Просвечивающая электронная микроскопия является одним из самых высокоразрешающих методов исследования. При этом просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) представляет собой аналог традиционного оптического микроскопа. Аналогия заключается в том, что изменение траектории распространения потока оптических квантов под действием преломляющей среды (линз) подобно действию магнитных и электрических полей на траекторию движения заряженных частиц, в частности электронов. Подобие, с точки зрения фокусировки электронов и формирования изображения исследуемого объекта, оказалось настолько близким, что электронно-оптические колонны первых магнитных и электростатических ПЭМ рассчитывали с помощью зависимостей геометрической оптики.
В качестве фокусирующих линз в современных ПЭМ (рис. 15.2) используют заключенные в магнитопровод электромагнитные катушки, которые создают фокусирующие магнитостатические поля (рис. 15.3). Магнитопровод линзы выполняет две функции: повышает напряженность поля
Рис. 15.2.
- 1 - электронная пушка; 2 - блок конденсорных линз; 3 - блок объективной линзы с объектодержателем; 4 - блок проекционных линз; 5 - экраны для визуализации изображения; 6- высоковольтный источник питания; 7- вакуумная система
- (т. е. усиливает его фокусирующую способность) и придает ему форму, обеспечивающую формирование изображения, наиболее точно соответствующего объекту. В отличие от стеклянных линз преломляющую силу магнитной линзы легко меняют путем изменения тока возбуждения в обмотке. Благодаря этому увеличение, обеспечиваемое микроскопом, можно менять непрерывно от нескольких сотен до миллионов крат.
Рис. 15.3. Схема электромагнитной линзы электронного микроскопа: I - магнитопровод; 2 - катушка возбуждения магнитного поля;
3- поле, фокусирующее электронный поток
В ПЭМ образцы «рассматривают» на просвет. То есть их облучают электронным пучком и получают нужную информацию в виде изображения, сформированного с помощью прошедших сквозь образец электронов. Всякое изображение состоит из участков определенного размера, отличающихся яркостью. Эти отличия в ПЭМ возникают из-за того, что электроны, проходя сквозь плотную среду образца, рассеиваются в ней (частично поглощаются, изменяют направление движения и, как правило, теряют часть своей энергии). Причем угловое распределение электронов, прошедших сквозь образец, несет информацию о плотности образца, его толщине, элементном составе и кристаллографических характеристиках.
Рис. 15.4. Поглощение потока электронов в тонкопленочном аморфном образце, имеющем участок повышенной плотности: а - б - распределение плотности тока j
Рис. 15.5. Поглощение потока электронов в тонкопленочном аморфном образце переменной толщины: а - прохождение потока электронов сквозь образец; б - распределение плотности тока j в прошедшем сквозь образец электронном потоке
Так, участки, содержащие более тяжелые атомы, рассеивают электроны на большие углы и вызывают более эффективное их поглощение (рис. 15.4). Точно так же участки аморфного образца, имеющие большую толщину, в большей степени отклоняют и поглощают электроны, чем более тонкие участки (рис. 15.5). Если с помощью линз оптически сопрячь плоскость образца и плоскость приемника-преобразователя, на поверхности последнего возникнет увеличенное изображение.
Если образец является кристаллом или поликристаллом, взаимодействие электронного пучка, представляющего собой плоскую волну, с кристаллической решеткой приводит к возникновению дифракционной картины (рис. 15.6). Геометрия этой картины описывается известным из курса физики уравнением Вульфа-Брэгга и однозначно связана с кристаллографическими параметрами образца. Зная энергию облучающих электронов, можно установить эти параметры с высокой точностью. Для того чтобы получить увеличенное изображение такой картины (дифрактограммы), достаточно оптически сопрячь плоскость формирования дифракционной картины (она располагается за плоскостью образца) и плоскость приемника-преобразователя.
Рис. 15.6. Электронографические картины, полученные от монокристаллического (я) и поликристаллического (б) образцов
Для визуализации указанных изображений прошедшие электроны фокусируют на поверхности приемника-преобразователя с помощью системы линз (объективной, промежуточной и т. п.). При этом из всех электронов, прошедших через образец, выделяют либо электроны, рассеянные на большие углы, либо нерассеянные (реже для формирования изображения используют электроны, рассеянные на малые углы, - обычно при малоугловой дифракции). В первом случае на полученном изображении более темными выглядят участки, характеризующиеся малой рассеивающей способностью (это гак называемый темнопольный режим формирования изображения), а во втором - наоборот (светлопольный режим).
Принципиальная схема ПЭМ показана на рис. 15.7. Микроскоп состоит из электронной пушки и системы электромагнитных линз, образующих вертикально расположенную электронно-оптическую колонну, в которой поддерживается вакуум Ю -3 ч-10~ 2 Па. Осветительная система микроскопа включает в себя электронную пушку и двухлинзовый конденсатор. Электронная пушка, как правило, термоэмиссионная, состоит из катода (нагретая нить из W или LaB 6), эмиттирующего электроны, управляющего электрода (на него подается отрицательный относительно катода потенциал) и анода в виде пластинки с отверстием. Между катодом и анодом создается мощное электрическое поле с ускоряющим напряжением 100-150 кВ.
Следует заметить, что существует немногочисленный класс гак называемых сверхвысоковольтных микроскопов, в которых ускоряющее напряжение может достигать нескольких мегавольт. С увеличением скорости уменьшается длина волны (А. = h/mv - h /(2теU) 0 5) электрона. С уменьшением длины волны возрастает разрешающая способность оптической системы любого микроскопа, в том числе и ПЭМ. Рост ускоряющего напряжения, кроме того, приводит к увеличению проникающей способности электронов. При рабочих напряжениях 1000 кВ и более возможно изучение образцов толщиной до 5-10 мкм.
Рис. 15.7.
- 1 - катод; 2 - анод; 3 - первый конденсор; 4 - второй конденсор;
- 5 - корректор юстировки; 6 - гониометрический столик с объектодержателем;
- 7 - апертурная диафрагма; 8 - секторная диафрагма; 9 - промежуточная линза;
- 10 - проекционная линза; 11 - приемник-преобразователь;
- 12 - диафрагма поля зрения; 13 - стигматор промежуточной линзы;
- 14 - стигматор объективной линзы; 15 - объективная линза;
- 16 - исследуемый объект; 17- стигматор второго конденсора;
- 18 - диафрагма второго конденсора; 19 - диафрагма первого конденсора; 20 - управляющий электрод
Однако при исследовании материалов в высоковольтном ПЭМ нужно учитывать образование в его структуре радиационных дефектов типа пар Френкеля и даже комплексов точечных дефектов (дислокационных петель, вакансионных пор) при длительном экспонировании под высокоэнергетическим электронным пучком. Например, в алюминии пороговая энергия смешения атома из узла кристаллической решетки для электронного пучка составляет 166 эВ. Такие электронные микроскопы являются эффективным инструментом для изучения появления и эволюции радиационных дефектов в кристаллических твердых телах.
Проходя через отверстие анода, пучок электронов попадает в конденсоры и корректор юстировки, где электронный луч окончательно наводится на изучаемый образец. В ПЭМ посредством конденсорных линз регулируют и контролируют размер и угол облучения образца. Далее с помощью полей объективной и проекционных линз на поверхности приемника- преобразователя формируется информационное изображение.
Для микродифракционных исследований в состав микроскопа включают подвижную селекторную диафрагму, которая в этом случае заменяет апертурную. Для большей универсальности между объективной и промежуточной линзами в ПЭМ устанавливают дополнительную линзу. Она повышает резкость изображения во всем диапазоне увеличений. Основное же назначение линзы состоит в обеспечении быстрого перехода в режим электронографических исследований.
