3811 ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВ РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В наш век быстро развивающейся техники исследователю приходится наблюдать и правильно объяснять явления, происходящие на микронном и субмикронном уровнях. Растровый электронный микроскоп и рентгеновский микроанализатор – приборы, позволяющие на таком уровне исследовать неоднородные материалы и поверхности. Построение изображения по точкам в этих приборах осуществляется при развертке в растр (сканировании) электронного пучка, зондирующего объект исследования, масштабы изображения изменяются радиотехническими методами. В результате взаимодействия сфокусированного электронного пучка (электронного зонда) с поверхностью образца возникают вторичные электроны, отраженные электроны, ОЖЕ-электроны и фотоны различных энергий, а также характеристическое рентгеновское излучение. Природа и интенсивность результата регистрируемого взаимодействия непосредственно определяют вид получаемого изображения и характер информации, которую оно содержит.

В растровом электронном микроскопе (РЭМ) основной интерес  представляет изменение вторичной электронной эмиссии, которое обусловлено разницей в топографии поверхности при развертке электронного зонда в растр по поверхности образца. Выход вторичных электронов ограничен областью вблизи площадки, на которую попадает пучок электронов, и это позволяет получать изображения с относительно высоким разрешением. Эффект трехмерности происходит за счет большой глубины фокуса электронного зонда, фокусируемого электронно-оптической системой (ЭОС) на образец.

Общая идея работы РЭМ была сформулирована еще в 1935 году, однако воплощение этой идеи в безотказно работающий прибор стало возможным лишь с использованием достижений современной электроники совсем недавно.

  1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСТРОВОЙ

ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

Растровый электронный микроскоп состоит из трех основных частей: электронно-оптической колонны с камерой образцов и детекторами вторичных ионов и излучений, системы индикации изображения с источниками питания и вакуумной системы. Схема электронно-оптической колонны представлена на рис. 1.

2.1. Формирование электронного зонда

Величина тока тонко сфокусированного электронного пучка, облучающего образец, определяет интенсивность испускаемых сигналов (вторичных электронов и др.) при других постоянных параметрах.

 

Рис. 1. Схема электронной и рентгеновской оптики комбинированного прибора РЭМ-РМА: 1 – катод, 2 – модулятор, 3 – анод, 4 - ограничивающая диафрагма, 5 – первая конденсорная линза, 6 – вторая конденсорная линза, 7 – катушка двойного отклонения, 8 – стигматор, 9 – конечная (объективная) линза, 10 – диафрагма, ограничивающая размер пучка, 11 – детектор рентгеновского излучения (с волновой или энергетической дисперсией), 12 – усилитель фотоумножителя, 13 – генераторы развертки, 14 – образец, 15 – детектор вторичных электронов, 16 – к катушке двойного отклонения, 17 – управление увеличением, 18 – ЭЛТ

Кроме того, размер конечного  пятна  определяет  разрешение  РЭМ  для  многих  механизмов формирования контраста изображения. В связи с этим электронно-оптическая система таких приборов должна обеспечивать максимально возможный ток при минимально возможном размере зонда. Электронно-оптическая колонна РЭМ включает в себя электронную пушку; систему двух или более электронных линз, формирующих электронный зонд; промежуточные и конечную апертурные диафрагмы; стигматор для коррекции астигматизма электронного пучка и устройство сканирования зонда.

Электронная пушка триодного типа имеет вольфрамовую V-образную нить прямонакального термокатода и модулятор с круглым отверстием, центр которого совмещается с острием катода при установке их в электронную пушку. Катодный узел с модулятором располагается над анодом с отверстием, которые центрируются без нарушения вакуума с помощью винтов юстировки, выдвинутых на внешнюю сторону колонны. Во время работы катод с модулятором находятся под высоким отрицательным потенциалом (1÷30 кВ), анод при этом имеет нулевой потенциал, общий со всеми элементами электронно-оптической системы и предметным столиком образцов. Под действием электрического поля, сформированного в пучке с подобным расположением катода, модулятора и анода, электроны, эмитируемые кончиком катода, сходятся в точке определенного диаметра d0, именуемой кроссовером. Такая конфигурация пушки эквивалентна наличию в системе электронно-оптической иммерсионной линзы.

Для уменьшения электронного изображения катода, сформированного в кроссовере  (d0 = 25÷100 мкм) электронной пушки до конечного размера зонда на поверхности образца (100 Å – 1 мкм), используется система линз конденсатора и объектива. Уменьшение при этом составляет 10000 Х. Конденсовая линзовая система, состоящая из одной или двух линз, определяет ток пучка, попадающего на образец. Последняя линза обычно называется объективной, она определяет размер конечного пятна электронного зонда.

В приборе используются обычные электромагнитные линзы, и электронный пучок фокусируется за счет взаимодействия магнитного поля линзы с движущимися электронами. Схематический разрез аксиально-симметричной электромагнитной линзы и влияние ее магнитного поля на траектории электронов (см. рис. 2) иллюстрирует фокусирующее действие электромагнитных линз.

Конструкция объективной линзы чрезвычайно важна для создания малого размера пятна электронного зонда в РЭМ. К объективной линзе, кроме того, предъявляется ряд дополнительных требований. Для снижения влияния аберрации линзы фокусное расстояние ее должно быть как можно короче, при этом образец необходимо устанавливать сразу под выходным отверстием линзы. Магнитное поле этой линзы у образца должно

 

Рис. 2. Схематический разрез аксиально-симметричной электромагнитной линзы. Магнитные силовые линии изображены вместе с составляющими магнитного поля

 

 

Рис. 3. Объективная линза с малым отверстием в нижнем полюсном наконечнике: 1 – двойные отклоняющие катушки, 2 – стигматор, 3 – конечная (объективная) линза, 4 – диафрагма, ограничивающая пучок

быть достаточно низким для исключения его влияния на низкоэнергетичные вторичные электроны,  собираемые  детектором. В  канале  линзы  должно  быть достаточно места для размещения отклоняющих катушек, стигматора и ограничивающей пучок диафрагмы. При этом такие дополнительные устройства не должны препятствовать прохождению электронов, значительно отклоненных от электронно-оптической оси за время сканирования зонда. Поэтому объективная линза должна представлять собой разновидность линзы с малым отверстием в нижнем полюсном наконечнике и достаточно большим в верхнем (рис. 3).