Képalkotás a pásztázó elektronmikroszkóppal

Hasonló dokumentumok
A nanotechnológia mikroszkópja

A nanotechnológia mikroszkópjai. Havancsák Károly, január

Fókuszált ionsugaras megmunkálás

EBSD-alkalmazások. Minta-elôkészítés, felületkezelés

Atomfizikai összefoglaló: radioaktív bomlás. Varga József. Debreceni Egyetem OEC Nukleáris Medicina Intézet Kötési energia (MeV) Tömegszám


NE FELEJTSÉTEK EL BEÍRNI AZ EREDMÉNYEKET A KIJELÖLT HELYEKRE! A feladatok megoldásához szükséges kerekített értékek a következők:

ELTE Fizikai Intézet. FEI Quanta 3D FEG kétsugaras pásztázó elektronmikroszkóp

Elektronmikroszkópia. Nagy Péter Debreceni Egyetem, Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet 1/47

Röntgensugárzás 9/21/2014. Röntgen sugárzás keltése: Röntgen katódsugárcső. Röntgensugárzás keletkezése Tulajdonságok Anyaggal való kölcsönhatás

Fókuszált ionsugaras megmunkálás

Villamos kapcsolókészülékek BMEVIVEA336

Száloptika, endoszkópok

Fizika belépő kérdések /Földtudományi alapszak I. Évfolyam II. félév/

Villamos tulajdonságok

Nemzeti Akkreditáló Testület. RÉSZLETEZŐ OKIRAT a NAT /2014 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

Optika Gröller BMF Kandó MTI. Optikai alapfogalmak. Fény: transzverzális elektromágneses hullám. n = c vákuum /c közeg. Optika Gröller BMF Kandó MTI

Dankházi Z., Kalácska Sz., Baris A., Varga G., Ratter K., Radi Zs.*, Havancsák K.

a NAT /2008 számú akkreditálási ügyirathoz

Fókuszált ionsugaras megmunkálás

Pásztázó mikroszkóp (SEM) beszerzése a Nyugat-magyarországi Egyetem részére

Könnyűfém és szuperötvözetek

1. Atomspektroszkópia

Lumineszcencia Fényforrások

2. OPTIKA 2.1. Elmélet Geometriai optika

I. Atomszerkezeti ismeretek (9. Mozaik Tankönyv: oldal) 1. Részletezze az atom felépítését!

Kémiai fizikai alapok I. Vízminőség, vízvédelem tavasz

Bevonatok vizsgálata ködfény-kisüléses spektrometriával

Vas és szén. Anyagismeret, anyagkivála sztás. Acél jellemzıi. Egyéb alkotók: ötvözı vagy szennyezı?

Nagyműszeres vegyész laboratórium programja. 8:15-8:25 Rövid vizuális ismerkedés a SEM laborral. (Havancsák Károly)

b) Adjunk meg 1-1 olyan ellenálláspárt, amely párhuzamos ill. soros kapcsolásnál minden szempontból helyettesíti az eredeti kapcsolást!

Diagnosztikai röntgen képalkotás, CT

A 2011/2012. tanévi FIZIKA Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első fordulójának feladatai és megoldásai fizikából. I.

feladatmegoldok rovata

Az anyagok mágneses tulajdonságai

MŰSZAKI ISMERETEK. Az Agrármérnöki MSc szak tananyagfejlesztése TÁMOP /1/A

Alumínium és ötvözeteinek hegesztése

Elektronsugaras mikroanalízis restaurátoroknak. I. rész: pásztázó elektronmikroszkópia

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 9. mérés: Röntgen-fluoreszcencia analízis április 22.


