Hiển vi điện tử quét SEM

Chuẩn bị mẫu đo và cấu trúc liên kết (Specimen Preparation and Topology). Phún xạ lớp phủ và tăng cường độ phản xạ. Phân tích vết nứt bề mặt và sai hỏng. Hình ảnh lập thể. Đo lường thị sai. Hiển vi thấu kính ion tập chung (Focused Ion Beam Microscopy) Nguyên tắc hoạt động và xây dựng kính hiển vi. Chùm ion – tương tắc mẫu. Gia công và lắng đọng. Chuẩn bị mẫu cho TEM.

HIỂN VI ĐIỆN TỬ

QUÉT

n lý

hoạt động của

SEM

4 Đo lường thị sai.

II Hiển vi thấu kính ion tập chung (Focused Ion Beam Microscopy)

1 Nguyên tắc hoạt động và xây dựng kính hiển vi.

2 Chùm ion – tương tắc mẫu.

3 Gia công và lắng đọng.

4 Chuẩn bị mẫu cho TEM.

Yêu cầu mẫu đo trong SEM

Phải phá hủy hiện tượng tích điện đối với bề mặt mẫu

1

Xảy ra hiện tượng tích điện là do:

- Tính không bền của điện tử hóa trị => phát sinh ra điện tử thứ cấp

không ổn định, phá hỏng cả độ phân giải và ổn định hình ảnh.

Giải pháp:

- Điện áp chùm tia thấp (thế tăng tốc nhỏ).

- Bề mặt mẫu cần được phủ một lớp màng mảng dẫn điện.

Mẫu đo phải phù hợp với buồng mẫu 2

- Giá mẫu có thể dịch chuyển được theo các

trục x,y,z, nghiêng hoặc quay quanh một hay

nhiều trục, thay đổi trạng thái giá mẫu phải

được thực hiện với mục đích nhất định.

phải ổn định trong hệ thống hút chân không và dưới chùm điện tử, không có chất cặn hữu cơ

• Vì có thể gây ôi nhiễm cacbon trong mẫu đo, hệ thống

quang điện, phổ kế tán sắc và buồng lấy mẫu.

• Cần làm sạch bề mặt mẫu trước khi cho vào kính hiển vi.

• Sự nhiễm bẩn cacbon gây ra chùm điện tử và nó trở thành

nguồn chính của các điện tử thứ cấp.

I Chuẩn bị mẫu đo và cấu trúc liên kết

4 Đo lường thị sai

3 Hình ảnh lập thể

2 Phân tích vết nứt bề mặt và sai hỏng

1 Phún xạ lớp phủ và tăng cường độ tương phản

(Sputter Coating and Contrast Enhancement)

Mục đích tạo lớp phủ cho mẫu để tăng cường độ tương phản và

cải thiện độ dẫn điện

- Lớp phủ được tạo bởi phương pháp phún xạ

2 loại

lớp phủ

Kim loại nặng

Màng cacbon

vô định hình

 Hợp kim vàng-palladium, kích thước hạt 5 nm trên bề mặt mẫu

 Ưu điểm: cải thiện độ tương phản nhưng cảm trở độ phân giải ở độ phóng đại cao

• - Kích thước hạt nhỏ hơn nhiều (~2nm)

• bắt buộc đối với các mẫu không dẫn điện dùng

để phân tích vi mô với điện thế tăng cao ~ 5keV

• Nhược điểm: không cải thiện độ tương phản

2 Phân tích vết nứt bề mặt và sai hỏng

(Fractography and Failure Analysis)

Phạm vi ứng dụng chính của kính hiển vi điện tử quét là phân tích vết nứt về mặt và sai hỏng, mẫu có thể là:

 Kim loại kỹ thuật và hợp kim.

 Nhựa và vật liệu tổng hợp (polymer, caramic or metal matrix).

 Gốm kỹ thuật và linh kiện bán dẫn.

