ساختار SEM

SEM از چه اجزایی تشکیل شده است؟

 

میکروسکوپ الکترونی روبشی از بسیاری جهات مشابه میکروسکوپ های نوری هستند. با توجه به تضاد بین فناوری ساده میکروسکوپ نوری و الکترونی پیچیده ، تجهیزات خلاء ، منبع ولتاژ و سیستم نوری الکترونی میکروسکوپ های الکترونی ، این در نگاه اول شگفت آور است. در هر دو مورد منبع روشنایی (لامپ در مقابل منبع الکترون) ، لنز کندانسور (شیشه در مقابل کویل الکترومغناطیسی) ، نمونه و آشکارساز (چشم در مقابل آشکارساز الکترون) وجود دارد. مقایسه این ویژگیها غالباً به عنوان نقطه شروع هرگونه بحث در مورد SEM استفاده می شود.

sem

SEM از پرتو الکترونهای پرانرژی تولید شده توسط تفنگ الکترونی ، پردازش شده توسط لنزهای الکترومغناطیسی ، متمرکز در سطح نمونه و اسکن سیستماتیک در سطح نمونه استفاده می کند. برخلاف نور موجود در میکروسکوپ نوری ، الکترونهای موجود در SEM هرگز تصویری واقعی از نمونه را تشکیل نمی دهند.

تصویر SEM نتیجه ای است که پرتو نمونه را در یک زمان در یک الگوی اسکن مستطیلی (رستر) روشن می کند ، و قدرت سیگنال تولید شده از هر نقطه بازتاب تفاوتها (به عنوان مثال توپوگرافی یا ترکیبی) در نمونه است. به صفحه مشاهده همزمان با پرتو روی نمونه در یک رابطه یک به یک بین نقاط روی نمونه و نقاط روی صفحه نمایش تصویر (ترجمه نقطه به نقطه) اسکن می شود. افزایش بزرگنمایی با کاهش اندازه ناحیه اسکن شده روی نمونه ایجاد می شود.

به منظور ایجاد کنتراست در تصویر ، شدت سیگنال از فعل و انفعال پرتو و نمونه باید از نقطه به نقطه در سطح نمونه اندازه گیری شود. سیگنال های تولید شده از نمونه توسط یک آشکارساز الکترون جمع آوری می شوند ، از طریق یک دستگاه جرقه زنی به فوتون تبدیل می شوند ، در یک دستگاه تکثیر کننده نوری تقویت می شوند و به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شوند و برای تعدیل شدت تصویر در صفحه نمایش استفاده می شوند.

اجزای اصلی SEM عبارتند از: تفنگ الکترون ، سیستم خلاء  ، ستون ، محفظه نمونه ، آشکارسازها و سیستم تصویربرداری.

تفنگ الکترونی

تفنگ الکترونی چگونه کار می کند؟

تفنگ الکترونی به ناحیه بالای SEM اشاره دارد که پرتو الکترون تولید می کند. ساده ترین و ارزان ترین تفنگ از سیم تنگستن گرم شده برای تولید الکترون استفاده می کند. انواع گران تر دیگر از کریستال (لانتانیم هگزابورید: LaB6 یا تنگستن) استفاده می کنند و یا گرم می شوند یا از پتانسیل الکتریکی بالا برای بیرون کشیدن الکترون ها از آنها به صورت سرد استفاده می شود. تفنگ الکترونی یک منبع الکترون تولید می کند (متشکل از الکترونهای آزاد یعنی جدا شده از اتم) و این الکترونها را در محدوده انرژی معمولاً 1 تا 40 کیلو ولت سرعت می بخشد. تفنگ الکترونی معمولی (تریود) دارای سه جزء است ، یک سیم داغ (به نام رشته یا کاتد [- ve] یا ساطع کننده الکترون) ، یک سرپوش Wehnelt (شبکه) [-ve] ، و یک آند [+ ve]. در یک رشته انتشار حرارتی (حرارتی) ، رشته تنگستن به رنگ سفید داغ توسط جریان رشته ای گرم می شود. این امر منجر به انتشار الکترون های حرارتی می شود. الکترونهای ساطع شده آنهایی هستند که بر انرژی کارکرد مواد غلبه کرده اند.

