Méthodes expérimentales de la physique Microscopie

Méthodes expérimentales
de la physique
Microscopie électronique
3. Microscopie électronique à balayage
Jean-Marc Bonard
[email protected]
Année académique 08-09
3.1. Introduction
Flocon de neige, Cryomicroscopie (-170°C)
http://www.anri.barc.usda.gov/emusnow/Magnification/Magnification.htm
http://remf.dartmouth.edu/images/botanicalPollenSEM/
SEM - pollen
Microscope à balayage
! Caractéristiques
" Effet “3D”, images très intuitives à
appréhender
Canon à électrons
Lentilles condenseur
Écran
# Profondeur de champ
# Contraste: l’échantillon semble
“éclairé” par une “source de lumière”
Diaphragme objectif
! Et en plus…
" Contraste/analyse chimique
Électronique
balayage
Déflecteurs
" Modes d’imagerie avancés
# EBSP, cathodoluminescence, EBIC
Lentille objectif
" Échantillons isolants, hydratés
# Basse tension, !scope
environnemental, cryo!scopie…
Doc Philips
Echantillon
Détecteur(s)
Chambre
Schéma A. Hessler-Wyser
" Grandissement > 1000x (limite
!scopie optique)
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 intégré
http://www.fibics.com
http://www.semguy.com/gallery.html
3.2. Formation d’image
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 secondaires
SE
Electrons rétrodiffusés
BSE
Electrons Auger
Détecteurs
! Configuration traditionnelle
" Détecteur électrons rétrodiffusés
# Placé sous la lentille objectif
# Capte les électrons rétrodiffusés à
~150…180°
Détecteur
électrons
rétrodiffusés
Détecteur
électrons
Échantillon secondaires
# 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
!%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
Échantillon poli, surface " faisceau
Énergie 5…20 keV
! Contraste
" Variation du nombre d’électrons
détectés d’un point à l’autre
" C = |I(x2)–I(x1)|/I(x1)
0"C"1
BSE
! Taux d’électrons secondaires/
rétrodiffusés dépend de
" Composition chimique (densité/
numéro atomique)
# Taux augmente avec Z pour électrons
rétrodiffusés
SE
Amalgame
Hg, Ag, Cu, Sn, Zn
w
w
w
.x
r
a
# Éléments légers seulement pour
électrons secondaires
Contraste II
! Taux d’électrons
secondaires/rétrodiffusés
dépend de
" Orientation surface faisceau
" I(#) # I(#=0)/cos(#)
Fracture sur Si
www.x-raymicroanalysis.com
SE detector
SE
Contraste III
+200V
BSE
(0V)
!Électrons secondaires
" Energie faible < 50 eV
# Aisément défléchis dans la
chambre
Détecteur
w
w
w
.j
e
ol
u
sa
.c
# 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…
Détecteur
" Détecteur “Everhart-Thornley”
Effet tension / détection
20 keV, BSE
! 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
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”
http://micro.magnet.fsu.edu/
" SEM: distance // à l’axe optique sur
laquelle le Ø du faisceau est
inférieur à la taille d’un pixel
filament de lampe "spot"
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
Sous vide
Papier
" Électrons ne sont pas évacués?!
" Accumulation de charge
# Perturbe les électrons secondaires
www.x-raymicroanalysis.com
# Perturbe le faisceau incident
20 !m
Air, 40 Pa
" Solutions
# Dépôt d’une fine couche conductrice
# Basse énergie des électrons (~1 keV)
# Pression partielle
www.smt.zeiss.com
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
Oxyde formé in-situ sur un
alliage Ba-Ag @ 193°C
! Applications
" Échantillons isolants ou
mauvais conducteurs
" Études d’oxydation /
corrosion in situ
" Échantillons hydratés
" Pas d’EDX quantitative
Polymère superabsorbant sec et hydraté
http://www.egr.msu.edu/cmsc/esem/gallery/
3.3. Analyse chimique
Si +
céramique
ZrO2/TiC
Détecteur EDX Kratos !EDX1400
Soudure Pb/Sn sur fil Cu nickelé
Cu
Ni
Sn
Pb
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
Photoélectron
Photon
Electron…
Photon UV
Rayon X
Electron Auger
20
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
! EDS
" Spectrométrie résolue en énergie
" Détecteur Si(Li)
#charges crées (et mesurées) $
énergie du rayon X
Tiré de L. Reimer, TEM
Détection des
rayons X
! WDS
" Spectrométrie
résolue en longueur
d’onde
" Cristal monochromateur
# LiF ou cristaux
synthétiques
www.x-raymicroanalysis.com
WDS vs EDS
S K%
EDS
WDS
! EDS
" Mesure simultanée de toutes les
énergies (un rayon X à la fois)
Mo L%
" Rapide, mais résolution médiocre
Mo L&
# Superposition de pics, e.g. Mo et S
S
K&
" Utilisé sur (presque) tous les SEMs
2.2
! WDS
" Mesure une longueur
d’onde à la fois
" Important pour
# Résoudre les superpositions de pics
# Détecter les
éléments trace
# Quantifier les
éléments légers
2.4
Caractéristique
Efficacité de la collection
Courant de faisceau
Résolution
WDS (longueur d’onde)
Basse (0.001 sr)
Haut (! 10 nA)
Bonne (typ. 5-10 eV)
Limite de détection
Rapidité
<0.01%
Lent – un seul élément
analysé à la fois
Aisée
Analyse quantitative
2.6 keV
EDS (énergie)
Moyenne (0.005-0.1 sr)
Bas (!0.1 nA)
Dépend de l’énergie,
typ. < 100 eV
Typ. 0.1- 0.5%
Rapide – tous éléments
analysés simultanément
Complexe (modèles
pour la déconvolution
des pics et le fond)
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Résolution
! Électrons secondaires
" Ø émission # Ø faisceau
! Électrons rétrodiffusés
" Ø émission # Ø volume d’interaction
! Analyse chimique?
" Ø émission?
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" Taille du volume d’interaction?
Volume de génération I
C
Fe
! Dépend
" De l’énergie E0 des électrons
incidents
" Du numéro atomique (de la
densité ')
" Profondeur moyenne de
pénétration: rayon de Grün
Rg = 0.0457/' E01.75
Trajectoires
# A 10 keV:
Fe: 0.32 !m
C: 1.75 !m
Simulation Monte-Carlo des trajectoires des
électrons et de la génération de rayons X
http://www.nsknet.or.jp/~kana/soft/sfmenu.html
Volume de
génération II
Rayons X générés
10 keV
Source: P.-A. Buffat
Eionisation [keV]
! Nomogramme pour
déterminer la taille du
volume de génération des
rayons X
Fe
! La génération n’est pas
tout…
Eel [keV]
volume size [µm]
density
C
Source: P.-A. Buffat
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
25 keV
W
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
4 keV
W
C
! 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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