Solicitud de presupuesto

Artículos Técnicos

Park SmartScan y AutoScript: Mejora del rendimiento operativo y la productividad del usuario

Gerald Pascual, Mina Hong, Byong Kim, and Keibock Lee
Park Systems, Inc., 3040 Olcott Street, Santa Clara, CA 95054, United States of America

  

Introducción

La microscopía de fuerza atómica (AFM) fue desarrollada originalmente en los años 80 con su primer uso en la experimentación publicado en 1986. El funcionamiento del AFM se basa en el uso de un voladizo con una punta de sonda afilada, con una curvatura de radio medio de varios nanómetros, para explorar a través de la superficie de una muestra. Las flexiones y contorsiones del voladizo de la punta de la sonda recorriendo la topografía de la superficie de la muestra es grabado y luego traducido en una imagen generada por computadora para el análisis del usuario. Con el tiempo, el AFM ha visto una serie de espectaculares avances que han permitido medir otros tipos de señales de muestras, no sólo de retroalimentación mecánica. Las fuerzas electrostática y magnética como conductividad térmica y eléctrica son muchas cantidades medibles ahora con AFM. Sin embargo, a pesar de los avances en la versatilidad y la precisión de AFM con los años, los avances en la mejora de rendimiento del usuario hasta ahora históricamente permanecieron modestos en comparación. Por ejemplo, un diseño de hardware común en muchos AFM básicos consiste en una etapa para una pequeña muestra, a menudo manualmente controlada, que limita el tamaño y número de muestras que pueden analizarse y desvía la atención del usuario durante la operación de la herramienta. Aumentar la productividad del usuario de AFM es uno de los principios fundamentales para la innovación de AFM guiando a los proveedores de instrumentación como Park Systems. Y ahora, una de las iniciativas de próxima generación de Park para mejorar enormemente la salida AFM del usuario está lista para adopción masiva: AutoScript, un medio asistido por software para que incluso los usuarios principiantes de AFM automaticen el funcionamiento de la herramienta.
AutoScript permite la automatización de AFM al aprovechar una opción de diseño de sistema fundamental, una etapa de muestra motorizado (XY) y un avance histórico reciente en software de operación de AFM, Park SmartScan [1]. La etapa de grandes muestras motorizadas en los AFM de Park les ofrece varias ventajas. En primer lugar, permite a los usuarios cargar muestras mucho más grandes para analizar lo que de lo contrario sería posible en sistemas de la competencia. En segundo lugar, también permite a los usuarios cargar simultáneamente pequeñas muestras para análisis secuencial, perfecto para investigar conjuntos de muestras a la vez y reducir el tiempo muerto de la herramienta. Por último, ya que es motorizado y controlado con entradas en el software de operación, la etapa ya no tiene que ser ajustada manualmente por un operador cuando llegue el momento de analizar una porción diferente de la muestra o muestras totalmente diferentes. Park SmartScan además se basa en estas ventajas mediante la introducción de sus varias funciones sinérgicas. En el modo automático del programa, un algoritmo del parámetro escaneo con optimización automática simplifica la operación de AFM para usuarios inexpertos en un ajuste de sencillo deslizador que sacrifica calidad de escaneo versus velocidad. Pasados ahora están los métodos de ensayo y error tediosos de las generaciones anteriores que los usuarios de AFM tuvieron que soportar para obtener los mejores resultados de sus exploraciones. Con el modo Auto, parámetros de análisis para producir imágenes AFM de ejemplo pueden ser registrados por el sistema y exportados para su uso en escaneos futuros. Esta capacidad para generar y aprovechar los parámetros de exploración previamente optimizados es muy potente y sirve como el catalizador que permite que AutoScript sea tan útil como lo es para el creciente rendimiento del usuario.

