ĐẶC ĐIỂM CỦA ẢNH SEM Ảnh vi cấu trúc bề mặt Độ phân giải cao Độ sâu trường quan sát lớn Tán xạ đàn hồi hoặc không đàn hồi Các điện tử phát xạ: Điện tử thứ cấp Điện tử tán xạ ngược Điện tử hấp thụ Điện tử Auger Điện tử truyền qua
Trang 1PHÂN TÍCH CẤU TRÚC
Chương 4
HIỂN VI ĐIỆN TƯ QUÉT
Scanning Electron Microscopy (SEM)
Trang 2ĐẶC ĐIỂM CỦA ẢNH SEM
Ảnh vi cấu trúc bề mặt Độ phân giải cao Độ sâu trường quan sát lớn
Trang 3TƯƠNG TÁC GIỮA ĐIỆN TƯ TỚI VA VẬT CHẤT
Tán xạ đàn hồi hoặc
không đàn hồi
Các điện t ử phát xa: Điện tử thư
cấp
Điện tử tán xạ ngược
Điện tử hấp thụ Điện tử Auger
Điện tử truyền qua
Các sóng điện tư
Tia X
Huỳnh quang catot Các tín hiệu điện tử và sóng điện từ phát xạ từ mẫu do tán xạ đàn hồi hoặc không
đàn hồi
Trang 4TƯƠNG TÁC GIỮA ĐIỆN TƯ TỚI VA VẬT CHẤT
Tán xạ đàn hồi hoặc
không đàn hồi
Trang 5TƯƠNG TÁC GIỮA ĐIỆN TƯ TỚI VA VẬT CHẤT
1.1 Điện tử truyền qua
I = I 0 exp ( − µ x ) = I 0 exp − ( µ / ρ ) ρ x
Io - là cường độ của điện tử tới
µ - hệ số hấp thụ của mẫu
ρ - mật độ mẫu
Thông tin:
-Các nguyên tố thành phần
-Trạng thái hóa học
Trang 6TƯƠNG TÁC GIỮA ĐIỆN TƯ TỚI VA VẬT CHẤT
Điện t ử tán xa ngược
• Tán xạ đàn hồi hoặc không đàn hồi
• Năng lượng lớn
• Hiệu suất phát xạ
~ Z2/3 ÷ Z3/4; Z – nguyên tử số
- Phụ thuộc vào hướng phát xạ (góc tới)
Trang 7TƯƠNG TÁC GIỮA ĐIỆN TƯ TỚI VA VẬT CHẤT
Điện tử thư cấp
Phát xạ ở độ sâu cỡ 100 Å
Năng lượng thấp 0 – 50 eV
Hiệu suất phát xạ:
- Phụ thuộc góc tới
- Phụ thuộc công thoát của mẫu
- Bị ảnh hưởng mạnh bởi điện trường và từ trường
Trang 8LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CÁC TÍN HIỆU
Hình thái học Tất cả các loại tín hiệu trừ tia X va điện
tư Auger
Phân tích nguyên tô Tia X, huỳnh quang catot, điện tư Auger va điện tư tán xạ ngược
Tinh thê học Điện tư tán xạ ngược, điện tư truyền qua, điện tư thứ cấp va tia X
Tính chất điện tư Điện tư thứ cấp va suất điện động
Trang 9SƠ ĐỒ KHỐI CỦA KÍNH HIỂN VI ĐT QUÉT
) Sơ đồ kính hiển vi điện tử quét
Trang 10Thiết bị
1 Cấu tạo
Súng điện tử
điện áp: 0 - 30 kV, 60 kV Hệ thống thấu kính từ
Chân không: < 10-3 Pa (N/m2)
Kích thước mũi dò điện tử: ~ 3 - 6 nm
Thiết bị nghiên cứu bề mặt độ sâu tiêu tụ lớn
độ phân giải cao: ~ 2-3 nm hoặc nhỏ hơn
Trang 11b) Nguồn phát điện tử
• Ổn định, mạnh
• Đường kính chùm tia nho
• Quyết định chất lượng ảnh
LY THUYẾT
Trang 12Nguồn phát điện tư
Một số nguồn phát xạ thông dụng:
- LaB6: độ rọi lớn, ổn định cho độ phân giải cao (Yc chân không cao)
- Phát xạ trường: độ rọi rất lớn, độ phân giải cao (YC độ chân
không rất cao) FESEM (Field emission SEM)
- ESEM (Environment SEM)
Trang 13Thiết bị
Nguồn phát điện tử
Trang 14Nguyên tắc hoạt động
Tia điện tử quét trên bề mặt mẫu Các loại điện tử phát
xạ
Detector thu nhận điện tử phát xạ tạo thành tín hiệu video
ảnh hiển vi bề mặt
Trang 15LY THUYẾT
Độ sâu trường
hay độ sâu tiêu tụ là khoảng cách dọc trục
kính hiển vi mà mẫu nằm trong khoảng đó
ta vẫn nhận được ảnh rõ nét.
