cahier des laboratoires de microscopie à balayage

CAHIER DE LABORATOIRE
TECHNIQUES DE CARACTÉRISATION
DES MATÉRIAUX
GCH 740
Pierre Magny
François Gitzhofer
Janvier 2000
TABLE DES MATIÈRES
Chapitre 1:
MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE À BALAYAGE JEOL JSM-840A
1) Description de l'appareil .......................................................................................................... 1
1.1) Console mécanique ....................................................................................................... 1
1.2) Console électronique ..................................................................................................... 1
2) Éléments de la console mécanique........................................................................................... 1
2.1) Éléments qui composent la colonne .............................................................................. 1
2.1.1) Canon à électrons ............................................................................................. 1
2.1.2) Les bobines d'alignement du canon ................................................................. 1
2.1.3) Les lentilles électroniques................................................................................ 2
2.1.4) Le diaphragme objectif .................................................................................... 2
2.1.5) Les bobines de balayage................................................................................... 2
2.1.6) Les stigmateurs ................................................................................................ 2
2.2) La chambre pour l'échantillon ....................................................................................... 2
2.3) Système de pompage ..................................................................................................... 3
3) Éléments de la console électronique ........................................................................................ 4
3.1) Tubes à rayon cathodique (CRT) .................................................................................. 4
3.1.1) Tube pour observation de l'image .................................................................... 4
3.1.2) Tube pour photographie ................................................................................... 4
3.2) Modes de balayage ........................................................................................................ 4
3.3) Vitesses de balayage...................................................................................................... 4
3.4) Grossissement................................................................................................................ 4
3.5) Détecteur d'électrons secondaires.................................................................................. 4
3.6) Détecteur d'électrons rétrodiffusés ................................................................................ 4
3.7) Focalisation ................................................................................................................... 4
3.8) Courant de sonde (Probe current).................................................................................. 4
3.9) Voltage d'accélération - filament................................................................................... 5
Chapitre 2:
UTILISATION DU
JEOL JSM-840A
MICROSCOPE
ÉLECTRONIQUE
À
BALAYAGE
1) Opération du M.E.B.: JEOL JSM-840A................................................................................. 8
1.1)
1.2)
1.3)
1.4)
1.5)
1.6)
1.7)
1.8)
1.9)
Chapitre 3:
Obtention d'une image en électrons secondaires ........................................................... 8
Saturation du filament ................................................................................................... 8
Alignement du canon à électrons .................................................................................. 9
Diaphragme objectif .................................................................................................... 10
Centrage du diaphragme objectif ................................................................................ 11
Obtention d'une image en électrons rétrodiffusés (BEI) ............................................. 11
Photographie................................................................................................................ 12
Changement de l'échantillon ....................................................................................... 14
Fin des opérations........................................................................................................ 14
OPÉRATION DU SYSTÈME D'ANALYSE ÉLÉMENTAIRE LINK AN 10/85S
- ANALYSEUR D'IMAGES
1) Opération du système LINK AN 10/85S ............................................................................... 16
1.1) Analyse élémentaire + imagerie .................................................................................. 16
1.2) Mise en marche du système......................................................................................... 16
1.3) Formater la disquette................................................................................................... 17
1.4) Obtention d'un spectre................................................................................................. 17
1.5) Identification des pics.................................................................................................. 18
1.6) Pics par défaut dans le spectre..................................................................................... 18
1.7) Donner un nom au spectre........................................................................................... 19
1.8) Sauvegarder le spectre................................................................................................. 19
1.9) Imprimer le spectre...................................................................................................... 19
1.10) Arrêt du système.......................................................................................................... 19
1.11) Cartographie des éléments (Digital mapping)............................................................. 20
1.12) Introduction à l'analyse d'images (Digipad) ................................................................ 21
1.13) Analyse semi-quantitative ........................................................................................... 22
Chapitre 4:
TECHNIQUES DE MÉTALLISATION POUR LA MICROSCOPIE
ÉLECTRONIQUE À BALAYAGE ET LA MICROANALYSE ÉLÉMENTAIRE
1) Introduction............................................................................................................................ 24
2)
3)
4)
5)
6)
Pourquoi nous avons besoin de métalliser les échantillons? ................................................. 24
Les différentes façons d'appliquer la métallisation ................................................................ 25
Recouvrement pour les études analytiques ............................................................................ 27
Principe de pulvérisation cathodique ..................................................................................... 27
Opération de l'appareil à pulvérisation cathodique "ANATECH HUMMER VI"................. 30
Chapitre 5:
PRÉPARATION DES MEMBRANES-SUPPORTS ET PRÉPARATION DES
POUDRES ULTRA-FINES POUR LA MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUE À
TRANSMISSION
1) Membranes-supports.............................................................................................................. 32
2) Préparation de poudres (particules) ultra-fines pour l'observation en M.E.T. ....................... 38
Annexe 1:
RÉSUMÉ DES ÉTAPES POUR LA PRÉPARATION DES ÉCHANTILLONS
POUR LA MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUE À BALAYAGE
CHAPITRE 1
MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE À
BALAYAGE JEOL JSM-840A
1
1) DESCRIPTION DE L'APPAREIL
C'est un instrument analogique dont le modèle date du début des années 1980.
1.1) Console mécanique
*
*
*
Colonne (canon, lentilles, bobines de balayage et stigmateur).
Chambre pour l'échantillon et les détecteurs.
Système de pompage.
1.2) Console électronique
On y retrouve les tubes à rayon cathodique et les différents boutons pour produire et
manipuler l'image.
(Vitesse et mode de balayage, contraste et luminosité, focalisation, diamètre du faisceau
et sélection du voltage)
2) ÉLÉMENTS DE LA CONSOLE MÉCANIQUE
2.1) Éléments qui composent la colonne
2.1.1) Canon à électrons
*
*
*
*
Filament (W ou LaB6), durée de vie qui varie entre 30 et 100 hres pour le
W et environ 1000 hres pour LaB6.
