Нанометрология (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 12

Их испольратор высокого напряжения и ускоритель электронов с электронной пушкой; 5 – электронно- зуют также для предварительоптическая колонна; 6 – перекрытие, разде- ного просмотра объектов, руляющее здание СВЭМ на верхний и нижний тинной работы и в учебныхзалы и защищающее персонал, работающий в целях. Эти приборы просты понижнем зале, от рентгеновского излучения; 7 – конструкции (один конденсор,пульт управления микроскопом2 – 3 электронные линзы дляувеличения изображения объекта), имеют меньшее (60 – 100 кВ) ускоряющее напряжение и более низкую стабильность высоко-го напряжения и токов линз.

Их разрешающая способность 0,5 – 0,7 нм.58Сверхвысоковольтные ЭМ (CВЭМ) – приборы с ускоряющим напряжением от 1 до 3,5 МВ – представляют собой крупногабаритные сооружения высотой от 5 до 15 м (рис. 2.12). Для них оборудуют специальные помещения или строят отдельные здания, являющиеся составной частью комплекса СВЭМ. Первые СВЭМ предназначались для исследованияобъектов большой (1 – 10 мкм) толщины, при которой сохраняются свойства массивного твердого тела. Из-за сильного влияния хроматическихаберраций разрешающая способность таких ЭМ снижается.

Однако посравнению с 100-киловольтными ЭМ разрешение изображения толстыхобъектов в СВЭМ в 10 – 20 раз выше. Так как энергия электронов в СВЭМбольше, то длина их волны меньше, чем в ПЭМ высокого разрешения. Поэтому после решения сложных технических проблем (на это ушло не однодесятилетие) и реализации высокой виброустойчивости, надежной виброизоляции и достаточной механической и электрической стабильности наСВЭМ была достигнута самая высокая (0,13 – 0,17 нм) для просвечивающих ЭМ разрешающая способность, позволившая фотографировать изображения атомарных структур.

Однако сферическая аберрация и дефокусировка объектива искажают изображения, полученные с предельным разрешением, и мешают получению достоверной информации. Этот информационный барьер преодолевается с помощью фокальных серий изображений, которые получают при различной дефокусировке объектива. Параллельно для тех же дефокусировок проводят моделирование изучаемойатомарной структуры на компьютере. Сравнение фокальных серий с сериями модельных изображений помогает расшифровать микрофотографииатомарных структур, сделанные на СВЭМ с предельным разрешением.

Нарис. 2. представлена схема СВЭМ, размещенного в специальном здании.Основные узлы прибора объединены в единый комплекс с помощью платформы, которая подвешена к потолку на четырех цепях и амортизационных пружинах. Сверху на платформе находятся два бака, наполненныеэлектроизоляционным газом под давлением 3 – 5 атм. В один из них помещен высоковольтный генератор, в другой – электростатический ускоритель электронов с электронной пушкой. Оба бака соединены патрубком,через который высокое напряжение от генератора передается на ускоритель.

Снизу к баку с ускорителем примыкает электронно-оптическая колонна, расположенная в нижней части здания, защищенной перекрытиемот рентгеновского излучения, возникающего в ускорителе. Все перечис59ленные узлы образуют жесткую конструкцию, обладающую свойствамифизического маятника с большим (до 7 с) периодом собственных колебаний, которые гасятся жидкостными демпферами. Маятниковая системаподвески обеспечивает эффективную изоляцию СВЭМ от внешних вибраций. Управление прибором производится с пульта, находящегося околоколонны. Устройство линз, колонны и других узлов прибора подобно соответствующим устройствам ПЭМ и отличается от них большими габаритами и весом.Основными видами искажений электронных линз в просвечивающихмикроскопах являются сферическая и хроматическая аберрации, а такжедифракция и приосевой астигматизм, т.е.

искажение изображения из-за неодинакового преломления (или отражения) лучей в различных сеченияхсветового пучка. Астигматизм снижает резкость изображения, а проецируемая точка превращается в эллипс.В отражательном электронном микроскопе изображение создается с помощью электронов, отраженных (рассеянных) поверхностнымслоем объекта.

Образование изображения в нем обусловлено различиемрассеяния электронов в разных точках объекта в зависимости от материалаи микрорельефа. Обычно образцы получаются под малым углом (приблизительно несколько градусов) к поверхности. Практически на электронныхмикроскопах такого типа достигнуто разрешение порядка 100 ангстрем.Одна из особенностей отражательного электронного микроскопа –различие увеличений в различных направлениях вдоль плоскости объектасвязано с наклонным положением объекта по отношению к оптической осимикроскопа. Поэтому увеличение такого микроскопа характеризуют обычно двумя величинами: увеличением в плоскости падения пучка электронови увеличением в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.Растровые электронные микроскопы (РЭМ) с термоэмиссионнойпушкой – самый распространенный тип приборов в электронной микроскопии.

