Electron Microscope Techniques for Surface characterization

Size: px

Start display at page:

Download "Electron Microscope Techniques for Surface characterization"

祚公瓜尔佳
7 years ago
Views:

1 掃瞄式電子顯微鏡及能量散佈光譜儀原理與奈米科技應用 SEM/EDS Technology and Its Special Applications in Nano Field 張銀祐 2007/8/22

2 電子顯微鏡發展簡介 * 1873 Abbe 和 Helmholfz 分別提出解像力與照射光的波長成反比奠定了顯微鏡的理論基礎 1897 J.J. Thmson 發現電子 1924 Louis de Broglie ( 1929 年諾貝爾物理獎得主 ) 提出電子本身具有波動的物理特性, 進一步提供電子顯微鏡的理論基礎 * 1926 Busch 發現電子可像光線經過玻璃透鏡偏折一般, 由電磁場的改變而偏折 1931 德國物理學家 Knoll 及 Ruska 首先發展出穿透式電子顯微鏡原型機 1937 首部商業原型機製造成功 (Metropolitan Vickers 牌 ) * 1938 第一部掃描電子顯微鏡由 Von Ardenne 發展成功 1938~39 穿透式電子顯微鏡正式上市 ( 西門子公司, 50KV~100KV, 解像力 20~30 Å) 1940~41 RCA 公司推出美國第一部穿透式電子顯微鏡 ( 解像力 50 nm) *1941~63 解像力提昇至 2~3 Å ( 穿透式 ) 及 100Å ( 掃描式 ) 1960 Everhart and Thornley 發明二次電子偵測器 1965 第一部商用 SEM 出現 (Cambridge) 1966 JEOL 發表第一部商用 SEM(JSM-1) 2

德國物理學家 Knoll 及 Ruska 首先發展出穿透式電子顯微鏡原型機 1937 首部商業原型機製造成功 (Metropolitan Vickers 牌 ) * 1938 第一部掃描電子顯微鏡由 Von Ardenne 發展成功 1938~39 穿透式電子顯微鏡正式上市 (

3 掃瞄式電子顯微鏡 - used for? 觀察物體的表面型態 ( 立體影像 ) 放大倍率可達 x10,000. 以上景深 (Depth of Focus) 長除了可觀察三度空間的立體影像外, 亦可加裝 X 光的偵測器如 EDS 或 WDS 等, 來作化學成份的分析, 係一高性能的材料分析工具所謂景深, 就是當焦距對準某一點, 其前後都仍然清晰的範圍 3

4 蝴蝶翅膀 OM SEM -- 美國顯微鏡學會 4

5 螞蟻和它的眼睛 5

6 Colored SEM of an array of micromotor gears High Depth of Focus Magnification: x200 at 5.5x5.5cm size 6

7 Colored SEM of common table salt Magnification: x26 at 6x7cm size 7

8 XRD, SEM, TEM and AES Studies XRD SEM SEM SEM TEM TEM TEM AES 10nm 8

9 What do we need to know about surface structures? For a single phase, polycrystalline ceramic by polishing, and also by fracturing it: Grain size; 晶粒大小 Orientation of grains; 晶粒方向 Chemical attack results in the growth of precipitates; at boundaries or on the grain; 析出物? Intergranular or transgranular fractures; 材料破損型態 Minor phases; 次相 Porous sample? 9

Grain size; 晶粒大小 Orientation of grains; 晶粒方向 Chemical attack results in the growth of

10 SEM 掃描式電子顯微鏡由於景深 (Depth of Focus) 大, 對於研究物體之表面結構功效特別顯著, 例如材料之斷口磨損面塗層結構夾雜物等之觀察研究 10

11 Electron beam Specimen Interactions Backscattered electron Auger electron Illuminated beam Secondary electron X-ray Specimen Thickness < 100 nm Transmitted beam with energy loss E = E 0 - ΔE Directed beam Diffracted beam 11

electron X-ray Specimen Thickness < 100 nm Transmitted

12 SEM 的基本原理與電視相似, 它是利用加熱燈絲 ( 鎢絲 ) 所發射出來之電子束 (Electron Beam), 經柵極靜電聚焦之後, 形成一約 10μm~50μm 大小之點光源, 在陽極之加速電壓 (0.2KV~ 40KV) 的作用下, 經過 2 至 3 個電磁透鏡所組成的電子光學系統, 將匯聚成一直徑細小約 5nm~10nm 之電子射束, 聚焦在試件表面又由於在末級透鏡上裝有掃描線圈, 能使電子射束在試件上掃描, 高能電子射束與物質之交互作用, 即電子彈性碰撞與非彈性碰撞之效果, 其結果產生了各種訊號如二次電子 (SE:Secondary Electrons) 背向散射電子 (Be:Backscattered Electrons; 又稱背反電子 ) 吸收電子 (AE:Absorbed Electrons) 透射電子 (TE:Transmitted Electrons) X 射線及陰極螢光 (Cathode Luminescence) 12