Cylindre de whenelt (électrode de polarisation) pour contrôler la quantité
d'électrons émis par le filament.
L'anode pour accélérer les électrons, la tension d'accélération peut varier
de 200 volts à 40 Kv.
Le diamètre du faisceau au "cross-over" (d0) varie de 30µ à 100µ pour le
filament de tungsten et de 5µ à 50µ pour le LaB6.
Notes importantes sur la source LaB6
1° Cette source réagit beaucoup avec l'environnement dans lequel il se trouve, donc le
vide nécessaire pour utiliser cette source d'électrons devra être inférieur à 10-7 Torr.
2° La meilleure condition d'opération est juste un peu en dessous du deuxième pic de
saturation. A une température inférieure à 1670°K, il n'y a aucune évaporation,
donc on peut laisser le filament désaturé lorsque celui-ci n'est pas utilisé.
3° Après une mise à la pression atmosphérique du canon ou lors d'un premier
chauffage, celui-ci doit être augmenté très lentement.
2.1.2) Les bobines d'alignement du canon
2
*
*
Inclinaison X et Y.
Déplacement X et Y pour remettre le faisceau dans l'axe.
2.1.3) Les lentilles électroniques
*
*
Les condenseurs 1 et 2 servent à réduire la taille de la source
(~ 50µ à < 10µ). Si le courant dans ces lentilles augmente, on a une
réduction de la taille du faisceau et donc une réduction du courant de
faisceau (Ib).
L'objectif.
Contrôle la focalisation de l'image en contrôlant le
déplacement du point de rencontre (cross over) des électrons le long de
l'axe optique (Z) de la colonne sur la surface de l'échantillon. Cette lentille
est refroidie par eau à cause du courant I élevé dans cette lentille.
2.1.4) Le diaphragme objectif
*
*
*
*
*
*
*
Situé entre les lentilles condensatrices et la lentille objectif, c.a.d. dans le
plan virtuel de la lentille. Moins sensible à la contamination.
Limite la divergence du faisceau d'électrons à la surface de l'échantillon.
Donne un diamètre de faisceau minimum.
Contrôle les aberrations.
Contrôle le courant Ib frappant l'échantillon (léger effet).
Choisir celui qui donne une résolution optimum et une image de qualité
(dépend du type de matériau et/ou de d'autres conditions).
70µ convient pour un vaste éventail d'applications (imagerie et rayons-X).
2.1.5) Les bobines de balayage
*
*
*
Servent à faire balayer le faisceau électronique sur la surface de
l'échantillon en synchronisation parfaite avec le faisceau du tube à rayon
cathodique de la console électronique.
Servent à déterminer le grossissement.
Calcul du grossissement "M"
surface balayée sur TRC
M =
surface balayée sur échantillon
10 cm
ex.:
= M = 1000X
0.01 cm (100µ)
2.1.6) Les stigmateurs
*
*
Servent à remettre cylindrique le faisceau électronique. Procède à la
correction de l'astigmatisme.
L'astigmatisme est causé par le machinage non parfait des pièces polaires
et est dû aussi à l'irrégularité de l'échantillon.
3
2.2) La chambre pour l'échantillon
*
*
*
*
*
On y place l'échantillon.
On y retrouve la platine et les différents manipulateurs pour déplacer
l'échantillon dans tous les axes (X, Y, Z, inclinaison et rotation).
On y place les différents détecteurs (secondaire, rétrodiffusé et rayon-X (si
équipé)).
Détecteur d'électrons secondaires est du type "EVERHART-THORNLEY",
c.a.d. composé d'un scintillateur/photo-multiplicateur.
Détecteur d'électrons rétrodiffusés est du type diode à semi-conducteur (le plus
utilisé).
Possibilité d'utilisation en mode "COMPOSITION" et
"TOPOGRAPHIE".
2.3) Système de pompage
*
*
NOTE:
Rôle est de produire le vide nécessaire pour faire "voyager" les électrons dans
l'axe de la colonne du microscope.
Sert à produire le vide nécessaire dans la chambre de l'échantillon pour éviter
les arcs électriques qui seraient produits par le détecteur d'électrons secondaires
(10-12 kv), si celui-ci travaillait à la pression atmosphérique.
Relation entre la distance de travail et le diamètre du diaphragme objectif
- Distance de travail (WD)
(a)
(b)
(a)
(b)
WD longue
WD courte
→ diamètre faisceau large
→ diamètre faisceau petit
WD longue
WD courte
→ résolution moyenne
→ résolution augmente (élevée)
WD longue
WD courte
→ profondeur de champ grande
→ profondeur de champ faible
WD longue
WD courte
→ courant faisceau grand
→ courant faisceau faible
- Diaphragme objectif
(c)
(d)
diaph. grand
diaph. petit
→ diamètre faisceau grand
→ diamètre faisceau petit
diaph. grand
→ résolution moyenne
4
(c)
(d)
diaph. petit
→ résolution grande
diaph. grand
diaph. petit
→ profondeur de champ faible
→ profondeur de champ grande
diaph. grand
diaph. petit
→ courant faisceau grand
→ courant faisceau faible
3) ÉLÉMENTS DE LA CONSOLE ÉLECTRONIQUE
Le rôle de la console électronique est de manipuler toute l'information (signaux) provenant de
l'interaction électron-matière produit dans la chambre de l'échantillon.
3.1) Tubes à rayon cathodique (CRT)
3.1.1) Tube pour observation de l'image:
*
*
*
En électrons secondaires.
En électrons rétrodiffusés.
Certaines formes d'observations spécialisées.
3.1.2) Tube pour photographie
Tube pour l'enregistrement de l'image (photo). Tube à haute résolution.
3.2) Sélection des différents modes de balayage. Image ou ligne.
3.3) Sélection des différentes vitesses de balayage. Rapide ou lente.
3.4) Potentiomètre pour déterminer les différentes gammes de grossissement varie de 10X à
300,000X.
3.5) Les potentiomètres pour manipuler le détecteur d'électrons secondaires.
