Nanotechlabors

Die Forschung beschäftigt sich heute mit mikroskopisch kleinen Teilen oft sogar mit Abmessungen im Bereich weniger Nanometer. Die dafür verwendeten Geräte reagieren auf Störeinflüsse besonders empfindlich. Es braucht deshalb entsprechend geschützte Labors in denen solche Störeinflüsse reduziert sind. Die Felder können mit zwei Techniken reduziert werden: durch Abschirmen oder Kompensieren und durch die Kombination beider Techniken, als "Low Field Rooms™" bezeichnet.

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VISTEC E-beam writer, Athen
OMICRON Spin SEM, Lausanne
JEOL JSM 7001, Prag
FEI Nova NANOSEM, Zürich
FEI Tecnai, Gatersleben


Systron PowerShield® Raumabschirmung::

Beschreibung

Elektronenmikroskopieräume

rasterelektronenmikroskopRasterelektronenmikroskop
Räume für Elektronenmikroskope müssen vor magnetischen Störfeldern geschützt werden wenn äussere Störfelder den Betrieb der Mikroskope beeinträchtigen. Die Lieferanten/Hersteller der Mikroskope definieren deshalb entsprechende Grenzwerte. Neben aktiven Kompensationssystemen können die Störfelder auch mit Raumabschirmungen reduziert werden.
 
Mit Raumabschirmungen können Störfelder wie sie von Bahnanlagen, Strassenbahnen, Hochspannungsleitungen, aber auch durch Gebäude interne Quellen verursacht weren, wirkungsvoll begrenzt eingesetzt.

Beispiel REM Raum

Beispiel aus der Praxis

Das REM-Labor eines Kunden musste verlegt werden. Die magnetische Feldstärke wurden an mehreren in Frage kommenden Standorten gemessen. Letztendlich musste ein Raum gewählt werden, in dem die magnetische Feldstärke die Störgrenze des REM's überschritten wurde. Der Kunde hat verschiedene Feldreduktionslösungen geprüft und sich für eine passive Abschirmung entschieden. Dies vor allem deshalb, weil die passive Raumabschirmung, einmal montiert, einfach vergessen werden kann. Der neue Standort war von verschiedenen "In House" Störquellen umgeben, wie einem Elektrokabelkanal unter dem Gang vor dem Labor, einer Stromschiene an der Wand und einem Indusktionsofen im rückseitig angrenzenden Produktionsraum.

Grundriss mit Störquellen
Störquellen
 Raum fertig geschirmt
 Labor eingerichtet


Aktive Magnetfeldkompensation::

Beschreibung

Das aktive Magnetfeldkompensationssystem MACS™ wurde speziell dafür entwickelt niederfrequente Magnetfelder auf kleinstmögliche Werte zu reduzieren. Mit dem MACS™ können so Störgrenzen von Elektronenmikroskopen eingehalten oder Magnetfeldstörungen in biomagnetischen Untersuchungsräumen, EEG/EKG/EMG, verhindert werden. Das MACS™ wird dann eingesetzt wenn die Umgebung möglichst frei von niederfrequenten Magnetfeldern gehalten werden muss, sei es für Experimente oder Messungen.

Das MACS™ kompensiert niederfrequente Magnetfelder wie sie durch Fahrzeuge, Aufzüge, Bahn, Elektroanlagen oder andere Störquellen verursacht werden in Echtzeit. Mittels eines empfindlichen Sensors werden die Störfelder gemessen und durch Gegenfelder aktiv kompensiert.

macs-mittel   macs-grafik-1
Aktives Kompensationssystem MACS™ Vergleich Kompensation "EIN" / "AUS"

Planung und Montage

 

macs-skp-modell

Planung und Montage

Die Montageplanung der aktiven Magnetfeldabschirmung erfolgt als vorbereitende Arbeit. Die Montage selber dauert insgesamt ca. 3 Tage und wird üblicherweise in zwei Schritten ausgeführt.

