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Technische Artikel

Non-Kontakt Bildgebung verschiedener Proben

John Paul Pineda, Gerald Pascual, Byong Kim, and Keibock Lee
Park Systems Inc., Santa Clara, CA, USA

 

Einleitung

Für viele Anwendungen, wie zum Beispiel die Herstellung von Halbleiterbauelementen und die Überwachung von biologischen Proben, ist es notwendig, Oberflächenfeatures zu messen. Es gibt einige Rasterkraftmikroskopie-Techniken, die zur Messung der Proben-Topografie verwendet werden können. Beispiele hierfür sind der Tappping- und der Kontakt-Modus. Diese Modi erfordern eine Wechselwirkung zwischen der Sonde und der Probe, die zur Beschädigung der Probe und zur Abnutzung der Sonde führen können. Insbesondere für Proben, die empfindlich gegen Oberflächenverformung sind, ist es notwendig, die Oberflächentopografie ohne Berühren der Probenoberfläche zu bestimmen.

Der echte Non-Kontakt-Modus von Park Systems Rastermikroskopen erfüllt diese Anforderung. Mit dem Non-Kontakt-Modus ist die Erfassung der Oberflächentopografie möglich, ohne dass die RKM-Spitze die Probe berührt. Das fortschrittliche Design der Z-Scanner von Park Rastermikroskopen steht im Mittelpunkt der berührungslosen Abbildung: höchste Bildauflösung und präzise topografischen Daten unter Beibehaltung von Spitzenschärfe und minimaler Beschädigung der Probe. In dieser Studie wurden verschiedene Proben und die Leistung von Park Rastermikroskopen für den einzigartigen Einsatz bei der kontaktlosen Bildgebung untersucht.

 

Experimente

Verschiedene Arten von Proben wurden mit dem Park XE7 RKM-System untersucht, um die Leistung des True Non-Contact-Modus des Gerätes zu bewerten. Diese Proben wurden unter Umgebungsluft in der folgenden Reihenfolge charakterisiert: 1) Saphir-Wafer, 2) Wolframfilm und 3) Kollagenfibrillen. Der Saphir-Wafer wurde als Erstes untersucht, um die Leistung der rauscharmen Park XE7-Detektoren zur Messung von Features im Nanometerbereich zu testen. Nach der Prüfung wurden der Wolframfilm und die Kollagenfibrillen untersucht, um zu beweisen, dass kein physischer Kontakt zwischen der Spitze und der Probe während des Scannens besteht. Der gleiche Cantilever wurde mit einer relativ hohen Resonanzfrequenz von ungefähr 300 kHz und einer Federkonstante von ungefähr 40 N / m zur Untersuchung aller Proben eingesetzt.

Das berührungslose RKM-Bild entsteht durch das Messen der Änderungen der Schwingungsamplitude des Cantilevers, die durch die anziehende Van-der-Waals-Kraft induziert werden, wenn der Cantilever während des Abtastens nahe der Resonanzfrequenz mechanisch oszilliert. Die gemessenen Änderungen werden durch die Rückkopplungsschleife des Rasterkraftmikroskops, unter Beibehaltung der Amplitude und konstanter Distanz des Cantilevers, kompensiert. Der berührungslose Modus misst die Topografie der Probenoberfläche durch den Rückkopplungsmechanismus zur Steuerung des Z-Scanners [1]. In dieser Studie wurde die konstante Amplitude (oder der Sollwert) basierend auf den Charakteristiken der einzelnen Proben ausgewählt. Theoretischerweise ist der Abstand zwischen der Spitze und der Probe umso größer, je näher der Wert des Sollwerts der Amplitude ist. Der für den Wolframfilm gewählte Sollwert beträgt etwa 80% der Amplitude. Für diese Probe wurde ein höherer Sollwert gewählt, um sicherzustellen, dass die Spitze die Oberfläche nicht berührte. Da die Wolfram-Filmoberfläche härter ist als die Siliziumspitze, würde jegliche Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe zu einer Beschädigung der Spitze führen. Für den Saphir-Wafer und die Kollagenfibrille wurde ein kleinerer Sollwert, etwa 40–50 % der Amplitude, gewählt, da in diesem Bereich eine bessere Auflösung erzielt werden kann.

 

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Saphir-Wafer sind weit verbreitet als Substrate für Nanostrukturen [2] [3]. Die Funktion der aufgebrachten Materialien wird durch die Oberfläche stark beeinflusst. Stufenbildung in der Oberfläche beeinflusst die Qualität beim Aufbringen der Materialien. Deshalb ist es wichtig, die Stufenbildung beim Herstellungsprozess zu überwachen, um eine fehlerfreie, glatte Oberfläche zu garantieren. Abb. 3 zeigt die atomaren Stufen eines Saphir-Wafers und ein entsprechendes Linienprofil. Das Linienprofil zeigt deutlich, dass in der Probenoberfläche eine Stufenhöhe von 2 nm vorhanden ist. Solche kleinen Messungen können nur durch Rasterkraftmikroskope erfasst werden, die mit einer rauscharmen Z-Höhenmessung ausgestattet sind. Das hier verwendete Park XE7 hat eine Z-Höhenerfassung mit einem Rauschpegel von höchstens 0,02 nm. Dieser Geräuschpegel ist niedrig genug, um eine genaue topografische Messung im Nanometerbereich durchzuführen.