В качестве приемника-преобразователя может использоваться люминесцентный экран, где в слое люминофора происходит преобразование потока электронов в поток оптического излучения. В другом конструктивном исполнении приемник-преобразователь включает в себя чувствительную матрицу (секционированные микроканальные пластины, матричные электронно-оптические преобразователи, ПЗС-матрицы (сокр. от «прибор с зарядовой связью»)), в которой поток электронов преобразуется в видеосигнал, а последний выводится на экран монитора и используется для создания ТВ-изображения.
Современные ПЭМ обеспечивают разрешение до 0,2 нм. В связи с этим появился термин «просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения». Полезное увеличение конечного изображения может достигать 1 млн крат. Интересно отметить, что при таком огромном увеличении деталь структуры размером 1 нм на конечном изображении имеет размер только 1 мм.
Поскольку изображение формируется из электронов, прошедших сквозь образец, последний из-за низкой проникающей способности электронов должен иметь малую толщину (обычно десятые и сотые доли микрометра). Существует эмпирическое правило, согласно которому толщина образца не превышает значения требуемой разрешающей способности более чем на порядок (для получения сверхвысокого разрешения 0,2 нм это правило уже не работает). Вследствие этого образец готовят в виде фольги или гонкой пленки, называемой репликой.
В зависимости от того, как образец готовится, его исследование может быть прямым, косвенным или смешанным.
Прямой.метод дает наиболее полную информацию о структуре объекта. Он заключается в утонении исходного массивного образца до состояния тонкой пленки, которая прозрачна или полупрозрачна для электронов.
Утонение образца - трудоемкий процесс, поскольку применение механических устройств на последней стадии невозможно. Обычно образец разрезают на миллиметровые пластинки, которые предварительно механическим путем полируют до толщины ~50 мкм. Затем образец подвергают прецизионному ионному травлению или электролитической полировке
(двусторонней или с обратной стороны от исследуемой поверхности). В результате он утоняется до толщины ~ 100- 1000 А.
Если образец имеет сложный состав, то надо учитывать, что скорость эрозии различных материалов при ионном распылении и электрополировке различна. В итоге получаемый слой дает прямую информацию не обо всем исходном образце, а лишь о чрезвычайно тонком его приповерхностном слое, оставшемся после травления.
Однако эта ситуация не критична, если сам образец представляет собой тонкую структуру, например, выращенную эпитаксиальную пленку или нанодисперсный порошок.
В некоторых случаях, относящихся, как правило, к неметаллическим пластичным материалам типа органики и биологических объектов, тонкие пленки для исследований отрезают от массивного исходного образца с помощью специальных устройств, называемых ультрамикротомами (рис. 15.8). Ультрамикротом представляет собой миниатюрную гильотину с прецизионным (обычно пьезокерамическим) приводом перемещения образца под нож. Толщина слоя, срезаемого прибором, может составлять единицы нанометров.
Рис. 15.8.
В ряде случаев пленки получают также путем физического напыления в вакууме на водорастворимые подложки (NaCl, КС1).
При исследованиях методом просвечивающей (трансмиссионной) электронной микроскопии можно изучать дислокационную структуру материалов (см., например, рис. 2.28), определять векторы Бюргерса дислокаций, их тип и плотность. Также с помощью ПЭМ возможно исследование скоплений точечных дефектов (в том числе и радиационных), дефектов упаковки (с определением их энергии образования), двойниковых границ, границ зерен и субзерен, выделений вторых фаз (с идентификацией их состава) и т. д.
Иногда микроскопы снабжают специальными приставками (для нагрева или растяжения образца в процессе исследования и пр.). Например, при использовании приставки, позволяющей растягивать фольгу в процессе исследования, наблюдают эволюцию дислокационной структуры при деформации.
При исследовании методом ПЭМ возможно проведение и микродиф- ракционного анализа. В зависимости от состава материала в зоне изучения получают диаграммы (электронограммы) в виде точек (образцы - монокристаллы или поликристаллы с зерном, превышающим зону исследования), сплошные или состоящие из отдельных рефлексов. Расчет этих элек- тронограмм аналогичен расчету рентгеновских дебаеграмм. С помощью микродифракционного анализа можно также определять ориентировки кристаллов и разориентировки зерен и субзерен.
Просвечивающие электронные микроскопы с очень узким лучом позволяют по спектру энергетических потерь электронов, прошедших через изучаемый объект, проводить локальный химический анализ материала, в том числе анализ на легкие элементы (бор, углерод, кислород, азот).
Косвенный метод связан с исследованием не самого материала, а тонких пленочных реплик, получаемых с его поверхности. На образце формируют тонкую пленку, до мельчайших подробностей повторяющую поверхностную структуру образца, и затем ее отделяют с помощью специальных методик (рис. 15.9).
Метод реализуют либо напылением в вакууме на поверхность образца пленки углерода, кварца, титана или других веществ, которую потом сравнительно просто отделяют от образца, либо оксидируют поверхность (например, медь), получая легкоотделяемые оксидные пленки. Еще более перспективно использование реплик в виде полимерных или лаковых пленок, наносимых в жидком виде на поверхность шлифа.
Для косвенного метода не требуются дорогостоящие высоковольтные микроскопы. Однако он значительно уступает прямому методу в информативности. Во-первых, исключается возможность исследовать кристаллографические характеристики образца, а также оценивать особенности его фазового и элементного состава.
Рис. 15.9.
Во-вторых, разрешение получаемого изображения обычно хуже. Полезное увеличение таких изображений ограничено точностью самой реплики и достигает в лучшем случае (для углеродных реплик) (1-2) 10 5 .
Кроме того, возможно появление искажений и артефактов в процессе изготовления самой реплики и отделения ее от исходного образца. Все это ограничивает применение метода. Многие задачи, связанные с исследованием косвенным методом, в том числе фрактогра- фия, в настоящее время решаются методами растровой электронной микроскопии.
Отметим, что метод осаждения тонкого слоя на поверхность образца применяется и при прямом исследовании утоненных объектов. В этом случае создаваемая пленка обеспечивает увеличение контраста формируемого изображения. На поверхность образца напыляют хорошо поглощающий электроны материал (Аи, Мо, Си) под острым углом так, чтобы он конденсировался больше на одной стороне выступа, чем на другой (рис. 15.10).
Рис. 15.10.
Смешанный метод иногда применяют при исследовании гетерофазных сплавов. В этом случае основную фазу (матрицу) изучают с помощью реплик (косвенный метод), а частицы, извлеченные из матрицы в реплику, исследуют прямым методом, в том числе с помощью микродифракции.
При этом методе реплику перед отделением разрезают на мелкие квадратики, а затем образец протравливают по режиму, обеспечивающему растворение материала матрицы и сохранение частиц других фаз. Травление проводят до полного отделения пленки-реплики от основы.
Особенно удобен смешанный метод при изучении мелкодисперсных фаз в матрице при их малой объемной доле. Отсутствие у реплики собственной структуры позволяет исследовать дифракционные картины от частиц. При прямом методе такие картины выявить и отделить от картины для матрицы крайне сложно.
В связи с развитием нанотехнологии и особенно методов получения ультрадисперсных и наноразмерных порошков (фуллероидов, НТ и др.) данный метод обеспечил высокий интерес исследователей к ПЭМ. Подвергаемые исследованию ультрадисперсные и наноразмерные частицы высаживают на очень тонкую и практически прозрачную для электронных лучей мембрану, после чего помещают в колонну ПЭМ. Таким образом, можно наблюдать их структуру непосредственно - практически так же, как в обычном оптическом микроскопе, только с несравнимо более высоким разрешением.
Просвечивающая электронная микроскопия.
1.Общая схема и принцип действия просвечивающего электронного микроскопа.
Все современные просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) могут работать в двух режимах – в режиме изображения и в режиме дифракции.
Электронный пучок формируется в ускорительной колонне 1, состоящей из электронной пушки, секционной ускорительной трубки (обычно 6 секций) и системы отклонения. Энергия электронов на выходе ускорительной колонны, определяется величиной ускоряющего напряжения на электронной пушке и в различных типах ПЭМ может меняться в пределах 20-200 кэВ. Чем больше энергия электронов, тем меньше длина волны, тем больше проникающая способность электронов.