*
*
CONTRASTE (CONT) agit sur le tube photomultiplicateur (PMT).
LUMINOSITÉ (BRIGHTNESS) agit sur le collecteur.
3.6) Les potentiomètres pour manipuler le détecteur d'électrons rétrodiffusés
*
*
Mode "COMPOSITION" donne le contraste selon le nombre atomique de
l'échantillon.
Mode "TOPOGRAPHIE" accentue le relief de la surface de l'échantillon.
5
3.7) Les potentiomètres pour focaliser (FOCUS) le faisceau sur la surface de l'échantillon.
La lentille objectif contribue très peu à la réduction de la taille du faisceau. Le
diamètre final du faisceau est surtout ajusté par les condenseurs.
*
*
Diamètre de faisceau de 10nm à une distance de travail de 39mm (WD).
Diamètre de 4nm à 8 mm.
3.8) Les potentiomètres pour déterminer le courant de sonde Ip (ou le diamètre Id).
(PROBE CURRENT).
Note:
Lorsque les boutons "courant de sonde" (PROBE CURRENT) sont tournés sens
horaire (CW), le courant dans les lentilles condenseurs est augmenté, mais la
longueur focale est diminuée.
Résultats: Faisceau plus petit et meilleur résolution
mais
le faisceau diverge plus lorsqu'il quitte cette lentille et alors un plus petit pourcentage du
nombre total d'électrons passe dans l'ouverture objectif, moins d'électrons traversent la
lentille objectif et finalement moins d'électrons frappent l'échantillon. Alors moins
d'électrons secondaires sont produits et le signal en électrons secondaires est plus faible.
Le signal pourra être augmenté si un plus fort pourcentage d'électrons quittent les
condenseurs pour frapper l'échantillon. Le faisceau devra diverger moins, ce qui requiert une
plus grande longueur focale des condenseurs, laquelle est obtenue en réduisant le courant des
lentilles condenseurs, ceci en tournant le PROBE CURRENT dans le sens anti-horaire
(CCW).
RÉSUMÉ
do: diamètre du faisceau au point de rencontre (cross over) à la sortie du canon = ≈ 40 µm
* (10 nm → FEG)
* (10 µm → LaB6)
* (≈ 40 µm → W)
Condenseur + objectif
→
Diamètre du faisceau = 5 - 200 nm
3.9) Les boutons pour sélectionner le voltage d'accélération (ACCEL. VOLTAGE) et
effectuer le chauffage du filament.
*
Le voltage varie de 200 volts à 40 KV. Ajuster selon la nature de l'échantillon.
6
*
Le chauffage du filament détermine la température à laquelle le FILAMENT
émet le maximum d'électrons (point de saturation).
7
CHAPITRE 2
UTILISATION DU MICROSCOPE
ÉLECTRONIQUE À BALAYAGE
JEOL JSM-840A
8
JEOL JSM-840A
9
1) OPÉRATION DU M.E.B.: JEOL JSM-840A
NOTE: Appareil en STAND-BY (mise en attente).
Préparer l'échantillon selon les instructions.
Introduction de l'échantillon selon les instructions.
1.1)
Obtention d'une image en électrons secondaires
Sur DISPLAY MODE, tourner les boutons BRIGHT et CONT. jusqu'au repère (contrôle le
T.R.C.);
SCAN MODE en mode PIC (picture);
SCAN SPEED de la position SLOW 2 à la position SR (super rapid);
MAGNIFICATION de la position 300,000x à la position 10x (voir affichage digital);
Tourner le bouton BRIGHT de SE IMAGE jusqu'à vers 3 heures (luminosité du T.R.C.);
Vérifier que le bouton COARSE de FOCUS soit ajusté pour lecture digitale sur 39 mm (WD);
Vérifier que le bouton COARSE de PROBE CURRENT donne une lecture digitale de 3 x 10-9
amp.;
Bouton DETECTOR en position SEI (bas), PMT LINK en position ON, COLLECTOR en
position ON (haut);
Enfoncer bouton rouge ON de ACCELERATION VOLTAGE;
Sélectionner le kilovoltage désiré (selon les instructions);
1.2)
Saturation du filament
Méthode:
-Enfoncer sur SCAN MODE le bouton LSP (line scan profile);
-Tourner le bouton BRIGHT de DISPLAY MODE au maximum;
10
-
Ajuster la hauteur de la ligne (sur T.R.C.) avec BRIGHT du SE IMAGE (selon les
instructions);
-
Commencer à chauffer le filament avec bouton FILAMENT de ACCEL.
VOLTAGE;
IMPORTANT → :
1.3)
Suivre à la lettre les instructions pour la saturation du
filament.
-
Lorsque le filament est saturé, réduire BRIGHT de DISPLAY MODE au repère
indiqué;
-
Enfoncer PIC de SCAN MODE et ajuster CONT. et BRIGHT de SE IMAGE pour
une image de qualité.
Alignement du canon à électrons
Pour le canon à électrons utilisant un filament de tungsten: le centrage du canon à électrons est
essentiel pour obtenir la performance optimale du M.E.B.
N.B.: Si l'ajustement du canon à électrons n'est pas parfait, il est probable que nous n'ayons pas
assez de courant dans le faisceau pour produire des images acceptables.
Donc:
*
Procéder à l'alignement du canon avec:
GUN ALIGNEMENT: TILT et SHIFT
N.B.:
Vérifier à nouveau après 15-20 minutes de chauffage du filament.
Méthode: la plus simple
-
Après avoir saturé le filament, ajuster les boutons TILT et SHIFT de GUN
ALIGNMENT pour avoir le maximum des pics qui sont visibles sur le T.R.C.
lorsque vous êtes en LSP du SCAN MODE.(selon les instructions);
-
Après ajustement, retourner en position PIC de SCAN MODE;
-
Abaisser BRIGHT de DISPLAY MODE jusqu'au repère indiqué.
