Giới hạn của FIB-SEM Ga⁺: Vì sao quá trình milling bằng FIB-SEM Ga⁺ cần làm sạch bằng chùm ion Ar⁺ nhẹ nhàng

AURA™ không thay thế quy trình chuẩn bị bằng Ga⁺. Thay vào đó, nó hoàn thiện quy trình bằng cách cung cấp phương pháp loại bỏ lớp bề mặt bị hư hại do Ga⁺ gây ra một cách nhẹ nhàng, tuần tự và có khả năng kiểm soát cao. Với quá trình đánh bóng bằng Ar⁺ năng lượng thấp và có tính trơ về mặt hóa học, lamella có thể được hoàn thiện từng lớp mà không tạo ra cùng dạng hư hại bổ sung thường liên quan đến quá trình milling bằng Ga⁺.

Kết quả là một lamella không chỉ siêu mỏng, mà còn sạch hơn và đáng tin cậy hơn cho phân tích S/TEM độ phân giải cao thực tế.

Giới thiệu

FIB-SEM Ga⁺ đã trở thành một trong những phương pháp quan trọng nhất để chuẩn bị mẫu S/TEM tại vị trí xác định nhờ độ chính xác, tính linh hoạt và tốc độ. Công nghệ này cho phép lấy một lamella từ đúng vùng quan tâm và làm mỏng nó đến mức cho phép electron truyền qua, với khả năng kiểm soát ở cấp độ nanomet.

Tuy nhiên, quá trình milling bằng FIB-SEM Ga⁺ có một giới hạn tự nhiên. Chính các ion gallium giúp thực hiện quá trình milling chính xác cũng tương tác với mẫu và có thể làm biến đổi chính bề mặt mà sau đó cần được phân tích bằng S/TEM.

Đây không chủ yếu là vấn đề của workflow chưa tối ưu hoặc tự động hóa chưa đầy đủ. Đó là hệ quả của tương tác giữa ion và vật chất rắn.

Khi các ion Ga⁺ va vào mẫu, chúng truyền năng lượng vào vật liệu, làm dịch chuyển các nguyên tử, bị cấy vào vật liệu và có thể tạo ra một lớp bề mặt vô định hình hoặc bị biến đổi về mặt hóa học. Đối với nhiều ứng dụng S/TEM, lớp bị biến đổi này lại chính là nơi chứa những thông tin quan trọng nhất cần thu được.

Tìm hiểu cách chuẩn bị lamella TEM tự động bằng FIB-SEM có thể được kết hợp với bước làm sạch mẫu cuối cùng để cải thiện tính nhất quán và chất lượng phân tích TEM.

Điều gì gây ra hư hại mẫu do Ga⁺ FIB?

Nhu cầu sử dụng quy trình làm sạch bằng chùm ion nhẹ nhàng bắt nguồn từ một thực tế vật lý đơn giản: chùm ion không chỉ loại bỏ vật liệu. Nó còn làm thay đổi bề mặt vật liệu.

Khi một ion va vào chất rắn, động năng của nó được truyền vào các nguyên tử trong mẫu. Năng lượng này lan truyền trong một vùng nhỏ được gọi là chuỗi va chạm (collision cascade). Bên trong vùng này, các nguyên tử có thể bị dịch chuyển khỏi vị trí mạng tinh thể, các khuyết tật có thể được tạo ra và một phần các ion tới có thể vẫn bị cấy vào vật liệu.

Độ sâu và mức độ nghiêm trọng của hư hại phụ thuộc chủ yếu vào:

• Năng lượng ion;
• Khối lượng ion;
• Hình học của chùm tia;
• Vật liệu mục tiêu.

Các ion có năng lượng cao hơn sẽ thâm nhập sâu hơn và tạo ra lớp hư hại dày hơn. Các ion có năng lượng thấp hơn chỉ tác động đến vùng gần bề mặt.

Đối với quá trình chuẩn bị mẫu bằng FIB-SEM Ga⁺, điều này rất quan trọng bởi gallium không chỉ là tác nhân dùng để milling vật liệu. Nó còn là một nguyên tố có khả năng tương tác hóa học.

