Sputtering Target's Material Selection per Magnetron Ion Sputter/Evaporating Coating Coater of SEM Samples and Materials Science
introduzione
Questo articolo descrive le opzioni del materiale target per i dispositivi di rivestimento a polverizzazione sputtering, i dispositivi di rivestimento a polverizzazione sputter di magnetron, i dispositivi di rivestimento a carbone per evaporazione termica che depositano un sottile rivestimento metallico o di carbonio su campioni SEM non conduttivi o altri substrati. Il rivestimento di un campione con un metallo conduttivo rende un campione isolante sufficientemente conduttivo da ridurre al minimo gli effetti di carica sull'immagine SEM. Nella maggior parte dei casi, il rivestimento di campioni SEM con solo pochi nanometri di un metallo produce immagini nitide e chiare. La corretta selezione del materiale target è dettata dai requisiti generali di imaging, dal SEM disponibile, dal materiale del campione da valutare e dall'eventuale necessità di microanalisi a raggi X.
Storia di SEM e Sputter Coater
Dalla sua introduzione commerciale nel 1965, il microscopio elettronico a scansione (SEM) si è evoluto per incorporare molti miglioramenti nelle capacità di imaging e microanalisi, ma il problema della carica in campioni non conduttivi rimane fino ai giorni nostri. L'utente SEM è comunque tenuto a far fronte all'esame di campioni non conduttivi caso per caso. Fortunatamente, ci sono una serie di strategie per aiutare in questo processo.
Mitigazione della carica
Il problema è il seguente. La carica negativa si accumula su un campione non conduttivo a normali tensioni di accelerazione degli elettroni (kV), in particolare al di sopra di 10 kV, perché più elettroni atterrano sul campione che se ne va come elettroni secondari (SE) o elettroni retrodiffusi (BSE). Ciò può produrre nell'immagine SEM forti aree luminose e scansionare spostamenti del raster. Questi artefatti dell'immagine possono essere così gravi che l'immagine risultante non ha alcuna relazione con l'oggetto sottoposto a scansione. Mentre la carica può essere ridotta al minimo mediante l'imaging a basse energie del raggio vicino a 1 keV, solo i recenti modelli SEM, in particolare quelli che impiegano cannoni elettronici a emissione di campo (FE-SEM), possono mantenere piccole dimensioni della sonda del fascio di elettroni sul campione a una tensione di accelerazione così bassa ( kV). In alternativa, un SEM a pressione variabile, operante in modalità a basso vuoto (pressione della camera del campione circa 1 torr=133 Pa), produce ioni positivi che possono neutralizzare la carica superficiale. Un terzo metodo per sopprimere l'accumulo di carica consiste nel depositare sulla superficie del campione non conduttivo un rivestimento conduttivo estremamente sottile, tipicamente un metallo che aggiunge una struttura minima alla vera superficie del campione. Quest'ultimo metodo è semplice, affidabile e può essere utilizzato con qualsiasi SEM. Alcuni rivestimenti presentano una struttura a grana che può essere osservata nei moderni SEM, in particolare quelli dotati di cannoni elettronici a emissione di campo (FE). Esiste una gamma di metalli per il rivestimento sputter, alcuni per l'uso a bassi ingrandimenti e altri per l'uso ad alti ingrandimenti in un FE-SEM. Un ulteriore vantaggio del rivestimento metallico è che la resa di elettroni secondari (SE) è solitamente molto più elevata rispetto alla superficie nuda non conduttiva.
Selezione del rivestimento
Il metallo di rivestimento deve essere selezionato per ottenere prestazioni ottimali in base al tipo di analisi da eseguire: ad esempio, imaging a basso ingrandimento, imaging ad alto ingrandimento o microanalisi. La maggior parte dei dispositivi di rivestimento a polverizzazione SEM consente rapidi cambi di target, consentendo al microscopista di selezionare un metallo di rivestimento appropriato per l'attività da svolgere. Il rivestimento spruzzato dovrebbe avere un'elevata resa di emissione di elettroni secondari in modo che il rapporto segnale/rumore sia elevato. Il rivestimento ideale non dovrebbe avere alcuna struttura (grani o isole) che possa interferire con i dettagli delle caratteristiche del campione. Pertanto, i rivestimenti con grani grandi sarebbero adatti solo per bassi ingrandimenti, dove la struttura del rivestimento sarebbe troppo piccola per essere vista. Alcuni metalli che producono rivestimenti a grana fine adatti per l'imaging ad alto ingrandimento, si depositano a velocità inferiori; ma questo non è un problema perché gli spessori di rivestimento utili sono piuttosto piccoli, tipicamente 1–3 nm. Alcuni materiali di rivestimento hanno linee di raggi X che possono interferire con il rilevamento di elementi nel campione. Tuttavia, alle tipiche tensioni di accelerazione, questo non dovrebbe essere un problema quando il rivestimento ha uno spessore di soli 1-2 nm. Se c'è una grave interferenza, potrebbe essere selezionato un altro metallo di rivestimento per rivestire quel campione. Infine, c'è un fattore di costo poiché i materiali di rivestimento più utili sono i metalli preziosi.