La meilleure méthode d'alignement
-
Bouton PROBE CURRENT ajusté à 1 x 10-9 amp.;
11
-
Trouver un détail intéressant sur la surface de l'échantillon et le centrer sur le
T.R.C.;
-
Ajuster le PROBE CURRENT (coarse) à 1 x 10-6 amp.;
-
Si le détail se déplace beaucoup, recentrer ce détail à l'aide de TILT et SHIFT;
-
En position WFM de DISPLAY MODE ajuster TILT jusqu'à l'obtention d'un
signal vidéo maximum;
-
Recommencer la procédure si nécessaire.
12
1.4)
-
Diaphragme objectif
Centrer selon les instructions.
1
2
3
4
170 µm 110 µm 70 µm 50 µm
Platine ou Molybdè
α
JSM-840A:
(39mmWD)
pos. 4
pos. 3
pos. 2
pos. 1
→
→
→
→
50µ
70µ
110µ
170µ
→ coeff 1
→ coeff 2
→ coeff 5
→ coeff 10
valeur affichée: approximatif
Ex.:
6 X 10-10 + coeff 5 (110µ)
5 X 6 X 10-10 ou 3 X 10-9 AMP
13
1.5)
Centrage du diaphragme objectif
Nécessaire si:
-
On observe un déplacement (mouvement) de l'image lorsqu'on focalise (focus)
(5,000x - 10,000x).
-
On change une ouverture pour une autre.
-
On change le courant de sonde (probe current).
-
On change le voltage d'accélération.
-
On change les boutons d'alignement du canon (tilt - shift).
-
On change la distance de travail (WD).
Méthode: centrage si nécessaire
-
Enfoncer bouton WOBB;
-
Tourner et ajuster AMPLITUDE pour amplifier le décentrage.
Ajuster
MAGNIFICATION à environ 1000 X (peut varier selon la morphologie de
l'échantillon);
-
Si déplacement important:
Ajuster les déplacements X et Y du mécanisme porte-diaphragme jusqu'à ce que le
déplacement soit minimum (selon les instructions);
1.6)
-
Réduire AMPLITUDE au minimum;
-
Enlever WOBB;
-
Procéder à l'examen de l'échantillon.
Obtention d'une image en électrons rétrodiffusés (bei)
2 types:
- image en composition (COMPO)
- image en topographie (TOPO)
Composition (COMPO)
14
-
Montre l'échantillon selon le contraste atomique lequel est fonction du nombre
atomique (Atomic Number Contrast).
Topographie (TOPO)
-
Montre l'apparence topographique de la surface de l'échantillon.
-
Détecteur est situé en dessous de la lentille objectif, i.e. au-dessus de l'échantillon.
Méthode: Pré-ajustement (ajustement préliminaire)
-
Ajuster SUPPRESS de BE IMAGE au minimum (but: abaisser la brillance de l'image
en E.R.D. en abaissant le niveau DC du signal vidéo au premier stade de son
amplification pour le protéger de la saturation dans les stades supérieurs).
-
Ajuster GAIN COARSE en position 4.
-
Ajuster GAIN FINE au minimum.
Note:
-
l'usage des boutons GAIN (coarse et fine), est pour ajuster le contraste de
l'image en BEI en variant le gain de l'amplificateur vidéo.
Ajuster BRIGHT (topo ou compo) au minimum
Note:
l'usage de ces boutons est pour ajuster la brillance de l'image en BEI en variant
le niveau DC du signal vidéo de sortie.
-
Sélectionner sur IMAGE SELECTOR la fonction TOPO ou COMPO (selon les
instructions).
-
Ajuster le signal désiré (topo, compo) sur le T.R.C. comme ceci:
-
Enfoncer WFM de DISPLAY MODE
-
Tourner BRIGHT de DISPLAY MODE au maximum
-
Ajuster entre les lignes le signal avec les boutons FINE GAIN et BRIGHT compo
ou topo (selon les instructions).
-
Améliorer la qualité de l'image en rétrodiffusée en jouant de nouveau avec FINE GAIN
et BRIGHT topo ou compo selon le cas.
-
Si qualité n'est pas excellente, ajuster PROBE CURRENT à environ 3 x 10-10 amp. et
aussi changer WD selon les instructions (ATTENTION).
15
1.7)
Photographie
PHOTO
Horizontal = 3
Vertical = 2
35 mm (33 pour polaroid)
PHOTO NUMBER: 0001 → (SET)
PROBE CURRENT: 6 x 10-11 amp
Mise au point de l'image (FOCUS)
-
PROBE CURRENT - STIGMATOR X-Y
FINE FOCUS - W.D. (selon les instructions)
Ajuster niveau de gris (grey level)
WFM (DISPLAY MODE)
BRIGHT (DISPLAY MODE) au maximum
Ajuster BRIGHT et CONT de SE IMAGE pour que la forme d'onde soit comme
ceci:
ce qui correspond au "LED":
-
contrast: 1er jaune
brightness: 1er vert
Enfoncer NORMAL de DISPLAY MODE
16
Réduire BRIGHT de DISPLAY MODE jusqu'au repère indiqué
Utiliser au besoin CHARACTER de DISPLAY MODE
Préparer film (T-MAX 100) et caméra)
Enfoncer PHOTO (après la prise de photo, l'image revient automatiquement sur le T.R.C.)
1.8)
Changement de l'échantillon
Remettre X, Y, Z, inclinaison, rotation à la position originale:
X = 25.0 mm
Y = 35.0 mm
Z = 39 mm
Tilt = 000
Rotation = 000
Abaisser le bouton FILAMENT de ACCEL. VOLTAGE au minimum.
Fermer (mettre off) le bouton DETECTOR.
Sortir le porte-échantillon selon les instructions.
1.9)
Fin des opérations
Remettre le M.E.B. en position de MISE EN ATTENTE (stand by) selon les instructions données
lors de la mise en opération de l'instrument.