KÜLSŐ HENGERES FELÜLET ÉLETTARTAM-NÖVELŐ MEGMUNKÁLÁSA A FELÜLETI RÉTEG TÖMÖRÍTÉSÉVEL

Készítette: Bujnóczki Tibor Lezárva:

Nehéz töltött részecskék (pl. α-sugárzás) kölcsönhatása

Pásztázó elektronmikroszkóp. Alapelv. Szinkron pásztázás

Quanta 3D SEM/FIB Kétsugaras pásztázó elektronmikroszkóp. Havancsák Károly

6. A preparált minták röntgen-fluoreszcens vizsgálata

MAGYAR RÉZPIACI KÖZPONT Budapest, Pf. 62 Telefon , Fax

Fémes szerkezeti anyagok

Az időtől független Schrödinger-egyenlet (energia sajátértékegyenlet), A Laplace operátor derékszögű koordinátarendszerben

Nagy Sándor: Magkémia

4. Szervetlen anyagok atomemissziós színképének meghatározása

Segédlet és méretezési táblázatok Segédlet az Eurocode használatához, méretezési táblázatok profillemezekhez és falkazettákhoz

Az infravörös spektroszkópia analitikai alkalmazása

SiC kerámiák. (Sziliciumkarbid)

Modern Fizika Labor. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: A röntgenfluoreszcencia analízis és a Moseley-törvény

a NAT /2006 számú akkreditálási ügyirathoz

SZILÁRDSÁGTAN A minimum teszt kérdései a gépészmérnöki szak egyetemi ágon tanuló hallgatói részére (2004/2005 tavaszi félév, szigorlat)

FEI Quanta 3D SEM/FIB. Havancsák Károly december

Spektrográf elvi felépítése

IX. Az emberi szem és a látás biofizikája

Az optikai jelátvitel alapjai. A fény két természete, terjedése

Havancsák Károly Nagyfelbontású kétsugaras pásztázó elektronmikroszkóp az ELTÉ-n: lehetőségek, eddigi eredmények

41. A minıségügyi rendszerek kialakulása, ISO 9000 rendszer jellemzése

Röntgen-gamma spektrometria

Hibrid mágneses szerkezetek

P. Nagy József, Akadémiai Kiadó A hangszigetelés elmélete és gyakorlata

Milyen simaságú legyen a minta felülete jó minőségű EBSD mérésekhez

19. Az elektron fajlagos töltése

A hıtermelı berendezések hatásfoka és fejlesztésének szempontjai. Hőtés és hıtermelés október 31.

Új 3M védőszemüvegek

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal. Dr. Vincze Árpád

Elektromágneses terek gyakorlat - 6. alkalom

L Ph 1. Az Egyenlítő fölötti közelítőleg homogén földi mágneses térben a proton (a mágneses indukció

Megmunkálások. Köszörülés: Szikra-forgácsolás: Marás: Fúrás: Menetmegmunkálás: Megmunkálás típusa: Nemesített/edzett állapot: régen ma

V. A MIKROSZKÓP. FÉNYMIKROSZKÓPOS VIZSGÁLATOK A MIKROSZKÓP FELÉPÍTÉSE ÉS MŐKÖDÉSE

REANAL LABOR partnereként

A hőkezelés célja. Hőkezelési eljárások. Fémek hőkezelése. Tipikus hőkezelési ciklus

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata

mágnes mágnesesség irányt Föld északi déli pólus mágneses megosztás influencia mágneses töltés

A.11. Nyomott rudak. A Bevezetés

Előadó: Dr. Bukovics Ádám

Különböző fényforrások (UV,VIS, IR) működési alapjai, legújabb fejlesztések

Gamma-spektrometria HPGe detektorral

Tartalom ELEKTROSZTATIKA AZ ELEKTROMOS ÁRAM, VEZETÉSI JELENSÉGEK A MÁGNESES MEZÕ

Súly ca. EN Hajlítószil. Súly ca. Páradiff.ell. szám μ. Nyomófesz. Hővez.ellenáll. (kg/m 2. R (m K/W) EN Hajlítószil. Hajlítószil.

XLVI. Irinyi János Középiskolai Kémiaverseny február 6. * Iskolai forduló I.a, I.b és III. kategória

Elektromágneses hullámok - Hullámoptika

Áramforrások. Másodlagos cella: Használat előtt fel kell tölteni. Használat előtt van a rendszer egyensúlyban. Újratölthető.

