ЭМ (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 9

Уровень контраста определяется также и эффективностью преобразования падающегона детектор излучения, которое создает сигнал на его выходе. Еслиполучаемый в итоге контраст недостаточен, то его можно повысить, увеличив ток зонда. Однако большой поток электронов в силу особенностей электронной оптики не может быть хорошо сфокусирован, т. е. диаметр зонда возрастет и соответственно снизится разрешающая способность.Другой фактор, ограничивающий разрешение, зависит от размеров области генерации сигнала в образце. Схема генерации различных излучений при воздействии электронного пучка на образец представлена на рис.

1.11. При проникновении первичныхэлектронов в образец они рассеиваются во всех направлениях, поэтому внутри образца происходит расширение пучка электронов.Участок образца, в котором первичные электроны тормозятся доэнергии E = 0, имеет грушевидную форму. Боковое расширениеэлектронного пучка в образце в этом случае имеет величину от 1до 2 мкм, даже когда зонд имеет диаметр 10 нм.

Расхождениеэлектронов приводит к тому, что площадь выхода на поверхностьобразца электронов будет больше фокуса электронного пучка.48Электронная микроскопияВ связи с этим процессы рассеивания электронов внутри образцаоказывают большое влияние на разрешающую способность изображений, получаемых в отраженных, вторичных и поглощенныхэлектронах.Поверхность1–10 нмПервичныеэлектроны(зонд)1 нмd30,2–2 мкм20,1–1 мкм1456Рис. 1.11. Области сигналов и пространственноеразрешение при облучении поверхности объекта потокомэлектронов (зонд).

Области генерации:1 – Оже-электронов; 2 – вторичных электронов; 3 – отраженных электронов;4 – характеристического рентгеновского излучения; 5 – тормозногорентгеновского излучения; 6 – флюоресценцииОтраженные электроны. Они образуются при рассеиваниипервичных электронов на большие (до 90º) углы в результате однократного упругого рассеивания или в результате многократногорассеивания на малые углы. В конечном итоге первичные электроны, испытав ряд взаимодействий с атомами образца и теряя приэтом энергию, изменяют траекторию своего движения и покидаютповерхность образца.

Размеры области генерации отраженныхэлектронов (см. рис. 1.11) значительны и зависят от длины пробегаКонспект лекций49электронов в материале образца. Протяженность области возрастает с увеличением ускоряющего первичные электроны напряженияи уменьшения среднего атомного номера Z элементов, входящихв состав образца. Протяженность области может изменяться от 0,1до 1 мкм.

Электроны, потерявшие в процессе отражения частьэнергии, покидают образец на относительно больших расстоянияхот места падения электронного зонда. Соответственно сечение,с которого получают сигнал (см. рис. 1.11), будет существеннобольше сечения зонда. Поэтому разрешение РЭМ в режиме регистрации отраженных электронов небольшое и изменяется от десятков нанометров при работе с невысокими ускоряющими напряжениями и тяжелыми материалами до сотен нанометров приработе с большими ускоряющими напряжениями и легкими материалами. Важной особенностью эмиссии отраженных электроновявляется ее зависимость от атомного номера элементов. Еслиатомный номер атомов материала в точке падения первичногопучка электронов мал (легкие атомы), то образуется меньшее количество отраженных электронов с малым запасом энергии.

В областях образца, содержащих высокую концентрацию атомовс большим атомным номером (тяжелые атомы), большее числоэлектронов отражается от этих атомов и на меньшей глубине в образце, поэтому потери энергии при их движении к поверхностименьше. Эти закономерности используются при получении изображений в отраженных электронах.Вторичные электроны. Первичные электроны, проникающиев образец, взаимодействуют с электронами внешних оболочек атомов объекта, передавая им часть своей энергии. Происходит ионизация атомов образца, а высвобождающиеся в этом случае электроны могут покинуть образец и быть выявлены в виде вторичныхэлектронов. Они характеризуются очень малой энергией (до 50 эВ)и поэтому выходят из участков образца очень близких к поверхности (см.

рис. 1.11). Глубина слоя, дающего вторичные электроны,составляет 1–10 нм. В пределах этого слоя рассеивание электроновпренебрежимо мало, поэтому при получении изображений во вторичных электронах разрешающая способность определяется прежде всего диаметром первичного зонда. Вторичные электроныобеспечивают максимальную в сравнении с другими сигналамиразрешающую способность порядка 5–10 нм. Поэтому они являются в РЭМ главным источником информации для получения изображения поверхности объекта, и именно для этого случая приво-50Электронная микроскопиядятся паспортные характеристики прибора.

Количество образующихся вторичных электронов слабо зависит от атомного номераэлемента. Основным параметром, определяющим выход вторичных электронов, является угол падения пучка первичных электронов на поверхность объекта. Таким образом, вариации наклонамикроучастков поверхности вызывают резко выраженные изменения в выходе вторичных электронов. Этот эффект используется дляполучения информации о топографии поверхности. С целью увеличения эмиссии вторичных электронов часто образец устанавливается под углом к оси зонда. При этом будет ухудшаться резкость изображения – размытее по краям.

