APARATURĂ PENTRU PROCESAREA ŞI CARACTERIZAREA MATERIALELOR AVANSATE NANOSTRUCTURATE

Titlu Proiect: “DEZVOLTARE BAZĂ MATERIALĂ DE CERCETARE PENTRU PROCESARE ŞI CARACTERIZARE MATERIALE AVANSATE NANOSTRUCTURATE”

Acronim: PC-MAN

Contract nr.: 122/2007

Sursa de finanţare: PN II - Programul CAPACITĂŢI/ Modul I

CONDIŢII de ACCES:

• echipamentele sunt disponibile pentru terţi prin programare pe baza solicitărilor;
• condiţii /costuri de acces: pe bază de comandă/cost negociat în funcţie de natura serviciului solicitat şi a timpului consumat.

CONTACT:

Prof. Dr. Horia CHIRIAC, Director General (hchiriac@phys-iasi.ro)
Dr. Nicoleta LUPU, Şef Secţie "Materiale şi Dispozitive Magnetice" (nicole@phys-iasi.ro)

Tel: 0232 43 06 80
Fax: 0232 23 11 32

Echipamente achiziţionate/disponibile:

     Modul de litografiere cu fascicul de electroni XENOS XP G2
     Aparat de măsură a grosimii straturilor subţiri şi de caracterizare topologică superficială Alpha Step IQ
     Instalaţie cu fascicul de ioni focalizat (FIB) Carl Zeiss CrossBeam NEON40EsB FIB-SEM

Modul de litografiere cu fascicul de electroni XENOS XP G2

Microscop electronic de baleiaj JEOL JSM 6390A echipat cu modul de litografiere cu fascicul de electroni XENOS XP G2.

Aparatura de litografiere cu fascicul de electroni reprezintă un sistem experimental complex utilizat pentru activităţi de nanostructurare geometrică. Tehnica de nanostructurare a suprafeţei unui material prin litografiere constă în scanarea cu un fascicul de electroni focalizat a suprafeţei care urmează să fie structurată geometric, care a fost acoperită în prealabil cu un strat protector dintr-un material polimeric (ex. e-beam resist) sensibil la acţiunea fasciculului de electroni.

Comparativ cu tehnica de litografiere optică, cu ajutorul tehnicii de litografiere cu fascicul de electroni pot fi realizate activităţi de structurare geometrică de rezoluţie înaltă datorită valorii mici a lungimii de undă (< 1 Ǻ) specifică electronilor acceleraţi la tensiuni electrice cuprinse în domeniul 10-50 keV. 

Utilizând tehnica de litografiere cu fascicul de electroni pot fi dezvoltate activităţi de nanostructurare a materialelor în geometrie planară şi anume, straturi subţiri, folii, etc., în vederea dezvoltării de:

• diferite tipuri de structuri/trasee geometrice: rezistive, inductive, etc;
• structuri geometrice tip nanopillars sau nanobare în sisteme multistrat;
• componente specifice valvelor de spin laterale utilizate ca sisteme cu injecţie de spin şi anume: nanofire, nanobenzi
• nanomagneţi simpli sau reţele de nanomagneţi.

Modulul de litografiere cu fascicul de electroni XENOS XP G2 are următoarele caracteristici tehnice:

• structură modulară, care permite adaptarea simplă la microscopul electronic de baleiaj JEOL JSM 6390A, putând lucra astfel cu ajutorul sursei de electroni a acestuia;
• este dotat cu un sistem hardware (generator) utilizat pentru generarea/scrierea de structuri;
• viteză de scriere de până la 40 megapixeli/s;
• este prevăzut cu un sistem de măsură a curentului fasciculului de electroni (Model KEITHLEY 6485);
• este echipat cu un obturator (Xenos Beam Blanker) care poate fi retras complet de pe traseul optic al fascicului de electroni atunci când microscopul electronic cu baleiaj este folosit pentru caracterizarea morfologică şi compoziţională a materialelor, fără alte complicaţii experimentale;
• permite utilizarea camerei microscopului SEM cu modificări experimentale minore;
• este dotat cu structuri de bază pentru scriere (spirale încadrate în arii rectangulare, linii, cercuri, inele, poligoane, etc).

Aparat de măsură a grosimii straturilor subţiri şi de caracterizare topologică superficială Alpha Step IQ

Aparat de măsură a grosimii straturilor subţiri - Alpha Step IQ.

Este un aparat de măsură de înaltă precizie cu ajutorul căruia pot fi măsurate grosimi ale straturilor subţiri cu o rezoluţie de 0,1 Ǻ.

Alpha Step IQ permite şi analiza topografică bidimensională a suprafeţei probelor (straturi subţiri, wafere, sisteme microelectromecanice de tip MEMS sau NEMS, membrane ceramice sau polimerice nano- sau microporoase, etc).

Cu ajutorul Alpha Step IQ pot fi obţinute informaţii legate de rugozitatea superficială a suprafeţei materialelor în structură planară.