در نمودار ، رشته (که به آن امیتر نیز گفته می شود) توسط استوانه ونلت احاطه شده است که روی مجموعه رشته بسته می شود و دارای یک حفره کوچک در مرکز است که الکترون ها از طریق آن خارج می شوند. پین های الکترود از طریق یک دیسک عایق به رشته می روند و جریان جاری را به رشته منتقل می کنند. شماتیک (a-c) سه نوع رشته را نشان می دهد: الف) سیم تنگستن (W) ، ب) مجموعه کریستال هگزابورید لانتانیم: LaB6 ، و ج) کریستال تنگستن (برای تفنگ های انتشار میدان: FEG). نوک رشته تار موی تنگستن حدود 10 میکرومتر قطر دارد در حالی که کریستال تنگستن تا نوک بسیار باریک تری تیز شده است.

در زیر کلاهک Wehnelt یک آند قرار دارد که دارای بار مثبت است و الکترون ها را از رشته دور می کند. در صورت شکستن رشته ، نمی توان الکترون تولید کرد.

سوراخ در آند به کسری از الکترون ها اجازه می دهد تا از طریق لنزها به ستون ادامه دهند تا یک پرتو کوچکتر و منسجم تر تولید شود. الکترون هایی که به آند برخورد می کنند از طریق زمین به منبع تغذیه ولتاژ بالا بازگردانده می شوند. قسمتی از تیر که آند را از سوراخ خارج می کند ، جریان پرتو نامیده می شود.

 


 

منابع الکترون

تفنگ های الکترونی را می توان به دو نوع طبقه بندی کرد: گرمایی و انتشار میدانی. تفنگ الکترونیکی معمولی از سه قسمت تشکیل شده است ، رشته ، سرپوش Wehnelt و آند. ترموالکترونهای تولید شده توسط رشته با اعمال ولتاژ بین رشته و آند شتاب می گیرند ، بنابراین یک پرتوی الکترون ایجاد می شود که از ستون میکروسکوپ به پایین جریان می یابد.

تفنگ نشر میدانی (FEG) از یک رشته سیم W کریستالی تک نوک استفاده می کند که توسط جریان رشته ای گرم نمی شود. در عوض ، الکترونها توسط رشته سرد توسط یک میدان الکترواستاتیک قوی به نام ولتاژ استخراج خارج می شوند. FEG دارای مزایای قابل توجهی نسبت به رشته های ترمیونی از جمله اندازه منبع مجازی الکترون بسیار کوچکتر ، جریان زیاد ، روشنایی زیاد ، پخش انرژی کم و عمر طولانی است. این مزایا FEG SEM را به دستگاهی با وضوح بالا برای کارهای بزرگنمایی بالا تبدیل می کند. با این حال ، در حالی که تفنگ تابشی میدان سرد منسجم ترین منبع را برای تصویربرداری از الکترون ثانویه با وضوح بالا فراهم می کند ، برای تجزیه و تحلیل اشعه ایکس پراکندگی انرژی کمترین مناسب است.

یک تفنگ انتشار میدان شاتکی (انتشار میدان گرم) دارای مزایایی در مقایسه با ساطع کننده های میدان سرد است. مزایای اصلی عبارتند از: ثبات بهتر جریان پرتو ، نیازهای خلاء کمتر و این واقعیت که نیازی به چشمک زدن دوره ای امیتر (گرم کردن رشته سرد برای هر روز به مدت کوتاه) برای بازگرداندن جریان انتشار نیست.

به طور فزاینده ای اکثر FEM SEM های با وضوح بالا از ساطع کننده های Schottky استفاده می کنند. یکی از مزیت های مهم ساطع کننده Schottky جریان پرتو زیاد است (> 100nA که امروزه توسط اکثر تولیدکنندگان قابل دستیابی است) که با کاهش کمی در وضوح فضایی قابل دستیابی است.

جدول: مقایسه انواع رشته ها

جریان بار رشته ای تفنگ حرارتی باید به درستی تنظیم شود. جریان بسیار کم ، تصویری از روشنایی نامناسب ایجاد می کند ، در حالی که جریان بیش از حد ، عمر کار رشته را کاهش می دهد. برخی از نمونه ها به خصوص به پرتو الکترون حساس هستند و حتی ممکن است ذوب شوند. در این صورت ، پرتو الکترون باید خاموش شود و نمونه از میکروسکوپ خارج شود.

