GAMBETTI / Park System / Caratterizzazione superficiale

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Park Systems è una società sud coreana, produttrice di microscopi a forza atomica
(AFM) fondata nel 1997 dal Dr. Sang-il Park, denominata PSIA (Park Scientific
Instruments Advanced) fino all’aprile 2007.
La più che ventennale esperienza di progettazione del Dr. Sang-il Park, costituisce il
nucleo di forza di questa società nello sviluppo della tecnologia dei Microscopi a Forza
Atomica.
La storia della Park Systems arriva, attraverso diverse denominazioni, acquisizioni e
fusioni, sino alle origini ed alla nascita della tecnologia AFM.
I Microscopi della serie XE rappresentano la terza generazione di strumenti realizzata
dal team del Dr. Park e sono il risultato di molti anni di intensa attività di ricerca e
sviluppo. A seguito dell’esperienza accumulata con le due precedenti generazioni la
serie XE, grazie alle sue peculiari ed innovative caratteristiche metrologiche, rappresenta
indiscutibilmente un punto di riferimento nello scenario attuale della tecnologia AFM.
Caratterizzazione superficiale
Park Systems
Il 21esimo secolo è l’era delle Nanotecnologie. Assieme alle Biotecnologie e alle
Tecnologie Informatiche, le Nanotecnologie promettono profondi impatti e cambiamenti
in molte aree della vita quotidiana. In questo contesto la Park Systems si propone di
essere la Società Leader nella misura e caratterizzazione dei Nanosistemi attraverso
l’implementazione e la diffusione delle proprie tecnologie sia nei settori industriali che
nella Ricerca e Sviluppo di base.
Park Systems
La Tecnologia AFM Park Systems
Il microscopio AFM fu creato nel 1986 da
Binning, Quate e Berger all’Università di Stanford
(USA). Attraverso le alte risoluzioni spaziali
che può raggiungere può risolvere strutture dell’ordine dei reticoli atomici ed ottenere immagini con una risoluzione 1000 volte più elevata rispetto alle tecniche ottiche,
inoltre non richiede preparazioni particolari del
campione che può essere visualizzato direttamente in aria. Queste caratteristiche di base ne
hanno consentito negli anni la sempre più ampia
diffusione e commercializzazione.
Nei sistemi AFM convenzionali però esistono delle severe limitazioni legate all’utilizzo dei motori
piezoelettrici che sono dei componenti essenziali
dell’AFM.
In particolare, i motori piezoelettrici convenzionali non sono attuatori ortogonali di movimento 3D. Ciò significa che il tipico
movimento di questi oggetti introduce durante la scansione, errori di posizione e curvature
indesiderate.
Schema esemplificativo dell’hardware
dei Microscopi della Serie XE
Nella terza generazione di strumenti sviluppati dal Dr. Park, la serie XE, queste pesanti
limitazioni sono state finalmente superate.
In particolare gli assi di movimento XY sono stati
completamente disaccoppiati dall’asse Z. In questo modo è possibile realizzare sul piano XY
un reale trasduttore ortogonale di posizione che non introduce curvature durante la
scansione eliminando così alla radice la necessità di calibrazioni, operazioni di rimozioni della
curvatura etc.
Per quanto riguarda l’asse Z invece è possibile
guidare quest’ultimo a velocità molto più elevate rispetto ai motori convenzionali rendendo così
accessibile la nuova modalità di lavoro “True
Non Contact Mode”.
Park Systems
Schema di un AFM convenzionale, di motore piezoelettrico e tipica curvatura associata al suo movimento di scansione.
Inoltre con i piezoelettrici convenzionali non si
possono ottenere elevate velocità di risposta sull’asse Z, rendendo così inaccessibile
l’utilizzo della modalità Non Contact Mode.
Inoltre, la particolare geometria costruttiva consente un accesso ottico diretto e naturale al
campione migliorando così la fruibilità dello
strumento.
In questo modo è anche possibile utilizzare obiettivi ottici ad alto ingrandimento che consentono
di ottere risoluzioni dell’ordine di 1µm molto utili
per orientarsi sul campione e trovare rapidamente l’area di interesse.