Materiali e metodi
Anche se non esaustivo, l'elenco dei materiali di seguito descrive i metalli più comuni utilizzati per lo sputtering dei campioni per il SEM. Tenere presente che queste informazioni sono valide solo quando si utilizza un moderno dispositivo di verniciatura a polverizzazione SEM magnetron CC (VPI - Modello 900M) con argon puro come gas di processo. Alcuni rivestimenti richiedono sputter coater “ad alta risoluzione” (VPI – SD650MH) che operano a vuoto migliore per ridurre la possibilità di ossidazione durante la lavorazione; infatti, alcuni sistemi impiegano un otturatore per schermare il campione mentre l'ossido viene espulso dal bersaglio stesso in una fase di precondizionamento. Il carbonio è comunemente usato come rivestimento conduttivo per i campioni di microanalisi, ma questo materiale dovrebbe essere depositato mediante evaporazione sotto vuoto o sputtering con fascio ionico.
Strumenti
In generale, esistono due tipi di sputter coater. Il sistema di cui sopra potrebbe essere descritto come uno sputter coater ad "alta risoluzione" come VPI High Vacuum Magnetron Sputtering Coater 650MH perché viene impiegata una pompa turbo per ottenere un ambiente di vuoto più elevato (e più pulito) e il gas argon puro viene riempito nella camera per rimuovere l'aria e aumentare l'efficienza dello sputter. Il secondo tipo di sputter coater può essere descritto come un'unità più basilare, che sviluppa solo un vuoto modesto con una pompa meccanica e talvolta sostituisce il gas di riempimento argon con aria ambiente, come il modello SD-900M di VPI Magnetron Sputtering Coater. Questo rivestimento sputter di base è accettabile per rivestire pellicole Au, Au/Pd, Ag, ma non per rivestimenti con granulometrie più fini. L'uso di un sistema con un vuoto e un riempimento d'aria inferiori comporta una minore efficienza di sputtering e film depositati che non sono altrettanto puliti. Il monitor dello spessore del film di rivestimento chiamato anche misurazioni dello spessore è stato ottenuto utilizzando il monitor dello spessore del quarzo (funzionante a 4 ~ 6 MHz) inerente al sistema (VPI 900M, 650MH, Carbon Coater potrebbe fornire accessori opzionali come le misurazioni del monitor dello spessore)
Target Metal Selection - Oro
L'oro è forse il materiale di rivestimento più utilizzato per campioni SEM non conduttivi, ma non è raccomandato come rivestimento sputter per scopi di ricerca in cui sono richieste immagini ad alto ingrandimento. L'oro ha un'elevata resa di elettroni secondari e sputa relativamente rapidamente, ma la struttura del rivestimento è composta da grandi isole (grani) che possono essere osservate ad alti ingrandimenti nella maggior parte dei moderni SEM a livello di ricerca. Pertanto, dovrebbe essere utilizzato solo per l'imaging a bassi ingrandimenti, diciamo meno di 5000 ×, dove la struttura del rivestimento non interferirà con i dettagli strutturali del campione. Un vantaggio condiviso dalla maggior parte degli altri rivestimenti in metalli preziosi, i rivestimenti Au non si ossidano all'aria di laboratorio. Le linee di emissione di raggi X dell'Au possono interferire con i raggi X di S e Nb, mentre la linea Au L-alfa può interferire con i raggi X di Ge. Se il rivestimento Au è opportunamente sottile, tuttavia, non dovrebbero esserci problemi significativi con la microanalisi qualitativa a raggi X.
Target Metal Selection - Oro/palladio
Le leghe spruzzate oro/palladio hanno una granulometria più piccola e sono i rivestimenti metallici consigliati per scopi di ricerca generale. Le rese di elettroni secondari sono elevate e le velocità di sputtering per Au/Pd sono solo leggermente inferiori a quelle per Au puro. Le linee dei raggi X del Pd non si sovrappongono a linee importanti di altri elementi; pertanto, non ci si aspetterebbe alcuna ulteriore interferenza con la microanalisi a raggi X oltre a quella sopra menzionata per Au.
