SEM Numunelerinin Magnetron İyon Püskürtme / Buharlaşan Kaplama Kaplayıcı için Püskürtme Hedefinin Malzeme Seçimi ve Malzeme Bilimi
giriiş
Bu makale, iletken olmayan SEM numuneleri veya diğer alt tabakalar üzerine ince bir metal veya karbon kaplama bırakan püskürtmeli kaplayıcılar, magnetron püskürtmeli kaplayıcılar, termal buharlaştırmalı karbon kaplayıcılar için hedef malzeme seçeneklerini açıklamaktadır. Bir numuneyi iletken bir metalle kaplamak, bir yalıtkan numuneyi SEM görüntüsü üzerindeki şarj etkilerini en aza indirecek kadar iletken hale getirir. Çoğu durumda, SEM numunelerini yalnızca birkaç nanometrelik bir metalle kaplamak, keskin ve net görüntülerle sonuçlanır. Uygun hedef malzeme seçimi, genel görüntüleme gereklilikleri, mevcut SEM, değerlendirilen numune malzemesi ve X-ışını mikroanalizinin gerekli olup olmayacağı tarafından belirlenir.
SEM ve Sputter Coater'ın Tarihçesi
1965'teki ticari tanıtımından bu yana, taramalı elektron mikroskobu (SEM), görüntüleme ve mikroanaliz yeteneklerindeki birçok gelişmeyi içerecek şekilde gelişti, ancak iletken olmayan numunelerde şarj sorunu günümüze kadar devam etti. SEM kullanıcısının yine de iletken olmayan numunelerin vaka bazında incelenmesiyle başa çıkması gerekmektedir. Neyse ki, bu süreçte yardımcı olacak bir dizi strateji var.
Ücret azaltma
Sorun aşağıdaki gibidir. İletken olmayan bir numune üzerinde normal elektron hızlandırma voltajlarında (kV), özellikle 10 kV'un üzerinde negatif yük oluşur, çünkü daha fazla elektron numuneye ikincil elektronlar (SE'ler) veya geri saçılan elektronlar (BSE'ler) olarak ayrılan numuneye iner. Bu, SEM görüntüsünde güçlü parlak alanlar ve tarama raster kaymaları üretebilir. Bu görüntü yapaylıkları o kadar ciddi olabilir ki, ortaya çıkan görüntünün taranan nesneyle hiçbir ilişkisi olmaz. Şarj, 1 keV'ye yakın düşük ışın enerjilerinde görüntüleme yaparak en aza indirilebilirken, yalnızca yeni SEM modelleri, özellikle alan emisyonlu elektron tabancaları (FE-SEM'ler) kullananlar, bu kadar düşük bir hızlanma voltajında numune üzerinde küçük elektron ışını prob boyutlarını koruyabilir ( kV). Alternatif olarak, düşük vakum modunda (numune odası basıncı yaklaşık 1 torr=133 Pa) çalışan değişken basınçlı bir SEM, yüzey yüklemesini nötralize edebilen pozitif iyonlar üretir. Yük birikimini bastırmanın üçüncü bir yöntemi, iletken olmayan numune yüzeyine son derece ince bir iletken kaplama, tipik olarak gerçek numune yüzeyine minimum yapı ekleyen bir metal yerleştirmektir. İkinci yöntem kolay, güvenilir ve herhangi bir SEM ile kullanılabilir. Bazı kaplamalar, özellikle alan emisyonlu (FE) elektron tabancaları ile donatılmış olanlar olmak üzere, modern SEM'lerde gözlemlenebilen bir tane yapısı sergiler. Bir FE-SEM'de bazıları düşük büyütmelerde ve diğerleri yüksek büyütmelerde kullanım için püskürterek kaplamaya yönelik bir dizi metal vardır. Metal kaplamanın ek bir yararı, ikincil elektronların (SE'ler) veriminin genellikle çıplak iletken olmayan yüzeyden çok daha yüksek olmasıdır.
