Растровые электронные микроскопы

Лекция 12

Способы преобразования энергии электронного потока, основанные на взаимодействии с твердыми телами и структурами

1.Эффекты взаимодействия электронного пучка с твердыми телами и структурами.

2.Растровые электронные микроскопы.

3.Новые направления и перспективы развития электронных микроскопов.

4.Устройство и принцип работы рентгеновской трубки.

5.Классификация и применение рентгеновских трубок.

6.Флюорограф.

7.Электронно-лучевая сварка и пайка.

Демонстрационный материал:

К вопросу 5 рекламные проспекты ОАО КМПО (Открытое акционерное общество «Казанское моторостроительное производственное объединение»).

Эффекты взаимодействия электронного пучка с твердыми телами и структурами

При взаимодействии электронного пучка с твердыми телами и структурами возникает несколько видов излучений:

–вторичные и отражённые электроны;

–электроны, прошедшие сквозь объект (если он тонкий);

–рентгеновское тормозное излучение и характеристическое излучение;

–световое излучение и тепловое излучение (рис. 5)

Рис. 5. Схема взаимодействия электронного пучка с твердым телом:

1 — первичный пучок электронов;

2 — детектор вторичных электронов;

3 — детектор рентгеновского излучения;

4 — детектор отражённых электронов;

5 — детектор светового излучения;

6 — детектор прошедших электронов;

7 — прибор для измерения наведённого на объекте электрического потенциала;

8 — прибор для измерения тока прошедших через объект электронов;

9 — прибор для измерения тока поглощенных в объекте электронов.

Рентгеновское излучение.

При затормаживании потока быстрых электронов, проникающих в вещество, образуется рентгеновское излучение. Рентгеновские лучи испускаются любым веществом, которое бомбардируется быстрыми электронами.

Это свойство дает возможность использования электрического тока в вакууме для получения рентгеновских лучей.

Световое излучение.

Некоторые вещества (стекло, сульфиды цинка и калия) при «бомбардировании» электронами излучают свечение. В настоящее время эти материалы (люминофоры) позволяют преобразовать до 25% энергии электронного потока в световую энергию ([13*], стр.228).

Этот эффект мы уже рассмотрели, изучая вопрос катодолюминесценции.

Нагрев.

Электронный поток, проникая в твердое тело, нагревает его. В настоящее время это свойство используется для плавки и получения сверхчистых металлов.

Растровые электронные микроскопы

www. cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/126/112.htm

Растровые электронные микроскопы (РЭМ) с накаливаемым катодом предназначены для исследования массивных объектов с разрешением от 70 до 200 Å. Ускоряющее напряжение в РЭМ можно регулировать в пределах от 1 до 30—50 кВ.

Растровые электронные микроскопы (РЭМ), работают по принципу сканирования (развёртывания), то есть последовательного от точки к точке перемещения тонкого электронного пучка (зонда) по объекту.

Устройство растрового электронного микроскопа показано на рис. 4.

Раздаточный материал.

Растровый электронный микроскоп (РЭМ)

Рис. 4. Растровый электронный микроскоп (РЭМ):

1 - изолятор электронной пушки;

2 - накаливаемый V-образный катод;

3 - фокусирующий электрод;

4 - анод;

5 - блок двух конденсорных линз;

6 - диафрагма;

7 - двухъярусная отклоняющая система;

8 - объектив;

9 - диафрагма;

10 - объект;

11 - детектор вторичных электронов;

12 - кристаллический спектрометр;

13 - пропорциональный счётчик;

14 - предварительный усилитель;

15 - блок усиления:

16, 17 - аппаратура для регистрации рентгеновского излучения;

18 - блок усиления;

19 - блок регулировки увеличения;

20, 21 - блоки горизонтальной и вертикальной развёрток;

22, 23 - электроннолучевые трубки.

При помощи 2 или 3 электронных линз на поверхность образца фокусируется узкий электронный зонд. Магнитные отклоняющие катушки развёртывают зонд по заданной площади на объекте.

