MUNI Thermo Fisher SCIENTIFIC Vybrané kapitoly z elektronové mikroskopie část 8 - Kontrast a zobrazování v SEM Petr Wandrol Vybrané kapitoly z elektronové mikroskopie outline • způsob, kterým je kontrast/obraz v SEM tvořen • Typy signálu • Typy kontrastu • Ukázka kontrastů živě na mikroskopu • faktory, které kontrast/obraz ovlivňují • Energie svazku • Vodivost povrchu preparátu • Ukázka eliminace nabíjení vzorku • kontrast v přístroji s fokusovaným iontovým svazkem MU II I Vybrané kapitoly z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Basic Principle of SEM Field Emission Gun (FEG) Electron Source "Gun Cap" Electromagnetic Optics Column Electron Beam Image Acquisition Electron Detector MUNI Vybrané kapitoly z elektronové mikroskopie ThermoFisher SCIENTIFIC Interakce primárních elektronů se vzorkem Pružný rozptyl rozptyl na jádrech atomů, při němž rozptylovaná částice příliš nemění svou energii, ale mění směr pohybu zpětně odražené elektrony brzdné rtg. záření primární elektrony Augerovy elektrony ^rent rentgenové záření katodoluminiscence (světlo) Nepružný rozptyl dochází k ionizaci atomu látky na některé zvnitřních obsazených elektronových hladin sekundární elektrony takto vzniklá vakance je v krátké době spontánně zaplněna elektronem z některé vyšší elektronové hladiny přebytek energie je pak z atomu emitován bud' zářivým jevem (emisí charakteristického rtg. záření) nebo nezářivě - emisí Augerova elektronu t proud vzorkem prošlé elektrony Produkty interakce elektronu s látkou, U/IUIH Vybrané kapitoly z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Signální elektrony • Interakční objem a místo vzniku sekundárních a zpětně odražených elektronů a rentgenového záření • Závisí na energii primárních el. a na hustotě materiálu vzorku Sekundární elektrony (SE) • ESE < 50 eV • Produkt nepružných srážek • Koeficient sekundární emise Ó=ISE/IPE primární svazek ~ 10 nm Zpětně odražené elektrony (BSE) • 50 eV < EBSE < EPE • Produkt pružných srážek • Koeficient zpětného odrazu rHesE/lpE I ~1 - 2 pm -2-5 (jm sekundární elektrony zpětně odražené elektrony charakteristické rtg záření 0 50 eV 2keV Energie E=eU iviuni Vybrané kapitoly z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Signální elektrony sekundární elektrony zpětně odražené elektrony U/IUIH Vybrané kapitoly z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Sekundární elektrony mui\ii Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Sekundární elektrony (SE) Koeficient sekundární emise: ó=lSE/lPE 200 -i Epk [keV] 100 80 i. 60 T3 itQ 20 ✓ t o \ X ■Hi 10 20 K leVI 30 Totální výtěžek o jako funkce energie Energiové spektrum SE emitovaných primárních elektronů. z různých materiálů. nun i Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC SE topografický kontrast • primárně pomocí sekundárních elektronů • Závisí na následujících faktorech: • Lokální náklon povrchu • Pozice detektoru • Difúzi SE a BSE ve vzorku Surface topography SE1 ET D R=0.05-10nm a) (pure) Surface tilt contrast n Jj b) Surface tilt + shadowing contrast c} Surface tiLt + BSE diffusion contrast d) SE diffusion contrast e) Mass-thickness contrast MUNI Vybrané partie z elektronové mikroskopie i imrmorisner SCIENTIFIC Hranový jev - Důsledek difúze elektronů v objemu vzorku shodném s elektronovým doletem - závisí na energii primárního svazku U/IUIH Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC SE topografický kontrast Lokálního náklon povrchu Surface topography ETD TS R=0.05-10 ^m-a) (pure) Surface tilt contrast BSE uu J~L JU 7o" Tilt angle * i—i— 20° 40° 60* Tilt angle It) I Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC SE topografický kontrast Sur,ace ,opo9raphy Vliv pozice detektoru ETD Detektor ze strany komory vzorku - SE emitované směrem k detektoru jsou detekovány s větší pravděpodobností než SE emitované v odvráceném směru BSE / R=0.05-10 bj Surface tilt + shadowing contrast BSE se 2 nun i Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC SE topografický kontrast Vliv pozice detektoru Detektor v objektivové čočce - SE emitované ve všech azimutálních úhlech jsou detekovány Surface topography ETD a) (pure) Surface tilt contrast y n ill_ SE topografický kontrast - Difuzní kontrast V/////////y//A [V////////////A SE III Místo a způsob vzniku sekundárních elektronů. SE I - generované primárními elektrony po dopadu na vzorek - emisní plocha srovnatelná se stopou elektronového svazku SE II - generované zpětně odraženými elektrony, které se vracejí zpět k povrchu vzorku - zdroj materiálové kontrastu SE - emise z větší hloubky a poloměru než SE I SE III - generované zpětně odraženými elektrony po dopadu na stěny komory vzorku - zavádí do obrazu BSE signál - horší rozlišení mui\ii Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC SE topografický kontrast Difuzní kontrast - Důsledek difúze elektronů v objemu vzorku shodném s elektronovým doletem v případě BSE difuzního kontrastu (R-0.05 - 10um) - závisí na energii primárního svazku - pro SE difuzní kontrast se maximální hloubka pohybuje od 0.5 do 20 nm U/IUIH Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC SE topografický kontrast Difuzní kontrast Surface topography SE1 ETD U/IUIH Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Vliv energie primárního svazku na zobrazení hran 250 200 150 100 50 0 0,5 -2kV -200V vy i i i i i i 2 "Z ■o B Energy (keV) >SkeV J, IkeV JU-^ »___.—•— 0.2keV t 20 40 Tilt Angle (degrees) 60 MUNI Vybrané partie z elektronové mikroskopie Source: Joy and Joy, Micron 27(3-4), 247 263 (IFftermoFisher SCIENTIFIC Zpětně odražené elektrony ÍI/IUIH Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Materiálový kontrast Zpětně odražené elektrony (BSE) Koeficient zpětného odrazu: H^bse/Ipe 50 40- 30- 20- 10- Si AI Be 10 15 20 E [kcV] 25 30 Změřené závislosti koeficientu zpětného odrazu n na energii PE a na atomovém čísle Z. II u II i Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Materiálový kontrast BSE při nízkých energjích Změřené závislosti koeficientu zpětného odrazu n na atomovém čísle vzorku Z pro energie elektronů 0,5 až 5 keV. U IM I Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Materiálový/topografický kontrast Úhlové rozdělení BSE Při kolmém dopadu - koeficient zpětného odrazu se zvyšuje se Z pro elektrony emitované v ose primárního svazku - se zvyšujícím se úhlem od osy svazku závislost na Z slábne Při dopadu pod velkými úhly - spektrum vykazuje dvě maxima - BSE, které po vícenásobném rozptylu opustí vzorek v ose primárního svazku - platí závislost H na Z - BSE, které po jednom odrazu opouští vzorek pod velkými úhly a H je nezávislé na Z • » 4 • • « • • • • • •••• Bs ®—" \ 'lil r5^ a BSE ® Fe E = 30 keV u im I Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Napěťový kontrast • různý potenciál povrchu vzorku ovlivňuje trajektorie SE a tudíž signál detektoru sekundárních elektronů • přivedením malého napětí na části integrovaného obvodu ovlivníme sběr SE tak, že oblasti s kladným potenciálem se budou jevit tmavé (SE přitaženy zpět na vzorek) a záporně nabitá místa světlé (SE odpuzovány) • napěťový kontrast bude v obraze společně s topografickým - možno separovat odečtením obrazu • nejčastěji nežádoucí „nabíjení" nevodivých vzorků - viz. další slidy mui\ii Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Kontrast pomocí prošlých elektronů (STEM) • nutnost ultratenkých vzorků (~100nm) jako pro TEM • poskytuje nejvyšší rozlišení v SEM • kontrast závisí na rozptylu elektronů ve vzorku - mass thickness contrast - materiály o vyšší hustotě či tloušťce rozptylují primární elektrony do větších úhlů • kromě vzorku závisí také na energii primárního svazku • koncentricky segmentovaný detektor umístěný pod vzorkem umožňuje snímat jak nerozptýlené elektrony (zobrazování ve světlém poli - bright field), tak elektrony rozptýlené do různého prostorového úhlu (tmavé pole - dark field, high angle dark filed) M U l\l I Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Bright Field Annular Dark Field High Angle Dark Field incident electron probe specimen transmitted electrons ■ *Jt * ' 1^ £ |m E^lore. Discover. Resolve. Confidential Thermo Fisher SCIENTIFIC Z** ■"Ti It W nag a PM «7nm tttOMi fry > 6/16/2011 WD mag g HV 5:15:25 PM 6.7 mm 160 000 x 30.00 kV Bright field Dark field -300 nm- Nova NanoSEM 1*0 000 x JQ00KV HAADF 30 keV mui\ii Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Spektroskopické techniky mui\ii Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Spektroskopické techniky • Charakteristické rentgenové záření • Augerovy elektrony • Katodoluminiscence iuiuiu Vybrané partie z elektronové mikroskop Rentgenové záření • Charakteristické/brzdné • Prvková analýza na mikroskopické úrovni • Energiově nebo vlnově disperzní • Prostorové rozlišení: nm - 3 um • Kvalitativní analýza => zda je přítomen určitý prvek na dané místě • Kvantitativní analýza => percentuální zastoupení daného prvku v daném místě 4000 CA C pomalejší dwell time • se zvyšujícím se proudem se zvětšuje i velikost stopy a tudíž snižuje rozlišení, ale roste signál a zmenšuje šum => kratší dwell time • Pozorování v SEM - najít optimální kombinaci energie, proudu a rychlosti rastrování pro