Fókuszált ionsugaras megmunkálás
Energia-diszperzív röntgen elemanalízis és Fókuszált ionsugaras megmunkálás
FEI Quanta 3D SEM/FIB
Dankházi Zoltán 2015. március 1
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Energia-diszperzív röntgen elemanalízis EDS = Energy Dispersive Spectroscopy Hol található a SEM/FIB berendezésen?
elektron oszlop
EDS detektor 2
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Energia-diszperzív röntgen elemanalízis • Hogyan működik? – elektron besugárzás egyik termék foton lumineszcencia jelenség részben a röntgen tartományba esik atomfajtánként eltérő energia – fotonszámlálás energia-érzékeny detektor: SDD sokcsatornás analizátor
3
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Energia-diszperzív röntgen elemanalízis • A röntgen spektroszkópia - alapjelenség Belső héjak (core electrons) gerjesztése. A gerjesztéshez általában több száz eV - keV nagyságrendű energia szükséges. (Az energia pl. Cu K héja esetében ~ 9 keV. ) Jelölések: n = 1, 2, 3, ... főkvantumszám helyett a K, L, M,.... l = 1, 2,...n-1 mellékkvantumszám (pálya impulzus momentum) s, p, d, f Az elektron energiája kismértékben függ még a spin impulzus momentumtól (s) is. A teljes impulzus momentumot jellemző érték: j = 1/2, 3/2, .... Kiválasztási szabály l-re és j-re: Δl 1; Δj 0 , 1
Gerjesztés: • min. ~1,6 x E0 • elektron lökődik ki • visszarendeződés • energiakülönbség -> foton 4
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Energia-diszperzív röntgen elemanalízis • A röntgen spektroszkópia - alapjelenség Ha a K héjon keletkezett elektron vakancia az L héjról töltődik be: Kα vonal. (Cu Kα E ~ 8 keV). Ha a K héjon keletkezett elektron vakancia az M héjról töltődik be: Kβ vonal. (Cu Kβ E ~ 8,9 keV). Ezután a L héjon keletkezik vakancia, amely magasabb héjról töltődik be, stb. Így keletkezik az egy atomra jellemző spektrum, amely alkalmas ennek azonosítására.
Az atom K vonalainak keletkezése
(Ha az elektron vakancia betöltődés során keletkező energia foton formájában nem távozik az atomból, hanem átadódik egy külső héjon lévő elektronnak, akkor ez az elektron kilökődik, ez az Auger-elektron. A KL1L23 és MNN átmenetek gyakoriak.) Az atom L vonalainak keletkezése
5
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Energia-diszperzív röntgen elemanalízis • A röntgen spektroszkópia - detektálás Szilícium drift detektor (Silicon Drift Detector, SDD) Alapanyaga: nagytisztaságú Si egykristály n típusú félvezetőnek szennyezve. Már NINCS Li szennyezés! • Egyik felületén folyamatos, másikon gyűrűkben p típusú réteg –> formált potenciáltér • Elnyelődő fotonok elektronlyuk párokat keltenek • Befelé vándorló elektronok a középen kialakított FET-be jutnak.