17
CHAPITRE 3
OPÉRATION DU SYSTÈME
D'ANALYSE ÉLÉMENTAIRE
URSA DU SYSTÈME D'ACQUISITION QUARTZ PCI
DE l' ANALYSEUR D'IMAGES SIGMA SCAN PRO ver5.0
18
1)
OPÉRATION DU SYSTÈME D'ANALYSE ELEMENTAIRE
Contraintes pour l'analyse élémentaire et l'imagerie.
1.1)
Analyse élémentaire + imagerie
Rôle de l'optique électronique:
- Images en MEB:
-
Haute résolution:
demande un diamètre de faisceau très petit
-
Haut contraste:
demande un courant de faisceau élevé
-
Grande profondeur de champ:
(une des plus importantes
caractéristiques du MEB)
demande un angle d'ouverture de faisceau très petit
(α) (convergence)
- Microanalyse Rayons-X:
-
Sensibilité élémentaire:
demande un courant de faisceau élevé
-
Résolution spatiale:
demande un petit diamètre de faisceau et un KV
approprié
Ainsi, on voudrait maximiser le diamètre du faisceau et l'angle d'ouverture de ce faisceau,
et en même temps,
maximiser le courant de ce faisceau, tout ceci simultanément.
→
impossible
Alors, il faut contrôler le faisceau électronique pour chacune des tâches, séparément.
→
c'est le rôle de l'optique électronique
19
1.2) Contraintes pour l’analyse élémentaire et l’imagerie
Rôle de l’optique électronique :
•
Image en MEB :
- Haute résolution : demande un diamètre très petit
- Haut contraste :
demande un courant de faisceau élevé
Grande profondeur de champ : demande un angle α d’ouverture de
faisceau très petit. Une des plus importantes caractéristiques du MEB.
•
Microanalyse rayons X :
- Sensibilité élémentaire : demande un courant de faisceau élevé
- Résolution spatiale :
demande un petit diamètre de faisceau
et un kilovoltage approprié
Ainsi, on voudrait maximiser le diamètre du faisceau et l’angle d’ouverture de ce faisceau, et en
même temps, maximiser le courant de ce faisceau, ceci simultanément :
⇒ IMPOSSIBLE
Alors, il faut contrôler le faisceau électronique pour chacune des tâches séparément :
⇒ C’est le rôle de l’optique électronique
20
1.3)
Analyse semi-quantitative
Après avoir identifié les éléments présents dans un échantillon, il serait peut-être intéressant de
connaître, approximativement, dans quelle proportion ces éléments sont présents, c'est à dire,
"quantifier" ces éléments.
Si on désire calculer "exactement" la concentration de chacun des éléments contenus dans le
spectre, on parle alors d'analyse "quantitative". Une approximation grossière est appelée analyse
"semi-quantitative".
Généralement dans une analyse "semi-quantitative", nous sommes plus intéressés à discerner les
différences qui existent entre un groupe de spectres au lieu de trouver la quantité absolue
d'éléments présents dans le matériel. La méthode d'analyse semi-quantitative la plus commune
consiste à trouver le nombre de comptes dans chaque pic dans le spectre, (surface des pics), et
ensuite effectuer le rapport des données (ou nombres).
La surface du pic est trouvé en dessinant une "fenêtre" (window) sur le pic qui nous intéresse. La
surface couverte par la "fenêtre" contient les rayons-X caractéristiques et le "continuum".
Seulement les rayons-X caractéristiques donnent une information sur la quantité de l'élément
spécifique dans l'échantillon. Comme c'est seulement les comptes caractéristiques qui nous
intéressent, différentes méthodes sont utilisées pour soustraire la contribution du bruit de fond.
Les nombres générés par une analyse semi-quantitative ne sont pas nécessairement près de la
vraie composition. En fait, la précision d'une telle analyse est difficile à définir, parce que les
surfaces des pics ne dépendent pas seulement de la composition de l'échantillon. On doit aussi
tenir compte des paramètres suivants:
-
efficacité de génération des R-X
efficacité du détecteur
voltage utilisé
effets de matrice
21
CHAPITRE 4
TECHNIQUES DE MÉTALLISATION POUR
LA MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUE
À BALAYAGE ET LA
MICROANALYSE ÉLÉMENTAIRE
22
1) INTRODUCTION
1.1) Ce document vous fournira une base théorique et pratique sur les procédures utilisées
pour appliquer une mince couche conductrice à la surface des matériaux nonconducteurs qui seront examinés et analysés avec des instruments utilisant un faisceau
d'électrons de haute énergie, comme un microscope électronique à balayage et un
microanalyseur de rayons-X (microsonde électronique). Nous discuterons brièvement
des procédures utilisées pour la MÉTALLISATION des échantillons en microscopie
électronique à transmission, comme l'ombrage rotatif à faible angle et à angle élevé et le
recouvrement directionnel.
Nous considérerons 2 types principaux d'échantillons:
1.1.1) Les matériaux non-conducteurs comme les plastiques, polymères, fibres,
céramiques et les roches, etc.
1.1.2) Pratiquement tous les échantillons biologiques.
1.2) Que veut-on dire par une couche de recouvrement:
1.2.1) Les feuilles minces sont généralement trop épaisses, c.a.d., plus que 1µ
d'épaisseur.
1.2.2) Nous devons utiliser les films minces entre 1-100nm d'épaisseur.
2) POURQUOI NOUS AVONS BESOIN DE MÉTALLISER LES ÉCHANTILLONS?
2.1) Pour augmenter la conductivité électrique des surfaces.
La plupart des matériaux dits biologiques et plusieurs échantillons organiques ont une
résistance de 1010ohm.m-2. Les échantillons non-recouverts produiront des effets de
"charge".
