UNIVERSITE D’ALGER 1
• Présenter par :
– BAKOUK Imad Eddine
– DJEBLI Yacine
– NEGGAZ Hamid
– MEZRAK Abd el Malek
– Sebih Lyes
– Mamri mouhamed
Microscope à Balayage
Electronique
MEB
Module
Caractérisation Des
Matériaux
Charge de module
Dr.R.AMRANI
1

PLAN DE PRESENTATION
I. Introduction (Généralité sur un MEB ) .
II. LA RÉSOLUTION ?
III.Les interaction
IV.GENERATION DES ELECTRONS
V.Les lentilles électro magnétique
VI.Imagerie
VII.Détecteur
2

INTRODUCTION
 La curiosité de l'humain et son amour pour l'innovation et la connaissance du monde qui
l'entoure le poussent à inventer des dispositifs lui permettant de le faire, Parmi ces
dispositifs, qui lui ont permis de connaître le petit monde, le microscope ,beaucoup de
microscopes ont étais crée celons les besoin .aujourd'hui nous parlerons du microscopie
électronique à balayage .
.
Principe de fonctionnement d’un M.E.B
-Le principe de fonctionnement d’un
microscope électronique à balayage est
de faire correspondre le déplacement
d’un faisceau d'électrons sur un
échantillon de façon synchrone avec le
déplacement d’un faisceau d'électrons
sur un écran cathodique.
-La brillance du spot est modulée par le
signal provenant d’un détecteur
spécifique résultant de l’interaction du
faisceau primaire avec le matériau .
3

4

La colonne électronique
5

LA RÉSOLUTION ?
6

THÉORIE D’ABBE
AMÉLIORER LA RÉSOLUTION?
7

INTERACTIONS é-MATIÈRE
8

Interaction électron - matière
Elastique
Inélastiqu
e
perte d’énergie
(transfert
d’énergie)
diffusion
(variation
angulaire) 9

L’interaction E-M donne lieu essentiellement:
La
rétrodiffusion
d’électron
L’émission
de rayons X
L’émission
d’électron
s
secondair
es
L’émission
de
photons
UV-visible
Poire d’interaction ≈
1µm
10

Emission électronique secondaire
 Interaction inélastique des électrons primaires
avec le nuage électronique.
 Electrons issus de la cible après ionisation.
 Energie faible(5-10 eV).
Electrons
secondaires (SE)
Interaction inélastique à
faible énergie
Libre parcours moyen
faible
Faible profondeur
d’échappéeContraste
topographique 11

Emission électronique secondaire
E0
E0- E
E- EK
K
L1
L2
L3
Electron
secondai
re
Electron issus de la cible après
ionisation
L’électron un peu lié acquérir
une énergie cinétique pour
être éjecté (SE), Cette
interaction conduit à une
distribution continue en
énergie des SE.
12

Interprétation des contrastes en électrons
secondaires
L’émission suit un
lois de Lambert
Emission d’électrons
secondaire se fait en
fonction de l’angle
d’inclinaison de l’échantillon
Rendement
La variation de l’émission
avec l’angle d’incidence
,traduit la possibilité de
mettre un contraste de
topographie
13

Emission électronique rétrodiffusés
 Interaction élastique avec le noyau
 Energie élevée (de l’ordre de E0)
Electrons
Rétrodiffusés BSE
Interaction élastique
avec une forte d’énergie
(>50eV,E)
Libre parcours
moyen plus grand
Profondeur
d’échappée plus
grand
Contraste
topographique
Contraste de
composition
14

Interprétation des contrastes en électrons
rétrodiffusés
Les électrons rétrodiffusés sont des électrons à énergie
élevée , et ces dernies ne peuvent pas être attirés sans
perturber le faisceau primaire.
L’émission des
électrons
rétrodiffusés varie en
fonction de matériau
Coef de rétro « η »
varie de façon
quasi monotone
avec Z.
Contraste de
composition
Emission
des BSE en
fonction de
l’angle
d’inclinaiso
n
Augmentati
on du
contraste
topographiq
ue avec
diminution
du
contraste
chimique 15

