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RÉSUMÉ
La microscopie électronique à balayage MEB, ou « Scanning Electron Microscopy » SEM, est une technique puissante d'observation de la topographie des surfaces. Cette technique est fondée principalement sur la détection des électrons secondaires émergents de la surface sous l'impact d'un très fin pinceau d'électrons primaires qui balaye la surface observée. Elle permet d'obtenir des images avec un pouvoir séparateur souvent inférieur à 5 nm et une grande profondeur de champ. Les différentes parties de l'instrument sont décrites : les sources d'électrons, la colonne électronique et les différents détecteurs.
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Jacky RUSTE : Ingénieur INSA - Docteur ingénieur senior EDF
INTRODUCTION
La microscopie électronique à balayage MEB (ou « Scanning Electron Microscopy » SEM) est une technique puissante d'observation de la topographie des surfaces. Elle est fondée principalement sur la détection des électrons secondaires émergents de la surface sous l'impact d'un très fin pinceau d'électrons primaires qui balaye la surface observée et permet d'obtenir des images avec un pouvoir séparateur souvent inférieur à 5 nm et une grande profondeur de champ.
La MEB utilise, en complément, les autres interactions des électrons primaires avec l'échantillon : émergence des électrons rétrodiffusés, absorption des électrons primaires, ainsi que l'émission de photons X et parfois celle de photons proches du visible. Chacune de ces interactions est souvent significative de la topographie et/ou de la composition de la surface.
L'instrument permet de former un pinceau quasi parallèle, très fin (jusqu'à quelques nanomètres), d'électrons fortement accélérés par des tensions réglables de 0,1 à 30 kV, de le focaliser sur la zone à examiner et de la balayer progressivement. Des détecteurs appropriés, détecteurs d'électrons spécifiques (secondaires, rétrodiffusés, parfois absorbés…), complétés par des détecteurs de photons, permettent de recueillir des signaux significatifs lors du balayage de la surface et d'en former diverses images significatives.
Le présent article [P 865] rappelle les interactions sources d'imagerie et la constitution de l'instrument courant. L'article [P 866] précise la formation des images, les sources de contrastes, les récents développements de l'instrument et les diverses applications.
Cet article correspond à la mise à jour de l'article écrit par Henri PAQUETON et Jacky RUSTE en 2006.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de juil. 1986 par Claude LE GRESSUS
- Version archivée 2 de mars 2006 par Henri PAQUETON, Jacky RUSTE
- Version courante de sept. 2024 par François BRISSET, Jacky RUSTE
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Rappels sur les interactions électron-matière
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1. Principe
L'observation du microrelief d'une surface est impossible à fort grandissement avec un microscope optique conventionnel (« photonique »). En effet, le pouvoir séparateur (ou résolution spatiale latérale) est limité à environ 0,2 μm et, au grossissement maximal de 1 500, la profondeur de champ est limitée à environ 1 μm. Tous deux dépendent de la longueur d'onde des rayonnements visibles et de l'ouverture numérique du faisceau et ne peuvent être améliorés. C'est pourquoi s'est développée l'idée de former une image d'un échantillon à partir :
-
soit d'un faisceau d'électrons suffisamment accélérés pour que la longueur d'onde associée soit inférieure au nanomètre (microscopie électronique en transmission, désignée généralement par le sigle TEM (Transmission Electron Microscopy) ;
-
soit d'un pinceau d'électrons très fin presque parallèle qui balaye l'échantillon et permet à partir des électrons secondaires émis de former une image point par point (microscopie électronique par balayage, désignée généralement par le sigle SEM (Scanning Electron Microscopy).
Le principe du microscope électronique à balayage, proposé par Manfred Van Ardenne et Max Knoll, a conduit à une première réalisation vers 1938, en Allemagne, à partir d'un microscope en transmission. Le premier microscope électronique à balayage « moderne » pour échantillons massifs a été conçu en 1942 aux États-Unis par Zvorykine et al. Grâce aux progrès successifs de l'optique électronique, de l'électronique, des techniques de visualisation et surtout de la détection des électrons de faible énergie, le premier instrument commercial (Cambridge Mark1) a été commercialisé en 1965. Actuellement en 2005, en Europe, une demi-douzaine de constructeurs propose une large gamme d'appareils aux performances de résolution, de « versatilité » et de confort améliorés.
Couramment, un microscope électronique à balayage (désigné en France par le sigle MEB) permet d'observer la topographie de la surface d'un échantillon massif, en donnant l'impression d'une vision en relief avec :
-
un pouvoir de résolution latéral de l'ordre de 3 à 10 nm (et même voisin ou inférieur...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HEINRICH (K. et J.) - X-rays optics and microanalysis. - Édts CASTAING (R.), DESCHAMPS (R.) et PHILIBERT (J.), Hermann Paris, p. 159 (1966).
-
(2) - ARNAL (F.), VERDIER (P.), VINCINSINI (P.D.) - * - CR acad. Sci., Paris, 268, p. 1526 (1969).
-
(3) - MAURICE (F.), RUSTE (J.) - Microanalyse. Principes et instrumentations par sonde électronique. - [P 885] (2009).
-
(4) - CASTAING (R.) - Advances in electronics and electron physics. - 13 Edts MASSON (C.), NY, Academic Press, p. 317 (1960).
-
(5) - EVERHART (I.F.), THORNLEY (R.F.M.) - Wide band detector for micro-ampere low energy electrons currents. - J. Sci. Inst., st, 37, p. 246-248 (1960).
-
(6) - SELME (P.) - La microscopie électronique. - PUF, Que sais-je no 1045 (1963).
-
...
ANNEXES
GNMEBA : deux réunions annuelles, une réunion thématique au printemps et une réunion pédagogique en décembre à Paris et tous les 5-6 ans une école d'été (la dernière a eu lieu en 2012 à Lille) http://www.gn.meba.org
EMAS : congrès européen tous les 2 ans et un colloque régional tous les 2 ans en alternance http://www.emas-web.net
SFmu : réunion bisannuelle. http://www.sfmu.org
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ISO TC202 Analyse par microfaisceau – microscopie électronique à balayage :
-
TC202/SC1 : terminologie
-
TC202/SC2 : la microanalyse par sonde électronique
-
TC202/SC4 : la microscopie électronique à balayage.
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