Bab 2 Scanning Electron

Microscope (SEM)

1

• SEM : instrumen paling serbaguna untuk pemeriksaan dan analisis struktur mikro, morfologi dan karakterisasi komposisi kimia.

• Mikroskop elektron memanfaatkan sifat gelombang dari elektron berkecepatan tinggi

• Mikroskop elektron dikembangkan karena keterbatasan Mikroskop Cahaya yang dibatasi oleh sifat fisik cahaya (perbesaran hingga 500x atau 1000x dan resolusi 0,2 mm.)

2

Optical Microscope vs SEM

3

Struktur mikro mulai dari struktur kristal hingga

komponen mesin (Si3N4)

Skala dan Teknik Mikroskopi

4

Mag Depth of Field Resolution

OM: 4x – 1000x 15.5mm -0.19mm ~ 0.2 mm

SEM:10x – 500Kx 4mm – 0.4 mm 1 – 10 nm

• SEM memiliki kedalaman bidang yang besar, yang

memungkinkan sejumlah besar sampel menjadi fokus pada

satu waktu dan menghasilkan gambar yang merupakan

representasi yang baik dari sampel tiga dimensi.

• SEM juga menghasilkan gambar dengan resolusi tinggi,

yang berarti bahwa fitur yang dekat dapat diperiksa pada

perbesaran tinggi.

5

1. Topografi Permukaan fitur dari suatu objek atau "tampilannya", teksturnya; hubungan langsung antara fitur-fitur ini dan sifat-sifat material 2. Morfologi Bentuk dan ukuran partikel yang membentuk objek, hubungan langsung antara struktur dan sifat material ini 3. Komposisi Unsur dan senyawa yang terdiri dari objek dan jumlah relatifnya; hubungan langsung antara komposisi dan sifat material 4. Informasi Kristalografi Bagaimana atom-atom diatur dalam objek; hubungan langsung antara pengaturan ini dan sifat-sifat material

Informasi Karakteristik

6

Kombinasi perbesaran yang lebih tinggi, kedalaman bidang yang lebih besar, resolusi yang lebih besar dan informasi komposisi dan kristalografi menjadikan SEM salah satu instrumen yang paling banyak digunakan di bidang penelitian dan industri, terutama di industri semikonduktor.

7

Why SEM?

Mata tanpa bantuan dapat membedakan objek yang berada di sekitar sudut visual 1/60 °, sesuai dengan resolusi ~ 0,1 mm (pada jarak pandang optimal 25 cm).

Mikroskop optik memiliki batas resolusi ~ 2.000 Å dengan

memperbesar sudut visual melalui lensa optik

8

SEM mirip dengan sebuah televisi. Filamen digunakan untuk mendapatkan elektron, selanjutnya magnet dipakai untuk memindahkannya, dan detektor berfungsi seperti kamera untuk menghasilkan gambar

DETAIL DARI MIKROSKOP ELEKTRON

9

Resolusi and Persamaan Abbe

Batas resolusi didefinisikan sebagai

jarak minimum dimana dua struktur dapat

dipisahkan dan masih muncul sebagai dua objek yang berbeda

Pada panjang gelombang tertentu, ketika resolusi melebihi batas, gambar yang

diperbesar menjadi kabur.

Ernst Abbe [1] membuktikan bahwa batas

resolusi tergantung pada

panjang gelombang

sumber penerangan.

