Malzeme Karakterizasyonu ve X Işınları Elektron Taramalı Mikroskop (SEM) 1 1.ELEKTRON TARAMALI MİKROSKOP (SEM) İnsan gözünün çok ince ayrıntıları görebilme olanağı sınırlıdır. Bu nedenle görüntü iletimini sağlayan ışık yollarının merceklerle değiştirilerek, daha küçük ayrıntıların görülebilmesine olanak sağlayan optik cihazlar geliştirilmiştir. Ancak bu cihazlar, gerek büyütme miktarlarının sınırlı oluşu gerekse elde edilen görüntü üzerinde işlem yapma imkânının olmayışı nedeniyle araştırmacıları bu temel üzerinde yeni sistemler geliştirmeye itmiştir. Elektronik ve optik sistemlerin birlikte kullanımı ile yüksek büyütmelerde üzerinde işlem ve analizler yapılabilen görüntülerin elde edildiği cihazlar geliştirilmiştir. Elektrooptik prensipler çerçevesinde tasarlanmış taramalı elektron mikroskobu (Scanning Electron Microscope-SEM), bu amaca hizmet eden cihazlardan birisidir. Taramalı Elektron Mikroskobu, birçok dalda araştırma-geliştirme çalışmalarında kullanımı yanında, mikro elektronikte yonga üretiminde, sanayinin değişik kollarında hata analizlerinde, biyolojik bilimlerde, tıp ve kriminal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. İlk ticari taramalı elektron mikroskobu 1965'de kullanılmaya başlanmış, bundan sonra teknik gelişmeler birbirini izlemiştir. Taramalı Elektron Mikroskobunda (SEM) görüntü, yüksek voltaj ile hızlandırılmış elektronların numune üzerine odaklanması, bu elektron demetinin numune yüzeyinde taratılması sırasında elektron ve numune atomları arasında oluşan çeşitli girişimler sonucunda meydana gelen etkilerin uygun algılayıcılarda toplanması ve sinyal güçlendiricilerinden geçirildikten sonra bir katot ışınları tüpünün ekranına aktarılmasıyla elde edilir. Modern sistemlerde bu algılayıcılardan gelen sinyaller dijital sinyallere çevrilip bilgisayar monitörüne verilmektedir. Gerek ayırım gücü (resolution), gerek odak derinliği (depth of focus) gerekse görüntü ve analizi birleştirebilme özelliği, taramalı elektron mikroskobunun kullanım alanını genişletmektedir. Örneğin 1000X büyütmede optik mikroskobun odak derinliği yalnızca 0.1 µm iken taramalı elektron mikroskobunun odak derinliği 30 µm. dir. Tablo 1’ de ışık mikroskobu ile elektron mikroskobu özellikleri bakımından karşılaştırılmıştır. 2 Tablo 1. Mikroskopların farklı özellikleri Işık Mikroskobu Elektron Mikroskobu Aydınlatma Kaynağı Görünür ışınlar (?=550 nm) Elektron demeti (?=0.005 nm) Çözünürlük 0.25µm 0.05nm Max büyütme 1400X 300000X Günümüzde modern taramalı elektron mikroskoplarının ayırım gücü 0,05 nm'ye kadar inmiştir. Büyütme miktarı ise 5X - 300 000X arasında değişmektedir. ASELSAN MGEO Ürün Kalitesi Direktörlüğünde, 300 000X büyütme gücüne sahip JEOL 6400 model Taramalı Elektron Mikroskobu ve Tra cor Series II model EDS (Energy-Dispersive Spectroscopy) analiz ünitesinden oluşan bir sistem bulunmaktadır (Şekil.1). Şekil 1. Taramalı elektron mikroskobu 3 1.1. Çalışma Prensibi Taramalı Elektron Mikroskobu Optik Kolon, Numune Hücresi ve Görüntüleme Sistemi olmak üzere üç temel kısımdan oluşmaktadır (Şekil 2). Optik kolon kısmında; elektron demetinin kaynağı olan elektron tabancası, elektronları numuneye doğru hızlandırmak için yüksek gerilimin uygulandığı anot plakası, ince elektron demeti elde etmek için yoğunlaştırıcı mercekler, demeti numune üzerinde odaklamak için objektif merceği, bu merceğe bağlı çeşitli çapta apatürler ve elektron demetinin numune yüzeyini taraması için tarama bobinleri yer almaktadır. Mercek sistemleri elektromanyetik alan ile elektron demetini inceltmekte veya numune üzerine odaklamaktadır. Tüm optik kolon ve numune 10 -4 Pa gibi bir vakumda tutulmaktadır. Görüntü sisteminde, elektron demeti ile numune girişimi sonucunda oluşan çeşitli elektron ve ışımaları toplayan dedektörler, bunların sinyal çoğaltıcıları ve numune yüzeyinde elektron demetini görüntü ekranıyla senkronize tarayan manyetik bobinler bulunmaktadır. Şekil 2. Taramalı elektron mikroskobunun şematik görünüşü 4 1.2. Demet Numune Etkileşimi ve Sonuçları Yüksek voltaj altında ivmelendirilen elektron demeti ile numune arasındaki etkileşim sonuçları Şekil 3'de şematik olarak gösterilmektedir. Bu girişim hacmi su damlası görünümü olarak tanımlanır. Yüksek enerjili demet elektronları numune atomlarının dış yörünge elektronları ile elastik olmayan girişimi sonucunda düşük enerjili Auger elektronları oluşur. Bu elektronlar numune yüzeyi hakkında bilgi taşır ve Auger Spektroskopisinin çalışma prensibini oluşturur. Yine yörünge elektronları ile olan girişimler sonucunda yörüngelerinden atılan veya enerjisi azalan demet elektronları numune yüzeyine doğru hareket ederek yüzeyde toplanırlar. Bu elektronlar ikincil elektron (seconder electrons) olarak tanımlanır. İkincil elektronlar numune odasında bulunan sintilatörde toplanarak ikincil elektron görüntüsü sinyaline çevrilir. İkincil elektronlar numune yüzeyinin 10 nm veya daha düşük derinlikten geldiği için numunenin yüksek çözünürlüğe sahip topografik görüntüsünün elde edilmesinde kullanılır. (a) 5 (b) Şekil 3. Elektron demeti ile numune arasındaki etkileşim Şekil 4' de bronz toz numunesinin topografik görüntüsü görülmektedir. Ayrıca numune atomları ile elektron demeti arasında elastik olmayan girişimler sonucu numunede karakteristik X-ışınları ve sürekli ışımalar da meydana gelmektedir. Karakteristik ışımalar, dalga boyu veya enerji dağılımlı X-ışını analitik sistemlerde değerlendirildiğinde, numunenin kimyasal bileşimi hakkında bilgi vermektedir. Bu yöntem Elektron Mikroskop Analizi olarak bilinir. Şekil 4. Toz metalurjisinde kullanılan bronz tozlarının küçük ve yüksek büyütmelerde topografik görüntüsü 6 Numune üzerine odaklanan elektron demeti, numune atomları ile ayrıca elastik girişimlerde de bulunabilir. Bu girişimlerde demet elektronları, numune atomlarının çekirdeğinin çekim kuvveti ile saptırılarak numune yüzeyinden geri saçılmaktadır. Bu elektronlar geri saçılmış (back scattered) elektronlar olarak tanımlanır ve objektif merceğin altında yer alan özel üç adet silikon dedektörde (A, B, C) toplanarak görüntü oluşumunda kullanılır. Böyle