RÖNTGEN-FLUORESZCENCIA ANALÍZIS

Részecske- és magfizikai detektorok. Atommag és részecskefizika 9. előadás május 3.

KULCS_GÉPELEMEKBŐL III.

Abszorbciós spektroszkópia

A kvantumfolyadékok csodái a szuperfolyékony hélium Sasvári László ELTE Fizikai Intézet Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék

ESR színképek értékelése és molekulaszerkezeti értelmezése

A nagyenergiás neutrínók. fizikája és asztrofizikája

3. RADIOAKTÍV MINTÁK AKTIVITÁSÁNAK MEGHATÁROZÁSA

Ph Mozgás mágneses térben

Lumineszcencia alapjelenségek

Radioizotópok az üzemanyagban

Nagyműszeres vegyész laboratórium programja. 9:15-9:25 Rövid vizuális ismerkedés a SEM laborral. (Havancsák Károly)

Átírás:

1 Képalkotás a pásztázó elektronmikroszkóppal Anton van Leeuwenhoek (1632-1723, Delft) Havancsák Károly, 2011. január

FEI Quanta 3D SEM/FIB 2

A TÁMOP pályázat eddigi történései 3 Időrend A helyiség kialakítás tervezése 2010. május Mágneses tér, vibráció mérése 2010. május A helyiség kialakítása 2010. augusztus 4 22. A berendezés szállítása 2010. augusztus 23. Összeszerelés 2010. augusztus 24-27. Üzembe helyezés 2010. augusztus 30-31. Batanulás I. (Magyarországon) 2010. szeptember 13-17. Gyakorlás 2010. szeptember 20-30. Betanulás II. (Hollandiában) 2010. november 15 19. Új alkalmazások (Varga Gábor fizikus, Ratter Kitti MSc hallgató) 2010. október 1- Új alkalmazottak betanítása 2010. október 1-30. Honlap készítés 2010. szeptember 15 október 10. Felasználói szeminárium 2010. november 23. Próbaüzem 2010. november 1 2011. január 31. Projektkonferencia 2011. január 19-20-21 Visegrád Teljes üzem 2011. február 1

A pásztázó mikroszkóp működésének elve 4 1. A minta elektronforrás felőli oldalán kiváltott termékeket használjuk a képalkotáshoz. 2. A pásztázás elvét használjuk (Max Knoll 1935). Soros képképzés (itt nem érvényes az Abbe-feltétel). 3. Fókuszált nyaláb pásztázza a minta felületét. A kiváltott termék (szekunder elektron, visszaszórt elektron, röntgen foton) intenzitását detektor érzékeli. A detektor jelével moduláljuk a képernyő pixeleinek fényességét. 4. A SEM nagyítását geometriai viszonyok határozzák meg. L N = l N képernyő pixelméret minta minimális pixelméret 0,1 mm 1 nm 5 max ~ = = 10

A SEM fő egységei 5 Fő egységek 1. Elektron forrás 10-7 Pa 2. Mágneses lencsék 3. Pásztázó mágnesek 10-5 Pa 4. Detektorok 5. Vákuum rendszer 10-3 Pa

Elektronágyú 6 Energia Forrás Anyaga Fényesség Élettartam Méret Áram stabilitás szórás [A/cm 2 sr] [h] ΔE [ev] [%/h] Izzó katódos W 10 5 40-100 30-100 μm 1-3 1 LaB 6 10 6 200-1000 5-50 μm 1-2 1 Téremissziós hideg W 10 8 >1000 <5 nm 0,30 5 Schottky-forrás izzókatódos 1800 K W (ZrO 2 ) (100) sík 10 8 >1000 15-30 nm 0,3-1,0 >1 A kihúzó feszültség ~ 5 kv A gyorsító feszültség max. 30 kv. A Schottky-forrásban az első nyaláb csomópont (crossover) mérete d o = 10-20 nm. Az elektromágneses lencsék feladata kicsinyítés! d o d (foltméret a mintán)