10

• Pembentukan gambar dalam SEM tergantung pada perolehan sinyal yang dihasilkan dari berkas elektron dan interaksi spesimen

• Ada dua kategori luas untuk menggambarkan hamburan elektron: - Elastik: Elektron yang hambur balik - tidak elastis: Elektron sekunder

Interaksi ini dapat dibagi menjadi dua kategori utama:

Interaksi elastis:

Backscattered electrons

Interaksi tidak elastis:

Secondary electron

Deteksi dan Tampilan Sinyal

11

Electron Detectors

12

Hasil hamburan elastis dari defleksi elektron yang terjadi oleh inti atom spesimen atau

oleh elektron kulit terluar dari energi yang sama

ditandai dengan hilangnya energi yang dapat diabaikan selama

tumbukan dan oleh perubahan arah lebar

sudut dari elektron yang tersebar

elektron yang tersebar secara elastis melalui sudut lebih dari 90 ° disebut elektron backscattered (BSE), dan menghasilkan sinyal yang berguna

untuk pencitraan sampel

13

Hamburan tidak elastis terjadi melalui berbagai interaksi antar elektron dan elektron-elektron dengan atom-atom

sampel, dan menghasilkan berkas elektron utama yang mentransfer energi

besar ke atom itu.

Jumlah kehilangan energi tergantung pada apakah elektron spesimen

tereksitasi sendiri-sendiri atau bersama-sama dan pada energi ikat elektron ke

atom.

eksitasi elektron spesimen selama ionisasi atom mengarah ke elektron sekunder (SE) , yang secara konvensional didefinisikan memiliki energi kurang dari 50 eV dan dapat digunakan untuk gambar atau

menganalisis sampel sejumlah sinyal lain dihasilkan

ketika berkas elektron mengenai sampel, termasuk

emisi sinar-X , elektron Auger, 14

Backscattered Electrons

Backscattered electron (BSE) muncul karena tumbukan elastis antara

elektron yang masuk dan inti atom target (mis. Hamburan Rutherford).

Semakin tinggi Z, semakin banyak BSE yang dipancarkan.

Seperti namanya, hamburan elastis menghasilkan sedikit (<1 eV) atau

tidak ada perubahan energi dari elektron yang tersebar, meskipun ada

perubahan dalam momentum (p).

Karena p = mv dan massa elektron tidak berubah, arah vektor

kecepatan harus berubah. Sudut hamburan dapat berkisar dari 0

hingga 180 °.

15

Detektor

Karena BSE memiliki energi tinggi, mereka tidak dapat ditarik

seperti secondary electron (SE).

Detektor yang paling umum digunakan disebut detektor

penghalang permukaan. Terletak di atas sampel, di bawah lensa

objektif. BSE yang mengenai detektor akan terdeteksi..

16

Detektor penghalang permukaan adalah perangkat yang terbuat dari bahan semikonduktor. Bahan semikonduktor memiliki pita valensi terisi dan pita konduksi kosong - mirip dengan bahan keramik.

Urutan Deteksi

1. Ketika elektron BSE mengenai detektor, elektron dalam material berpindah dari valensi ke pita konduksi.

2. Elektron sekarang bebas bergerak di pita konduksi atau jatuh kembali ke pita valensi. 3. Jika potensial diterapkan, e- dan e + dapat dipisahkan, dikumpulkan, dan arus diukur.

Kekuatan dari arus sebanding dengan jumlah BSE yang mengenai detektor

17

Interaction of Electron with Samples

Beberapa sinyal yang dihasilkan oleh interaksi berkas elektron-spesimen di mikroskop elektron pemindaian dan daerah dimana sinyal dapat dideteksi.

18

Ketika elektron menabrak permukaan spesimen, elektron-elektron menembus ke dalam sampel sampai jarak tertentu

dan bertabrakan dengan atom spesimen..

berkas elektron primer menghasilkan apa yang dikenal sebagai daerah eksitasi primer atau volume interaksi,

dimana berbagai sinyal dihasilkan

Ukuran dan bentuk zona ini sangat tergantung pada berkas energi elektron, nomor atom, dan kepadatan spesimen.

19

Nomor atom rendah Nomor atom tinggi

Pengaruh tegangan akselarasi dan nomor atom pada volume interaksi

20

pengaruh

• Volume dan kedalaman penetrasi meningkat dengan meningkatnya energi sinar.

• dan turun dengan meningkatnya nomor atom spesimen karena spesimen dengan nomor atom yang lebih tinggi memiliki lebih banyak partikel untuk menghentikan penetrasi elektron.

