Hiden SIMS Workstation - en kostnadseffektiv Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) lösning genom Hiden Analytical

Ämnen som tas upp

Bakgrund

Hiden Analytisk grundades 1981 och är för närvarande ligger i ett 2130 m ² fabrik i Warrington, England med en personal på över 50. Som ett privatägt bolag vårt rykte bygger på att skapa nära och positiva relationer med våra kunder. Många av dessa kunder arbetar i bräschen för ny teknik - när det gäller plasma forskning, Surface Science, vakuum bearbetning och gas analys. För att upprätthålla detta rykte Hiden Analytical har under åren etablerat exceptionella nivåer av teknisk expertis inom dessa områden inom vårt företag.

Inledning

SIMS

Sekundär jon masspektrometri är den mest känsliga av de allmänt tillgängliga teknikerna yta analys. Det är möjligt att mäta låga koncentrationer ner till ppb, ge avbildning av kemiska distributioner och bestämma material kemi som en funktion av djup -. Fördjupad profilering SIMS finner tillämpningar i ett brett sortiment av industri-och forskningsmiljöer, inklusive halvledare, beläggningar teknik, utveckling av bränsleceller, solceller, metallurgi och läkemedel. Att vara en teknik baserad på masspektrometri den har förmågan att påvisa specifika isotoper, vilket gör den idealisk för kärn-och isotopanalys spårämne arbete. Vid användning bombarderar en fokuserad stråle av joner (den primära joner) fast provet i vakuum och joniserad material karakteristiska för provet (den sekundära joner), analyseras med masspektrometri.

Genomförbarhet SIMS

Trots de obestridliga fördelarna med denna extremt kraftfull teknik, SIMS upplevs ofta som svårt och dyrt, ofta reglerar att det är en teknik som sista utväg. Denna inställning har uppstått på grund tidigt SIMS instrumentering var mycket komplicerade och kostsamma både vad gäller kapital-och driftskostnader och dessutom krävs forskarnivå personal att använda och tolka den. Men precis som komplexiteten i början av elektronmikroskop har ersatts av användarvänliga semiautomated instrument, så kärnan i SIMS analys har blivit mer raffinerad. I denna artikel kommer vi att ta en tur runt Hiden SIMS Workstation , ett komplett, flexibelt allmänt ändamål SIMS instrument, omsorgsfullt utformade för enkel drift och låg ägandekostnad.

SIMS arbetsstation

Vakuum - effektivitet och flexibilitet

I SIMS -processen bygger på förmågan hos den primära joner att interagera med modellen och generera sekundära joner som når detektorn. Interaktioner med den återstående gasen måste undvikas, i sämre fall de kan orsaka förorening av spektrumet - till exempel oxidation av finfördelat ytan.

I SIMS Workstation körs på UHV tryck (typiskt 1E-9 torr) och är uppbyggd kring ett 18-port, pumpas sfäriska, turbomolekylära kammare. Den jon vapen och loadlock har vardera sina egna turbopumpar och mätare vakuum, se till att den viktigaste kammaren hålls så rena som möjligt. Vakuum alkolås garantera säker drift och strömförsörjning skydd.

Hela systemet är fullt bakeable och använder branschstandard Conflat ® typ sälar. Det finns ett antal oanvända portar för att tillåta att systemet kan enkelt konfigureras om eller för kunder att lägga till sina egna enheter är specifika för deras krav, såsom lasrar, värme, kyla eller mekaniska redskap, X-ray och elektronkanoner etc. SIMS arbetsstation är utformad för att vara flexibelt och uppgraderas, ett instrument för morgondagen så mycket som idag.

Analys avdelningen

Provhantering

SIMS analys var (och fortfarande) flitigt inom halvledarindustrin och det har alltid varit märkbar i urvalet etapper som anges kommersiella instrument. Däremot har de flesta andra kunder inte tunna, perfekt plana, lätt tillskuren prover. I den verkliga världen skulle det vara en stor fördel att analysera hela delar eller branschspecifika kuponger test. Provet scen och hantering i Workstation är utformad kring denna filosofi. För det första hela analytiska systemet (jon vapen och spektrometer) ligger över planet av analys, vilket innebär att stora och tafatt former provbitarna kan rymmas ( Hiden kan också utforma en kundspecifik kammare om det krävs för att ta mycket större än normalt exemplar) . Standarden provhållare är baserade på en plan platta med tråd fjädrar och dessa kan lätt ändras för att ta en mängd olika prover, från små flata tallrikar till standard inbäddade metallurgiska prover. Hela små komponenter, såsom bränsle injektor nedan kan fästas utan ändringar. Detta är särskilt viktigt när styckning kan orsaka förorening eller vara mycket tidskrävande.

