2014_velichko

не требуют никакой специальной подготовки. Но непроводящие образцы при сканировании электронным зондом заряжаются.

При этом ток через образец IS определяется как током первичного пучка I0 , так и коэффициентами эмиссии отраженных электронов η и вторичной электронной эмиссии δ [19]:

IS I0 (1 ).

(11)

Следовательно, знак тока (и локального заряда на образце) будет определяться значениями коэффициента эмиссии отраженных электронов η и коэффициента вторичной электронной эмиссии δ.

На практике более серьезную проблему представляет отрицательный заряд на образце, который отталкивает сканирующий зонд, следствием чего являются флуктуации интенсивности изображения и различные дисторсии.

Для решения этих проблем чаще всего используют два метода: 1) напыление на поверхность непроводящего образца тонкой (примерно 10…20 нм) проводящей пленки и 2) выбор ускоряющего напряжения первичного пучка.

Вкачестве проводящей пленки обычно используют золото, платину, серебро, тантал, вольфрам или углерод. Так как толщина проводящей пленки превышает глубину выхода ВЭ, то сигнал ВЭ формируется из электронов, которые эмитировали из проводящего покрытия, а не из образца. Но в большинстве случаев проводящая пленка очень тонкая и

ееморфология поверхности почти соответствует морфологии поверхности образца, что позволяет получить достаточный топографический контраст.

Углеродная пленка имеет низкий выход вторичных электронов, но предельно маленький размер ее зерна не позволяет возникнуть артефактам на изображениях во вторичных электронах при больших увеличениях.

Вряде случаев нанесение какого-либо покрытия на поверхность образца нежелательно. Тогда зарядки образца можно избежать, подбирая ускоряющее напряжение первичного пучка. Такой способ борьбы с зарядкой образца возможен благодаря зависимости коэффициента эмиссии отраженных электронов η и коэффициента вторичной электронной эмиссии δ от энергии электронов первичного пучка.

Если энергия электронов первичного пучка высока, то глубина проникновения электронов в образец тоже велика. Это приводит

211

к тому, что бо´льшая часть как вторичных, так и отраженных электронов генерируется глубоко в образце и не может выйти за его пределы, следовательно, суммарный коэффициент эмиссии электронов (η + δ) будет низким и образец согласно уравнению [формула (4.11)] будет иметь отрицательный встроенный заряд.

При уменьшении энергии электронов первичного пучка коэффициент вторичной электронной эмиссии δ будет увеличиваться и ток через

образец IS , необходимый для нейтрализации заряда, будет уменьшаться и станет равным нулю при некоторой энергии Е2 первичного

пучка, соответствующей η + δ = 1. Дальнейшее понижение энергии первичного пучка может привести к возникновению положительного встроенного заряда, который будет нейтрализоваться генерированными вторичными электронами.

Для некоторой энергии Е1 первичного пучка суммарный коэффи-

циент эмиссии электронов падает вследствие того, что первичные электроны не имеют достаточно энергии для генерации вторичных электронов. Так как η < 1 по определению, то опять происходит отрицательная зарядка образца.

Но существует диапазон энергий от Е1 до Е2 первичного пучка

для данного образца, при которых зарядка происходить не будет. Значения этих энергий находят эмпирическим путем, снижая ускоряющее напряжение до тех пор, пока не исчезнут на изображении артефакты,

связанные с зарядкой. Обычно величина Е1 составляет несколько сотен вольт, а значения Е2 находятся в диапазоне 1…10 кэВ [19].

Сложность для высоковакуумной сканирующей микроскопии представляют образцы, способные выделять газ или пар, например, жидкие биологические образцы и ткани, а также нефтегазоносные породы. Такие образцы подвергаются специальной обработке, включающей сушку вблизи критической точки плавления воды или заморозку. Такие процессы приводят к фазовым переходам, что меняет структуру образца.

Но в настоящее время благодаря применению методов низковакуумной сканирующей микроскопии и сканирующей микроскопии в режиме естественной среды не требуется ни напыление электропроводящей пленки, ни сушка или вымораживание образцов. Эти методики основаны на применении детекторов вторичных электронов, способных работать в присутствии паров воды, и использовании специально

212

разработанных диафрагм, отделяющих камеру с образцом от высоковакуумной электронно-оптической части микроскопа. В этом случае подготовка сводится к нанесению образца на двухсторонний электропроводящий скотч.

Экспериментальное оборудование. 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)систему автоматического анализа и обработки изображения и другой информации, поступающей по каналам связи с компьютера

СЭМ.

Электронно-оптическая система СЭМ включает в себя: а) электронную пушку, б) электромагнитные линзы, в) катушки отклоняющей системы. Пушка представляет собой трехэлектродную электростатическую линзу, состоящую из анода, фокусирующего электрода (цилиндр Венельта) и катода, служащего 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 электронов имеют более высокое отношение сигнала к шумам и пространственное 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.

213

Яркость изображения формируется по сигналам от детекторов отраженных электронов, вторичных электронов и рентгеновского излучения. Управление увеличением (от 20 до 10 000) осуществляется специальным устройством посредством изменения отношения амплитуд развертки луча по экрану и электронного зонда по образцу.