21

Salah satu pengaruh volume interaksi pada

akuisisi sinyal

tegangan akselerasi tinggi

akan menghasilkan panjang penetrasi yang dalam dan wilayah eksitasi

primer yang besar

menyebabkan hilangnya informasi

permukaan yang terperinci dari

sampel

22

SEM dari struktur close-packed opal CaF2, yang diambil dengan berbagai tegangan akselerasi: (a) 1 kV dan (b) 20 kV.

23

Elektron sekunder

Sinyal yang paling banyak digunakan yang dihasilkan oleh interaksi berkas elektron primer dengan spesimen adalah

sinyal emisi elektron sekunder.

Ketika berkas primer menabrak permukaan sampel, maka akan terjadi ionisasi atom spesimen, sehingga ikatan elektron

lepas dan dapat dipancarkan sebagai elektron sekunder

Karena energi yang dimiliki rendah, biasanya sekitar 3-5 eV, sehingga hanya dapat berpindah dari suatu daerah dalam

beberapa nanometer dari permukaan material.

memberikan informasi topografi dengan resolusi yang baik.

24

Secondary Electron

Karena energinya yang rendah, elektron sekunder mudah

tertarik ke detektor yang membawa bias

tertentu

Detektor Everhart – Thornley (ET) adalah pengumpul standar

untuk elektron sekunder di sebagian

besar SEM

Elektron sekunder digunakan untuk kontras topografi dalam SEM, yaitu untuk visualisasi

tekstur dan kekasaran permukaan

25

• Elektron-elektron ini muncul karena tabrakan inelastik antara elektron primer (berkas sinar) dan elektron yang terikat secara longgar dari pita konduksi (lebih mungkin) atau elektron valensi yang terikat erat.

• Interaksi bersifat Coulombic dan elektron yang dikeluarkan biasanya memiliki ˜ 5 - 10 eV.

• 50 eV adalah memotong sewenang-wenang di bawahnya yang dikatakan sebagai elektron sekunder

elektron sekunder

26

• Elektron sekunder adalah elektron energi rendah sehingga dapat dengan mudah dikumpulkan dengan menempatkan tegangan positif (100 - 300V) di bagian depan detektor. Karena ini memungkinkan terkumpulnya sejumlah besar elektron sekunder (50 - 100%), menghasilkan jenis gambar "3D" dari sampel dengan kedalaman bidang yang besar.

• Jenis detektor yang digunakan disebut tabung scintillator / photomultiplier.

Detektor

27

1. Elektron sekunder (SE) dipercepat ke depan detektor dengan tegangan bias 100 - 500 eV.

2. Kemudian dipercepat ke scintillator dengan bias 6 - 12 keV, (10KeV normal). 3. Scintillator adalah plastik atau kaca yang diolah dengan bahan fluorescent

(mis. Europium). Lapisan tipis Al (700Å) menutupinya untuk mencegah cahaya menyebabkan fluoresensi. Potensi 10keV memungkinkan SE untuk melewati Al dan fluoresensi.

4. Foton cahaya bergerak turun ke tabung (pemandu) ke fotokatoda yang mengubahnya menjadi elektron

5. Elektron bergerak melalui detektor, menghasilkan lebih banyak elektron ketika mereka mengenai dinode. elektron output kemudian terdeteksi.

Urutan Deteksi

28

Gambar topografi tergantung pada berapa banyak elektron sekunder yang benar-benar mencapai detektor.

Sinyal elektron sekunder dapat menyelesaikan struktur permukaan hingga ke 10 nm atau lebih baik

Meskipun sejumlah elektron sekunder dihasilkan dari interaksi sinar primer spesimen, tetapi hanya elektron yang mencapai detektor yang akan berkontribusi pada gambar akhir.

Elektron sekunder yang terhalang mencapai detektor menghasilkan bayangan atau lebih gelap dibandingkan daerah-daerah yang memiliki jalur elektron tidak terhalang ke detektor.

