Часть 5 (1125043)
Текст из файла
144ГЛАВА 5РАСТРОВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯМИКРОСКОПИЯ5.1. ВВЕДЕНИЕПринципиально новая идея построения электронного микроскопа быласформулирована в 1935 году М.Кнолем (идея оптического сканирующегомикроскопа была ранее высказана и реализована одним из создателейсовременного телевидения В.К.Зворыкиным в 1924 году) [1-5]. Согласно этойидее изображение объекта формируется последовательно по точкам и являетсярезультатом взаимодействия электронного пучка (зонда) с поверхностьюобразца.
Каждая точка образца последовательно облучается сфокусированнымэлектронным пучком, который перемещается по исследуемой поверхностиподобно сканированию электронного луча в телевизионных системах [2-4].При взаимодействии электронов зонда с веществом возникают ответныесигналы различной физической природы (отраженные и вторичные электроны,Оже-электроны, рентгеновское излучение, свет, поглощенный ток и пр.),которые используются для синхронного построения изображения на экранемонитора. На рис.5.1 представлена схема образования вторичных сигналов подвлиянием электронного зонда.
Для формирования изображения не используетсяэлектронно-оптическаясистема.Изменениемасштабовизображенияосуществляется радиотехническими средствами.Рис.5.1. Схема образования вторичных сигналов при взаимодействии электронов зондас веществом мишени.Поэтому растровые электронные микроскопы (РЭМ) принципиальноотличаются от микроскопов, как дифракционных приборов, в обычномпонимании этого термина. По существу РЭМ - это телевизионный микроскоп.Несмотря на кажущуюся простоту идеи, высказанной М.Кнолем,осуществить ее в виде надежного прибора с достаточным для практическойработы разрешением оказалось очень сложно из-за весьма ограниченныхтехнических возможностей того времени.
Первые действующие приборы были145созданы в 1939 (Арденне) и в 1942 годах (Зворыкин) [2-4]. Однако широкоеиспользование РЭМ в науке и технике стало возможно лишь в 70-е годы, когдапоявились высоко надежные приборы, созданные на основе достижениймикроэлектроники и вычислительной техники [5-11].1465.2. УСРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ РЭМРастровый электронный микроскоп является вакуумным прибором, таккак при нормальном атмосферном давлении электронный пучок сильнорассеивается и поглощается, что делает невозможным его фокусировку.Поэтому рабочий вакуум в камере микроскопа должен быть 10 −5 тор., илилучше. Схема основных узлов растрового микроскопа приведена на рис.5.2.Электронный пучок от источника электронов специальной конденсорнойсистемой формируется в виде хорошо сфокусированного зонда и проходитчерез систему управляющих электродов или электромагнитов, которыеперемещают пучок по поверхности образца по траектории, образующей растр,аналогичный телевизионному растру [5-6].Рис.5.2.
Упрощенная схема, иллюстрирующая работу РЭМ.Перемещение зонда по поверхности образца должно происходить с оченьвысокой точностью и будет, в конечном счете, наряду с размером зонда,определять величину разрешения прибора. В результате взаимодействия пучкаэлектронов с поверхностью образца возникает ответная реакция, котораярегистрируется соответствующими датчиками. Регистрируемый датчикамисигнал используется в дальнейшем для модуляции яркости электронного пучкав электронно-лучевой трубке монитора.
Величина этого вторичного сигналабудет зависеть от физических свойств поверхности образца и может меняться отточки к точке. В результате на экране монитора образуется изображениеповерхностиобразца,отображающеетопографиюсоответствующегофизического свойства исследуемого образца. Таким образом можно исследоватьтопографию неоднородностей дефектов и состояния поверхности: например,топологию поверхности (границы зерен, поры, трещины, неоднородностисостава и др.) - в отраженных или вторичных электронах; распределениеэлементного состава по поверхности образца - в характеристическомрентгеновском излучении; распределение донорных или акцепторных центров по величине поглощенного тока; топографию магнитной доменной структуры во вторичных электронах и пр.Коэффициент увеличения изображения в РЭМ определяется отношениемлинейных размеров растра, освещаемого зондом, на поверхности образца d и наэкране монитора D, т.е.
M = D / d .147Разрешение, достигаемое в РЭМ, ограничено эффективным размеромэлемента изображения, или, другими словами, размером области в образце,возбуждаемой электронным зондом, имеющим диаметр d z . С другой сторонывеличина тока сфокусированного электронного пучка, взаимодействующего споверхностью образца, определяет интенсивность вторичных сигналов.Поэтому электронно-оптическая система, формирующая зонд, должнаобеспечивать получение максимально возможного тока при минимальновозможном размере зонда.5.2.1.
ФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ЗОНДАЭлектронная пушка состоит из источника электронов (вольфрамовыйкатод; катод из гексаборида лантана LaB6; автоэмиссионный катод), модулятора(цилиндра Венельта) и анода. Модулятор обычно находится под болееотрицательным (на несколько сотен вольт) потенциалом по отношению ккатоду, что позволяет сфокусировать электронный пучок в области,расположенной за модулятором, с диаметром d0 и расходимостью α0 иназываемой кроссовером. На рис.5.3 показана схема электронной обычнойпушки.
Типичные значения d0 и α0 для электронных пушек, используемых врентгеновских микроанализаторах и растровых электронных микроскопах,составляют d0 ≈ 25 ÷ 100 ìêì и α0 ≈ ( 3 ÷ 10 ) ⋅ 10 −3 рад [5-11].Рис.5.3. Схема устройства электронной пушки.Для вольфрамового катода при плотности токаJ0 = 1 .75 A / cìи ускоряющем напряжении 25kV ток пучка составляетIz = 100 ÷ 200 мка. Для получения достаточного разрешения обычнонеобходимо уменьшить размеры зонда до величины 50Å÷1мкм, т.е.
в 10000 раз,при этом существенно уменьшается ток пучка до 0.01на.Уменьшенное изображение кроссовера в дальнейшем формируетсяконденсорной системой микроскопа, которая может состоять из одной или2148нескольких линз, причем последняя линза, формирующая минимальное пятнозонда на поверхности объекта, называется объективной линзой.Если аберрации в конденсорной системе полностью отсутствуют, можнопоказать, что минимальный размер пятна d на образце будет иметь видid=j FGH eVkT IJK ⋅ J .e,где B = 0 . 62 π / 4 ⋅(5.1)0BαИз приведенного соотношения видно, что для увеличения тока пучка припостоянном диаметре зонда необходимо увеличивать апертуру электронногопучка.
Ситуация существенно усложняется при учете аберраций линз, так какувеличение апертуры будет приводить к дополнительному размытию пучка, и,поэтому, увеличение апертуры всегда ограничено, а следовательно ограничен иток зонда. В общем случае при учете дифракционной, сферической ихроматической ошибок эффективный минимальный диаметр зондаопределяется соотношением222202d z = d0 + d s + d c + d dПодставляя сюда соответствующие величины аберраций, получимdz =LM i + b1.22λg OP ⋅ 1 + b0.5C g ⋅ α + FG ΔE ⋅ C IJHE KNBQα222⋅ α26s2(5.2)c(5.3)0Приведенное уравнение можно исследовать на экстремум, продифференцировавего по α, и определить минимальную величину диаметра зонда и максимальныйток зондаd min = 1 . 29 Cse143⋅λ4j LMFGH0 .
51 dNimax = 1 . 26 ⋅ J0 / T ⋅ej7 . 92 iT / J0 ⋅ 10 + 183/ Cse23α opt = d / Cs9IJ OPK Q38,(5.4)⋅ λ2 − 1 ⋅ 10 −10 ,(5.5)j(5.6)13Анализ полученных соотношений показывает, что ток пучка зондапропорционален диаметру зонда в степени 8/3. В то же время величинавторичных сигналов (эмиссия вторичных электронов, генерация рентгеновскогоизлучения, катодолюминесценция и др. эффекты) пропорциональна величинетока зонда и, следовательно, улучшая разрешение, мы будем снижатьчувствительность метода.Имеется несколько способов увеличения тока зонда. С одной стороны,можно увеличивать ускоряющее напряжение, снижая длину волны электронов,с другой - необходимо уменьшать аберрации линз и в первую очередьсферическую аберрацию. Наконец, есть способы увеличения плотности токапутем перехода на катоды из гексаборида лантана.
Однако следует иметь ввиду, что все эти меры имеют естественное ограничение, связанное с тем, что врезультате взаимодействия электронов пучка с материалом образца происходитзаметное увеличение области, в которой генерируются вторичные сигналы посравнению с диаметром зонда. Поэтому разрешающая способность в РЭМопределяется в первую очередь не диаметром зонда, а размерами области, вкоторой происходит генерация вторичных эффектов.5.2.2. ДЕТЕКТОРЫ ВТОРИЧНЫХ СИГНАЛОВ В РЭМ149Оценки, сделанные выше, показывают, что при диаметре зонда 100Å еготок составляет очень малую величину, около 0.01на. Даже если предположить,что коэффициент вторичной эмиссии равен единице, ток вторичных электроновсоставит лишь 0,01на.
Это приводит к необходимости регистрировать в РЭМтакие слабые сигналы, что, в свою очередь, является сложной техническойзадачей [5-11].Сцинтилляционный детектор. В настоящее время наиболее широкоераспространение в РЭМ для регистрации вторичных электронов получилисцинтилляционные детекторы. Устройство такого детектора показано нарис.5.4. Вторичные электроны попадают на сцинтиллятор, преобразующийэнергию электрона в световой импульс, который улавливается фотокатодом,преобразуется снова в фототок и затем усиливается фотоэлектроннымумножителем.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