• Kisméretű anód –> gyors (800 000 cps) alacsony holtidő gyors elemzés
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Energia-diszperzív röntgen elemanalízis SDD röntgendetektor (folytatás) • • •
•
szobahőmérsékleten tárolható szobahőmérséklet közelében üzemeltethető – zajcsökkentés végett Peltier-elemes hűtés nagy felület, nagy térszög – mérsékelt nyalábintenzitásnál: • a képalkotó nyalábbal már lehet elemezni • csekély az e-nyaláb terhelő, károsító hatása – intenzív elektronnyaláb: • gyors, pontos elemzés, anyagtérkép ΔE/E = 130 eV / 5899 eV (Mn Kα)
2,2% Ametek EDAX „Apollo X” 7
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Energia-diszperzív röntgen elemanalízis FELBONTÁS
vizsgálati mélység
laterális felbontás
Anderson – Hasler RX-Ray = 0,064*(E01,68-Ec1,68)/ρ [μm]
[keV]
[g/cm3]
Cu atomok Al céltárgyban
Al atomok Cu céltárgyban 8
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Energia-diszperzív röntgen elemanalízis • A röntgen spektroszkópia - adatfeldolgozás •
a keltett röntgen-fotonok energiájának mérése: SDD (spektrumvonal helye)
•
számlálás (spektrumvonal magassága)
•
spektrumanalizátor program adattárolás és adatfeldolgozás
•
a fotonszám a gerjesztett atomok koncentrációjával egyenesen arányos (jó közelítés)
•
az eredményt számítógép képernyőjén jeleníthetünk meg
9
Fókuszált ionsugaras megmunkálás
példa
beütésszám
spektrum gyűjtés
elem azonosítás
fotonenergia [keV]
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Energia-diszperzív röntgen elemanalízis elemtérkép
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Energia-diszperzív röntgen elemanalízis
korlátok, artefaktumok •
közeli – a reális detektorokban átfedő – csúcsok • szakirodalmi példa: PtAuNb ötvözet 2,05 ... 2,25 keV
•
"szellem" csúcsok energia-összegeknél • oka: egymásra ülő impulzusok • elkerülése (csökkentése): számlálási holtidő, szoftveres felismerés
•
inhomogén minták, árnyékba kerülő területek – durva, üreges felület, porózus anyag
•
téves csúcs azonosítás – ha kritika nélkül támaszkodunk a beépített szoftverre
•
kihagyott elemek – a berilliumtól tudunk mérni
12
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Energia-diszperzív röntgen elemanalízis Alkalmazási területek •
Ipar - fémek és fémötvözetek - kerámia - üveg – –
•
Néhány μm ... néhány mm-es szemcsék egyedi összetétele kutatás+fejlesztés, minőségellenőrzés, hibaelemzés újabban hibajavítás
Félvezetőgyártás és -fejlesztés
∞
szakirodalma van
13
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Energia-diszperzív röntgen elemanalízis KÉTSUGARAS SPECIALITÁSOK
1 mélységi EDS térkép
2 ionsugár gerjesztés: • mellékhatás: ionporlasztás (nem roncsolásmentes)
14
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Energia-diszperzív röntgen elemanalízis ÖSSZEFOGLALÁS • • • • •
5 keV ... 30 keV-es elektronok által gerjesztett atomok elektronszerkezetének helyreállásakor keletkező röntgen fotonokat mérünk a mély nívók érzéketlenek a kémiai kötésre és a tömbi anyag térszerkezetére alkalmas az atomi összetétel minőségi és mennyiségi elemzésére behatolás célterülete: átmérő ~1 nm gerjesztett mélység és "szélesség" 0,2 ... 1 μm –
• • • • • • •
mérés a berilliumtól az uránig az SDD detektor a mai csúcstechnika percek alatt nyers eredményt ad, sorozatmérésekre alkalmas az energiaspektrum egyszerűen értelmezhető sztenderdek nélkül is viszonylag pontos összetétel-eredmény ~ 2% a minta károsodása minimális kimutathatóság: a besugárzástól függő, a mindennapi gyakorlatban 0.01% = 100 ppm –
•
ez egyben a laterális felbontás
röntgenvonal átfedések miatt egyes anyagpárok esetében kedvezőtlenebb
%-on belüli reprodukálhatóság 15
Fókuszált ionsugaras megmunkálás FIB = Focused Ion Beam (Fókuszált ionnyaláb) Miből áll egy SEM/FIB berendezés?
elektron oszlop ion oszlop
gáz injektorok
detektor – CDEM (SE, SI)
16
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Dual-Beam System – Kétsugaras mikroszkóp
19 mm
Elektron nyaláb – függőlegesen ionnyaláb – 52o-ot zár be a függőlegessel
Hogy a FIB merőlegesen lássa a mintát, dönteni kell azt 52o-kal
10 mm
Két nyaláb koincidenciája
17
Fókuszált ionsugaras megmunkálás LMIS = Liquid Metal Ion Source (Folyékony fémion forrás)
Leggyakrabban használt fém ion FIB készülékekben: Ga+
Miért Ga+?
