683_Filimonova_N.I._Metody_ehlektronnoj_mikroskopii_

Часть 3. СКАНИРУЮЩАЯ (РАСТРОВАЯ) ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

Введение

Возможности аналитической электронной микроскопии кардинально расширились в результате создания сканирующего электронного микроскопа

(СЭМ) или в английской транскрипции (SEM - Scanning electron microscopy или РЭМ). Часто также используют термин «растровая электронная микроскопия

(РЭМ) или (REM)

Внедрение СЭМ, обладающего очень высоким разрешением и узким (~ 5- 10 нм) электронным пучком, перевело исследования на качественно новую ступень. СЭМ часто комплектуется аналитическими приставками, например, рентгеноспектральной и анализа энергетических потерь электронов, что позволяет не только получать детальные сведения о структуре объекта практически на атомном уровне, но и с локальностью порядка 10нм и высокой чувствительностью определять химический состав.

СЭМ обладает рядом преимуществ как по сравнению с традиционной световой микроскопией, так и другими аналитическими методами. Прежде всего, это:

высокая разрешающая способность (порядка 0,1нм);

большая глубина фокуса;

простота подготовки образца;

легкость интерпретации изображения благодаря эффекту трехмерного восприятия;

высокая информативность, обусловленная возможностью использования различных контрастирующих методов для создания изображения;

относительно простая совместимость с другими методами микроанализа.

Все это делает СЭМ уникальным инструментом для анализа различных материалов.

3.1.Физические принципы работы СЭМ

Вотличие от просвечивающего электронного микроскопа изображение в сканирующем электронном микроскопе формируется электронами, не проходящими через образец, а упруго и не упруго рассеянными поверхностью образца.

Известно, что при взаимодействии быстрых электронов с поверхностью исследуемого образца протекает ряд сложных процессов, приводящих к появлению излучений различной природы (рис. 3.1). Все эти процессы несут информацию о свойствах поверхности исследуемого материала. Подбором соответствующего детектора можно регистрировать сигнал электронов

41

необходимого энергетического диапазона, а также рентгеновское излучение и ток через образец.

В сканирующем электронном микроскопе изображение исследуемого объекта формируется при сканировании его поверхности точно сфокусированным лучом электронов диаметром 5-10нм. Такой луч часто называют электронным зондом.

Для формирования изображения поверхности в сканирующем электронном микроскопе обычно используют отраженные электроны и вторичные электроны. Создаваемые ими сигналы после их регистрации датчиками усиливают, а затем используют для модуляции яркости изображения на электронно-лучевой трубке, развертка которой синхронна со смещением электронного зонда.

Таким образом, каждой точке на поверхности образца ставится в соответствие точка на экране электронно-лучевой трубки. Яркость изображения точки пропорциональна интенсивности сигнала от соответствующей точки на изучаемой поверхности. Увеличение изображения равно отношению размеров кадра на экране монитора к размерам растра в плоскости объекта. При уменьшении размеров растра увеличение растёт.

3.2. Глубина проникновения электронов в твердое тело

Первичные электроны в СЭМ могут иметь энергию до 30 кэВ и, следовательно, могут проникать на значительную глубину в образец, испытывая как упругое, так и неупругое рассеяние.

Если имеет место упругое рассеяние, то изменяется направление вектора скорости электрона, при этом ее величина остается постоянной, иными словами кинетическая энергия электрона не меняется. Упругое рассеяние происходит в результате столкновения высокой энергии с ядрами атомов, частично экранированных связанными электронами, иными словами это рассеяние в результате взаимодействия первичных электронов с полем ядра.

При упругом столкновении электрон отклоняется от направления падения на угол θ, который может принимать значения от 0 до 180˚. Только небольшая часть электронов первичного пучка испытывает упругое обратное рассеяние (т.е. на угол более 900). Эти электроны используются для формирования изображения в отраженных электронах (ОЭ).

При неупругом рассеянии, электроны первичного пучка теряют часть своей энергии на возбуждение атомов образца, в результате чего возникает эмиссия вторичных электронов (ВЭ), Оже-электронов и рентгеновского излучения.

Электроны первичного пучка, проникая в материал мишени, многократно взаимодействуют с электронами атомов решетки, с электрическими полями ядер, теряя энергию вплоть до захвата каким-либо центром решетки или становясь электронами проводимости в металлическом образце.

42

Глубина, на которой это происходит, называется «глубиной проникновения», а область, в которой электроны зонда растрачивают всю свою энергию, называется областью (или объемом) взаимодействия (рис.3.1).

