בחירת החומרים של מטרת מקרטעת למגזז יון מגנטרון / ציפוי ציפוי אידוי של דוגמאות SEM ומדעי החומרים
מבוא
מאמר זה מתאר אפשרויות של חומרי מטרה עבור ציפויי מרססים, מצפי מגנוטרון, ציפוי פחמן אידוי תרמי המפקידים מתכת דקה או ציפוי פחמן על דגימות SEM לא מוליכות או מצעים אחרים. ציפוי מדגם במתכת מוליכה הופך מדגם בידוד למוליך מספיק כדי למזער את השפעות הטעינה על תמונת SEM. ברוב המקרים, ציפוי דגימות SEM בננומטרים בודדים בלבד של מתכת מביא לתמונות חדות וברורות. בחירת חומר מטרה נכונה מוכתבת על ידי דרישות ההדמיה הכוללות, ה-SEM הזמין, חומר הדגימה המוערך והאם תידרש מיקרואנליזה בקרני רנטגן.
היסטוריה של SEM ו-Sputter Coater
מאז ההשקה המסחרית שלו ב-1965, מיקרוסקופ האלקטרונים הסורק (SEM) התפתח כדי לשלב שיפורים רבים ביכולות ההדמיה והמיקרואנליזה, אך בעיית הטעינה בדגימות לא מוליכות נותרה עד ימינו. משתמש SEM עדיין נדרש להתמודד עם בחינת דגימות לא מוליכות על בסיס כל מקרה לגופו. למרבה המזל, ישנן מספר אסטרטגיות לסייע בתהליך זה.
הפחתת חיובים
הבעיה היא כדלקמן. מטען שלילי מצטבר על דגימה לא מוליכה במתחי האצת אלקטרונים נורמליים (kV), במיוחד מעל 10 קילו וולט, מכיוון שיותר אלקטרונים נוחתים על הדגימה שעוזבים כאלקטרונים משניים (SE) או אלקטרונים מפוזרים לאחור (BSE). זה יכול לייצר בתמונת SEM אזורים בהירים חזקים ולסרוק תנועות רסטר. חפצי תמונה אלה יכולים להיות כה חמורים שלתמונה המתקבלת אין קשר לאובייקט הנסרק. אמנם ניתן למזער את הטעינה על ידי הדמיה באנרגיות אלומה נמוכות ליד 1 keV, אך רק דגמי SEM עדכניים, במיוחד אלה המשתמשים באקדחי אלקטרונים פליטת שדה (FE-SEMs), יכולים לשמור על גדלי בדיקה קטנים של אלומת אלקטרונים על הדגימה במתח תאוצה נמוך כל כך ( קילו וולט). לחלופין, SEM בלחץ משתנה, הפועל במצב ואקום נמוך (לחץ תא דגימה כ-1 torr=133 Pa), מייצר יונים חיוביים שיכולים לנטרל טעינת פני השטח. שיטה שלישית לדיכוי הצטברות מטען היא להפקיד על משטח הדגימה הלא מוליך ציפוי מוליך דק במיוחד, בדרך כלל מתכת המוסיפה מבנה מינימלי למשטח הדגימה האמיתי. השיטה האחרונה קלה, אמינה וניתן להשתמש בה עם כל SEM. ציפויים מסוימים מציגים מבנה גרגר שניתן לראות ב-SEMs מודרניים, במיוחד אלה המצוידים בתותחי אלקטרונים פליטת שדה (FE). יש מגוון מתכות לציפוי מקרטעים, חלקן לשימוש בהגדלות נמוכות ואחרות לשימוש בהגדלות גבוהות ב-FE-SEM. יתרון נוסף של ציפוי מתכת הוא שהתפוקה של אלקטרונים משניים (SEs) היא בדרך כלל הרבה יותר גבוהה מאשר עבור המשטח החשוף שאינו מוליך.
