สว่านไมโครโพรบ

สว่านไมโครโพรบ

ผู้ค้นหาโครงสร้างนาโนและฟิล์มบาง

เมื่อลำแสงอิเล็กตรอนที่มีจุดโฟกัสแคบถูกฉายรังสีบนพื้นผิวของวัสดุ อิเล็กตรอนจะถูกขับออกจากพื้นผิวด้านบนสุดของชิ้นงานทดสอบ อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาเรียกว่า Auger electron นี่คืออิเล็กตรอนที่มีพลังงานเฉพาะกับธาตุต้นทาง และโดยการวัดพลังงานของอิเล็กตรอนของสว่าน จะสามารถระบุได้ว่าธาตุใดมีอยู่ ในสถานการณ์ทางเคมีแบบใด ในพื้นที่ขนาดเล็กมากของพื้นผิวด้านบนของ a แข็ง. โดยการตรวจสอบความเข้มของการปล่อยมลพิษ จะสามารถระบุได้ว่าธาตุแต่ละธาตุมีอยู่มากน้อยเพียงใด Micro หมายถึง "ขนาดเล็กมาก" และความหมายของการสอบสวนคือ "เครื่องมือที่เรียวยาวสำหรับการตรวจสอบหรือการสำรวจ"

Auger Electron ดีดออกจากอะตอม

มาอธิบายว่าอิเล็กตรอนของสว่านคืออะไร ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญสำหรับการวิเคราะห์โครงสร้างของพื้นผิววัสดุ

รูปที่ 1 แผนภาพหลักการสร้างอิเล็กตรอนของสว่าน

ดังแสดงในรูปที่ 1 อะตอมมีอิเล็กตรอนอยู่รอบนิวเคลียส จำนวนอิเล็กตรอนที่แน่นอนจะเติมลงในตำแหน่งในแต่ละระดับ ซึ่งเรียกว่าระดับ K ระดับ L และอื่นๆ นอกจากนี้ พลังงานของอิเล็กตรอนจะสูงขึ้นในระดับที่อยู่ไกลจากนิวเคลียส โดยเพิ่มขึ้นตามลำดับของระดับ K, L และ M

นอกจากนี้ พลังงานของอิเล็กตรอนในแต่ละระดับ K, L, M และอื่นๆ ยังเป็นค่าเฉพาะสำหรับแต่ละองค์ประกอบ

ตอนนี้ เมื่ออิเล็กตรอนความเร็วสูงบินจากภายนอกสู่อะตอม อิเล็กตรอนอาจชนกับอิเล็กตรอนในระดับ K และผลักอิเล็กตรอนออกไปนอกอะตอม (รูปที่ 1(a)) ซึ่งหมายความว่าระดับ K ตอนนี้ขาดอิเล็กตรอนไปหนึ่งตัว ดังนั้นอิเล็กตรอนตัวหนึ่งจากระดับ L จะเคลื่อนที่เพื่อเติมช่องว่าง เนื่องจากอะตอมจะทำหน้าที่ให้อยู่ในสภาวะที่เสถียรซึ่งมีพลังงานต่ำที่สุดเสมอ หากอิเล็กตรอนในระดับ L ซึ่งมีพลังงานสูง ลดลงถึงระดับ K ซึ่งมีพลังงานต่ำกว่า แสดงว่ามีพลังงานเหลืออยู่เพิ่มเติม พลังงานพิเศษนี้สามารถปล่อยออกมาจากอะตอมได้สองวิธีดังนี้

(1)สร้างเอกซเรย์และปล่อยพลังงาน (รูปที่ 1(b))

(2)อิเล็กตรอนในระดับ L ได้รับพลังงานและถูกขับออกมา (รูปที่ 1(c))

ข้อมูลประเภทใดได้มาจากเครื่องมือประเภทใด

ตอนนี้เราจะอธิบายกลไกของเครื่องมือ
ลำแสงอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนจะทะลุผ่านเลนส์และถูกจัดเรียงตัว จากนั้นจึงฉายรังสีไปยังพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบ
โดยการสแกนลำแสงอิเล็กตรอนที่โฟกัสไว้บนพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบโดยใช้ขดลวดเบี่ยงเบน ผู้ใช้สามารถเลือกพื้นที่ที่สนใจหรือสังเกตภาพของสว่านได้