В связи с тем что при облучении материала электронами возникает рентгеновское излучение в СЭМ, широкое применение находит также метод рентгеноспектрального микроанализа. Поэтому почти для всех сканирующих электронных микроскопов предусмотрено конструктивное совмещение этих методов.

а

б

Рис. 4.26. Принципиальнаясхемасканирующегоэлектронногомикроскопа(а):

1 – катод; 2 – цилиндр Венельта; 3 – анод; 4, 10 – ограничивающие диафрагмы; 5, 6 – конденсорные линзы; 7 – отклоняющие катушки; 8 – стигматор; 9 – объективная линза; 11 – детектор рентгеновского излучения; 12 – усилитель; 13 – генератор развертки; 14 – изучаемый образец; 15 – детектор вторичных электронов; 16 – подача сигнала на отклоняющие катушки; 17 – управление увеличением, 18 – элек- тронно-лучевая трубка [18]; б – сканирующий электронно-ионный микроскоп

1540XB фирмы Carl Zeiss

214

Имеется возможность регистрировать спектры длин волн компонентов рентгеновского излучения и энергий рентгеновских квантов. Это обеспечивает проведение высокочувствительного (десятые – тысячные доли процента) качественного и количественного анализа химического состава поверхности изучаемого материала, в том числе в отдельно выбранной точке. Пространственное разрешение рентгеноспектрального микроанализа составляет 200…500 нм и сильно зависит от качества подготовки поверхности образцов.

Принципиальная схема растрового электронного микроскопа приведена на рис. 4.26.

Детектор вторичных электронов (SE)

Вторичные электроны регистрируются с помощью направленного детектора Эверхарта–Торнли, позволяющего селективно идентифицировать электроны с энергией менее 50 эВ. Поскольку ток вторичных электронов очень мал (10–11…10–12 А), для эффективного сбора электронов с достаточно низким уровнем помех используют коллектор, представляющий собой сцинтиллятор, размещенный внутри электростатического экрана, закрытого спереди сеткой. Сцинтиллятор является основной частью детектора Эверхарта–Торнли (рис. 4.27).

Рис. 4.27. Детектор Эверхарта–Торнли:

о.э – отраженные электроны; в.э – вторичные электроны; Ф – цилиндр Фарадея; С – сцинтиллятор; СВ – световод [4]

215

Так как облучение образца пучком электронов приводит к генерации и вторичных, и обратнорассеянных электронов, то, меняя потенциал сетки относительно образца (например, от –50 до +250 В), можно в широких пределах изменять соотношение в сигнале рассеянных и вторичных электронов, а вместе с тем контраст и другие характеристики изображения.

При положительном относительно образца потенциале сетки вклад рассеянных электронов в сигнал составляет несколько процентов, поэтому сигнал практически полностью обусловлен вторичными электронами. Основная масса вторичных электронов захватывается сеткой и, ускоряясь фокусирующим напряжением, собирается в фокусе сцинтиллятора, который испускает свет при попадании в него электронов больших энергий.

Далее световое излучение проходит по световоду и попадает на окно фотоумножителя, вызывая эмиссию электронов, создающих на выходе сигнал с усилением 105…106. Такая система обладает малым уровнем шумов в широкой полосе пропускания. Для большинства сцинтилляторов необходимы электроны с энергией 10…15 кэВ, и поэтому, чтобы ускорить вторичные электроны до необходимой энергии, на сцинтиллятор подается потенциал около 12 кВ.

Дополнительно сцинтиллятор окружается цилиндром Фарадея, чтобы по возможности избежать влияния этого потенциала на электроны падающего пучка. Меняя напряжение на цилиндре Фарадея, можно полностью исключить влияние вторичных электронов на формируемый сигнал либо добиться наиболее эффективного их использования.

Так как энергия вторичных электронов мала, то электростатическое поле между образцом и сеткой коллектора сильно отклоняет их траектории от первоначальных (после выхода с поверхности образца) в сторону коллектора. Это позволяет получить изображение участков образца, находящихся вне прямого движения электронов к коллектору, т. е. бестеневое изображение (рис. 4.28, а).

Обладающие гораздо большей энергией упругорассеянные электроны мало меняют свою траекторию под действием того же электростатического поля, двигаясь вдоль прямой линии по направлению к коллектору (рис. 4.28, б), что обусловливает характерное теневое изображение рельефа поверхности исследуемого образца. В коллектор не попадают электроны, рассеянные с участков, закрытых от коллектора каким-либо препятствием.

216

а

б

Рис. 4.28. Формирование СЭМ-изображения:

а – во вторичных электронах; б – в отраженных электронах

Одновременное применение обратнорассеянных и ВЭ позволяет выявить больше деталей поверхности, чем при использовании только обратнорассеянных электронов. Изменение условий сбора электронов с поверхности образца достигается изменением не только режима работы коллектора, но и положением образца относительно коллектора.

Так, для сбора только вторичных электронов коллектор размещается вне прямого движения электронов к нему, а для сбора только обратно рассеянных электронов – в направлении прямого движения при одновременном понижении потенциала сетки до нуля (или –30…–50 В), чтобы отсечь вторичные электроны.