При взаимодействии электронов зонда с объектом возникает несколько видов излучений (рис. 5): вторичные и отражённые электроны; электроны, прошедшие сквозь объект (если он тонкий); рентгеновское тормозное излучение и характеристическое излучение; световое излучение и т. д.

Любое из этих излучений может регистрироваться соответствующим коллектором, содержащим датчик, преобразующий излучение в электрические сигналы, которые после усиления подаются на электроннолучевую трубку (ЭЛТ) и модулируют её пучок. Развёртка пучка ЭЛТ производится синхронно с развёрткой электронного зонда в РЭМ, и на экране ЭЛТ наблюдается увеличенное изображение объекта.

Увеличение равно отношению высоты кадра на экране ЭЛТ к ширине сканируемой поверхности объекта. Фотографируют изображение непосредственно с экрана ЭЛТ.

Основным достоинством РЭМ является высокая информативность прибора, обусловленная возможностью наблюдать изображение, используя сигналы различных датчиков. С помощью РЭМ можно исследовать микрорельеф, распределение химического состава по объекту, р-n-переходы, производить рентгеноструктурный анализ и многое другое. Образец обычно исследуется без предварительной подготовки.

РЭМ находит применение и в технологических процессах (контроль дефектов микросхем и пр.).

Существенный недостаток РЭМ – большая длительность процесса «снятия» информации при исследовании объектов. Иногда один кадр формируется в течение 10—15 мин.

Дополнительный материал.

Высокая для РЭМ разрешающая способность реализуется при формировании изображения с использованием вторичных электронов. Она определяется диаметром зоны, из которой эти электроны эмиттируются. Размер зоны в свою очередь зависит от диаметра зонда, свойств объекта, скорости электронов первичного пучка и т.д. При большой глубине проникновения первичных электронов вторичные процессы, развивающиеся во всех направлениях, увеличивают диаметр зоны и разрешающая способность падает.

Детектор вторичных электронов состоит из фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и электронно-фотонного преобразователя, основным элементом которого является сцинтиллятор с двумя электродами — вытягивающим в виде сетки, находящейся под положительным потенциалом (до нескольких сотен В), и ускоряющим. Последний сообщает захваченным вторичным электронам энергию, необходимую для возбуждения сцинтиллятора.

К ускоряющему электроду приложено напряжение около 10 кВ. Обычно он представляет собой алюминиевое покрытие на поверхности сцинтиллятора. Число вспышек сцинтиллятора пропорционально числу вторичных электронов, выбитых в данной точке объекта.

После усиления в ФЭУ и в видеоусилителе сигнал модулирует пучок ЭЛТ. Величина сигнала зависит от топографии образца, наличия локальных электрических и магнитных микрополей, величины коэффициента вторичной электронной эмиссии, который в свою очередь зависит от химического состава образца в данной точке.

Отражённые электроны регистрируются полупроводниковым (кремниевым) детектором. Контраст изображения обусловлен зависимостью коэффициента отражения от угла падения первичного пучка и атомного номера вещества. Разрешение изображения, получаемого «в отражённых электронах», ниже, чем получаемого с помощью вторичных электронов (иногда на порядок величины). Из-за прямолинейности полёта электронов к коллектору информация об отдельных участках, от которых нет прямого пути к коллектору, теряется (возникают тени).

Характеристическое рентгеновское излучение выделяется или рентгеновским кристаллическим спектрометром или энергодисперсным датчиком – полупроводниковым детектором (обычно из чистого кремния, легированного литием). В первом случае рентгеновские кванты после отражения кристаллом спектрометра регистрируются газовым пропорциональным счётчиком, а во втором – сигнал, снимаемый с полупроводникового детектора, усиливается малошумящим усилителем (который для снижения шума охлаждается жидким азотом) и последующей системой усиления.