29

Pengaruh topografi permukaan dan posisi detektor pada deteksi elektron sekunder

30

Terlihat jelas dalam diagram bahwa topografi juga mempengaruhi zona emisi elektron sekunder.

Ketika permukaan spesimen tegak lurus terhadap sinar, zona

tempat elektron sekunder dipancarkan

lebih kecil daripada yang ditemukan ketika

permukaan dimiringkan.

Elektron dengan tegangan rendah akan

menghasilkan elektron sekunder di daerah permukaan,

yang akan mengungkapkan

informasi struktur yang lebih rinci pada permukaan sampel

31

Backscattered Electrons

A

• SEM dengan deteksi BSEs akan menghasilkan gambar yang memberikan informasi komposisi dan topografi

B

• BSE didefinisikan elektron yang telah mengalami satu atau beberapa peristiwa hamburan dan lolos dari permukaan dengan energi lebih besar dari 50 eV

C

• Tabrakan elastis antara elektron dan inti atom spesimen menyebabkan elektron bangkit kembali dengan perubahan arah sudut lebar

32

D • Kira-kira 10-50% dari

berkas elektron tersebar ke sumbernya, dan rata-rata elektron ini menyimpan 60–80% dari energi awal

mereka.

E • Unsur-unsur dengan

nomor atom yang lebih tinggi memiliki muatan lebih positif pada inti, sehingga, lebih banyak elektron yang tersebar kembali yang berdampak pada jumlah sinar yang tersebar lebih banyak

F • tergantung pada

nomor atom sampel, nomor atom memberikan perbedaan gambar SEM

33

Sebagai contoh, hasil BSE adalah ~ 6% untuk elemen

ringan seperti karbon, sedangkan ~ 50% untuk elemen yang lebih berat

seperti tungsten atau emas.

Karena fakta bahwa BSE memiliki energi yang

besar, yang mencegah mereka diserap oleh

sampel, wilayah spesimen tempat BSE diproduksi

jauh lebih besar daripada elektron sekunder.

Untuk alasan ini resolusi lateral gambar BSE jauh

lebih buruk (1,0 μm) daripada gambar

elektron sekunder (10 nm).

34

Gambar batang nano Ni / Au yang dibentuk oleh (a) sinyal elektron sekunder dan (b) BSE

35

Sifat sinar-X

Sinyal lain yang dihasilkan oleh interaksi berkas elektron primer dengan spesimen adalah sinar-X

Analisis sifat sinar-X menghasilkan informasi kimia yang merupakan teknik analisis mikro yang paling banyak digunakan dalam analisis SEM atau EDX

Ketika elektron di kulit dalam berpindah karena tabrakan dengan elektron primer, elektron kulit luar dapat jatuh ke kulit dalam untuk membangun kembali keseimbangan muatan yang tepat di orbitalnya mengikuti peristiwa ionisasi

36

Elektron lainnya

Elektron Auger Cathodo

luminescence Elektron yang ditransmisikan

Arus pada Specimen

37

38

1 • Electron Guns

2 • Lensa Elektron

3 • Kolom Parameters

4 • Formasi Gambar

5 • Sistem vakum

Komponen Utama SEM

39

40

41

Elektron Gun ada di kolom bagian atas , menghasilkan elektron dan mempercepatnya ke tingkat energi 0,1–30

keV.

Diameter berkas elektron yang dihasilkan oleh hairpin tungsten gun terlalu besar untuk membentuk gambar

beresolusi tinggi

lensa dan lubang elektromagnetik digunakan untuk memfokuskan dan menentukan berkas elektron dan

untuk membentuk titik elektron yang difokuskan pada spesimen

Proses ini mendegradasi ukuran sumber elektron (~ 50 μm untuk filamen tungsten) hingga ke ukuran titik

akhir yang diperlukan (1–100 nm).

lingkungan vakum tinggi, memungkinkan perjalanan elektron tanpa hamburan udara

Dudukan spesimen, gulungan pemindai berkas elektron, deteksi sinyal, dan sistem pemrosesan

menyediakan pengamatan real-time dan rekaman gambar permukaan spesimen.

