Dual Beam

FEI Helios Nanolab 600

 

 

Features: 

The Helios NanoLab features an ultrahigh-resolution field emission scanning electron microscope (SEM) column combined with FEI’s Sidewinder focused ion beam (FIB) column and gas chemistries.

The DualBeam platform enables three-dimensional characterization, analysis and image reconstruction applications, nanoprototyping (fabrication and testing) capabilities and fast and precise preparation of the thinnest TEM (transmission electron microscope) samples with reduced damage tof samples.

The Omniprobe micromanipulator allows to pick up the lamella and to transfer it on the TEM grid always inside the chamber

Specification

Electronic Gun

Schottky thermal field emitter

Ionic Gun

Gallio

Beams tension

SEM (350V-30kV); FIB (500V-30kV)

STEM detector resolution

0.8nm

SEM resolution

0.7nm a 15kV, 1.4nm a 1kV

FIB resolution

5nm a 30kV

EDS resolution

<30nm su lamelle TEM

Stage porta-campioni

5 assi motorizzati ; X e Y sono piezo 150x150mm

Gas (GIS)

4 gas: Pt (deposition), SCE, IEE Enh Etch, (etching)

Software

AutoFIB, AutoTEM, AutoSlice&View

Micromanipolatore

Omniprobe (a 3 assi) per l’estrazione lamelle TEM

Detectors

ETD, CDEM (ioni e elettroni), TLD, STEM, telecamera IR

Detector EDS

Oxford INCA, resolution 133eV

 A cosa serve

Il Focused ion beam (Dual Beam), meglio conosciuto come FIB a doppia colonna, è uno strumento  principalmente utilizzato nell’ambito dei semiconduttori e della Scienza dei Materiali,  che consente di effettuare analisi “site-specific” (ossia su aree nanometriche), deposizioni di elementi metallici e ablazione di materiale con risoluzione nanometrica. Il set up dello strumento ricorda un microscopio SEM ad elevate prestazioni (con filamento FEG a emissione di campo) con una colonna aggiuntiva che in luogo degli elettroni emette ioni metallici focalizzati(nel nostro caso di Gallio). L’utilizzo simultaneo di un fascio elettronico e ionico consente di effettuare imaging e nano lavorazioni simultanee (spy-monitoring).
Le principali peculiarità di un fascio ionico rispetto ad un fascio elettronico sono:

  • La maggiore dimensione degli ioni limita la penetrazione degli stessi all’interno degli atomi del campione per cui l’immagine ionica (a parità di energia) è generata dai primi strati nanometrici della superficie del campione rispetto agli elettroni.
  • Le lenti magnetiche non hanno energia sufficiente per guidare gli ioni per cui si impiegano lenti elettrostatiche
  • L’elevata massa degli ioni pemette, per trasferimento di quantità di moto, di rimuovere gli atomi del campione ove vanno a incidere (milling)

A differenza del SEM, il FIB è una tecnica di analisi “distruttiva” in quanto vi è sempre ablazione atomica del campione per cui è importante la gestione della corrente del fascio ionico ossia: alte correnti – milling e basse correnti – deposizione e imaging ionico.
Il bombardamento ionico genera anche impiantazione deglio ioni gallio nei primi nanometri superficiali rendendo la superficie amorfa per cui è importante dosare correttamente tensione di accelerazione e corrente per ridurre tale tipo di artefatto.

Il Dual Beam è anche largamente impiegato per la preparazione di provini (lamelle) per il TEM ove lo spessore finale deve consentire la trasparenza elettronica (circa 100 nm). Rispetto alle tecniche usuali (elettropolisher e ion milling) con il FIB si raggiungono risultati qualitativamente migliori, privi di artefatti dovuti alla preparativa meccanica e con tempi nettamente inferiori.

PRESTAZIONI

La prestazione che richiede l’impiego di tale strumento può essere inquadrata sia a giornata lavorativa (ossia il lavoro eseguibile nell’arco delle 8 ore lavorative)  comprensiva di operatore tecnico specializzato, sia in base alla particolare prestazione ossia:

Morfologia, composizione, metrologia elementare

  • Osservazione tramite rivelatore SE o BSE con tensione di accelerazione tra 5 kV e 30 kV per ingrandimenti max 100.000X con acquisizione digitale di 1 campo di interesse per un certo ingrandimento e registrazione su file formato TIFF 1024×943, 256 livelli di grigio risoluzione 84×84 dpi
  • Come sopra ma tramite rivelatori speciali (CDEM-SI, correnti indotte) o a bassa tensione ( LVSEM: 500V – 5kV) o per ingrandimenti superiori a 100.000X (max 1,000.000X)
  • Metrologia elementare: esecuzione di 10 misure elementari (lunghezze punto-punto anche di profondità mediante stereometria) su una schermata del monitor di controllo del FIB secondo normativa ASTM B748

Milling

  • Realizzazione di una cross section (larghezza < 20um e profondità < 10um) su un campione conduttivo (Pt ion protettivo + milling) 
  • Realizzazione di una cross section (larghezza <20um e profondità < 10um) su un campione non conduttivo  (Pt ion protettivo + milling)
  • Realizzazione di una cross section (larghezza < 20um e profondità < 5um) per analisi film con spessore nanometrico  (Pt e + Pt ion protettivo + milling)
  • Realizzazione di una estesa cross section (larghezza >20um o profondità > 10um) su un campione conduttivo  (Pt ion protettivo + milling)
  • Realizzazzione di un pattern utilizzando i modelli predefiniti dello strumento (tutti i pattern sono contenuti in una immagine ionica)
  • Realizzazzione di una serie  pattern che richiede la scrittura di uno script per la modalità autoFIB

 Composizione puntuale, di linea e mappe

  • Esecuzione di una analisi qualitativa in un punto: individuazione degli elementi presenti, stampa a colori dello spettro; registrazione su file dei dati e se richiesto anche dello spettro
  • Esecuzione di una analisi qualitativa su una linea con l’individuazione dei profili di concentrazione per 4 elementi contemporaneamente, stampa a colori dei profili sovrimposti alla zona analizzata; registrazione su file dei dati e se richiesto anche dell’immagine
  • Esecuzione di una analisi qualitativa su un’area con mappatura della distribuzione di concentrazione per 4 elementi contemporaneamente, stampa a colori delle mappe e dell’immagine BSE; registrazione su file dei dati e se richiesto anche dell’immagine
  • Analisi semi-quantitativa standardless con calibrazione interna (accuratezza 2%-5%)
  • Analisi quantitativa con calibrazione da campioni standard (accuratezza 0,2%-3% in funzione del tipo di campione, 5 misure)

Realizzazione lamella TEM

  • Realizzazione lamella TEM in cross section (spessore 100-150nm) e montaggio su griglia TEM di un campione omegeneo
  • Realizzazione lamella TEM in cross section (spessore 100-150nm) e montaggio su griglia TEM su una zona particolare (microindentazioni, difetti superficiali, ecc.)

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