(a) Sự mỏi cơ học trong thép (b) Sự vỡ giòn trong TiCN xốp

(a) giấy; (b) xương; (c) gỗ

Một số nguyên tắc cơ bản để trích lấy thông tin tối đa từ

việc quét bề mặt nứt gãy

1 Mẫu phải mang một mỗi quan hệ về mặt hình học, không gian và định hướng xác định.

2 Quy trình chuẩn bị mẫu không được làm hư hỏng hoặc bị thay đổi theo bất cứ

Một quy trình quét tốt cần được tiến hành như sau.

 xác định vị trí các điểm đặc trưng quan tâm bằng cách quét

nhanh trên mẫu, thử nghiệm với các độ phóng đại khác nhau

 chỉ sau đó mới bắt đầu ghi lại một loạt các độ phóng đại, xác định các điểm đặc trưng trong hình ảnh phóng to theo mối quan hệ hình học của chúng với các chi tiết có thể quan sát được mắt thường

3 Hình ảnh lập thể (Stereoscopic Imaging)

• kính hiển vi điện tử quét là thiết bị duy nhất có khả năng tập trung và phân giải chi tiết mẫu trên một độ sâu trường rộng, song song với trục quang của chùm tia tới.

• Thông tin này có thể được trích bằng cách ghi lại một cặp hình ảnh ở cùng

độ phóng đại và cùng một khu vực của mẫu, nhưng ở các góc nghiêng khác nhau của mẫu đối với trục quang của kính hiển vi.

• Nếu góc nghiêng được chọn tốt, thì hình học tương đương với hình ảnh lập thể, hình ảnh trực quan ba chiều được quan sát là sự chồng chất của dữ liệu võng mạc được truyền đến não bằng mắt trái và phải.

Màn hình kính hiển vi thường được nhìn thấy ở khoảng cách 30cm (khoảng cách đọc thoải mái) và hai mắt được đặt cách nhau 5 hoặc 6 cm, có góc nghiêng mẫu cần thiết để tạo cảm giác về độ sâu giống với độ sâu nhận được bởi mắt người là ±120

Do đó, cần điều chỉnh độ sâu 'phóng đại' bằng độ phóng đại ngang trong hình ảnh.

 Nếu góc nghiêng nhỏ hơn ±120 => làm giảm độ nhạy với độ sâu, ứng dụng cho các bề mặt rất thô.

 Góc nghiêng lớn hơn ±120 => tăng cường cảm giác về độ sâu, ứng dụng việc ghi lại các điểm đặc trưng nông.

4 Đo lường thị sai (Parallax Measurements)

Thị sai là gì?

 dùng để định nghĩa sự thay

đổi vị trí biểu kiến của một

điểm trên một nền quan sát,

khi nó được quan sát từ hai

vị trí khác nhau

Thị sai P, vị trí quan sát a,b; vị

trí biểu kiến A, B

• Hình ảnh lập thể có thể trích thông tin định lượng về phân bố

dọc của các điểm đặc trưng dọc trục của chùm tia tới

• Điều này được thực hiện bằng cách đo chuyển dịch ngang,

vuông góc với trục nghiêng hình ảnh lập thể, đối với cùng đối

tượng được ghi vuông góc với trục nghiêng trong hai hình ảnh

của các cặp hình ảnh lập thể => sự dịch chuyển này được gọi

là thị sai.

Đo lường thị sai

Giá trị của thị sai cho bởi công

thức:

𝐱𝐋 − 𝐱𝐑 = 𝟐𝐡 𝐜𝐨𝐬 𝛉

+ 𝑥𝐿 và 𝑥𝑅 khoảng cách dự kiến trong hai hình ảnh được đo từ bất kỳ vị trí cố định vuông góc với trục nghiêng y

+ h là chênh lệch 'chiều cao' giữa hai đối tượng đo dọc trục quang của chùm điện

tử tới

+ 𝜃: góc nghiêng (góc thị sai)

• Các phép đo thị sai là hữu ích để :

• kiểm tra độ dày của màng bề mặt.

• đo chiều cao của các bước tăng trưởng (growth steps).

• xác định chuyển vị trượt dẻo ước tính độ nhám của bề mặt và gia công.

• xác định kích thước fractal của nết đứt gãy bề mặt

(fractal dimensions).