Electron Guns

Sistem SEM modern mensyaratkan bahwa

elektron gun menghasilkan……..

berkas elektron

stabil dengan arus

tinggi

Ukuran titik kecil

Energi yang dapat diatur

Energi dispersi

kecil

42

dalam SEM ada tiga jenis

electron gun

tungsten “hairpin”

lanthanum hexaboride

(LaB6) cathodes

field emission sources

43

1. Tungsten Electron Guns Tungsten elektron Gun telah digunakan lebih dari 70 tahun dan berbiaya rendah di banyak aplikasi, terutama untuk pencitraan dengan pembesaran rendah dan analisis mikro sinar-x

Skema elektron gun tipe tungsten termionik

Terdiri dari tiga bagian: 1.filamen tungsten hairpin berbentuk V (katoda), 2.silinder Wehnelt, dan 3.anoda,

44

Filamen berbentuk V dipanaskan sampai suhu lebih dari 2.800 K , sehingga elektron dapat

keluar dari permukaan ujung filamen.

Potensial negatif (0,1–30 kV) diaplikasikan pada tungsten dan silinder Wehnelt dengan

suplai tegangan tinggi.

anoda digroundkan, medan listrik antara filamen dan pelat anoda mempercepat elektron menuju

anoda

Potensial sedikit negatif antara silinder Wehnelt dan filamen disebut "bias," memberikan

ekuivalen melengkung tajam di dekat aperture silinder Windehelt menghasilkan fokus dari

berkas elektron.

2. Lanthanum Hexaboride Guns, LaB6

Alternatif untuk filamen tungsten adalah filamen LaB6

memiliki fungsi kerja yang lebih rendah (2,4 eV) daripada tungsten (4,5 eV). Ini berarti LaB6 dapat memberikan >>> emisi elektron yang lebih kuat pada suhu pemanasan yang sama.

elektron gun LaB6 memberikan kecerahan 5 hingga 10 × lebih besar dan masa pakai yang lebih lama dibandingkan dengan tungsten konvensional gun

45

Keuntungan LaB6 electron gun

area emisi efektif jauh lebih kecil daripada tungsten

electron konvensional gun, sehingga mengurangi ukuran

spot sinar elektron

berkas elektron yang dihasilkan oleh elektron Gun LaB6 memiliki

penyebaran energi lebih kecil, penyimpangan kromatik lebih kecil dengan resolusi gambar

SEM lebih tinggi.

46

(A) gambar SEM dari elektron gun LaB6 dan (b) gambar pembesaran yang lebih tinggi, bintik-bintik kontaminasi kecil mudah dikenali

47

3. Field Emission Guns

48

(a) Sumber Field emisi dengan ujung tajam, (B) gambar pembesaran yang lebih tinggi; dan (c) diagram skematik dari sumber FEG. Kedua anoda berfungsi sebagai lensa elektrostatik untuk membentuk berkas elektron.

Tegangan V1 dengan beberapa kilovolt antara ujung dan anoda pertama dipakai untuk mengekstraksi elektron dari ujung, dan V0 adalah tegangan percepatan

Dua anoda digunakan dalam sistem FEG

Pada sistem ini, medan listrik yang kuat terbentuk pada ujung yang halus, dan elektron ditarik ke arah anoda

dalam FEG, sumber elektron berasal dari kawat tungsten kristal tunggal dengan ujung sangat tajam dan dibuat dengan etsa elektrolitik.