Microscopi serie XE
Microscopio XE-70
Versione entry level del modello XE 100, l’XE 70 ha un design meccanico molto compatto, è adatto per campioni di dimensioni medio/piccole ed include tutti gli elementi essenziali e più importanti della
t e c n o l o g i a Par k ,
solo il sistema ottico
Caratteristiche principali
è manuale anzichè
Disegno meccanico compatto
m oto r iz z a to c o m e
Stage ottico manuale
nell’XE 100.
Completamente aggiornabile
Sistema completo con la nuova elettronica della serie XE a
basso rumore
Microscopio XE-100
L‘XE-100 è il modello di riferimento nella serie Park. È un prodotto
di grande rapporto qualità prezzo e rappresenta la soluzione più avanzata di analisi AFM, SPM per la metrologia in Non Contact mode in
nanoscala. È adatto
per campioni piccoCaratteristiche principali
li o medio piccoli e
Stage ottico motorizzato
per applicazioni quali
Massima facilità d‘uso
data storage, semic o n d u t to r i, n a n o Supporta tutte le modalità di lavoro
scienze, scienza dei
Supporta tutte le opzioni XE
materiali, polimeri,
Controllore XE a basso rumore
elettrochimica.
Microscopio XE-150
Con l’introduzione del sistema XE-150 è ora possibile la gestione di campioni di grandi dimensioni con l’accuratezza e l’affidabilità della
tecnologia XE. Lo stage XY è motorizzato e può gestire campioni fino a 150 x 150
x 27,5mm potendo
Caratteristiche principali
esaminare qualun AFM di utilizzo generale per campioni di grandi dimensioni
que punto all’interTavolino XY motorizzato con intervallo di movimento 150 x
no dell’intervallo di
150mm
scansione.
Supporta wafers fino a 6 pollici
Opzionalmente è
possibile utiliz zare
un’estensione della
scansione fino a 200
x 200 mm.
Sistema avanzato di isolamento acustico
Controllore Xe a basso rumore
Microscopio XE SNOM
L’XE SNOM è l’ultimo prodotto inserito nelle linea XE.
È realizzato in modo specifico per le misure di tipo ottico avanzato quali
la Near Field Scanning Optical Microscopy (NSOM), la Spettrometria
Raman e la Microscopia Confocale.
L’XE SNOM include un sistema AFM completo dotato di grande accessibilità ottica al campione. Al contrario di sistemi convenzionali che utilizzano
tuning fork per manCaratteristiche principali
tenere lo shear force
Integrazione rapida e semplificata di configurazioni di
feedback, l’XE SNOM
misura ottiche
utilizza il ben collaudaVersatilità di utilizzo dello SNOM in riflessione/trasmissione
to sistema a feedback
Facilità di allineamento degli assi ottici e dei rivelatori ottici
ottico già disponibile
Facilità di integrazione con altre tecniche quali Raman e
nella tecnologia degli
Confocale
AFM XE.
Caratteristiche tecniche Microscopi serie XE
Modello
XE-70
XE-100
XE-150
XE SNOM
Meccanica
Scanner XY
Risoluzione in XY
50μm x 50 μm con closed loop feedback
100 x 100 μm con closed loop feedback
<0.02 nm con loop aperto
<0.6 nm con loop chiuso
<0.04 nm con loop aperto
<1 nm con loop chiuso
12 μm (opzionale: 25 μm)
Rumore di fondo ≤ 0.02 nm
Scanner Z
Ortogonalità dello
scanner XY con lo
scanner Z
Escursione al di fuori del
piano di scansione XY
<1.0° tipica
< 1nm su 50 μm di scansione in X o Y
< 4nm su 100 μm di
scansione in X o Y.
XE SLD/LD/Testa ottica
Tipo di testa AFM
Escursione tavolino
portacampioni
< 2nm su 100 μm di
scansione in X o Y.
25mm in XY e 30 mm in Z
150 mm in XY e 27.5
mm in Z.