После ускорительной колонны установлена система конденсорных линз 2, назначение которой получить электронный пучок с минимальным угловым расхождением. Ускорительная колонна совместно с системой конденсорных линз позволяет получать электронные пучки разного диаметра. Минимальный диаметр электронного пучка в ПЭМ может составлять несколько нанометров, что позволяет получать дифракцию от локальной области такого же диаметра в режиме микролучевой дифракции. При работе в режиме изображений при помощи системы конденсорных линз получают параллельный пучок электронов. Система отклонения предназначена для электронного наклона пучка в режиме изображения и дифракции.
За системой конденсорных линз расположена объективная линза. Держатель с образцом 3 устанавливается в зазор полюсного наконечника объективной линзы, так чтобы образец находился в предполье объективной линзы. Гониометрическая головка позволяет осуществлять поворот образца относительно электронного пучка на угол ± 12º. Так как в просвечивающей электронной микроскопии изображение формируется электронами, прошедшими через образец, то его толщина должна быть много меньше длины пробега электронов в материале образца.
Пройдя через образец, электроны попадают в объективную линзу 4. Данная короткофокусная (несколько мм) линза, имеющая небольшое увеличение (~ 50), является ключевой в дальнейшем формировании изображения, поэтому она снабжена корректором астигматизма – стигматором. Диафрагма объективной линзы расположена на задней фокальной плоскости объективной линзы. В последних моделях микроскопов изображения выводятся на монитор компьютера при помощи цифровых ПЗС камер.
В ПЭМ используются электромагнитные линзы, которые состоят из обмотки, магнитопровода и полюсного наконечника. Полюсный наконечник является концентратором магнитного поля. Полюсный наконечник имеет форму круговой симметрии. В центре имеется отверстие с некоторым радиусом и зазор между полюсами. В результате такой конструкции полюсного наконечника, магнитный поток сжимается в зазоре. Электроны, проходя через объективную линзу, под действием магнитного поля отклоняются в направлении оптической оси и фокусируются в определенной точке оптической оси (в фокусе линзы).
2.Реализация режимов наблюдения изображения (темное и светлое поле), микродифракции .
Формирование электронно-микро-скопического изображения коротко можно описать следующим образом. Электронный пучок, сформированный осветительной системой, падает на объект и рассеивается. Далее, рассеянная волна объективной линзой преобразуется в изображение. Образованное объективной линзой изображение увеличивается промежуточными линзами и проецируется проекционной линзой либо на экран для наблюдения, либо на фотопластины или выводится на дисплей монитора.
Светлопольное изображение формируется прямым пучком, а темнопольное – дифрагированным, рис.4.8.5.
Рисунок 4.8.5 – Схема формирования светлопольного (а) и темнопольного (б)
изображений: 1 – падающий пучок электронов; 2 – объект; 3 – дифрагированные пучки;
4 – объективная линза; 5 – апертурная диафрагма; 6 – первичное микроскопическое
изображение; А и В – зерна различной ориентации (В – ближе к «отражающему»
положению).
Поэтому те участки образца (зерна, субзерна), которые ближе к отражающему положению (брегговскому положению для определенного семейства (hkl)), будут на светлопольном изображении темнее (Iпр меньше), а те, которые больше отклоняются от отражающего положения – светлее (Iпр – больше), рис.4.8.6. На темнопольном изображении картина будет обратной.
Для того чтобы получить изображение в светлом поле, апертурная диафрагма должна «пропустить» прямой пучок. Это достигается тем, что диафрагма, которая видна на экране в режиме получения дифракционной картины, располагается так, чтобы вырезать центральный рефлекс (изображение узла 000 обратной решетки), рис.4.8.5 а. Ясно, что пучок, формирующий изображение, распространяется при этом по оси объективной линзы. Для получения темнопольного изображения в лучах рефлекса HKL (максимум интенсивности при дифракции электронов на плоскостях (hkl)) апертурную диафрагму следует сдвинуть так (при работе микроскопа в дифракционном режиме), чтобы вырезать рефлекс HKL. При этом формирующий изображение дифрагированный пучок проходит по периферии объективной линзы, рис.4.8.5 б, где неоднородность (градиент) магнитного поля больше, чем вблизи оптической оси линзы. Поэтому возрастает размытие в изображении точки, обусловленное сферической аберрацией, а следовательно, ухудшается разрешение на темнопольном изображении. Чтобы получить темнопольное изображение с тем же разрешением, что и светлопольное (так называмое темнопольное изображение высокого разрешения), надо направить формирующий его дифрагированный пучок по оси линзы, для чего следует наклонить падающий пучок на угол 2θ.
2. Электронография.
ЭЛЕКТРОНОГРАФИЯ, метод исследования атомной структуры вещества, главным образом кристаллов, основанный на дифракции электронов. Существует несколько вариантов метода. Основным является электронография на просвет, при этом используют дифракцию электроноввысоких энергий (50-300 кэВ, что соответствует длине волны 5-10-3 нм). Электронографию проводят в специальных приборах - электронографах, в которых поддерживается вакуум 10-5-10-6 Па, время экспозиции около 1 с, или в трансмиссионных электронных микроскопах. Образцы для исследований готовят в виде тонких пленок толщиной 10-50 нм, осаждая кристаллическое вещество из растворов или суспензий, либо получая пленки вакуумным распылением. Образцы представляют собой мозаичный монокристалл, текстуру или поликристалл.
Дифракционная картина - электронограмма - возникает в результате прохождения начального монохроматического пучка электронов через образец и представляет собой совокупность упорядочение расположенных дифракционных пятен - рефлексов, которые определяются расположением атомов в исследуемом объекте. Рефлексы характеризуются межплоскостными расстояниями dhkl в кристалле и интенсивностью Ihkl, где h, k и l - миллеровские индексы. По величинам и по расположению рефлексов определяют элементарную ячейку кристалла; используя также данные по интенсивности рефлексов, можно определить атомную структуру кристалла. Методы расчета атомной структуры в электронографии близки к применяемым в рентгеновском структурном анализе. Расчеты, обычно проводимые на ЭВМ, позволяют установить координаты атомов, расстояния между ними и т. д.
3. Механизмы формирования контраста изображения в просвечивающем электронном микроскопе (общие понятия).
Механизм формирования контраста в электронной линзе такой же, как формирование контраста в геометрической оптике с оптическими линзами. На рис. 17.3 показан ход лучей при образовании дифракционного контраста. Диафрагма объективной линзы установлена так, что она пропускает только центральный пучок, а отраженные электроны не достигают конечного изображения. Изображение будет сформировано из центрального пучка и электронов, неупруго рассеянных под малыми углами. Изображение является однолучевым и оно, в этом случае, называется светлопольным . Полученный контраст обусловлен распределением интенсивности электронов, отраженных по закону Вульфа-Брэгга и поэтому получил название дифракционный контраст . При пропускании через диафрагму двух и более пучков (в том числе и центральный пучок), получаем многолучевое светлопольное изображение. На таких изображениях преобладает фазовый контраст.
Изображения
можно получить, пропуская через диафрагму
объективной линзы только дифрагированные
пучки. Тогда полученные изображения
называются темнопольными и они так же
бывают однолучевыми и многолучевыми.
4. Предельные возможности просвечивающего электронного микроскопа.
5. Требования к объектам исследования.
1. Для исследований с высоким разрешением требуются ультратонкие образцы, толщиной порядка 10 нм.
2. Приготовленный образец должен иметь достаточное количество прозрачных для электрона участков для исследования, чтобы можно было оценить, является ли данная структура типичной для исследуемого образца.
Основная трудность при использовании ПЭМ состоит в изготовлении образцов. Толщина образца должна составлять не более микрона. Обычно такие образцы изготавливаются с помощью фотолитографии и химического травления. Используют также струйное и ионное травление. Варианты конфигураций образцов для ПЭМ представлены на рис.6.