Datorită preciziei mari de măsură, Alpha Step IQ poate fi utilizat şi pentru "etalonarea" altor tipuri de aparate utilizate pentru monitorizarea grosimii straturilor subţiri în timpul preparării acestora prin depunere în vid sau prin depunere electrochimică, aflate în dotarea INCDFT-IFT Iaşi, şi anume:

- FTM6 Film Thickness Monitor (rezoluţie 0,1 nm);
- INFICON XTC/3M Deposition Controller (precizie 0,5%, precizie frecvenţă: ± 2,5 ppm 0-50^oC);
- Microbalanţă cu cristal de cuarţ - Model QCM 200.

Caracteristicile tehnice ale aparatului de măsură a grosimii straturilor subţiri şi de caracterizare topologică superficială Alpha Step IQ sunt următoarele:

• măsoară grosimi ale straturilor subţiri opace, semitransparente şi transparente;
• poate vizualiza morfologia zonei unde se determină grosimea unui strat subţire;
• poate evalua uniformitatea în grosime a unui strat subţire pe o distanţă prestabilită.

 

Variaţia grosimii unui strat subţire metalic structurat sub formă de traseu rezistiv de formă circulară.

În vederea optimizării procesului de măsurare a grosimii, în special pentru straturile ultrasubţiri, aparatul Alpha Step IQ este instalat pe o masă antivibraţie cu frecvenţa naturală de vibraţie, orizontal şi vertical, de 2,5 Hz.

InstalaţiE cu fascicul DE IONI focalizat (FIB) Carl Zeiss CrossBeam NEON40EsB FIB-SEM

Instalaţie cu fascicul dublu, de ioni şi electroni, focalizat Carl Zeiss CrossBeam NEON 40 EsB FIB / FE-SEM / EDS.

Este o facilitate tehnologică ultraperformantă, unică în România, utilizată pentru:

• activităţi complexe de micro şi nanoprelucrare;
• nanoindentare în membrane din materiale ceramice, metalice sau polimerice cu grosimi micrometrice în vederea dezvoltării de structuri verticale tip nanopillars sau structuri template tip reţele de nanofire;
• tratamente ionice de cristalizare pentru dezvoltarea de nanoclusteri în matrici amorfe;
• corodare ionică pentru realizarea de structuri geometrice specifice microsenzorilor, microactuatorilor, sistemelor cu injecţie de spin, etc.

Instalaţia cu fascicul de ioni focalizat (FIB) utilizează un fascicul de ioni de Ga, înalt focalizat, cu ajutorul căruia se înlătură/topeşte local materialul sau se poate evapora un material în vederea depunerii pe o arie bine definită cu dimensiuni micrometrice/nanometrice.

Folosind diferite tipuri de gaze sau compuşi organici, cu ajutorul instalaţiei cu fascicul de ioni focalizat (FIB) se poate coroda selectiv şi rapid orice tip de material, această operaţie fiind utilă pentru o serie de aplicaţii speciale şi anume: (i) prepararea de secţiuni transversale pentru studiul interfeţelor în cazul sistemelor multistrat; (ii) prepararea de probe pentru microscopul electronic de transmisie (TEM); (iii) realizarea de microprobe prin microprelucarea materialelor masive; etc.

Instalaţia cu fascicul dublu, de ioni şi electroni, focalizat Carl Zeiss CrossBeam NEON 40 EsB este un sistem complex utilizat pentru nanoprelucrarea şi caracterizarea nano- şi micromaterialelor, şi are în componenţă:

1) tun de ioni pentru funcţia FIB;
2) tun de electroni pentru microscopie electronică de baleiaj de înaltă rezoluţie (FE-SEM), care permite vizualizarea in-situ a structurilor prelucrate cu facsiculul de ioni;
3) detector EDS ultraperformant pentru determinarea calitativă şi cantitativă a compoziţiei materialelor studiate.

Acest sistem complex permite, pe lângă funcţia FIB, şi realizarea de analize morfologice/topologice de înaltă rezoluţie şi analize compoziţionale ale materialelor prin microscopie electronică de baleiaj (FE-SEM) şi spectrometrie de dispersie a razelor X după energie (EDS).

Instalaţia cu fascicul dublu, de ioni şi electroni, focalizat Carl Zeiss CrossBeam NEON 40 EsB FIB / FE-SEM / EDS are următoarele caracteristici tehnice:

• rezoluţia fasciculului de electroni - între 1,1 şi 2,5 nm pentru tensiuni de accelerare cuprinse între 20 kV şi 1 kV;
• rezoluţia fasciculului ionic - 7 nm la 30 kV;
• mărire: 12x ÷ 2.600.000x (SEM); 635x ÷ 1.500.000x (FIB);
• este dotat suplimentar cu un detector EsB pentru realizarea de micrografii electronice de înaltă rezoluţie pentru contrast de fază.