 


 

اشباع رشته

دو پارامتر مهم برای هر تفنگ الکترونی مقدار جریان تولید شده و ثبات جریان است. پرتو در نقطه اشباع پایدارتر است. برای ایجاد یک تصویر با کیفیت خوب ، یک جریان پرتو ثابت مورد نیاز است زیرا تمام اطلاعات تصویر به صورت تابعی از زمان ثبت می شوند.

میکروگراف الکترون یک تصویر اسکن شده از مقادیر شدت است که به عنوان تابعی از موقعیت روی نمونه نشان داده شده است. برای میکروگراف های با کیفیت بهتر است از سرعت اسکن آهسته (که می تواند تا چند دقیقه باشد) استفاده کنید. هرگونه تغییر در انتشار فیلامنت در حین گرفتن تصویر بر شدت تصویر در آن نقطه از اسکن تأثیر می گذارد. این یک تصویر با کیفیت پایین تولید می کند زیرا روشنایی در تصویر متفاوت است. جریان ثابت تیر بستگی به اشباع صحیح رشته دارد.

یک عامل مهم در استفاده از SEM با تفنگ حرارتی درک اشباع رشته است. هرچه جریان بیشتری در رشته وارد شود ، انتشار الکترون بیشتر است. اما به نقطه ای می رسیم که میزان انتشار در حداکثر آن است. به این حالت اشباع می گویند. قرار دادن جریان بیشتر در رشته پس از این نقطه باعث افزایش انتشار الکترون نمی شود. این به سادگی طول عمر رشته را کوتاه می کند ، یا حتی ممکن است آن را زودرس خراب کند. این رابطه را می توان در نمودار جریان رشته در برابر انتشار الکترون (یا روشنایی) مشاهده کرد. در بسیاری از SEM ها ، اشباع فیلامنت یک کار مهم برای کاربر است. چندین ملاحظات مهم در مورد دستیابی به اشباع رشته به عنوان یک اپراتور ماشین وجود دارد.

توضیحات تصویر

رشته نباید خیلی سریع بپیچد وگرنه “باد” می کند (می سوزد). یک اسلحه با خط خوب معمولاً “اوج کاذب” یا “زانو” را نشان می دهد که با افزایش جریان رشته مشاهده می شود (نمودار را ببینید). این در نتیجه رسیدن بخشی از سطح رشته به دمای انتشار قبل از نوک است. با افزایش جریان رشته ، اوج کاذب فرو می ریزد و در نهایت یک پرتو کوچک ، محکم و پایدار به دست می آید. برای کاربر ، این اوج کاذب را می توان به عنوان افزایش جریان پروب (روشنایی) و به دنبال آن کاهش انتشار و افزایش بیشتر جریان پروب با افزایش جریان رشته تا نقطه اشباع مشاهده کرد.

با یک تفنگ بد تراز هیچ قله کاذبی وجود ندارد و تنها یک حداکثر حداکثر حداکثر انتشار مشاهده می شود. با افزایش جریان رشته فراتر از این قله (زیرا اپراتور به دنبال قله بعدی است) جریان پرتو (روشنایی) به جای افزایش ، همچنان کاهش می یابد. اگر تشخیص داده نشود ، این می تواند به راحتی منجر به انفجار رشته با استفاده از جریان زیاد رشته شود. در برخی از SEM ها ، به ویژه آنهایی که دارای رشته های گران قیمت هستند (مانند LaB6 و اسلحه های گسیل میدانی) ، ممکن است اشباع به طور خودکار رخ دهد تا از احتمال زیاد بی دقتی کاربر توسط آنها جلوگیری شود.

سیستم خلا

مروری بر سیستم خلاء

اکثر SEM ها از حداقل دو نوع پمپ خلاء برای دستیابی به سطح خلاء مورد نیاز برای تولید پرتو الکترونی ثابت استفاده می کنند. اولین پمپ به ترتیب (اغلب یک پمپ روتاری) برای تخلیه سریع مورد استفاده قرار می گیرد و سطح بعدی پمپ (اغلب یک پمپ قبلا دیفیوژن استفاده می شد ولی الان تربومولکولار استفاده می شود) به خلاءهای بیشتری دست می یابد. یک مدار ایمن برای شکست توالی خلاء را کنترل می کند و خلاء مناسب را در ستون نوری و محفظه نمونه حفظ می کند. (توجه: پمپ دوم تا زمانی که خلاء پمپ اول کافی نباشد کار نخواهد کرد. تلاش برای کارکردن یک پمپ انتشار بدون خلاء خوب منجر به “برگشت به عقب” و آلودگی روغن به محفظه نمونه می شود.) زمان پمپاژ طولانی تر خواهد بود اگر نمونه ای مرطوب یا گازدهی شده باشد. مهم است که نمونه را قبل از ورود به میکروسکوپ الکترونی روبشی خشک کنید ، مگر اینکه میکروسکوپ به طور خاص برای کار با نمونه های مرطوب طراحی شده باشد. برای وارد کردن نمونه به میکروسکوپ الکترونی روبشی ، محفظه را بیرون دهید (هوا را به داخل محفظه بگذارید) ، نمونه را روی مرحله قرار دهید و سپس محفظه را تخلیه کنید (هوا را از محفظه پمپ کنید).