Рис.3.1. Общий вид области взаимодействия первичного пучка электронов с образцом [11]

Дифференциальное сечение упругого рассеяния электрона с кинетической энергией Е в телесный угол dΩ на атоме с зарядом eZ связано с углом рассеяния формулой Резерфорда:

=

∙∙

∙

(Ω

)

,

где Е-кинетическая энергия электрона, dΩ- телесный угол, Z - атомный номер, θ-угол рассеяния.

Из формулы следует, что вероятность рассеяния убывает обратно пропорционально квадрату энергии падающего электрона и растет быстрее с увеличение атомного номера и уменьшением угла рассеяния. Так как средняя длина свободного пробега λ и сечение рассеяния, обратно пропорциональны друг другу, то λ возрастает при уменьшении атомного номера Z и увеличении E.

Следовательно, глубина проникновения, как и объем взаимодействия, будут увеличиваться с ростом энергии первичного пучка и уменьшаться с увеличением атомного номера Z. Действительно, так как вероятность обратного рассеяния (т.е. на большие углы) пропорциональна Z2, то чем больше Z, тем плотнее материал и тем меньше глубина проникновения электронов в этот материал и область взаимодействия. И чем меньше энергия первичных

43

электронов, тем меньше требуется актов неупругих взаимодействий, чтобы они пришли в состояние покоя, и тем меньше глубина проникновения в материал.

Длина пробега электронов, обладающих первичной энергией Е0, может быть определена по эмпирической формуле [3]:

∙= ∙

где b 1,35, а ρ – плотность образца. Если энергия в эВ, то a=10 мкг/см2. Но наиболее точно экспериментальным результатам определения максимальной глубины проникновения электронов соответствует выражение

Канайа-Окаяма [2]:

[мкм] = , ∙ ∙, ∙ , ,

где E0 – энергия первичных электронов, кэВ; ρ – плотность материала, г/см3, A – атомный вес, г/моль.

При взаимодействии с первичными электронами электроны атомов образца приобретают дополнительную энергию, которая позволит некоторым из них эмитировать из образца. Так как энергия вторичных электронов не превышает 50 эВ, то вклад в эмиссию могут дать только электроны, находящиеся в приповерхностной области образца, глубиной менее 50нм при условии, что они после взаимодействия с первичным пучком двигались в направлении поверхности образца (рис.3.1). А электроны, образующиеся на большей глубине, не имеют достаточно энергии, чтобы покинуть образец, и рекомбинируют с ионизированными атомами вещества. В среднем, эмитированные образцом вторичные электроны генерируются на очень маленькой глубине, называемой глубиной выхода. Упруго рассеянные электроны эмитируются гораздо большей областью взаимодействия, но глубина обычно не превышает 100нм [11].

На рис. 3.2 приведены экспериментальные зависимости глубины проникновения электронов в различные материалы от их энергии.

44

Рис.3.2. Глубина проникновения электронов в различные материалы в зависимости от их энергии

3.3. Формирование изображения в сканирующей электронной микроскопии

Формирование контраста в СЭМ - изображении определяется разностью детектируемых сигналов от соседних участков образца, чем она больше, тем выше контраст изображения. Контраст зависит от нескольких факторов: морфологии поверхности, химического состава поверхности образца, поверхностных локальных магнитных и электрических полей, кристаллографической ориентации элементов структуры.

Важнейшими из них являются топографический, зависящий от морфологии поверхности образца, и композиционный, зависящий от химического состава поверхности. Уровень контраста определяется также и эффективностью преобразования падающего на детектор излучения, которое создает сигнал на его выходе. Если получаемый 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, то есть диаметр зонда возрастет, что снизит разрешающая способность.

3.4. Контраст изображения во вторичных электронах

Вторичные электроны возникают, когда первичный электронный пучок возбуждает электроны атомов образца при неупругом рассеянии. Возбужденные электроны образца двигаются, испытывая упругие и неупругие взаимодействия, некоторые достигают поверхности и могут покинуть поверхность образца, при условии, что они изначально двигались по направлению к поверхности и обладают достаточной кинетической энергией.

45

Образование вторичных электронов происходит во всей области взаимодействия электронов зонда с мишенью, но, как уже было сказано выше, покинуть поверхность образца могут только электроны, генерированные в тонком приповерхностном слое порядка 2нм [3]. Эти электроны используются для формирования изображения поверхности образца, формируя сигнал вторичных электронов (ВЭ или SE - secondary electron). Следовательно, данное изображение отображает морфологию поверхности образца, а не свойства нижележащих слоёв. Эмиссия вторичных электронов обуславливает два вида контраста изображения: топографический и композиционный.

