Microscopio elettronico a scansione(SEM)

Il microscopio elettronico a scansione, che nel seguito verrà chiamato più brevemente SEM (Scanning Electron Microscope), divenuto commercialmente disponibile nel 1965, è uno strumento ora molto diffuso ed affermato in un vastissimo campo di applicazioni. La sua buona risoluzione e la notevole profondità di fuoco consentono di osservare ad alti ingrandimenti la topografia superficiale di campioni massivi. L’immagine viene prodotta facendo compiere ad un sottile fascio di elettroni un movimento di esplorazione (scansione) di una porzione della superficie del campione e rappresentando sullo schermo di un tubo a raggi catodici (nelle versioni più aggiornate questo è sostituito da uno schermo a cristalli liquidi) l’intensità con cui gli elettroni vengono emessi in funzione della posizione.

3.4.2.1 Principio di funzionamento

Uno schema di un tipico SEM è rappresentato in figura 19.

Un fascio di elettroni viene emesso da un filamento (generalmente tungsteno) per effetto termoionico, accelerato dal campo elettrico esistente fra il filamento stesso, mantenuto ad elevato potenziale negativo, e l’anodo collegato a massa. Il fascio viene focalizzato in una colonna sotto vuoto mediante un sistema di lenti elettromagnetiche per ottenere un fascio finale di sezione molto piccola.

Il fascio di elettroni focalizzati scandisce la superficie del campione per l’effetto di due coppie di bobine di deflessione incorporate nell’obiettivo, che lo fanno muovere secondo righe parallele successive e gli fanno quindi esplorare una piccola zona quadrata o rettangolare. Un dispositivo di movimentazione permette di spostare il portacampioni relativamente alla sonda per variare la zona del campione in esame nonché per variarne l’inclinazione. Con un opportuno rivelatore viene raccolto il segnale la cui intensità è utilizzata per modulare la luminosità dello spot (la traccia del pennello elettronico) di un tubo a raggi catodici. La posizione dello spot sullo schermo fluorescente del tubo a raggi catodici viene comandata dallo stesso generatore che alimenta sia le bobine deflessione della sonda sia quelle di deflessione dello spot del tubo a raggi catodici. Si ottiene così un sincronismo tra la scansione del campione da parte della sonda e quella dello spot sullo schermo e quindi una mappa puntuale dell’intensità di emissione degli elettroni secondari dai diversi punti del campione.

3.4.2.2 Modalità di operazione

Le potenzialità applicative del SEM si possono comprendere considerando i processi che avvegono quando un fascio di elettroni con energia di alcune decine di keV colpisce la superficie di un materiale. Uno schematizzazione è illustrata in figura 20.

A B

Figura 20: A) rappresentazione schematica di un fascio di elettroni con un solido indicante le emissioni e gli effetti usati per produrre immagini SEM; B) rappresentazione schematica dei volumi di emissione delle

Gli elettroni incidenti interagendo con il campione danno origine a elettroni auger, elettroni secondari, elettroni retrodiffusi (backscattered), radiazione x oltre all’emissione di fotoni e elettroni trasmessi. I primi quattro sono di spiccato interesse per l’indagine SEM.

Gli elettroni secondari provengono da una profondità di pochi nanometri ed hanno energie molto basse a causa degli urti anelastici subiti nell’interazione con il materiale del campione. L’immagine che si ottiene è un’immagine topografica della superficie con caratteristiche del tutto simili a quella che si otterrebbe con un microscopio ottico. La grossa differenza sta nell’ingrandimento e nella profondità di campo che sono notevolmente superiori nel microscopio elettronico. Una caratteristica peculiare delle immagini ottenute con gli elettroni secondari è la luminosità delle creste e degli spigoli del campione poiché la causa principale di variazione di emissione di elettroni secondari dai diversi punti del campione è legata alla sua morfologia esterna. Infatti l’efficienza di emissione di una certa zona dipende dall’angolo

φ che essa forma con il fascio incidente.

Gli elettroni retrodiffusi provengono da una profondità di qualche micron ed hanno subito piccole perdite di energia o non ne hanno subite affatto. Analogamente agli elettroni secondari l’immagine che si ottiene rispecchia essenzialmente la morfologia della superficie del campione. Il contrasto dell’immagine ad elettroni retrodiffusi dipende dall’efficienza di raccolta e dal rendimento di produzione punto per punto. Infatti gli elettroni retrodiffusi seguono traiettorie rettilinee e sono quindi rivelati solo se il punto di produzione è in linea di collegamento ottico con il rivelatore; ciò può dar luogo ad ombre nelle zone non vedute. Inoltre il rendimento di produzione degli elettroni retrodiffusi dipende dal numero atomico dell’elemento colpito dall’elettrone primario: in generale si può affermare che gli elementi più leggeri danno un’emissione minore. Operando con più di un rilevatore e scegliendone accuratamente la posizione si possono ottenere immagini con contrasto di numero atomico, con contrasto di topografia e con contrasto misto. Con queste modalità è possibile far risaltare variazione di composizione piuttosto che di morfologia superficiale.

Se gli elettroni primari hanno energia sufficientemente elevata sono in grado di ionizzare i livelli energetici più interni degli atomi del materiale; questi atomi possono tornare allo stato fondamentale mediante l’emissione di un fotone X o anche di un elettrone. Il primo processo consiste nell’emissione di raggi x di fluorescenza mentre il secondo (complementare al primo) è noto come emissione di elettroni Auger. Poiché sia i raggi x di fluorescenza che gli elettroni Auger hanno energie caratteristiche degli atomi da cui provengono, possono essere utilizzati per ottenere informazioni sulla composizione chimica del campione. Un tipico accessorio di

un SEM è l’EDXA (Energy Dispersive X-ray Analysis) che consente l’analisi dei raggi x di fluorescenza.

Una delle caratteristiche più interessanti della microscopia elettronica a scansione è la facilità di preparazione dei campioni. Infatti è sufficiente ridurre il campione a dimensioni accettabili e fissarlo sul piattino porta campioni mediante un adesivo a bassa tensione di vapore. Alcune accortezze risultano però necessarie: il campione deve essere un buon conduttore di elettricità e di calore; infatti se venissero meno queste proprietà vi sarebbe un accumulo di cariche elettriche oppure aumenti di temperatura tali da compromettere la buona riuscita della raccolta delle immagini. Per evitare questi inconvenienti si può ricoprire il campione di un sottile strato metallico.

Nel lavoro di tesi il microscopio elettronico a scansione si è rivelato un utile strumento di indagine per l’analisi dell’ossidazione delle schiume di carburo di silicio potendo osservare la crescita dello strato superficiale di silice e l’efficacia degli strati barriera.

Capitolo 4