• • • • • •
Alacsony olvadáspont (Tolv = 29,8 oC) Minimális kölcsönhatás a volfrám tűvel Nem illékony, alacsony gőznyomás
Kicsi felületi feszültség Kellően viszkózus Könnyen túlhűthető (a Ga hetekig folyékony marad)
18
Fókuszált ionsugaras megmunkálás LMIS = Liquid Metal Ion Source (Folyékony fémion forrás) Hogyan működik?
•
Ga folyadék megnedvesíti a W tűt tű átmérője: 2-5 μm
•
108 V/cm mező pontforrássá formázza a Ga-ot 2-5 nm átmérővel
•
Kihúzófeszültség ionizálja az atomokat és
Fűtő tekercsek
elindítja a Ga áramot (108 A/cm2)
•
W tű
Alacsony emisszió: 1-3 μA kisebb energia-szórás, stabilabb nyaláb
•
Ga tartály
Kihúzó feszültség elektródái
A nyalábban: ionok, semleges atomok, töltött ‘fürtök’ (minél nagyobb áram, annál több)
•
A Ga fogy! Ha már nem tartható fenn a nyaláb újra kell melegíteni, növelni a kihúzófeszültséget vagy cserélni a Ga tartályt; átlagos élettartam: 400 óra 19
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Ion oszop
LIMS
Kondenzor lencse
•
Toronyban a gyorsító feszültség: 2-30 kV
•
Két lencse általában: kondenzor és objektív
•
Kondenzor lencse formázza a nyalábot
•
Objektív lencse fókuszálja a nyalábot a mintára
•
Az ionáram apertúrákkal állítható 1.5 pA-től 65 nA-ig
•
Munkatávolság nagy: 19 mm (elektron nyaláb esetében
10 mm) Objektív lencse
Ion oszlop 20
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Ion nyaláb – anyag kölcsönhatása (ion-atom ütközés) primer ion
szekunder elektronok
vákuum
szekunder ion
továbbá töltött vagy semleges porlasztott részecskék, ‘fürtök’, röntgen fotonok. Mélység: 10-20 nm (30 keV)
minta
Porlasztás ionnyalábbal implantált ion
Kellően nagy áramú ion nyalábbal a minta anyaga hatékonyan eltávolítható.
21
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Mit lehet az ionnyalábbal tenni?
•
Képalkotás - CDEM - Continuous Dynode Electron Multiplier (Folytonos dinódájú elektron sokszorozó) SE, SI (secondary electron, ion)
- ETD (Everhart-Thornley Detector )
• • • • •
Gázkémia Keresztmetszeti minták készítése TEM minta készítés Tomográfia (3D megjelenítés) Maratás bitmap maszkkal 22
Fókuszált ionsugaras megmunkálás CVD – Chemical Vapour Deposition (Gázkémia) Különböző anyagokat (szén, szigetelő vegyület, platina)
Prekurzor molekulák
Ion nyaláb
Illékony termékek
választhatunk le a minta felületére nanométeres mérettartományban. Miért jó?
• •
Nanolitográfia
Védi a mintát az ionnyalábbal történő megmunkálás során (pontosabb vonalak)
Minta
Párologtatott réteg
Hogy működik?
• • •
A tű megközelíti a mintát (50-200 μm) Prekurzor gázt juttat a felületre Az ion nyaláb pásztázza a felületet, hatására a prekurzor elbomlik illékony molekulákra és a felületére szánt anyagra
•
A leválasztott anyag a felületen marad 23
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Keresztmetszet készítése
Ion oszop
Elektron oszop
Asztal 52˚-kal döntve Keresztmetszet
24
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Felületre párologtatott platina réteg
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Keresztmetszet készítése
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Keresztmetszet készítése
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Keresztmetszet készítése
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Keresztmetszet készítése
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Keresztmetszet készítése
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Érintő bemetszés EBSD vizsgálathoz
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Mikropillar (Cu) készítés
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Minta készítése TEM vizsgálathoz
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Tomográfia (Slice And View)
Fókuszált ionsugaras megmunkálás Maratás szürkeárnyalatos bitmap maszkkal (Si)
Fókuszált ionsugaras megmunkálás
Köszönöm
a figyelmet!
36