  • 1. Montieren der Kabelkanäle und verlegen der Spulen. Diese Arbeiten erfolgen idealerweise vor Montage der Laboreinrichtung und vor dem Aufstellen des Mikroskops.
  • 2. Nach Inbetriebnahme des Mikroskops, platzieren des Sensors, anschliessen der Spulen und kalibrieren der Anlage. Nach Abschluss der Arbeiten wird die Performance durch Messungen dokumentiert.
3D-Situation aktives Kompensationssystem
 

Beispiel Strassenbahn

Ausgangslage:
In einem Labor in Wien wurde ein neues Rasterelektronenmikroskop Carl Zeiss SEM Supra 55VP installiert. Da bei den Mikroskopiearbeiten Störungen auftraten wurden Magnetfeldmessungen durchgeführt. Diese Messungen ergaben, dass die DC-Magnetfelder ausserhalb den Spezifikationen lagen. Als Quelle konnte die am Gebäude vorbeiführende Straßenbahn festgestellt werden.

Lösung:
Um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten wurde ein aktives Magnetfeldkompensationssystem installiert. Damit konnten die Störfeldstärken im Raum deutlich unter die spezifizierten Werte reduziert werden.

SupraWien2   SupraWien-grafik
 Supra 55VP mit aktivem Kompensationssystem   Messwerte Kompensation "OFF" und Kompensation "ON"

Beispiel Stromverteilung

Ausgangslage:
In einem Labor in Berlin wurde ein neues FEI TEM, Titan 80-300 installiert. Nach der Inbetriebnahme wurde festgestellt, dass die Bildqualität nicht den Erwartungen entspricht. Durch entsprechende Magnetfeldmessungen konnte der störende Einfluss einer nahe gelegenen Stromverteilung nachgewiesen werden, welche zum Zeitpunkt der Raummessungen nicht in Betrieb war.

Lösung:
Damit die Störfelder elminiert werden konnten wurde ein aktives Kompensationsystem eingebaut. Die Problematik von nahen Feldquellen besteht darin, dass der Gradient am Standort des Mikroskopes hoch ist und die Felder inhomogen sind. Solche Situationen mit Kompensationssystemen einwandfrei zu lösen gestaltet sich nicht ganz einfach. Ziel der Kompensation soll ja sein ein grösst mögliches Volumen zu kompensieren. In Situationen mit hohem Gradient ist dies jedoch nur bedingt möglich.

Raumplan-Berlin-klein   Titan-Berlin   Messwerte-Berlin
Position Elektroverteiler  
Rot: Magnetfeldsensor
Weiss: Kompensationsspulen
  Feldstärken mit Kompensation "OFF" und "ON"

Beispiel Kabelkanal im Boden

Ausgangslage:
In einem Forschungszentrum soll ein Elektronenstrahl-Lithographiegerät Electron Beam Writer RAITH 150 TWO eingebaut werden. Magnetfeldmessungen im Vorfeld haben ergeben, dass die Feldstärken am Standort des Lithographiegerät ausserhalb den Gerätespezifikationen liegen. Mit Messungen wurde festgestellt, dass sich die Haupt-Stromleitungen des Gebäudes in einem im Fußboden eingelassenen Kanal befinden. Der Kanal quert den Raum auf der gesamten Länge.

Lösung:
Damit des Lithographiegerät trotzdem in diesem Raum eingesetzt werden kann wurde ein Magnetfeld-Kompensationssystems installiert. Mit der Kompensation konnten die Feldstärken soweit reduziert werden, dass die Spezifikationen eingehalten werden können. Der störungsfreie Betrieb der Anlage ist somit gewährleistet.

Raumplan-FZD   Raith-150
Kabelkanal im Boden des Mikroskopieraumes E-Beam writer Raith 150 two

Beispiel REM's nebeneinander

Ausgangslage:

In einer Universität in Köln sollen in einem Raum ein Philips CM 10 TEM und im benachbarten Raum ein LEO 430i REM aufgestellt werden. Diese Geräte werden aus einem alten Gebäude in neue Labore umgezogen. Damit die Störeinflüsse der nahe gelegenen Bahnlinie (16,7Hz) und der Straßenbahn (DC) eliminiert werden können, sollen in beiden Laboren Kompensationssysteme installiert werden. Wenn nun zwei Kompensationssysteme unmittelbar nebeneinander installiert werden, sind besondere Punkte zu beachten, da sich die Systeme sonst gegenseitig stören können.

