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Article

1 - IMAGES ET CONTRASTES

2 - RÉSOLUTION SPATIALE ET PROFONDEUR DE CHAMP

3 - PRÉPARATION D’ÉCHANTILLON

  • 3.1 - Matériaux métalliques
  • 3.2 - Matériaux non métalliques
  • 3.3 - Échantillons biologiques

4 - NOUVEAUX DÉVELOPPEMENTS EN MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUE À BALAYAGE

5 - APPLICATIONS

6 - CONCLUSIONS

7 - PERSPECTIVES

| Réf : P866 v1

Résolution spatiale et profondeur de champ
Microscopie électronique à balayage - Images, applications et développements

Auteur(s) : Henri PAQUETON, Jacky RUSTE

Date de publication : 10 mars 2006

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Auteur(s)

  • Henri PAQUETON : Ingénieur civil des Mines ; docteur-ingénieur, - Maître de Conférences au service des matériaux industriels du Conservatoire National des Arts et Métiers

  • Jacky RUSTE : Ingénieur INSA, docteur-ingénieur, ingénieur senior, - EDF Recherches et Développement, - Centre des Renardières, département Matériaux et Mécanique des Composants

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INTRODUCTION

Lette seconde partie sur la microscopie électronique à balayage présente la formation des images, les sources de contrastes, les récents développements de l’instrument et les diverses applications.

Comme la source principale du contraste résulte de la grande variation de l’intensité de l’émission électronique secondaire en fonction de l’angle d’incidence du faisceau primaire, l’image courante en électrons secondaires visualise le microrelief de l’échantillon.

Avec un excellent pouvoir séparateur, souvent inférieur à 5 nm, et une grande profondeur de champ, elle permet d’observer finement la topographie de nombreux types de surfaces en génie des matériaux (ruptures, dépôts, surfaces corrodées, échantillons de microstructures révélées par une préparation appropriée,...), en génie des microcomposants électroniques et en biologie.

Les images acquises par balayage, sous forme numérique, se prêtent très facilement au traitement et à l’analyse d’image.

De nombreuses observations complémentaires, fondées sur d’autres contrastes significatifs, sont réalisables sur certains types d’échantillons avec un pouvoir séparateur moindre :

  • imagerie de contraste chimique, de contraste cristallin, de contraste magnétique sur des échantillons quasi-plans de nombreux matériaux solides ;

  • imagerie en contraste de potentiel et en courant induit pour les semi‐ conducteurs et les microcircuits ;

  • microanalyse élémentaire locale par spectrométrie des rayons X ou par repérage de traces élémentaires par cathodoluminescence.

Depuis quelques années, une nouvelle génération d’instruments est venue compléter les microscopes classiques, en permettant de placer les échantillons observés dans un vide partiel peu élevé (microscopes à pression contrôlée et microscopes à chambre environnementale), ce qui a permis d’étendre les possibilités d’observation aux matériaux non conducteurs, à la matière « molle », aux micro-organismes vivants, etc.

Nota :

Le dossier « Microscopie électronique à balayage » se compose de trois parties :

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-p866


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2. Résolution spatiale et profondeur de champ

2.1 Pouvoir séparateur

L’image principale est associée aux électrons secondaires. Le pouvoir séparateur p, qui caractérise la résolution spatiale latérale, est la plus petite distance sur l’objet dont les points conjugués sur l’image sont distincts. Deux points de l’image ne sont réellement distincts que si les zones d’émergence des électrons secondaires recueillis associées à chaque point le sont également effectivement et si le contraste relatif est suffisant.

Pour optimiser le pouvoir séparateur, il faut donc le plus possible :

  • réduire le diamètre du pinceau électronique incident (appelé aussi diamètre du spot ou de la sonde électronique) ;

  • limiter les sources d’élargissement de la zone d’émergence des électrons secondaires ;

  • conserver une intensité électronique suffisante pour que le contraste significatif dépasse suffisamment le bruit de fond électronique de la détection.

Le pouvoir séparateur reste difficile à mesurer avec exactitude, mais on estime généralement qu’en électrons secondaires, il reste inférieur au double du diamètre de la sonde électronique incidente.

Pour des réglages analogues, le pouvoir séparateur est d’autant plus élevé que la brillance de la source d’électrons est élevée. Avec les microscopes actuels, on obtient couramment :

  • 5 nm avec un filament de tungstène comme source ;

  • 3 nm avec LaB6 ;

  • 0,5 à 2,5 nm avec un canon à émission de champ.

Mais il est évident que la résolution n’est appréciable que si le contraste provoqué par la surface est suffisant.

La résolution pratique dépend des qualités propres au microscope (optimisation de la brillance du canon à électrons, minimisation des aberrations résiduelles des lentilles et optimisation de l’électronique de détection des électrons secondaires), mais aussi de l’échantillon observé pour lequel l’opérateur doit optimiser le réglage.

À tension d’accélération donnée, il importe de réduire la dimension du spot tout en conservant une intensité incidente suffisante pour obtenir un taux d’électrons secondaires...

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