Часто при определении морфологии БИС используют специальные тестовые кристаллы, содержащие компоненты, предназначенные для исследования в ПЭМ. Пример электронно-микроскопического изображения тестового кристалла приведен на рис.7.
Между поликремниевыми слоями в слое тонкого окисла образовались "усы", которые способны вызвать уменьшение напряжения пробоя окисла и привести к отказу схемы. Обнаружить подобные "слабые" места схемы другим методом крайне трудно.
Для исследования рельефа поверхности массивных образцов изготавливают реплики (отпечатки) с поверхности с помощью нанесения специальных пластиков (или графита). Затем реплики отделяют от образца и наносят тонкий слой металла для усиления контраста. При изучении поверхности с помощью реплик разрешение составляет (5 - 10) нм, объект при этом не подвергается разрушению.
Энергия первичных электронов в методе ПЭМ равна (0,6 - 3,5)·10 5 эВ. При исследовании тонких пленок методом ПЭМ при ускоряющем напряжении (1 - 2)·10 5 В толщина пленки должна быть не более (0,2 - 0,3) мкм, при увеличении напряжения до 10 6 В можно изучать образцы до (1 - 3) мкм.
Разрешение ПЭМ ограничено сферической аберрацией и составляет (0,1 – 1.0) нм. В режиме наблюдения изображения увеличение микроскопа достигает значений (2 - 5)·10 5 .
Основные характеристики ПЭМ
Растровая электронная микроскопия
Растровая электронная микроскопия (РЭМ) предназначена для изучения топографии поверхности, определения состава, обнаружения дефектов кристаллической решетки. Метод незаменим при исследовании причин отказов ИС, определении электрического потенциала на поверхности.
На рис.8 представлена схема растрового электронного микроскопа. Источником электронов является электронная пушка с термокатодом, нить накала которого изготавливается из вольфрама или LaB 6 . Электроны ускоряются электрическим полем до энергий E 0 = (0,2 - 4)·10 4 эВ, то есть меньших, чем в ПЭМ. Формирование электронного пучка и управление им осуществляется с помощью магнитных линз и отклоняющих катушек, которые позволяют получить луч малого диаметра (2 - 10 нм) и развернуть его в растр на поверхности образца.
РЭМ с термокатодом предназначены для исследования массивных объектов с разрешением от 70 до 200 A°. Ускоряющее напряжение в РЭМ можно регулировать в пределах от 1 кВ до 30 – 50 кВ.
Устройство такого РЭМ показано на рис.9. При помощи 2 или 3 магнитных электронных линз (ЭЛ) на поверхность образца фокусируется узкий электронный зонд. Магнитные отклоняющие катушки развёртывают зонд по заданной площади на объекте. При взаимодействии электронов зонда с объектом возникает несколько видов излучений (рис.10) – вторичные и отражённые электроны; электроны, прошедшие сквозь объект (если он тонкий); рентгеновское тормозное излучение и характеристическое излучение; световое излучение и т. д.
Любое из этих излучений может регистрироваться соответствующим коллектором, содержащим датчик, преобразующий излучение в электрические сигналы, которые после усиления подаются на электроннолучевую трубку (ЭЛТ) и модулируют её пучок. Развёртка пучка ЭЛТ производится синхронно с развёрткой электронного зонда в РЭМ, и на экране ЭЛТ наблюдается увеличенное изображение объекта. Увеличение равно отношению высоты кадра на экране ЭЛТ к ширине сканируемой поверхности объекта. Фотографируют изображение непосредственно с экрана ЭЛТ. Основным достоинством РЭМ является высокая информативность прибора, обусловленная возможностью наблюдать изображение, используя сигналы различных датчиков. С помощью РЭМ можно исследовать микрорельеф, распределение химического состава по объекту, р-n-переходы, производить рентгеноструктурный анализ и многое другое. Образец обычно исследуется без предварительной подготовки. РЭМ находит применение и в технологических процессах (контроль дефектов микросхем и пр.).
Рис.9. Блок-схема РЭМ
1 – изолятор электронной пушки;
2 – накаливаемый V-образный катод;
3 – фокусирующий электрод;
5 – блок двух конденсорных линз;
6 – диафрагма;
7 – двухъярусная отклоняющая система;
8 – объектив;
9 – диафрагма;
10 – объект;
11 – детектор вторичных электронов;
12 – кристаллический спектрометр;
13 – пропорциональный счётчик;
14 – предварительный усилитель;
15 – блок усиления:
16, 17 – аппаратура для регистрации рентгеновского излучения;
18 – блок усиления;
19 – блок регулировки увеличения;
20, 21 – блоки горизонтальной и вертикальной развёрток;
22, 23 – электроннолучевые трубки.
Высокая для РЭМ PC реализуется при формировании изображения с использованием вторичных электронов. Она определяется диаметром зоны, из которой эти электроны эмиттируются. Размер зоны в свою очередь зависит от диаметра зонда, свойств объекта, скорости электронов первичного пучка и т. д. При большой глубине проникновения первичных электронов вторичные процессы, развивающиеся во всех направлениях, увеличивают диаметр зоны и PC падает. Детектор вторичных электронов состоит из ФЭУ и электронно-фотонного преобразователя, основным элементом которого является сцинтиллятор с двумя электродами – вытягивающим в виде сетки, находящейся под положительным потенциалом (до нескольких сотен вольт), и ускоряющим; последний сообщает захваченным вторичным электронам энергию, необходимую для возбуждения сцинтиллятора. К ускоряющему электроду приложено напряжение около 10 кВ; обычно он представляет собой алюминиевое покрытие на поверхности сцинтиллятора. Число вспышек сцинтиллятора пропорционально числу вторичных электронов, выбитых в данной точке объекта. После усиления в ФЭУ и в видеоусилителе сигнал модулирует пучок ЭЛТ. Величина сигнала зависит от топографии образца, наличия локальных электрических и магнитных микрополей, величины коэффициента вторичной электронной эмиссии, который в свою очередь зависит от химического состава образца в данной точке. Отражённые электроны регистрируются полупроводниковым (кремниевым) детектором. Контраст изображения обусловлен зависимостью коэффициента отражения от угла падения первичного пучка и атомного номера вещества. Разрешение изображения, получаемого «в отражённых электронах», ниже, чем получаемого с помощью вторичных электронов (иногда на порядок величины). Из-за прямолинейности полёта электронов к коллектору информация об отдельных участках, от которых нет прямого пути к коллектору, теряется (возникают тени).
Характеристическое рентгеновское излучение выделяется или рентгеновским кристаллическим спектрометром или энергодисперсным датчиком – полупроводниковым детектором (обычно из чистого кремния, легированного литием). В первом случае рентгеновские кванты после отражения кристаллом спектрометра регистрируются газовым пропорциональным счётчиком, а во втором – сигнал, снимаемый с полупроводникового детектора, усиливается малошумящим усилителем (который для снижения шума охлаждается жидким азотом) и последующей системой усиления. Сигнал от кристаллического спектрометра модулирует пучок ЭЛТ, и на экране возникает картина распределения того или иного химического элемента по поверхности объекта. На РЭМ производят также РМА. Энергодисперсный детектор регистрирует все элементы от Na до U при высокой чувствительности. Кристаллический спектрометр с помощью набора кристаллов с различными межплоскостными расстояниями перекрывает диапазон от Be до U. Существенный недостаток РЭМ –большая длительность процесса «снятия» информации при исследовании объектов. Сравнительно высокую PC можно получить, используя электронный зонд достаточно малого диаметра. Но при этом уменьшается сила тока зонда, вследствие чего резко возрастает влияние дробового эффекта, снижающего отношение полезного сигнала к шуму. Чтобы отношение «сигнал/шум» не падало ниже заданного уровня, необходимо замедлить скорость сканирования для накопления в каждой точке объекта достаточно большого числа первичных электронов (и соответствующего количества вторичных). В результате высокая PC реализуется лишь при малых скоростях развёртки. Иногда один кадр формируется в течение 10 – 15 мин.