Сигнал от кристаллического спектрометра модулирует пучок ЭЛТ, и на экране возникает картина распределения того или иного химического элемента по поверхности объекта. На РЭМ производят также локальный рентгеновский количественный анализ. Энергодисперсный детектор регистрирует все элементы от Na до U при высокой чувствительности. Кристаллический спектрометр с помощью набора кристаллов с различными межплоскостными расстояниями (см. Брэгга — Вульфа условие) перекрывает диапазон от Be до U. Сравнительно высокую PC можно получить, используя электронный зонд достаточно малого диаметра. Но при этом уменьшается сила тока зонда, вследствие чего резко возрастает влияние дробового эффекта, снижающего отношение полезного сигнала к шуму. Чтобы отношение «сигнал/шум» не падало ниже заданного уровня, необходимо замедлить скорость сканирования для накопления в каждой точке объекта достаточно большого числа первичных электронов (и соответствующего количества вторичных). В результате высокая PC реализуется лишь при малых скоростях развёртки.

РЭМ с автоэмиссионной пушкой обладают высокой для РЭМ PC (до 30 Å). В автоэмиссионной пушке (как и в электронном проекторе) используется катод в форме острия, у вершины которого возникает сильное электрическое поле, вырывающее электроны из катода (см. Туннельная эмиссия). Электронная яркость пушки с автоэмиссионным катодом в 10³–10⁴ раз выше, чем пушки с накалённым катодом. Соответственно увеличивается ток электронного зонда. Поэтому в РЭМ с автоэмиссионной пушкой осуществляют быстрые развёртки, а диаметр зонда уменьшают для повышения PC. Однако автоэмиссионный катод работает устойчиво лишь при сверхвысоком вакууме (10^–9–10^–11 мм рт.ст.), и это усложняет конструкцию таких РЭМ и работу на них.

Просвечивающие растровые Э. м. (ПРЭМ) обладают столь же высокой PC, как и ПЭМ. В этих приборах применяются автоэмиссионные пушки, обеспечивающие достаточно большой ток в зонде диаметром до 2—3 Å. На рис. 6 приведено схематическое изображение ПРЭМ. Две магнитные линзы уменьшают диаметр зонда. Ниже объекта расположены детекторы — центральный и кольцевой. На первый попадают нерассеянные электроны, и после преобразования и усиления соответствующих сигналов на экране ЭЛТ появляется т. н. светлопольное изображение. На кольцевом детекторе собираются рассеянные электроны, создающие т. н. темнопольное изображение. В ПРЭМ можно исследовать более толстые объекты, чем в ПЭМ, т. к. возрастание числа неупруго рассеянных электронов с толщиной не влияет на разрешение (после объекта оптика в ПРЭМ отсутствует). С помощью анализатора энергии электроны, прошедшие сквозь объект, разделяются на упруго и неупруго рассеянные пучки. Каждый пучок попадает на свой детектор, и на ЭЛТ наблюдается соответствующее изображение, содержащее дополнительную информацию о рассеивающих свойствах объекта. Высокое разрешение в ПРЭМ достигается при медленных развёртках, т. к. в зонде диаметром всего 2—3 Å ток получается слишком малым.

Рис. 6. Принципиальная схема просвечивающего растрового электронного микроскопа (ПРЭМ): 1 – автоэмиссионный катод; 2 –промежуточный анод; 3 – анод; 4 – отклоняющая система для юстировки пучка; 5 – диафрагма «осветителя»; 6, 8 – отклоняющие системы для развертки электронного зонда; 7 – магнитная длиннофокусная линза; 9 – апертурная диафрагма; 10 – магнитный объектив; 11 – объект; 12, 14 – отклоняющие системы; 13 – кольцевой коллектор рассеянных электронов; 15 – коллектор нерассеянных электронов (убирается при работе со спектрометром); 16 – магнитный спектрометр, в котором электронные пучки поворачиваются магнитным полем на 90°; 17 – отклоняющая система для отбора электронов с различными потерями энергии; 18 – щель спектрометра; 19 – коллектор; ВЭ – поток вторичных электронов hn – рентгеновское излучение

Эмиссионные электронные микроскопы создают изображение объекта в электронах, которые эмиттирует сам объект при нагревании, бомбардировке первичным пучком электронов, освещении и при наложении сильного электрического поля, вырывающего электроны из объекта. Эти приборы обычно имеют узкое целевое назначение.

