Taramalı Elektron Mikroskobu

Bu sunum

Gazi Fen Bilimleri Enstitüsü, İleri Teknolojiler ABD öğrencisi

Doğan Yılmaz tarafından

Prof.Dr. İbrahim USLU danışmanlığında

hazırlanmıştır

Nisan-2013

Giriş

• Taramalı elektron miksopkobisi, bir elektrondemetinin ilgilenilen örnek boyunca taranması ve buörnekten saçılan elektronların algılanıp görüntühaline getirilmesi şeklinde uygulanan topografik birinceleme yöntemidir.

• Elektron demetinin nm boyutunda odaklamakmümkün olduğundan, bu yöntemin sağladığıçözünürlük ve detay çok yüksektir.

Tarihsel gelişimi• 1931 Von Borris ve Ruska TEM i icat edildi.

• 1935 Max Knoll ilk SEM’i üretti (Berlin)

• 1965 ilk ticari SEM üretildi. (Cambridge Scientific Instruments)

• Çözünürlük (1965) : 50 nm

• Yüksek enerjili elektron demetinde rekor (0.4 nm @ 30 kV) Hitachi S-5500

• Düşük enerjili elektron demetinde rekor (0.9 nm @ 1 kV ) FEI company

SEM (1940)

SEM 2010

Avantajlar-Dezavantajlar

• Avantajları;

Çözme Gücü

Çözme Derinliği

Büyütme

• Dezavantajları;

Vakum

İletken numune

Fiyatı ve sarf malzeme masrafları

Avantajlar-Dezavantajlar

Kullanım Yerleri

• Topografi

• Morfoloji

• Şekil, Boyut, vs.

• Kimyasal analiz

• Sıvı özellik taşımayan her türlü iletken malzeme

Mikroskobun çalışma prensibi

• Elektron tabancası

• Saptırma bobinleri

• EM Lensler

• Aperture

• Örnek tutucu

• Dedektörler

• Vakum chamber

Mikroskobun çalışma prensibi

Vakum sistemi

• Mekanik pompa

102 – 10−3 Pa

• Turbo moleküler pompa

10−2 – 10−8 Pa

Vakum niçin önemli?

• Elektron yayan yüzeylerin koroze olmaması için

• Elektronların ortamda bulunan mokeküllerle az etkileşmesi için

Elektron tabancaları

• Örnek üzerine yoğunlaştıracak kadar elektron üreten kaynaklardır.

• 3 çeşit elektron tabancası vardır.

Tungsten

Lanthanum hexaboride (LaB6)

Field emission electron tabancaları

• Filament, elektrik akımı verilerek ısıtılır. Bu sayedeyeterli enerjiye sahip elektronlar filamentin ucundabirikerek bir elekron bulutu oluşturur.

• Filamentin yanına bir pozitif yüklü bir plaka (Anot)yerleştirilirse, elektronlar bu anotun çekimi etkisialtında kalır.

Tungsten Tabanca• Bu kaynakta yayınım yüzeyinin çok küçük olması için

120 um tungten tel ince uç biçimi verecek şekildebükülmüştür. İçinden geçen akımla filament ısınır.

• 2700 C ye kadar ısınır.

• 50-150 saat ömrü vardır.

• Ucuzdur.

• 10−3 Pa çalışma vakumuna ihtiyaç duyar

Lanthanum Hexaboride (LaB6) Tabanca

• LaB6 elektron tabancası kristal haldeki LaB6 nınTungsten veya Rhenium üzerine oturtulması ileoluşturulmuştur. Voltaj uygulandığında kristal ısınırve elektron yaymaya başlar.

• Düşük sıcaklıklarda çalışır.

• Yüksek akımları kaldıracak kadar dayanıklıdır.

FEG Tabanca• FEG tabanca tungsten-zirconium uca sahiptir

• En iyi çözme gücüne ve performansa sahiptir.

• Yüksek vakumda ve yüksek manyetik alan etkisiyleelektronlar telden çekilir. Bu tabancada ısıtma yoktur.

• Çözünürlüğü tungsten elektrodun 1/10 u ve LaB6 nın1/5 i kadardır.