בחירת ציפוי
יש לבחור את מתכת הציפוי כדי להשיג ביצועים מיטביים בהתבסס על סוג הניתוח שיש לבצע: לדוגמה, הדמיה בהגדלה נמוכה, בהגדלה גבוהה או מיקרואנליזה. רוב מצופי ה-SEM מרססים מאפשרים שינויי יעד מהירים, ומאפשרים למיקרוסקופ לבחור מתכת ציפוי מתאימה למשימה שעל הפרק. הציפוי המקרטע צריך להיות בעל תפוקת פליטת אלקטרונים משנית גבוהה כך שיחס האות לרעש יהיה גבוה. הציפוי האידיאלי לא צריך להיות בעל מבנה (גרגרים או איים) שיפריע לפרטים של תכונות הדגימה. לפיכך, ציפויים עם גרגירים גדולים יתאימו רק להגדלות נמוכות, כאשר מבנה הציפוי יהיה קטן מכדי לראות. מתכות מסוימות המייצרות ציפויים עדינים המתאימים להדמיה בהגדלה גבוהה, מושקעות בקצב איטי יותר; אבל, זו לא בעיה מכיוון שעובי הציפוי השימושי הוא קטן למדי, בדרך כלל 1-3 ננומטר. לחלק מחומרי הציפוי יש קווי רנטגן שעלולים להפריע לזיהוי אלמנטים בדגימה. עם זאת, במתחים מאיצים טיפוסיים, זו לא אמורה להיות בעיה כאשר הציפוי הוא בעובי של 1-2 ננומטר בלבד. אם יש הפרעה רצינית, ניתן לבחור מתכת ציפוי אחרת לציפוי דגימה זו. לבסוף, יש גורם עלות שכן חומרי הציפוי השימושיים ביותר הם מתכות יקרות.
חומרים ושיטות
למרות שאינה ממצה, רשימת החומרים שלהלן מתארת את המתכות הנפוצות ביותר המשמשות לקפיצת ציפוי דגימות עבור SEM. זכור כי מידע זה תקף רק כאשר משתמשים בציפוי DC magnetron SEM sputter coater מודרני (VPI – דגם 900M) עם ארגון טהור כגז התהליך. ציפויים מסוימים דורשים ציפויים "ברזולוציה גבוהה" (VPI - SD650MH) הפועלים בוואקום טוב יותר כדי להפחית את האפשרות של חמצון במהלך העיבוד; למעשה, מערכות מסוימות משתמשות בתריס כדי להגן על הדגימה בזמן שהתחמוצת ניתזת מהמטרה עצמה בשלב מיזוג מראש. פחמן משמש בדרך כלל כציפוי מוליך עבור דגימות מיקרואנליזה, אך יש להפקיד חומר זה על ידי אידוי ואקום או התזת קרן יונים.
כלים
באופן כללי, ישנם שני סוגים של מקפיונים. ניתן לתאר את המערכת לעיל כציפוי מקפיץ "ברזולוציה גבוהה" כמו VPI High Vacuum Magnetron Sputtering Coater 650MH מכיוון שמשאבת טורבו משמשת כדי להשיג סביבת ואקום גבוהה יותר (ונקה יותר), וגז ארגון טהור מתמלא בתא כדי להסיר אוויר ולהגביר את יעילות הקפיצה. ניתן לתאר את הסוג השני של ציפוי מרסס כיחידה בסיסית יותר, המפתחת רק ואקום צנוע עם משאבה מכנית ולעתים מחליפה גז מילוי ארגון באוויר חדר, כמו דגם Magnetron Sputtering Coater SD-900M של VPI. ציפוי מרסס בסיסי