ميکروسکوپ الکتروني عبوري

ميکروسکوپ الکترونيروبشي (SEM)
مقدمه
نخستين ميکروسکوپ الکتروني روبشي در سال 1942 ميلادي توسعه داده شد و نخستين دستگاه­هاي جاري آن در حدود سال 1965 وارد بازار شد. گسترش توأم با تأخير زياد آن در مقايسه با ساير ميکروسکوپ­هاي الکتروني مانند TEM به بخش الکتروني دستگاه آن مربوط شد. اين ميکروسکوپ قادر به گرفتن تصاويري با بزرگ­نمايي 10 تا1000 برابر با قدرت تفکيک در حد 3 تا 100 نانومتر بسته به نمونه است. درصورت تجهيز دستگاه به آشکار­ساز(Basic Service Element)BSE، ميکروسکوپ مي­تواند در حالت اِچ­نشده، در مشاهده­ي مرزدانه ما را ياري نمايد. جهت مشاهده­ي Domains در موارد فرومغناطيس، ارزيابي جهت کريستالوگرافي دانه­ ها با قطرهاي به­کوچکي 2 تا10 ميکرومتر و درصورتي که فاز دوم داراي عدد اتمي متفاوت از زمينه (قابل ملاحظه) باشد، مي­توان با اين ميکروسکوپ به تصوير نمودن فاز دوم اِچ­نشده پرداخت و در کنترل کيفيت بررسي و عيوب قطعات نيمه­هادي مي­تواند به­کار رود و با توجه به عمق ميدان بسيار بزرگ­تر از صد ميکروسکوپ نوري مي­توان به بررسي مقاطع شکست نيز پرداخت.
کارکرد
به­منظور بررسي نمونه ها توسط SEM، بايستي خلأ بيش­تر از 10–3torr باشد و آماده­سازي نمونه با توجه به درجه­ي هادي بودن متفاوت است. پوليش و اِچ در متالوگرافي براي مواد هادي الکتريسيته کافي است، اما براي مواد غير­هادي معمولاً اين مواد با لايه­ي نازکي از کربن، طلا يا آلياژ طلا پوشش داده مي شوند و بايستي بين نمونه و پايه، اتصال الکتريکي برقرار شود که اين کار توسط چسب الماس صورت مي­گيرد. نمونه­هاي ريز نظير پودر­ها نيز بايستي روي يک نيمه­هادي نظير رنگ آلومينيوم پخش شده و کاملاً خشک شود. نمونه بايد عاري از مايعاتي با فشار بخار بالاتر نظير آب، محلول­هاي پاک­کننده­ي آلي و فيلم­هاي روغني باقي­مانده شوند. پس از آماده­سازي نمونه، آن را در دستگاه قرار داده و پس از ايجاد خلأ مورد­نظر دستگاه به اين صورت عمل مي­کند که ابتدا الکترون توسط منبع الکتروني که معمولاً از نوع انتشار گرمايوني- فيلامنت تنگستني- توليد مي گردد. به­منظور افزايش قدر ت تفکيک از فيلامنت هگزابوريد لانتانيم (LaB6) و از حالت نشر ميداني نيز استفاده مي گردد. پس از توليد و تمرکز الکترون­ها در نوک فيلامنت­ها با اعمال اختلاف ولتاژ باياس بين استوانه­ي ونلت و فيلامنت، معمولاً الکترون­ها بين 1-30keV شتاب داده مي­شوند. اين اختلاف ولتاژ بين فيلامنت و قسمت پاييني ميکروسکوپ ايجاد مي­شود. پس از توليد الکترون و هدايت آن به­سمت پايين، حضور 2 يا 3 عدسي متمرکز­کننده، پرتو الکتروني را کوچک نموده تا حدي که موقع برخورد با نمونه قطر آن حدوداً بين 2-10nm است و درنهايت با عبور از شيئي و روزنه اشعه الکتروني به نمونه برخورد مي نمايد. اين پرتو الکتروني ظرفيت که به­کمک کويل­هاي روبش روي سطح نمونه را جاروب مي­نمايد و يک آشکار­ساز، تعداد الکترون­هاي ثانويه­ي کم­انرژي يا تشعشات ديگر که از هر نقطه از سطح منتقل مي­شود را تعيين مي­کند. هم­زمان، يک لامپ پرتو کاتدي سطح صفحه­ي نمايش را روبش نموده و ميدان روشنايي هر نقطه روي(Cathode Ray Tube)CRT توسط جريان تقويت­کننده­ي آشکار­ساز تعيين مي­شود. پرتو الکتروني و CRT هردو مشابه يک تلويزيون يعني به­صورت يک خطوط موازي در يک فريم سطح را روبش مي­کنند. براي تغيير بزرگ­نمايي از هيچ­گونه عدسي استفاده نمي­شود؛ بلکه خطوط raster روي نمونه را از روي خطوط روي صفحه نمايش کوچک­تر مي­کنند.
