Il Microscopio Elettronico a Scansione

Presentazione sul tema: "Il Microscopio Elettronico a Scansione"— Transcript della presentazione:

1 Il Microscopio Elettronico a Scansione
Come funziona, come è strutturato

2 Cosa è la Microscopia Elettronica
Tecnica che permette l’osservazione di campioni con ingrandimenti e risoluzione 1000 volte superiore alla microscopia ottica ordinaria

3 Alcuni cenni storici 1897: J. Thomson scopre l’elettrone
1924: L. de Broglie propone la teoria ondulatoria della materia 1926: H. Busch dimostra che i campi elettrici e magnetici a simmetria assiale si comportano come lenti per gli elettroni Nascita dell’ottica elettronica

4 Alcuni cenni storici 1934: E. Ruska primo prototipo di TEM
1938: von Ardenne primo prototipo STEM 1942 Zworykin realizza il primo prottipo di SEM capace di analizzare campioni massivi. 1960 Everhart e Thornley introducono il loro rivelatore per elettroni secondari, basato su scintillatore e tubo fotomoltiplicatore 1965: Cambridge Instruments produce e commercializza il primo SEM 1986: Ruska vince il Nobel

5 IL SEM Il Microscopio Elettronico a Scansione sfrutta la generazione di un fascio elettronico ad alta energia nel vuoto. Il fascio viene focalizzato da un sistema di lenti e deflesso per scandire una area del campione L’interazione fascio-campione genera vari segnali che vengono acquisiti da opportuni detectors e successivamente elaborati fino a formare una immagine a livelli di grigio

6 I pregi del SEM Da indicazioni su:
morfologia della superficie del campione composizione chimico fisica Difettosità elettriche Contaminazione delle superfici Misura dei potenziali superficiali

7 I pregi del SEM (2) Alta risoluzione (limite 2nm)
Alti ingrandimenti (fino a x) Alta profondità di campo Facile preparazione del campione La combinazione di alti ingrandimenti, alta risoluzione, larga ampiezza del fuoco e facile preparazione e osservazione del campione rende il SEM uno degli strumenti più affidabili e più semplici da utilizzare per lo studio e la diagnostica delle difettosità nei componenti elettronici.

8 Confronto tra microscopie
MO SEM TEM Range di ingrandimento 1-1000 Risoluzione Ordinaria 5mm 0,1mm 5nm Per osservazioni accurate 0,2mm 20nm 1nm Limite 0,2nm Profondità di campo 0,1mm a 10x 10mm a 10x limitata allo spessore del film 1mm a 100x Ambiente versatile richiede il vuoto (0,03Pa)

9 Il SEM del LIMINA

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11 Il Paleo SEM

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13 Il Microscopio Elettronico a Scansione

14 Parti principali La sorgente di illuminazione: il cannone elettronico
Il sistema per il vuoto spinto Le lenti elettromagnetiche (1 o più a seconda dello strumento) Le bobine di deflessione La lente obiettivo I rivelatori di segnale Il sistema di trasformazione dei segnali in immagini La camera porta-campioni

15 Sorgente di elettroni

16 Sorgente di elettroni (2)
Le sorgenti si dividono in due categorie: Emissione termoionica Emissione di campo Le sorgenti di emissione termoionica si dividono in Catodo a filamento di Tungsteno Catodo in Esaboruro di Lantanio (LaB6) La legge di Richardson esprime la densità di corrente emessa per effetto termoionico A= Costante legata alle caratteristiche del materiale emettitore T= Temperatura di emissione K= Costante di Boltzman Ew lavoro di estrazione (per il tungsteno 4,5 eV

17 Catodo a filamento di Tungsteno
Filamento ripiegato a forma di V con raggio di curvatura 100m Temperatura di esercizio K Corrente emessa Jc=1,75 A/cm-2 Vuoto richiesto 10-3Pa Vita media ore

18 Catodo a filamento di Tungsteno
Circuito di riscaldamento del catodo - + Resistenza autopolarizzante Anodo collegato all’alta tensione (fino a 30KV)

19 Come si forma il fascio elettronico
Il filamento viene riscaldato a temperature tali che gli elettroni guadagnano energia sufficiente a superare l’energia di estrazione del materiale (emissione termoionica) Gli elettroni vengono attratti verso l’anodo polarizzato con alte tensioni Il sistema si comporta come una lente elettrostatica formando una “immagine” del filamento tra il Wehnelt e il catodo Le lenti elettromagnetiche riducono via via il diametro iniziale

20 Catodo ad esaboruro di lantanio (LaB6)
Asta di LaB6 di 16mm con sezione di 1mm2 Temperatura di esercizio K Corrente emessa A/cm-2 Vuoto richiesto 10-4Pa (necessità di un ulteriore sistema di vuoto costituito da una pompa ionica)

21 Emissione per effetto campo
Emissione dovuta alla capacità di estrazione di elettroni da un monoblocco di Tungsteno appuntito da parte di campi elettrici intensi Raggio di curvatura del cristallo nm Vuoto richiesto 10-7Pa

22 Emissione effetto campo: formazione del fascio
Il monocristallo di tungsteno è sottoposto all’azione del campo elettrico del primo anodo (circa 3000V) Gli elettroni emessi vengono accelerati dal secondo anodo fino a 100KeV La lente elettrostatica genera il cross over oltre i due anodi.