Ứng dụng của việc đo lường thị

sai

II Hiển vi thấu kính ion tập

chung FIB

Focused Ion Beam Microscopy

Hệ FIB + SEM

Nguyên lý của kỹ thuật chùm iôn hội tụ 2 chùm tia: một chùm iôn để thao tác, một chùm điện tử hẹp để ghi lại ảnh quá trình thao tác

Nguyên lý tạo ion kim loại lỏng

- Ga là chất dễ dàng bị bay hơi và iôn hóa từ Ga kim loại lỏng.(290𝐶)

-Bề mặt kim loại lỏng được đặt dưới một điện trường tập trung, nó sẽ làm biến dạng hình thái tự nhiên của bề mặt kim loại lỏng nhờ sức căng bề mặt (H.a)

-Khi nâng điện trường lên một mức nhất định, hình dạng của khối kim loại lỏng sẽ chuyển thành hình nón Taylor (Taylor cone) với một đầu kim rất nhọn

- 𝐸𝑡ạ𝑜 𝑛ó𝑛 𝑡𝑎𝑦𝑙𝑜𝑟 ~ 108 V/cm để kéo nguyên tử ra khỏi đầu kim + Ion hóa

Hệ LMIS + kim tungsten nhô Ra bể Ga lỏng (H.b) Kim loại lỏng làm dính ướt đầu kim tungsten và khi cung cấp điện áp đủ lớn nón Taylor được hình thành xung quanh đầu kim tungsten.

Điểm mà ion Ga+ được bắn ra có đường kính <5nm

Trên nguyên tắc, FIB có cấu trúc gần giống một kính hiển vi điện tử quét

Chùm tia ion (FIB) xử lý lại bởi các thấu kính từ (hình 1 )

Khi được bứt phá ra khỏi LMIS, các ion có E (5-50keV)

Sau đó được tập trung thành các chùm tia song song bởi

một thấu kính condenser 𝑈𝑔𝑖𝑎 𝑡ố𝑐 𝑝ℎổ 𝑏𝑖ế𝑛(10 , 50 kV )

𝐷𝑐ℎù𝑚 𝑡𝑖𝑎 𝑠𝑜𝑛𝑔 𝑠𝑜𝑛𝑔 được giới hạn lại thông qua một lỗ hổng

(aperture) với kính thước xác định trên một tấm đĩa

Tấm đĩa có nhiều lỗ với kích thước khác nhau để có thể

điều chỉnh được.

Chùm tia ion tiếp tục di chuyển xuống phía dưới sau đó

được tập trung lại thành từng điểm (kích thước khoảng

~5nm ứng với cường độ dòng tia thấp và với lỗ mở nhỏ

nhất) trên bề mặt làm việc nhờ các thấu kính hội tụ.

Ngoài ra còn có các thấu kính (octupole) dùng để bẻ cong

chùm tia ion kết hợp với một tấm chắn (beam-blanking)

dùng để “đóng/mở” chùmtia chiếu đến bề mặt chi tiết.

Hình 1 : Sơ đồ cấu tạo FIB

Khi chùm tia ion đập vào bề mặt mẫu, một loạt các hiện

tượng sẽ xảy ra như ở hình 2

Ion năng lượng cũng tương đương với các nguyên tử trên

bề mặt vật mẫu => nguyên tử bứt ra khỏi bề mặt

Chùm điện tử có tác dụng như chùm điện tử quét kính hiển

vi điện tử quét, quét trên bề mặt chi tiết để ghi lại ảnh thông

qua việc ghi lại tín hiệu từ điện tử thứ cấp.

Thiết bị FIB hoạt động dựa trên nguyên tắc một hệ phún

xạ Khi chùm iôn hẹp có năng lượng cao quét trên bề mặt,

động năng của các iôn sẽ làm cho các nguyên tử chất rắn

tại bề mặt bị bốc bay tức thời.

Độ sâu, rộng của phần chất rắn bị bốc bay phụ thuộc vào

thế gia tốc và cường độ chùm iôn 𝐼𝑖𝑜𝑛 thay đổi ( pA, nA)

Để tạo hình cho các chi tiết, chùm iôn được điều khiển quét

.

Để bảo vệ chi tiết chế tạo khỏi bị phá hủy bởi chùm iôn,

phủ một lớp platin (Pt) hoặc tungsten trộn thêm cácbon để

dễ bay bốc

Các lớp này có thể tạo thành hình các chi tiết nhờ sự điều

khiển của hệ thấu kính

Hình 2 : Các hiện tượng khi ion tới vật liệu

• Xử lý bề mặt thông qua chùm ion.