 


 

انواع پمپ

 

1.پمپ های روتاری

پمپ روتاری گاهی اوقات به عنوان پمپ خشن یا پشتی شناخته می شود – معمولاً اولین پمپ از سری پمپ هایی است که برای دستیابی به سطوح خلاء مورد نیاز برای عملکرد موثر SEM استفاده می شود. پمپ شامل یک پره دوار است که در یک محفظه استوانه ای در حمام روغن قرار دارد. چرخش پره باعث تغییر فشار گاز در پمپ می شود. توالی های فشار بالا و پایین در یک دور یکبار ، گاز ورودی پمپ را می مکد و گاز را از خروجی پمپ خارج می کند. (گاز خروجی از اگزوز حاوی مولکول های روغن است ، بنابراین این پمپ ها باید فیلتر مناسب نصب کنند).

پمپ روتاری - صنعت مارکت | Sanat Market

 

2.پمپ های دیفیوژن

پمپ انتشار شامل یک استوانه شامل یک سری پره است. در پایه سیلندر ، یک بخاری وجود دارد. لوله های خنک کننده آب در اطراف سیلندر وجود دارد. داخل سیلندر مایع (روغن پمپ انتشار) وجود دارد. وقتی روغن گرم می شود ، بخار در سیلندر بالا می رود و توسط پره ها به طرف دیواره های استوانه هدایت می شود. در این حالت بخار مولکول های گاز را در پمپ جمع می کند. هنگامی که بخار به دیواره های سرد شده سیلندر با آب برخورد می کند ، بخار متراکم شده و گازهایی را که سپس توسط پمپ پشتیبان (پمپ دوار) استخراج می شود آزاد می کند.

پمپ وکیوم دیفیوژن | Diffiusion Vacuum Pump

3.پمپ های اسکرول

پمپ اسکرول از دو طومار بین برگ برای فشرده سازی گازها استفاده می کند. معمولاً یکی از طومارها ثابت است و دیگری به صورت غیرعادی می چرخد. این امر گازها را از سیستم خارج می کند. یکی از مزایای این نوع پمپ ها این است که معمولاً بدون روغن و نسبتاً بی صدا هستند. این امر احتمال آلودگی میکروسکوپ الکترونی روبشی توسط روغن پمپ را کاهش می دهد.

پمپ وکیوم اسکرول

4.پمپ های توربو مولکولی

پمپ توربومولکولی (TMP) می تواند به جای پمپ انتشار استفاده شود. این دستگاه از یک سری جفت پره فن روتور تشکیل شده است که نزدیک یکدیگر نصب شده اند. در هر جفت یک روتور می چرخد ​​(تیغه توربین) و دیگری ثابت است (کور استاتور). روتورهای چرخان مولکولهای گاز را از طریق پمپ به سمت نقطه استخراج (معمولاً یک پمپ پشتی) می کشند.

پمپ توربو مولکولی - مکانیزم

5.پمپ های یونی

از پمپ های یونی در مواردی که نیاز به سطوح خلاء بسیار بالا است استفاده می شود. این آخرین پمپ از سری پمپ ها خواهد بود زیرا قبل از اینکه پمپ یونی موثر واقع شود ، باید خلاء بسیار زیاد باشد. پمپ یونی با یونیزاسیون گازهای داخل محفظه کار می کند. یک پتانسیل الکتریکی قوی اعمال می شود و یونها توسط یک الکترود جامد به داخل شتاب می گیرند و جذب می شوند. پمپ یون گیر هیچ قطعه متحرک یا روغن ندارد بنابراین تمیز بوده و هیچ ارتعاشی ایجاد نمی کند. این آنها را برای سازهای با وضوح بالا ایده آل می کند.

