Méthodes expérimentales

de la physique

Microscopie électronique

3. Microscopie électronique à balayage

Jean-Marc Bonard

jean-marc.bonard@epfl.ch

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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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

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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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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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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

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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?

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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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