m thodes e xp rimentales de la physique micr oscopie lectr ...07-08... · m thodes e xp rimentales...
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Méthodes expérimentales
de la physique
Microscopie électronique
3. Microscopie électronique à balayage
Jean-Marc Bonard
Année académique 07-08
3.1. Introduction
Flocon de neige, Cryomicroscopie (-170°C)
http://www.anri.barc.usda.gov/emusnow/Magnification/Magnification.htm
SEM - pollen
http
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emf.d
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anic
alPo
llenS
EM/
Microscope à balayage
! Caractéristiques" Grandissement > 1000x (limite !scopie optique)
" Effet “3D”, images très intuitives à appréhender# Profondeur de champ
# Contraste: l’échantillon semble “éclairé” par une “source de lumière”
! Et en plus…" Contraste/analyse chimique
" Modes d’imagerie avancés# EBSP, cathodoluminescence, EBIC
" Échantillons isolants, hydratés# Basse tension, !scope environnemental, cryo!scopie…
Doc Philips
Chambre
Détecteur(s)
Électroniquebalayage
Écran
Canon à électrons
Lentilles condenseur
Diaphragme objectif
Déflecteurs
Lentille objectif
Echantillon
Sché
ma
A. H
essl
er-W
yser
FIB (Focused Ion Beam)
! SEM avec source ionique" Imagerie avec électrons secondaires
! Permet de modifier la surface (ablation, déposition) avec une haute résolution (<10 nm)" Nanofabrication par décomposition de gaz organométalliques
" Attaque sélective en présence de Cl, I…
" Préparation de lames minces pour le TEM
Partie mémoire d’un circuit intégréhttp://www.fibics.com
3.2. Formation d’image
http
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guy.
com
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lery
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l
Interactions électron-matière
! SEM" Énergie 1…30 keV
" Échantillon massif
! Interactions élastiques" Électrons primaires rétrodiffusés
! Interactions inélastiques" Électrons “secondaires”# Électrons issus d’une ionisation s’échappent de l’échantillon
" Plasmons (<10 eV), phonons (1-100 meV)
" Électrons Auger
" Rayons X
" Dans les semi-conducteurs: paires électron-trou
Contraste
! Sources de contraste principales" Électrons rétrodiffusés# Électrons du faisceau éjectés de l’échantillon après une ou plusieurs collisions élastiques ou inélastiques
" Électrons secondaires# Électrons arrachés à l’échantillon par les électrons du faisceau
# Énergie faible < 50 eV
# Libre parcours moyen ! très faible (qq nm)
# Principalement émis au point d’impact
#…mais également lors de l’éjection d’électrons rétrodiffusés!
Electrons Auger
Electrons rétrodiffusésBSE
Electrons secondairesSE
Détecteurs
! Configuration traditionnelle" Détecteur électrons rétrodiffusés# Placé sous la lentille objectif
# Capte les électrons rétrodiffusés à ~150…180°
# En général, diode p-i-n
" Détecteur électrons secondaires# Placé à hauteur de l’échantillon loin de l’axe optique
#Détecteur Everhart-Thornley• Grille de collection
• Électrons accélérés à 10 keV
• Scintillateur: électron $ photons
• Photomultiplicateur
Échantillon
Détecteurélectronsrétro-diffusés
Détecteurélectronssecondaires
!%Configurations particulières"%SEM avec lentille objectif “in-lens”#%Échantillon dans le champ magnétique de la lentille
#%Détecteur “in-lens”
"%SEM environnemental/pression partielle#%Électrons secondaires n’atteignent pas le détecteur traditionnel
Contraste I
! Contraste" Variation du nombre d’électrons détectés d’un point à l’autre
" C = |I(x2)–I(x1)|/I(x1)0"C"1
! Taux d’électrons secondaires/rétrodiffusés dépend de" Composition chimique (densité/numéro atomique)# Taux augmente avec Z pour électrons rétrodiffusés
# Éléments légers seulement pour électrons secondaires
Échantillon poli, surface " faisceauÉnergie 5…20 keV
AmalgameHg, Ag, Cu, Sn, Zn
BSE
SE
w w w .x - r a y m ic r o a n al y si s. c o m
Contraste II