Visione ottica diretta in
asse
800 ingrandimenti del campione e della levetta
Processore
Texas Instrument DSP da 600 MHz e 4800 MIPS
ADC/DAC
risoluzione a 16-bit a 500 kHz di campionamento
40 mm in XY e 30 mm
in Z.
Elettronica
Connessione al PC via TCP/IP
Comunicazione
Modalità di misura degli AFM della Serie XE
Modalità standard
Modalità avanzate

True Non Contact AFM
Contact Mode e Dynamic Force Microscopy
Lateral Force Microscopy
Spettroscopia Force vs Distance
Phase Imaging
Conductive AFM and I-V spectroscopy
Electrical Force Microscopy (EFM)/DC-EFM
Force Modulation Microscopy (FMM)
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Scanning Capacitance Microscopy (SCM)
Scanning Thermal Microscopy (SThM)
Scanning Spread-Resistance Microscopy (SSRM)
Nano-indentation
Nanolithography
Nanomanipulation
Vantaggi tecnologici della serie XE
Tecnologia
Vantaggi
Scanner X,Y disaccoppiato
da Z
Nessuna curvatura di
background, non è necessaria la calibrazione di
scansione
Elevata qualità metrologica
dei dati acquisiti
Esempi
Esempio di immagine acquisita senza calibrazioni o rimozioni della
curvatura di scansione e senza elaborazione digitale
Scanner XY con X e Y
indipendenti
Le immagini in X e Y sono
equivalenti, non vi sono
fenomeni di influenza
reciproca di X e Y nella formazione dell’immagine
Immagini ottenute in X e Y e relativa immagine sottratta
Z disaccoppiato
Alta velocità di reazione,
True Non Contact Mode
accessibile
La punta non si deteriora
durante la scansione
Esempio di punta Utrasharp prima e dopo l’acquisizione di 20 immagini in Non Contact Mode
Accesso ottico sull‘asse Z
completamente libero
Facilità di posizionamento
ed ingaggio punta sul
campione
Esempio di visione punta AFM e campione
Software XEI di analisi
immagine
Elaborazione moderna,
potente ed intuitiva dei
risultati possibile anche
mentre si eseguono scansioni
Elaborazione off line immagini AFM con XEI
Punte premontate su
supporto magnetico
Ridotti tempi di cambio
punta e riallineamento
laser
Esempio di cambio punta premontata
Sistemi Industriali
La capacità progettuale ed il consistente know how accumulato negli anni della Park Systems trova
piena e naturale realizzazione nella linea di prodotti dedicati alla metrologia industriale per grandi volumi. Tutte le soluzioni innovative introdotte nella serie XE vengono sfruttate interamente anche
nel settore della metrologia industriale. I sistemi per metrologia industriale Park Systems sono suddivisi
per tipologia metrologica e vengono sinteticamente riportati qui seguito.
XE-HDD PTR
XE-3DM
Sistema industriale per applicazioni metrologiche
degli hard disks e della struttura PTR (Pole Tip
Recession).
Sistema industriale specifico per la misura delle pareti verticali e delle strutture a sbalzo
(overhang).
XE-200/300
XE-LCD
Sistema industriale specifico per applicazioni metrologiche su wafers da 6 o 8 pollici per
Semiconduttori.
Sistema industriale specifico per la misura degli
schermi LCD (Liquid Crystal Display).
Accessori
La Park Systems fornisce una vasta gamma di accessori sia hardware che software che può essere utilizzata con tutti gli strumenti della serie XE, di seguito vengono riportati le opzioni di utlizzo più comune.
Park Systems
Testa AFM con 25 µm
di scansione su Z
Cella Elettrochimica
Signal Access Module
Testa Ottica per SNOM
Braccio di sostegno
levetta con clip
Isolatori Acustici
Testa Hysitron
Triboscope per
Nanoindentazioni
Braccio di sostegno
levetta per liquidi
Cella liquida dinamica
Tavolini raffreddanti e
riscaldanti
Generatori di campo
magnetico esterno