Target Metal Selection - Platino
Il platino ha una granulometria più fine rispetto all'Au o all'Au/Pd, il che lo rende più adatto per applicazioni ad alto ingrandimento. Un rivestimento di Pt sputterato presenta un'elevata resa in SE, ma il Pt ha una velocità di sputtering inferiore rispetto all'Au. È stato osservato che Pt si rompe. Questo effetto potrebbe essere "stress cracking" e potrebbe essere attribuito alla deposizione di ossigeno nel rivestimento sputterizzato, indicando la necessità di un rivestimento sputtering con un migliore vuoto. I raggi X caratteristici di Pt hanno il potenziale per sovrapporsi con le linee di P e Zr, ma l'interferenza dovrebbe essere minima per rivestimenti spessi 1–2 nm.
La lega di platino/palladio ha una granulometria piccola simile e un'elevata resa in SE del Pt puro, ma è meno sensibile allo "stress cracking". La lega Pt/Pd è un materiale di rivestimento universale adatto per applicazioni ad alto ingrandimento.
Target Metal Selection - Cromo
Il cromo ha una granulometria molto fine, ma il tasso di sputtering è solo circa la metà di quello dell'au. I film sottili di Cr hanno dimostrato di essere un utile materiale di rivestimento per l'imaging ad alto ingrandimento nei FE-SEM. Poiché si ossida facilmente, il Cr richiede l'uso di un rivestimento sputter ad alta risoluzione con pompaggio turbo con un otturatore target (ad esempio il rivestimento VPI) per il condizionamento del target per rimuovere l'ossido prima del rivestimento. Il vuoto migliore, in combinazione con il flussaggio della camera con argon puro, riduce la pressione parziale dell'ossigeno abbastanza da evitare l'ossidazione dello strato di Cr polverizzato. La sottile pellicola di Cr sulla superficie del campione si ossiderà all'aria e i campioni devono essere visualizzati immediatamente dopo il rivestimento. I campioni possono essere conservati in alto vuoto. Il cromo è un materiale di rivestimento eccellente per l'imaging elettronico retrodiffuso ad alta risoluzione di materiali Z bassi e campioni biologici. Il cromo può essere una buona scelta per la microanalisi a raggi X perché le sue linee di raggi X non interferiscono con i comuni elementi del campione ad eccezione dell'ossigeno.
Selezione del metallo bersaglio - Iridium
L'iridio presenta una granulometria fine praticamente su tutti i materiali dei campioni ed è un eccellente materiale di rivestimento a tutto tondo per applicazioni ad alto ingrandimento. Di solito è anche il metallo di rivestimento più costoso, in genere circa il doppio del prezzo di Au/Pd e Pt. Questo materiale non ossidante ha un'elevata resa SE e per alcune applicazioni ha sostituito il cromo per il rivestimento di campioni ad alta risoluzione. Sputtera a una velocità inferiore e richiede l'uso di un dispositivo di verniciatura a polverizzazione sputtering ad alta risoluzione con pompa turbo come il rivestimento a polverizzazione sputtering ad alto vuoto con magnetron 650MH di VPI. Poiché i campioni per la microanalisi sono spesso rivestiti con carbonio evaporato dal rivestimento di carbonio a evaporazione termica pulsante SD-980 di VPI, Ir è un buon materiale di rivestimento alternativo quando il carbonio deve essere analizzato mediante microanalisi a raggi X. L'interferenza dell'Ir potrebbe verificarsi rispettivamente per P e Ga. Ancora una volta, un rivestimento spesso 1-2 nm fornirà un'adeguata conduttività senza interferire con la microanalisi a raggi X.
Selezione del metallo bersaglio: tungsteno
Il tungsteno è un rivestimento eccellente per il rivestimento ad alta risoluzione poiché ha una granulometria estremamente fine. Ma il W si ossida rapidamente e richiede lo stesso rigoroso rivestimento ad alta risoluzione con pompaggio turbo (il magnetron sputtering coater 650MH ad alto vuoto di VPI) descritto per il Cr. Essendo un metallo refrattario come il Cr, ha un basso tasso di sputtering, ma la resa SE è elevata. I campioni devono essere sottoposti a imaging immediatamente dopo il rivestimento a causa della rapida ossidazione nell'aria di laboratorio. Lo spettro di raggi X W presenta un'ampia gamma di potenziali interferenze di microanalisi, ma il rivestimento estremamente sottile (< 1 nm) riduce al minimo il problema.
