Microscópio Eletrônico de Varredura FEI. Quanta 650FEG. Manual para Treinamento em Operação Básica Modo alto vácuo (SE e BSE) Versão 1.

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1 Microscópio Eletrônico de Varredura FEI Quanta 650FEG Manual para Treinamento em Operação Básica Modo alto vácuo (SE e BSE) Versão /12/2012 RECOMENDAÇÕES IMPORTANTES Não deixar bolsas ou mochilas sobre as mesas da sala durante sua sessão. Sempre utilizar luvas para manipular qualquer componente que será colocado no interior do microscópio. Guardar todas as ferramentas e porta amostras na caixa de acrílico imediatamente após o uso. Caso utilize fita de carbono ou cobre para fixação/aterramento da amostra, economize o máximo possível. Ao terminar sua sessão, deixe a mesa limpa e organizada. É obrigatório anotar no caderno de controle todos os dados requisitados (horário em que iniciou e terminou sua sessão, nome, instituição, material analisado, detector utilizado, etc). Sempre que você não tiver absoluta certeza do que fazer, CHAME UM TÉCNICO. 1.0 Principais Recursos Disponíveis no Microscópio Operação nos modos: Alto vácuo (< 1,3x10-2 Ambiental ( Pa). Pa), Baixo Vácuo ( Pa) e Beam Deceleration: Permite a aplicação de uma tensão negativa de até 4KV no porta amostra, funcionando como uma lente eletrostática e permitindo a obtenção de imagens de elétrons retro-espalhados em condições diferenciadas. 1

2 Estágio Peltier (-5 o C à 60 o C): Para trabalhar com amostras úmidas, aumento de contraste em amostras não condutivas ou hidrofílicas e realização de experimentos dinâmicos com controle da umidade da amostra. Estágio de Aquecimento: Permite a realização de experimentos dinâmicos com o aquecimento controlado de amostras até temperaturas de 1000 o C. Detectores: ETD - Detector de elétrons secundários para operação em alto vácuo. vcd - Detector de elétrons retro-espalhados para alto e baixo vácuo. LFD - Detector de elétrons secundários para operação em baixo vácuo. GAD - Detector de elétrons retro-espalhados para baixo vácuo (+ EDS). GSED - Detector de elétrons secundários para operação em modo ambiental. HT GSED - Detector de elétrons secundários para imagens em alta temperatura. Ferramentas Adcionais: EDS - Espectroscopia por energia dispersiva em Raio-X (para análise quimíca qualitativa e quantitativa). EBSD - Difração de elétrons retro-espalhados (para criação de mapas de orientação cristalográfica). 2.0 Conhecendo a Interface do Microscópio Na figura seguinte é apresentada uma visão geral da interface do programa de controle do microscópio (xt Microscope Control). Além das funções disponíveis na barra de ferramentas e no menu do programa, existem diversas funções que ficam disponíveis na coluna de páginas na margem direita. Esta coluna é dividida em módulos que permitem o ajuste e controle das principais funções do microscópio, distribuídas em cinco páginas que podem ser acessadas por meio da aba de seleção de página. São elas: Beam Control: Contêm as principais funções de controle de Vácuo da câmara (HV, LV e ESEM), Coluna (Alta tensão e Spot size), Magnificação, Controle do feixe (Stigmator, Beam Shift, Lens Alignment e Source Tilt), Detectores (Brilho e Constraste) e Status (informações da pressão da câmara, pressão da coluna e corrente do feixe). Navigation: Contêm as funções de controle do estágio (Map, Coordinates, Tilt e Navigation), Rotação, Parâmetros do detector em operação, Detectores (Brilho e Constraste) e Status (informações da pressão da câmara, pressão da coluna e corrente do feixe). 2

