باریکه از الکترونهای خروجی از یک تفنگ الکترونی توسط سه عدسی الکترونی EL کانونی می شود. بین عدسی های دوم و سوم، باریکه به وسیله سیستم پیچه های منحرف کننده متناوباً منحرف می شود، در نتیجه باریکه الکترونی سطح مورد بررسی را جاروب می کند. وقتی باریکه با سطح برخورد کند، الکترونهای ثانویه گسیل می شوند که به وسیله یک میدان الکتریکی به سمت جمع کننده k کشیده می شوند. در هر لحظه شدت جریانی که توسط جمع کننده ثبت می شود، با خواص گسیلی ناحیه ای که در برخورد درگیر شده، تعیین می شود. بسته به ولتاژ های اعمال شده، همه الکترونهای ثانویه یا فقط الکترونهایی که به طور کشسان باز تابیده اند را می توان جمع کرد. سیگنال توسط تکثیر کننده الکترونها تقویت می شود و یک تقویت کننده دیگر به طور سری به آن متصل است. این سیگنال روشنایی کله راروی صفحه لامپ پرتوکاتدی که راستری اش با راستری میکروسکوپ همزمان شده تعیین می کند.

1. 1. raster

روی صفحه لامپ، تصویری از سطح نمونه آزمون تشکیل می شود که اساساً متناظر با توزیع ضریب گسیل ثانویه و شکل هندسی سطح است، که به نوبه ی خود شکل میدان الکتریکی نزدیک سطح را تغییر می دهد. کنتراست، توسط عامل های فیزیکی ایجاد می شود، که اساساً متفاوت از عامل هایی است که در میکروسکوپ الکترونی عبور تولید کنتراست می کند. توان تفکیک دستگاه اولاً با این واقعیت که قطر باریکه الکترونی روبشگر را نمی توان به طور دلخواه کم کرد، و همچنین با این واقعیت که الکترونهای ثانویه همیشه در ناحیه معین و مشخص حول جایگاه برخورد تولید می شوند، محدود می شود.
برای دستیابی به کنتراست، لازم است که تعداد کافی از الکترونهای اولیه به نمونه آزمون برخورد کنند تا اینکه اختلاف های واقعی در گسیل ثانویه توسط افت و خیزهای آماری جریان پوشیده نشوند. بنابراین هرچه چگالی جریان باریکه بیشتر باشد و زمان بررسی (یعنی زمانی که در خلال آن باریکه روی لکه معینی کانونی می شود) طولانی تر شود، جزئیات بیشتری را می توان مشاهده کرد. بنابراین محدودیت توان تفکیک، در حدود A°۱۰۰ و کمتر از توان تفکیک میکروسکوپ عبوری است. اما بر خلاف میکروسکوپ عبوری دارای عمق کانونی بسیار بزرگتری است. این ویژگی در بررسی مدار های یک پارچه و در زمینه های دیگر مثلاً زیست شناسی، مهم است. بزرگنمایی این میکروسکوپ را می توان در گستره بزرگی تغییر داد (یعنی، از ۲۰ تا ۵۰۰۰۰)، در حالی که باریکه الکترونی نمونه آزمون را به طور بسیار جزئی متأثر می سازد. در سال های اخیر میکروسکوپ روبشی بسیار مورد استفاده قرار گرفته است. علاوه بر مد گسیلی اغلب در SEM مد رسانش نیز به کار می رود. سیگنال هایی که در این مد استفاده می شوند، جریان ها یا ولتاژ های القاشده در نمونه آزمون به وسیله بمباران باریکه الکترونی هستند.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