Contraste de
composition chimique
Contraste topographique
16

Génération des électrons
17

Un peut Théorie
18

19

LE CANON A ELECTRONS
par effet thermoélectronique
LE FILAMENT
W ( tungstène ) LaB6
Par effet de champs
Point Schottky
cathodes dites chaudes
par effet tunnel
cathodes dites froides
20

Principe de fonctionnement
Rôle de wehnelt
21

22

23

24

• Les nanotubes de carbone: sont composés
d'un ou plusieurs feuillets d'atomes de
carbone enroulés sur eux-mêmes formant un
tube
25

Canon à émission de champ à cathode chaude ou « Schottky »
Effet Schottky:
l'émetteur d'électron thermoïnique subie une différence de potentiel
négative, Ceci crée un champ électrique d'intensité F à la surface de
l'émetteur, Le champ électrique abaisse la barrière W d'une quantité ΔW
La loi de Richardson
devient:
On utilise une pointe en W
recouverte d ’un film mince de
ZrO2 liquide qui mouille la
pointe. Le fort champ électrique
abaisse suffisamment la barrière
de potentiel pour pouvoir
extraire facilement des électrons.
Réservoir ZrO2
26

Canon à émission de champ à cathode froid ou
« effet tunnel »
27

28

Comparaison
29

Conclusion
30

Les lentilles électro magnétique
Bx
B
z
I
Courant
élèctriq
ue
Bobine
torique
Champ
magnétiqu
e
31

Lentille
electromagnetique
Condense
ur 1
Condense
ur 2
Lentille
objectif
32

Les condenseur 1 et 2 (souvent
couplés)
33

La loi régissant le mouvement
d'un électron dans un champ
magnétique est la loi de Lorentz :
F⃗ =−e(v⃗ ∧B⃗ )
La distance focale est égale
a:
permettent de
condenser le
faisceau sur
quelques nm
jusqu'à 0,1
mm de la
surface de
l'objet.
⃗𝑣 = v. ⃗𝑧 𝑒𝑡
𝐵 = 𝐵. ⃗𝑥 + 𝐵 ⃗𝑦 + 𝐵 ⃗𝑧
⃗𝑣^𝐵=v.B. ⃗𝑧
34

La
composante
axiale:
Fait que
courbee le
faisceu
electronique
Composa
nte
radiale:
Oriente
le faisceu
des
electrons
(v.𝑧) ⊥ (B. ⃗𝑥+B. ⃗𝑦)
Une force de
centrefugevacree.
D’apres la loi de la
dynamique:
⃗𝐹 = 𝑚 ⃗𝑎
La diviation:
α=
𝑒𝐵𝑙
𝑚𝑣
Cette
propriété est
utilisée pour
mesurer les
pertes
d'énergie
subies par les
électrons à la
traversée de
l'échantillon
35

: l'objectif, ses
qualités optiques, ses aberrations,
ses performances ultimes.
Courte distance
focale:
entre 1 et 3 mm
Permet de
focaliser le
faisceau
incident sur la
zone observee
on faible ongle
d’ouverture de
faisceau
Taille
finie
Provoq
ue le
pheno
mene
de la
diffracti
on
Élargissement
egale
=1.22⋅λ/α
lar
ge
36

LES ABERRATIONS
La distance de
travaille(WD) influence
Variation du
diamètre des
cercles de
moindre
confusion des
différents
aberrations en
fonction du demi-
angle d'ouverture
du faisceau,
pour différentes
valeurs de
l'énergie des
électrons
primaires
37

Comment avoir une bonne image
1) Préparation des échantillons
- Description des méthodes principales
- LA FIXATION DE L’ECHANTILLON
- MEB a pression contrôlée
-Comment augmenter la pression dans la chambre ?
2) Tension d'accélération et courant de sonde
3) Taille du spot et profondeur de champ
- Angle alpha
- Les ouvertures et Distance de travail
4) Résume
38

1) Préparation de l’échantillon
les échantillons doivent respecter :
• -Une certaine taille
• -Une compatibilité avec le vide
• -La conduction électrique
• -La tenue au faisceau
39