پمپ یونی | پمپ وکیوم | تعمیر بلوئر


 

الزامات خلاء

حالت خلاء بالا حالت عادی عملکرد SEM است. خلاء زیاد پراکندگی پرتو الکترونی را قبل از رسیدن به نمونه به حداقل می رساند. این مهم است زیرا پراکندگی یا تضعیف پرتو الکترونی باعث افزایش اندازه پروب(spot size) و کاهش وضوح ، به ویژه در حالت SE می شود. شرایط خلاء بالا نیز کارایی جمع آوری ، به ویژه الکترونهای ثانویه را بهینه می کند.

بسیاری از SEM ها نیز ممکن است در “حالت خلاء کم” کار کنند. از آنجا که الکترونهای پراکنده و اشعه ایکس معمولاً دارای انرژی بالاتری نسبت به الکترونهای ثانویه هستند ، تشخیص آنها بستگی زیادی به وجود خلاء زیاد در محفظه نمونه ندارد. بنابراین ، آشکارسازهای BSE و اشعه ایکس را می توان (اما فقط به صورت نیمه کیفی) در حالت عملیاتی با خلاء کم استفاده کرد. در این حالت ، مقدار کمی هوا به داخل محفظه نشت می کند ، جایی که یونیزه می شود و میزان شارژ سطحی نمونه های عایق را کاهش می دهد.

سیستم خنک کننده

بسیاری از SEM ها شامل سیستم خنک کننده آب هستند. هدف چیلر آبی حفظ دمای ثابت 20 درجه سانتی گراد برای عملکرد لنزهای مغناطیسی در میکروسکوپ الکترونی روبشی است. اگر چیلر خراب شود و لنزهای مغناطیسی گرم شوند ، SEM به طور خودکار خاموش می شود.

ساختار ستون SEM

ستون الکترون در SEM

ستون الکترون نمونه را با استفاده از پرتو الکترونی تولید شده توسط تفنگ الکترون متمرکز و روشن می کند. همانطور که پرتو بر روی نمونه در جهت X- و Y- اسکن می شود ، الکترون های ثانویه و پراکنده عقب تولید و شناسایی می شوند. یک تصویر با تقویت و تعدیل روشنایی سیگنالهای الکترون تشخیص داده شده تولید می شود.

 

لنزهای الکترومغناطیسی

مجموعه ای از لنزها و دیافراگم های الکترومغناطیسی برای کاهش قطر منبع الکترون و قرار دادن یک پرتو کوچک و متمرکز از الکترون ها (یا نقطه) بر روی نمونه استفاده می شود. سیستم لنز شامل یک لنز کندانسور ، عدسی شیئی و سیم پیچ های اسکن می باشد. هدف لنز در میکروسکوپ نوری تغییر مسیر نور در جهت دلخواه است. شیشه یا پلاستیک شفاف ممکن است نور را خم کند و بنابراین در لنزهای نوری استفاده می شود. الکترونها نمی توانند از طریق لنزهای شیشه ای یا پلاستیکی حرکت کنند. بنابراین ، آنها برای استفاده در میکروسکوپ الکترونی روبشی مناسب نیستند.

محفظه نمونه در SEM

اجزا محفظه نمونه SEM

 

استیج

نگهدارنده نمونه به مرحله نمونه ثابت می شود. مرحله را می توان به صورت دستی در امتداد X ، Y (در صفحه نمونه) و Z (در زاویه راست با صفحه نمونه) حرکت داد. تنظیم Z به عنوان ارتفاع نمونه نیز شناخته می شود. اکثر مراحل نمونه نیز می چرخند و نمونه را کج می کنند.

 

آشکارسازها

هنگامی که پرتو الکترون به نمونه می رسد و برهم کنش می کند ، چندین نوع سیگنال مختلف وجود دارد که می توان آنها را تشخیص داد. رایج ترین سیگنالها الکترونهای ثانویه ، الکترونهای پراکنده عقب ، اشعه ایکس ، الکترونهای Auger و فوتونها هستند.