3 Processing: Contêm as funções de Medida/Anotações, Zoom digital, Pós-processamento da imagem (Enhanced Image) e Detectores (Brilho e Constraste). Páginas Quadro 1 Quadro 2 Quadro 3 Quadro 4 Beam Deceleration: Contêm as funções de Coluna (Alta tensão e Spot size), Magnificação, Controle do feixe (Stigmator, Beam Shift, Lens Alignment e Source Tilt), Desaceleração do feixe (Beam Deceleration), Detectores (Brilho e Constraste) e Status (informações da pressão da câmara, pressão da coluna e corrente do feixe). Temperature Control: Contêm as principais funções de controle de Vácuo da câmara (HV, LV e ESEM), Controle do estágio de temperatura (para controle das condições de operação do estágio frio e do estágio quente), Controle do feixe (Stigmator e Beam Shift), Detectores (Brilho e Constraste) e Status (informações da pressão da câmara, pressão da coluna e corrente do feixe). Alignments: Para usuários esta aba permite realizar o alinhamento do astigmatismo e a definição do centro de rotação para rotação compucêntrica do estágio. Caso deseje utilizar a rotação compucêntrica peça o auxílio do técnico responsável. 3

4 3.0 Preparação da Amostra A análise de materiais em um microscópio eletrônico de varredura exige que a amostra apresente características que não apenas permitam sua colocação segura no interior do equipamento, mas também que possibilitem a observação da estrutura desejada. As observações básicas mais importantes são: Se a amostra não for eletricamente condutora o acúmulo de cargas elétricas em sua superfície dificulta ou mesmo impossibilita a obtenção de imagens de elétrons secundários. Para contornar este efeito, existe a possibilidade de fazer um recobrimento metálico (geralmente ouro) ou de carbono para tornar a superfície condutora. Também é possível trabalhar em modo baixo vácuo, de maneira que moléculas de água ionizadas possam anular a carga sobre a superfície da amostra. Caso a amostra receba recobrimento condutor é necessário que sua superfície seja conectada ao porta-amostra com fita de carbono ou fita de cobre. Amostras em forma de pó precisam ser depositadas sobre o Stub através de solução e posteriormente deve-se deixá-la secar completamente antes de colocar no microscópio. Alternativamente também é possível depositar pequena quantidade do pó sobre um Stub coberto com fita de carbono, tomando-se o cuidado de remover todo o excesso (com ar comprimido) antes de colocá-lo no microscópio. Caso deseje utilizar amostra magnética em forma de pó, consulte o técnico responsável pelo equipamento. Além disso, outros procedimentos podem ser necessários para tornar possível observar detalhes na estrutura do material analisado. Em caso de dúvida, peça o auxílio de um técnico. 4.0 Colocação da Amostra Se você não está familiarizado com este equipamento, por favor, peça o auxílio de um técnico do laboratório para ajudá-lo na definição e instalação do porta amostra mais adequado. 4.1 Anotar no caderno de controle as informações requisitadas. 4.2 Selecionar a página Beam Control e clicar no botão Vent (Módulo Vacuum). Aparecerá uma janela pedindo a confirmação desta operação. Clicar em Yes para arejar a câmara do microscópio, permitindo que a porta seja aberta. 4.3 Aguardar a indicação de coluna e câmara ventiladas (cerca de 3 minutos). Este estado pode ser verificado através do ícone mostrado na tabela seguinte (presente no módulo Status ). 4

5 Chame um Técnico!!! 4.4 Clicar sobre o quadro 2 na interface do programa para torná-lo ativo. Se precisar alternar o modo de exibição da imagem entre janela e tela inteira pressionar a tecla F5 no teclado. 4.5 Selecionar a visualização da câmera CCD no menu Detectors. ATENÇÃO: Para garantir que a imagem real esteja sendo mostrada, verificar se o ícone de PAUSE não aparece no canto superior esquerdo da imagem. Caso apareça, clicar no botão PAUSE na barra de ferramentas. 4.6 Abrir a porta do microscópio puxando cuidadosamente pelo puxador localizado na parte inferior da porta. 4.7 Colocar a amostra no microscópio utilizando o porta amostra mais adequado. Em caso de dúvidas chame um técnico. Sempre utilize luvas quando manipular qualquer componente que será colocado no interior do microscópio. 4.8 Fechar cuidadosamente a porta do microscópio, clicar em High Vacuum e pressionar o botão Pump (módulo Vacuum na página Beam Control ). Manter a porta levemente pressionada com a mão nos primeiros segundos de bombeamento! Se a parte mais alta da amostra estiver a menos de 10 mm de distância da peça polar abaixar o estágio através de algum dos controles do eixo Z. 5