Lösung:
Damit sich die Kompensationssysteme nicht gegenseitig beeinflussen, müssen gewisse Mindestmaße zwischen den Helmholtzspulen der beiden Systeme und dem Sensor des jeweils anderen Systems eingehalten werden. Als erste Massnahmen wurden die Mikroskope soweit auseinander wie möglich platziert. Damit die Spulen nicht unmittelbat nebeneinander liegen wurde dier Spulenkäfig in einem Raum verkleinert, d.h. die Spule wurden etwa 1m von der Wand ins Rauminnere verlegt. Damit konnten die Souelen-Spulen und Spulen-Sensor Abstände eingehlaten werden.

GR-Koeln   Koeln-1   Koeln-2
Grundrissplan der zwei nebeneinander liegenden Labore Philips CM 10 TEM mit Sensor LEO 430i REM mit Sensor

Freistehende Rahmenkonstruktion

Ausgangslage:
Nach der Inbetriebnahme eines Jeol SEM JSM 6490 in einem Labor in Jena waren deutliche Störungen bei den Aufnahmen ersichtlich. Messungen haben ergeben, dass diese Störungen durch an der Decke montierte Stromkabel verursacht werden. Ein Umlegen der Kabel war nicht möglich.

Lösung:
Wegen den sehr beengten Platzverhältnisse und der unüblichen Geometrie des Mikroskopieraumes hat sich der Kunde für eine freistehende Rahmenkonstruktion aus GFK entschieden. Die Rahmenkonstruktion wurde auf Wunsch des Kunden verkehrsrot lackiert. Die Konstruktion soll bewusst als Blickfang dienen.

Jena-2   Jena-3
Rahmenkonstruktion aus GFK Profilen
  Befestigung des Sensorhalters an der Decke


Low Field Rooms™::

Beschreibung

Magnetfeldarme Räume, "Low Field Rooms™", bilden die Grundlage für den Betrieb von empfindlichen High Tech Forschungsgeräten. Die Hersteller solcher Forschungsgeräte legen deshalb entsprechende Grenzwerte für Magnetfelder fest damit ein störungsfreier Betrieb gewährleistet werden kann. Diese Grenzwerte liegen heute bereits bei <30nT peak-peak, oder sogar <20nT peak-peak. Wenn nun diese Werte mit Kompensationssystemen nicht erreicht werden können sind weitergehende Massnahmen notwendig.
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"Low Field Room", Binnig und Rohner Nanotechnologiezentrum, Rüschlikon
Im neuen Binnig und Rohner Nanotechnologiezentrum, Rueschlikon, wurde eine speziell für im Nanotechnologiezentrum eine Kombinationslösungen aus passiver Abschirmung und aktiver Kompensation entwickelt. Diese Lösung wurde in den Forschungslabors erfolgreich eingebaut.
 
Anforderungen an "Low Field Rooms™" für die elektromagnetische Induktion:
  • BAC = <5nT (bis 2kHz, integriert)
  • BDC = <50nT

Funktionsweise Low Field Rooms

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E-beam writer, VISTEC in "Low Field Room™"
"Low Field Rooms™" werden für die Reduktion niederfrequenter Magnetfelder in Umgebungen mit hohen Störfeldstärken, homogenen oder inhomogenen Feldern eingesetzt. "Low Field Rooms" basieren auf einer Kombination aus Raumabschirmung und Kompensationssystem. Die Raumabschirmung, basierend auf Nickel Eisen (sogenanntes "Mu-Metall"), kombiniert mit Aluminium, bewirkt eine Basisreduktion äusserer Störfelder und homogenisiert das Feld innerhalb des Raumes. Die aktive Kompensation reduziert dann das restliche Feld. In der Kombination werden so AC und DC Felder optimal begrenzt. Die in "Low Field Rooms™" gemessene Dämpfung beträgt für AC: ca. 40dB, für DC: ca. 32dB. Die zu erreichende Dämpfung ist jedoch von verschiedenen Parametern wie Raumgrösse, Störfrequenzen, Feldstärken etc. abhängig.
 


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