اصولاً سه نوع سیگنال در این حالت مورد استفاده قرار می گیرد که در شکل(۳-۱۰) نمایش داده شده اند.
شکل (۳-۱۰) سه نوع سیگنال در مد رسانایی SEM : (الف) جریان نشتی اندازه گیری می شود. (ب) جریان ناشی از اثرهای الکترون ولتایی اندازه گیری می شود. (ج) هدف دارای بایاس خارجی است و جریان ناشی از رسانایی القاشده الکترونی اندازه گیری می شود
در حالت (الف) جریان نشتی باریکه اولیه IP که از طریق نمونه آزمون به زمین می رود، تقویت و به شکل سیگنال ویدئو آشکار می شود یا به روشی دیگر ثبت می شود. در حالت (ب) اگر نمونه آزمون اثر های الکترون ولتایی از خودنشان دهد، که نیروی محرکه الکتریکی تولید می کنند و جریان ها را در مدار خارجی به حرکت در می آورند، جریان های تجمع باری در نبود هر چشمه ولتاژ خارجی تشکیل سیگنالی را می دهند. در حالت (ج) بایاس خارجی اعمال می شود و ممکن است تغییرات جریان تجمع باری را که ناشی از رسانایی القایی باریکه الکترونی است، به دست آورد. در این حالت سیگنال مشاهده شده نه تنها به اثر القا شده به وسیله باریکه الکترونی در نمونه آزمون بستگی دارد، بلکه با پارامتر های مدار آشکار سازی نیز بستگی دارد. عموماً مقاومت نمونه آزمون به صورت ساده اهمی نیست، بلکه ظرفیت قابل ملاحظه ای دارد، اتصال ها ممکن است همیشه اهمی نباشند، و اغلب ثابت زمانی کل مدار ناچیز نیست. همه این شرایط را باید در تفسیر نتیجه های این نوع SEM، که غالباً برای بررسی نیم رسانا ها مناسب است، در نظر بگیریم.
نمونه هایی از کاربرد SEM :
۱- بررسی نمونه های متالوگرافی، در بزرگنمایی بسیار بیشتر از میکروسکوپ نوری
۲- شناسایی مشخصات شیمیایی اجزای به کوچکی چند میکرون روی سطح نمونه ها، برای مثال فازهای رسوبی
۳- ارزیابی گرادیان ترکیب شیمیایی روی سطح نمونه ها در فاصله ای به کوچکی
۴-بررسی قطعات نیمه هادی برای آنالیز شکست، کنترل عملکرد و تأیید طراحی نمونه ها. [۴۸]
۳-۴ میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)
میکروسکوپ الکترونی عبوری یکی از ابزار های مورد استفاده در فناوری ها و علوم مختلف از جمله نانو فناوری می باشد. اساس کار آن شبیه میکروسکوپ نوری است اما در آن به جای پرتو های نور از پرتو های الکترون استفاده می شود. با این نوع میکروسکوپ می توان اتم ها را مشاهده نمود، چراکه وضوحی در حدود ۲/۰ نانومتر دارد. استفاده از این میکروسکوپ و آماده کردن نمونه برای مطالعه توسط این میکروسکوپ، نیازمند توانایی و دانش در زمینه استفاده از این ابزار می باشد.
۳-۴-۱ میکروسکوپ الکترونی عبوری
اساس عملکرد میکروسکوپ الکترونی عبوری^۱ که به اختصار به آن TEM گویند. مشابه میکروسکوپ های نوری است با این تفاوت که به جای پرتو نور در آن از پرتو الکترون استفاده می شود. آنچه که می توان با کمک میکروسکوپ نوری مشاهده کرد بسیار محدود است در حالی که با بهره گرفتن از الکترونها به جای نور، این محدودیت از بین می رود. وضوح تصویری در TEM هزار برابر بیشتر از یک میکروسکوپ نوری است.
با بهره گرفتن از TEM می توان جسمی به اندازه چند آنستگرم ( متر ) را مشاهده کرد. برای مثال می توانید اجزای موجود در یک سلول یا مواد مختلف در ابعادی نزدیک به اتم را مشاهده کرد. برای بزرگنمایی، TEM ابزار مناسبی است که هم در تحقیقات پزشکی، زیست شناسی و هم از تحقیقات مرتبط با مواد قابل استفاده است.
در واقع TEM نوعی پروژکتور نمایش اسلاید در مقیاس نانواست که در آن پرتوی از الکترونها از تصویر عبور داده می شود. الکترونهایی که از جسم عبور می کنند به پرده فسفر سانس برخورد کرده سبب ایجاد تصویر از جسم برروی پرده می شوند. قسمت های تاریک تر بیانگر این امر هستند که الکترونهای کمتری از این قسمت جسم عبور کرده اند (این بخش از نمونه چگالی بیشتری دارد. ) و نواحی روشن تر مکان هایی هستند الکترون بیشتری از آنها عبور کرده است(بخش های کم چگالی تر).
وضوح این میکروسکوپ ۲/۰ نانومتر است که در حد اتم است (بیشتر اتم های ابعادی تقریباً برابر ۲/۰ نانومتر دارند). با این نوع میکروسکوپ حتی می توان نحوه ی قرار گرفتن اتم ها در یک ماده را بررسی کرد. از این میکروسکوپ در ساختار بلوری (نحوه قرار گیری اتم ها در شبکه بلوری) و ترکیب نمونه ها استفاده می شود.