bir görüntü geri saçılmış (back scattered) elektron görüntüsü olarak tanımlanır. Geri saçılmış elektron miktarı, numunenin atom numarasıyla orantılıdır. Bu nedenle geri saçılmış elektron görüntüsü özellikle çok fazlı sistemlerde atom numarası farkına dayanan kontrast içerir. Geri saçılmış elektron dedektöründe sinyaller toplandığında (A+B) atom numarası kontrastına bağlı kompozisyon görüntüsü elde edilir. Eğer sinyal farkı alınarak görüntü elde edilirse (A-B), topografik bileşim görüntüsü oluşur. Ayrıca üçüncü algılayıcı (C), bir açı altında tutulup sinyaller toplandığında (A+B+C) gölge görüntüsü (shadow) de elde edilir. Söz konusu görüntü türlerine örnek Şekil 5' de verilmiştir. Geri saçılmış elektronlar, ikincil elektronlara göre numune yüzeyinin daha derin bölgesinden geldiği için görüntünün ayırım gücü düşük olmaktadır. Bu nedenle geri saçılmış elektron görüntüleri en fazla x2000 büyütmeye kadar olan incelemelerde kullanılmaktadır. a. İkincil elektron görünt b. Kompozisyon görüntüsü Topografik görüntü d.Gölge görüntüsü Şekil 5. PbO sıvı fazında sinterlenmiş ZnO kristalleri 7 1.3. Numune Hazırlama SEM içinde incelenen numuneler iletken olanlar ve olmayanlar şeklinde iki kategoriye ayrılabilir. Numune hazırlama esnasında hesaba katılabilecek faktörler aşağıda verilmiştir: 1. Numunenin büyüklüğü (gerekirse), numuneyi koyacak veya tutacak yere (holders and stages) uyması için küçültülmelidir. 2. Madde SEM içindeki yüksek vakuma karşı koyabilmelidir. Maddenin şekil değişmemeli ve fazla gaz çıkarmamalıdır. Burada soğuk stage yardımcı olabilir. 3. Numune temiz, tozsuz, lekesiz ve yağsız olmalıdır. (Bunların oluşu yük birikimi ve kirlenme etkilerine yol açabilir.) 4. Numunenin altınla kaplanması gibi şeyler ikincil ürünün (secondary yield) az miktarlarda kullanıldığında daha iyi olmasını sağlayabilir. 5. Hazırlama işlemlerinden dolayı yüzey yapının herhangi bir zarar görmesi bazı yüzeysel ayrıntılara yol açacaktır ve bunlar resimleri kaydetme aşamasındaki büyüklükte anlaşılmaya çalışılmalıdır. 6. Ortaya çıkan sonucun hazırlama işleminden dolayı olduğuna şüpheleniliyorsa kontrol numunesi kullanılmalıdır. 7. Numune stub'ı (holder) yer potansiyeli iyi bir elektrik temasında olmalıdır. 8. Numunenin yüzeyi ile numunenin stub'ı arasında iyi bir elektrik teması olmalıdır. Mesela numuneye gümüş-dag gibi iletken boyalar sürülür ve gerekirse numune yeteri kadar kaplanır. 9. Numune stub'ı mümkün olduğunca az backscattered ve secondary elektronlara yol açmalıdır. Genellikle alüminyum stub'lar kullanılır, X ışını mikroanaliz uygulamalarında karbon stub'lar kullanılabilir. 10. Küçük parçacıklar en az background sinyal vermesi için mass foil'e çok iyi monte edilir. Mesela alüminyum halkası üzerinde uzanan naylon film gibi. 11. Numune, numune tutucusuna (stub) iliştirilmeli; böylelikle elektron ışınına maruz bırakıldığında hareket etmez. 12. Mevcut aşama hareketlerini (yan yatırmak, döndürmek, X, Y, Z) kullanılarak bütün yüzeyin çalışılabilmesi için numune, numune tutucuya (stub) iliştirilmelidir. 