Топографический контраст сигнала ВЭ обусловлен зависимостью коэффициента вторичной электронной эмиссии от угла падения первичных электронов по отношению к поверхности образца. Коэффициентом вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ) называют среднее число эмитированных вторичных электронов на один первичный электрон. Он зависит от состава поверхности образца и энергии первичного электронного пучка Е0.

Для данного материала КВЭЭ уменьшается с ростом Е0, т.к. быстрые электроны первичного пучка имеют большую глубину проникновения, в меньшей степени подвержены неупругому рассеянию и, следовательно, генерируют меньше вторичных электронов в пределах глубины выхода [3].

Коэффициент вторичной электронной эмиссии минимален при нормальном падении электронов первичного пучка и повышается с увеличением угла падения первичного пучка (угол между пучком и нормалью к поверхности) [3]. Коэффициент вторичной электронной эмиссии δ зависит от

угла	наклона	элемента поверхности образца φ приблизительно как [2,3]:
=	(0)	.

Это связано с увеличением длины эффективного пути первичных электронов вблизи поверхности образца, в то время как направления выхода вторичных электронов не меняются, т.е. направления выхода вторичных электронов изотропны относительно падающего пучка (рис.3.4 - эмиссия ВЭ идет из заштрихованных областей).

Рис.3.3. Область взаимодействия первичного пучка с поверхностью образца: А

– угол падения равен нулю; В - угол падения отличен от нуля [3]

46

При изменении угла наклона элемента поверхности по отношению к первичному пучку меняется объем области взаимодействия электронного зонда с образцом и, следовательно, количество вторичных электронов, эмитируемых этим объёмом, что и обеспечивает топографический контраст.

Для образцов с развитой морфологией поверхности эта зависимость КВЭЭ от ориентации элементов поверхности относительно первичного пучка приводит к тому, что выступы или впадины на поверхности образца на СЭМ – изображении во вторичных электронах выглядят светлыми. Детали поверхности, которые имеют наклон в направлении детектора ВЭ выглядят на СЭМ – изображении более яркими вследствие того, что вторичные электроны, эмитированные этими участками, имеют большую вероятность достичь детектора. Это используют, чтобы отличить возвышенность на поверхности образца от углублений. Изображение в СЭМ воспринимается как трехмерное, что позволяет наблюдать исследовать структуру внутри относительно глубоких впадин на поверхности исследуемого образца.

При формировании СЭМ - изображения в режиме детектирования вторичных электронов возможно появление композиционного контраста. Однако он относительно невелик. Вторичные электроны в отличие от рассеянных назад электронов не обнаруживают заметной зависимости от атомного номера. Композиционный контраст возникает вследствие зависимости КВЭЭ от содержания различных примесей и состава разных фаз

[2].

При исследовании морфологии поверхности образца (поверхность излома, протравленного шлифа и др.) обычно используют режим вторичных электронов, что связано с более высокой разрешающей способностью СЭМ при работе в этом режиме. Хотя контрастность изображения в режиме ВЭ несколько ниже, чем при использовании отражённых электронов, но благодаря угловой зависимости выхода ВЭ и эффекта затенения изображение во вторичных электронах хорошо отображает морфологию поверхности.

3.5. Контраст изображения в отраженных электронах

Отраженные или обратно рассеянные электроны (ОЭ или BSE – backscattered electron) - это электроны первичного пучка упруго рассеянные образцом на угол более 900. Так как при упругом рассеянии происходит незначительный обмен энергией с ядрами атомов образца, то основная часть обратно рассеянных электронов выходит из образца с энергией порядка энергии первичного пучка Е0.

Контраст СЭМ – изображения в режиме ОЭ обусловлен зависимостью коэффициента обратного рассеяния от атомного номера Z элементов образца. Так как дифференциальное сечение упругого рассеяния электрона пропорционально Z2, то коэффициент обратного рассеяния (доля первичных электронов, которые эмитируют из образца как обратно рассеянные) монотонно увеличивается с ростом Z. Для низких значений Z зависимость почти линейна

[3].

47

Следовательно, чем выше атомный номер Z, тем больше коэффициент обратного рассеяния и тем ярче соответствующая область на СЭМ – изображении, что обеспечивает композиционный контраст изображения или так называемый Z – контраст (также «контраст от состава»). Механизм формирования изображения в обратных и во вторичных электронах отличается, прежде всего, вследствие большого различия их энергий и как следствие, различия в глубине, с которой поступает информация.

Как уже было рассмотрено выше, в формирование изображения в режиме ВЭ вносят вклад электроны, эмитированные образцом с глубины порядка 1нм. В случае формирования изображения в режиме обратных электронах в СЭМ - изображение вносят вклад электроны, эмитированные образцом с глубины, примерно равной половине глубины проникновения электронов первичного пучка. Если энергия первичного пучка выше 3 кэВ, то глубина составляет десятки и даже сотни нанометров.