6 Caso precise abaixar o estágio, colocar o ponteiro do mouse sobre o quadro da CCD, segurar o botão scroll (rodinha do mouse) pressionado e movimentar o mouse para baixo, sempre observando a imagem da câmera. 4.9 Aguardar o vácuo ficar adequado para a operação do microscópio. 5.0 Posicionamento da Amostra e Movimentação do Estágio 5.1 Clicar no Tab Coordinates (módulo Stage na página Navigation ) e colocar o valor 0 (zero) para as coordenadas X, Y, Z, T, R e clicar no botão GoTo. Preste bastante atenção na imagem da CCD sempre que movimentar o estágio. Como o botão Go To torna-se STOP depois de pressionado, mantenha a seta do mouse sobre ele para parar o estágio caso seja necessário. Durante a operação normal do microscópio há algumas formas diferentes para movimentar o estágio: Através do Joystick pode-se deslocar o estágio nos eixos X e Y. Se desejar movimentos mais rápidos deve-se manter pressionado o botão presente no topo do manche. Para movimentar no eixo Z segurar pressionado o botão direito no controle do joystick e mover o manche para cima ou para baixo. Para movimentos mais rápidos também é necessário manter pressionado o botão no topo do manche. Também é possível segurar o botão scroll (rodinha do mouse) pressionado e movimentar o mouse para cima ou para baixo. Girar o manche fará com que o estágio rotacione no mesmo sentido. Dar click duplo com o botão esquerdo do mouse sobre a região desejada na imagem do microscópio fará com que o estágio centralize automaticamente essa região. Alternativamente, existe na porta do microscópio controles que permitem movimentar todos os eixos de forma manual. 6.0 Operação do Microscópio 6.1 Selecionar a abertura 5 (30 µm) na lente objetiva. 6.2 Selecionar a alta tensão do feixe em 20kV e SpotSize 3.0 (módulo Column, página Beam Control). 6

7 6.3 Clicar no botão Beam On para ligar o feixe (módulo Column, página Beam Control). 6.4 Clicar sobre o quadro 1 na interface do programa para torná-lo ativo. 6.5 Selecionar a visualização do detector Everhart Thornley para elétrons secundários (ETD) no menu Detectors. Se o ícone de PAUSE estiver visível no canto superior esquerdo da imagem, pressionar o botão PAUSE na barra de ferramentas. 6.6 Colocar a magnificação em 30 vezes através da mesa de controle ou pelo módulo Magnification na página Beam Control. Também é possível escolher uma magnificação padrão clicando na caixa de texto da magnificação na barra de ferramentas. Caso deseje digitar um valor específico de magnificação, clicar duas vezes no valor da magnificação no módulo Magnification e digitar o valor desejado. 6.7 Pressionar o botão Auto Contraste Brilho (ACB) para realizar um ajuste inicial no brilho e contraste da imagem. Sempre que desejado, o ajuste de brilho e contraste pode ser realizado através da mesa de controle ou por meio do módulo Detectors na página Beam Control. 6.8 Clicar no ícone de Preset 1, para escolher os parâmetros de imagem mais adequados para alinhar o microscópio. 7