kaplama seçimi
Kaplama metali, gerçekleştirilecek analiz türüne göre optimum performans elde edecek şekilde seçilmelidir: örneğin, düşük büyütmeli, yüksek büyütmeli görüntüleme veya mikroanaliz. Çoğu SEM püskürtmeli kaplayıcı, hızlı hedef değişikliklerine izin vererek mikroskop uzmanının elindeki görev için uygun bir kaplama metali seçmesine izin verir. Püskürtmeli kaplama, sinyal-gürültü oranının yüksek olması için yüksek bir ikincil elektron emisyon verimine sahip olmalıdır. İdeal kaplama, numune özelliklerinin ayrıntılarına müdahale edecek hiçbir yapıya (taneler veya adalar) sahip olmamalıdır. Bu nedenle, büyük taneli kaplamalar, yalnızca kaplama yapısının görülemeyecek kadar küçük olacağı düşük büyütmeler için uygun olacaktır. Yüksek büyütme oranlı görüntüleme için uygun ince taneli kaplamalar üreten bazı metaller daha yavaş birikirler; ancak bu bir problem değildir çünkü faydalı kaplama kalınlıkları oldukça küçüktür, tipik olarak 1–3 nm'dir. Bazı kaplama malzemeleri, numunedeki elementlerin algılanmasını engelleyebilecek X-ışını hatlarına sahiptir. Bununla birlikte, tipik hızlandırma voltajlarında, kaplama kalınlığı sadece 1-2 nm olduğunda bu bir problem olmamalıdır. Ciddi bir girişim varsa, o numuneyi kaplamak için başka bir kaplama metali seçilebilir. Son olarak, en kullanışlı kaplama malzemeleri değerli metaller olduğu için bir maliyet faktörü vardır.
Malzemeler ve yöntemler
Kapsamlı olmamakla birlikte, aşağıdaki malzeme listesi SEM için kaplama numunelerini püskürtmek için kullanılan en yaygın metalleri açıklamaktadır. Bu bilginin yalnızca proses gazı olarak saf argon ile modern bir DC magnetron SEM püskürtmeli kaplayıcı (VPI – Model 900M) kullanıldığında geçerli olduğunu unutmayın. Bazı kaplamalar, işleme sırasında oksidasyon olasılığını azaltmak için daha iyi vakumda çalışan "yüksek çözünürlüklü" püskürtmeli kaplayıcılar (VPI – SD650MH) gerektirir; Aslında, bazı sistemler, bir ön şartlandırma adımında oksit hedefin kendisinden püskürtülürken numuneyi korumak için bir kapak kullanır. Karbon, genellikle mikroanaliz numuneleri için iletken bir kaplama olarak kullanılır, ancak bu malzeme, vakumlu buharlaştırma veya iyon ışını püskürtme yoluyla biriktirilmelidir.
Aletler
Genel olarak, iki tip püskürtmeli kaplayıcı vardır. Yukarıdaki sistem, VPI Yüksek Vakumlu Magnetron Püskürtme Kaplayıcı 650MH gibi "yüksek çözünürlüklü" bir püskürtme kaplayıcı olarak tanımlanabilir çünkü daha yüksek (ve daha temiz) bir vakum ortamı elde etmek için bir turbo pompa kullanılır ve odaya saf argon gazı geri doldurulur. havayı çıkarın ve püskürtme verimliliğini artırın. İkinci tip püskürtmeli kaplayıcı, VPI'nin Magnetron Püskürtme Kaplayıcı SD-900M Modeli gibi, mekanik bir pompayla yalnızca mütevazı bir vakum geliştiren ve bazen argon dolgu gazını oda havasıyla değiştiren daha temel bir birim olarak tanımlanabilir. Bu temel püskürtmeli kaplayıcı, Au, Au/Pd, Ag