! Taux d’électrons secondaires/rétrodiffusés dépend de" Orientation surface - faisceau
" I(#) # I(#=0)/cos(#)
www.x-raymicroanalysis.com
Fracture sur Si
Contraste III
!Électrons secondaires" Energie faible < 50 eV
# Aisément défléchis dans la chambre
"Détecteur “Everhart-Thornley”# Détecteur d’électrons avec grille polarisée à <400V# Facilite la collection des électrons# Nombre d’électrons collectés dépend de l’orientation de la surface par rapport au détecteur!# L’observateur regarde le long de l’axe optique et la “lumière” semble provenir du détecteur…
SE detector
(0V)
+200V
Détecteur
Dét
ecte
ur
w w w .j e ol u sa .c o m
BSE
SE
Contraste IV
! Divers “types” d'électrons secondaires" SE1: faisceau incident
" SE2: BSE quittant l’échantillon
" SE3: BSE impactant sur les surfaces environnantes (échantillon, chambre, …)
! Contributions" Partie “haute résolution”: SE1#Ø zone d’émission # Ø faisceau
" Fond diffus (SE2+SE3)
total
Effet tension / détection
! C’est le même échantillon!" Papier
! BSE" Contraste chimique fort
! SE" Contraste topographique fort
" Beaucoup plus de détails de surface, à cause de la faible énergie des électrons incidents
3 keV, SE
20 !m
20 keV, BSE
www.smt.zeiss.com
Profondeur
de champ I
! Profondeur de champ" Zone de part et d’autre du plan de mise au point où l’image est encore “nette”
" SEM: distance // à l’axe optique sur laquelle le Ø du faisceau est inférieur à la taille d’un pixel
filament de lampe "spot"http
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icro
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net.
fsu.
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Profondeur de champ II
! Nettement supérieure en SEM qu’en !scopie optique" Angle de convergence bcp plus faible (typ. 1 mrad & 1 rad)
" Conditions d’imagerie “haute résolution”# Faisceau fortement convergent
# Petite distance de travail
# “Faible” profondeur de champ
" Compromis entre profondeur de champ et résolution
P.-A. Buffat
Effets de charge
! Échantillon isolant" Électrons ne sont pas évacués?!
" Accumulation de charge# Perturbe les électrons secondaires
# Perturbe le faisceau incident
" Solutions#Dépôt d’une fine couche conductrice
# Basse énergie des électrons (~1 keV)
# Pression partielle
20 !mw
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anal
ysis
.com
www.smt.zeiss.com
Sous vide
Air, 40 Pa
Papier
Microscope “environnemental”
! Pression partielle à l’intérieur de la chambre (typ. 100 Pa)" Échantillons isolants / hydratés
" Diaphragmes limiteurs de pression multiples (pompage différentiel)
! Pression ' $ libre parcours moyen (" Perte d’électrons du faisceau
" Perte de signal: électrons secondaires!#Détecteur utilise le gaz dans la chambre pour amplifier le signal
# Ions positifs vont neutraliser la charge sur la surface
www.feicompany.com
Microscope
“environnemental” II
! Applications" Échantillons isolants ou mauvais conducteurs
" Études d’oxydation / corrosion in situ
" Échantillons hydratés
" Pas d’EDX quantitative
http://www.egr.msu.edu/cmsc/esem/gallery/
Oxyde formé in-situ sur un alliage Ba-Ag @ 193°C
Polymère superabsorbant sec et hydraté
3.3. Analyse chimique
Si + céramique ZrO2/TiC
Soudure Pb/Sn sur fil Cu nickelé Cu Ni Sn Pb
Détecteur EDX Kratos !EDX1400
21
Composition chimique
! Transitions dues aux électrons
" Électrons de cœur: énergie de liaison caractéristique de l’élément
" Excitation/ionisation par particule sonde (photon, électron, ion, …)# Photoélectron
# Après désexcitation: photon X, électron Auger, …
# Énergie des produits d’interaction caractéristique de l’élément
Photon
Electron…
Electron AugerPhotoélectronPhoton UVRayon X
Spectroscopie de rayons X:
éléments
Goldstein et al., “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” (Plenum Press, 1992)
Spectroscopie de rayons X:
analyse qualitative et quantitative
! Analyse qualitative
" Éléments présents (à partir du B)
" Seuil de détection: ~0.1%
! Analyse quantitative
