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Artículos Técnicos

Verdadera imagenología de no contacto de varias muestras

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

 

Introducción

La necesidad de medir características superficiales de la muestra se han convertido en cada vez más importante en muchas aplicaciones como la fabricación de dispositivos semiconductores y control de las características estructurales de muestras biológicas. Hay algunas técnicas AFM utilizadas en la medición de la topografía de la muestra. Los ejemplos incluyen el modo de golpeteo y modo de contacto. Sin embargo, estos modos requieren una interacción punta-muestra que puede llevar a daño de la muestra y degradación de la calidad de la punta. La necesidad de una técnica que pueda medir la topografía de la superficie sin tocar la superficie de la muestra es muy real, especialmente para las muestras sensibles a la deformación superficial.

El modo de imagenología True Non-Contact de los sistemas AFM de Park Systems aborda este problema al permitir la adquisición de la topografía de la superficie sin que la punta AFM toque la muestra. El avanzado diseño de analizador Z del AFM de Park es una característica clave en el logro de la realización de proyección de imagen sin contacto que define el modo True Non-Contact de Park: la resolución de imagen más alta y más precisos datos topográficos mientras se mantiene nitidez de la punta y minimizando la posibilidad de dañar la superficie de la muestra. En este trabajo, se midieron diferentes muestras para evaluar el desempeño del AFM Park y su enfoque único para la imagenología sin contacto.

 

Experimentos

Diferentes tipos de muestras fueron investigadas usando el sistema de AFM Park XE7 para evaluar el desempeño del modo True Non-Contact de la herramienta. Estas muestras fueron caracterizadas bajo condiciones de aire ambiente en la siguiente secuencia: 1) una oblea de zafiro, 2) una película de tungsteno y 3) fibrillas de colágeno. La oblea de zafiro fue la primera muestra a medir para comprobar el rendimiento de los detectores de bajo nivel de ruido del Park XE7 en muestras de medición con las características de la nanoescala. Con esa revisión completada, luego se midieron las fibrillas de colágeno y la película de tungsteno para demostrar que no existe ningún contacto físico entre la punta y la muestra durante el análisis. El mismo voladizo con una frecuencia relativamente de alta resonancia ~300 kHz y la constante elástica de ~ 40 N/m fue utilizada en la medición de las muestras en todo el proceso.

La imagen AFM de no contacto se adquiere mediante la medición de los cambios en la amplitud de vibración de la micropalanca inducida por el fuerzas atractivas de van der Waals ya que el voladizo es mecánicamente oscilado cerca de su frecuencia resonante durante la exploración. Los cambios registrados son compensados por el lazo de retroalimentación del AFM, que mantiene la amplitud constante y la distancia del voladizo. El modo sin contacto mide la topografía de la superficie de la muestra mediante el uso de este mecanismo de retroalimentación para controlar el movimiento del explorador de Z [1]. En este estudio, la amplitud (o punto de ajuste) constantemente mantenido fue seleccionado basado en las características de cada muestra. Teóricamente, cuanto más el valor del punto de ajuste a la amplitud de la conducción, tanto mayor la distancia entre la punta y la muestra. El punto seleccionado para la película de tungsteno es de aproximadamente el 80% de la amplitud de la conducción. Un punto más alto fue elegido para que este ejemplo para asegurar que la punta no tocará la superficie. Puesto que una superficie de la película de tungsteno es más dura que la punta de silicio, la interacción punta-muestra daría lugar a daño severo de la punta. Para la oblea de zafiro y la fibrilla de colágeno, el punto elegido se eligió como más bajo, alrededor del 40-50% de la amplitud de la conducción, ya que la mejor resolución puede adquirirse dentro de esta gama.

 

RESULTADOS Y DISCUSIONES

Las obleas de zafiro son ampliamente utilizadas como sustratos para los varios dispositivos nanoestructurados [2] [3]. Las prestaciones de los materiales que se cultivan en ellos son influenciadas por su superficie; la formación de paso en la superficie puede afectar mucho la calidad creciente. Por lo tanto, es importante controlar la formación de paso en el proceso de fabricación para lograr una superficie lisa, sin defectos. La figura 3 ilustra los pasos atómicos de una oblea del zafiro y su correspondiente perfil de línea generada después de la exploración. El perfil de línea muestra claramente que una altura de 2 nm está presente en la superficie de la muestra. Estas pequeñas medidas sólo pueden ser adquiridas por AFM que cuentan con capacidad de medición de altura Z de poco ruido. El Park XE7 que se utilizó en este experimento tiene detección de altura Z capaz de funcionar correctamente con un nivel de ruido de hasta 0,02 nm. Este nivel de ruido es bastante bajo como para adquirir una medición topográfica exacta a nanoescala.