РЭМ с автоэмиссионной пушкой обладают высокой для РЭМ PC (до 30 Å). В автоэмиссионной пушке (как и в электронном проекторе) используется катод в форме острия, у вершины которого возникает сильное электрическое поле, вырывающее электроны из катода. Электронная яркость пушки с автоэмиссионным катодом в 10 3 – 10 4 раз выше, чем пушки с накалённым катодом. Соответственно увеличивается ток электронного зонда. Поэтому в РЭМ с автоэмиссионной пушкой осуществляют быстрые развёртки, а диаметр зонда уменьшают для повышения PC. Однако автоэмиссионный катод работает устойчиво лишь при сверхвысоком вакууме (1·10 -9 – 1·10 -11 мм рт. ст.), и это усложняет конструкцию таких РЭМ и работу на них.
Просвечивающие растровые электронные микроскопы (ПРЭМ) обладают столь же высокой PC, как и ПЭМ. В этих приборах применяются автоэмиссионные пушки, обеспечивающие достаточно большой ток в зонде диаметром до 2 – 3 Å. На рис.11 приведено схематическое изображение ПРЭМ. Две магнитные линзы уменьшают диаметр зонда. Ниже объекта расположены детекторы - центральный и кольцевой. На первый попадают не рассеянные электроны, и после преобразования и усиления соответствующих сигналов на экране ЭЛТ появляется так называемые светлопольное изображение. На кольцевом детекторе собираются рассеянные электроны, создающие так называемое темнопольное изображение. В ПРЭМ можно исследовать более толстые объекты, чем в ПЭМ, так как возрастание числа не упруго рассеянных электронов с толщиной не влияет на разрешение (после объекта оптика в ПРЭМ отсутствует). С помощью анализатора энергии электроны, прошедшие сквозь объект, разделяются на упруго и не упруго рассеянные пучки. Каждый пучок попадает на свой детектор, и на ЭЛТ наблюдается соответствующее изображение, содержащее дополнительную информацию о рассеивающих свойствах объекта. Высокое разрешение в ПРЭМ достигается при медленных развёртках, т. к. в зонде диаметром всего 2 – 3 Å ток получается слишком малым.
Рис.11. Принципиальная схема просвечивающего растрового электронного микроскопа (ПРЭМ).
1 – автоэмиссионный катод;
2 – промежуточный анод;
4 – отклоняющая система для юстировки пучка;
5 – диафрагма «осветителя»;
6, 8 – отклоняющие системы для развертки электронного зонда;
7 – магнитная длиннофокусная линза;
9 – апертурная диафрагма;
10 – магнитный объектив;
11 – объект;
12, 14 – отклоняющие системы;
13 – кольцевой коллектор рассеянных электронов;
15 – коллектор не рассеянных электронов (убирается при работе со спектрометром);
16 – магнитный спектрометр, в котором электронные пучки поворачиваются магнитным полем на 90°;
17 – отклоняющая система для отбора электронов с различными потерями энергии;
18 – щель спектрометра;
19 – коллектор ВЭ – вторичных электронов;
h – рентгеновское излучение.
Электронные микроскопы смешанного типа. Сочетание в одном приборепринципов формирования изображения с неподвижным пучком (как в ПЭМ) и сканирования тонкого зонда по объекту позволило реализовать в таком электронном микроскопе преимущества ПЭМ, РЭМ и ПРЭМ. В настоящее время во всех ПЭМ предусмотрена возможность наблюдения объектов в растровом режиме (с помощью конденсорных линз и объектива, создающих уменьшенное изображение источника электронов, которое сканируется по объекту отклоняющими системами). Кроме изображения, сформированного неподвижным пучком, получают растровые изображения на экранах ЭЛТ с использованием прошедших и вторичных электронов, характеристические рентгеновские спектры и т. д. Оптическая система такого ПЭМ, расположенная после объекта, даёт возможность работать в режимах, неосуществимых в других приборах. Например, можно одновременно наблюдать электронограмму на экране ЭЛТ и изображение того же объекта на экране прибора.
Эмиссионные электронные микроскопы создают изображение объекта в электронах, которые эмиттирует сам объект при нагревании, бомбардировке первичным пучком электронов, освещении и при наложении сильного электрического поля, вырывающего электроны из объекта. Эти приборы обычно имеют узкое целевое назначение.
Зеркальные электронные микроскопы служат главным образом для визуализации электростатического «потенциального рельефа» и магнитных микрополей на поверхности объекта. Основным оптическим элементом прибора является электронное зеркало, причём одним из электродов служит сам объект, который находится под небольшим отрицательным потенциалом относительно катода пушки. Электронный пучок направляется в зеркало и отражается полем в непосредственной близости от поверхности объекта. Зеркало формирует на экране изображение «в отражённых пучках». Микрополя возле поверхности объекта перераспределяют электроны отражённых пучков, создавая контраст на изображении, визуализирующий эти микрополя.
П
Рис.12.
Контуры областей проникновения первичных
электронов вблизи поверхности образца
в зависимости от их энергии E
0
Глубина проникновения R зависит от энергии электронов E 0 и плотности вещества ρ. Эксперименты показали, что произведение R ρ практически постоянно, и зависимость от энергии E 0 описывается следующей эмпирической формулой
, (2)
где А - атомный вес; Z - атомный номер. Для Si значения R меняются в пределах (0,02 - 10) мкм при изменении E 0 от 1 до 100 кэВ.
Вторичные электроны делятся на две группы. Электроны, испытавшие упругие соударения с ядрами, имеют энергию, близкую энергии электронов в первичном пучке E 0 . Это отраженные электроны. Доля отраженных электронов невелика, она составляет примерно (1 - 2)% от количества вторичных и возрастает с увеличением атомного номера Z .
Неупругие столкновения с атомами вызывают ионизацию атомов и образование истинно вторичных электронов с энергией, меньшей 50 эВ, и максимумом распределения вблизи 5 эВ (рис.13).
Спад выхода вторичных электронов в области больших энергий E 0 обусловлен ростом глубины проникновения R с увеличением энергии. Доля вторичных электронов, рожденных в объеме образца и способных выйти на поверхность, при этом уменьшается. Металлы и полупроводники имеют коэффициенты вторичной эмиссии порядка единицы, для диэлектриков это величины в диапазоне (1,5 - 23). У металлов средняя длина свободного пробега вторичных электронов ~ 1 нм и максимальная глубина выхода ~ 5 нм, у диэлектриков - 5 и 50 нм соответственно, что объясняется взаимодействием вторичных электронов со свободными носителями в металлах. Потери энергии в диэлектриках обусловлены лишь рассеянием на фононах. Вторичные электроны могут возникать и за счет отраженных электронов, их доля составляет (20 - 70)% от общего числа вторичных электронов. Количество вторичных электронов существенно зависит от работы выхода из материала, влияние величины Z выражено в меньшей степени, чем для отраженных электронов. Так, выход вторичных электронов из SiO 2 больше, чем из Si (внутренняя работа выхода для SiO 2 - 0,9 эВ, а для Si - 4,15 эВ).
Изображение на экране микроскопа формируется за счет вторичных и отраженных электронов. Сигнал поступает на детектор и после усиления - на электронно-лучевую трубку (ЭЛТ). Развертка луча в ЭЛТ синхронизирована с разверткой первичного электронного луча РЭМ. Интенсивность электронного пучка в ЭЛТ модулируется сигналом, поступающим с образца. Поэтому изображение поверхности зависит от интенсивности отраженного электронного луча. Развертка луча электронов позволяет наблюдать на экране ЭЛТ определенную площадь образца.
Контраст определяется химическим составом образца и морфологией поверхности. При увеличении атомного номера элемента увеличивается коэффициент отражения электронов, поэтому области, содержащие элементы с большим Z , дают больший сигнал. Так, выход отраженных электронов для Au в 10 раз выше, чем для углерода. Контраст изображения вкраплений Al в Si составляет около 7%, т.е. такие включения вполне различимы. Области металлизации, окисла и Si легко различимы и на изображениях, сформированных вторичными электронами.