能使電子射束在試件上掃描, 高能電子射束與物質之交互作用, 即電子彈性碰撞與非彈性碰撞之效果, 其結果產生了各種訊號如二次電子 (SE:Secondary Electrons) 背向散射電子

13 SEM 能為我們提供那些訊息影像或分析儀訊號偵測器用途 SEI (Secondary Electron Image) 二次電子 E-T 表面形貌 BEI (Backscattered Electron Image) 背向散射電子 Solid state 原子序對比 EDS (Energy Dispersive Spectrum) X-ray 訊號 Si-Li or Ge 定性及半定量元素分析 WDS X-ray 比例高解析 ; (Wavelength Dispersive Spectrum) 訊號計數器定性與全定量分析 13

對比 EDS (Energy Dispersive Spectrum) X-ray 訊號 Si-Li or Ge 定性及半定量元素分析

14 Why vacuum?! 掃描式電子顯微鏡, 其基本構造如下 : 在真空室中由電子槍 (Electron Gun) 發射電子束, 經過一組磁透鏡聚焦 (Condensing Lens) 聚焦後, 用遮蔽孔徑 (Condenser Aperture) 選擇電子束的尺寸 (Beam Size) 後, 通過一組控制電子束的掃描線圈, 再透過物鏡 (Objective Lens) 聚焦, 打在試片上, 在試片的上側裝有訊號接收器, 用以擇取二次電子 (Secondary Electron) 或背向散射電子 (Backscattered Electron) 成像 14

15 Scanning coil and Zoom Mag=2 Mag=4 Mag =1 Fixing point (EDS) Target 15

16 接物透鏡 (Objective Lens) 接物透鏡 (Objective Lens) - 主要是功能是改變電子束對試片之間的工作距離 WD. - 在影像上是對聚焦 (focus) 的改變 16

17 電子波長掃描式電子顯微鏡的電子波長在 0.1nm 以下, 因此它具有較光學顯微鏡佳的解析度由德布各利關係式 (De Broglie Relation) 可知, 電子受高壓加速時, 其波長與加速電壓有如下之關係 : λ= 12.26/(V) 0.5 (A) 當 V = 30KV,λ= nm 當 V = 60KV,λ= nm 17

18 二次電子 (SEI) 二次電子 SEI 為入射一次電子進入試件後, 從試件表面 50~500A 深度之層內所激發產生的電子, 能量約在 0~ 50eV 之間二次電子的激發量隨入射電子能量之增加而增加, 但達到一定值之後會再度遞減, 主要原因是隨入射電子能量之增加, 電子穿透之深度加大, 所生成之二次電子由於逸出表面之路徑增長, 不易到達試件之表面, 故而其激發量漸減二次電子屬於低能量電子, 對試件的表面非常敏感, 故能有效地表現試件之微觀形貌特徵 18

但達到一定值之後會再度遞減, 主要原因是隨入射電子能量之增加, 電子穿透之深度加大,

19 背向散射電子 (BEI) 背向散射電子 BEI 為入射一次電子在試件內, 受原子核散射作用, 形成大角度散射之後, 再逸出表面的電子由於其在試件內散射過程中並無多大之能量損失, 故屬於高能量之電子此種背向散射電子 BEI 的成像, 受試件表面形貌之影響不如試件組成元素之影響來的大, 即背向散射電子 BEI 之強度隨試件組成元素之原子序增加而增大, 故能充份用以觀測不同元素之組成相及成份元素分佈情形 19

20 燈絲電子槍為掃描式電子顯微鏡之電子光源, 主要考慮因素在於高亮度光源區愈小愈好, 以及高穩定度目前電子的產生方式多為利用加熱燈絲 ( 陰極 ) 放出電子, 主要的電子槍材料包括 (1) 鎢燈絲 ;(2)LaB6 硼化鑭 ; 及 (3) 場發射電子槍三種考慮燈絲材料的熔點氣化壓力機械強度及其他因素後, 目前最便宜的材料為鎢絲在特殊狀況下如要求更高亮度及應定性時, 則使用場發射電子槍可獲得更佳之解析度, 但真空度的要求也相對提高 20

21 W wire filament 21

22 LaB 6 images 22

23 FE emitters R tip ~ 0.1 μm 1st Anode provides the extraction voltage to pull electrons out of the tip. 2nd Anode accelerates the electrons to 100 kv or more. 23

