Дифракционные методы анализа

97

рентгеновского излучения будет ниже, чем в случае матрицы с низким значением коэффициента поглощения, и относительная интенсивность будет меньше, чем должна быть при данном весовом содержании элемента.

В тех случаях, когда под воздействием пучка электронов генерируется характеристическое рентгеновское излучение сразу двух элементов А и В, содержащихся в образце, может наблюдаться вторичное рентгеновское излучение (сенсибилизированная флуоресценция). Если излучение элемента В обладает достаточной жесткостью, то при поглощении квантов этого излучения атомами элемента А может возникать характеристическое излучение элемента А. Таким образом, наблюдаемое характеристическое излучение элемента А будет состоять из двух частей: одна часть генерирует непосредственно под воздействием пучка электронов, а другая обусловлена усилением флуоресценции вследствие поглощения квантов характеристического излучения элемента В. Следовательно, будет наблюдаться более высокая интенсивность рентгеновского излучения элемента А. Усиление флуоресценции достигает максимальной интенсивности, когда энергия квантов характеристического излучения элемента В лишь немного больше энергии квантов, соответствующих краю полосы поглощения элемента А, и становится тем меньше, чем выше энергия квантов излучения В. Поправки на этот эффект ничтожно малы, если разница атомных номеров ZA - ZB больше 10 или если атомный номер возбуждающего элемента ZB меньше 20. В некоторых системах эффект усиления флуоресценции может быть весьма значительным. Например,

в системе Fe–Ni энергия квантов характеристической линии KαNi (λ = 1,65 Å)

лишь немного превышает энергию квантов K – серии железа, соответствующих краю полосы поглощения (λ = 1,75 Å), и при исследовании сплава с 43,7% Fe оказалось, что интенсивность рентгеновского излучения соответствует содержанию 49,0% Fe.

8. РАСТРОВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

98

8.1.Принцип действия РЭМ

Врастровой микроскопии увеличенное изображение получается без помощи каких-либо оптических средств.

Необходимо различать факторы, ограничивающие разрешающую

способность (т.е. определяющие возможность наблюдать раздельно две близко расположенные неоднородности на поверхности образца), и факторы, от которых зависит точность передачи размера, формы и контраста в изображениях таких неоднородностей.

Разрешающая способность ограничена диаметром сканирующего первичного пучка. Однако это не единственный лимитирующий фактор. Чтобы визуализировать определенные детали образца, необходимо выполнить следующие условия:

1.Интересующий элемент поверхности не должен быть заметно меньше размера зонда, эффективный диаметр которого получается проекцией диаметра пучка на поверхность образца.

2.Взаимодействия сканирующего электронного зонда с локальной неоднородностью и её окружением должны приводить к различию соответствующих измеряемых сигналов на величину, по крайней мере, равную или большую некоторого порогового значения, при котором модуляция яркости конечного изображения достаточна для того, чтобы человеческий глаз был способен её уловить.

Диаметр сканирующего пучка всегда должен быть в 3…5 раз меньше размера самой маленькой детали, которую требуется воспроизвести на изображении. В практической растровой микроскопии диаметр сканирующего зонда в большинстве случаев выбирается таким, чтобы достигалось возможное максимальное увеличение. Если затем изменить увеличение изображения на меньшее (скажем, в 3 раза) без соответствующего тройного увеличения диаметра зонда, то в изображении появится ошибка.

Дополнительные возможности, предоставляемые РЭМ, значительно расширяют область его использования, давая разнообразную и зачастую уникальную информацию. К ним относятся следующие: исследование образцов

99

«на просвет», исследование в поглощенных и канализованных электронах, наблюдение за их структурными изменениями непосредственно в процессе растяжения, нагрева, ионного травления, анализ локального состава с помощью спектрометра энергетической дисперсии (СЭД) рентгеновских лучей и т. д.

8.2. Конструкция и модели РЭМ

Растровый электронный микроскоп состоит из трех основных частей: источника питания, электронно-оптической колонны с камерой образцов и коллектором электронов, а также системы индикации изображения.

Электроны ускоряются напряжением, приложенным между пушкой и анодом, которое можно плавно менять от 1 до 20 кВ. Как правило, РЭМ работает при напряжениях 15…25 кВ, так как такой диапазон обеспечивает оптимальное разрешение. Низкие напряжения используются при излучении диэлектрических объектов, чтобы избежать зарядки образца электронами зонда.

Важным узлом в камере образцов является детектор эмитированных электронов (рис. 8.1), состоящий из:

1.электростатического фокусирующего электрода;

2.сцинтиллятора, имеющего положительный потенциал и оптически соединенного светопроводом с фотоумножителем.

Основная часть детектора – сцинтиллятор 5, в котором при попадании электронов с высокой энергией (10…15 КэВ) генерируется световое излучение. Сцинтиллятор размещен внутри коллектора, закрытого в передней части сеткой 4, потенциал которой относительно образца 3 можно менять от – 50 до + 250 В и тем самым регулировать соотношение собранных отраженных и вторичных электронов. Положительный потенциал служит для сбора вторичных электронов. Поскольку энергия вторичных электронов недостаточна для активации сцинтиллятора, то они ускоряются под действием высокого напряжения, равного 12 кВ.