Método

AutoScript, junto con otras funciones de productividad de usuario mejoradas, se puede encontrar en otro de los modos de funcionamiento de Park SmartScan, modo de programa. Como con otras soluciones similares de automatización, AutoScript es alimentado por una serie de scripts de muestra de la etapa de movimiento (una receta) que se entremezclan con llamadas para llevar a cabo análisis de la muestra utilizando un conjunto de parámetros específicos (un método). Para comenzar a crear una receta, el usuario activa AutoScript desde dentro de programa de Modo (vea Figura 1) y se da una serie de campos de datos en blanco para rellenar con coordenadas XY que correlacionan a lugares específicos en el escenario de la muestra (vea figura 2). Estas coordenadas XY rellenan automáticamente los campos de datos cuando el usuario llama controles del escenario de muestra motorizado de AutoScript y guía manualmente la etapa a una ubicación específica, como donde una muestra está cargada actualmente, debajo de la punta AFM. Después de que las coordenadas XY para este primer sitio de exploración han sido introducidas en la receta, un método puede asignarse entonces para definir cómo la proyección de imagen se debe realizar allí (vea figura 3). Esto es particularmente atractivo para los operadores inexpertos de AFM que deseen automatizar varias exploraciones en secuencia, ya que pueden aprovechar inmediata el AutoScript simplemente utilizando el modo automático de Park SmartScan para generar los métodos optimizados para ellos. Estos dos sencillos pasos de definir localizaciones de exploración de la receta y asignar un método a cada uno de ellos entonces se repite hasta que todos los análisis deseados han sido llevados a cabo. Para estudios que requieren conjuntos de datos más grandes y más imágenes de los mismos sitios de exploración, la repetición previa con pasos es tan fácil como simplemente copiar y pegar selecciones múltiples de fila tantas veces como sea necesario. En un Park AFM configurado con codificadores de precisión, es posible conseguir 2 μm de repetitividad en la dirección XY (en una resolución de 1 μm) y repetitividad de 1 μm en la dirección Z (a 0.1 μm de resolución) [2].

 

161228-park-smartscan-emphasizingFigure 1. Captura de pantalla de Park SmartScan destacando el rápido acceso a funciones avanzadas. Recuadro rojo de la inserción se enfoca en el botón de software para activar AutoScript.

161228-park-smartscan-autoscriptFigure 2. Captura de pantalla de la interface AutoScript para el diseño de una receta de AFM con secuencias de comandos analizadas en lugares específicos de la base de coordenadas en el escenario de muestra del AFM. Tenga en cuenta que la inserción del recuadro rojo lanza una ventana de comandos para que el usuario controle manualmente la etapa de control y el software automáticamente determine las coordenadas de la posición actual del escenario.

 

161228-park-smartscan-autoscript-2Figure 3. Interface de imágenes de AutoScript para implementar métodos especificados por el usuario para uno de varios escaneos AFM, agregados a una receta. Note la inserción del recuadro rojo centrándose en la capacidad activa del usuario para guardar y, más importante aún, cargar un método previamente generado como de análisis de encuesta inicial realizada con la optimización automática del modo automático Park SmartScan.

 

Al ejecutar una receta acabada con AutoScript, el sistema AFM inmediatamente se lanza a la acción y completa todas las acciones definidas por el usuario sin ninguna otra entrada del operador. En primer lugar, la etapa de muestra motorizada se mueve y automáticamente se coloca en la punta de la sonda AFM en las coordenadas XY de la primera exploración. Entonces, el AFM automáticamente trae su escáner Z hacia abajo para el acercamiento de la sonda AFM a la muestra. Arquitectura moderna, como la del Park AFM, son lo suficientemente sensibles como para evitar que se caiga la cabeza del escáner Z en la etapa de muestra pero lo suficientemente rápido para evitar que el enfoque de la punta se sienta interminable. Una vez en la gama de la muestra, la punta de la sonda AFM compromete la superficie de la muestra en el sitio de exploración y comienza el análisis mediante el método asignado en los comandos de scripts. La punta de la sonda AFM se desengancha de la muestra una vez completada la exploración en el sitio. En este punto, el analizador de Z se levanta de regreso aproximadamente 10.000 μm.

 

RESULTADOS Y DISCUSIONES

Con una comprensión básica de cómo una receta de AutoScript es configurada y ejecutada, ahora tenemos suficiente contexto con el que repasar exploraciones con esta función. Cinco productos comerciales fueron elegidos para la imagen de AFM de modo de no contacto y montados sobre portamuestras para colocación simultánea en el escenario de muestra del AFM (véase figura 4). Un Park NX20 AFM [3] usando una compilación de lanzamiento público del Park SmartScan con AutoScript fue utilizada para realizar operaciones de exploración en todas las muestras en secuencia. Los voladizos de la alta resolución del modo sin contacto PPP-CNDH de NANOSENSORES [4] presentando una constante de resorte de 42 N/m y una frecuencia de resonancia de 330 kHz se utilizaron para imagenología de cada uno de los siguientes: (1) una elastómero (PS-LDPE) copolímero poliestireno de baja densidad poliolefina estándar muestra, (2) fibrillas de colágeno deshidratadas, (3) celgard, (4) un patrón triangular de producción de aluminio y (5) un dispositivo de memoria de acceso aleatorio estática (SRAM).