Elektron lencsék 7 Elektron lencsék Az F = e(v x B) Lorenz-erő hatására az elektronok - spirális pályán mozognak - egy pontban (crossover) találkoznak (fókuszpont). A lencse tulajdonságainak leírása hasonló az optikai lencsékhez: - lencsetörvény, - lencsehibák (szférikus aberráció, kromatikus aberráció, asztigmatizmus) - A kép elforgatott α szöggel. Megfelelő vasmag elrendezéssel a mágneses tér a pólusoktól távol is érzékelhető (immerziós lencse): - jellemzője a kis lencsehibák, - az apertúra méret hatásai: csökkenő méret csökkenti a lencsehibák hatását; nő a mélységélesség, csökken az áram.

Elektron lencsék 8 Elektron lencsék Az F = e(v x B) Lorenz-erő hatására az elektronok - spirális pályán mozognak - egy pontban (crossover) találkoznak (fókuszpont). A lencse tulajdonságainak leírása hasonló az optikai lencsékhez: - lencsetörvény, - lencsehibák (szférikus aberráció, kromatikus aberráció, asztigmatizmus) - A kép elforgatott α szöggel. Megfelelő vasmag elrendezéssel a mágneses tér a pólusoktól távol is érzékelhető (immerziós lencse): - jellemzője a kis lencsehibák, - az apertúra méret hatásai: csökkenő méret csökkenti a lencsehibák hatását; nő a mélységélesség, csökken az áram.

Lencsehibák 9 Sugármenet a SEM-ben Az elektronágyú crossover méretét kell a mintára kicsinyítve leképezni több lépésben. Lencsehibák gömbi hiba szini hiba asztigmatizmus apertura diffrakció

Az elektron nyaláb behatol a mintába 10 Miközben az elektron behatol a szilárd testbe kétféle folyamat zajlik: 1. Rugalmas ütközés az atomi potenciálon 2 Z σ rugalmas ~ f ( ϕ ) 2 E Több ütközés eredményeként a nyalábból visszaszóródó elektronok. E max = E nyaláb 2. Rugalmatlan elektron-elektron ütközés de ds de ds Zρ 1,166Ee ~ ln AE J e ~ (1 10) ev nm (Bethe-formula) Kölcsönhatási térfogat (Monte Carlo szimuláció) A rugalmatlan ütközés eredménye kis energiájú Kilökött szekunder elektronok. A rugalmatlan ütközés határozza meg a behatolási mélységet. Pl. Si-ben 20 kev esetén ~5 μm. PMMC, maratás, SEM kép

Elektron behatolási mélységek 11 Kanaya Okayama formula a behatolási mélységre 0.0276 AE R = 0. 89 Z ρ 1.67 µ m R behatolási mélység A atomsúly (g/mole) E nyaláb energiája (kev) Z rendszám ρ sűrűség (g/cm ) 2 Z szimbólum elem 1 kv 5 kv 10 kv 20 kv 30 kv 4 Be Beryllium.04.6 1.8 5.8 11.5 6 C Carbon.03.4 1.3 4.2 8.4 11 Na Sodium.08 1.1 3.6 11.5 22.7 12 Mg Magnesium.04.6 2.0 6.3 12.4 13 Al Aluminum.03.4 1.3 4.2 8.3 14 Si Silicon.03.5 1.5 4.7 9.3 19 K Potassium.09 1.3 4.3 13.6 26.8 20 Ca Calcium.05.7 2.3 7.5 14.6 22 Ti Titanium.02.3.8 2.8 5.5 24 Cr Chromium.01.2.5 1.7 3.4 24 Mn Maganese.01.2.5 1.7 3.4 26 Fe Iron.01.2.5 1.6 3.1 27 Co Cobalt.01.1.4 1.4 2.9 28 Ni Nickel.01.1.4 1.4 2.8 29 Cu Copper.01.1.5 1.5 2.9 30 Zn Zinc.01.2.6 1.8 3.6 32 Ge Germanium.02.3.8 2.6 5.1 38 Sr Strontium.04.5 1.7 5.5 10.7 40 Zr Zirconium.02.2.7 2.2 4.3 42 Mo Molybdenum.01.1.4 1.4 2.7 46 Pd Palladium.01.1.4 1.2 2.4 47 Ag Silver.01.1.4 1.4 2.7 79 Au Gold.01.1.3.8 1.6