- Description des méthodes
principales
échantillons « durs »
-Conducteur (métaux)
• La préparation métallographique de la
surface
découpage
polissage
attaque chimique
- Non conducteur
• métallisation
échantillons « Biologiques »
- Déshydratation
• par voie chimique a T ambiant
Ou par Lyophilisation
• métallisation
-maintien de l’échantillon
Hydrate
• congélation
métallisation
• maitre au MEB
ENVIRONNEMENTAL
échantillons «poudres»
• Dispersion sur support adhésif
double face conducteur a base
de carbone
•poudres non conductrices
Métalliser l’ensemble sans
oublier d’établir un pont
conducteur ente ce dépôt
conducteur et la platine
40

- LA FIXATION DE L’ECHANTILLON
- Une fois la surface de l’échantillon
préparée, il reste à fixer ce dernier sur
la platine porte échantillon du
microscope, afin de:
- limiter au maximum les vibrations
- permettre son positionnement dans
diverses géométries
- assurer la continuité électrique
41

-MEB a pression contrôlée
• Pourquoi faire varier la pression ?
pour observer les échantillon non conducteur sans
métallisation
Aussi ceux qui contiennes de l’eau, la variation de la pression
Permet a l’eau d’étre stable a l’état liquide
Préserve les échantillons a leur état naturel et les organisme
vivant
42

-Comment augmenter la pression dans
la chambre ?
Maintien d’un vide pousse au niveau du canon
Un vide différentiel dans la colonne grâce a un diaphragme limiteur de pression
a diffèrent niveaux de la colonne et un pompage différentiel
-lors de l’interaction faisceau gaz des ions positifs son crée Ces dernier vont
annihile l accumulation des électron de surface et influe sur le phénomène de
diffusion des élection qui induit un élargissement du faisceau incident
43

3) Tension d'accélération
• En théorie, une augmentation de la tension
d'accélération entraînera un signal plus élevé
et un bruit plus faible mais aussi:
A fort grandissement, augmenter la tension
d’accélération permet d’améliorer la résolution
A faible grandissement, diminuer la tension d’accélération
permet
d’améliorer le contraste des détails en surface.
permet d’améliorer la résolution
(netteté) et d’éviter la dégradation de
l’échantillon mais l’image devient plus
granuleuse car la statistique de
mesure est moins bonne
courant de sonde
Tension d’accélération : 10 kV,
Grandissement : x 5400
44

4) Taille du spot et profondeur de champ
• la profondeur de champ varie en fonction
Le grandissement et l’angle a plus ils sont petit plus la profondeur est
grande
a un grandissement x1000 la profondeur de champ dans un MEB et
environ 100 fois supérieur a celle d’un microscope optique (1micro)
45

- Influence de Angle alpha sur la résolution
 Taille de la sonde :
thermoélectronique : dv ~ 10 μm
effet de champ : dv ~ 1-10 nm
• Les électrons se repoussent dans • Les électrons se repoussent
l’axe du faisceau transversalement
• Dispersion énergétique • Dispersion énergétique et des
trajectoires
• Aberration chromatique • Aberration chromatique et
sphérique
46

• G : grandissement
• a : angle d’ouverture
• dV : diamètre de la source
• n : indice de réfraction du milieu
• l : longueur d’onde du rayonnement
• CS : coefficient d’aberration sphérique
• CC : coefficient d’aberration chromatique
• E0 : énergie cinétique moyenne des électrons
• DE : largeur de la distribution en énergie cinétique
47

- Les ouverturesUne grande ouverture est choisie pour une
imagerie à faible grossissement afin
d'augmenter le signal
Une ouverture plus petite est choisie pour
les travaux à haute
résolution et une meilleure profondeur de
mise au point(moins
d'électrons parviennent à l'échantillon image
moins lumineuse)
permet d’obtenir une plus grande
profondeur de champ mais fait perdre en
résolution car on augmente
les aberrations sphériques
- Distance de travail
48

5) Résume
49

50

Annexe
Préparation échantillons SEMPA 2010
Microscopie par sonde électronique (S,MATHIEU)
https://myscope.training
51

Détecteur d’électrons
• Introduction :
une image contrastée fait son apparition quand le
signal collecté de l’interaction vari d’un point à un
autre.
Beaucoup de type de signaux sont générés, et
beaucoup d’entre eux peuvent être collectés, puis
l’électroniques du détecteur transforme le signal en
une
image « point-par-point » sur l’écran et forme limage
de
l’échantillon.
52

