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主动压电隔振功能允许在恶劣的城市环境中使用先进的电子束和离子束仪器

波特兰州立大学(PSU)的电子显微镜和纳米加工中心(CEMN或中心)拥有先进的电子显微镜、双光束聚焦离子束显微镜、薄膜沉积和电子束光刻仪器。作为俄勒冈州纳米科学和微技术研究所(ONAMI)的标志性设施之一,俄勒冈州和整个太平洋西北地区的研究人员和工业界科学家都依赖于半导体、材料科学、计量和纳米技术研究中心。CEMN位于繁忙的城市十字路口,毗邻波特兰市中心的有轨电车。

波特兰有轨电车

虽然这为俄勒冈州的研究社区带去了交通便利性,但如果没有适当的消振设备,这座城市的位置并不适合用于存放这些最先进的显微镜。受欢迎的路面铁轨列车、波特兰有轨电车以及其他道路交通和城市生活中常见的其他噪声源极大地影响了一些仪器的性能,从而进一步对大众设施中的用户活动造成影响。通过与TMC合作了解CEMN环境并确定关键解决方案,该中心能够减轻振动源,从而显著提高工具性能并提高生产率。

蔡司sigma sem

随着透射和扫描电子显微镜(TEM和SEM)和其他带电光束仪器功能的提高,它们的分辨率和整体性能越来越受地面振动的限制。2009年,CEMN新上任的经理正确地预测了与地面振动相关的潜在问题。在安装配备了EDS/WDS和电子束光刻技术的新型变压场发射SEM时,CEMN意识到建筑物及周围区域内机械振动的低频(亚5Hz)特性是一个致命问题,它影响显微镜的高分辨率性能。

使用地面隔振前后的sem图像

SEM-Base安装前(左)和后(右)的图像质量。

如果没有适当的消振措施,SEM图像会出现明显的锯齿形伪影,放大倍数为100,000或更高。在了解SEM的巨大潜力后,PSU和SEM服务团队与TMC密切合作,测量和分析环境特征,并确定了减轻振动问题的理想解决方案:TMC STACIS®技术中固有的串行架构。他们安装了内置STACIS技术的TMC SEM-Base®,并立即获得了令人满意的效果。CEMN很快就实现了250,000x到300,000x的分辨率,并获得了该设备上前所未有的高质量图像。SEM服务工程师评论说“这些图像是我在这台仪器上所获得的最好的图像。在不止一次图像扫描中,我听到了火车的声音,但没有在图像中看到尖峰。”这是一种基于压电材料的主动低频振动消除技术与TMC串行设计独有的刚性、硬安装支架相结合的产物,使其在先进的、多用途的FE-SEM中在不可接受的振动环境中具有更高的性能。

fei strata fib-sem

FEI Strata™ FIB-SEM安装在TMC SEM-Base™上

sem上的omniprobe

OmniProbe直接安装在FIB-SEM柱上

在成功安装和确信TMC的经验以及STACIS能够将地面振动减至1Hz及以下的优势之后,CEMN再次与TMC合作。这次是为双光束扫描电子显微镜/聚焦离子束(SEM/FIB)工作站寻求解决方案。FIB使用聚焦离子束代替电子束,这是材料科学中一种常见的技术,在半导体失效分析、纳米图案成形、TEM样品制备、生物学和其他材料研究应用中得到了越来越广泛的使用。与SEM结合使用时,操作员可以实时查看FIB铣削过程。CEMN的FIB/SEM配备了气体喷射器、EDS、STEM和带有OmniProbe和翻转台的TEM样品制备装置。与FE-SEM一样,由于振动环境,最初安装于2006年的FIB/SEM的使用非常有限。更具体地说,每一辆经过的有轨电车都会在样品制备的FIB提升过程中造成所谓的样品“飞离”情况。如果有轨电车在OmniProbe连接到样品时经过,则样品将从探头上飞离(分离),并且在有轨电车经过时无法执行提升操作。

纳米级逐步提升过程实例

逐步提升过程的SEM图像(由PSU-CEMN提供)

样品不再可用,并且需要在沉积步骤中重新开始该过程。每隔7-15分钟就有一趟火车经过,所以该过程需要经验丰富的操作员格外小心,还要求提升效率、特殊规划和巧妙的安排。更重要的是,使用时间有限。

虽然双光束仪器采用内部被动隔振器,但这些隔振器并不适用于将地面振动降低至5 Hz及以下。为了连续消除低频振动,需要一个真正高效的主动惯性消振基座来支撑整个SEM/FIB柱控制台。TMC SEM-Base的串行压电技术是消除地面振动的理想解决方案,即使在有轨电车经过的情况下也不例外。此外,其独特的硬安装设计使内部隔振器得到了全面优化。SEM-Base可使用TMC的SEM升降机和独特的滚动式板条箱轻松安装在现有的FIB下。在同一天再次启动和运行时,该中心能够在有轨电车经过时使用omniprobe执行“提升”操作,而没有样品飞离情况发生。TEM样品制备中的这一关键步骤现在可以在一天中的任何时候完成,而无需精心策划和控制时间。很快,FIB/SEM的性能得到了改善,使用量增加了四到五倍,并且在4个月之内,该中心就收回了应用点消振平台的原始投资。双光束系统具有2 nm成像分辨率和15 nm铣削分辨率。

最近,由于对先进纳米级研究的慷慨捐赠,CEMN已着手安装最新一代的双光束。该系统也将安装在TMC SEM-Base上。结合这两项领先技术,该领域的科学家和行业精英将能够开展更深入的研究。路过CEMN时或在操作许多先进的研究工具时,人们可以感受到建筑物外城市活动的振动。所幸的是,由于TMC行业领先的独特主动振动技术,SEM和FIB不会受到振动的影响。此外,波特兰州立大学、CEMN和ONMAI可以继续为太平洋西北地区提供位于波特兰市中心的、得到充分利用的用户共享标志性研究设施。


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