รูปที่ 2 ภาพตัดขวางของแผนภาพหลักและ JAMP-9500F

สว่านสเปกตรัม

อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบจะถูกวิเคราะห์โดยเครื่องมือที่แยกพลังงานที่เรียกว่า HSA (เครื่องวิเคราะห์เซกเตอร์ครึ่งซีก) หลังจากกำหนดแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับ HSA แล้ว เฉพาะอิเล็กตรอนที่มีพลังงานตรงกับแรงดันไฟฟ้าเท่านั้นที่จะสามารถผ่าน HSA และตรวจพบได้

ดังนั้นหากเราตรวจสอบปริมาณอิเล็กตรอนที่ตรวจพบขณะสแกนแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับ HSA เราจะสามารถตรวจจับอิเล็กตรอนของสว่านซึ่งผสมกับอิเล็กตรอนทุติยภูมิและอิเล็กตรอนที่กระเจิงกลับได้ โดยการตรวจสอบพลังงานสูงสุด เราสามารถระบุองค์ประกอบที่มีอยู่บนพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบได้ เนื่องจากพื้นหลังจากอิเล็กตรอนทุติยภูมิและอิเล็กตรอนที่กระเจิงกลับกันมีขนาดใหญ่ และยอดของสว่านมีขนาดเล็ก เพื่อให้สังเกตยอดของ Auger ได้ง่ายขึ้น สเปกตรัมของอิเล็กตรอนที่ตรวจพบจึงมีความแตกต่างและแสดงผล แกนนอนเป็นพลังงานของอิเล็กตรอนของสว่านในขณะที่แกนตั้งแสดงปริมาณของอิเล็กตรอนของสว่าน รูปที่ 3 แสดงสเปกตรัมของสว่าน

รวมถึงฟังก์ชันกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด

เมื่อลำแสงอิเล็กตรอนกระทบกับวัสดุ อิเล็กตรอนที่เรียกว่าอิเล็กตรอนทุติยภูมิก็จะถูกปล่อยออกมาเช่นกัน โดยการตรวจจับอิเล็กตรอนเหล่านี้ เราสามารถสังเกตรูปแบบของชิ้นงานทดสอบ เช่นเดียวกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดทั่วไป

นอกจากนี้ อิเล็กตรอนที่กระจัดกระจายและเอ็กซ์เรย์ลักษณะเฉพาะ ซึ่งให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับตัวอย่าง จะถูกปล่อยออกมา

ด้วยเหตุผลนี้ เครื่องตรวจจับทุกประเภทจึงถูกรวมเข้าไว้ด้วยกัน

ภาพสว่าน

โดยการสแกนลำอิเล็กตรอนทั่วพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบและวัดอิเล็กตรอนของสว่านที่แต่ละจุดบนชิ้นงานทดสอบ จากนั้นแสดงโดยเทียบปริมาณกับสี ได้ภาพ Auger เช่น รูปที่ 4

ตัวอย่างของรูปที่ 3 และรูปที่ 4 เป็นข้อมูลของชิ้นงานบัดกรีไร้สารตะกั่ว (ชุดดีบุก-เงิน-ทองแดง-บิสมัท)

ด้านซ้ายบนของรูปที่ 4 แสดงภาพอิเลคตรอนทุติยภูมิของชิ้นงานทดสอบ (แสดงถึงรูปแบบของชิ้นงานทดสอบ) ด้านซ้ายล่างแสดงภาพ Auger ที่ทำด้วยเงิน และด้านขวาล่างแสดงภาพ Auger ของทองแดง ด้านบนขวาแสดงภาพคอมโพสิตที่มีภาพ Auger สองภาพระบายสี (สีเงินเป็นสีเขียว ทองแดงเป็นสีแดง) และซ้อนทับกันบนภาพอิเล็กตรอนทุติยภูมิ คุณสามารถเห็นการกระจายของเงินและทองแดงบนพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบได้อย่างรวดเร็ว

การกำหนดการกระจายองค์ประกอบในโปรไฟล์เชิงลึก

เมื่อวิเคราะห์พื้นผิว ไม่ควรปนเปื้อนพื้นผิว ดังนั้น ห้องวิเคราะห์ตัวอย่างจะถูกเก็บไว้ที่สุญญากาศสูงพิเศษ ถึงกระนั้น การปนเปื้อนที่ติดอยู่กับพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบตั้งแต่ต้นก็เป็นเรื่องยากที่จะขจัดออก ดังนั้นแหล่งกำเนิดไอออนจึงถูกใช้เพื่อฉายรังสีไอออนลงบนพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบเพื่อขับสิ่งปนเปื้อนออก การใช้แหล่งกำเนิดไอออนทำให้ไม่เพียงทำความสะอาดพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบเท่านั้น แต่ยังสามารถตัดพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบออกด้วย ดังนั้น โดยการทำซ้ำขั้นตอนการวัดสเปกตรัมของสว่านและการตัดวัสดุออกไป สามารถรับการกระจายองค์ประกอบในทิศทางความลึกได้