Tiga jenis FEGs yang dipakai pada SEM

1.cold field emission (CFE)

sources

2.thermal field emission (TFE)

sources

3.Schottky emitters (SE)

49

1. Cold Field

Emission (CFE)

a. “cold field” berarti sumber elektron bekerja pada temperatur ruang.

b. Emisi elektron dari CFE murni tergantung pada

medan listrik yang diaplikasikan antara anoda

dan katoda

c. Meskipun arus berkas elektron yang dipancarkan

sangat kecil, kecerahan yang tinggi masih dapat dicapai karena diameter

berkas elektron dan area emisi kecil

d. "flashing sebuah operasi dengan memanaskan ujung field emission sampai suhu lebih dari 2.000 K selama

beberapa detik untuk membersihkan gas yang

terserap di ujung

50

2.thermal field emission (TFE) sources

Dioperasilan pada temperatur tinggi

suhu mengurangi penyerapan molekul gas dan menstabilkan emisi berkas elektron bahkan ketika terjadi degradasi

vakum

51

1 • Kinerja sumber SE dan CFE lebih unggul dari sumber termionik

dalam hal kecerahan, ukuran sumber, dan masa pakai

2 • Sumber SE lebih disukai daripada sumber CFE karena

stabilitasnya lebih tinggi dan pengoperasiannya lebih mudah

3

• area emisi (pemancar) sumber SE sekitar 100 × lebih besar dari sumber CFE, dan mampu menghasilkan 50 × arus emisi lebih tinggi daripada CFE pada penyebaran energi yang sama

52

Berkas elektron dapat difokuskan oleh medan listrik statis atau magnet

berkas elektron yang dikendalikan oleh medan magnet memiliki penyimpangan yang lebih kecil, sehingga hanya

sistem medan magnet yang digunakan dalam SEM

Gulungan kawat, yang dikenal sebagai "elektromagnet," digunakan untuk menghasilkan medan magnet dan

lintasan elektron dapat disesuaikan dengan arus yang diterapkan pada gulungan ini

Lensa elektron dapat digunakan untuk memperbesar atau mendegradasi diameter berkas elektron, karena

kekuatannya bervariasi maka panjang fokus juga bervariasi

53

Electron Lenses

Condenser Lenses

Lensa magnetik umumnya terdiri dari dua buah kutub besi yang berputar simetris di

mana ada belitan tembaga yang menyediakan medan magnet

Ada lubang di tengah potongan kutub yang memungkinkan berkas elektron untuk

melewatinya. Celah lensa memisahkan dua potongan kutub, di mana medan magnet

memfokuskan berkas elektron.

Posisi titik fokus dapat dikontrol dengan menyesuaikan arus lensa

kondensor

Bukaan kondensor, dikaitkan dengan lensa kondensor, dan titik fokus dari berkas elektron berada

di atas bukaan 54

Diagram yang menunjukkan bagaimana elektron bergerak melalui lensa kondensor dan bukaan kondensor.

* Banyak elektron yang tidak homogen atau tersebar ditahan oleh lubang kondensor. 55

Objective Lenses

Berkas elektron akan menyimpang di bawah bukaan kondensor

Lensa objektif digunakan untuk memfokuskan berkas elektron ke titik pemeriksaan di permukaan spesimen dan untuk memasok demagnifikasi lebih lanjut.

Pilihan demagnifikasi lensa dan ukuran bukaan yang tepat menghasilkan pengurangan diameter berkas elektron pada permukaan spesimen (ukuran spot), dan meningkatkan resolusi gambar.

56

Tiga desain objective

lenses

Asymmetric pinhole lens

Symmetric immersion lens

Snorkel lens

57

konfigurasi lensa objektif: (a) lensa lubang jarum asimetris (asymmetric pin hole lens), memiliki penyimpangan lensa besar; (b) lensa imersi simetris (symmetric imersion lens), di mana spesimen kecil dapat diamati dengan simpangan lensa kecil; dan (c) lensa snorkeling, 58

Asymmetric pinhole lens or Conical lens

adalah lensa objektif yang paling umum

Lubang sangat kecil pada kutub, menjaga medan magnet di dalam

lensa dan menyediakan daerah bebas medan magnet di atas spesimen untuk mendeteksi

elektron sekunder.

konfigurasi ini memiliki penyimpangan lensa besar

59

Symmetric immersion lens

spesimen ditempatkan di dalam lensa, yang dapat mengurangi panjang fokus secara signifikan

Konfigurasi ini memberikan simpangan lensa terendah karena

simpangan lensa berbanding langsung dengan panjang fokus.