 

161228-afm-samples-distributionFigure 4. El diagrama muestra la distribución de las muestras en la etapa motorizada del el Park NX20 y (b) la ruta que AutoScript creó para la etapa llevó a traer cada muestra a punta de la sonda AFM para la exploración. Las cinco etapas fueron (1) una muestra de elastómero PS-LDPE, (2) fibrillas de colágeno deshidratadas, (3) celgard, (4) un patrón triangular de producción de aluminio y (5) un dispositivo SRAM.

 

Las cinco muestras elegidas, como un conjunto, demuestran una amplia variedad de propiedades de los materiales ya que van desde copolímeros, a proteínas, a los metales, a los dispositivos de semiconductores. A pesar de la considerable disparidad en la rugosidad de la superficie, los valores de rigidez y estructuras a nanoescala en este conjunto de muestras, en el modo Park SmartScan fue capaz de realizar análisis de estudio de todas las muestras y registrar parámetros de escaneo optimizado para su uso como métodos para la inserción en una receta de AutoScript.

 

161228-afm-topography-PS-LDPE161228-park-xei-grain-analysis-PS-LDPEFigure 5.Imágenes óptica y de topografía (a) AFM (b) imágenes de la muestra estándar de la muestra de copolímero PS-LDPE siendo escaneada utilizando AutoScript. (c) "Análisis de grano" siendo realizado por el software XEI Park basado en criterios de medida para determinar las áreas de cada cluster LDPE de procesamiento de imágenes.
Tamaño de escaneo: 10 μm x 10 μm, tamaño de la imagen: 256 px × 256 px.

  

La figura 5 muestra las imágenes de topografía y óptica AFM de la muestra estándar PS-LDPE copolímero. Esta muestra es un copolímero de dos plásticos utilizados que han sido mezclados en un intento de compensar las debilidades de los materiales [5]. En la imagen AFM, el color más oscuro representa el sustrato PS. La porción de LDPE de la muestra está representada por los grupos en blanco esparcidos por el área de exploración. Además, las fronteras de cada cluster de polietileno de baja DENSIDAD, así como varias características sobre cada una de ellas, son observables en la imagen AFM. Utilizando la función de "Grano" de una pieza independiente de software de procesamiento de imagen, Park XEI, se determinó que el área promedio de los racimos de LDPE fueron de  aproximadamente 0.447 µm2.

 

161228-afm-topography-collagen-fibrilsFigure 6.Imágenes óptica (a) y de topografía AFM (b) de la muestra estándar de la muestra de fibrillas colágenas siendo escaneadas utilizando AutoScript.
Tamaño de escaneo: 5 μm x 5 μm, tamaño de la imagen: 256 px × 256 px.

 

Imágenes óptica (a) y de topografía AFM (b) de la muestra estándar de la muestra de fibrillas colágenas siendo escaneadas utilizando AutoScript.
Tamaño de escaneo: 5 μm x 5 μm, tamaño de la imagen: 256 px × 256 px.

 

161228-afm-topography-celgard

Figure 7. Imágenes óptica (a) y de topografía AFM (b) de la muestra estándar celgard siendo escaneada utilizando AutoScript.
Tamaño de escaneo: 2 μm x 2 μm, tamaño de la imagen: 256 px × 256 px.

La figura 7 consta de las imágenes óptica (a) y topografía AFM (b) de la muestra de celgard. La imagen AFM proporciona evidencia del celgard teniendo una estructura porosa y variada de altura así como la presencia de estructuras de fibrillas suspendidas libremente, de ambas características sería un reto para seguir con otras técnicas de microscopía. La variación de altura muestra detectada es de alrededor de 60 nm. Como se observa a continuación, la de lo contrario difícil de caracterizar topografía de la superficie de celgard no fue un problema para la proyección de imagen de AFM sin contacto a través de AutoScript.

 

161228-afm-image-aluminum-triangular-production-pattern

Figure 8. Imágenes óptica (a) y de topografía AFM (b) de la muestra estándar de la muestra de patrón de producción triangular de aluminio siendo escaneada utilizando AutoScript. Los lados de cada uno de los triángulos terminados tienen 170 nm de longitud.
Tamaño de escaneo: 2 μm x 2 μm, tamaño de la imagen: 256 px × 256 px.