8 Quando desejado, a velocidade de varredura pode ser alterada clicando na caixa de texto específica na barra de ferramentas e os ícones do coelho e da tartaruga permitem acessar a velocidade mais rápida e mais lenta pré-definidas. 6.9 Caso seja necessário, realizar um ajuste grosseiro de foco através do botão Coarse na mesa de controle Deslocar o estágio (eixos X e Y) para encontrar uma amostra. Esse procedimento pode ser realizado através do joystick ou movendo o mouse enquanto se mantém o botão scroll pressionado (o cursor do mouse precisa estar sobre o quadro da imagem). IMPORTANTE: Se houver amostras de alturas diferentes instaladas, escolher a amostra mais alta para realizar este procedimento Colocar a magnificação em vezes e ajustar o foco através dos botões Coarse (ajuste grosseiro) e Fine (ajuste fino) na mesa de controle Escolher algum detalhe pequeno na imagem para realizar o ajuste inicial de foco e clicar duas vezes com o botão esquerdo do mouse sobre a região escolhida para centralizá-la na tela Colocar a magnificação em vezes e repetir o ajuste de foco Fazer um link entre a distância de trabalho e o valor do eixo Z no controle do estágio clicando no botão indicado abaixo e presente na barra de ferramentas. Antes Depois A realização deste procedimento é obrigatória e deve ser sempre realizada para garantir uma operação mais segura do microscópio! Imagem para Navegação Este procedimento permite criar uma imagem do porta amostra que facilita a localização rápida das amostras instaladas no microscópio. Isto é útil no caso de trabalhar com muitas amostras simultaneamente ou caso precise localizar regiões específicas em baixa magnificação. Se este procedimento não for necessário pular para o passo

9 Clicar sobre o quadro 4 e selecionar a visualização do detector ETD no menu Detectors. Se o ícone de PAUSE estiver ativo liberar a imagem no botão da barra de ferramentas Clicar no ícone de Preset Realizar um ajuste de alto contraste e brilho Clicar no Tab Coordinates (módulo Stage na página Navigation ), colocar o valor 0 (zero) para as coordenadas X e Y e clicar no botão GoTo Ajustar a magnificação para o menor valor possível sem que apareça a borda preta (extremidade da peça polar) Clicar no menu Stage e selecionar a opção Navigation Montage Na janela do Navigation Montage deslocar o cursor de Target HFW para uma largura que seja suficiente para cobrir todo o porta amostra (normalmente 70mm é suficiente) Clicar em START e aguardar o término da montagem (o tempo estimado para terminar é apresentado em Estimated Time). Quando terminar clicar em CLOSE. No quadro 4 o ícone de PAUSE ficará visível no canto superior esquerdo e o ícone de Navegação ficará visível no canto superior direito. Não retirar o pause desta imagem! Salvar a imagem de navegação clicando em File > Save As... 9

10 Em Save in: escolha Usuarios on LME15 (R:) e salve dentro de sua pasta (crie uma com o seu nome se necessário) Mover o estágio MANUALMENTE através de algum dos controles do eixo Z até que a parte mais alta da amostra alcance a marca de 10 mm no quadro da CCD. Preste bastante atenção na imagem da CCD enquanto o estágio estiver se movendo. Nunca permita que qualquer parte da amostra fique acima da linha de 10 mm. Caso precise trabalhar com distâncias de trabalho menores chame um técnico Clicar sobre o quadro 1 e verificar o ícone de Link na barra de ferramentas. Se tiver mudado para o ícone indicado refazer os passos 6.10, 6.11, 6.12, 6.13 e Ajustar a distância de trabalho de 10 mm movendo o estágio MANUALMENTE através de qualquer controle do eixo Z e verificar o valor na caixa de texto. ATENÇÃO: Nunca digitar o valor de Z diretamente na caixa de texto. Este procedimento está proibido! Preste bastante atenção na imagem da CCD enquanto o estágio estiver se movendo Uma vez que a distância de trabalho (WD) já tenha sido definida, clicar no botão Lock para travar o movimento no eixo Z e no eixo T. Isso impedirá a realização de movimentos acidentais reduzindo o risco ao equipamento. 10