זה מקובל לציפוי סרטי Au, Au/Pd, Ag, אך לא לציפויים עם גדלי גרגרים עדינים יותר. שימוש במערכת עם ואקום ומילוי אוויר גרוע יותר גורם ליעילות קיצוץ נמוכה יותר וסרטים מושקעים שאינם נקיים כל כך. מוניטור עובי סרט ציפוי הנקרא גם מדידות עובי הושגו באמצעות צג עובי הקוורץ (פועל ב-4~6 מגה-הרץ) המובנה במערכת (900M, 650MH, Carbon Coater של VPI יכול לספק אביזרים אופציונליים כמו מדידות מוניטור עובי)
בחירת מתכת מטרה - זהב
זהב הוא אולי חומר הציפוי הנפוץ ביותר עבור דגימות SEM לא מוליכות, אך הוא אינו מומלץ כציפוי מקרטעים למטרות מחקר בהן נדרשות תמונות בהגדלה גבוהה. לזהב תפוקת אלקטרונים משנית גבוהה ומנתזת במהירות יחסית, אך מבנה הציפוי מורכב מאיים גדולים (גרגירים) שניתן לראות בהגדלות גבוהות ברוב ה-SEM ברמת המחקר המודרנית. לפיכך, יש להשתמש בו רק להדמיה בהגדלות נמוכות, נניח פחות מ-5000×, כאשר מבנה הציפוי לא יפריע לפרטים המבניים של המדגם. יתרון משותף לרוב ציפוי המתכות היקרות האחרות, ציפוי Au אינם מתחמצנים באוויר המעבדה. קווי פליטת רנטגן של ה-Au עשויים להפריע לקרני רנטגן מ-S ו-Nb, בעוד שקו Au L-alpha עשוי להפריע לקרני רנטגן מ-Ge. עם זאת, אם ציפוי Au דק כראוי, לא אמורות להיות בעיות משמעותיות במיקרואנליזה איכותית של רנטגן.
בחירת מתכת מטרה - זהב/פלדיום
סגסוגות זהב/פלדיום מקוטעות בעלות גודל גרגר קטן יותר והן ציפוי המתכת המומלץ למטרות מחקר כלליות. תפוקת האלקטרונים המשנית גבוהה, ושיעורי הקפיצה עבור Au/Pd נמוכים רק במעט מאשר עבור Au טהור. קווי רנטגן Pd אינם חופפים קווים חשובים מאלמנטים אחרים; לפיכך, לא צפויה הפרעה נוספת למיקרואנליזה של קרני רנטגן מעבר לזו שהוזכרה לעיל עבור Au.
בחירת מתכת מטרה - פלטינה
לפלטינה יש גודל גרגר עדין יותר מאשר Au או Au/Pd, מה שהופך אותו למתאים יותר ליישומים בהגדלה גבוהה יותר. ציפוי Pt מקרטע מציג תפוקת SE גבוהה, אך ל-Pt יש שיעור קיצוץ נמוך יותר מאשר Au. Pt נצפה כסדק. אפקט זה יכול להיות "פיצוח מתח" וניתן לייחס אותו לשקיעת חמצן בציפוי המקרטע, מה שמעיד על הצורך בציפוי מקפיץ עם ואקום טוב יותר. לקרני הרנטגן האופייניות של Pt יש פוטנציאל לחפיפה לקווים מ-P ו-Zr, אך ההפרעה צריכה להיות מינימלית עבור ציפויים בעובי 1-2 ננומטר.
לסגסוגת פלטינה/פלדיום יש גודל גרגר קטן ותפוקת SE גבוהה כמו Pt טהור, אך היא פחות רגישה ל"פיצוחי מתח". סגסוגת Pt/Pd היא חומר ציפוי מתאים לכל-עגול ליישומים בהגדלה גבוהה.