Ga⁺ bị cấy vào có thể làm thay đổi thành phần hóa học cục bộ, tập trung tại biên hạt và các interface. Đối với các vật liệu nhạy cảm như hợp kim nhôm, chất bán dẫn hợp chất hoặc các hệ đa pha, nó có thể làm thay đổi vi cấu trúc mà người dùng thực sự muốn nghiên cứu.

Hình 1. Quá trình milling bằng Ga⁺ ở 30 keV tác động lên silicon. Sơ đồ minh họa tương tác ion–vật chất trong quá trình milling FIB Ga⁺, thể hiện quá trình phún xạ bề mặt, phát xạ ion thứ cấp và electron thứ cấp, cấy ghép Ga⁺, dịch chuyển nguyên tử và chuỗi va chạm hình thành bên dưới bề mặt mẫu. Hình minh họa phân biệt lớp hư hại gần bề mặt bị vô định hình và giàu Ga với vùng sâu hơn chịu ảnh hưởng của các sự kiện dịch chuyển và các khuyết tật riêng lẻ. Kích thước chỉ mang tính minh họa và phụ thuộc vào vật liệu cũng như điều kiện milling. Mô hình minh họa (AI-generated). Các vùng và độ sâu hư hại dựa trên các giá trị tiêu chuẩn trong tài liệu đối với Si, không phải kết quả mô phỏng trực tiếp.

Đây là lý do tại sao hư hại do Ga⁺ không chỉ đơn thuần là một artifact trong hình ảnh. Nó có thể trở thành một vấn đề trong việc diễn giải kết quả.

Tín hiệu được phân tích có thể bao gồm thông tin từ một lớp bề mặt mà chính quá trình chuẩn bị mẫu đã tạo ra hoặc làm biến đổi.

Nói cách khác, mẫu có thể đủ mỏng để phân tích bằng S/TEM nhưng chưa đủ sạch để phản ánh đầy đủ cấu trúc ban đầu của vật liệu.

Từ hư hại do Ga⁺ đến làm sạch bằng Ar⁺ năng lượng thấp: Vì sao lamella TEM chất lượng cao cần một loại ion khác?

Trong thực tế, FIB-SEM hoạt động rất hiệu quả trong việc chế tạo mẫu, chẳng hạn như lamella TEM. Các ion Ga⁺ thường được gia tốc ở mức 30 keV để thực hiện milling có độ phân giải cao tại vị trí xác định.

Đây chính là yếu tố làm cho FIB-SEM Ga⁺ trở nên hữu ích: chùm ion có thể cắt, tạo hình và làm mỏng lamella với độ chính xác ở cấp độ nanomet.

Tuy nhiên, chính mức năng lượng này cũng khiến các ion thâm nhập sâu hơn vào thành bên của mẫu và tạo ra vùng bề mặt bị hư hại.

Đối với silicon, các dữ liệu đã công bố cho thấy milling bằng Ga⁺ ở 30 keV có thể tạo ra một lớp vô định hình dày khoảng 22 nm ở mỗi phía của lamella. Con số này trở nên đặc biệt quan trọng trong những ứng dụng mà chụp ảnh STEM chất lượng cao yêu cầu tổng chiều dày mẫu duy trì dưới khoảng 50 nm.

Vấn đề có thể được hiểu khá đơn giản.

Nếu mỗi mặt của một mẫu mỏng có khoảng 22 nm vật liệu bị hư hại, thì phần lớn lamella có thể không còn đại diện cho cấu trúc chưa bị tác động ban đầu.

Kính hiển vi vẫn có thể tạo ra hình ảnh, nhưng bản thân mẫu đã bị biến đổi đáng kể trước khi được phân tích.

Điều này đặc biệt nghiêm trọng đối với:

• Chụp ảnh ở độ phân giải nguyên tử;
• Phân tích EDS;
• Phân tích EELS;
• Các interface giữa các lớp;
• Màng mỏng;
• Biên hạt;
• Các cấu trúc bán dẫn kích thước nhỏ.

Trong những trường hợp này, vùng cần nghiên cứu có thể chỉ rộng vài nanomet.