รูปที่ 5 เป็นข้อมูลของชิ้นงานลูกบัดกรี ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ข้อมูลนี้แสดงการแจกแจงองค์ประกอบในทิศทางเชิงลึก แกนนอนสอดคล้องกับทิศทางความลึก และแกนแนวตั้งแสดงถึงความเข้มของอิเล็กตรอนของสว่านของแต่ละองค์ประกอบ

จากผลลัพธ์นี้ เราพบว่ามีการตรวจพบออกซิเจนและดีบุกบนผิวชิ้นงานทดสอบ เราจึงรู้ว่าพื้นผิวถูกปกคลุมด้วยดีบุกออกไซด์ ความหนาของชั้นดีบุกออกไซด์ส่งผลต่อคุณสมบัติการยึดติดของลูกบัดกรีตลอดจนลักษณะเฉพาะ เช่น การนำไฟฟ้า ดังนั้นจึงมีการศึกษาวิจัยเพื่อพิจารณาว่าความแตกต่างในสภาวะการผลิตและสภาพแวดล้อมในการจัดเก็บส่งผลต่อความหนาของชั้นออกซิไดซ์อย่างไร

การกำหนดสถานะทางเคมี

ลักษณะของลูกบัดกรีที่กล่าวถึงข้างต้นสามารถได้รับอิทธิพลจากว่าชั้นออกซิไดซ์เป็น SnO2 หรือ SnO หรือไม่ การวัดสถานะทางเคมีของดีบุกจึงเป็นสิ่งสำคัญ JAMP-9500F ที่ติดตั้ง HSA สามารถวิเคราะห์สถานะทางเคมีขององค์ประกอบต่างๆ รูปที่ 6 แสดงสเปกตรัมมาตรฐานของ SnO2, SnO และโลหะ Sn

เมื่ออะตอมถูกผูกมัดกับอะตอมอื่น ตำแหน่งพีคจะเปลี่ยน และรูปร่างของสเปกตรัมจะเปลี่ยนไป กล่าวอีกนัยหนึ่ง รูปร่างของสเปกตรัมจะแตกต่างกันไปตามสถานะทางเคมีของธาตุ

ด้วยการใช้สเปกตรัมมาตรฐานเพื่อแยกสเปกตรัมที่ได้จากรูปที่ 5 ทางคณิตศาสตร์ สามารถรับการกระจายโปรไฟล์เชิงลึกตามสถานะทางเคมีได้ ผลของการวิเคราะห์สถานะทางเคมีนี้แสดงในรูปที่ 7

ผลลัพธ์นี้แสดงให้เห็นว่าพื้นผิวประกอบด้วย SnO2 (เตตระวาเลนท์) และ SnO ของดีบุกที่มีสารสองวาเลนต์นั้นมีอยู่ในส่วนต่อประสานกับดีบุกโลหะ

Auger microprobe ท้าทายโลกนาโน

เนื่องจากไมโครโพรบของสว่านมีระบบออปติคัลอิเล็กตรอนที่มีประสิทธิภาพสูง และสามารถจัดลำแสงอิเล็กตรอนให้มีขนาดเล็กมาก ขนาดที่แม่นยำ จึงสามารถวิเคราะห์พื้นที่ขนาดเล็กมาก รวมถึงโครงสร้างตามลำดับที่ 10 นาโนเมตร (หนึ่งถึง 100,000 มม.)

เนื่องจากองค์ประกอบในการแต่งและสถานะทางเคมีของพวกมันในพื้นผิวด้านบนสุดและบริเวณจุลภาคของวัสดุมักจะกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพของเซมิคอนดักเตอร์ เซรามิก และโลหะ ไมโครโพรบของสว่านจึงมีบทบาทสำคัญในการวิเคราะห์พื้นผิวและการวิเคราะห์พื้นที่ขนาดเล็กมาก และเป็นที่คาดหวัง เพื่อเพิ่มความสำคัญในอนาคต