Для ее исправления в РЭМ предусмотрена система компенсации угла наклона. Метод наклонаобразца применяют при исследовании плоских объектов (металлографических шлифов и др.). Для образцов с сильно развитым рельефом полностью провести коррекцию угла наклона не удается.Поглощенные электроны. При воздействии зонда часть генерируемых электронов остается в объеме образца (см. рис.

1.11).Так, при энергиях первичного пучка 10–20 кэВ примерно 50% отобщего числа образующихся вторичных и отраженных электроновдостигают поверхности образца и покидают ее. Оставшиеся электроны образуют ток поглощенных электронов (см. рис. 1.10). Еговеличина равна разности между током зонда и токами отраженныхи вторичных электронов. Эта разность является сигналом для получения изображения, на которое оказывают влияние как топографический, так и композиционный эффекты.Поглощенные электроны генерируются в большом объеме(см.

рис. 1.11). Разрешающая способность при получении изображений в этом случае имеет такой же порядок, как и для отраженных электронов. Данный метод получения изображений используется редко из-за малой разрешающей способности.1.4.2. УСТРОЙСТВО И РАБОТА РАСТРОВОГО ЭЛЕКТРОННОГОМИКРОСКОПАСхема растрового электронного микроскопа приведена нарис. 1.12. Он состоит из следующих основных узлов: электроннойпушки 1–3, эмиттирующей электроны; электроннооптической системы 4–10, формирующей электронный зонд и обеспечивающейего сканирование на поверхности образца 12; системы, формирующей изображение 11–17.

РЭМ имеет вакуумную камеру, кото-Конспект лекций51рая служит для создания необходимого разряжения (∼ 10−3 Па)в рабочем объеме электронной пушки и электронно-оптическойсистемы. Составными частями микроскопа являются механические узлы (шлюзы, гониометрический стол и т. д.), обеспечивающие установку и перемещение образца.1234567891011141612131517Рис. 1.12. Принципиальная схема растрового электронного микроскопа:1 – катод; 2 – цилиндр Венельта; 3 – анод; 4, 10 – диафрагмы;5, 6, 9 – электромагнитные линзы; 7 – электромагнитная отклоняющая катушка;8 – стигматор; 11 – рентгеновский спектрометр; 12 – образец;13 – вторичные электроны; 14 – усилитель; 15 – электронно-лучевая трубка;16 – генератор развертки; 17 – блок управления увеличениемЭлектронная пушка состоит из катода 1, цилиндра Венельта 2и анода 3.

Обычно в качестве катода используется вольфрамовая52Электронная микроскопияV-образная проволока, согнутая под углом, как это показано на рисунке. При нагреве катода прямым пропусканием тока происходиттермоэмиссия электронов. Электроны ускоряются напряжением,приложенным между катодом и анодом, которое можно изменятьот 1 до 50 кВ. Цилиндр Венельта имеет высокий отрицательныйпотенциал и служит для регулировки потока электронов. Пучокэлектронов от пушки проходит через три электромагнитные линзы5, 6, 9.

Фокусировка потока электронов осуществляется магнитным полем, имеющим осевую симметрию. Оно создается электромагнитной линзой, которая представляет собой соленоид. Магнитное поле возникает при пропускании электрического тока через обмотку соленоида, концентрируется с помощью так называемогополюсного наконечника и воздействует на проходящий через негопоток электронов. Фокусное расстояние линзы можно плавно регулировать путем изменения силы тока в обмотке соленоида. В системе имеются две диафрагмы 4, 10, ограничивающие расходимостьпучка электронов.Несовершенства электронной оптики, как указывалось ранее,оказывают влияние на разрешающую способность микроскопа.К несовершенствам оптики относятся хроматическая, сферическаяаберрации и астигматизм.Хроматическая аберрация возникает из-за различной скорости(т.

е. длины волны) электронов и изменении ее по времени, чтоприводит к непостоянству фокусных расстояний линз. Хроматическую аберрацию уменьшают путем стабилизации ускоряющегоэлектроны напряжения и электрического тока в линзах.Сферическая аберрация возникает вследствие того, что электроны проходят на различных угловых расстояниях от оптическойоси линзы и поэтому по разному фокусируются. Сферическуюаберрацию уменьшают наложением строгих ограничений на геометрию полюсных наконечников линз, увеличением ускоряющегонапряжения и уменьшением диафрагмы.

В этом случае потокформируется электронами, в меньшей степени отклоненными отоптической оси линзы.Возникновение астигматизма связано с нарушением магнитнойили геометрической симметрии линзы. Устранение асимметриидостигается обеспечением высокой геометрической точности изготовления полюсного наконечника линзы и введением специальной системы, называемой стигматором 8, который корректируетмагнитное поле линзы, восстанавливая его симметрию.Конспект лекций53Стигматор расположен в объективной линзе 9. Внутри нее также находятся две пары электромагнитных отклоняющих катушек7, каждая из которых служит для отклонения зонда соответственнов x и y направлениях в плоскости, перпендикулярной оси потокаэлектронов. Катушки соединены с генератором 16, обеспечивающим синхронность передвижения электронного зонда по образцуи электронного луча по экрану электронно-лучевой трубки 15.Образец 12 крепится на предметном столике, который можетперемещаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях,допускает наклон образца до 90º к электронно-оптической осии вращение вокруг оси от 0 до 360º.