Szekunder elektronok 12 Szekunder elektronok - A minta gyengén kötött elektronjaiból származnak. - Energia 1 50 ev. A csúcs 3-4 ev-nál. - Hozam: δ = n n SE EB Elem 5 kev 20 kev 50 kev Al 0,4 0,1 0,05 Au 0,7 0,2 0,1 - Milyen mélyről jön? z p exp p valószínűség, z a mélység, λ a SE szabad úthossz, λ amely ~1 nm fémekre, és ~ 10 nm szigetelőkre. Becslés: Az SE mélysége ~ 1/100 része a BSE mélységének. Pl. 20 kev Cu-ben a behatolási mélység 1,5 µm, a BSE 90%-a 0,2 x 1500 nm = 300 nm mélyről származik. A SE mélysége tehát max. 3 nm. A szekunder elektronok elsősorban topografikus információt hordoznak.

Szekunder elektronok 13 A szekunder elektronok egyéb tulajdonságai: - A BS elektronok kilépéskor szekunder elektronokat keltenek (SE 2 ). Ezek elsősorban a hátteret növelik. - A minta döntése esetén: A hozam 2 3-szoros növekedése. Ilyenkor nő az SE/BSE arány. δ = δ secθ o

Detektorok 14 Szekunder elektron detektor Everhart Thornley detektor (1960) - Ez az alapdetektor - Hatékony SE detektálás - SE és BSE detektálása - Negatív előfeszítés esetén csak BSE detektálás. Kis térszög, ~ 0,8%-os hatékonyság. - SE 3 BSE információt hordoz - Tiszta SE detektálás TTL (ICD) detektorral

Detektorok 15 Szekunder elektron detektor Everhart Thornley detektor (1960) - Ez az alapdetektor - Hatékony SE detektálás - SE és BSE detektálása - Negatív előfeszítés esetén csak BSE detektálás. Kis térszög, ~ 0,8%-os hatékonyság. - SE 3 BSE információt hordoz - Tiszta SE detektálás TTL (ICD) detektorral

A minta felületi szennyezettsége 16 A SE kis energiájú, a felületi szennyezettség jelentősen befolyásolhatja a hozamot és a felbontást A felületen a csiszolásból, tisztításból felületen maradt szénhidrogének a nyaláb hatására krakkolódnak

A minta felületi szennyezettsége 17 A megoldás: A megfelelő felülettisztítási protokol kidolgozása. Alapeszközök: ultrahangos tisztító, plazma felülettisztító. Plazmatisztítás előtt Plazmatisztítás után

A minta felületi szennyezettsége 18 Plazmatisztítás után tovább növelhető a nagyítás

Visszaszórt elektronok 19 Visszaszórt elektronok (backscattered electron = BSE) Sok rugalmas ütközés következtében a nyalábból származó elektron pályája metszi a felületet. BSE hozam: η = n n BSE EB A hozam rendszám (Z) függése: - könnyű elemekre meredek függés - ~ Z = 50 felett már lapos a görbe. - független a nyaláb energiájától. 5 kev alatt kissé különböző viselkedés. Ilyenkor a hozamot jelentősen befolyásolja A felület szennyeződése. Al alapú fémüveg mintában kiválás (Al, Gd, Ni, Co)

Visszaszórt elektronok 20 - A BSE energiaeloszlása - A BSE szögeloszlása merőleges nyaláb esetén η φ) = η cosφ ( n - A BSE szögeloszlása ferde beesés esetén EBSD esetén ezért ilyen az elrendezés