Bränsleinsprutning komponent som är monterad för analys

Prover introduceras till de viktigaste kammaren via en turbomolekylära pumpas loadlock och UHV förseglade magnetiskt kopplade arm. Detta säkerställer att de viktigaste vakuum inte äventyras och ger Rapid Transit från luft till UHV. Standarden hållare innehåller 5 eller 10 små prover monterade bakom 6mm diameter fönster. Prover montera bakifrån så att framsidan är alltid rätt placerad för analys.

Analys komponenter

Efter att ha överfört provet till huvudsalen i UHV, SIMS kan analysen fortsätta nu. Standarden komplett arbetsstation är utrustad med två jon kanoner, både infördes genom 35 mm-portar. Den IG20 gaslasern pistol används för beskjutning med syre eller inerta gaser, och IG-5C cesium jon pistol ger en fokuserad stråle av cesium joner. I hjärtat av hela systemet ligger MAXIM kvadrupol SIMS / SNMS analysator som är ansvarig för den utmärkta känslighet instrumentet.

IG-20 Gas Ion Gun

På den högra sidan av bilden av hela instrumentet IG20 gaslasern pistol kan ses, monteras i 45 °. Den IG20 är en mycket mångsidig pistol producera ett intensivt fokuserad jonstråle. Joner produceras genom elektronmikroskopi bombardemang av gas erkände via en precision läcka ventil. För de flesta SIMS analys vapnet används tillsammans med syrgas, vilket ger högsta möjliga känslighet för elektropositiv element.

För fräste neutral masspektrometri, där förstärkning av jon avkastningen inte krävs, är IG20 körs med argon. Gasförbrukningen är låg och en standard högt tryck ren gas flaskor kommer att pågå flera månader, som levererar gas till läckan ventilen via en regulator inställd på ca 0,5 bar.

Den IG20 jon optiska kolumnen består av två linser threeelement Einzel, ljushöjden steg, en sväng för att ta bort neutrala partiklar och balk steg styrning för skanning under djup profilering och bildbehandling.

Den kan styra en ljusstråle elektronik passar direkt på jon pistol feedthrough, ta bort behovet av stora flervägs kablar - en vanlig källa till opålitlighet på vissa system.

IG-5C cesium Ion Gun

IG-5C (lanserades 2008) öppnar upp känsliga analys av elektronegativa element samt MC + kluster detektion (där M är den del av intresse). Joner genereras av en miniatyr låg termisk kontakt jonisering källa, tillverkad av Hiden , som använder säkra cesium salter. Källan kan ventileras med luft när de fortfarande är varma (ett par minuter efter operationen upphör) och kan bytas på några få minuter (källa livslängd beräknas till 500 timmars drift).

Den jon pistolen är av en två objektiv design med två oberoende anpassning steg. Den övre scenen är placerad direkt efter att säkerställa att den framväxande strålen optimeras så snart som möjligt på den optiska axeln. Strålen passerar genom en definierande öppning som är lätt att servas av slutanvändaren, antingen för utbyte eller ändra strålen egenskaper. Den nedre justering scenen innehåller en dubbel böj att ta bort neutrala och ungefär två små vinklar elektrostatiska sektorer. Jonerna äntligen målinriktade genom en låg sfärisk aberration lins och skannas av en grupp av fyra korta plattor. Den termiska ledningen av IG-5C tillhandahålls automatiskt via PC styrda jon pistol interface enheten.

Ion Vapenkontroll

2008 såg också en radikal uppdatering av jon vapenkontroll för att göra det enklare att använda och lägga till funktioner. Huvudbilden (på sidan 1) visar det manuella kontroller jon pistol (som fortfarande finns för IG20 om det behövs) är dock den nya generationen av jon pistol controller mikroprocessor baserade och nås via en PC-gränssnittet.

Med hjälp av denna regulator är det möjligt att lagra och återkalla inställningar jon pistol. Detta gör livet för de analytiker väldigt lätt som inställningar för hög ström djup profilering, låg ström fina fokus bildbehandling, låg energiförbrukning med hög djup upplösning profilering och andra användbara uppgifter bara kan anropas från en rullgardinsmenyn.

PC-Ion vapenkontroll gränssnitt

Diagnostiska lägen är omedelbart tillgängliga med mätningar stråle parameter (nuvarande och ljusstrålens form) via en elektron undertryckt Faraday samlare.

En användbar funktion är automatisk växling av målet fördomar mellan transportslagen som säkerställer att rätt förspänning läggs vid körning analyser eller diagnostik.