(D/2) tgα = d/2
α - góc nửa khẩu đô
d- đô phân giải
Tia điện tử hội tụ tạ mặt phẳng ảnh với góc nửa khẩu độ α
Trang 16LY THUYẾT
Độ phân giải:
Phụ thuộc mạnh vào đường kính của chùm tia điện tử
ip - dòng tia
β i – độ rọi
α - góc nửa khẩu độ
λ - bước sóng của điện
Cs – hệ số cầu sai của kính vật
Cc – hệ số sắc sai của kính vật
∆ Vi/Vi - độ thăng giáng tương đối của thế tăng tốc Thiết bị thông thường hiện nay ~ 3,5 - 5 nm, có thể đạt ~1nm
Trang 17LY THUYẾT
Quan hệ giữa thế tăng tốc và đường kính chùm tia điện tử đối với LaB6 (Cs = 3 mm, Cc = 4,2 mm, ip= 1 pA)
Trang 18CÁC KIỂU TẠO ẢNH
Hai phương pháp chính để thu tín hiệu
Trang 19ẢNH ĐIỆN TƯ THỨ CẤP
1 Tương phản ảnh điện tử thư cấp (SEI)
C – hằng số
Các yếu tố ảnh hưởng
Thông tin: hình thái bề mặt mẫu, độ phân giải tốt nhất trong các kiểu ảnh đặc trưng cho độ phân gải của
kính SEM
Trang 20Điện tử thư cấp
Địa hình bề mặt mẫu ảnh hưởng tới sự phát xạ điện tử thư cấp
ẢNH ĐIỆN TƯ THỨ CẤP
Trang 21Điện tử thư cấp
Biên giới hạt có độ sáng lớn hơn
ẢNH ĐIỆN TƯ THỨ CẤP
Trang 22ẢNH ĐIỆN TƯ TÁN XẠ NGƯỢC
2 Tương phản ảnh điện tử tán xa ngược - BEI
Hiệu suất phát xạ:
Các yếu tố ảnh hưởng:
Z - nguyên tử số
θ - góc tới
Thông tin
- thành phần: có thể phân biệt sự khác nhau về Z là 1đv
- địa hình bề mặt
- độ phân giải kém hơn so với SEI
Trang 23ẢNH ĐIỆN TƯ TÁN XẠ NGƯỢC
Phát xạ điện tử tán xạ ngược: (a) đồ thị cực cường độ điện tử tán xạ ngược khi tia tới vuông góc cho thấy sự phụ thuộc hàm cosin; (b) giống như (a) nhưng cho trường hợp góc tới θ và chỉ ra hướng cực đại
Trang 24ẢNH ĐIỆN TƯ TÁN XẠ NGƯỢC
Đường cong phụ thuộc của hiệu suất phát xạ điện tử tán xạ ngược vào nguyên tử số.
Trang 25Tao ảnh thành phần (Compo) và ảnh địa hình (Topo)
Sơ đồ biểu thị sự tương phản địa hình và thành phần với hệ thu hai
đetectơ: (a) mẫu với bề mặt phẳng và khác nhau về thành phần,(A+B); (b) mẫu với bề mặt ghồ ghề và đồng nhất thành phần, (A-B); (c) mẫu có bề mặt mấp mô và không đồng nhất thành phần
Trang 26Ảnh điện tử tán xạ ngược và ảnh điện tử thư cấp của cùng một diện tích bề mặt: (a) ảnh thành phần (compo), (b) ảnh địa hình (topo) và (c) ảnh điện tử thư cấp (SEI).
Trang 273 Tương phản ảnh điện tư hấp thụ - AEI
Dòng điện tử hấp thụ
ia = i0 - (is+ ib)Thông tin: SEI+BEI
độ phân giải kém (~ 20 nm)
4 Huỳnh quang catot
Sự phát xạ ánh sáng khi mẫu bị kích thích bởi tia điện tử đetectơ: ống thu ánh sáng và ống nhân quang
Thông tin: đặc trưng về vật liệu bán dẫn và khoáng vật
Ảnh điện tư hấp thụ
Trang 285 Tương phản từ
a) Tín hiệu sư dụng: SE
Sự biến thiên nhỏ của từ trường bề mặt
-> quỹ đạo điện tử thứ cấp bị đổi hướng tới colectơ -> hiệusuất thu thay đổi
Trang 29b) Tín hiệu sư dụng: BE
Lực Lorentz của từ trường
-> đường đi của điện tử bị uốn cong khi xuyên vào mẫu -> sự chênh lệch về số điện tử tán xạ ngược
ảnh điện tử tán xạ ngược tương phản từ
Trang 30(a) ảnh điện tủ thứ cấp các đomen từ trong coban (b) Sự hình thành tương phản từ do sự uốn cong của đường
đi điện tử bởi lực Lorentz (c) ảnh điện tử tán xạ ngược của cấu trúc đomen trong lá sắt-silic định hướng cao, thu được ở 200 kV
Ảnh tương phản từ
Trang 31Tín hiệu sư dụng: SE
Sự thay đổi phân bố thế trên bề mặt mẫu:
-> thay đổi phân bố điện trường giữa mẫu và đetectơ -> thay đổi
hiệu quả thu các điện tử
ảnh điện tử thứ cấp tương phản thế
Thông tin
- vị trí điện thế dương: tối
- vị trí điện thế âm: sángứng dụng: kiểm tra vi mạch, …
Ảnh tương phản thế
ảnh điện tử thứ cấp tương phản thế trong mạch vi điện
tử, × 8500.
Trang 32Tín hiệu sư dụng: suất điện động
Dòng dẫn phát sinh khi quét chùm điện tử lên bề mặt linh kiện bán dẫn -> xuất hiện suất điện động
Thế hiệu đầu ra: ~ 10-6 V
Thông tin
- trạng thái lớp nghèo quan sát được trực tiếp
- khuyết tật tinh thể trong lớp nghèo
Ảnh suất điện động