2.1.1) Les échantillons se chargent lorsqu'ils acquièrent un haut potentiel quand ils
sont balayés par un faisceau d'électrons. L'échantillon chargé a:
*
*
*
*
une illumination non-uniforme
les électrons secondaires sont déviés
produit une déviation du faisceau primaire
produit une émission localisée plus intense
2.1.2) L'image produite par un échantillon possédant des charges électriques est
dégradée à cause de:
* l'astigmatisme
23
* l'existence des effets de bords et de la non uniformité des images
* un déplacement de l'image
* un déplacement de la ligne de balayage
2.1.3) On peut contourner ces problèmes par les procédures suivantes:
* réduire le kilovoltage
* utiliser les électrons rétrodiffusés au lieu des électrons secondaires
* augmenter la conductivité de l'échantillon
2.1.4) Une augmentation excessive de la température de l'échantillon produira:
*
*
*
*
*
craques, trous, boursouflements, etc.
une perte de matériel organique
une re-déposition du matériel organique sous forme de contamination
une perte d'éléments spécifiques
une fusion et une vaporisation de l'échantillon
2.2) La conductivité électrique et thermique est la principale raison du "recouvrement" de
l'échantillon à l'aide d'un film conducteur.
2.3) On doit faire attention que le recouvrement n'interfère pas avec les propriétés de
l'échantillon que l'on veut analyser. Comme par exemple:
*
*
*
*
masquer ou réduire le signal des électrons rétrodiffusés
masquer ou réduire le signal produit par les rayons-X
peut réduire la possibilité d'études subséquentes d'être effectuées
peut interférer avec les propriétés électriques, ex. les semi-conducteurs
2.4) Si nous devons absolument éviter le "recouvrement", nous pouvons apporter certains
changements à l'instrumental:
*
*
*
*
réduire le kilovoltage et le courant de faisceau
utiliser une source de plus grande "brillance" (LaB6 ou émission de champ)
irradier avec des rayons-X
bombarder l'échantillon avec de l'argon
2.5) Nous pouvons aussi apporter quelques changements à l'échantillon:
*
*
*
augmenter la conductivité grossière (globale) de l'échantillon
l'utilisation de produits antistatiques sous forme de pulvérisateur est bon
seulement à faible grossissement (attention à la contamination de l'instrument)
imprégnation aux vapeurs d'osmium/thiocarbohydrazide (O-T)
24
*
déposer l'échantillon et l'entourer avec de la peinture ou une pâte conductrice
3) LES DIFFÉRENTES FAÇONS D'APPLIQUER LA MÉTALLISATION
3.1) Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour rendre conducteur un échantillon. Ce
sont les méthodes d'évaporation sous vide qui sont les plus utilisées, parce qu'elles
produisent les métallisations de meilleure qualité
*
*
*
évaporation sous haut vide
recouvrement par pulvérisation cathodique
méthodes spécialisées et empruntées à d'autres domaines (méthodes chimique par
exemple)
3.2) Évaporation sous haut vide.
3.2.1) La plupart des métaux, lorsqu'ils sont chauffés sous vide, commenceront à
s'évaporer lorsque leur "température" atteindra le point à laquelle leur pression
de vapeur dépassera 10-2 Torr.
3.2.2) Ces "températures" sont réalisées par:
*
*
*
chauffage par effet de résistance dans un récipient réfractaire
arc électrique - principalement utilisé pour le carbone
faisceau électronique - principalement utilisé pour les métaux réfractaires
3.3) Pulvérisation cathodique.
C'est une façon relativement simple et populaire d'appliquer une couche de
recouvrement avec la plupart des métaux et leurs alliages sur des substrats nonconducteurs.
3.3.1) La pulvérisation cathodique est influencée par plusieurs facteurs.
*
*
*
on obtient un taux de pulvérisation élevé avec des atomes ayant un Z
(nombre atomique) élevé
on obtient un taux de pulvérisation élevé avec un plasma ayant une énergie
élevée
on a plus de problèmes thermiques avec un taux de pulvérisation élevé
3.3.2) Différentes façons d'appliquer un recouvrement par pulvérisation cathodique.
*
*
recouvrement par un système utilisant un triode (n'est plus utilisé)
recouvrement par un faisceau ionique
25
*
le recouvrement par un système de diode est le plus utilisé dans un
laboratoire de microscopie électronique. Le meilleur système est celui qui
produit une pulvérisation froide (cool sputter coater). C'est le système qui
est le moins dommageable pour les échantillons.
3.3.3) Les matériaux de choix pour la pulvérisation cathodique.
*
*
*
*
*
l'alliage or-palladium est supérieur à l'or pour la microscopie électronique à
balayage de routine
le platine est le meilleur lorsqu'on désire une résolution variant de
moyenne à élevée
on peut utiliser les matériaux réfractaires pour la haute résolution
l'aluminium et le chrome
le système utilisant la diode n'est pas utilisé pour pulvériser le carbone
3.4) Méthodes spécialisées
Information disponible sur demande.
4) LE RECOUVREMENT POUR LES ÉTUDES ANALYTIQUES
Les procédures et les attentes sont les mêmes que celles utilisées pour des études structurales.
Cependant nous devons faire attention au choix du matériel (cible) utilisé pour le
recouvrement.
4.1) Précautions à prendre pour le recouvrement pour des études analytiques.
4.1.1) La couche de recouvrement ne doit pas contribuer au spectre. Prendre en
considération les lignes KLM du matériel à évaporer et celles de l'échantillon.
4.1.2) La couche de recouvrement ne doit pas masquer les photons de R-X émis.
4.1.3) La couche de recouvrement ne doit pas atténuer les électrons qui entrent.
4.1.4) En réalité, il y a seulement 4 matériaux qui peuvent être utilisés.
*
*
*
*
le carbone, facile à appliquer, raisonnablement conducteur. Peut causer
des dommages thermiques.
béryllium, le meilleur dont les effets sur le spectre sont minimes. Possède
de bonnes propriétés conductrices. TRÈS TOXIQUE et doit être utilisé
avec beaucoup d'attentions avec des évaporateurs spéciaux.
aluminium, facile à appliquer mais produit un effet de chevauchement
avec le sodium et le phosphore.
chrome, c'est le deuxième supérieur au béryllium pour le matériel
biologique. Si on l'utilise, faire des corrections pour l'absorption avec les
éléments légers.