MAXIM Spectrometer

Den MAXIM SIMS / SNMS spektrometer är monterad på baksidan av kammaren i en off axel position och har särskilt utformats för att ge känslig, reproducerbar, analyser. Joner samlas in från provet genom en formad extraktion fält och energi filtreras med ett parallellt tallrik system, med energi upplösningen matchas med den i kvadrupol analysatorn. Den 9 mm tredubbla filter molybden stänger för termisk stabilitet och pulsen räknar detektorn har en 4 keV inlägg acceleration potential att öka effektiviteten vid hög massa. Spektrometern finns i massa serier av 300U, 510u och 1000u för olika tillämpningar.

Omedelbart bakom fläkten en hög effektivitet elektron inverkan jonkälla som kan användas antingen för finfördelat neutral masspektrometri (SNMS) eller kvarvarande gas analys.

SNMS - över gränsen för kvantifiering

SIMS analys är mycket känslig och perfekt för analys av dopämnen, studier diffusion och föroreningar. Kvantifiering system för SIMS förutsätter generellt att föroreningar som mäts är utspädd (mindre än några få procent). Över denna späda begränsa sannolikheten för jonisering blir beroende av orenhet själva koncentrationen, liksom kemin i matrisen. Fräste neutral masspektrometri (SNMS) övervinner prydligt denna begränsning.

MAXIM kör SNMS analys

För det första, de flesta joner från prov (för SIMS är signalen) förkastas av lämpligt mål och möjligheter deformationen. Därefter är de neutrala partiklar drifting från provet joniserad i elektron källan till påverkan, de är separerade från restgas joner, även bildar, genom sin rörelseenergi vilket är betydligt högre. Som jonisering sker bort från provet ytan joniseringen sannolikheten är alltid densamma, alltså SNMS signalen är lätt att kvantifiera.

Instrument Control - Framtagning av gissningar

Instrumentet styrs med Hiden MASsoft programsvit. Detta ger automatisk effektiv och reproducerbar optimering av den sekundära jon kolumnen och spektrometer - ta ut gissningar. Om det behövs alla parametrar kan också manuellt inställd. MASsoft ger en mycket kraftfull uppsättning spektrometer, rastrering, gating och datahantering kontroller, med en enkel tydlig processflöde träd. En anläggning finns så att mängden av kontroll kan vara begränsad, med ett fåtal alternativ för oerfarna användare ända upp till full kontroll för den som vill experimentera.

Fördel, ofta kan genomföras uppgifter (som kolumn tuning och spektrum insamling) ställas in så enkla programmerbara snabbstart knappar, vilket gör en analys som skall inledas genom ett enda musklick.

Exempel Kollar

Det är ofta förbises, men en tydlig bild av provet innan och under analysen gör analytikern jobb betydligt enklare. Det gör att områden som ska korrekt och säkert riktade. I vissa fall färgförändringar vid analysen av tunna filmer tillföra information om erosion hastighet och konsekvens. Arbetsplatsen är utrustad med en vanlig förekomst färg-CCD-kamera och LED kall ljuskälla, vilket ger en tydlig bild av provets yta.

Kollar på systemet

Prov för analys kratrar.

Syre Översvämning

Vid hög djupprofiler upplösning djup, särskilt på låg energi (under 2 keV) med syre, är ytan känt att rugga och försämra mycket upplösning som eftersträvas. Men om beläggningen görs helt oxidera under analysen djupet upplösning bibehålls. Detta kan uppnås genom att antingen montera pistolen i normal frekvens (mycket möjligt på SIMS Workstation) eller genom översvämning provet området med syre. I Workstation, ger en fin kapillär syrgas till exakt där det behövs, åstadkomma en drastisk förbättring i upplösning.

Effekt av syre översvämning på analys av 3.6nm Fe / Si neutron spegel

Slutsats

Den Hiden SIMS Workstation har utvecklats med stark växelverkan med dem som används för att utföra SIMS analyser för både kontrakt service och forskning inom många områden av analys. Filosofin av design har varit enkel, för att producera en ordentlig SIMS analysinstrument som kombinerar hög känslighet, flexibilitet och enkel användning, men också att göra det kostnadseffektivt både i termer av kapital och löpande kostnader.

Den Hiden SIMS Workstation har uppnått dessa mål, är den enda mitten prissatta instrument för att införliva både syre och cesium vapen ion - en nödvändighet för allmän analys. Det ger en sann UHV miljö, flexibel loadlock och provhantering system. Den inbäddade SNMS anläggningen säkerställer att verktyget täcker hela analytiska koncentrationsintervall, från ppm fram till 100% huvuddelen av och datasystemet innebär att värdefulla resultat lätt sparas och exporteras till andra program. Det är lätt att konfigurera för produktionslinjen analys, men kommer att ge hängiven forskning professionella med ett verktyg begränsas bara av fantasin.

Källa: Hiden Analytical

För mer information om denna källa besök Hiden Analytical