Tetapi ukuran spesimen tidak boleh lebih dari 5 mm.

60

Snorkel lens

menghasilkan medan magnet yang kuat yang meluas ke

spesimen.

memiliki kelebihan dari lensa pin hole dan lensa immersion, menggabungkan simpangani

lensa rendah dengan mengijinkan spesimen besar.

konfigurasi ini dapat mengakomodasi dua detektor elektron sekunder (detektor

konvensional dan dalam-lensa)

61

Column Parameters

62

ukuran spot dan sudut konvergensi berkas α bukan satu-satunya faktor yang berhubungan langsung

dengan resolusi dan kedalaman fokus gambar SEM

parameter lain seperti energi berkas elektron, arus lensa, ukuran apertur, jarak kerja (WD), dan

penyimpangan lensa elektron kromatik dan akromatik

Sudut konvergensi berkas

63

Aperture

Aperture digunakan untuk menahan elektron yang tersebar dan digunakan untuk mengontrol penyimpangan bola pada lensa akhir

Ada dua jenis aperture

satu di dasar lensa akhir dan dikenal sebagai real aperture

dikenal sebagai virtual aperture dan ditempatkan

di berkas elektron pada titik di atas lensa akhir.

64

65

• Karena elektron yang berasal dari elektron gun telah menyebar dalam energi kinetik dan arah gerakan, maka sulit untuk difokuskan ke bidang yang sama untuk membentuk titik yang tajam.

• Dengan memasukkan aperture, elektron-elektron liar diblokir dan berkas sempit yang tersisa akan sampai pada “Disc of Least Confusion” yang sempit.

bentuk dan ketajaman tepi berkas dipengaruhi oleh real aperture.

virtual aperture, membatasi berkas elektron

virtual aperture ditemukan pada sebagian besar sistem SEM modern.

66

Mengurangi ukuran aperture akan mengurangi sudut berkas α untuk WD yang sama

menghasilkan peningkatan kedalaman bidang dan penurunan arus dalam pemeriksaan akhir

67

Gambar 1.16. SEM pertumbuhan cabang batang nano ZnO yang diambil dengan ukuran aperture berbeda: (a) 30μm dan (b) 7.5μm. Peningkatan kedalaman bidang (depth of field) lihat lingkaran putus-putus

68

Serangkaian kumparan yang mengelilingi berkas elektron, disebut sebagai "stigmator," dapat digunakan untuk memperbaiki astigmatisme dan mencapai gambar dengan resolusi lebih tinggi.

69

Depth of Field

Bagian gambar yang tampak dan fokus disebut “kedalaman bidang.”

Fokus

Terlalu fokus

Kurang fokus

70

Sinar elektron dengan sudut konvergensi (α) lebih kecil memberikan depth field lebih lebar, karena perubahan ukuran titik kurang signifikan di sepanjang arah sinar untuk berkas elektron yang tajam

Disamping aperture size, WD akan mempengaruhi depth field.

71

o Pada WD yang lebih panjang, dengan kerucut sempit berkas elektron menghasilkan peningkatan kedalaman bidang.

o panjang WD tidak berarti resolusi tinggi o Depth field sangat penting pada pengamatan

spesimen dengan variasi topografi yang besar

72

Gambar 1.20 susunan selaras Co-doped ZnO nanowires yang dibuat dengan endapan uap kimia, memperlihatkan peningkatan depth field dengan penambahan jarak kerja Working Distance (WD) dari (a) 3mm s/d (b) 12 mm diperlihatkan dengan lingkaran putus-putus

73

Image Formation

Interaksi kompleks terjadi ketika berkas elektron menimpa permukaan spesimen dan membangkitkan berbagai sinyal untuk pengamatan SEM

Elektron sekunder, BSE, elektron yang ditransmisikan, atau arus spesimen semuanya dapat dikumpulkan dan ditampilkan

Untuk mendapat informasi mengenai komposisi spesimen, maka dilakukan analisis terhadap x-ray tereksitasi atau elektron Auger

74

Pembuatan Signal

Interaksi berkas elektron dengan spesimen terjadi dalam volume eksitasi di bawah permukaan spesimen

Kedalaman volume interaksi tergantung pada komposisi spesimen padat, energi berkas elektron, dan sudut datang.