24 Comparison of emitters 束徑小 ; 高解析 ; 壽命長所需真空度高 10-8 Torr 24

25 遮蔽孔鏡 (Condenser Aperture) 遮蔽孔徑 (Condenser Aperture) : - 主要是選擇電子束的尺寸 (Beam Size) 25

26 Factors that influence SEM image and signal Gun: FEG, LaB 6, W Lens: Perfect of Lens Machine type: In-lens,semi in-lens, off-lens Cleaning of Chamber: Dust,water,oil gas.. Operation parameter: Accelerating Voltage,Current,Gun Alignment, Specimen preparation, Vacuum Environment: Vibration,magnetic field, Noise,Ground Connect 26

27 電子顯微鏡的像差就如同光學顯微鏡之玻璃透鏡一樣, 在電子顯微鏡上是利用磁場作透鏡, 但磁場必須在電子束的方向形成局部軸向對稱磁場, 則電子通過時宛如光線通過玻璃透鏡一般, 唯一區別為電子受磁場作用, 其行進路線為螺旋狀可利用弗來明右手定則可確定其旋轉方向此種電子顯微鏡專用的電磁透鏡, 常見的缺陷如下 : 包括 (1) 繞射像差 (Diffraction Aberration);(2) 球面像差 (Spherical Aberration);(3) 散光像差 (Astigmatism); 及 (4) 色像差 (Chromatic Aberration) 等 27

28 電鏡主要的像差球面像差 Cs Spherical aberration 通過透鏡中心或邊緣差異色散像差 Cc Chromatic aberration 通過透鏡電子能量差異散光像差 Astigmatism 通過透鏡至同直徑不同平面差異 28

29 Electron lenses Correction of Astigmatism: d ab2 = d s2 + d c2 + d d 2 d s = 0.5 C s α 3 d c = C c αδe/e d d = 1.22 λ/ α 2 where C s and C c are the spherical and chromatic aberration coefficients, α is the angle between the len axis and the electron trajectory, ΔE is the effective energy spread of electrons having mean energy E, and λis the electron wavelength. 29

30 電子束的束流與束徑調整 Gun alignment 30

31 How image appearance changes when observation conditions are changed? It is very important to select adequate observation condition according to specimen and purpose. a. Accelerating voltage 加速電壓 b. Working distance 工作距離 c. Specimen tilting 試片傾斜 d. Detector 偵測器 e. Probe current 電子槍束電流 31

32 Selection of acceleration voltage High resolution High Low surface contrast More damage More charging More edge effect Advantage Accelerating voltage Disadvantage High surface contrast Less damage Less charging Less edge effect Low Low resolution 32

33 加速電壓對試片之影響高加速電壓 : 對試片景深有較明顯之顯像. 低加速電壓 : 對試片表面之凹凸起伏較明顯. 加速電壓 =5 kv 加速電壓 =25 kv 33

34 加速電壓一般來說, 加速電壓提高, 電子束波長越短, 理論上, 只考慮電子束直徑的大小, 加速電壓愈大, 可得到愈小的聚焦電子束, 因而提高解析度, 然而提高加速電壓卻有一些不可忽視的缺點 : A. 無法看到試片表面的微細結構 B. 會出現不尋常的邊緣效應 C. 電荷累積的可能性增高 D. 試片損傷的可能性增高因此適當的加速電壓調整, 才可獲得最清晰的影像 34

35 Selection of working distance Large depth of focus High Low resolution Low detector efficiency Advantage Working distance Disadvantage High resolution High detector efficiency Low Small depth of focus 35

36 工作距離的影響 WD 最小 WD WD 最大 36

37 適當的工作距離 WD 適當的工作距離 WD 的選擇, 可以得到最好的影像較短的工作距離, 電子訊號接收較佳, 可以得到較高的解析度, 但是景深縮短較長的工作距離, 解析度較差, 但是影像景深較長, 表面起伏較大的試片可得到較均勻清晰的影像 37

38 Effect of specimen tilting Improve quality of secondary electron image Obtain different information by charging observation direction --Identification of surface topography (concave/convex) --Observation of sidewall Stereographic observation 38

39 試片傾斜與偵測角度對影像訊號的影響 * 試片傾斜則二次電子受試片的能量吸收減少 39

40 Specimen preparation for better images Specimen size 試片尺寸 Reduce specimen size as small as possible for better coating and vacuum. Make specimen conductive (metal coating) 導電性 Specimen observable without charging Specimens can be observed without coating but adequate observation condition should be found out. 40