filmlerin kaplanması için kabul edilebilir, ancak daha ince tanecikli kaplamalar için uygun değildir. Daha zayıf bir vakuma ve hava dolgusuna sahip bir sistemin kullanılması, daha düşük püskürtme verimliliğine ve o kadar temiz olmayan birikmiş filmlere neden olur. Kalınlık ölçümleri olarak da adlandırılan kaplama filmi kalınlığı monitörü, sisteme özgü kuvars kalınlık monitörü (4~6 MHz'de çalışan) kullanılarak elde edildi (VPI'ler 900M, 650MH, Carbon Coater, kalınlık monitör ölçümleri gibi isteğe bağlı aksesuarlar sağlayabilir)
Hedef Metal Seçimi - Altın
Altın, iletken olmayan SEM numuneleri için belki de en yaygın kullanılan kaplama malzemesidir, ancak yüksek büyütmeli görüntülerin gerekli olduğu araştırma amaçları için püskürtmeli kaplama olarak önerilmez. Altın, yüksek bir ikincil elektron verimine sahiptir ve nispeten hızlı bir şekilde sıçrar, ancak kaplama yapısı, çoğu modern araştırma düzeyindeki SEM'lerde yüksek büyütmelerde gözlenebilen büyük adalardan (taneler) oluşur. Bu nedenle, kaplama yapısının numunenin yapısal detaylarına müdahale etmeyeceği düşük büyütmelerde, örneğin 5000x'den daha az, görüntüleme için kullanılmalıdır. Diğer değerli metal kaplamaların çoğunun paylaştığı bir avantaj olan Au kaplamalar laboratuvar havasında oksitlenmez. Au'nun X-ışını emisyon çizgileri, S ve Nb'den gelen X-ışınlarını engelleyebilirken, Au L-alfa çizgisi Ge'den gelen X-ışınlarını engelleyebilir. Bununla birlikte, Au kaplama uygun şekilde inceyse, niteliksel X-ışını mikro analizinde önemli sorunlar olmamalıdır.
Hedef Metal Seçimi - Altın/paladyum
Altın/paladyum püskürtmeli alaşımlar daha küçük tane boyutuna sahiptir ve genel araştırma amaçları için önerilen metal kaplamalardır. İkincil elektron verimleri yüksektir ve Au/Pd için püskürtme oranları, saf Au'dan yalnızca biraz daha düşüktür. Pd X-ışını çizgileri, diğer unsurlardan gelen önemli çizgilerle örtüşmez; bu nedenle, yukarıda Au için belirtilenin ötesinde, X-ışını mikroanaliziyle hiçbir ek girişim beklenemez.
Hedef Metal Seçimi - Platin
Platin, Au veya Au/Pd'den daha ince tane boyutuna sahiptir, bu da onu daha yüksek büyütme uygulamaları için daha uygun hale getirir. Püskürtülmüş bir Pt kaplama, yüksek bir SE verimi sergiler, ancak Pt, Au'dan daha düşük bir püskürtme oranına sahiptir. Pt'nin çatladığı gözlemlendi. Bu etki "stres çatlaması" olabilir ve püskürtmeli kaplamadaki oksijen birikimine atfedilebilir, bu da daha iyi vakuma sahip bir püskürtmeli kaplayıcıya duyulan ihtiyacı gösterir. Pt'nin karakteristik X-ışınları, P ve Zr'den gelen çizgilerle örtüşme potansiyeline sahiptir, ancak 1-2 nm kalınlığındaki kaplamalar için girişim minimum düzeyde olmalıdır.
Platin/paladyum alaşımı, saf Pt ile benzer küçük tane boyutuna ve yüksek SE verimine sahiptir, ancak "gerilme çatlamasına" karşı daha az hassastır. Pt/Pd alaşımı, yüksek büyütmeli uygulamalar için çok yönlü uygun bir kaplama malzemesidir.