Световое излучение, создаваемое в материале сцинтиллятора, проходит по световоду 6 и попадает на фотоумножитель 7, где преобразуется в

100

электрический сигнал. Сигнал от фотоумножителя поступает в предусилитель, а оттуда, уже смешанный с постоянной составляющей (0…5В), подается на вход видеоусилителя по кабелю.

Рис. 8.1. Схема детектора эмитированных электронов: 1 – электронный зонд; 2 – поток электронов, эмитированных поверхностью образца; 3 – образец; 4 – коллектор, состоящий

из сетки и металлического стакана; 5 – сцинтиллятор; 6 – световод; 7 – фотоумножитель

Изображение объекта в РЭМ возникает на экранах двух электроннолучевых трубок, одна из которых предназначена для визуального наблюдения, а вторая, имеющая иные характеристики и работающая в других режимах сканирования, - для фотографического воспроизведения. Блок визуального наблюдения используется в тех случаях, когда нужно быстро выбрать нужную область поверхности и определить увеличение, информативность и качество изображения данного образца. При этом нет необходимости в большом числе строк в кадре и строгом соблюдении соотношения между шириной строк и диаметром зонда, а также в том, чтобы при использовании диаметра электронного зонда и увеличении разрешались самые тонкие локальные неоднородности поверхности.

101

Под действием электростатического поля траектории низкоэнергетических вторичных электронов отклоняются, обеспечивая большой телесный угол сбора вторичных электронов, в том числе из затененных участков (глубоких впадин на поверхности и т.д.). Это позволяет выявлять больше деталей на поверхности и определяет получение полутонов на изображениях во вторичных электронах.

Классификация РЭМ возможна по нескольким признакам. В зависимости от разрешающей способности различают РЭМ I класса (<150 Å), II класса (200500 Å), III класса (> 500 Å).

По ускоряющему напряжению РЭМ подразделяют на приборы с напряжением < 5 кВ, 5…50 кВ (самые распространенные) и > 50 кВ (используются для исследования образцов на просвет в просвечивающих растровых электронных микроскопах – ПРЭМ). В зависимости от количества дополнительных приспособлений микроскопы делятся на универсальные, к которым выпускаются многочисленные приспособления, и специализированные. К последним относятся также РЭМ, предназначенные для контроля в производственных условиях.

Основные технические характеристики и типы растровых электронных микроскопов приведены в табл. 8.1.

Рассмотрим подробнее технические характеристики отечественного растрового электронного микроскопа МЭР-2.

Предельное разрешаемое расстояние:

-в режиме вторичных электронов 100 Å;

-в режиме “на просвет” прошедших электронов 70 Å. Ускоряющее напряжение – 25 ступеней 2,25…50 кВ.

Увеличение на экране электронно-растрового устройства (ЭРУ) 10…160000 крат.

Число кинескопов в ЭРУ 3 шт.

Размер изображения на экране кинескопов 105х90 мм. Остаточное давление в колонне не более 1·10-3Па.

102

Таблица 8.1

Типы и характеристики растровых электронных микроскопов

		Предельно	Ускоряющее
	Тип РЭМ	разрешаемое	напряжение,	Модели
		расстояние,	кВ
		Å
	Упрощенные	200…5000	1…15	РЭМ-200, РЭМН-2(СССР),
	и мини-РЭМ			YSM-15, MSM-5(Япония)
				РЭМ-100-75, РЭМ-1, МЭР-
	Универсальные	70…120	1…60	2, Зонд-6(СССР), YSM-
				50A, YSM-35(Япония),
				Stereoskan 180,150(Англия)
	РЭМ с
	автоэммисионной	40…90	0,2…20	Cwikskan (Австрия)
	пушкой
	Специализиро-	Зависит от	1…50	Camebax (Франция)
		специализа-		YCXA –50A(Япония),
	ванные	ции		Biosem (США)
		1…3		HB-5 (Англия), ST-
	Просвечивающие		100…200	100(ФРГ), YSEM-200,
		(15…70)
				YEM-1000/AS1D(Япония)

8.3. Растровый электронный микроскоп PHILIPS XL-30

Растровый электронный микроскоп Philips представлен на рис.8.2. Его основные характеристики: потенциал на пушке равен 5-30кВ, в камере обеспечивается вакуум до 10-5 Па и имеются блоки для детектирования рентгеновского излучения отраженных и вторичных электронов. Прибор полностью компьютеризирован, установлено специальное программное обеспечение. Помещение, в котором стоит прибор, должно иметь систему вентиляции и быть полностью экранировано стальными пластинами.

103

Рис. 8.2. Внешний вид растрового электронного микроскопа PHILIPS-30

104

Блок детектирования представляет собой твердотельный кремниевый детектор, смонтированный внутри высоковакуумного криогенного узла. Узел содержит также FET (полевой транзистор) и тонкое окно для входа рентгеновского излучения и поддержания вакуума. Внешним для этого узла является предусилитель и дьюар жидкого азота. Весь узел смонтирован на перемещаемой рейке, позволяющей изменять положение детектора относительно образца.