آشکارسازها
اطلاعات بدست آمده از SEM با توجه به سيگنالي است که دستگاه مي­تواند آن را ثبت کند و هر­کدام از برخورد­ها، اشعه­ها و جريان­هاي توليدي نياز به آشکارساز خود دارد که به اختصار در مورد آن به بحث مي پردازيم.اشعه­ي الکتروني پس از برخورد با نمونه باعث افزايش ميزان اشعه­ي X، الکترون­هاي برگشتي، الکترون­هاي اوژه، الکترون­هاي ثانويه و اشعه­هاي نوري و مقداري از سطح نمونه عبور کرده و پخش آن باعث توليد جريان در نمونه مي­گردد.فاز­ها در چند رده با توجه به نوع سيگنال توليدي در SEM به­صورت زير تقسيم­بندي مي­شوند؛
I . آشکار­ساز­های اشعه­های الکترونی
شامل اشعه­های الکترونی برگشتی، ثانويه و الکترون­هاي اوژه هستند و از scintillator براي ثبت اشعه­هاي ثانويه و برگشتي در دو حيطه­ي پتانسيل 50-250V استفاده مي­شود. آشکار­سازهاي حالت جامد که از نيمه­هاي جامد Si-Li است، براي ثبت اشعه­هاي برگشتي است و در زير لنز شيئي قرار مي­گيرد. براي اشعه­هاي الکتروني اوژه با توجه به ميزان کم اين اشعه­ها، به دستگاه قوي­تري براي ثبت اطلاعات نياز است و از آن در بحث اطلاعات شيميايي واکنش­هاي شيميايي، پيوند­هاي الکترون­هاي ظرفيت وخصوصيات آن­ها و... پرداخته مي­شود.
II . آشکارسازهاي اشعه­ي X
از دو سيستم EDS و WDS براي ثبت طيف اشعه­هاي X استفاده مي­شود. با توجه به اختلاف انرژي اشعه­ها و يا طول موج­هاي مختلف کار مي­کنند (توضيحات کامل در گزارش XRF).
III . آشکار­سازهاي اشعه­هاي نوري
اين آشکار­ساز­ها تابناکي کاتدى نام دارند، براي ثبت فازهاي که داراي تفاوت رنگ با زمينه هستند، استفاده مي­شود و بيش­تر در سيزالوژي نيز کاربرد دارد. در توضيح آن مي­توان گفت از يک آينه­ي بيضي­گون استفاده مي­کنيم که در يک کانون آن، نمونه قرار داشته و با برخورد اشعه به آن، بازتاب اشعه­ي نوري در کانون ديگر بيضي متمرکز و در CTR فاز­ها قابل مشاهده خواهند بود.
IV . آشکار­سازهاي جريان نمونه
در اين آشکارسازها اطلاعات به­دست­آمده که با توجه به تغييرات شماتيکي که در تصوير حاصل مي­شود، برعکس حالت­هاي قبل است و روشنايي آن معادل با حالت تيره مي­باشد و در صنايع الکترونيک به­عنوان مثال در قسمت­هايي که شامل فاز هادي و عايق است استفاده مي­شود.
تفنگ الکتروني
تمام ميكروسكوپ­هاي الكتروني از يك منبع الكترون استفاده مي­كنند كه در بيش­تر آن­ها از تفنگ گرمايوني، استفاده مي­شود. نقش تفنگ الکتروني، فراهم نمودن يک اشعه­ي قوي از الکترون­هاي با انرژي بالا است.
سيستم خلأ
سيستم خلأ SEM نيز که در ابتدا به آن اشاره شد، شامل يک پمپ چرخشي است که در ابتداي روشن شدن سيستم به­کار افتاده، خلأاي به­اندازه­ي 10¯4torr ايجاد شده و براي رسيدن به خلأ بهينه از پمپ توربومولکولي به خلأ مورد نياز که 10-6torr مي­رسيم. درصورتي­که فيلامنت از نوع LaB6 باشد، از پمپ IGP براي خلأ 10-9torr استفاده مي­شود.