26
5) PRINCIPE DE PULVÉRISATION CATHODIQUE (Voir schéma)
L'appareil à pulvérisation cathodique est composé d'une chambre à vide de verre reliée à une
pompe à vide préliminaire rotative. Dans la chambre à vide se trouve une cathode (Or,
Or/Palladium, Argent, Platine, Cuivre, etc.), un aimant permanent et une anode. L'échantillon est
déposé sur l'anode. La chambre est reliée à un cylindre d'Argon de très haute pureté (99.99%).
Après avoir fait le vide préliminaire dans la chambre, une pression minimum d'au moins 50 à 80
millitorr doit être obtenue, l'Argon est introduit dans la chambre à l'aide d'une valve
micrométrique, puis refermée. Cette étape est répétée plusieurs fois. On procède ainsi à une
purge de la chambre qui a pour but d'enlever les gaz indésirables, particulièrement la vapeur
d'eau. Après avoir procédé à plusieurs purges, le gaz dans la chambre doit être, dans la mesure
du possible, que de l'Argon pur. Une pression de travail comprise entre 0.05 et 0.1 mbar est
établie dans la chambre et le procédé de pulvérisation peut débuter.
Pour mettre en marche le procédé de pulvérisation, un haut voltage est appliqué à la cathode (ou
cible). Un champ électrique de haut voltage est établi entre la cathode et la table de l'échantillon
(ou l'anode). Les électrons libres contenus dans le champ sont alors pris dans une spirale
provoquée par le système d'aimant et entrent en collision avec les atomes d'Argon contenus dans
le champ. Chaque collision éjecte, de sa couche, un électron contenu sur la couche externe d'un
atome d'Argon. L'atome d'Argon est ionisé positivement. Ce procédé en cascade produit une
décharge ionisante (plasma).
Les ions d'Argon chargés positivement sont alors accélérés vers la cathode (cible) et arrachent les
atomes du métal (Au etc.). Des collisions se produisent aussi entre les atomes du métal alors
libérés et les autres molécules de gaz contenues dans la chambre à vide. Les atomes du métal
sont alors dispersés largement et forment un nuage diffus. Les atomes de ce nuage frappent
l'échantillon dans toutes les directions et se condensent uniformément sur celui-ci. Alors même
les surfaces d'échantillons très fissurées sont recouvertes d'un film métallique uniforme.
L'échantillon est alors suffisamment conducteurs électriquement pour être examiné au
microscope électronique à balayage.
A cause de la grande surface de diffusion de leurs atomes, l'Or et l'Argent tendent à former des
"îlots". Alors la conductivité électrique désirée n'est pas obtenue à moins que le film aie une
épaisseur d'au moins 10 nm. Le Platine produit des films ayant la granularité la plus fine.
La fine structure granulaire du film pulvérisé dépend du matériel de la cible, de la distance entre
la cathode et l'anode (ou l'échantillon), de la pression de gaz, du courant de décharge et de la
durée du procédé.
Pour une application pratique, les paramètres pour la pulvérisation doivent être choisis en
fonction de la capacité des échantillons à supporter la charge de chaleur que le procédé peut
imposer. Les échantillons sensibles à la chaleur, comme les échantillons biologiques et certains
plastiques (mousses), devront être "métallisés" avec une distance échantillons/cathode (cible)
plus grande et un courant de pulvérisation le plus faible possible. On devra alors augmenter le
temps de procédé pour obtenir une épaisseur de film désirée.
27
Les microscopes électroniques modernes ont un pouvoir de résolution extrêmement élevé qui
requiert des films ayant une granularité extrêmement fine. Ces films peuvent être obtenus par
une sélection très précise des paramètres de pulvérisation en recouvrant les échantillons avec un
film très mince de Carbone, suivi ou non, d'un mince film métallique.
Si on renverse la polarité de la source de voltage, la table de l'échantillon (ou anode) est alors
portée à un haut voltage, provoquant ainsi "l'arrachement" du matériel de la surface de
l'échantillon, on peut procéder ainsi à un nettoyage de la surface de l'échantillon lequel peut être
alors "métallisé" par la suite.
28
6) OPÉRATION DE L'APPAREIL À PULVÉRISATION CATHODIQUE
(SPUTTERING SYSTEM) ANATECH HUMMER VI
Déposer l'échantillon sur le plateau (ANODE) dans la chambre.
Vérifier joint torique et refermer doucement le couvercle.
Fermer la valve d'entrée d'argon sur le côté droit de la chambre.
(Ne jamais forcer cette valve)
Mettre l'interrupteur POWER sur ON pour évacuer la chambre.
Attendre que la pression de vide sur le cadran atteigne 70-80 millitorr.
(prend environ 10-30 minutes selon les échantillons)
Lorsque le vide atteint 70-80 millitorr, ouvrir le cylindre d'argon et ajuster la pression du
détendeur à 10 PSI (échelle rouge).
Ouvrir la valve d'entrée à droite de la chambre et ajuster la pression à environ 200 millitorr,
attendre quelques secondes, et refermer cette valve (Purge).
(Recommencer cette étape 2 fois)
Lorsque la pression de vide indique de nouveau 70-80 millitorr, ouvrir lentement la valve
d'entrée de l'argon (de la chambre) et ajuster la pression à environ 110 millitorr.
Mettre l'interrupteur de HIGH VOLTAGE CONTROL sur ON.
Tourner le bouton VOLTAGE et ajuster le courant de décharge à 10 mA sur le cadran.
(maintenir à 10 mA)
Mettre la minuterie à 2:00 minutes et appuyer sur START.
Après 2 minutes, appuyer sur STOP de la minuterie et remettre le bouton VOLTAGE à la
position O.
Mettre l'interrupteur de HIGH VOLTAGE CONTROL sur OFF.
Mettre l'interrupteur de POWER sur OFF.
Fermer le cylindre d'argon.
Lorsque la pression atmosphérique est revenue dans la chambre, sortir l'échantillon.