Dua macam proses hamburan yaitu proses elastis dan non elastik,

75

Hamburan elastis merupakan hasil dari produksi BSEs

Hamburan non elastik - elektron sekunder yang tereksitasi sepanjang volume interaksi. Energi< 50 eV

Sebaliknya, BSE dapat berasal dari kedalaman yang lebih besar di bawah permukaan spesimen.

Sinar-x dieksitasi /dibangkitkan selama interaksi berkas elektron dengan spesimen selain elektron Auger, cathodoluminescence, elektron yang ditransmisikan,

76

Scanning Coils • berkas elektron difokuskan ke titik pemeriksaan pada permukaan spesimen dan

membangkitkan sinyal yang berbeda untuk pengamatan SEM. • untuk membentuk gambar, titik pemeriksaan harus dipindahkan dari satu

tempat ke tempat lain oleh scanning system y • Tetapi informasi ini hanya datang dari satu titik

Sistem pembentukan gambar dalam SEM 77

Scanning coils digunakan untuk membelokkan berkas elektron sehingga dapat memindai permukaan spesimen sepanjang sumbu x atau y

Beberapa detektor digunakan untuk mendeteksi sinyal yang berbeda: • detektor BSE solid state untuk BSE • detektor ET untuk sekunder dan BSE • spektrometer sinar-x untuk karakteristik sinar-X • photomultipliers untuk cathodoluminescence

Sinyal yang terdeteksi diproses dan diproyeksikan pada layar CRT atau kamera

78

Detektor Secondary Electron

Pengembangan SEM menjadi kenyataan komersial, dilakukan Everhart dan Thornley (ET) - detektor untuk SEs

Perangkat ET terdiri dari tiga

komponen

1. scintillator yang mengubah sinyal elektron menjadi

cahaya

2. pipa untuk mentransfer

cahaya

3. PMT yang mengubah sinyal cahaya kembali menjadi sinyal

elektron

79

Contrast Formation

Komposisi spesimen Topografi specimen

• Jumlah elektron sekunder meningkat ketika jumlah atom spesimen meningkat, karena emisi elektron sekunder tergantung pada kerapatan elektron dari atom spesimen.

• Produksi BSE juga meningkat dengan jumlah atom spesimen

Komposisi

80

kontras sinyal elektron sekunder dan sinyal BSE dapat memberikan informasi tentang komposisi spesimen

Sinyal BSE menghasilkan kontras yang lebih baik terkait dengan variasi komposisi spesimen

Mikrograf elektron sekunder dari nikel yang diendapkan secara elektrik pada membran CaF2 close-packed 1 μm

81

Topografi

• Dalam deteksi elektron sekunder, jumlah elektron yang terdeteksi dipengaruhi oleh topografi permukaan spesimen

• Pengaruh topografi pada kontras gambar adalah hasil dari posisi relatif dari detektor, spesimen, dan berkas elektron yang datang.

82

Topografi permukaan juga dapat mempengaruhi efisiensi emisi elektron sekunder.

emisi elektron sekunder akan meningkat secara signifikan di ujung puncak permukaan

83

Memiringkan spesimen, akan mengubah sudut datangnya berkas elektron pada permukaan spesimen, akan mengubah daerah tereksitasi dan juga mengubah daerah emisi efektif elektron sekunder.

Secara umum sudut kemiringan yang besar akan berkontribusi pada peningkatan emisi elektron sekunder

84