Дьюар жидкого азота необходим для охлаждения кремниевого детектора и первой ступени предусилителя (FET). Охлаждение необходимо для подавления шума, как в кристалле детектора, так и в FET, вследствие чего достигается оптимальное энергетическое разрешение системы детектирования.

Кристалл детектора и FET смонтированы близко друг к другу на одном конце металлического стержня хлад, называемого холодным пальцем. Другой конец этого стержня соединён с внутренним кожухом дьюара, заполняемого жидким азотом. Холодный палец с детектором, FET и некоторыми другими деталями заключены в металлической трубке, называемой концевой крышкой, которая прикреплена болтами к внешнему кожуху дьюара. Другой конец закрыт окном. На концевой крышке расположен коллиматор, ограничивающий возможность попадания на детектор рассеянного рентгеновского излучения.

Пространство между внутренним и внешним кожухами дъюара откачано до (примерно) 10-5 Па, что обеспечивает необходимую тепловую изоляцию. Для поддержания этого высокого вакуума внутри дьюара находится криогенный откачивающий агент. Его откачивающая способность обеспечивает многолетнюю нормальную работу детектора.

Без вакуума в микроскопе окно должно выдерживать давление в одну атмосферу, при этом оно слегка прогибается.

Вместимость дьюара CDU (компактного блока детектирования) составляет 2,5 литра и слегка изменяется в зависимости от угла входа (в микроскоп).

С блоком детектирования связан главный усилитель, расположенный внутри блока электроники анализатора.

105

Детекторы LE серии обеспечивают регистрацию излучения лёгких элементов при загрязнениях, плохом вакууме или других неподходящих условиях работы электронного микроскопа. Имеются четыре модели детекторов LE серии: UTW, Super-UTW, ECON5 и ECON6.

Основным достоинством приборов LE серии является ультра тонкое окно (UTW) или супер ультратонкое окно (Super-UTW, SUTWJ), выдерживающие давление более одной атмосферы. Это окно уникальной конструкции защищает кристалл Si(Li) детектора от загрязнения или плохого вакуума в микроскопе, обеспечивая в то же время прекрасное пропускание рентгеновского излучения.

8.4. Формирование контраста на изображении

Контраст изображения в РЭМ формируется за счет изменения числа вторичных или рассеянных назад электронов, собранных с различных участков поверхности образца. Поэтому величина сигнала, определяющая яркость какойлибо точки на экране, сложным образом зависит от ряда факторов.

Механизм контраста будет различным для вторичных и рассеянных электронов из-за огромной разницы в их энергиях. Вторичные электроны имеют энергию около 20 эВ, в то время как для рассеянных назад электронов это значение составляет 20 000 эВ. Основное различие между этими двумя типами электронов заключается в том, что быстрые рассеянные назад электроны не отклоняются полем коллектора. Они летят от образца к сцинтилляционному счетчику по совершенно прямолинейным траекториям. Медленные вторичные электроны испытывают влияние электрического поля коллектора и обычно следуют по искривленным траекториям. Поэтому те участки поверхности образца, из которых к коллектору нельзя провести прямую линию, можно визуализировать только с помощью вторичных электронов, а не с помощью рассеянных назад. Это является основной причиной более высокой информативности вторично-эмиссионного изображения. Кроме того, вторичные электроны дают больший общий сигнал, а следовательно, и лучшее отношение сигнал/фон.

106

Из информации, получаемой с помощью РЭМ, основными являются сведения о локальных изменениях топографии и химического состава поверхности. Соответственно выделяют топографический и композиционный контрасты.

Топографический контраст обусловлен изменением интенсивности эмиссии вторичных электронов и коэффициента отражения для отраженных электронов, угла наклона элемента поверхности к первичному пучку.

Число электронов, попадающих на сцинтиллятор, определяется углом между падающим электронным пучком и нормалью к поверхности образца. Это справедливо и для рассеянных назад и для вторичных электронов. Малые изменения (1…2о) наклона поверхности оказываются достаточными для заметной модуляции яркости свечения экрана электронно-лучевой трубки. Грубый рельеф поверхности может давать дополнительный контраст за счет эффекта тени.

Характерная черта топографического контраста в РЭМ – повышенная яркость изображения острых вершин и выступов рельефа (краевой эффект), вызванная увеличением выхода электронов с этих участков. Снижение разрешающей способности и потеря отдельных деталей изображения усугубляются при этом за счет более эффективного улавливания коллектором электронов, вылетающих из выступов рельефа.

Существует очевидное сходство изображений, получаемых в световом и растровом микроскопах (при использовании отраженных электронов впадины кажутся темными, выступы светлыми и отбрасывающими тени), несмотря на существенные различия в механизме формирования контраста.

При наблюдении в световом микроскопе объект обычно освещен под разными углами, а изображение формируется в глазу наблюдателя. В РЭМ объект освещен очень узким электронным зондом, вторичные электроны поступают на коллектор под самыми различными углами, поэтому изображение выглядит так, как будто источник света расположен на месте коллектора электронов, а наблюдение проводится со стороны электронной пушки