Сканирование. Увеличение. Глубина фокуса.
Электронный пучок, создаваемый электронно-оптической системой, характеризуют три параметра: ток пучка i (диапазон изменения 10-12 – 10-6A), диаметр пучка d (5нм-1мкм) и расходимость α▪(10-4-10-2ср). Эти параметры не являются независимыми. Соотношение между ними дается уравнением яркости:
d = 1/2Cсфα3
где d–диаметр пучка, Ссф – коэффициент сферической абберации, α- апертурный угол (расходимость пучка)
Увеличение в РЭМ зависит от регулировки масштаба отображения на экране и определяется соотношением амплитуд развертки луча по экрану. Линейное увеличение М равно:
М = L/l,
где l-длина отрезка в пространстве объекта , а L- длина отрезка в пространстве экрана.
Так как максимальная длина развертки L на экране фиксирована, то повышение увеличения микроскопа достигается путем уменьшения l.
Изменение амплитуды колебания зонда задается путем изменения тока в отклоняющих катушках. Обычно рабочий диапазон изменения увеличений, обеспечивающий высокую четкость изображения поверхности, составляет 10…50000х. Увеличение, превышающее максимальное полезное увеличение микроскопа, обычно используется только для его фокусирования
Особенности увеличения в РЭМ
1. Используя фиксированное значение L, можно рассчитать области сканирования на образце в зависимости от увеличения (при фиксированном L). Эта информация полезна при анализе большого количества комбинации изображений при разных увеличениях.
2. Увеличение в РЭМ зависит только от тока отклоняющих катушек, а не от тока возбуждения объективной линзы, которым определяется фокусировка пучка. Поэтому, фокусируя изображение при высоком увеличении, при низком увеличении не требуется дополнительная подстройка линз.
3. При изменении увеличения изображение не поворачивается, поскольку ток возбуждения объективной линзы постоянен. (Относительный поворот изображения происходит при изменении рабочего расстояния).
Важным понятием РЭМ, связанным с принципом сканирования и увеличением, является размер «элемента изображения». Элемент изображения – это область попадания пучка на образце, информация с которой передается в одно пятно на экране. Диаметр соответствующего элемента изображения
r=100мкм/M,
где М-увеличение.
Понятие элемента изображения входит в определение фокусировки, полезного увеличения и глубины фокуса. Изображение считается точно сфокусированным, когда область зондирования пучком на образце меньше элемента изображения. Понятие полезного увеличения связано с тем, что из-за перекрытия элементов изображения при возрастании увеличения, начиная с некоторых значений не получаем дополнительной информации на изображении. Глубина фокуса – это область оптимальной фокусировки, которая зависит от расходимости пучка α и увеличения. Если считать, что дефокусировка становится наблюдаемой, когда пучок перекрывает два элемент изображения (размером 0,1мм на экране), то глубина фокуса D
D =2r/αМ=0,2мм/αМ
Расходимость α меняется зависит от радиуса конечной диафрагмы и рабочего расстояния.
Основные типы контраста
КонтрастСоказывает прямое влияние на разрешающую способность.
С = (Smax – Smin)/Smax,
где Smax и Smin - сигналы в любых двух точках растра сканирования. Таким образом, формирование контраста С в РЭМ определяется разностью детектируемых сигналов от соседних участков образца, чем она больше, тем выше контраст изображения. При рассмотрении понятия контраста важно рассматривать его как замкнутую систему: образец – детектор.
Контраст зависит от нескольких факторов: топографии поверхности, химического состава объекта, поверхностных локальных магнитных и электрических полей, кристаллографической ориентации элементов структуры.
Важнейшими из них являются топографический, зависящий от неровностей поверхности образца, а также композиционный, зависящий от химического состава. Уровень контраста определяется также и эффективностью преобразования падающего на детектор излучения, которое создает сигнал на его выходе. Если получаемый в итоге контраст недостаточен, то его можно повысить, увеличив ток зонда. Однако большой поток электронов в силу особенностей электронной оптики не может быть хорошо сфокусирован, то есть диаметр зонда возрастает и, соответственно, снижается разрешающая способность. Контраст обусловлен рассеянием электронов при взаимодействии электронного пучка с образцом. Если область взаимодействия достаточно мала (рис. 19), то доля рассеянных электронов невелика. При взаимодействии первичных электронов с образцом одни из них рассеиваются из-за столкновений с ядрами атомов образца, другие – из-за столкновений с электронами атомов, а третьи проходят, не претерпевая рассеяния. Степень рассеяния в какой-либо области образца зависит от топографических особенностей поверхности этой области, плотности образца и средней атомной массы (числа протонов) в данной точке.
Размеры области генерации сигнала в образце также могут ограничивать разрешение, если поглощенные электроны генерируются в большом объеме (рис.19). Разрешающая способность при получении изображений в этом случае невелика и имеет такой же порядок, как и для отраженных электронов. Высокая разрешающая способность достигается при изображении во вторичных электронов, зона выхода которых ограничена малой областью вокруг места падения зонда
Детекторы электронов
Назначение детектора в РЭМ: преобразование излучения, выходящего с образца, в электрический сигнал, который после прохождения усилителя модулирует интенсивность на экранах для наблюдения и фотографирования.