• chùm electron được sử dụng để khảo sát bề mặt mới lộ ra

• Vật liệu được xác định thông qua x-ray

• Lặp đi lặp lại với các bước

• Thu được hình 3D vật liệu

Ứng dụng FIB

Như một kính hiển vi điện tử quét có độ phân giải cao: Việc ghi lại điện tử thứ cấp từ chùm điện

tử và chùm iôn cho phép FIB có được hình ảnh như một SEM Ảnh SEM trên FIB có thể đến từ 2 nguồn: từ nguồn do chùm điện tử quét và từ điện tử thứ cấp phát ra từ tương tác của chùm iôn Vì thế, FIB có thể ghi đồng thời 2 ảnh ở 2 góc độ khác nhau Cũng nhờ tính năng này, FIB có thể thực hiện phép ghi ảnh 3 chiều với độ phân giải và chất lượng cao.

Tạo lát cắt mỏng cho mẫu quan sát trong kính hiển vi điện tử truyền qua.

Chế tạo, sửa chữa, hàn gắn các chi tiết nano

Một số hình ảnh nhờ FIB +SEM

Nhược điểm của FIB

• Mặc dù FIB cho khả năng tạo các chi tiết với tốc độ rất cao, và có khả năng cho độ

phân giải chi tiết tương đương với kỹ thuật quang khắc chùm điện tử (kỹ thuật tạo chi tiết có độ phân giải tốt nhất hiện nay), nhưng FIB có những nhược điểm:

• Rìa của các chi tiết (nơi tiếp xúc trực tiếp với chùm tia iôn) dễ bị nhiễm bẩn do các

iôn kim loại Ga có năng lượng cao hấp thụ vào, và do đó tính chất của rìa dễ bị thay đổi (điều này rất quan trọng trong các linh kiện mà cấu trúc rìa có thể ảnh hưởng đến tính chất của linh kiện).

• Chất lượng của các chi tiết bị phụ thuộc quá lớn vào khả năng lấy nét chùm tia

(focus).

• FIB xử lý kém với các hình ảnh rời rạc.

• *Điện trở suất của các mạch kim loại hàn gắn bằng FIB thường bị thay đổi do ảnh

hưởng từ các chùm ion và cácbon trong hệ sputter.

Yêu cầu mẫu cho SEM và TEM

- Mẫu SEM: không yêu cầu quá mỏng nhưng bề mặt phải được đánh bóng với kết quả

cuối cùng hoàn toàn không có vết xước và biến dạng Kích thước mẫu khoảng1cmx1cmx1/2cm Bề mặt nên có tính dẫn điện

- Mẫu TEM: Vì sử dụng chế độ điện tử đâm xuyên qua mẫu vật nên mẫu vật quan sáttrong TEM luôn phải đủ mỏng Xét trên nguyên tắc, TEM bắt đầu ghi nhận được ảnh vớicác mẫu có chiều dày dưới 500 nm, tuy nhiên, ảnh chỉ trở nên có chất lượng tốt khi mẫumỏng dưới 150 và cấu trúc mẫu không bị biến dạng Kích thước mẫu khoảng30mm đường kính

Việc xử lý (tạo mẫu mỏng) cho phép đo TEM là cực kỳ quan trọng

Các bước chuẩn bị mẫu TEM

1.Lấy mẫu với độ dày vừa phải

2.Làm mỏng hay thủng mẫu bằng phương pháp chùm điện tử hoặc ăn mòn điện hóa

3.Làm sạch sấy khô và có thể cắt lại bằng máy

cắt siêu âm

Các phương pháp làm mỏng mẫu

- Phương pháp truyền thống: phương pháp truyền thống là sử dụng hệ thống mài cắt cơ học.

Mẫu vật liệu được cắt ra thành các đĩa tròn (có kích thước đủ với giá mẫu) và ban đầu đượcmài mỏng đến độ dày dưới 10 μm Tiếp đó, việc mài đến độ dày thích hợp được thực hiện nhờthiết bị mài bằng chùm ion, sử dụng các ion khí hiếm (được gia tốc với năng lượng dưới 10 kV)bắn phá đến độ dày thích hợp Cách thức xử lý này tốn nhiều thời gian và đòi hỏi mức độ tỉ mỉrất cao

Ngày nay phương pháp này ít được sử dụng

Các phương pháp làm mỏng mẫu

- Sử dụng kỹ thuật chùm ion hội tụ: kỹ thuật chùm iôn hội tụ là thực hiện việc xử lý mẫu trên thiết bị cùng tên.