"Quantification à partir des intensités basée sur des modèles
" Composition chimique à l’échelle du !m3
" Précision de ~1% (meilleur avec un standard)
! Résolution latérale et en profondeur: ~1 !m
" Pas spécifique à la surface Goldstein et al., “Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis” (Plenum Press, 1992)
Spectroscopie de rayons X:
cartographie
! Électrons secondaires (SE):topographie
! Électrons rétrodiffusés (BSE):contraste chimique sur échantillon poli
! Cartographie élémentaire
" Intensité sur l’image = intensité des rayons X émis en un point à l’énergie caractérisdtique d’un élément donné
" Permet de visualiser la répartition des éléments sur la zone analysée
" Information qualitative
" Identification des phases/matériaux en présence: analyse du spectre en un point donné
Détection des
rayons X
! EDS" Spectrométrie résolue en énergie
" Détecteur Si(Li)#charges crées (et mesurées) $ énergie du rayon X
! WDS" Spectrométrie résolue en longueurd’onde
" Cristal mono-chromateur # LiF ou cristaux synthétiques
www.x-raymicroanalysis.com
Tiré
de
L. R
eim
er, TE
MWDS vs EDS
! EDS" Mesure simultanée de toutes les énergies (un rayon X à la fois)
" Rapide, mais résolution médiocre# Superposition de pics, e.g. Mo et S
" Utilisé sur (presque) tous les SEMs
! WDS" Mesure une longueurd’onde à la fois
" Important pour # Résoudre les super-positions de pics
#Détecter les éléments trace
#Quantifier les éléments légers
EDSWDS
Mo L%Mo L&
S K&
S K%
2.2 2.4 2.6 keV
www.x-raymicroanalysis.com
Caractéristique WDS (longueur d’onde) EDS (énergie)Efficacité de la collection Basse (0.001 sr) Moyenne (0.005-0.1 sr)Courant de faisceau Haut (! 10 nA) Bas (!0.1 nA)Résolution Bonne (typ. 5-10 eV) Dépend de l’énergie,
typ. < 100 eVLimite de détection <0.01% Typ. 0.1- 0.5%Rapidité Lent – un seul élément
analysé à la foisRapide – tous élémentsanalysés simultanément
Analyse quantitative Aisée Complexe (modèlespour la déconvolutiondes pics et le fond)
Résolution
! Électrons secondaires " Ø émission # Ø faisceau
! Électrons rétrodiffusés" Ø émission # Ø volume d’interaction
! Analyse chimique?" Ø émission?
" Taille du volume d’interaction?
ww
w.x
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mic
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is.c
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Volume de génération I
! Dépend " De l’énergie E0 des électrons incidents
" Du numéro atomique (de la densité ')
" Profondeur moyenne de pénétration: rayon de GrünRg = 0.0457/' E0
1.75
# A 10 keV:Fe: 0.32 !mC: 1.75 !m
C Fe
Trajectoires
Rayons X générés 10 keVSimulation Monte-Carlo des trajectoires des électrons et de la génération de rayons Xhttp://www.nsknet.or.jp/~kana/soft/sfmenu.html Source: P.-A. Buffat
Volume de
génération II
! Nomogramme pour déterminer la taille du volume de génération des rayons X
! La génération n’est pas tout…
Eionisation [keV]
Eel [keV]
density
vo
lum
e s
ize
[µ
m]
Fe
C
Source: P.-A. Buffat
W C
4 keV
W C
25 keV
Volume de génération III
! Comparison de la génération et de l’émission dans WC à 4 et 25 keV" Très forte absorption des lignes K du C# Faible énergie: coefficient d’absorption plus élevé
" 4 keV a l’air plus favorable, mais…# Lignes K et L de beaucoup d’éléments sont à des énergies plus élevées
# Microanalyse avec lignes à basse énergie (L et M) peu précise et souvent ambiguë
! Profondeur sondée" Dépend de l’énergie des électrons et de l’énergie des rayons X
Source: P.-A. Buffat
Résolution en microanalyse EDX
! Zone d’émission des électrons secondaires: qq nm
! Zone d’émission des rayons X: $ 1!m" Matériaux de basse densité (2 g/cm3)
" Matériaux de haute densité(10 g/cm3)
" Lignes de basse énergie (" 1keV)
" Lignes de haute énergie (" 10keV)
" Résolution dépend de # Énergie des électrons incidents
# Énergie des rayons X émis
#Densité du matériau
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