29
CHAPITRE 5
PRÉPARATION DES MEMBRANES - SUPPORTS
ET PRÉPARATION DES POUDRES ULTRA-FINES
POUR LA MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUE À
TRANSMISSION
30
1) MEMBRANES - SUPPORTS
Propriétés:
1) transparent aux électrons
-
mince
substance de faible pouvoir de dispersion
2) stable sous faisceau
3) structure fine
2 types:
-
matières plastiques
évaporation carbone
Plastiques:
-
collodion (solution 2 à 3%)
formvar (solution 0.25 à 1%)
Butvar (solution 0.25 à 0.5%)
film de 10 à 20 nm
méthodes: -
Carbone:
-
lame de verre (Formvar)
- film surface eau (Collodion)
- mica
évaporation d'un film sur mica
évaporation sur plastiques
film de 2 à 10 nm
31
GRILLES
-
Treillis de 3.05 mm dia.
-
Matériaux:
-
Disponible en une grande variété de "MESH"
-
Cuivre
Nickel
Beryllium (Microanalyse Rayon-X)
Or
Cu/Rhodium
Plastique
etc.
50-75-100-150-200-300-400-600-1000
Ex.: 50 mesh convient très bien pour l'observation à faible grossissement
Ex.: 400 mesh pour l'observation à très fort grossissement.
-
Matières plastiques:
1°- collodion:
- matière plastique connue sous le nom de:
-
celloidin
pyroxyllin
nitrate de cellulose
solvant::
amyl acétate
solution:
2 à 3%
storage:
- bouteille brune
- se conserve plusieurs semaines
Méthode de fabrication du film:
-
goutte sur surface d'eau bis-distillée et filtrée
32
Usages:
convient très bien pour l'observation de petits échantillons qui ne
demandent pas à être observés à fort grossissement.
Inconvénients:
-
instable sous le faisceau électronique même après stabilisation
au carbone.
-
pour une certaine stabilité il est nécessaire de fabriquer un film
de 40 à 50 nm d'épaisseur.
2°- Formvar-Butvar:
- formvar: polyvinyl formate
- butvar: polyvinyl butylate
solvant:
- éthylène dichloride
- chloroform
solution: 0.25 à 1%
storage:
bouteille brune
Méthode de fabrication:
-
film sur lame de verre
Avantages d'utilisation:
-
plus résistant que le collodion
plus stable
peut être beaucoup plus mince que le collodion.
-
N.B.:
épaisseur:
10-20 nm
L'utilisation d'une membrane fait à partir de plastique demande que ce
plastique soit recouvert (stabilisé) avec une mince couche de carbone.
-
3°- Carbone:
épaisseur:
1 à 2 nm
33
- extrêmement stable
- convient pour la haute résolution
- peut être très mince
- 2 à 10 nm
Méthode de fabrication:
-
évaporation sur feuille de mica fraîchement clivé
-
évaporation sur plastique suivi de la dissolution du plastique
- évaporation à partir de carbone spectrographique (canon à
évaporation)
Inconvénients:
-
extrêmement fragile
convient seulement pour les grilles de 400 à 1000 mesh.
Usages:
-
observation de petites particules à très fort grossissement
-
convient pour diffraction électronique
-
-
aire sélectionnée
faisceau convergent
épaisseur:
1 à 2 nm
34
2) PRÉPARATION DE POUDRES (PARTICULES) ULTRA-FINES POUR
L'OBSERVATION EN M.E.T.
-
Directement déposer sur membrane-support
ou
-
Préparer une suspension:
N.B.:
-
0.05 gr de poudre dans un solvant:
-
goutte de 50 µ” est déposée sur la membrane-support et laisser sécher
-
Si on observe une agglomération des particules, utiliser un bain à ultrasons 3
MHz pendant quelques secondes.
-
On obtient un meilleur résultat si le film est hydrophile.
-
- alcool (éthanol) 100%
- acétone 100%
si carbone est hydrophobe:
-
rendre hydrophile en plaçant les grilles sous une lampe UV pendant
quelques heures
ou
-
traiter les grilles avec un agent mouillant.
35
ANNEXE 1
RÉSUMÉ DES ÉTAPES POUR LA
PRÉPARATION DES ÉCHANTILLONS
POUR LA MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUE
À BALAYAGE
36
MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUE À BALAYAGE (M.E.B.)
1) Porte-échantillons
-
peut varier selon le M.E.B.
-
JEOL: 2 types:
⇒
-
12.5 mm Dia.
32.5 mm Dia.
garder propre (dessicateur)
manipuler avec des gants
2) Supports pour échantillons
-
Laiton
Aluminium
Carbone
Résine, etc.
⇒ doivent être conducteurs
Important:
-
nettoyage à l'acétone ou alcool
manipuler avec gants (si possible)
⇓
pour éviter contamination échantillons
pour éviter contamination instrument
3) Échantillons
-
Hydratés (ex.: biologiques)
Non-hydratés (ex.: métaux, roches, etc.)
Hydratés:
Procéder à une fixation, déshydratation, séchage.
Non-hydratés: Si possible nettoyer avec un solvant, enlever la poussière avec jet d'air.
4) Fixation des échantillons sur supports
-
Gros échantillons:
-
vernis à ongle (sèche rapidement)
pâte d'argent (sèche lentement)
ruban gommé (scotch tape) double face
37
-
peinture d'argent
auto-collant
etc.
-
Échantillons pulvérulents (poudres):
-
Ruban gommé double face
lame de verre
dispersion par jet d'air
pastilles
-
5) Liens électriques (si nécessaire)
-
peinture d'argent
carbone colloïdal
6) Métallisation (si nécessaire)
-
But: Rendre conducteur l'échantillon (surface)
-
Matériaux:
-
-
or
or/palladium
carbone (analyse élémentaire)
aluminium
chrome (haute résolution)
platine-carbone
Méthodes d'évaporation:
-
pulvérisation cathodique
évaporation sous haut vide (la meilleure méthode)
7) Entreposage des échantillons
Dans un dessicateur avec drierite.