3.6. Кристаллографический и магнитный типы контрастов

Для кристаллических (особенно металлических) образцов имеют значение ещё два механизма образования контраста: магнитный контраст и контраст каналирования электронов, связанный с кристаллической структурой и ориентацией образца. Эти виды контраста намного слабее и дают гораздо худшее разрешение.

Интенсивность и направление как отраженных, так и вторичных электронов в кристаллическом образце зависит от ориентации кристаллографических плоскостей относительно первичного пучка. Для электронов, падающих на кристалл под брэгговским углом для данной системы плоскостей, наблюдается резкое увеличение глубины проникновения в материал, известный как эффект Бормана. Как следствие этого, в данной точке поверхности наблюдается резкое снижение числа как вторичных, так и отраженных электронов, что соответствует уменьшению контраста на СЭМ – изображении. То есть на СЭМ – изображении в данной точке будет наблюдаться узкая темная полоса, параллельная данной системе кристаллографических плоскостей (Рис.3.4).

Магнитный контраст может быть двух типов: контраст, обусловленный взаимодействием высокоэнергетических электронов с магнитным полем образца в объёме материала и контраст, обусловленный взаимодействием вторичных электронов с магнитным полем образца на его поверхности.

Сила Лоренца заметно изменяет траекторию движения электронов и домены с противоположным направлением вектора магнитной индукции будут иметь различную яркость.

48

Рис.3.4. Контраст, обусловленный каналированием на СЭМизображении поверхности кремния (111) слева и (100) справа [12]

3.7.Экспериментальное оборудование

3.7.1.Оптическая схема и принцип действия СЭМ

Сканирующий электронный микроскоп включает в себя несколько самостоятельных узлов:

1.электронно-оптическую систему,

2.высоковакуумную автоматизированную систему,

3.системы регистрации, формирования и отображения информации, поступающей с образца,

4.устройства точной механики (шлюзы, столики для образцов, приспособления для механических и других воздействий на образцы),

5.система автоматического анализа и обработки изображения и

другой информации, поступающей по каналам связи с компьютера СЭМ.

Электронно-оптическая система СЭМ включает в себя:

1.электронную пушку,

2.электромагнитные линзы,

3.катушки отклоняющей системы.

Пушка представляет собой трёх электродную электростатическую линзу, состоящую из анода, фокусирующего электрода (цилиндр Венельта) и катода, являющегося источником электронов. В СЭМ могут быть использованы катоды из вольфрама или из гексаборида лантана, а также катод Шоттки или вольфрамовый катод с холодной полевой эмиссией электронов.

Источники с холодной полевой эмиссией электронов (автоэмиссионные пушки) формируют пучок электронов меньший в диаметре, более когерентный и с улучшенной, на три порядка, яркостью, чем у обычных термоэлектронных эмиттеров, таких как вольфрамовая нить. Микроскопы с такими источниками

49

электронов имеют более высокое отношение сигнала к шумам и пространственного разрешение.

Эмитируемые катодом электроны ускоряются и формируются в электронный луч (зонд) с помощью системы диафрагм, линз, стигматоров и т.п. Отклоняющие катушки, соединенные с генератором, обеспечивают синхронную с электронно-лучевой трубкой развертку (сканирование) электронного зонда по изучаемому участку поверхности образца.

Формирование яркости изображения осуществляется по сигналам от детекторов отраженных электронов, вторичных электронов и рентгеновского излучения. Управление увеличением (от 20 до 10000) осуществляется специальным устройством путем изменения отношения амплитуд развертки луча по экрану и электронного зонда по образцу.

Принципиальная схема сканирующего электронного микроскопа приведена на рис.3.5.

(а)

(б)

Рис.3.5. Принципиальная схема сканирующего электронного микроскопа (а): 1- катод, 2- цилиндр Венельта, 3- анод, 4,10 – ограничивающие диафрагмы, 5,6- конденсорные линзы, 7- отклоняющие катушки, 8- стигматор, 9- объективная линза, 11детектор рентгеновского излучения, 12усилитель, 13генератор развертки, 14изучаемый образец, 15детектор вторичных электронов, 16подача сигнала на отклоняющие катушки, 17управление увеличением, 18- электронно-лучевая трубка [1-18]; сканирующий электронно-ионный микроскоп 1540XB фирмы Carl Zeiss (б)

В связи с тем, что при облучении материала электронами возникает рентгеновское излучение в СЭМ широкое применение находит также метод

50