• Ömrü Tungsten filamantınkinden 1000 kat dahafazladır.

Elektron tabancaları

Elektron Optiği - 1

Elektron Optiği - 2

Elektron Optiği - 3

Elektron-örnek etkileşimi

Elektron-örnek etkileşimi• Filamentten elde edilen elektronlar örnek ile çarpışması

sonucu iki çeşit sinyal oluşur.

Elektron sinyalleri ve Foton sinyalleri

Elektron-örnek etkileşimi

Elektron-örnek etkileşimi

Gerisaçılan elektronlar

• Gerisaçılan elektronlar, gelen elektronlar ileincelenen örnekteki atomların çekirdekleriarasındaki elastik çarpışmalardan dolayıoluşur.

• Örnekteki atomların atom numarası ne kadarbüyük olursa o kadar çok sayıda geri saçılanelektron elde edilir.

• Elastik çarpışmada gelen elektronların enerjikaybı çok küçüktür. (<1eV)

İkincil elektronlar

• Bu elektronlar, gelen elektonlar ile iletkenlikbandındaki zayıf bağlı elektronlar veya valanselektronları arasındaki elastik olmayan çarpışmadandolayı meydana gelir.

• Böylece incelenen örnekten elektron koparılmış olur.

İkincil elektronlar

• İkincil elektronlar düşük enerjili elektronlardır.

• Detektöre 100-300 V arasında bir pozitif voltajuygulanması ile kolaylıkla toplanabilirler.

• Bu yolla ikincil elektronların %50-100 arasındaki kısmıtoplanabilmektedir.

• Böylece incelenen bölgenin 3 boyutlu görüntüsü eldeedilmiş olur.

İkincil elektron dedektörü

Side Mounted In-Lens

İkincil elektron dedektörü

Side Mounted In-Lens

Dedektörler

Dedektörler

Büyütme Oranı

• Taranan alanın boyutu küçültülürse büyütme oranıartar.

SEM + EDS

• Örneğin yüzeyine yüksek enerjilielektronlar çarptığında bu çarpışmalardandolayı, örnek yüzeyinde bazı elektronlarkopar.

• Eğer bu elektronlar içteki (çekirdeğe yakın)orbitallerden koparılmışlarsa atomlarkararlıklarını kaybederler. Tekrar kararlıhale gelebilmek için dış orbitalerdekielektronlar iç orbitaldeki boşluklarıdoldururlar.

• Dış orbitallerdeki elektronların enerjileri içorbitallerdeki elektronların enerjilerinden dahayüksek olduğu için, dış orbital elektronların içorbitalleri doldururken belli bir miktar enerjikaybetmek zorundadır.

• Bu kaybedilen enerji x-ışını şeklide ortaya çıkar.

• Energy Dispersive Spektrometry

SEM + EDS

SEM + EDS

• Ortaya çıkan X-ışınlarının enerjisi ve dalgaboyusadece atomla ilgili olmayıp o atomun alışverişdebulunan orbitalleri ile ilgili karakteristik bir özelliktir.

SEM + EDS

• Orbitaller arasındaki elektron geçişi ve oluşan X-ışınlarının isimlendirlmesi.

SEM + EDS

• Örnekten çıkan x-ışınları yarıiletken dedektörtarafından algılanır.

• İletkenlik bandına geçen elektronlar, elektrik sinyalinedönüştürülür.

SEM + EDS

• Örnek içerisindeki elementlerinyüzdeleri, elementlerin piklerinin altındaki alanlarlaorantılıdır.

SEM + EDS

• Elektron demeti litografisi, nanoteknolojiaraştırmalarında yaygın olarak kullanılan ve ilerinanolitografi yetenekleri sağlayan bir tekniktir.

• Bilgisayar kontrollü

• Maskeye ihtiyaç yok

• Yüksek çözünürlük (10 nm)

• Işık kullanan litografik sistemlere göre pahalı ve dahayavaş

SEM + EBL

SEM+ Desen işleyici + Lazer interferometre

Resist SEM

Transistör

UV dedektör -1

UV dedektör - 2

KUANTUM LAZER

Transistör