تصویربرداری الکترون ثانویه (SEI) برای ثبت اطلاعات توپوگرافی ایده آل است. الکترونهای ثانویه (SE) دارای انرژی کم (~ 2 تا 50 eV) هستند. آنها فقط از نزدیک به سطح نمونه خارج می شوند. برای جذب (جمع آوری) این الکترونهای کم مصرف ، یک سوگیری کوچک (معمولاً در حدود 200+ تا 300 ولت) در انتهای جلوی آشکارساز اعمال می شود تا الکترونهای منفی را به سمت آشکارساز جذب کند. یک نوع رایج از آشکارسازهای SE آشکارساز Everhart-Thornley است.

آشکارساز الکترون پراکنده (BSD)

آشکارساز الکترونی پراکنده (BSD) در زیر قطب لنز شیئی نصب شده و حول محور نوری متمرکز شده است. الکترونهای پراکنده (BSE) هنگامی که سطح نمونه توسط پرتو الکترونی تصادفی اسکن می شود ، تولید می شود. عملکرد توسط ویژگیهای توپوگرافی ، فیزیکی و شیمیایی نمونه کنترل می شود. BSE دارای انرژی بالاتری نسبت به الکترونهای ثانویه است و می تواند از زیر سطح نمونه به ما اطلاعات بدهد.

 

آشکارسازهای اشعه ایکس

هنگامی که پرتوی الکترون با نمونه در تعامل است ، اشعه ایکس ساطع می شود. انرژی این اشعه ایکس به عناصر موجود در نمونه بستگی دارد. رایج ترین سیستم برای تشخیص اشعه ایکس ساطع شده از نمونه ، طیف سنجی اشعه ایکس پراکندگی انرژی (EDS) است. آشکارساز EDS بر اساس کریستال نیمه هادی است. دو نوع متداول عبارتند از سیلیکون لیتیوم دار (SiLi) و آشکارساز رانش سیلیکون (SDD).

 

آشکارسازهای CL (کاتدولومینسانس)

کاتدولومینسانس (CL) ، انتشار نور هنگام تحریک یک ماده توسط پرتو الکترون است. بسته به ترکیب و ساختار نمونه ، نور در طول موج از فرابنفش تا مادون قرمز ساطع می شود. نور توسط یک سیستم نوری جمع آوری می شود ، سپس به یک تک رنگ ارسال می شود و در طول موج های اجزا جدا می شود.

اثرات متقابل پرتو الکترون و نمونه

برهمکنش الکترون و ماده در میکروسکوپ الکترونی روبشی

هنگامی که پرتو الکترون به نمونه برخورد می کند ، با اتم های موجود در آن نمونه تعامل می کند. تعدادی پیامد وجود دارد. برخی از الکترونها از نمونه خارج می شوند (الکترونهای پراکنده عقب) ، برخی دیگر به اتمها ضربه زده و الکترونهایی را که به نوبه خود از نمونه خارج می شوند (الکترونهای ثانویه) جابجا می کنند. در عوض اشعه ایکس ، و نور یا گرما (در نمونه) می تواند نتیجه این فعل و انفعالات باشد. به طور کلی بیشتر انرژی به صورت گرما پراکنده می شود. ما الکترونهایی را که از مواد بیرون می آیند جمع آوری می کنیم تا تصاویر SEM سنتی (که میکروگراف نامیده می شود) تولید شود.

حجم هایی که در تولید الکترون ثانویه (SE) ، الکترون پراکنده (BSE) و اشعه ایکس دخیل هستند ، به شکل درمی آیند که از قطره اشک تا نیم دایره درون نمونه متغیر است. به این شکل حجم فعل و انفعال گفته می شود و عمق و قطر آن به kV و همچنین چگالی نمونه بستگی دارد. تقریباً 15 نانومتر بالای حجم شامل ناحیه ای است که SE را می توان از آن جمع آوری کرد ، 40٪ بالای ناحیه ای است که می توان BSE را از آن جمع آوری کرد و اشعه ایکس را می توان از کل منطقه جمع آوری کرد.

برهم کنش های الکترون و ماده را می توان به دو دسته تقسیم کرد: پراکندگی الاستیک و پراکندگی غیر الاستیک.

 

پراکندگی الاستیک در میکروسکوپ الکترونی روبشی

مسیر الکترون در نمونه تغییر می کند اما انرژی جنبشی و سرعت آن در اصل ثابت می ماند. نتیجه تولید الکترونهای پراکنده عقب (BSE) است.