1. 1. Transmission Electron Microscope

۳-۴-۲ عملکرد میکروسکوپ الکترونی عبوری
با کمک یک منبع نور در بالای میکروسکوپ، الکترونها گسیل و منتشر می شوند. الکترونها از تیوب خلاء میکروسکوپ عبور می کنند. در میکروسکوپ های نوری از عدسی های شیشه ای برای متمرکز کردن نور استفاده می شود در حالی که در TEM از عدسی های الکترو مغناطیسی استفاده می شود. تا الکترونها را جمع و متمرکز ساخته به صورت یک پرتو باریک گسیل نماید.
این پرتوی الکترونی از نمونه عبور داده می شود. بسته چگالی مواد الکترونها ممکن است از بخش هایی از جسم بگذرندو به صفحه فلور سانس برخورد نمایند و تصویر سایه مانندی از نمونه ایجاد کنند که میزان تیرگی بخش های مختلف جسم به چگالی مواد در آن بخش ها وابسته است. همان طور که گفته شد هرچه جسم چگال تر باشد تصویر تیره تر خواهد بود، این تصویر می تواند مستقیماً توسط اوپراتور مطالعه شود و یا با کمک یک دوربین تصویر برداری شود.
شکل(۳-۱۱) نمای شماتیک از عملکرد میکروسکوپ الکترونی عبوری
از محدودیت های میکروسکوپ الکترونی عبوری می توان به موارد زیر اشاره کرد:
۱- نمونه سازی خسته کننده است و ممکن است یافتن یک روش مناسب و تهیه نمونه هفته ها طول بکشد.
۲- قدرت تفکیک تصویر حدود۲/۰ نانومتر است.
۳- حداقل اندازه ناحیه آنالیز شده قطر ۳۰ نانومتر را دارد، حد حساسیت تقریباً ۵/۰ تا ۱ درصد وزنی است.
۴- زمان تقریبی آزمایش از ۳ تا ۳۰ ساعت برای هر نمونه (بدون احتساب زمان آماده سازی)متغیر است[۴۹] .
۳-۵ مزیت و توانمندی های هر یک از میکروسکوپ ها
در میکروسکوپ AFM امکان عمل دستگاه در محیط های هوا، خلاء و مایع (در نتیجه امکان بررسی ذرات وموادی که در خلاء تصعید می شوند یا ذرات معلق در مایع) وجود دارد. تصاویر را به صورت سه بعدی تهیه می کند. بررسی جنس نقاط مختلف سطح و توزیع خواص سطحی ممکن است.
در میکروسکوپ TEM دقت اندازه گیری در حد آنگستروم است و بالاست.
در میکروسکوپ SEM ساختار سه بعدی سوراخ های عمیق سطح هم قابل بررسی هستند. همچنین در این میکروسکوپ بررسی جنس نقاط سطح وتوزیع خواص سطحی ممکن است.
در میکروسکوپ هم کانونی دقت اندازه گیری بالاست، به کمک این دستگاه ما می توانیم قسمت های مختلفی از نمونه را انتخاب کرده و فقط ناهمواری آن قسمت ها را بسنجیم و یا ناهمواری کل نمونه را بدست آوریم و همچنین این دستگاه می تواند شکل نمونه را به صورت سه بعدی به ما بدهد و پستی ها و بلندی های سطح را به صورت یک نمودار نمایش دهد.
۳-۶ محدودیت های هر یک از این روش ها
از محدودیت روش AFM می توان به عدم توانایی بررسی ساختار سوراخ هایی با عمقی بیش از طول سوزن نام برد(حدود ۱۰ میکرومتر)