Детекторы обратных электронов (BSE)

Обратноотраженные электроны можно зарегистрировать и детектором Эверхарта–Торнли, если подать отрицательный потенциал на цилиндр Фарадея, что отсечет вторичные электроны. Но обратнорассеянные электроны испускаются в широком телесном угле, летят по прямой траектории с высокой энергией, что делает их практически нечувствительными к электростатическим полям на сетке детектора.

Врезультате детектора достигают только те, которые испускаются

впределах малого телесного угла, определяемого диаметром коллектора, что составляет не более 10 % [4] отраженных электронов. Детектируемый сигнал имеет очень низкую интенсивность, и получаемое

изображение содержит большое количество шумов. Следовательно, для регистрации обратноотраженных электронов необходимо использовать детекторы с большим углом сбора.

Для максимального увеличения телесного угла сбора используется детектор Робинсона, представляющий собой кольцевой сцинтиллятор, расположенный непосредственно над образцом прямо под (или в)

217

объективной линзой. Такой детектор (рис. 4.29) перекрывает большой телесный угол и обеспечивает высокую эффективность сбора обратнорассеянных электронов с образца, расположенного перпендикулярно первичному пучку. Свет через световод подается в фотоумножитель, так же как в детекторе Эверхарта–Торнли.

а

б

Рис. 4.29. Схема сцинтилляционного детектора ОЭ (а); детектор Робинсона (б)

Чаще всего для детектирования обратноотраженных электронов используют твердотельные полупроводниковые детекторы, которые представляют собой кремниевый диод большой площади, расположенный непосредственно под объективной линзой (рис. 4.30) и работающий либо в фотогенерационном режиме, либо под обратным смещением.

Быстрые обратнорассеянные электроны вызывают генерацию элек- тронно-дырочных пар в области пространственного заряда р–п- перехода. Генерированные носители создают на выходе импульс тока, пропорциональный входному сигналу.

Следовательно, регистрируемые детектором отраженные электроны можно измерить, либо регистрируя средний ток, либо путем подсчета импульсов тока на выходе детектора. Так как вторичные электроны вследствие низкой энергии не могут вызвать генерацию свободных носителей в р–п-переходе детектора, то они не вносят вклад в формирование СЭМ-изображения данным детектором. К недостаткам такого детектора можно отнести относительно узкую полосу пропускания, ограниченную емкостью р–п-перехода, что может затруднить его использование при быстрых развертках.

218

	Полюсный
	наконечник
Отраженные
электроны	Кольцевой детектор
	отраженных электронов
Верхний
контакт	Тонкий слой Au
	Образование па электрон–дырка
	p–n-переход
Si
Базовый контакт

Индикатор тока во внешней цепи

Рис. 4.30. Схема полупроводникового детектора отраженных электронов [4]

Так как детекторы обратноотраженных электронов расположены непосредственно над образцом, то изображение в обратных электронах содержит мало топографического контраста.

Наиболее существенный контраст в режиме обратнорассеянных электронов обусловлен зависимостью коэффициента обратного рассеяния от атомного номера элемента. Чем выше атомный номер, тем сильнее обратное рассеяние (дифференциальное сечение обратного рассеяния пропорционально квадрату атомного номера) и, следовательно, ярче соответствующая область на изображении. Чтобы разделить эти два типа контраста, используют парный полупроводниковый детектор, расположенный симметрично относительно оптической оси. При сложении сигналов с этих двух детекторов получают изображение с композиционным контрастом, а при вычитании – с топографическим

(рис. 4.31).

Поскольку глубина выхода вторичных электронов зависит от энергии первичного пучка и на порядок превышает глубину выхода вторичных электронов, разрешающая способность в режиме обратнорассеянных электронов гораздо ниже, чем в режиме вторичных электронов.

219

Рис. 4.31. Схема формирования топографического и композиционного контраста в отраженных электронах

Основное достоинство сканирующей электронной микроскопии – это высокая информативность, обусловленная возможностью получать изображения поверхности, используя различные детекторы, способные регистрировать как вторичные, так и обратнорассеянные электроны, ток через образец, рентгеновское излучение и т. д. Важным достоинством метода будет сочетание высокой (до 0,5 нм с автоэмиссионным катодом) разрешающей способности с большой глубиной фокуса, которая при разрешении 10 нм может составлять 1 мкм. Это позволяет исследовать образцы с сильно развитым рельефом (в отличие от АСМ).

Методы сканирующей электронной микроскопии в основном применяются для исследования морфологии поверхности и карты распределения элементов по поверхности образца.

Методами СЭМ с помощью соответствующих детекторов можно определять химический состав в локальных участках при послойном анализе и в процессе химических реакций; следить за пластическими деформациями, кинетикой роста микрокристаллов, сублимацией и другими физическими и химическими процессами на поверхности образца; кроме линейных размеров можно измерять величины магнитных полей и поверхностных потенциалов, активность люминесценции, глубину залегания р–п-переходов, получать спектры характеристических потерь энергии электронов и оже-спектры и многое другое.

220