Hedef Metal Seçimi - Krom
Krom çok ince bir tane boyutuna sahiptir, ancak püskürtme oranı Au'nun sadece yarısı kadardır. İnce Cr filmlerin, FE-SEM'lerde yüksek büyütmeli görüntüleme için yararlı bir kaplama malzemesi olduğu kanıtlanmıştır. Kolayca oksitlendiğinden, Cr, kaplamadan önce oksidi uzaklaştırmak üzere hedef koşullandırma için turbo pompalı, yüksek çözünürlüklü bir hedef kapağı (örneğin VPI'nin kaplayıcısı) ile püskürterek kaplayıcı kullanılmasını gerektirir. Haznenin saf argonla yıkanması ile birlikte daha iyi vakum, sıçrayan Cr tabakasının oksitlenmesini önlemek için oksijenin kısmi basıncını yeterince azaltır. Numune yüzeyindeki ince Cr film havada oksitlenir ve numuneler kaplamadan hemen sonra izlenmelidir. Numuneler yüksek vakumda saklanabilir. Krom, düşük Z malzemelerinin ve biyolojik numunelerin yüksek çözünürlüklü geri saçılan elektron görüntülemesi için mükemmel bir kaplama malzemesidir. Krom, X ışını mikro analizi için iyi bir seçim olabilir çünkü X ışını hatları, oksijen dışında yaygın numune elementleriyle karışmaz.
Hedef Metal Seçimi - İridyum
İridyum, neredeyse tüm numune malzemelerinde ince bir tane boyutu sergiler ve yüksek büyütmeli uygulamalar için çok yönlü mükemmel bir kaplama malzemesidir. Aynı zamanda genellikle en pahalı kaplama metalidir, tipik olarak Au/Pd ve Pt fiyatının yaklaşık iki katıdır. Bu oksitleyici olmayan malzeme yüksek bir SE verimine sahiptir ve bazı uygulamalarda yüksek çözünürlüklü numune kaplaması için kromun yerini almaktadır. Daha düşük oranda sıçratır ve VPI'nin yüksek vakumlu magnetron püskürtmeli kaplayıcı 650MH gibi turbo pompalı yüksek çözünürlüklü püskürtmeli kaplayıcı kullanılmasını gerektirir. Mikroanaliz için numuneler genellikle VPI'nin SD-980 darbeli termal buharlaştırmalı karbon kaplayıcısı tarafından buharlaştırılmış karbonla kaplandığından, karbonun X-ışını mikroanalizi ile analiz edilmesi gerektiğinde Ir iyi bir alternatif kaplama malzemesidir. Sırasıyla P ve Ga için Ir paraziti meydana gelebilir. Yine, 1-2 nm kalınlığında bir kaplama, X-ışını mikroanalizini engellemeden yeterli iletkenlik sağlayacaktır.
Hedef Metal Seçimi - Tungsten
Tungsten, son derece ince tane boyutuna sahip olduğu için yüksek çözünürlüklü kaplama için mükemmel bir kaplamadır. Ancak W hızla oksitlenir ve Cr için açıklanan aynı sıkı turbo pompalı yüksek çözünürlüklü kaplayıcıyı (VPI'nin yüksek vakumlu magnetron püskürtmeli kaplayıcı 650MH) gerektirir. Cr gibi refrakter bir metal olarak düşük püskürtme hızına sahiptir, ancak SE verimi yüksektir. Laboratuvar havasındaki hızlı oksitlenme nedeniyle numuneler kaplamadan hemen sonra görüntülenmelidir. W X-ışını spektrumu, çok çeşitli potansiyel mikroanaliz girişimlerine sahiptir, ancak son derece ince kaplama (< 1 nm) sorunu en aza indirir.
Diğer metaller. Özel amaçlar için alternatif değerli metaller (gümüş, tantal ve paladyum) ve yaygın metaller (nikel, bakır ve titanyum) kullanılmıştır. Bununla birlikte, kaplama oksidasyonu olasılığı, bazıları (Ag, Ta, Ni, Cu ve Ti) için hala sorun olabilir. Gümüşün diğer kaplamalarda bulunmayan özel bir avantajı vardır: çözülerek yüzeyi kaplanmamış duruma geri döndürür. VPI'nin yüksek vakumlu magnetron püskürtmeli DC ve RF güç tedarikçisi kaplayıcısı, malzemeler üzerinde her tür metal ve metal olmayan (yukarıda tartışılmıştır) kaplayabilir.