 

161223-afm-image-sapphire-wafer-sampleAbbildung 1. (a) Berührungsloses RKM-Topografiebild einer Safir-Waferprobe im True Non-Contact-Modus von Park Systems. Scan-Größe: 1 x 1 μm, Bildgröße: 256 x 256 px. (B) Berührungsloses RKM-Topografie-Linienprofil unter Verwendung des True-Non-Contact-Modus von Park Systems.

 

Abb. 2a und 2b zeigen die in zwei verschiedenen Scans erhaltenen Wolframfilmbilder. Das Bild in Fig. 2a wurde während der ersten Abtastung aufgenommen, während Abb. 2b bei der 10. Abtastung aufgenommen wurde. Obwohl die gleiche Spitze für alle Scans verwendet wurde, zeigen die Ergebnisse, dass hochauflösende Abbildungen, selbst nach mehreren Messungen im True-Non-Contact-Modus. Dies zeigt, dass das Fehlen von Spitzen-Proben-Wechselwirkung zur Beibehaltung der Spitzenschärfe führt. RKM-Spitzen sind empfindlich und es ist zu erwarten, dass sie bei Kontakt mit harten Proben wie Wolframfilm abstumpfen. Stumpfe RKM-Spitzen können die Probenoberfläche nicht mehr mit der gleichen Auflösung wie neue Spitzen darstellen. Hierzu kommt es nicht mit dem True-Non-Contact-Modus von Parks, ansonsten wäre der 10. Scan von deutlich geringerer Qualität.

 

161223-afm-image-tungsten-filmAbbildung 2. (a) Berührungsloses Topografie-RKM-Bild (1. Scan) einer Wolframfilmprobe im True Non-Contact-Modus von Park Systems. Scan-Größe: 1 x 1 μm, Bildgröße: 256 x 256 px. (B) Berührungsloses Topografie-RKM-Bild (10. Abtastung) einer Wolframfilmprobe unter Verwendung eines True-Non-Contact-Modus von Park Systems. Scan-Größe: 1 x 1 μm, Bildgröße: 256 x 256 px.

Biologische Proben wie Kollagenfibrillen haben Forschern viel Kopfzerbrechen bereitet aufgrund ihrer Empfindlichkeit und dem Umstand, dass die meisten Methoden zur Charakterisierung der Fasern destruktiv sind. Die True-Non-Kontakt-Bildgebung von Park ist hier die ideale Lösung, da sie es Benutzern ermöglicht, akkurate und hochauflösende Bilder zu erstellen, ohne die Probe zu berühren.
Abb. 3a und 3b zeigen die Topografie- und Phasenbilder von Kollagenfibrillen. Die Bilder zeigen die Struktur einzelnen Fasern aus parallelen Segmenten besteht. Der D-Spalt, der zwischen den Segmenten dunkler erscheint, ist auch deutlich sichtbar. Die genaue Charakterisierung der Kollagenfibrillenstruktur ist in vielen wissenschaftlichen Anwendungen besonders in der Biomedizin relevant [4] [5] [6].

 

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Abbildung 3. (a) Berührungsloses RKM-Topografiebild von Kollagenfibrillen im True Non-Contact-Modus von Park Systems. Scan-Größe: 500 x 500 nm, Bildgröße: 256 x 256 px. (B) Phasenbild von Kollagenfibrillen unter Verwendung des True-Non-Contact-Modus von Park Systems. Scan-Größe: 500 x 500 nm, Bildgröße: 256 x 256 px.

 

ZUSAMMENFASSUNG

Die Topografie eines Saphir-Wafers, Wolframfilms und Kollagenfibrillen wurde effizient und genau unter Verwendung von berührungsloser Rasterkraftmikroskopie mit dem Park XE7 abgebildet. Die Ergebnisse zeigen, dass der True Non-Contact-Modus von Park RKM ein effektives Mittel zur Messung von Oberflächeneigenschaften und der Topografie ist, ohne die Probenoberfläche mit einer RKM-Cantilever-Spitze zu berühren. Im Mittelpunkt der berührungsfreien Bildgebung steht hier das Z-Scanner-Design mit hohem Z-Feedback. Der echte Non-Contact-Modus von Park Systems bietet Forschern die Möglichkeit, die Oberflächen von Proben im Nanometerbereich mit höchster Auflösung und Genauigkeit zu charakterisieren, ohne eine Abstumpfung der Sonden oder spitzeninduzierte Probenschäden befürchten zu müssen.

 

REFERENZEN

[1] Park AFM Modes and Techniques. (n.d.). Retrieved October 18, 2016, from http://www.parkafm.com/index.php/park-afm-modes

[2] Y. Li, et al., Defect-reduced green GaInN/GaN light-emitting diode on nanopatterned sapphire. Appl. Phys. Lett. 98, 151102 (2011)

[3] G. Wang, et al., Highly aligned, template-free growth and characterization of vertical GaN nanowires on sapphire by metal–organic chemical vapour deposition. Nanotechnology, Volume 17, Number 23

[4] S. Yamamoto, et al., Observation of Human Corneal and Scleral Collagen Fibrils by Atomic Force Microscopy. Japanese Journal of Ophthalmology, Pages 496–501