Для исследований на РЭМ используют вторичные электроны разных энергий (медленные и быстрые отраженные). Получаемые при этом изображения несут различную информацию и различаются по контрасту и разрешению. Механизм формирования контраста во вторичных и отраженных электронах, обусловленного морфологией поверхности, поясняет рис.14.
Для обеспечения необходимого контраста изображения К ток должен быть не меньше, чем
,
где ε - эффективность детектирования сигнала; t f - время сканирования пучком исследуемого участка. При низком контрасте изображения приходится использовать пучок большего диаметра, чтобы обеспечить ток I min .
Пространственное разрешение изображения зависит от состава, ориентации поверхности, размеров участка поверхности и характеристик самого РЭМ. Диаметр пучка можно уменьшить уменьшением тока пучка и повышением его энергии. Диаметр электронного пучка при энергии 10 – 30 кэВ и токе I =1·10 –11 А составляет (4 – 13) нм.
Главное ограничение на пространственное разрешение связано с необходимостью обеспечить достаточный ток электронного пучка. Пространственное разрешение РЭМ меньше 10 нм, а глубина резкости (2 – 4) мкм при увеличении x 10 4 и (0.2 – 0.4) мм при увеличении x 10 2 .
Линейное разрешение изображений, формируемых вторичными электронами, равно сумме диаметров первичного электронного пучка и области размытия в плоскости на глубине, равной длине свободного пробега электронов. Вторичные электроны могут быть возбуждены и отраженными электронами, что ухудшает разрешение.
Электр о нный микроск о п (англ. - electron microscope) – этоприбор для наблюдения и фотографирования многократно (до 1·10 6 раз) увеличенного изображения объектов, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30 - 100 кэВ и более) в условиях глубокого вакуума.
Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) обладают самой высокой разрешающей способностью, превосходя по этому параметру световые микроскопы в несколько тысяч раз. Так называемый предел разрешения, характеризующий способность прибора отобразить раздельно мелкие максимально близко расположенные детали объекта, у ПЭМ составляет 2 - 3 A°. При благоприятных условиях можно сфотографировать отдельные тяжёлые атомы. При фотографировании периодических структур, таких как атомные плоскости решёток кристаллов, удаётся реализовать разрешение менее 1 A°.
Для определения структуры твердых тел необходимо использование излучения с длиной волны λ, меньшей, чем межатомные расстояния. В электронном микроскопе с этой целью используют электронные волны.
Длина волны де Бройля λ B для электрона, движущегося со скоростью V
где p – его импульс, h - постоянная Планка, m 0 - масса покоя электрона, V – его скорость.
После простых преобразований получаем, что длина волны де Бройля для электрона, движущегося в ускоряющем однородном электрическом поле с разностью потенциалов U , равна
. (1)
В выражениях для λ Б не учитывается релятивистская поправка, существенная лишь при больших скоростях электронов V >1·10 5 В.
Величина λ Б очень мала что позволяет обеспечивать высокую разрешающую способность электронного микроскопа.
Для электронов же с энергиями от 1 эВ до 10 000 эВ длина волны де Бройля лежит в пределах от ~1 нм до 10 −2 нм, то есть в интервале длин волн рентгеновского излучения . Поэтому волновые свойства электронов должны проявляться, например, при их рассеянии на тех же кристаллах, на которых наблюдается дифракция рентгеновских лучей. [
Современные микроскопы имеют разрешающую способность в (0.1 – 1) нм при энергии электронов (1·10 4 – 1·10 5) эВ, что делает возможным наблюдение групп атомов и даже отдельных атомов, точечных дефектов, рельефа поверхности и т.д.
Просвечивающая электронная микроскопия
В электронно-оптическую систему просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) входят: электронная пушка И и конденсор 1, предназначенные для обеспечения осветительной системы микроскопа; объективная 2, промежуточная 3 и проекционная 4 линзы, осуществляющие отображение; камера наблюдения и фотографирования Э (рис.1).
Рис.1. Ход лучей в ПЭМ в режиме наблюдения изображения
сточником электронов в электронной пушке служит вольфрамовый термоэмиссионный катод. Конденсорная линза позволяет получить на объекте пятно диаметром в несколько мкм. С помощью отображающей системы на экране ПЭМ формируется электронно-микроскопическое изображение объекта.В плоскости, сопряженной с объектом, объективная линза формирует первое промежуточное изображение объекта. Все электроны, исходящие из одной точки объекта, попадают в одну точку сопряженной плоскости. Затем с помощью промежуточной и проекционной линз получают изображение на флуоресцирующем экране микроскопа или фотопластине. Это изображение передает структурные и морфологические особенности образца.
В ПЭМ используют магнитные линзы. Линза состоит из обмотки, ярма и полюсного наконечника, концентрирующего магнитное поле в малом объеме и повышающего тем самым оптическую силу линзы.
ПЭМ обладают самой высокой разрешающей способностью (PC), превосходя по этому параметру световые микроскопы в несколько тысяч раз. Так называемый предел разрешения, характеризующий способность прибора отобразить раздельно мелкие максимально близко расположенные детали объекта, у ПЭМ составляет 2 – 3 A°. При благоприятных условиях можно сфотографировать отдельные тяжёлые атомы.При фотографировании периодических структур, таких как атомные плоскости решёток кристаллов, удаётся реализовать разрешение менее 1 A°. Столь высокие разрешения достигаются благодаря чрезвычайно малой длине волны де Бройля электронов. Оптимальным диафрагмированием удаётся снизить сферическую аберрацию объектива, влияющую на PC ПЭМ, при достаточно малой дифракционной ошибке. Эффективных методов коррекции аберраций в не найдено. Поэтому в ПЭМ магнитныеэлектронные линзы(ЭЛ), обладающие меньшими аберрациями, полностью вытеснили электростатические ЭЛ. Выпускаются ПЭМ различного назначения. Их можно разделить на 3 группы:
упрощённые ПЭМ,
ПЭМ высокого разрешения,
ПЭМ с повышенным ускоряющим напряжением.
1. Упрощённые ПЭМ предназначены для исследований, в которых не требуется высокая PC. Они более просты по конструкции (включающей 1 конденсор и 2 – 3 линзы для увеличения изображения объекта), их отличают меньшее (обычно 60 – 80 кВ) ускоряющее напряжение и более низкая его стабильность. PC этих приборов – от 6 до 15. Другие применения - предварительный просмотр объектов, рутинные исследования, учебные цели. Толщина объекта, которую можно «просветить» электронным пучком, зависит от ускоряющего напряжения. В ПЭМ с ускоряющим напряжением 100 кВ изучают объекты толщиной от 10 до нескольких тыс. A°.