Một giải pháp hiển nhiên là giảm năng lượng Ga⁺ trong các bước làm sạch cuối cùng.

Điều này có hiệu quả: quá trình đánh bóng bằng Ga⁺ ở 5 keV hoặc 2 keV tạo ra lớp hư hại mỏng hơn so với milling ở 30 keV. Tuy nhiên, nó không loại bỏ được hạn chế cơ bản – gallium vẫn là loại ion cuối cùng tương tác với mẫu.

Một phần quá trình vô định hình hóa, cấy ion hoặc biến đổi liên quan đến thành phần hóa học vẫn tồn tại.

Đây chính là “giới hạn của Ga⁺” (Ga⁺ ceiling):

Ngay cả khi thực hiện bước hoàn thiện cẩn thận bằng Ga⁺ năng lượng thấp, chất lượng cuối cùng vẫn bị giới hạn bởi sự tương tác giữa ion gallium và mẫu.

Đây là lúc làm sạch bằng Ar⁺ năng lượng thấp trở nên cần thiết.

Argon không được sử dụng vì nó thay thế vai trò của FIB-SEM Ga⁺. Ga⁺ vẫn là công cụ phù hợp để chuẩn bị lamella chính xác tại vị trí xác định.

Ar⁺ được sử dụng bởi nó phù hợp hơn với bước hoàn thiện vài nanomet cuối cùng trên bề mặt, khi mục tiêu không còn là tạo hình mẫu mà là loại bỏ lớp hư hại do quá trình chuẩn bị gây ra một cách nhẹ nhàng nhất có thể.

Đánh bóng bằng Ar⁺ năng lượng thấp mang lại hai lợi ích chính ở giai đoạn này.

Thứ nhất, tương tác rất nông. Ở mức năng lượng dưới khoảng 500 eV, chuỗi va chạm được giới hạn trong vùng gần bề mặt, có thể mỏng tới khoảng 1 nm. Vì vậy, Ar⁺ có thể loại bỏ lớp bề mặt bị hư hại bởi Ga⁺ mà không tạo ra một vùng hư hại mới có độ sâu lớn.

Thứ hai, argon có tính trơ về mặt hóa học. Nó không tạo hợp kim với mẫu, không hình thành các interface giàu Ga và không đưa thêm một loại nguyên tố có khả năng phản ứng vào vùng sau đó sẽ được phân tích.

Đối với các vật liệu như:

• Hợp kim nhôm;
• Đồng;
• Germanium;
• Chất bán dẫn chứa Ga;
• Màng mỏng;
• Cấu trúc đa lớp;
• Các interface;

điều này có ý nghĩa trực tiếp.

Đây là những trường hợp mà sự khác biệt giữa một bề mặt bị hư hại và một bề mặt tinh thể sạch có thể quyết định liệu kết quả S/TEM cuối cùng có đáng tin cậy hay không.

Do đó, đánh bóng bằng Ar⁺ năng lượng thấp hoạt động như một bước thay thế lớp hư hại (damage-replacement step).

Nó loại bỏ lớp hư hại dày hơn do Ga⁺ tạo ra và thay thế nó bằng một ảnh hưởng đánh bóng của ion trơ mỏng hơn rất nhiều.

Mục tiêu không phải khẳng định rằng bất kỳ chùm ion nào cũng hoàn toàn không gây hư hại. Mục tiêu là đưa lớp vật liệu còn bị xáo trộn xuống dưới mức có thể ảnh hưởng đến việc chụp ảnh và phân tích ở độ phân giải nguyên tử.

Đây là lý do thuật ngữ “gentle” – nhẹ nhàng rất quan trọng.

“Gentle” không đơn giản có nghĩa là chậm hoặc yếu. Nó có nghĩa là tương tác ion cuối cùng:

• Có độ sâu tác động nông;
• Có tính trơ về mặt hóa học;
• Được kiểm soát đủ tốt;

để làm sạch bề mặt mà không tạo lại cùng loại artifact mà quy trình đang cố gắng loại bỏ.

