Skip to content

Aktive piezoelektrische Schwingungsdämpfung ermöglicht den Einsatz fortschrittlicher Elektronen- und Ionenstrahlinstrumente in schwieriger städtischer Umgebung

Das Center for Electron Microscopy and Nanofabrication (CEMN oder Center) der Portland State University (PSU) beherbergt hochmoderne Elektronenmikroskope, Dual-Beam- / Focused-Ion-Beam-Mikroskope sowie Instrumente für die Dünnschichttechnologie und Elektronenstrahllithographie. Als eine der wichtigsten Einrichtungen des Oregon Nanoscience and Microtechnologies Institute (ONAMI) vertrauen Forscher und in der freien Wirtschaft tätige Wissenschaftler in Oregon und im gesamten Pazifischen Nordwesten bei der Forschung im Bereich Halbleiter, Werkstoffwissenschaften, Messtechnik und Nanotechnologie auf das Center. Das CEMN liegt an einer viel befahrenen innerstädtischen Kreuzung und neben der Straßenbahnlinie im Stadtzentrum von Portland.

Straßenbahn Portland

Trotz der vorteilhaften Lage für die Forschungsgemeinschaft von Oregon ist die Stadtlage ohne eine angemessene Schwingungsdämpfung nicht ideal für die Aufstellung dieser hochmodernen Mikroskope. Die beliebte Straßenbahn, die Portland Streetcar, wirkt sich in Kombination mit dem zusätzlichen Straßenverkehr und anderen, stadttypischen Geräuschquellen dramatisch auf die Leistung einiger Instrumente aus, welche kritisch für die Anwendungen in der vielbesuchten Einrichtung sind. Durch die Zusammenarbeit mit TMC, bei der die CEMN-Umgebung analysiert und kritische Lösungen gefunden wurden, war das Center in der Lage, die Vibrationsquellen abzuschwächen, was zu einer wesentlichen Verbesserung der Instrumentenauflösung und einer erhöhten Produktivität führte.

Zeiss Sigma-REM

Im gleichen Maße, wie sich die Leistungsfähigkeit von Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopen (TEM und REM) sowie anderer Instrumente mit Elektronenstrahlung steigert, werden ihre Auflösung und ihre Gesamtleistung immer stärker durch Bodenschwingungen eingeschränkt. Der neue Manager des CEMN sah bereits 2009 potentielle Probleme im Zusammenhang mit Bodenschwingungen aufgrund seines Standorts vorher. Als es an der Zeit war, das neue Feldemissions-REM des Centers, ausgestattet mit EDS/WDS und Elektronenstrahllithographie, zu installieren, stellte das CENM fest, dass der niederfrequente Bereich der mechanischen Schwingungen (unter 5 Hz) im Gebäude und der Umgebung sich desaströs auf die Leistung ihres Mikroskops bei hohen Auflösungen auswirkte.

Vorher-/Nachher-Bilder des REM, beeinflusst durch Bodenschwingungsisolation

Bildqualität vor (links) und nach (rechts) der Installation der SEM-Base.

Ohne eine geeignete Schwingungsdämpfung treten bei einer Vergrößerung von 100.000 und darüber klar sichtbare Zickzack-Artefakte auf. In dem Wissen, dass das REM zu sehr viel mehr fähig ist, arbeitete des PSU- und das REM-Serviceteam eng mit TMC zusammen, um die Eigenschaften der Umgebung zu messen und die ideale Lösung zur Dämpfung der problematischen Schwingungen zu finden: die serielle innere Anordnung von TMCs STACIS® Technologie. Dies führte zur Installation der TMC SEM-Base® mit integrierter STACIS-Technologie und zu sofortigen positiven Ergebnissen. Das CEMNS konnte schnell eine 250.000- bis 300.000-fache Auflösung erreichen, mit einer Bildqualität, die man von diesem Gerät bisher nicht kannte. Der REM-Servicetechniker sagte hierzu: „Diese Bilder sind die besten, die ich mit diesem Instrument hier jemals aufgenommen habe. Bei mindestens einer Aufnahme habe ich den Zug gehört, ich konnte jedoch keinen Ausschlag auf dem Bild erkennen.“ Es war die Kombination aus einer aggressiven Niederfrequenz-Schwingungsdämpfung auf piezoelektronischer Basis mit einer starren Aufhängung, die das serielle Design von TMC so einzigartig macht, die diese Leistungssteigerung des fortschrittlichen Mehrzweck-FE-REMs in einer eigentlich inakzeptablen Vibrationsumgebung ermöglichte.