 

161223-afm-image-sapphire-wafer-sampleFigure 1. (a) La imagen de topografía sin contacto AFM de una muestra de la oblea del zafiro usando el modo sin contacto verdadero de Park Systems. Tamaño de escaneo: 1 μm x 1 μm, tamaño de la imagen: 256 px × 256 px. (a) La imagen de topografía sin contacto AFM usando el modo sin contacto verdadero de Park Systems.

 

Las figuras 2a y 2b muestran las imágenes de la película de tungsteno medidas en dos análisis diferentes. La imagen en la Figura 2a fue adquirida durante la exploración 1 mientras Figura 2b fue adquirida en la exploración 10. Aunque la misma punta se utilizó para todas las exploraciones, los resultados muestran que una imagen de alta resolución todavía puede adquirirse incluso después de que varias mediciones se han realizado en el modo sin contacto verdadero de Park. Esto demuestra que solución de Park conserva la agudeza de la punta mediante la adquisición de la imagen sin interacción punta-muestra. Las puntas de AFM son conocidas por ser frágiles y es razonable esperar que se emboten al entrar en contacto con muestras duras tales como película de tungsteno. Las puntas romas de AFM no pueden percibir la superficie de la muestra con la misma resolución que las puntas frescas; si este fuera el caso con el modo sin contacto verdadero de Park, la exploración 10 debería haber sido de significativamente menor calidad.

161223-afm-image-tungsten-filmFigure 2. (a) La imagen de topografía sin contacto AFM (1er escaneo) de una muestra de la película de tungsteno usando el modo sin contacto verdadero de Park Systems. Tamaño de escaneo: 1 μm x 1 μm, tamaño de la imagen: 256 px × 256 px. (a) La imagen de topografía sin contacto AFM (10o escaneo) de una muestra de la película de tungsteno usando el modo sin contacto verdadero de Park Systems. Tamaño de escaneo: 1 μm x 1 μm, tamaño de la imagen: 256 px × 256 px.

Las muestras biológicas para la proyección de imágenes tales como fibrillas de colágeno han atraído mucha atención a los investigadores debido a una combinación de su naturaleza de ser dañadas fácilmente y que la mayoría de las técnicas de caracterización disponibles son destructivas. La imagen sin contacto verdadero del AFM de Park soluciona este problema permitiendo a los usuarios adquirir imágenes precisas y de alta resolución sin tocar la muestra.
La figura 3a y 3b muestran las imágenes de fase y topografía de las fibrillas de colágeno. Las imágenes revelaron que la estructura de una sola fibrilla consta de segmentos que se alinean paralelos uno al otro. La distancia D que parece más oscura entre los segmentos también es claramente visible en la imagen. La caracterización precisa de la estructura fibrilar del colágeno es relevante en muchas aplicaciones científicas, especialmente en biomedicina [4] [5] [6].

 

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Figure 3. (a) La imagen de topografía sin contacto AFM de fibrillas de colágeno usando el modo sin contacto verdadero de Park Systems. Tamaño de escaneo: 500 μm x 500 μm, tamaño de la imagen: 256 px × 256 px. (b) Imagen de fase de fibrillas de colágeno usando el modo sin contacto verdadero de Park Systems. Tamaño de escaneo: 500 μm x 500 μm, tamaño de la imagen: 256 px × 256 px.

 

ÍNDICE

La topografía de una oblea del zafiro, película de tungsteno y fibrillas de colágeno han sido eficientemente y exactamente reflejadas mediante el AFM sin contacto en el sistema del Park XE7 AFM. Los resultados muestran que el modo sin contacto verdadero del AFM de Park es un medio eficaz de medición de propiedades de superficie y topografía sin tocar la superficie de la muestra con una punta AFM voladiza. La clave en la proyección de imagen sin contacto verdadero es el diseño del Z-scanner con sistema de alta retroalimentación-Z. El modo sin contacto de Park Systems ofrece con éxito a los investigadores los medios para caracterizar las superficies de sus muestras a nivel de la nanoescala y la resolución más alta posible de precisión, libre de cualquier preocupación sobre embotar punta o daño de la muestra inducida por la punta.

 

REFERENCES

[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