בחירת מתכת מטרה - כרום
לכרום יש גודל גרגר עדין מאוד, אך קצב הקפיצה הוא רק כמחצית מזה של Au. סרטי Cr דקים הוכחו כחומר ציפוי שימושי להדמיה בהגדלה גבוהה ב-FE-SEMs. מכיוון שהוא מתחמצן בקלות, Cr מצריך שימוש בציפוי מקפיץ עם משאבת טורבו ברזולוציה גבוהה עם תריס מטרה (ציפוי של VPI למשל) לצורך מיזוג מטרה כדי להסיר את התחמוצת לפני הציפוי. הוואקום הטוב יותר, בשילוב עם שטיפת ארגון טהורה של החדר, מפחית את הלחץ החלקי של החמצן מספיק כדי למנוע חמצון של שכבת ה-Cr המקרטעת. סרט Cr דק על משטח הדגימה יתחמצן באוויר, ויש לצפות בדגימות מיד לאחר הציפוי. ניתן לאחסן דגימות בוואקום גבוה. כרום הוא חומר ציפוי מצוין להדמיית אלקטרונים מפוזרים ברזולוציה גבוהה של חומרי Z נמוך ודגימות ביולוגיות. כרום יכול להיות בחירה טובה עבור מיקרואנליזה של רנטגן מכיוון שקווי הרנטגן שלו אינם מפריעים ליסודות הדגימה הנפוצים למעט חמצן.
בחירת מתכת מטרה - אירידיום
אירידיום מציג גודל גרגר עדין על כמעט כל חומרי הדגימה והוא חומר ציפוי מעולה לכל סיבוב עבור יישומים בהגדלה גבוהה. זוהי גם בדרך כלל מתכת הציפוי היקרה ביותר, בדרך כלל בערך פי שניים מהמחיר של Au/Pd ו-Pt. לחומר שאינו מחמצן זה יש תפוקת SE גבוהה, ובכמה יישומים הוא החליף כרום לציפוי דגימות ברזולוציה גבוהה. הוא מקרטז בקצב נמוך יותר ודורש שימוש בציפוי מקפיץ ברזולוציה גבוהה עם משאבת טורבו כמו ציפוי מגנוטרון 650MH בוואקום גבוה של VPI. מכיוון שדגימות למיקרואנליזה מצופות לעתים קרובות בפחמן אידוי על ידי ציפוי פחמן אידוי תרמי פועם של VPI SD-980, Ir הוא חומר ציפוי חלופי טוב כאשר יש לנתח פחמן באמצעות מיקרואנליזה בקרני רנטגן. הפרעה של ה-Ir עלולה להתרחש עבור P ו-Ga, בהתאמה. שוב, ציפוי בעובי 1-2 ננומטר יספק מוליכות נאותה מבלי להפריע למיקרואנליזה של קרני רנטגן.
בחירת מתכת מטרה - טונגסטן
טונגסטן הוא ציפוי מצוין לציפוי ברזולוציה גבוהה מכיוון שיש לו גודל גרגר עדין במיוחד. אבל W מתחמצן במהירות ודורש את אותו ציפוי ברזולוציה גבוהה עם שאוב טורבו מחמיר (ציפוי מגנוטרון 650MH של VPI בוואקום גבוה) המתואר עבור Cr. כמתכת עקשנית כמו Cr, יש לה קצב ריזור נמוך, אך תפוקת SE גבוהה. יש לצלם דגימות מיד לאחר הציפוי בגלל חמצון מהיר באוויר המעבדה. לספקטרום קרני ה-W יש מגוון רחב של הפרעות פוטנציאליות למיקרואנליזה, אך הציפוי הדק במיוחד (< 1 ננומטר) ממזער את הבעיה.
מתכות אחרות. מתכות יקרות חלופיות (כסף, טנטלום ופלדיום) ומתכות נפוצות (ניקל, נחושת וטיטניום) שימשו למטרות מיוחדות. עם זאת, האפשרות של חמצון ציפוי עדיין עשויה להוות בעיה עבור חלק מהם (Ag, Ta, Ni, Cu ו-Ti). לכסף יש יתרון מיוחד שלא נמצא בציפויים אחרים: ניתן להמיס אותו, ולהחזיר את פני השטח למצב לא מצופה. ציפוי ספקי הכוח של ספקי החשמל בוואקום ואקום גבוה של VPI יכול לצפות על החומרים כל מיני מתכות ולא מתכות (שדנו למעלה).