Özet ve İnceleme
Burada gösterilen bu makale, yalnızca proses gazı olarak argon ile modern bir turbo pompalı DC magnetron SEM püskürtme kaplayıcı (VPI SD-650MH veya SD-900M, SD-980 karbon kaplayıcı) kullanıldığında geçerlidir. Kaplamanın tane boyutu, kaplama kalınlığına ve kaplama/örnek malzeme etkileşimine bağlıdır. Kural olarak, kaplama ne kadar ince olursa, tane boyutu o kadar küçük olur. Yüzeyde boşluklar olan düzensiz bir topografya varsa, düzgün bir kaplama elde etmek zor olabilir. Sonuç olarak, yerelleştirilmiş yüzey şarjı görüntü kalitesini düşürebilir. Bu sorun genellikle püskürtmeli kaplama sistemi içinde konuşlandırılan dönen bir numune aşaması (VPI, isteğe bağlı numune yatay döndürme tasarım aşaması veya diğer oranlar sağlayabilir) ile düzeltilebilir. Kaplama kalınlığı, bir kuvars kalınlık monitörü kullanılarak belirlendi. Kural olarak kaplama kalınlığı, değer olarak mutlak olmayan kayıt değerlerini izler. Ayrıca film renginin ve opaklığının görsel değerlendirmesi, püskürtülen filmin kalınlığının tahmin edilmesinde faydalı olabilir. Numunenin X-ışını mikro analizi gerekiyorsa, numunede bulunmayan bir kaplama (hedef) malzemesi seçin. Bu, numunenin X-ışını spektrumundaki karışan piklerden kaçınmalıdır. Ayrıca numunenizden ve püskürtülen filmden olası tüm X-ışını çizgilerini göz önünde bulundurun. Sadece hangi X-ışını çizgilerinin mevcut olabileceği değil, aynı zamanda çalışmanızda kullanılacak elektron ışını hızlandırma voltajında (kV) hangi çizgilerin geliştirilebileceği de akılda tutulmalıdır. Tüm olası müdahalelerden kaçınılması gerekiyorsa, iletken olmayan bir numuneyi X-ışını mikro analizine uygun hale getirmek için klasik karbon biriktirme (termal buharlaştırma) önerilen yaklaşımdır. Bir SEM numunesini kaplamak için bir püskürtme hedefi seçmenin temel kuralı, mevcut SEM'in yetenekleriyle tutarlı en küçük tane boyutunu üreten metali seçmektir. Bu nedenle Au, 5000×'in altındaki büyütmeler için bir masa üstü SEM için kabul edilebilir; Au/Pd ve Pt, genel amaçlı SEM görüntüleme için yararlı olacaktır; ve Cr veya W, bir FE-SEM ile yüksek çözünürlüklü, yüksek büyütmeli görüntüleme için uygun olacaktır. Hedef metal seçildikten sonra, ideal olarak 1-2 nm aralığında, şarj etkilerini azaltan en ince metal filmi üretmek için çaba gösterilmelidir.
Öneriler
Püskürtmeli kaplayıcı hedef metallerinin değiştirilebilme kolaylığı, görüntüleme ve mikroanaliz veya malzeme bilimi kaplamaları için SEM numunelerinin hazırlanmasında esneklik sağlar. VPI Kaplayıcılar, küresel olarak her türden müşteri için uygun ve uygun maliyetlidir. Bu arada, düşük büyütmeli ve yüksek büyütmeli işler için hedefler mevcuttur ve temel analizi kolaylaştırmak için değiştirilebilirler. Mevcut SEM'in yetenekleriyle tutarlı en küçük taneli yapıyı üreten metal kaplamayı kullanın. Farklı püskürtme hedeflerinin maliyeti değişkendir, VPI'nin sağladığı püskürtme hedeflerinin performansı çok iyi ve kararlıdır ve bazıları, yüksek çözünürlüklü püskürtme kaplayıcının artırılmış pompalama/vakum kapasitesi gibi ek altyapı gerektirir.