2. ПЭМ с высокой разрешающей способностью (2 – 3 Å) – как правило, универсальные приборы многоцелевого назначения (рис.2, а). С помощью дополнительных устройств и приставок в них можно наклонять объект в разных плоскостях на большие углы к оптической оси, нагревать, охлаждать, деформировать его, осуществлять рентгеновский структурный анализ, исследования методами электронографии и пр. Ускоряющее электроны напряжение достигает 100 – 125 кВ, регулируется ступенчато и отличается высокой стабильностью: за 1 – 3 мин оно изменяется не более чем на 1 – 2 миллионные доли от исходного значения. В его оптической системе (колонне) создаётся глубокий вакуум (давление до 1·10 -6 мм рт. ст.). Схема оптической системы ПЭМ – на рис.2, б. Пучок электронов, источником которых служит термокатод, формируется в электронной пушке и затем дважды фокусируется первым и вторым конденсорами, создающими на объекте электронное «пятно», диаметр которого пятна можно изменять от 1 до 20 мкм. После прохождения сквозь объект часть электронов рассеивается и задерживается апертурной диафрагмой. Не рассеянные электроны проходят через отверстие диафрагмы и фокусируются объективом в предметной плоскости промежуточной линзы. Здесь формируется первое увеличенное изображение. Последующие линзы создают второе, третье и т. д. изображения. Последняя линза формирует изображение на флуоресцирующем экране, который светится под воздействием электронов
|
Рис. 2 а. ПЭМ: 1 – электронная пушка; 2 – конденсорные линзы; 3 – объектив; 4 – проекционные линзы; 5 – световой микроскоп, дополнительно увеличивающий изображение, наблюдаемое на экране: 6 – тубус со смотровыми окнами, через которые можно наблюдать изображение; 7 – вы-соковольтный кабель; 8 – ваку-умная система; 9 – пульт управ-ления; 10 – стенд; 11 – высоко-вольтный источник питания; 12 – источник питания линз. |
Рис. 2 б. Оптическая схема ПЭМ. 1 – катод V-образной формы из вольф-рамовой проволоки (разогревается проходящим по нему током до 2800 К); 2 – фокусирующий цилиндр; 3 – анод; 4 – первый (короткофокусный) конденсор, создающий уменьшенное изображение источника электронов; 5 – второй (длиннофокусный) кон-денсор, который переносит умень-шенное изображение источника элек-тронов на объект; 6 – объект; 7 – апертурная диафрагма; 8 – объектив; 9, 10, 11 – система проекционных линз; 12 – катодолюминесцентный экран, на котором формируется конечное изображение. |
Увеличение ПЭМ равно произведению увеличений всех линз. Степень и характер рассеяния электронов неодинаковы в различных точках объекта, так как толщина, плотность и химический состав объекта меняются от точки к точке. Соответственно изменяется число электронов, задержанных апертурной диафрагмой после прохождения различных точек объекта, а следовательно, и плотность тока на изображении, которая преобразуется в световой контраст на экране. Под экраном располагается магазин с фотопластинками. При фотографировании экран убирается, и электроны воздействуют на фотоэмульсионный слой. Изображение фокусируется изменением тока, возбуждающего магнитное поле объектива. Токи других линз регулируют для изменения увеличения ПЭМ.
3. ПЭМ с повышенным ускоряющим напряжением (до 200 кВ) предназначены для исследования более толстых объектов (в 2 – 3 раза толще), чем обычные ПЭМ. Их разрешающая способность достигает 3 – 5 Å. Эти приборы отличаются конструкцией электронной пушки: в ней для обеспечения электрической прочности и стабильности имеются два анода, на один из которых подаётся промежуточный потенциал, составляющий половину ускоряющего напряжения. Магнитодвижущая сила линз больше, чем в ПЭМ с ускоряющим напряжением 100 кВ, а сами линзы имеют увеличенные габариты и вес.
4. Сверхвысоковольтные электронные микроскопы (СВЭМ) – крупногабаритные приборы (рис.3) высотой от 5 до 15 м, с ускоряющим напряжением 0,50 – 0,65; 1 – 1,5 и 3.5 МВ.
Для них строят специальные помещения. СВЭМ предназначены для исследования объектов толщиной от 1·до·10 мкм. Электроны ускоряются в электростатическом ускорителе (так называемом ускорителе прямого действия), расположенном в баке, заполненном электроизоляционным газом под давлением. В том же или в дополнительном баке находится высоковольтный стабилизированный источник питания. В перспективе – созданию ПЭМ с линейным ускорителем, в котором электроны ускоряются до энергий 5 – 10 МэВ. При изучении тонких объектов PC СВЭМ ниже, чем у ПЭМ. В случае толстых объектов PC СВЭМ в 10 – 20 раз превосходит PC ПЭМ с ускоряющим напряжением 100 кВ. Если же образец аморфный, то контраст электронного изображения определяется толщиной и коэффициентом поглощения материала образца, что наблюдается, например, при изучении морфологии поверхности с помощью пластиковых или углеродных реплик. В кристаллах, кроме того, имеет место дифракция электронов, что позволяет определять структуру кристалла.
В
Рис.4.
Положение диафрагмы Д при светлопольном
(а
)
и темнопольном (б
)
изображениях: П - прошедший луч; D
- дифрагированный луч; Обр - образец; И
- электронная пушка
изображение формируется прошедшим пучком П, дифрагированный пучок D отсекается апертурной диафрагмой Д (рис.4, а ), это - светлопольное изображение;
апертурная диафрагма Д пропускает дифрагированный D пучок, отсекая прошедший П, это - темнопольное изображение (рис.4, б );
для получения дифракционной картины задняя фокальная плоскость объективной линзы фокусируется на экране микроскопа (рис.4). Тогда на экране наблюдается дифракционная картина от просвечиваемого участка образца.
Для наблюдения изображения в задней фокальной плоскости объектива устанавливается апертурная диафрагма, в результате уменьшается апертура лучей, формирующих изображение, и повышается разрешение. Эта же диафрагма используется для выбора режима наблюдения (см. рис.2 и 5).
Рис.5. Ход лучей в ПЭМ в режиме микродифракции Д - диафрагма; И - источник электронов; Обр - образец; Э – экран; 1 - конденсорная, 2 - объективная, 3 - промежуточная, 4 -проекционная линзы
лина волны при напряжениях, используемых в ПЭМ, составляет около порядка 1∙10 –3 нм, то есть много меньше постоянной решетки кристаллов а , поэтому дифрагированный луч может распространяться лишь под малыми углами θ к проходящему лучу (
).
Дифракционная картина от кристалла
представляет собой набор отдельных
точек (рефлексов). В ПЭМ в отличие от
электронографа можно получить
дифракционную картину с малого участка
объекта, используя диафрагму в плоскости,
сопряженной с объектом. Размер области
может составлять около (1×1) мкм 2 .
От режима наблюдения изображения к
режиму дифракции можно переходить,
изменяя оптическую силу промежуточной
линзы.
Расширил предел разрешения от длины световой волны до атомных размеров, а точнее до межплоскостных расстоянии величиной порядка 0,15 нм. Первые попытки сфокусировать пучок электронов при помощи электростатических и электромагнитных линз были сделаны в 20-х годах XX века. Первый электронный микроскоп был сделан И.Руска в Берлине в 30-х годах. Ею микроскоп был просвечивающим и предназначался для изучения порошков, тонких пленок и срезов.
Отражающие электронные микроскопы появились после Второй мировой войны. Почти сразу же они были вытеснены растровыми (сканирующими) электронными микроскопами, объединенными со средствами микроанализа.
Качественная подготовка образца для просвечивающего электронного микроскопа является весьма непростой задачей. Тем не менее, методы такой подготовки существуют.
Имеется несколько методов подготовки образца. При наличии хорошего оборудования тонкую пленку можно приготовить практически из любого технического материала. С другой стороны, не стоит терять время на изучение плохо подготовленного образца.
Рассмотрим методы получения тонких образцов из блочного материала. Методы подготовки биологических тканей, дисперсных частиц, а также осаждение пленок из газовой и жидкой фаз здесь не рассматриваются. Следует отметить, что практически любой материал имеет особенности подготовки для электронного микроскопа.
Механическая обработка.
Исходной точкой для подготовки образца обычно является диск диаметром 3 мм и толщиной несколько сотен микрон, вырезаый из массивной детали. Этот диск может быть вырублен из металлической фольги, вырезан из керамики или выточен из блочного образца. Во всех случаях необходимо свести к минимуму опасность микрорастрескивания и сохранить плоскую поверхность образца.
Следующая задача состоит в уменьшении толщины лиска. Это делают шлифовкой и полировкой, как при подготовке образца для оптического микроскопа. Выбор оптимального способа шлифовки определяется жесткостью (модулем упругости), твердостью и степенью пластичности материала. Пластичные металлы, керамики и сплавы полируют различно.
Электрохимическое травление.