Altri metalli. Metalli preziosi alternativi (argento, tantalio e palladio) e metalli comuni (nichel, rame e titanio) sono stati utilizzati per scopi speciali. Tuttavia, la possibilità di ossidazione del rivestimento può essere ancora un problema per alcuni di essi (Ag, Ta, Ni, Cu e Ti). L'argento ha un vantaggio particolare che non si trova con altri rivestimenti: può essere sciolto, riportando la superficie allo stato non rivestito. Il magnetron ad alto vuoto che sputtering DC e il rivestimento dell'alimentatore RF di VPI potrebbe rivestire tutti i tipi di metalli e non metalli (discussi sopra) sui materiali.
Sintesi e revisione
Questo articolo ha mostrato qui sono validi solo quando si utilizza un moderno rivestimento sputter SEM magnetron CC con pompa turbo (VPI SD-650MH o SD-900M, rivestimento in carbonio SD-980) con argon come gas di processo. La granulometria del rivestimento dipende dallo spessore del rivestimento e dall'interazione tra rivestimento e materiale campione. Di norma, più sottile è il rivestimento, minore è la granulometria. Se la superficie presenta una topografia irregolare con cavità, potrebbe essere difficile ottenere un rivestimento uniforme. Di conseguenza, la carica superficiale localizzata potrebbe degradare la qualità dell'immagine. Questo problema di solito può essere risolto con uno stadio di campionamento rotante (VPI potrebbe fornire uno stadio di progettazione di rotazione orizzontale del campione opzionale o altre classificazioni) distribuito all'interno del sistema di rivestimento a polverizzazione sputter. Lo spessore del rivestimento è stato determinato utilizzando un monitor dello spessore al quarzo. Di norma i monitor dello spessore del rivestimento registrano valori che non sono valori assoluti. Anche la valutazione visiva del colore e dell'opacità del film può essere utile per stimare lo spessore del film spruzzato. Se è richiesta la microanalisi a raggi X del campione, selezionare un materiale di rivestimento (target) non presente nel campione. Questo dovrebbe evitare picchi interferenti nello spettro dei raggi X del campione. Considera anche tutte le linee di raggi X possibili dal tuo campione e dalla pellicola spruzzata. È necessario tenere presente non solo quali linee di raggi X potrebbero essere presenti, ma anche quali linee potrebbero essere potenziate alla tensione di accelerazione del fascio di elettroni (kV) da utilizzare nel proprio studio. Se tutte le possibili interferenze devono essere evitate, la classica deposizione di carbonio (evaporazione termica) è l'approccio consigliato per rendere un campione non conduttivo suscettibile di microanalisi a raggi X. La regola empirica per la selezione di un target di sputtering per rivestire un campione SEM è scegliere il metallo che produce la granulometria più piccola coerente con le capacità del SEM disponibile. Pertanto, Au può essere accettabile per un SEM da tavolo per ingrandimenti inferiori a 5000 ×; Au/Pd e Pt sarebbero utili per l'imaging SEM generico; e Cr o W sarebbero appropriati per l'imaging ad alta risoluzione e ad alto ingrandimento con un FE-SEM. Una volta selezionato il metallo bersaglio, lo sforzo dovrebbe essere quello di produrre il film metallico più sottile che mitighi gli effetti di carica, idealmente nell'intervallo di 1–2 nm.
Suggerimenti
La facilità con cui è possibile modificare i metalli target del rivestimento sputtering consente flessibilità nella preparazione di campioni SEM per imaging e microanalisi o rivestimenti di scienza dei materiali. I rivestimenti VPI sono adatti e convenienti per tutti i tipi di clienti a livello globale. Nel frattempo sono disponibili obiettivi per lavori a basso ingrandimento e ad alto ingrandimento e possono essere modificati per facilitare l'analisi elementare. Utilizzare il rivestimento metallico che produce la struttura a grana più piccola coerente con le capacità del SEM disponibile. Diversi target di sputtering variano in termini di costo, le prestazioni dei target di sputtering fornite da VPI sono molto buone e stabili e alcuni richiedono infrastrutture aggiuntive come le maggiori capacità di pompaggio/vuoto di un dispositivo di verniciatura a sputtering ad alta risoluzione.