La figura 8 muestra las imágenes de topografía AFM (a) ópticas y (b) de la muestra de patrón triangular de producción de aluminio. Esta muestra destaca porque cuenta con filos tan altos como 15 nm. Triángulos formados completamente en la muestra fueron encontrados como equiláteros en geometría y contaron con longitudes de lado de 170 nm. Los parámetros de escaneo automático optimizados obtenidos en la exploración inicial de la encuesta de modo automático seguían siendo viables cuando se utiliza en un análisis posterior sobre la misma muestra después de que la AFM había sido scripted para otros tipos de muestras de la imagen en el período de transición.

 

161227-afm-sram-device-sample

Figure 9. Imágenes óptica (a), de topografía AFM (b) y (c) 3D AFM de la muestra del dispositivo SRAM siendo escaneada utilizando AutoScript.
Tamaño de escaneo: 50 μm x 50 μm, tamaño de la imagen: 256 px × 256 px.

La figura 9 consiste en imágenes (a) ópticas, de topografía AFM (b) y (c) imágenes de topografía 3D AFM de la muestra final: un dispositivo SRAM. La SRAM es uno de los principales tipos de memoria de computadora y es un candidato común para estudios de caracterización a nanoescala [7]. La variación de la altura en esta muestra es incluso mayor que la del modelo triangular de producción de aluminio ya que las trincheras del dispositivo presentaban un desnivel de 400 nm desde la parte superior del dispositivo. En esta muestra particular se obtuvo imagenología en una mayor velocidad de exploración que las otras muestras en el conjunto y destaca por la calidad de las imágenes AFM a pesar de esta condición.

 

Resumen

AutoScript, junto con otras iniciativas de productividad de usuario introducidos por Park Systems, representa un cambio en la cantidad de trabajo que puede lograr un AFM. El aumento de la producción de AFM generada por AutoScript no se limita a los usuarios veteranos ya íntimamente familiarizados con la mejor manera de analizar un tipo particular de muestras. Los usuarios AFM principiantes, así como quienes trabajan con muestras con las que no estén familiarizados, ahora son tan capaces como sus colegas con más experiencia en adquirir la mayor resolución e imágenes de más precisión de múltiples (e incluso totalmente diferentes) muestras en masa. Abriendo el poder de AFM a un público más amplio, democratizando la tecnología, haciéndola más accesible que nunca, es una de las motivaciones fundamentales que impulsaron el desarrollo de la función de AutoScript y el resto del software de operación del Park SmartScan sus más atractivas características. La proliferación de caracterización a nanoescala por AFM y el correspondiente aumento en el volumen y la calidad de la investigación de la Nanociencia son ahora meramente cuestiones de tiempo y de adopción.

  

REFERENCES

[1] Park SmartScan – Park Systems. Retrieved October 07, 2016, from http://www.parkafm.com/index.php/products/operating-software/park-smartscan

[2] Park NX20 AFM Options – Park Systems. Retrieved October 07, 2016, from
http://www.parkafm.com/index.php/products/large-sample-afm/park-nx20/specifications

[3] Park NX20 – Park Systems. Retrieved October 07, 2016, from
http://www.parkafm.com/index.php/products/large-sample-afm/park-nx20/

[4] PPP-NCHR – NANOSENSORS. Retrieved October 07, 2016, from
http://www.nanosensors.com/PointProbe-Plus-Non-Contact-Tapping-Mode-High-Resonance-Frequency-Reflex-Coating-afm-tip-PPP-NCHR

[5] Ryu, J.G., Kim, H., Kim, M.H., and Lee, J.W., Morphology and mechanical properties of LDPE/PS blends prepared by ultrasound-assisted melt mixing, Korea-Australia Rheology Journal, September 2004, vol. 16, no. 3, pp. 147-152.

[6] Kadler, K.E., Holmes, D.F., Trotter, J.A., and Chapman, J.A., Collagen fibril formation, Journal of Biochemistry, May 1996, vol. 316, pp. 1-11.

[7] Pineda, J.P., Pascual, G., Kim, B., and Lee, K., Electrical Characterization of Semiconductor Device Using SCM and SKPM Imaging, NanoScientific, 2016, Fall, pp.14-16.