סיכום וסקירה
מאמר זה הראה כאן תקפים רק כאשר משתמשים בציפוי פחמן DC מגנטרון SEM מודרני עם משאבת טורבו (VPI SD-650MH או SD-900M, SD-980 ציפוי פחמן) עם ארגון כגז התהליך. גודל הגרגיר של הציפוי תלוי בעובי הציפוי ובאינטראקציה של ציפוי/חומר המדגם. ככלל, ככל שהציפוי דק יותר, כך גודל הגרגיר קטן יותר. אם למשטח יש טופוגרפיה לא סדירה עם חללים, ייתכן שיהיה קשה להשיג ציפוי אחיד. כתוצאה מכך, טעינת שטח מקומית עלולה לפגוע באיכות התמונה. בדרך כלל ניתן לתקן בעיה זו עם שלב דגימה מסתובב (VPI יכול לספק שלב עיצוב סיבוב אופקי מדגם אופציונלי או דרגות אחרות) הנפרסת בתוך מערכת ציפוי הקפיצים. עובי הציפוי נקבע באמצעות מוניטור עובי קוורץ. ככלל עובי הציפוי מנטר ערכי רישום שאינם מוחלטים בערכם. כמו כן, הערכה ויזואלית של צבע הסרט והאטימות יכולה להיות שימושית בהערכת עובי הסרט המקרטע. אם נדרשת מיקרואנליזה בקרני רנטגן של המדגם, בחר חומר ציפוי (יעד) שאינו קיים בדגימה. זה אמור למנוע הפסגות מפריעות בספקטרום רנטגן של הדגימה. שקול גם את כל קווי הרנטגן האפשריים מהדגימה שלך ומהסרט המקרטע. יש לזכור לא רק אילו קווי רנטגן עשויים להיות קיימים, אלא גם אילו קווים ניתן לשפר במתח האצת קרן האלקטרונים (kV) שישמש במחקר שלך. אם יש להימנע מכל ההפרעות האפשריות, אז שקיעת פחמן קלאסית (איידוי תרמי) היא הגישה המומלצת כדי להפוך דגימה לא מוליכה מתאימה למיקרואנליזה של קרני רנטגן. כלל האצבע לבחירת מטרת מקרטעת לציפוי דגימת SEM היא לבחור את המתכת שמייצרת את גודל הגרגיר הקטן ביותר העולה בקנה אחד עם היכולות של ה-SEM הזמין. לפיכך, Au עשוי להיות מקובל עבור SEM על שולחן עבור הגדלות מתחת ל-5000×; Au/Pd ו-Pt יהיו שימושיים להדמיית SEM למטרות כלליות; ו- Cr או W יתאימו להדמיה ברזולוציה גבוהה, בהגדלה גבוהה עם FE-SEM. לאחר בחירת מתכת המטרה, המאמץ צריך להיות לייצר את סרט המתכת הדק ביותר המפחית את השפעות הטעינה, באופן אידיאלי בטווח של 1-2 ננומטר.
הצעות
הקלות שבה ניתן לשנות מתכות מטרה לציפוי מקפיץ מאפשרת גמישות בהכנת דגימות SEM להדמיה ומיקרואנליזה או ציפוי מדעי החומר. ציפוי VPI מתאימים וחסכוניים עבור כל מיני לקוחות ברחבי העולם. בינתיים מטרות זמינות לעבודה בהגדלה נמוכה ובעבודה בהגדלה גבוהה, וייתכן שהן ישתנו כדי להקל על ניתוח אלמנטים. השתמש בציפוי המתכת המייצר את מבנה הגרגירים הקטן ביותר התואם את היכולות של ה-SEM הזמין. מטרות הקפיצה השונות משתנות בעלותן, הביצועים של יעדי הקפיצה VPI מספקים טובים ויציבים, וחלקם דורשים תשתית נוספת כגון יכולות שאיבה/וואקום מוגברות של ציפוי מרסס ברזולוציה גבוהה.