از محدودیت های روش TEM این است که نیاز به خلاء بسیار بالا دارد و برای رسیدن به این خلاء بالا به زمان زیادی نیاز دارد یعنی روشی زمان بر است. این روش تصاویر را به صورت دو بعدی تهیه می کند و عمق ندارد.
از محدودیت های روش SEM این است که سطح مورد بررسی حتماً باید رسانا باشد، و تهیه تصاویر سه بعدی فرایند سر راست و استانداردی نیست. برای بررسی سطوح عایق باید سطح با لایه نازکی از ماده رسانا پوشانده شود که علاوه بر زمان بر بودن باعث تغییر ساختار می شود و تفکیک پذیری را به چندین نانومتر کاهش می دهد. با توجه به موارد ذکر شده ما در این پایان نامه از میکروسکوپ هم کانونی استفاده کردیم چون در میکروسکوپ هم کانونی هیچ یک از محدودیت های ذکر شده وجود ندارد و ما به راحتی میتوانیم
ناهمواری سطح نمونه را اندازه گیری کنیم و آن را به صورت سه بعدی نمایش داده و نمودار ناهمواری را نیز بدست آوریم.
۳-۷ بیضی سنجی
بیضی سنجی^۱ روشی نوری است که برای مطالعه و بررسی لایه های نازک، ویژگی های نوری(ضریب شکست، ضریب جذب و توابع دی الکتریک)سطوح و فصل مشترک مواد استفاده و می توان با بهره گرفتن از آن ضخامت، ساختار، یکنواختی سطح، ریخت شناسی، کیفیت بلور، ترکیب شیمیایی و رسانای مواد را ارزیابی کرد، در بیضی سنجی، معمولا شکست نور بررسی می شود و ویژگی هایی مانند ضخامت نمونه، ضریب شکست و ویژگی های دی الکتریک، موجب تغییرات در حالت نور قطبیده می شود. در بیضی سنجی تغییراتی که نور قطبیده پس از باز تاب یا عبور متحمل می شود مورد مطالعه قرار می گیرد که با بررسی تغییرات قطبش نور بازتاب شده از نمونه، می توان در مورد لایه هایی که ضخامت کمتر از طول موج نور دارند، اطلاعاتی مانند ترکیب شیمیایی و رسانایی نیز بدست آورد. بیضی سنجی یک روش توانمند و غیر مخرب برای آنالیز لایه های بسیار نازک است. این روش قادر به اندازه گیری ضریب شکست، ضریب جذب و ضخامت لایه های نازک است. این وسیله بر این اساس کار می کند که بازتاب از فصل مشترک (سطح) دی الکتریک می تواند قطبش و فاز موج ورودی را تغییر دهد، این تغییرات به ضریب شکست ماده بستگی دارد، این روش می تواند خواص مختلفی از قبیل ضخامت، خواص نوری، ساختار و حتی تر کیبات شیمیایی لایه را نیز مشخص کند. همچنین بیضی سنجی می تواند برای اندازه گیری ضخامت لایه هایی با ضخامت نانومتری که روی زیر لایه های مختلف قرار دارند، استفاده شود، حتی به کمک این روش می توان نمونه های چند لایه ای^۲ را نیز بررسی و مطالعه نمود[۵۰] .
۳-۷-۱ اساس کار بیضی سنجی
در این روش نور منبع به عنوان موج الکترو مغناطیسی و غیر قطبی، به وسیله قطبی کننده^۳ ، خطی و قطبیده می شود. سپس توسط یک جبران کننده^۴ قطبش خطی به قطبش دایره ای تبدیل می گردد. سپس نور حاصل به نمونه می رسد.

1. 1. Ellipsometry

1. 1. Multilayer

1. 1. polarizer

1. Compensator