23 Catodo ad emissione di campo

24 Occorre introdurre una nuova grandezza
Si è dimostrato che la massima densità di corrente che può essere focalizzata sul campione è: Jb=4ib/d02 ib= corrente totale del fascio d0= diametro del cross–over Limitazioni: Aberrazioni delle lenti elettroniche Diaframmi lungo la colonna Occorre introdurre una nuova grandezza

25 Brillanza (β) Densità di corrente per unità di angolo solido (A*cm2*sr-1) 0 0= semiangolo del cono di raggi che convergono per formare il cross-over

26 Brillanza (β) E’ stato dimostrato che la brillanza non può superare il valore β= JceV0/kT con Jc e T densità di corrente e temperatura alla superficie del catodo V0 differenza di potenziale tra il catodo e il punto dove si forma la sua immagine

27 Confronto tra filamenti
Emettitore Vita media (ore) Source size Brillanza a 25KV W (termoionico) 60-100 100m 1 ACm2sr-1 LaB6 5m 20-50 ACm2sr-1 W (emissione di campo) <100A° ACm2sr-1

28 Lenti elettromagnetiche
Una lente elettronica è formata da un nucleo cilindrico di ferro dolce contenente un avvolgimento di spire di ferro. Quando viene fatta passare una corrente si genera un campo Elettro-magnetico parallelo all’asse della lente. Il campo, agendo sulla carica elettrica dell’elettrone, “devia” il suo moto.

29 Lenti elettromagnetiche

30 Lenti elettromagnetiche
Poiché il campo magnetico formatosi non garantirebbe in ogni suo punto la stessa intensità e simmetria, viene adattato all’interno della lente un pezzo polare che concentra in un segmento di pochi millimetri l’intensità del campo. Il diametro del fascio viene così ridotto In questi pezzi polari vengono inseriti dei diaframmi che hanno lo scopo di limitare l’utilizzazione del fascio elettronico alla sua parte centrale.

31 Traiettoria del fascio
Il sistema ottico di un SEM può essere schematizzato come costituito da tre lenti: due condensatrici ed una obiettivo, tra esse è posto un diaframma che controlla l’apertura finale.

32 Le bobine di deflessione
Permettono di effettuare una scansione del fascio lungo un area del campione Una coppia di bobine deflette il fascio lungo l’asse X, una seconda coppia lungo l’asse y È sincronizzato con il pennello di un tubo a raggi catodici (CRT) che fornisce l’immagine finale

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34 Le bobine di deflessione

35 La camera porta campioni

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38 Definizioni importanti: Risoluzione
Risoluzione: la distanza minima tra 2 oggetti per la quale i due oggetti appaiono distinti In Ottica dipende non solo dalle lenti ma anche dalla lunghezza d’onda della sorgente luminosa. In microscopia ottica il limite di risoluzione è 200nm per via della lunghezza d’onda della luce visibile che varia tra 0.4m e 0.7m

39 Risoluzione nel SEM In microscopia a scansione “la fonte di illuminazione” è data dagli elettroni e la risoluzione dipende da molteplici fattori legati all’area di generazione del segnale: Intensità e larghezza del fascio primario Aberrazioni delle lenti elettroniche Tipologia del segnale generato Composizione del campione che si studia

40 Risoluzione (2)

41 Risoluzione Spot-size stretto Spot-size largo

42 Il giusto compromesso Spot size piccolo Minor rapporto segnale rumore
Maggior risoluzione Minore numero di elettroni generati Immagini rumorose: necessità di filtrarle

43 Le aberrazioni Aberrazione sferica
Elettroni che si muovono a diversa distanza dall’asse vengono focalizzati in punti diversi Aberrazione cromatica Elettroni con diversa energia vengono focalizzati in punti diversi

44 Astigmatismo Varie imperfezioni (irregolarità di lavorazione nell’avvolgimento delle bobine, disomogeneità nei materiali, contaminazioni) inducono delle asimmetrie nei campi delle lenti. Tuttavia lo strumento e’ dotato di un sistema di bobine di compensazione che consentono di minimizzare tale aberrazione.

45 Definizioni importanti: Profondità di campo
Profondità di campo: Intervallo, misurato lungo l’asse ottico (asse z nel microscopio), entro il quale si può spostare il campione senza che la sua immagine appaia fuori fuoco Dipende dalla apertura angolare delle lenti obbiettivo. Come vedremo, la profondità di campo al SEM è circa 100 volte superiore rispetto al microscopio ottico a parità di ingrandimento

46 La divergenza del fascio provoca un allargamento del suo diametro sopra e sotto il punto di fuoco ottimale. In prima approssimazione, a una distanza D/2 dal punto di fuoco il diametro del fascio aumenta di Δr ≈αD/2. E’ possibile intervenire sulla profondità di campo aumentando la distanza di lavoro e diminuendo il diametro dell’apertura finale

47 Profondità di campo

48 Minore e’ l’apertura della lente obiettivo e maggiore e’ la distanza di lavoro WD, maggiore e’ la profondità di fuoco.