daný vzorek nun i Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Nevodivé vzorky - nabíjení • Náboj dodaný izolantu po dopadu primárních elektronů není z ozářeného ,. místa dostatečně účinně odváděn a hromadí se na povrchu vzorku • ovlivňuje signální i primární elektrony a způsobuje tak nábojové artefakty o- • kritické energie a E2, při kterých se celkový výtěžek o rovná jedné a tudíž žádný náboj nezůstává na povrchu vzorku • E1>E>E2 - kladný potenciál řádově jednotky V • E>E2- záporný potenciál až kV U/IUIH Vybrané partie z elektronové mikroskopie Nevodivé vzorky - nabíjení m u n i Vybrané partie z elektronové mikroskopie Jak zabránit nabíjení - Pokovení Naprášení nebo napaření tenké vodivé vrstvy na povrch preparátu + jednoduché, rychlé, účinné - vzorek je nepoužitelný pro další analýzu, pokovení může zakrýt drobné povrchové detaily 4p i m*g □ Oct modt V/O 800 000 x TLO SE 13mm nun i Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Jak zabránit nabíjení - Práce na kritické energii E2 • Experimentálně lze nalézt kritickou energii • Pro každý materiál různá nun i Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Jak zabránit nabíjení - nižší urychlovací napětí a proud 5 keV nepokovený zubní dentin 1 keV lil u n i Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Jak zabránit nabíjení - inteligentní rastrování m u n i Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher, S c I E N"WFFL| é -I I Jak zabránit nabíjení - režim nízkého vakua klasický SEM - aby se zabránilo kolizím elektronů s molekulami vzduchu je celý mikroskop čerpán na tlak min. 103 Pa low vacuum (LV), variable pressure (VP) SEM - tlak v komoře vzorku max. 200 Pa připouštění plynu do komory vzorku - dochází ke srážkám elektronů s molekulami plynu - vznikají kladné ionty - kompenzují negativní náboj na nevodivého vzorku Charging - Live demo II U [J I Vybrané kapitoly z elektronové mikroskopie T^c^e^n0'^!^!^' Iontová mikroskopie mui\ii Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Working Principle of a Focused jon Beam • Focused beam of primary Ga+ ions is scanned over the sample surface • Secondary electrons, secondary ions, neutral atoms, ... leave the sample • Collected on detector(s) • Main use case = sample modification • Cross section prep • TEM sample prep • Nanoprototyping • Usually not used for imaging FIB :4 ..r Sample II U II I Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Ion Sputtering Primary Ion vacuum solid Implanted Ion B.I. Prenitzer, Ph.D. Dissertation, University ofCentral Florida, 1999 IIUII I Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Penetration depth - Electrons vs. Ga+ions •The penetration depth as a function of the incident beam energy for Al. 10000 1000 a 100 a to ffl 1 0.1 0.01 0.001 - Al 1-1 n n r rf 'l ; ť*, : 3 troi i. j 1 1 ■ 1 ! i * G a+-l< ms ■ 10 100 Energy(keV) 100O *j. LindhardandM. Scharff, Phys. Rev. (1961)124, p. 128, *P. D. Townsend, J. C. Kelly, andN. E. Hartley, Ion Implantation, Sputtering, and their Applications (London, 1976), p.304. *K. KanayaandS. Okayama, J. Phys. (1972) D 5, p.43 M U l\l I Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Ion induced Secondary Electron Image and Secondary Ion Image _ ^^^^^^^^^^M ISE Secondary Electron Image (ISE) Since the primary ion beam is positively charged, insulators will charge positively, and will show low secondary electron yield. Therefore, the insulators will show dark on the images, while conducting materials will show bright and the current caused by the primary beam can flow away Secondary Ion Image (ISI) The ion yield is much lower than electron yield. For this reason ISE images are often clear than ion images, longer scan times or larger beam currents are some times requires for high quality images. M u i\i I Vybrané partie z elektronové mikroskopi o Fisher SCIENTIFIC Channeling (grain) contrast by FIB Ions channel through open columns in grains if zone axis // ion beam trajectory o a ooqo o o do oo do oocf 1< K ľ o u im i Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Literatura • Reimer L: Scanning Electron Microscopy - Physics of Image Formation and Microanalysis, ISBN: 3-540-63976-4 • Goldstein J.: Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, ISBN: 0-306-47292-9 • Schwartz A. J.: Electron Backscattered Diffraction in Material Science, ISBN: 978-0-387-88135-5 • Nan Yao: Focused Ion Beam Systems: Basics and Applications, ISBN: 978-0-521-83199-4 M U l\l I Vybrané partie z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC Vybrané kapitoly z elektronové mikroskopie Thermo Fisher SCIENTIFIC