11 Caso posteriormente deseje alterar a distância de trabalho retire a trava do Z para liberar o movimento, devendo remarcá-lo assim que a distância for alterada Clicar sobre o quadro 2 (CCD) e apertar o botão de PAUSE na barra de ferramentas para desligar a CCD Se foi realizada uma imagem para navegação, clicar duas vezes com o mouse diretamente sobre a região desejada. Caso contrário, procurar a amostra movendo o estágio Clicar sobre o quadro 1 (ETD) e apertar a tecla F5 no teclado para colocar a imagem em tela cheia Escolher algum detalhe pequeno na imagem (magnificação maior que X), clicar sobre ele duas vezes para centralizá-lo na tela e realizar o ajuste de foco Corrigir o astigmatismo nos eixos X e Y utilizando os botões específicos na mesa de controle. Quando estiver astigmática a imagem irá distorcer na diagonal quando o foco for alterado para a condição de under-focus e over-focus. Para corrigir o astigmatismo deve-se primeiro acertar o ajuste de foco de forma que a imagem não fique distorcida para nenhum dos lados. Under-focus e astigmática Over-focus e astigmática Em foco e astigmática Foco e astigmatismo corrigidos 6.24 Clicar no botão Lens Align no módulo Tuning (página Beam Control ) para ativar a modulação da lente objetiva Realizar o alinhamento eletrônico da objetiva utilizando o controle Lens Alignment. O objetivo deste ajuste é anular o deslocamento da imagem, de maneira que ela fique apenas parada e pulsando (entrando e saindo de foco). Uma boa dica é deslocar o mouse em algum sentido na mesma direção de deslocamento da imagem. Se piorar, mover o mouse no sentido contrário. 11

12 6.26 Clicar novamente no botão Lens Align para desligar a modulação da lente objetiva Repetir o ajuste de foco e astigmatismo para conseguir uma imagem de melhor qualidade. Recomenda-se realizar os ajustes na seguinte sequência: Foco Astigmatismo X Astigmatismo Y Astigmatismo X Foco DICA: Sempre realize estes ajustes em uma magnificação no mínimo duas vezes superior à magnificação de trabalho desejada. Para garantir imagens de boa qualidade, recomenda-se realizar ajustes finos de foco e astigmatismo sempre que estiver trabalhando em uma região da amostra diferente daquela no qual os ajustes anteriores foram realizados. Adicionalmente é necessário realizar estes ajustes novamente sempre que os seguintes parâmetros forem alterados: Spot Size. Abertura da lente objetiva. Alta tensão do canhão. Distância de trabalho (WD). 7.0 Coletando e Salvando as Imagens 7.1 Definir a magnificação desejada e realizar os ajustes de foco e astigmatismo no preset Ajustar o brilho e o contraste da imagem ou fazer um ajuste automático. 7.3 Para amostra condutiva segurar a tecla Ctrl do teclado pressionada e clicar no preset 4 com o botão esquerdo do mouse. Para amostra não-condutiva segurar a tecla Ctrl pressionada e clicar no preset 2. Também é possível escolher uma velocidade de varredura na barra de ferramentas e clicar no botão PAUSE para parar a imagem. 7.4 Aguardar o ícone de PAUSE no canto superior esquerdo da imagem parar de piscar. 12

13 7.5 Salvar a imagem clicando em File > Save As... Em Save in: escolha Usuarios on LME15 (R:) e salve dentro de sua pasta (crie uma com o seu nome se necessário). IMPORTANTE: Marcar a opção Save Image with Databar e salvar as imagens no formato TIFF 24 bits. 7.6 Selecionar novamente o preset 1 para continuar a fazer imagens. 8.0 Imagem de Elétrons Retro-espalhados 8.1 Clicar no quadro 3 da interface do programa para torná-lo ativo (Se a imagem estiver em tela cheia, pressionar a tecla F5 no teclado para exibir os quadros). 8.2 Selecionar a visualização do detector vcd para elétrons retro-espalhados no menu Detectors. Se o ícone de pause estiver visível no canto superior esquerdo da imagem clicar no botão de PAUSE. 8.3 Realizar um ajuste de auto contraste e brilho. Fique atento que para obter sinal suficiente é necessário utilizar tensões e/ou spot sizes mais elevados quando estiver fazendo imagens com elétrons retro-espalhados. Caso o detector vcd não apareça na lista de detectores, pode ser necessária sua instalação. Nesse caso: CHAME UM TÉCNICO! 9.0 Encerrando a Operação do Microscópio 9.1 Destravar o movimento do eixo Z e abaixar o estágio até que a parte mais alta da amostra fique à no mínimo 10 mm da peça polar (distância de trabalho maior que 10 mm). Retire o pause da CCD se necessário. 9.2 Clicar no botão Beam On para desligar o canhão (módulo Column, página Beam Control). 13