8 1.3.1. İletkenler ve iletken olmayanlar İletkenler İki gruba ayrılabilir: Metaller: Genellikle mükemmel iletkenlikleri vardır ve hazırlığa ihtiyaçtan yoktur. 10 -10 ohm'dan daha az bir rezistans ile yan-iletken numuneler hazırlıksız incelenebilir. İletken olmayanlar Bu grup elektriksel iletkenliği olmayan tüm numuneleri içine alır. Mesela fiberler, plastikler polymerler, 10 -10 ohm'dan daha büyük bir rezistans ile yan-iletken gibi. Bunlar uçucu ihtiva etmezler. Biyolojik ve botanik numuneler genellikle uçucu ihtiva ederler. 1.3.2. Uçucu olmayanlar, iletken olmayanlar Düşük hızlandırma voltajı kullanılmadan ve numuneyi kaplamasız bırakmadan uygun bir çözünme (resulasyon) elde etmek mümkün değilse şunlar uygulanır: Çoğu uçucu olmayan element ihtiva eden iletken olamayanlar (örnek su) vakum sistemi içinde outgas verecek. Uçucu olmayan element ihtiva eden iletken olmayanları Au, C, Au/Pd, Al gibi birçok ince iletken araç tabakası ile kaplamak yeterlidir. Bu tabaka tipik olarak 20-30 nm kalınlığındadır. Bunun için bazı sebepler vardır: • Numunenin artmış iletkenliği; böylelikle numunenin yüklenmesi en aşağı iner ki bu olay elektron demetinin başka yere yansımasına ve son resmin kötü çıkmasına yol açabilir. • Yükselmiş ısınma durumuna bağlı olarak numunenin yükselmiş mekanik kararlılığı (stability). • Primary ve secondary elektron yayılımın (emission) artması. • Elektron demetinin nüfuz etmesindeki azalma; daha iyi spatial çözünmeye (resulasyon) yol açacak. Şu anda kullanılan iki önemli kaplama tekniği vakum evaporation ve iyon sputtering'dir. Altın genellikle şu sebeplerden dolayı kullanılır: • Yüksek secondary yayılma co-efficient. • Elektronların ve sıcaklığın yüksek iletkenliği. • Oksitlenmezligi. 9 • Evaporited(buharlaştırılmış) yada sputtered parçacıkların iyi taneli olması. Evaporation'la karbon kaplama genellikle X-ışını mikro analizindeki numune üzerine yapıldığı zaman çalışılan madde karbon içermediği takdirde kullanılabilir. Eğer madde karbon içeriyorsa bu durumda alüminyum kullanılabilir. Daha geçenlere kadar taneciği az olduğu için Pt/Pd ve Au/Pd kullanılırdı. Alüminyumda kullanılabilir. Fakat alüminyumun düşük mekanik kuvveti vardır ve oksitlenebilir. 1.4. SEM'de İncelenecek Numunenin Maksimum Boyutları ve Özellikleri SEM' de analiz yapılacak numunenin maksimum boyutları: Eni: max. 7.5 cm Boyu: max. 7.5 cm Yüksekliği: max. 1.5 cm, olmalıdır. Şekil 6. Analiz yapılacak numunenin maksimum boyutları SEM' de incelenecek numunenin maksimum boyutları: Eni: max. 7.5 cm Boyu: max. 7.5 cm Yüksekliği: max. 2 cm, olmalıdır. 10 Şekil 7. İncelenecek numunenin maksimum boyutları 1.5. SEM’de Yapılan Uygulamalar Bir örnek üzerinde açıklayacak olursak; üretimde kullanılan yongalar optik mikroskop altında önceden belirlenmiş hata kriterlerine göre denetlendikten sonra üretime girmektedir. Gerek donatıcı firmalarda yapılan kaynağında denetim, gerekse ASELSAN'da yapılan giriş kalite denetimlerinde birtakım hataların kabul/red kararları optik mikroskop görüntüsü ile verilememektedir. Bu gibi tartışmalı