 

پراکندگی غیر الاستیک در میکروسکوپ الکترونی روبشی

این امر زمانی اتفاق می افتد که مسیر الکترون برخورد فقط کمی مختل می شود ، اما انرژی از طریق انتقال انرژی به نمونه از بین می رود. نتیجه تولید نسل زیر است:
1. تحریک فونون (گرمایش) ؛
2. کاتدولومینسانس (فلورسانس نور مرئی) ؛
3. تشعشع پیوسته (bremsstrahlung)؛
4. تابش اشعه ایکس مشخصه ؛
5. تولید پلاسمون (الکترونهای ثانویه).
6. الکترونهای جفت (بیرون راندن الکترونهای پوسته بیرونی).

 

 

مدل سازی برهمکنش در میکروسکوپ الکترونی روبشی

برنامه های رایانه ای موجود است که به منظور ایجاد حجم تعامل به گونه ای طراحی می شود که بتوان بهترین پارامترها را برای یک آزمایش معین انتخاب کرد. یکی از شناخته شده ترین آن کازینو (شبیه سازی مسیر مونت کارلو از مسیر electroN در sOlids) است. از این برنامه می توان برای شبیه سازی بسیاری از سیگنالهای ثبت شده در SEM (الکترونهای ثانویه ، الکترونهای پراکنده عقب و اشعه ایکس) استفاده کرد.

تصویر SEM

تصویر SEM به طور مثر از خطوط نقاط تصویر تشکیل شده است ، هر نقطه اندازه نقطه پرتو در سطح نمونه است. توانایی SEM برای حل ساختارهای ریز با قطر این اندازه نقطه (اندازه کاوشگر) محدود می شود. همچنین تعداد الکترونهای موجود در پروب محدود می شود. اگر کاوشگر نسبت به ناحیه تصویر شده بسیار کوچک باشد ، زمان بسیار کمی را صرف هر نقطه تصویر می کند تا سیگنال کافی برای ایجاد یک تصویر با کیفیت خوب ارائه دهد. یک رابطه محدود بین بزرگنمایی و اندازه بهینه کاوشگر وجود دارد و از نمونه ای به نمونه دیگر متفاوت است.

هر زمان ماندن (که به عنوان یک نقطه در تصویر دیده می شود) الکترون هایی تولید می کند که برای ایجاد تصویر روی صفحه استفاده می شود. ما لبه ها و فرو رفتگی ها و برآمدگی هایی را روی نمونه می بینیم که به دلیل تغییر در تعداد الکترون های خارج شده از نمونه در آن نقطه است. وقتی بزرگنمایی را بالا می بریم و اندازه پراب پرتو را به نقطه کوچکتر و کوچکتر می بریم ، جزئیات بیشتری را می بینیم (خط 2 در نمودار را ببینید). اما محدودیتی وجود دارد. حد بزرگنمایی نقطه ای است که هیچ گونه تغییر در سیگنال (الکترونهای تولید شده از نمونه) از نقاط مجاور روی نمونه بدست نمی آید. این محدودیت عملکرد بستگی به ترکیب و ساختار نمونه مورد بررسی دارد. به عنوان مثال ، نمونه هایی مانند فلزات با عدد اتمی بالا (Z) بازده بالایی از الکترون ها را تولید می کنند و بزرگنمایی مفید بیشتری نسبت به نمونه های کم Z (به عنوان مثال کربن و پلاستیک) به دست می آورند.

تصاویر الکترون ثانویه (SE)

برای اسکن معمول تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی ، معمولاً از الکترونهای ثانویه (SE) برای تصویربرداری از سطح استفاده می شود. الکترونهای ثانویه الکترونهای کم انرژی هستند که از پراکندگی غیر الاستیک تشکیل شده و دارای انرژی کمتر از 50eV هستند. انرژی کم این الکترون ها اجازه می دهد تا به راحتی جمع آوری شوند. این امر با قرار دادن یک گریل با سوگیری مثبت در جلوی آشکارساز SE ، که در یک طرف نمونه قرار گرفته است ، بدست می آید. کوره مثبت الکترونهای منفی را جذب می کند و آنها از طریق آن وارد آشکارساز می شوند. این امر در مورد آشکارساز Everhart-Thornley صادق است ، که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد ، اما برخی از ماشین ها دارای نوع دیگری از آشکارساز SE در لنز هستند.

