칙은 사용 가능한 SEM의 기능과 일치하는 가장 작은 입자 크기를 생성하는 금속을 선택하는 것입니다. 따라서 Au는 5000× 미만의 배율에 대해 탁상용 SEM에 허용될 수 있습니다. Au/Pd 및 Pt는 범용 SEM 이미징에 유용합니다. Cr 또는 W는 FE-SEM을 사용한 고해상도, 고배율 이미징에 적합합니다. 대상 금속이 선택되면 이상적으로는 1~2nm 범위에서 대전 효과를 완화하는 가장 얇은 금속 필름을 생성하기 위한 노력이 필요합니다.

제안

스퍼터 코터 타겟 금속을 쉽게 변경할 수 있기 때문에 이미징 및 미세 분석 또는 재료 과학 코팅을 위한 SEM 표본을 유연하게 준비할 수 있습니다. VPI Coater는 전 세계 모든 종류의 고객에게 적합하고 비용 효율적입니다. 한편, 타겟은 저배율 및 고배율 작업이 가능하며, 원소 분석을 용이하게 하기 위해 변경될 수 있습니다. 사용 가능한 SEM의 기능과 일치하는 가장 작은 입자 구조를 생성하는 금속 코팅을 사용하십시오. 다른 스퍼터 타겟은 비용이 다양하며 VPI가 제공하는 스퍼터링 타겟의 성능은 매우 우수하고 안정적이며 일부는 고해상도 스퍼터 코터의 향상된 펌핑/진공 기능과 같은 추가 인프라가 필요합니다.