Les questions essentielles
-le positionnement du détecteur.
Quand on parle de détecteur, on doit se poser 4
questions :
-la largueur du détecteur.
-l’efficacité du détecteur.
-la bande passante.
Ф
Faisceau
échantillon
détecteur
Ω
r
Ω=S/r
2efficacité du
détecteur à
convertir la
radiation qui tape
la zone de
collection en un
signal utilisable
L’intervalle de
fréquence que
le détecteur
peut traiter
53

Types de signaux
• Les deux signaux les plus utilisés sont :
-les électrons secondaires (SE)
-les électrons rétrodiffusés (BSE)
54

Choisir le bon détecteur
• Les BSE ont une énergie bien plus élevée que
celle des SE, se qui présente un challenge
considérable pour la fabrication d’un seul
détecteur pour les deux signaux.
• Mais en contre partie, cette différence va
nous permettre d’avoir des détecteurs
sélectifs.
55

Les détecteurs
• Détecteur ES : Le détecteur Evarhart-thornley
( E-T detcetor ):
Ce détecteur est entouré, d'une cage électrique
attirant les électrons considérés: on collecte les
électrons secondaires et rétrodiffusés.
56

Principe de fonctionnement
1
1 un électron
énergétique
frappe le
scintillateur, la
lumière est
émise.
Un é de 10keV
produiy 3000 é-
trou
2 La lumière est
conduite par
réflexion totale
dans un guide
de lumière vers
un
photomultiplicat
eur
2
3 le signal peut
maintenant passer
à travers une
fenêtre en verre de
quartz, qui forme
une barrière de
vide, à la première
dynode du
photomultiplicateu
r
3
4 les photons sont
reconvertis en
électrons, et les
électrons sont
accélérés sur les
dynodes successives
du
photomultiplicateur,
produisant un
nombre croissant de
cascade d’électrons
jusqu’à atteindre le
4
Le gain typique
de la
photomultiplicati
on est de 105-106
Nf=105Ni
57

Ses caractéristiques
• Un angle solides large
• Est performant à basse énergie
• L’amplification du signal
• Peu de bruit
Le détecteur E-T a fait du MEB un appareil
largement utilisé par les scientifiques
58

Les détecteurs
• Détecteur BSE :
En raison de la différence d'énergie entre
les BSE et Les SE, il est facile de
développer des détecteurs qui sont
seulement sensible aux électrons
rétrodiffusés de haute énergie. Ces
détecteur sont souvent inclus dans les
MEB de base.
Le détecteur E-T à polarisation négative
fournit un signal composé exclusivement
de BSE, 59

60

détecteur
• Détecteur à diode (jonction p-n):
Le détecteur à diode à semi-
conducteurs fonctionne sur le
principe de la production
d'électrons-trous induite
dans un SM par des électrons
énergétiques.
Lorsque les BSE énergétiques
pénètrent et se diffusent de
manière inélastique dans le SM,
les électrons sont promus à la
bande de conduction, laissant un
"trou", dans la bande de valence.
Pour le silicium, l’énergie d’excitation
est d’environ 3,6 eV. Ainsi, lorsqu’un
Seul BSE de 10keV frappe le
détecteur, environ 2800 paires
électron-trou sont produits. S'ils ne
sont pas séparés, l'électron et le trou
se recombineront.
en appliquant une polarisation
extérieur, l'électron libre et le
trou se déplaceront dans des
directions opposées, et
empêcher la recombinaison. La
charge collectée sur les
électrodes externes est
transformée en signal électrique.
La conversion d'énergie initiale en
paire électron-trou donne un gain
d’un facteur 1000, donc
généralement on a pas
besoin d’un amplificateur
61

Formation de l’image
• La création d'une image MEB consiste
à construire une carte d’intensité
• les électrons produits à partir d’une petite
zone de l’échantillon génèrent un signal de
tension d’une intensité particulière. La
tension est acheminée de la colonne du
microscope vers une console électronique,
où elle est traitée et amplifiée pour générer
un point de luminosité sur l’écran
62

• Une image numérique consiste en un tableau
numérique(x,y,S) stocké dans une mémoire
d'ordinateur
63