Зеркальные электронные микроскопы служат главным образом для визуализации электростатического «потенциального рельефа» и магнитных микрополей на поверхности объекта. Основным оптическим элементом прибора является электронное зеркало, причём одним из электродов служит сам объект, который находится под небольшим отрицательным потенциалом относительно катода пушки. Электронный пучок направляется в зеркало и отражается полем в непосредственной близости от поверхности объекта. Зеркало формирует на экране изображение «в отражённых пучках». Микрополя возле поверхности объекта перераспределяют электроны отражённых пучков, создавая контраст на изображении, визуализирующий эти микрополя.

3.Новые направления и перспективы развития электронных микроскопов.

Этот вопрос может быть переведен в разряд дополнительного материала при дополнении вопроса, касающейся электронно-лучевой сварки!

Одним из новых направленийразвития электронных микроскопов является создание электронных микроскопов смешанного типа.

Электронные микроскопы смешанного типа. Сочетание в одном приборепринципов формирования изображения с неподвижным пучком (как в просвечивающем электронном микроскопе) и сканирования тонкого зонда по объекту позволило реализовать в таком электронном микроскопе преимущества ПЭМ, РЭМ и ПРЭМ.

В настоящее время во всех ПЭМ предусмотрена возможность наблюдения объектов в растровом режиме (с помощью конденсорных линз и объектива, создающих уменьшенное изображение источника электронов, которое сканируется по объекту отклоняющими системами). Кроме изображения, сформированного неподвижным пучком, получают растровые изображения на экранах ЭЛТ с использованием прошедших и вторичных электронов, характеристические рентгеновские спектры и т.д. Оптическая система такого ПЭМ, расположенная после объекта, даёт возможность работать в режимах, неосуществимых в других приборах. Например, можно одновременно наблюдать электронограмму на экране ЭЛТ и изображение того же объекта на экране прибора.

Перспективы развития.

Повышение разрешающей способности в изображениях непериодических объектов до 1 Å и более позволит регистрировать не только тяжёлые, но и лёгкие атомы и визуализировать органический мир на атомарном уровне.

Для создания с подобным разрешением повышают ускоряющее напряжение, разрабатывают электронные линзы с малыми аберрациями (в частности криогенные линзы, в которых используется эффект сверхпроводимости при низких температурах), работают над созданием методов исправления аберраций ЭЛ и т.д.

Исследование механизма формирования частотно-контрастных характеристик изображения в электронных микроскопах привело к разработке методов реконструкции изображения, которые осуществляются аналогично тому, как это делается в световой оптике, где подобные методы основаны на Фурье преобразованиях, а соответствующие расчёты производятся на ЭВМ.

Лит.:

1.Eighth international congress on electron microscopy, Canberra, 1974.

2.Стоянов П.А., Мосеев В.В., Розоренова К.М., Ренский И.О. Электронный микроскоп предельного разрешения ЭМВ-100Л, «Изв. АН СССР. Сер. физическая», т. 34, 1970.

3.Хокс П. Электронная оптика и электронная микроскопия, пер. с англ., М., 1974.

4.Деркач В.П., Кияшко Г.Ф., Кухарчук М.С., Электронозондовые устройства, К., 1974.

5.Стоянова И.Г., Анаскин И.Ф. Физические основы методов просвечивающей электронной микроскопии, М., 1972.

6.Oatley С.W. The scanning electron microscope, Camb., 1972.

7.Grivet P. Electron optics, 2 ed., Oxf., 1972.

П. А. Стоянов.

Дата добавления: 2015-10-28