Любую детекторную систему характеризуют три основных параметра:
1) угол приема (или выхода) сигнала – угол по отношению к поверхности образца, под которым детектор принимает сигнал;
2) телесный угол, в котором детектор принимает сигнал
Ω = A/r2;
где А – площадь детектора , а r – расстояние от точки падения пучка на образец до детектора;
3) эффективность преобразования, или процент попадающего на детектор излучения, которое создает сигнал на его выходе.
Как известно, существуют различные сигналы: вторичные электроны, отраженные электроны, рентгеновское излучение, катодолюминесценция, ток на образец (поглощенный ток), и в ряде типов полупроводниковых образцов наведенный ток.
Основные режимы работы в РЭМ получение изображения во вторичных и отраженных электронах. Вторичные электроны эмитируются со средней энергией 3 – 5эВ. Энергия отраженных электронов находится в диапазоне 0 < E < E0, где E0 – энергия падающего пучка. Для материалов со средним и высоким атомным номером распределение отраженных электронов по энергиям имеет максимум при 0,8 – 0,9 E0. Наиболее широко используемым детектором в РЭМ является система сцинциллятор-фотоумножитель, современная форма которой разработана Эверхартом и Торнли.
Детектор Эверхарта-Торнли (рис. 21) (сцинциллятор-фотоумножитель) используется в качестве детектора вторичных и отраженных электронов, создающего ток вторичной эмиссии в диапазоне 10-9-10-13А, усиление 105 -106, обладает малым уровнем шума и широкой полосой пропускания.
Схема детектора представлена на рис. 20. Коллектор 1 имеет положительный потенциал, приблизительно +250 В, благодаря чему траектории вторичных электронов искривляются и они попадают в коллектор. На первичные и отраженные электроны, имеющие высокие значения энергии, этот потенциал существенного влияния не оказывает.
Рис. 21. Схема детектора эмитированных электронов Эверхарта-Торнли.
1 – коллектор, 2 – световод, 3 – сцинтиллятор, 4 – фотоумножитель.
Внутри коллектора электроны ускоряются. Для этого на сцинтиллятор 3 подается высокое напряжение порядка 12 кВ. Его влияние на электронный зонд экранируется корпусом коллектора. Вследствие ускорения вторичные электроны получают достаточную энергию, чтобы вызвать световое излучение материала сцинтиллятора, которое по световоду 2 попадает на фотоумножитель 4, где преобразуется в электрический сигнал. Мощность этого сигнала и, следовательно, яркость соответствующей точки на экране при использовании вторичных электронов определяется топографическим контрастом. Характерная особенность топографического контраста в РЭМ - повышенная яркость изображения острых вершин и выступов рельефа поверхности образца, вызывается увеличением выхода электронов с этих участков. При формировании изображения в режиме детектирования вторичных электронов возможно появление незначительного композиционного контраста.
Для регистрации отраженных электронов могут использоваться различные типы детекторов, в том числе и детектор Эверхарта-Торнли, но с некоторым изменением. Это вызвано тем, что отраженные электроны имеют высокую энергию, движутся прямолинейно, не отклоняясь электрическим полем в отличие от вторичных электронов. Поэтому нет необходимости использовать в детекторе высокие напряжения и, следовательно, коллектор. Эффективность сбора отраженных электронов зависит от угла наклона детектора к поверхности генерации электронов и расстояния между ними. Получение изображения в отраженных электронах вызвано тем, что эмиссия этих электронов зависит от порядкового номера химического элемента. На плоской поверхности образца участок материала с более высоким средним порядковым номером атомов отражает большее количество электронов и выглядит на экране более светлым относительно других участков образца. Полученный контраст называют композиционным.
Изображение в отраженных электронах позволяет определить количество фаз в материале, наблюдать микроструктуру материала без предварительного травления шлифа и др. Выявление структуры материала становится возможным, поскольку химический состав зерен в многокомпонентных системах отличается от химического состава их границ. В том случае, когда поверхность образца имеет ярко выраженные неровности, то дополнительно к композиционному возникает топографический контраст. Для разделения композиционного и топографического контрастов применяют два детектора отраженных электронов Эверхарта-Торнли. На рис.22 приведен пример разделения контрастов. В случае сложения сигналов детекторов Д1 и Д2 усиливается композиционный и устраняется топографический контраст.
При вычитании сигналов аннулируется контраст композиционный и усиливается топографический.
Рис. 22.Использование парного детектора (Д1, Д2) для разделения композиционного (I) и топографического контрастов (II).
При получении изображения в поглощенных электронах сигналом служит ток поглощенных электронов, который равен току первичных электронов за вычетом тока отраженных и вторичных электронов. В итоге он зависит от количества эмитированных отраженных и вторичных электронов. Соответственно в сигнале присутствуют как композиционная, так и топографическая составляющая, причем они не разделяются.
При сканировании зонда по поверхности образца, имеющего химическую неоднородность и сильно выраженный рельеф, интенсивность сигнала будет меняться. Для улавливания сигнала не требуется специальный детектор. Его роль выполняет образец, в котором образуются поглощенные электроны. Поток поглощенных электронов только усиливается, а затем передается в блок изображения.