41 Selected Images Nano ZnO columns ACF 41

42 Selected Images Oxidized CrN coating Hard coatings 42

43 SEI vs BEI 43

44 SEI vs BEI / TiAlN/CrN 多層膜 SEI BEI 44

45 X 光能譜散佈分析儀 (Energy Dispersive Spectrometer, EDS) 針對電子束所激發的特性 X 光分析, 一般亦稱為電子束微分析法 (Electron Probe for Microanalysis, EPMA), 根據偵測 X 光的分析方法與技術不同, 主要可分為能量散佈分析儀 (Energy Dispersive Spectrometer, EDS) 及波長散佈分析儀 (Wavelength Dispersive Spectrometer, WDS) 兩種 45

46 EDS-1 能量散佈分析儀主要是由擴散鋰原子的矽晶接收器 ( Lithium Drifted Si p-i-n diode, Si(Li) ) 為核心的固態偵測器, 其中鋰是為了中和矽晶接收器中可能存在的其它雜質, 減少電子電洞對再結合中心使得偵測的效率準確, 由於此種偵測器必須要在低溫下操作, 傳統機型係利用液態氮冷卻之被電子束激發而放射出來之 X 光穿過薄的鈹窗 ( Beryllium Window, Be ) 或超薄的高分子膜窗甚至是無窗型的偵測器中, 激發矽晶接收器產生電子電洞對, 再轉換成電流, 經放大器 ( Amplifier ) 及脈衝處理器 ( Pulse Processor ) 的處理後, 送至能量數位轉化器 ( Energy-to-Digital Converter ) 處理由多頻道分析儀 ( Multi-channel Analyzer, MCA ) 將 X 光能量信號存入其對應之頻道位置 46

47 EDS-2 近年來, 材料分析技術中, 在穿透式電子顯微鏡 ( 或掃描式電子顯微鏡 ) 上附加 X 射線能量散佈分析儀, 已成為材料科學研究上非常重要的工具當我們在電子顯微鏡觀察特定的顯微組織時, 可以進一步利用 X 射線能量散佈分析儀, 在短短數分鐘時間, 完成選區的定性或半定量化學成份分析選區的大小與電子顯微鏡的種類有關, 掃描式電子顯微鏡的選區範圍可以小於 lμm, 一般分析用的穿透式電子顯微鏡則可以小於 200A, 而最近開發的場發射穿透式電子顯微鏡則可以小於 10 A 範圍 47

48 EDS-3 週期表上的各種元素經外來能量激發產生特性 X 光與歐傑電子的機率係與其原子序有關, 一般說來輕元素較易產生歐傑電子, 而相對的重元素則較易產生特性 X 光 48

49 EDS-4 能量散佈分析儀相較於波長散佈分析儀的優點有 :(1) 快速並可同時偵測不同能量的 X- 光能譜 ;(2) 儀器之設計較為簡單 ;(3) 操作簡易, 不需作電子束的對準 (Alignment) 及聚焦 (Focusing); 及 (4) 使用之電子束電流較低, 可得較佳的空間解析度, 且較不會損傷試片表面然而 EDS 能量散佈分析儀仍具有以下幾項明顯的缺點 :(1) 能量解析度差 ;(2) 定量分析能力較差 ;(3) 對輕元素的偵測能力較差 ; 及 (4) 偵測極限及解析度較差 49

50 EDS 功能 Easy element ID Smart element mapping Element line scan. 50

51 SEM 試片製備一般原則 SEM 試片製備一般原則為 : A. 顯露出所欲分析的位置 B. 表面導電性良好, 需能排除電荷 C. 不得有鬆動的粉末或碎屑 ( 以避免洩真空時粉末飛揚污染鏡柱體 ) D. 需耐熱, 不得有熔融蒸發的現象 E. 不能含液狀或膠狀物質, 以免揮發 F. 非導體表面需鍍金 ( 影像觀察 ) 或鍍碳 ( 成份分析 ) 金屬膜較碳膜容易鍍, 適用於 SEM 影像觀察, 通常為 Au 或 Au-Pd 合金或 Pt 而碳膜較適於 X 光微區分析, 主要是因為碳的原子序低, 可以減少 X 光吸收 51

Microsoft PowerPoint - TEM and SEM [相容模式]

Microsoft PowerPoint - TEM and SEM [相容模式] Transmission electron microscopy (TEM) 穿透式電子顯微鏡 1-1 1 前言 1-2 發展沿革 1-3 電子束與物質作用 1-4 近年發展趨向 1-5 電子顯微鏡在材料科學上的應用 1-6 電子顯微鏡與光學顯微鏡 x 光繞射儀特性及功能之比較 1-11