14 9.3 Clicar no botão Vent e em Yes na caixa de diálogo para arejar a câmara (módulo Vacuum na página Beam Control ). 9.4 Aguardar a indicação de câmara arejada para abrir a porta e retirar a amostra. 9.5 Fechar a porta do microscópio e pressionar o botão Pump (módulo Vacuum na página Beam Control ). Manter a porta levemente pressionada com a mão nos primeiros segundos de bombeamento! 9.6 Clicar sobre o quadro 2 para torná-lo ativo e desligar a CCD clicando sobre o botão de PAUSE na barra de ferramentas. O ícone de PAUSE deverá ficar ativo no canto superior esquerdo da imagem. 9.7 No computador de suporte (monitor do lado esquerdo) clicar sobre a pasta Usuarios e copiar seus arquivos para dentro do Repositorio Quanta. 9.8 Aguardar a liberação do vácuo para deixar a sala. IMPORTANTE: Somente deixe a sala após certificar-se de que o vácuo na câmara foi atingido e o microscópio esteja com o feixe desligado. 14

15 10.0 Aspectos Adicionais para Operação do Microscópio 10.1 Beam Deceleration Esta ferramenta permite aplicar uma tensão negativa no estágio, o que aumenta a energia dos elétrons secundários e retro-espalhados que são emitidos pela amostra. Embora possa ser utilizado com o detector SE seu principal uso limita-se a detectores BSE, reduzindo o efeito de carregamento da amostra e aumentando a resolução das imagens quando se utiliza tensões mais baixas no canhão. Também possibilita detectar elétrons emitidos paralelamente à superfície da amostra, o que permite obter melhores imagens de superfícies rugosas. O módulo Beam Deceleration pode ser encontrado na página Beam Deceleration e permite ligar e desligar a tensão de bias do estágio, além de controlar seu valor entre 50 V e 4kV. Caso deseje utilizar este recurso, chame um técnico! 10.2 Filtros Live Imagem padrão, sem filtragem ou qualquer tratamento. Average Realiza continuamente uma média de frames (número especificado) para melhorar a relação sinal/ruído. Útil para velocidades de varredura elevadas. Integrate Permite redução acumulativa de ruído através da integração sobre um número especificado de frames. Assim que a varredura do número de frames escolhido é atingida, a imagem entra em pause automaticamente. Útil para amostras que estejam carregando. 15

16 10.3 Parâmetros Iniciais Sugeridos ETD (High Vacuum) Working Distance: From > 20 mm to 5 mm; Optimum WD: 5mm, Tilt= 10deg Beam Conditions: 10kV, Spot 3. ETD & vcd (High Vacuum) Working Distance: From > 20 mm to 6 mm; Optimum WD: 8.5mm Beam Conditions: 10kV, Spot 3. vcd (High Vacuum with Beam Deceleration) Working Distance: From 10 mm to 6 mm; Beam Conditions: Beam Deceleration Mode On; Landing Energy 2 kev, Spot Aberturas da Lente Objetiva Nº Abertura Recomendação µm Alinhamento / Manutenção µm Aplicações em Alta Corrente 4 40 µm EDS (Elementos leves em baixas voltagens) 5 30 µm Imagem / EDS 6 30 µm Imagem / EDS 7 20 µm Imagem em Alta Resolução 10.5 Spot Sizes e Recomendações de Uso Spot Size Recomendação 1, 2 Resolução Muito Alta (Mag > ) 3, 4, 5 Imagem Padrão (SE, BSED) 5, 6 BSED, EDS 16

17 10.6 Funções do Mouse Documento Versão /12/2012 Elaborado por: Fabiano E. Montoro Revisão: Tarcila Sugahara 17