3812 ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЗОНДОВОГО МИКРОАНАЛИЗАТОРА

 

. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Интенсивное развитие материаловедения, новых технологий, физики поверхности твердых тел, обеспечивающее качественный рост уровня электронной техники, ядерной энергетики и других областей техники, вызвало потребность в контроле структуры, элементного состава и характера распределения компонентов, входящих в используемые материалы.

Композиционный состав материала с высокой степенью точности может быть определен с помощью масс-спектрометрических, спектроскопических, химических и других методов. Однако перечисленные методы, хотя и обладают высокой чувствительностью, не позволяют контролировать распределение компонентов в материале и анализировать неоднородные материалы и их поверхности на микронном и субмикронном уровнях. Информация подобного рода необходима при решении таких задач, как изучение микросегрегаций, идентификация включений и неоднородностей в технических сплавах и на элементах электронных приборов.

Решение этих задач стало возможным при создании растровых электронных микроскопов и рентгеноспектральных микроанализаторов (РЭМ, РМА). В этих приборах исследуемая поверхность облучается тонко сфокусированным пучком электронов, который может разворачиваться в растр по поверхности образца или фиксироваться на его выбранных участках.

В результате взаимодействия электронного зонда с поверхностью образца возникают ответные излучения электронов и фотонов различных энергий. Излучаемые электроны и фотоны рождаются в определенных областях (области генерации внутри образца) и могут быть использованы для получения информации о топографии поверхности, составе, кристаллографической ориентации граней исследуемых образцов.

Ценность электронно-зондового метода анализа заключается в его большой информативности. При этом полученная информация о поверхности образцов может включать одновременно ее микрорельеф, распределение примесей по поверхности и их состав.

Метод позволяет получать количественные результаты анализа при использовании эталонов и специальной методики вычисления концентрации компонентов образцов. Количественный электронно-зондовый микроанализ состоит в сравнении интенсивности характеристического рентгеновского излучения анализируемого элемента с интенсивностью излучения этого элемента от эталона известного состава при одинаковых условиях облучения образцов электронами зонда. При этом отношение интенсивностей излучения образца и эталона в первом приближении равно весовой (или массовой) концентрации анализируемого элемента в образце. Для точного определения концентрации необходимо вводить поправки, учитывающие различия в рассеянии электронов зонда, генерации рентгеновского излучения и его поглощения для образца и эталона.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ

МИКРОСКОПИИ И РЕНТГЕНОВСКОГО МИКРОАНАЛИЗА

2.1. Взаимодействие электронного зонда с образцом

 

 

Рис. 1. Взаимодействие

электронного зонда с образцом

При взаимодействии пучка электронов с мишенью-образцом из него эмитируются вторичные и отраженные электроны, тормозное и характеристическое рентгеновское излучения, Оже-электроны и фотоны различных энергий (рис. 1). Регистрация этих электронов и излучений позволяет судить о многих характеристиках образца (элементном составе, топографии, кристаллографической ориентации граней и т.д.).

В РЭМ и РМА используются электронные зонды с энергией электронов 10-50 эВ, током 10-8-10-12 А и размерами луча на образце 5×10-6-10-8 м. Высокоэнергетические электроны бомбардирующего мишень пучка в мишени претерпевают упругое рассеяние (обратно отраженные электроны) и неупругое рассеяние (вторичные электроны, характеристическое рентгеновское излучение).

Отраженные электроны возникают при однократном рассеянии под большим углом и многократном малоугловом упругом рассеянии электронов первичного пучка. Энергия упруго отраженных электронов близка к энергии первичных электронов зонда. Упругое рассеяние первичных электронов и доля отраженных электронов характеризуются коэффициентом отражения

,

растут с ростом атомного номера мишени образца z (рис. 2) и зависят от угла падения электронов зонда.

Регистрация упруго отраженных электронов позволяет получать информацию о топографии и составе исследуемого образца, т.к. количество отраженных электронов зависит как от рельефа поверхности (угла падения), так и от состава мишени (средний атомный номер).

Вторичные электроны эмитируются с малой энергией при неупругом рассеянии первичных электронов.

 

Рис. 2. Зависимость коэффициента отражения h

для =30 кэВ от атомного номера мишени z

Суммарный коэффициент вторичной электронной эмиссии  включает коэффициент отражения электронов h и коэффициент истинно вторичных электронов d (). Типичные значения коэффициента вторичной электронной эмиссии составляют 0,1 при энергии первичных электронов 30 кэВ и 0,3-0,5 при энергии электронов 5 кэВ.