FEI Strata FIB-REM

FEI Strata™ FIB-REM installiert auf einer TMC SEM-Base™

OmniProbe auf REM

OmniProbe direkt auf einer FIB-REM-Säule montiert

Nach dieser erfolgreichen Installation und aufgrund des Wissens, dass TMCs Erfahrung und die Leistungsfähigkeit von STACIS eine effektive Dämpfung von Bodenschwingungen ab 1 Hz und niedriger möglich machen, beauftragte das CEMN TMC erneut. Dieses Mal sollte eine Lösung für die Dual-Beam-Rasterelektronenmikroskop-/Focused-Ion-Beam-Workstation (REM/FIB) entwickelt werden. Ein FIB setzt statt Elektronen einen fokussierten Ionenstrahl ein, eine in den Werkstoffwissenschaften übliche Technik, die immer öfter auch in der Fehleranalyse für Halbleiter, der Nanostrukturierung, TEM-Probenpräparation, Biologie und anderen Anwendungen der Materialforschung eingesetzt wird. In Kombination mit einem REM kann der Bediener den FIB-Materialabtrags-Vorgang in Echtzeit beobachten. Das FIB/REM im CEMN ist mit Gasinjektoren, EDS, STEM und TEM-Probenpräparation mittels einer OmniProbe und Flip-Stage ausgestattet. Wie beim FE-REM war der Einsatz des ursprünglich 2006 installierten FIB/REMs aufgrund der Vibrationsumgebung stark eingeschränkt. Genauer gesagt verursachte jede vorbeifahrende Straßenbahn einen sogenannten „Fly-Away“ während des Lift-Out-Prozesses zur Probenpräparation des FIB. Wenn die Straßenbahn vorbeifuhr, während die OmniProbe Kontakt zur Probe hatte, so trennte sich diese von der Sonde (Fly-Away) und ein Lift-Out war während des Vorbeifahrens nicht möglich.

Beispiele für schrittweisen Lift-Out im Nanobereich

REM-Bilder eines schrittweisen Lift-Out-Prozesses (zur Verfügung gestellt von PSU-CENM)

Die Probe konnte nicht weiter verwendet werden und der Vorgang musste beim Depositionsschritt von vorne begonnen werden. Da die Bahnen alle 7 bis 15 Minuten vorbeifuhren, erforderte der Prozess zusätzliche Aufmerksamkeit und Effizienz beim Lift-Out von einem erfahrenen Bediener, eine besondere Planung und vorausschauende Zeiteinteilung. Darüber hinaus war die Nutzung zeitlich begrenzt.

Obwohl das Dual-Beam-Instrument über interne passive Isolatoren verfügt, sind diese nicht dafür ausgelegt, Bodenschwingungen von 5 Hz und niedriger auszugleichen. Um die niederfrequenten Schwingungen dauerhaft zu dämpfen, ist eine dezidierte und hocheffiziente aktive Basis zur Aufhebung von Inertialschwingungen erforderlich, auf welcher die gesamte REM/FIB-Säule steht. Die serielle piezoelektrische Technologie von TMCs SEM-Base ist die ideale Lösung zur Dämpfung von Bodenschwingungen, selbst bei vorbeifahrenden Straßenbahnen. Zusätzlich ermöglicht das einzigartige steife Design eine optimale Kombination mit den internen Isolatoren. Die SEM-Base konnte dank TMCs SEM-Lift und der einzigartigen Roll-Off-Kiste einfach unter dem vorhandenen FIB installiert werden. Nach der Fertigstellung noch am selben Tag konnte das Center den „Lift-Out“ mit der OmniProbe ohne Fly-Away der Probe durchführen, währen die Straßenbahn vorbeifuhr. Dieser wesentliche Schritt der TEM-Probenpräparation konnte nun zu jeder Tageszeit durchgeführt werden, ohne dass er sorgfältig vorbereitet werden musste oder durch externen Zeitdruck beeinträchtigt wurde. Die Leistung des FIB/REM erhöhte sich sehr schnell, die Nutzung nahm um das Vier- bis Fünffache zu und innerhalb von 4 Monaten hatten sich die ursprünglichen Kosten der Plattform zur Schwingungsdämpfung am Einsatzort für das Center amortisiert. Das Dual-Beam-System verfügt über eine Bildauflösung von 2 nm und eine Auflösung für den Materialabtrag von 15 nm.

Vor Kurzem hat das CENM dank einer äußerst großzügigen Spende für die fortschrittliche Nanoforschung mit der Planung zur Installation eines Zweistrahl-Systems der neusten Generation begonnen. Dieses System wird ebenfalls auf der TMC SEM-Base installiert werden. Die Kombination dieser beiden führenden Technologien wird es Wissenschaftlern und Branchenführern in der Region ermöglichen, ihre Forschungen auszuweiten. Läuft man durch das CEMN oder bedient man eines der vielen fortschrittlichen Forschungsinstrumente, kann man die Vibrationen der städtischen Aktivitäten außerhalb des Gebäudes spüren. Dank der einzigartigen aktiven Schwingungstechnologie von TMC bekommen die REMs und FIBs hiervon jedoch glücklicherweise nichts mit. So können die Portland State University, CEMN und ONMAI dem Pazifischen Nordwesten weiterhin eine voll ausgelastete, gemeinsam genutzte Forschungseinrichtung mit günstiger Lage im Stadtzentrum von Portland bieten.


Symbol PDF-Download PDF-Version herunterladen

<< Back to Application Notes List>

VERWANDTE PRODUKTE