Visszaszórt elektronok 21 Milyen mélyről származnak a visszaszórt elektronok? A nyaláb helyétől milyen távolról származnak a visszaszórt elektronok? A visszaszórt elektronok hozama az R K-O behatolási mélység arányában A kumulatív visszaszórt elektron hányad a behatolási mélység arányában Visszaszórt elektronok vízszintes eloszlása

Visszaszórt elektronok 22 A visszaszórt elektronok a felület alatti tartományról is hoznak információt. A mélység függ az energiától és a rendszámtól. szén nanokónuszok

Visszaszórt elektron detektor 23 Visszaszórt elektron detektor - A nagy energia miatt könnyű csak a BS elektronokra érzékeny detektort készíteni. - Leggyakrabban félvezető detektort használnak (sokszor négy szegmensre osztott). - A detektor általában az objektív lencse végéhez közel, köralakban helyezkedik el. Itt maximális a BSE hozam. A minta közelsége miatt nagy a látószög. - Küszöbenergia ~ 2-4 kev-nél. - 4 kev felett lineáris energiafüggés.

Visszaszórt elektron detektorok 24 4-részes BSE detektor topografikus képhez Visszahózható BSE detektor Z kontrasztos képhez

Topografikus kontraszt 25 Everhard-Thornley-detektor (+ előfeszítés) topografikus kontraszt - Eredete: a szekunder- és a visszaszórt elektronok száma függ a beeső nyaláb és a minta felületének szögétől. Ez a szög a minta lokális felületi változásaitól függ. - A visszaszórt elektronok erősen irányítottan jutnak a detektorba - A szekunder elektronok diffúz irányból jutnak a detektorba

Topografikus kontraszt 26 A pozitív előfeszített ETD képe könnyen értelmezhető. Magyarázat optikai analógia alapján. - A mindennapi látás során irányított napfény + diffúz megvílágítás. A szem erősen írányított módon lát. - SEM esetén: az elektron nyaláb erősen írányított. Az E - T detektor irányított BS elektronokat és diffúz SE elektronokat lát. - Az analógia alapján: a kép olyan, mintha az E-T detektor helyén lenne a fényforrás és a megfigyelő szeme az elektronnyaláb irányából nézné a képet. - Ezt a transzformációt az agy automatikusan elvégzi.

Topografikus kontraszt 27

Topografikus kontraszt 28

Topografikus kontraszt 29

Everhart-Thornly-detektor kép 30 Az ETD kép további sajátosságai - Élhatás (különösen nagyobb nagyítás esetén látszik) - Az élen kb. dupla annyi SE jut ki, mint a sik minta felületén kréta (coccoliths)

Everhart-Thornly-detektor kép 31 Az ETD kép további sajátosságai - Nagy mélységélesség (különösen kis nagyítás esetén) tanα = D 2r α r D / 2 tanα α A képernyő pixel méret ~ 0,1 mm. Ha egy minta képpont ~ 2 képernyő pixelre esik, akkor már életlennek látjuk a képet. Ez akkor következik be, ha r = 0,1 mm M D = 2(0,1 mm / M ) α = 0,2 mm αm A mélységélesség tehát a nagyítás vagy a nyaláb divergencia szögének csökkentésével növelhető.

FEI Quanta 3D SEM/FIB 32

Összefoglalás 33 Információtartalom: alak, méret, finomszerkezet a mikro- és nanométeres tartományban. Ideális minta: mm-cm nagyságrendű vastagságú, vezető, félvezető, vízmentes. Mérhető még: nanorészecskék, vékony film, biológiai minták, nedves minták. A képalkotáshoz felhasznált termékek : szekunder elektronok (SE), visszaszórt elektronok (BSE) Felbontás (vízszintes): 1 5 nm. Felbontás (mélységi): 10 1000 nm (BSE). 1 10 (SE). Mélységélesség: az objektív apertúrával változtatható. Általában nagy: a képszélesség 0,1 1. része. Képinformáció: - topografikus (SE, BSE), - összetétel (BSE), - kristály orientáció (BSE).