Người ta dùng một chùm ion (của kim loại lỏng, thường là Ga), được gia tốc tới năng lượng cao (cỡ 30 - 50kV) được hội tụ thành một chùm rất nhỏ và được điều khiển nhờ hệ thấu kính điện từ để cắt ra các lát mỏng,hàn gắn trên giá mẫu và mài mỏng đến mức độ đủ mỏng Các công việc được tiến hành nhờ điều khiểnbằng máy tính và trong chân không cao Phép xử lý này tiến hành rất nhanh và có thể cho mẫu rất mỏng,nhưng đôi khi mẫu bị nhiễm bẩn từ các ion Ga

Phương pháp này được sử dụng phổ biến hiện nay

Sử dụng kỹ thuật chùm ion hội tụ

Sử dụng kỹ thuật chùm ion hội tụ

Phương pháp H-bar

1.Cắt và đánh bóng một mặt cắt ngang của vật

liệu mẫu

2.Phủ một lớp Pt lên vùng mẫu chọn

3 Chùm tia ion được chiếu trên hai vùng của

mẫu vật, cách nhau bởi một vùng dày 1mm ở

trung tâm ( thanh H)

4 Một chùm ion có năng lượng thấp (2kV) được

sử dụng để loại bỏ các lớp bề mặt đã bị hư hỏng

do các giai đoạn cắt trước và loại bỏ bất kỳ sai

hỏng bề mặt nào

Phần được chiếu mỏng đi cho đến khi

tạo được một miếng mỏng 1mm nằm ở

trung tâm của vùng được lựa chọn

Sử dụng kỹ thuật chùm ion hội tụ

Phương pháp H-bar

Ảnh chụp của một mẫu TEMsau khi chiếu chum điện tử

Sử dụng kỹ thuật chùm ion hội tụ

Phương pháp The Lift-out

- Phương pháp The Lift- out cho mẫu chính xác hơn

phương pháp H-bar, vì khu vực mẫu được chọn chính

xác từ một mẫu màng mỏng được chuẩn bị mà không

cần cắt mài mỏng mẫu Tuy nhiên, phương pháp này

đòi hỏi một chùm FIB kép và được trang bị một thiết

bị chống nano

- Đầu tiên sử dụng chùm FIB kép vào một vùng của mẫu

được lựa chọn để cắt Như trong H-bar, lớp phủ bảo vệ

được đặt trên bề mặt mẫu được chọn để cắt nhằm tránh

thiệt hại bề mặt bởi các ion năng lượng cao

Tạo ra hai hộp ‘FIB boxes’

Sử dụng kỹ thuật chùm ion hội tụ

Phương pháp The Lift-out

- Các hộp không được cắt bằng với bề mặt mẫu,

nhưng có một góc nhỏ chạy từ bề mặt đến dưới

cùng của tấm lamella Phiến lamella sau đó được

cắt gần như hoàn toàn bề mặt bởi chùm ion, trong

hình dạng của một U

Sử dụng kỹ thuật chùm ion hội tụ

Phương pháp The Lift-out

- Máy ghép nano này được lắp vào Nó bao gồm một

kim vonfram sắc bén gắn với động cơ truyền động áp

điện Các thao tác tiên tiến hơn được kiểm soát bởi

máy tính và chuyển động của chúng được hiệu chỉnh

theo hướng nhìn trên màn hình SEM, do đó kim

vonfram có thể được nhẹ nhàng tiếp xúc với tấm

- Một vòi phun khí được đưa vào sử dụng, Pt hoặc

vonfram được lắng đọng để tăng cường điểm tiếp xúc

của kim vonfram với lớp màng mỏng Các lamella sau

đó được tách hoàn toàn từ chất nền bằng chùm ion, và

chuyển sang một buồng chân không

Sử dụng kỹ thuật chùm ion hội tụ

Phương pháp The Lift-out

- Các mẫu TEM được gắn kết thường có hình

dạng nửa vòng tròn có đường kính 3mm

Các lamella được di chuyển nhẹ nhàng bên

cạnh lưới

- Pt hoặc vonfram được tích tụ để nối Sau

đó, máy phay sẽ được sử dụng để cắt bớt

giữa mẫu và thiết bị nanomanipulator Dùng

chùm ion cắt để cuối cùng tấm mỏng dày

1mm để đạt được độ dày yêu cầu về mẫu