Растр – это решетка для структурного преобразования направленного светового пучка. Существуют:- прозрачные растры – сочетание прозрачных и непрозрачных элементов;- непрозрачные растры – чередование зеркальных (отражающих)элементов и поглощающих (рассеивающих) элементов;- их комбинации.60Рис. 2.13. Схема растрового электронногомикроскопа (РЭМ):1 – изолятор электронной пушки; 2 –V-образный термокатод; 3 – фокусирующий электрод; 4 – анод; 5 – конденсорныелинзы; 6 – диафрагма; 7 – двухъяруснаяотклоняющая система; 8 – объектив; 9 –апертурная диафрагма объектива; 10 –объект; 11 – детектор вторичных электронов; 12 – кристаллический спектрометр;13 – пропорциональный счетчик; 14 –предварительный усилитель; 15 – блокусиления; 16, 17 – аппаратура для регистрации рентгеновского излучения; 18 –блок усиления; 19 – блок регулировкиувеличения; 20, 21 – блоки горизонтальной и вертикальной разверток; 22, 23 –электронно-лучевые трубки61Рис.

2.14. Схема регистрации информации об объекте, получаемой в РЭМ:1 – первичный пучок электронов;2 – детектор вторичных электронов; 3 – детектор рентгеновскогоизлучения; 4 – детектор отраженных электронов; 5 – детектороже-электронов; 6 – детектор светового излучения; 7 – детекторпрошедших электронов; 8 – схемадля регистрации тока прошедшихчерез объект электронов; 9 – схема для регистрации тока поглощенных в объекте электронов;10 – схема для регистрации наведенного на объекте электрического потенциалаРазрешающая способность РЭМ зависит от электронной яркостипушки и в приборах рассматриваемого класса составляет 5 – 10 нм.

Ускоряющее напряжение регулируется в пределах от 1 до 30 – 50 кВ. Устройство РЭМ показано на рис. 2.13. При помощи двух или трех электронныхлинз на поверхность образца фокусируется узкий электронный зонд. Магнитные отклоняющие катушки развертывают зонд по заданной площади наобъекте. При взаимодействии электронов зонда с объектом возникает несколько видов излучений (рис.

2.14): вторичные и отраженные электроны,оже-электроны, рентгеновское тормозное излучение и характеристическоеизлучение, световое излучение и т.д. Любое из излучений, токи электронов, прошедших сквозь объект (если он тонкий) и поглощенных в объекте,а также напряжение, наведенное на объекте, могут регистрироваться соответствующими детекторами, преобразующими эти излучения, токи и напряжения в электрические сигналы, которые после усиления подаются наэлектронно-лучевую трубку (ЭЛТ) и модулируют ее пучок.

Развертка пучка ЭЛТ производится синхронно с разверткой электронного зонда в РЭМ,и на экране ЭЛТ наблюдается увеличенное изображение объекта. Увеличение равно отношению размера кадра на экране ЭЛТ к соответствующемуразмеру на сканируемой поверхности объекта. Фотографируют изображение непосредственно с экрана ЭЛТ. Основное достоинство РЭМ – высокаяинформативность прибора, обусловленная возможностью наблюдать изображения, используя сигналы различных детекторов. С помощью РЭМможно исследовать микрорельеф, распределение химического состава пообъекту, p-n-переходы, производить рентгеновый спектральный анализ идр.

РЭМ широко применяются и в технологических процессах.Высокая разрешающая способность РЭМ реализуется при формировании изображения с использованием вторичных электронов. Она находится в обратной зависимости от диаметра зоны, из которой эти электроныэмитируются. Размер зоны зависит от диаметра зонда, свойств объекта,скорости электронов первичного пучка и т.д. При большой глубине проникновения первичных электронов вторичные процессы, развивающиесяво всех направлениях, увеличивают диаметр зоны, и разрешающая способность падает. Детектор вторичных электронов состоит из фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и электронно-фотонного преобразователя, основнымэлементом которого является сцинтиллятор. Число вспышек сцинтиллятора пропорционально числу вторичных электронов, выбитых в данной точ62ке объекта. После усиления в ФЭУ и в видеоусилителе сигнал модулируетпучок ЭЛТ.

Величина сигнала зависит от топографии образца, наличиялокальных электрических и магнитных микрополей, величины коэффициента вторичной электронной эмиссии, который, в свою очередь, зависит отхимического состава образца в данной точке.Отраженные электроны улавливаются полупроводниковым детектором с р-n-переходом. Контраст изображения обусловлен зависимостью коэффициента отражения от угла падения первичного пучка в данной точкеобъекта и от атомарного номера вещества.