При механической обработке, как правило, появляются приповерхностные повреждения типа пластического сдвига или микрорастрескивания. В случае проводящего металла толщину образца можно уменьшить путем химического или электрохимического растворения в электрополирующем растворе. Однако следует иметь в виду, что параметры обработки тонких образцов значительно отличаются от макрообразцов, прежде всего в связи с малостью обрабатываемой области. В частности, в случае тонких образцов можно использовать гораздо более высокие плотности тока. Проблема охлаждения материала вследствие протекания химической реакции решается путем проведения реакции в струе растворителя, причем обработка диска может быть двусторонней.
Тонкие пленки металлов, сплавов и других электропроводящих материалов часто успешно полируют струей. Однако условия полировки таких материалов различаются по составу, температуре раствора и плотности тока.
Области вокруг нейтрального отверстия должны быть прозрачными (обычно их диаметр равен 50-200 нм). Если подходящие для исследования области слишком малы, это связано со слишком долгим травлением, которое следует прекращать сразу после появления отверстия Если эти области слишком грубы, то или слишком мала плотность тока, или следует сменить загрязненный и перегретый полирующий раствор.
Ионное травление .
Метод ионного травления (бомбардировки) имеет следующие достоинства:
(а) Ионное травление является газофазным процессом, проводимым при низком давлении, когда легко контролировать степень загрязнения поверхности.
(б) Электрохимические методы ограничены проводящими металлами, в то время как ионное травление применимо и к непроводящим материалам.
(в) Хотя ионное травление может приводить к приповерхностному радиационному повреждению материала, его степень может быть уменьшена соответствующим выбором параметров процесса.
(г) Ионное травление позволяет удалить поверхностные окисные слои, появившиеся при предыдущей электрополировке. При этом не изменяется поверхностный состав, поскольку процесс обычно проводят при невысоких температурах, когда отсутствует поверхностная диффузия.
(д) Ионное травление позволяет обрабатывать мультислоистые материалы, состоящие из нескольких нанесенных на подложку слоев, в плоскости, перпендикулярной слоям. Отметим, что стандартные методы химического травления этого не позволяют.
(с) Метод ионного травления позволяет обрабатывать области размером менее 1 мкм, что невозможно химическими методами. Он очень удобен для подготовки тонких пленок.
Конечно, этот метод имеет и недостатки. Скорость травления максимальна. если пучок ионов перпендикулярен поверхности образца, а атомные веса ионов и обрабатываемого материала близки. Однако пучок ионов переносит импульс, и при угле 90 0 максимально микроповрежление поверхностного слоя. Кроме того, из-за опасности химического взаимодействия ионов с обрабатываемой поверхностью в качестве пучка используют лишь инертные газы (обычно аргон).
Скорость травления может быть увеличена путем увеличения энергии ионов, но при этом они начинают проникать в материал и создают поврежленный поверхностный слой. Практически, энергия ионов ограничена несколькими кэВ, когда глубина внедрения не слишком высока и ионы могут диффундировать на поверхность, не повреждая материал.
Скорость травления не превышает 50 мкм в час. Как следствие, перед ионной обработкой образцы необходимо обрабатывать механически (диском или придавая им форму клина) или электрохимически до толщины 20-50 мкм. При ионной бомбардировке образец вращают. чтобы гарантировать однородную обработку, причем для увеличения скорости травления начальная стадия обработки выполняется одновременно с двух сторон под углом 18 0 . После этого угол пучка (и, следовательно, скорость процесса) уменьшают. Минимальный угол, позволяющий получить плоскую поверхность и примерно одинаковую толщину пленки в достаточно большой области, определяется геометрией ионного пучка. При стишком малых углах падения пучок перестает попадать на образец, и распыляемый при этом материал камеры осаждается и загрязняет поверхность образца. Минимальные углы падения пучка на заключительной стадии обработки обычно равны 2-6 0 .
Как правило, обработку заканчивают при появлении на поверхности образца первого отверстия. В современных ионных установках можно следить за обрабатываемой областью и процессе работы. что позволяет правильно завершить процесс.
Напыление покрытия.
Так как электронный пучок несет электрический заряд, образец в процессе работы микроскопа может заряжаться. Если заряд образца становится слишком большим (а но многих случаях это не так, поскольку остаточная поверхностная проводимость часто ограничивает величину заряда), образец нужно покрывать электропроводящим слоем. Наилучшим материалом для этого является углерод, который после напыления имеет аморфную структуру и имеет низкий атомный номер (6).
Покрытие создают, пропуская электрический ток через два контактирующих углеродных стержня. Второй способ состоит в распылении углеродного материала, бомбардируя его ионами инертного газа, после чего атомы углерода оседают на поверхность образца. «Проблемные» материалы могут потребовать покрытия с обеих сторон. Иногда тонкие (5-10 нм) нанометровые покрытия бывают слабо видны на изображении.
Метод реплик.
Вместо подготовки тонкого образца для просвечивающего электронного микроскопа иногда делают реплику (отпечаток) поверхности. В принципе, это не требуется, если поверхность можно изучать при помощи растрового электронного микроскопа. Однако и в этом случае может иметься целый ряд причин для приготовления реплик, например:
(а) Если нельзя резать образец. После разрезания детали в дальнейшем ее использовать нельзя. Напротив, снятие реплики позволяет сохранить деталь.
(б) В случаях, когда ищут определенные фазы на поверхности образца. Поверхность реплики отражает морфологию таких фаз и позволяет их идентифицировать.
(в) Часто можно экстрагировать одну из компонент многофазного материала, например, химическим травлением. Этот компонент можно выделить на реплике, при этом сохранив его и на исходном материале. Химический состав, кристаллографическую структуру и морфологию выделенной фазы можно изучать изолированно от основного материала, свойства которого иногда мешают исследованию,
г) Наконец, иногда нужно сравнить изображение реплики с оригинальной поверхностью в растровом электронном микроскопе. Примером является исследование материала в условиях механической усталости, когда поверхность изменяется в процессе испытания.
Стандартная методика состоит в получении негативной реплики при помощи пластичного полимера. Реплику получают при помощи отверждаемой эпоксидной смолы или размягченной растворителем полимерной пленки, прижимаемой к исследуемой поверхности перед испарением растворителя. В некоторых случаях требуется удалить поверхностное загрязнение. Для этого перед созданием конечной реплики используют ультразвук или делают предварительную «чистящую» поверхность реплику перед снятием конечной реплики. В некоторых случаях объектом исследования может быть «загрязнитель».
После застывания полимерной реплики ее отделяют от исследуемого образца и покрывают слоем тяжелого металла (обычно сплавом золота и палладия) для увеличения контрастности изображения. Металл выбирают так, чтобы при напылении размер его капель был минимален, а рассеяние электронов максимально. Размер капли металла обычно имеет порядок 3 нм. После затенения металлом, на полимерную реплику напыляют углеродную пленку толщиной 100-200 нм, а затем полимер растворяют. Углеродную пленку вместе с частицами, извлеченными полимером из оригинальной поверхности, а также затеняющий ее металлический слой (отражающий топографию оригинальной поверхности) после этого ополаскивают, кладут на тонкую медную сетку и помещают в микроскоп.
Подготовка поверхности.
Использование многослойных тонкопленочных материалов в электронике привело к необходимости развития методов их подготовки для изучения в электронном просвечивающем микроскопе.
Подготовка многослойных образцов имеет несколько этапов:
Сначала образец погружают в жидкую эпоксидную смолу, которую затем отверждают и разрезают перпендикулярно плоскости слоев.
Затем плоские образцы или протачивают диском, или полируют для получения клинообразных образцов. В последнем случае микрометром контролируют толщину удаленного материала и угол клина. Полировка имеет несколько стадии, на последней из которых используют частицы алмазного порошка диаметром 0,25 мкм.
Применяют ионное травление, до тех пор пока толщина исследуемой области не снизится до нужного уровня. Конечную обработку проводят ионным пучком под углом менее 6 0 .
Литература:
Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля // Издательство: Техносфера.2006. 384 с.