تأثیر عمده بر تولید سیگنال SE شکل (توپوگرافی) سطح نمونه است. الکترون های ثانویه جزئیات لبه خوبی را ارائه می دهند. لبه ها (و اغلب قسمت های تیز) روشن تر از بقیه تصویر هستند زیرا الکترون های بیشتری تولید می کنند.
تصویر زیر برآمدگی (برآمدگی) روی بال حشره را نشان می دهد. به لبه سفیدتر هر برآمدگی توجه کنید.

برای افزایش عملکرد SE ساطع شده از نمونه ، فلزات سنگین مانند طلا یا پلاتین به طور معمول برای پوشش نمونه ها استفاده می شود. یک لایه بسیار نازک (n 10 نانومتر) اعمال می شود. این پوشش به دو دلیل اصلی اعمال می شود:
1. نمونه های غیر رسانا اغلب برای کاهش شارژ سطحی که می توانند مسیر SE را مسدود کرده و باعث تحریف سطح سیگنال و شکل تصویر شوند ، پوشانده شده اند.
2. نمونه های دارای تعداد اتمی پایین (Z) (به عنوان مثال نمونه های بیولوژیکی) برای پوشش دادن یک لایه سطحی که عملکرد SE بالاتری نسبت به نمونه نمونه تولید می کند ، پوشانده شده اند.

از آنجا که الکترونهای ثانویه دارای انرژی بسیار پایینی هستند ، تنها آنهایی که در سطح نمونه تولید می شوند قادر به فرار و جمع آوری توسط آشکارساز SE هستند. الکترونهای ساطع شده از سطحی که رو به دور از آشکارساز است یا توسط توپوگرافی نمونه مسدود شده است ، تیره تر از سطوحی است که به سمت آشکارساز است. این تضاد توپوگرافی به دلیل موقعیت آشکارساز SE عامل اصلی در ظاهر “شبیه زندگی” تصاویر SE است.
در تصویر ویفر سیلیکونی زیر ، توپ های مسی درخشش بالایی در سمت راست پایین دارند ، که نشان می دهد آشکارساز در گوشه پایین سمت راست قرار دارد. با این حال ، این تنها عاملی نیست که به کنتراست و روشنایی در SEM کمک می کند.

سهم BSE در تصاویر جمع آوری شده با آشکارساز SE

وظیفه اصلی آشکارساز SE جذب الکترونهای ثانویه با انرژی کم است. این SE ها تقریباً از 15 نانومتر بالای سطح تولید می شوند. مگر اینکه SEM به طور خاص برای به حداقل رساندن سهم BSE تنظیم شده باشد ، تصویر تولید شده توسط آشکارساز همیشه حاوی مقداری اطلاعات زیرسطحی است که از BSE با انرژی زیاد بدست می آید. به عنوان یک قاعده کلی ، هرچه kV بیشتر باشد ، اطلاعات زیر سطحی بیشتری توسط آشکارساز به دلیل اثرات مختلف پراکنده (اثرات پراکندگی الاستیک) جمع آوری می شود.

در 2 کیلوولت جزئیات سطحی بسیار بیشتری نسبت به 20 کیلوولت خواهید دید ، اما این جزئیات سطحی ممکن است به دلیل آلودگی باشد. یکی از مهارتهای مهم در کار با SEM این است که kV صحیح را برای نمونه خود انتخاب کنید تا بتوانید اطلاعات را از عمق نمونه مورد نظر خود جمع آوری کنید ، با کمترین سهم از آلودگی سطح بالا یا ساختارهای بی اهمیت زیر.
تصویر زیر از الکترون آشکارساز ثانویه است و سطح ویفر سیلیکونی را در بزرگنمایی یکسان اما در انرژیهای مختلف پرتو (kV) نشان می دهد: a = 5kV ، b = 10kV ، c = 15kV ، d = 20kV. توجه داشته باشید که ویژگی های تصویر d بسیار گردتر از تصویر a است زیرا اطلاعات بیشتری از زیر سطح نمونه می آید.

تاکنون تنها الکترونهای ثانویه تولید شده توسط برهمکنش پرتو الکترونی اولیه با نمونه مورد بحث قرار گرفته است. به آنها الکترون SE1 گفته می شود. انواع مختلفی از الکترونهای ثانویه وجود دارد. الکترونهای پراکنده می توانند الکترونهای ثانویه تولید کنند. اینها “SE2” نامیده می شوند. برهمکنش پرتو با محفظه نمونه ، قطب قطب و غیره نیز می تواند الکترون های ثانویه تولید کند. اینها “SE3” نامیده می شوند.