Вторичные электроны образуются на глубине порядка 5l, где l - средняя длина свободного пробега электронов в твердом теле (для металлов l»10 Å, для диэлектриков l»100 Å). Однако вероятность выхода вторичных электронов, обладающих низкой энергией, уменьшается экспоненциально с глубиной их образования. Поэтому все вторичные электроны, выходящие из поверхности, образуются на небольшой глубине (»l/2). При этом количество вышедших из поверхности вторичных электронов зависит очень сильно от величины суммарного коэффициента вторичной эмиссии s и угла падения пучка первичных электронов. Этот факт является основой для получения контраста при сканировании электронного зонда по образцу с развитой поверхностью, т.е. ток вторичных электронов может быть использован для получения высококачественного изображения микрорельефа поверхности образца.

Генерация рентгеновского излучения является результатом взаимодействия электронов зонда с поверхностью образца. При этом возможны два вида взаимодействия электронного пучка с твердым телом: рассеяние электронов вблизи атомных ядер, приводящее к генерации рентгеновского излучения с непрерывным спектром (тормозное), и рассеяние на электронах внутренних К-,  L-, М-оболочек атомов, приводящее к появлению характеристического рентгеновского излучения с дискретным спектром. Характеристическое излучение лежит на фоне непрерывного спектра тормозного излучения (рис. 3).

Процесс электронных переходов, в результате которых возникают различные характеристические линии, можно показать схематически (рис. 4). Здесь для простоты показано, что каждая электронная оболочка К, L, М и т.д. имеет только один энергетический уровень. При соударении электрона с электронами внутренних оболочек атома вылетает один фотоэлектрон и атом переходит в возбужденное состояние. При переходе атома в стационарное состояние электрон возвращается на свободное место, например в оболочке К. Такие переходы из оболочки L на оболочку К вызывают образование рентгеновского излучения , с оболочки М на оболочку К - излучение . Соответствующие переходы на оболочки L и М приводят к генерации линий рентгеновского спектра ,  и др.

 

Рис. 3. Схематический спектр излучения

молибдена для различных ускоряющих

напряжений: 1 – характеристическое

излучение; 2 – непрерывное излучение

 

 

Рис. 4. Схема электронных переходов в атоме. , , , ... – характеристические линии

Поскольку электроны в атомах различных элементов находятся на дискретных энергетических уровнях, излучаемый при переходах квант рентгеновского излучения также будет иметь дискретное значение энергии, равное разности энергий соответствующих уровней. Поэтому длины волн характеристического излучения имеют определенные значения для атомов заданного атомного номера. Обнаруженные при анализе характеристические линии указывают на наличие данного элемента в образце. Интенсивность характеристического рентгеновского излучения может служить основой для количественного анализа состава образца.

Характеристическое излучение охватывает широкую область длин волн (рис. 5). Однако излучение с длиной волны менее 0,5 Å не может генерироваться с помощью электронного зонда, поскольку энергия электронов в реальных микроанализаторах обычно оказывается меньше. Существует приборное ограничение и со стороны длинноволновой части рентгеновского излучения, т.к. мягкое рентгеновское излучение (l < 10 Å) не может быть зарегистрировано используемыми в приборах этого типа проточными пропорциональными счетчиками. Поэтому для определения элементов с различными атомными номерами измеряется интенсивность различных характеристических линий. Например, для элементов с z от 11 до 36 измеряется интенсивность линии , с 36 - интенсивность излучения линии  и . Определение элементов с z<11 затруднено и требует специальных проточных счетчиков с тонкими окнами, при этом чувствительность анализа оказывается очень низкой. Отношение интенсивности линия/фон составляет около 30:1 для кислорода, для элементов с z>11 это отношение 2000:1 при энергии электронов зонда, в 2-3 раза превышающей критическую энергию возбуждения атома.

 

Рис. 5. Длины волн характеристических линий , ,  в зависимости от атомного номера элементов

Пространственное разрешение метода определяется глубиной генерации рентгеновского излучения. Электроны зонда успевают пройти в образце расстояние порядка 1-3 мкм, прежде чем их энергия станет меньше критической энергии возбуждения атома. При этом глубина генерации зависит от энергии электронов зонда, атомного номера мишени, плотности образца и может быть представлена в виде выражения, предложенного Кастэном [1]:

,

где S − глубина генерации, мкм; Е0 − энергия электронов зонда, кэВ; Ес − критическая энергия возбуждения, кэВ (см.таблицу II [1]); А − атомный вес элемента; r − плотность, г×см-3; z − атомный номер элемента мишени.

Глубина генерации может быть определена также по номограмме Рида (см. с. 59 [2]). Более корректно пространственное разрешение в рентгеновских лучах может быть определено величиной, равной сумме глубины области генерации рентгеновского излучения S и поперечного размера электронного пучка d. В растровом электронном микроскопе и рентгеновском микроанализаторе размер электронного пучка обычно значительно меньше размера области генерации (d/S£0,2).