durumlarda elektron mikroskobu incelemesi yoluyla hata hakkında daha fazla bilgi toplanarak kabul/red kararı verilmektedir. Şekil-8a'da bir yonga üzerindeki belirsizliğin optik mikroskopta çekilmiş fotoğrafı ve Şekil 8b'de aynı belirsizliğin elektron mikroskobunda çekilmiş fotoğrafı görülmektedir. (a) (b) Şekil 8. Yonga üzerindeki belirsizlik 11 Fotoğraflardan da anlaşılacağı gibi optik mikroskopta yongada bulunan belirsizliğin ne olduğuna karar verilememekte ve belirsizlik hata kriterleri ile tanımlanamamaktadır. Elektron mikroskobu görüntüsünde ise belirsizliğin yonganın yalıtkan tabakasında bulunan bir süreksizlik olduğu ortaya çıkartılmakta ve yonga red edilebilmektedir. Elektronik üretimde kullanılan çeşitli mekanik ve elektronik malzemenin giriş kalite denetimi sırasında doküman ve standart değerlerini karşılayıp karşılamadığı konusunda elektron mikroskobu ve mikro-analiz incelemeleri yapılmaktadır. Bu incelemelerde iletken ve boyutu elektron mikroskobunun numune haznesine uygun olan örnekler tahribatsız olarak, iletken olmayan örnekler yüzeyde iletkenlik sağlamak üzere plazma tekniği ile çok ince bir altın tabaka ile kaplanarak kullanılmaktadır. Boyutları büyük olan örneklerden ise uygun kesitler alınarak incelemeye tabi tutulmaktadır. Malzemelerin mikroyapı kontrolü, yapılarında bulunan düzensizlikler ve yabancı maddeler elektron mikroskobunda görüntü olarak belirlendikten sonra mikro analiz yapılarak hatanın kaynağı belirlenmektedir. Giriş kalite denetimleri sırasında malzemelerin kaplamalarının tanımlanması, kalitesinin belirlenmesi ve kaplama kalınlıklarının ölçülmesi işlemleri yapılmaktadır. Ayrıca malzemelerin kullanımı sırasında ortaya çıkan hatalardan; mekanik hasar incelemelerinde, yabancı maddelerin yol açtığı hasarın tanımlanmasında, elektrostatik boşalmaların yol açtığı hasarların tanımlanmasında, mikro-çatlakların belirlenmesinde elektron mikroskobu ve donanımları kullanılmaktadır. Taramalı elektron mikroskobu üzerinde bulunan fotoğraf ünitesi ile ekranda incelenen görüntünün fotoğrafı alınabilmekte, elde edilen diğer ölçüm sonuçları ve analiz grafikleri ile birlikte anlaşmazlıkları sonuçlandırmakta somut veri olarak kullanılmaktadır. Şekil 9’da bazı SEM görüntüleri görünmektedir. Demir 10.000 Büyütme 9 mm Kurşun 16 Büyütme 12 İnsan Saçı 450 Büyütme İnsan Saçı 450 Büyütme Kene 484 Büyütme Kene 909 Büyütme Karınca 30 Büyütme Karıncanın Gözü 400 Büyütme Şekil 9. Bazı SEM görüntüleri 13 KAYNAKLAR “Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction, ”S.L. Flegler, J.W. Heckman, K.L. Klomparens, Oxford Univ. Press (1993), ISBN #0-19-510751-9. “Encyclopedia of Materials Characterization,” C.R. Brundle , C.A. Evans, Jr., S. Wilson, Butterworth-Heinemann (1992), ISBN #0-7506-9168-8 http://histemb.medicine.ankara.edu.tr/sunu_ders_notlari.htm http://teknopark.erciyes.edu.tr/teknotr2.htm http://www.istanbul.edu.tr/eng/metalurji/sem.htm http://www.jeol.com/sem_gde/tbcontd.html http://www.unl.edu/CMRAcfem/semoptic.htm http://em-outreach.sdsc.edu/web-course/toc.html