Hình 2. So sánh sơ đồ tỷ lệ phần trăm của một lamella silicon TEM dày 50 nm vẫn còn ở trạng thái tinh thể sau khi xử lý bằng các ion Ga⁺ và Ar⁺. Các lớp hư hại được thể hiện theo tỷ lệ ở thành bên trái và bên phải. Quy trình Ar⁺ năng lượng thấp giữ lại phần vật liệu ban đầu ở trạng thái tinh thể nhiều hơn đáng kể so với milling Ga⁺ thông thường. Đây là hình minh họa AI-generated cho một lamella lý thuyết dày 50 nm, sử dụng các giá trị đã được công bố trong tài liệu để tính toán tỷ lệ vật liệu tinh thể còn lại.

Tìm hiểu thêm về lý do tích hợp làm sạch Ar⁺ với FIB-SEM Ga⁺ có thể cải thiện chất lượng cuối cùng của các mẫu S/TEM tiên tiến.

Từ milling Ga⁺ đến làm sạch Ar⁺: Aura™ mang lại điều gì?

Aura™ Gentle Ion Beam phát huy lợi thế vật lý này bằng cách tích hợp quá trình đánh bóng bằng chùm tia Ar⁺ rộng, năng lượng thấp trực tiếp vào workflow FIB-SEM (Hình 3). Điều này rất quan trọng bởi lamella TEM cuối cùng trở nên mong manh nhất chính vào thời điểm nó cần được làm sạch. Nếu người dùng phải chuyển mẫu sang một thiết bị đánh bóng riêng biệt, workflow sẽ phát sinh thêm rủi ro: chuyển mẫu, nhiễm bẩn, sai lệch căn chỉnh, thiết lập bổ sung và khả năng làm mất mẫu.

Hình 3. Bên trong buồng FIB-SEM, thể hiện FIB, các cột SEM và Aura™ Gentle Ion Beam (GIB) hội tụ tại cùng một điểm trùng khớp. Sự tích hợp này cho phép thực hiện quá trình làm sạch bằng chùm ion Ar⁺ nhẹ nhàng ngay bên trong buồng, trực tiếp sau khi chuẩn bị lamella bằng FIB-SEM Ga⁺, mà không cần chuyển mẫu sang một thiết bị đánh bóng riêng biệt.

Với Aura™, người dùng có thể giữ lamella bên trong cùng một hệ thống, chuyển từ quá trình chuẩn bị bằng Ga⁺ sang quá trình làm sạch cuối cùng bằng Ar⁺ và kiểm tra kết quả trong một workflow được kết nối thống nhất. Aura™ kết hợp quá trình đánh bóng bằng argon năng lượng thấp, định vị tích hợp, vận hành dựa trên recipe và kiểm soát chất lượng ngay trong hệ thống nhằm giảm sự phân mảnh của workflow và tăng khả năng đạt được chất lượng mẫu yêu cầu ngay từ lần đầu tiên.

Điều này tạo ra ba lợi ích thực tế: (1) Aura™ giúp giảm các artifact do Ga gây ra bằng cách loại bỏ lớp bề mặt bị hư hại bằng Ar⁺ trơ. (2) Aura™ cải thiện khả năng sử dụng vì quá trình đánh bóng cuối cùng ít phụ thuộc hơn vào việc chụp ảnh bằng Ga⁺ năng lượng thấp khó thực hiện, việc xác định vùng đánh bóng và đánh giá dựa trên kinh nghiệm của người vận hành. (3) Aura™ cải thiện tính lặp lại bởi bước làm sạch cuối cùng có thể được thực hiện như một phần của workflow được kiểm soát bằng recipe thay vì một quy trình thủ công riêng biệt.

Đây là điểm mấu chốt: Aura™ không thay thế FIB-SEM Ga⁺. Aura™ hoàn thiện FIB-SEM Ga⁺. Ga⁺ vẫn là công cụ để chuẩn bị lamella chính xác tại vị trí xác định. Aura™ bổ sung bước làm sạch cuối cùng với mức độ hư hại thấp hơn, giúp bảo toàn bề mặt mẫu cho quá trình phân tích tiếp theo.

Tác giả: Petr Klimek, PhD
Product Marketing Director, TESCAN

Chi tiết sản phẩm: