Проблемы визуальных исследований тонких структур. Растровая электронная микроскопия.

Растровая электронная микроскопия

Развитие растровой электронной микроскопии началось через несколько лет после изобретения в 1931 году Эрнстом Руски просвечивающего электронного микроскопа. Однако потребовалось примерно 30 лет для начала коммерческого производства растровых электронных микроскопов (РЭМ). Развитие РЭМ связано с именами Макса Кнолла и Манфреда фон Ардене (Германия), Владимира Зворыкина (США), Чарльза Отли и Дэнниса МакМиллана (Великобритания). Первые фабрики по производству электронных микроскопов появились в 1965 году в Великобритании (Cambridge Scientific Instrument) и Японии (JEOL). В последующие четыре десятилетия было собрано несколько десятков тысяч растровых электронных микроскопов.

Современные РЭМ значительно превосходят первые модели по разрешению и функциональности и продолжают постоянно совершенствоваться, превращаясь во все более точные и сложные инструменты. Сегодня используется множество типов РЭМ, характеристики и функциональность которых значительно отличаются друг от друга. Чтобы эффективно использовать РЭМ, необходимо понимать, как он функционирует, так же как и причины возникновения контраста растровых изображений, формируемых электронами.

Устройство РЭМ

Конструкция микроскопа

Простейший растровый электронный микроскоп состоит из системы электронной оптики, формирующей электронный пучок, столика образцов, детектора для регистрации вторичных электронов, дисплея для вывода изображения и управляющей программы (рис. 9). Система электронной оптики включает электронную пушку, линзы конденсора и объектива, отклоняющую катушку для сканирования электронным пучком и другие компоненты. Система электронной оптики (внутри колонны микроскопа) и пространство вокруг образца находятся в среде вакуума.

Рис. 9. Принципиальное устройство РЭМ

Электронная пушка

Электронная пушка предназначена для генерации пучка электронов. На рис. 10 показано устройство пушки термоэмиссионного типа (TE). При нагревании катода, сделанного из вольфрамовой проволоки диаметром около 0,1 мм, до температуры примерно 2800 K возникает температурная эмиссия электронов с его поверхности. Термоэлектроны собираются в электронный пучок и движутся по направлению к аноду под воздействием приложенного к нему положительного заряда высокого напряжения, обычно от 1 до 30 кВ. В центре анода имеется отверстие, через которое проходит пучок электронов. Между катодом и анодом размещают электрод, называемый электродом Венельта, на который подают отрицательный заряд, регулируя величину тока электронного пучка. Воздействуя таким образом на электрод Венельта, можно производить тонкую фокусировку пучка электронов.

Рис. 10. Устройство электронной пушки

Место, где электронный пучок имеет минимальный диаметр поперечного сечения, называется кроссовером, и его принято рассматривать в качестве фактического источника электронов. Диаметр кроссовера обычно имеет размер 15–20 мкм.

В растровой электронной микроскопии наиболее часто используются пушки термоэмиссионного типа с катодом из вольфрама. Такие пушки получили широкое распространение вследствие относительно невысокой стоимости владения прибором. Помимо вольфрама, в качестве материала катода можно использовать монокристаллический гексаборид лантана LaB₆. Срок службы такого катода выше, и его использование позволяет получать более контрастные изображения, однако для работы LaB₆ катода требуется более высокий вакуум в связи с высокой эмиссионной активностью гексаборида лантана.

Другие типы электронных пушек — это пушка с полевой эмиссией (FE) и электронная пушка с эмиссией Шотки (SE).

Линзы объектива и конденсора

Для работы РЭМ необходим тонкий электронный пучок (зонд). Регулировать диаметр электронного пучка можно, если поместить на выходе электронной пушки регулируемое магнитное поле, создаваемое элементами электронной оптики. Поток электронов из электронной пушки регулируется двухкаскадной электромагнитной линзой, содержащей линзу конденсора и линзу объектива. В результате на поверхности образца фокусируется тонкий электронный зонд (рис. 11).

Рис. 11. Формирование зонда электронными линзами

Усиление или ослабление возбуждения линзы конденсора позволяет изменять толщину электронного пучка. Между линзой конденсора и линзой объектива размещается апертура, представляющая собой тонкую металлическую пластинку с небольшим отверстием. Пучок электронов, проходя через линзу конденсора, освещает пластинку, а апертура пропускает только часть электронного пучка, которая и достигает объективной линзы. При cнижении возбуждения линзы конденсора электронный пучок, падающий на апертуру, значительно расширяется, поэтому число электронов (величина тока зонда), достигающих линзы объектива, уменьшается. И наоборот, при услении возбуждения пучок электронов расширяется не столь значительно, и большая доля электронов, проходя через апертуру, достигает линзы объектива.

Настраивая уровень возбуждения линзы конденсора, можно изменять диаметр электронного зонда и его ток. Однако если увеличивать уровень возбуждения линзы конденсора до бесконечности, это не приведет к тому, что диаметр электронного зонда станет бесконечно малым. Объективная линза используется для фокусировки, и именно она формирует окончательный диаметр электронного зонда. Если рабочие характеристики линзы объектива недостаточно хороши, то практически невозможно получить электронный зонд оптимального диаметра, несмотря на все усилия по регулировке пучка перед линзой объектива. Таким образом, качество и характеристики объективной линзы — один из ключевых факторов в работе электронного микроскопа.

Назначение апертуры объективной линзы

Если использовать всю открытую область объективной линзы, невозможно получить тонкий электронный зонд, вследствие сферических аберраций. Чтобы снизить их влияние, и нужна апертура. Через нее должна проникать только та часть электронного луча, которая проходит через центр объективной линзы. Смещение апертуры относительно центра объективной линзы приводит к значительному увеличению аберраций, и формирование тонкого электронного зонда становится невозможным. Именно поэтому апертура объективной линзы должна располагаться строго по центру оптической оси.

Столик образцов

В электронном микроскопе образцы исследуют при большом увеличении, поэтому очень важно обеспечить точность перемещения образца, а чтобы образец не «улетел» в вакуум, необходимо его закрепить. Для этого служит специальный предметный столик, позволяющий хорошо зафиксировать образец и обеспечивающий механизм плавного перемещения. Предметный столик для существующих РЭМ может быть оснащен механизмами для перемещения по горизонтали (X, Y) и вертикали (Z), наклона (T) и вращения (R). Перемещения по X и Y нужны для выбора поля зрения. Перемещения по Z обеспечивают изменение разрешения изображения и изменение глубины фокуса. Наклон столика бывает крайне необходим при исследованиях образцов с кристаллической фазой.

В некоторых РЭМ используется эвцентрический столик — сложное электронное устройство с точной механикой. Когда используется такой столик, не происходит смещения оси наблюдения при наклоне образца, как и не происходит изменения фокуса при перемещении поля зрения наклоненного образца. В последние годы в дополнение к столикам с ручным управлением все чаще применяют столики с моторизованным приводом, в том числе управляемые компьютером. С помощью такого управления можно перемещать столик в выбранную точку мышкой, возвращать его в желаемое место наблюдения, применять более тонкие и специфичные эвцентрические функции.

Система вакуума

Для работы электронно-оптической системы в колонне микроскопа, как и в камере образцов, должен поддерживаться вакуум с давлением от 10^–3 до 10^–4 Па. Обычно воздух из этих отсеков откачивают диффузионным насосом. Когда требуется безмасляная среда, используют турбомолекулярный насос. Если в РЭМ установлена пушка с полевой эмиссией (FE), пользуются электроразрядным насосом, поскольку для работы FE пушки необходим более высокий вакуум порядка 10^–6–10^–8 Па.

Для смены образца нужно восстанавливать давление в камере до атмосферного. В существующей аппаратуре есть два варианта смены образцов. В первом варианте камера с образцом вентилируется полностью, во втором — девакуумируют только предварительную камеру (воздушный шлюз), в то время как в основной камере поддерживается высокий вакуум. Замена образца по первому варианту требует времени на откачку камеры и у разных промышленных микроскопов занимает от 2–3 мин. до нескольких часов. При использовании шлюза время откачки занимает около минуты, однако это более дорогое решение, и обычно такими камерами оснащаются микроскопы более высокого класса. Использование шлюзовой камеры предпочтительно при большом объеме исследовательской работы и актуально для микроскопов, оснащенных большими камерами для образцов.

Формирование РЭМ-изображения

Когда РЭМ-изображение выглядит так, как мы привыкли видеть мир невооруженным глазом, не возникает затруднений в понимании и оценке свойств образца. Однако на РЭМ-изображении часто можно видеть непривычный и трудно объяснимый контраст. Чтобы правильно интерпретировать морфологические свойства поверхностных структур при наблюдении подобного контраста, необходимо понимать принцип формирования РЭМ-изображения.

Взаимодействие электронов с образцом

Падающие электроны электронного зонда, внедряясь в образец, рассеиваются внутри него, постепенно теряют энергию и абсорбируются. Область рассеяния электронов внутри образца зависит от энергии электронов, атомного номера элементов, слагающих образец, и плотности упаковки атомов. Чем энергия падающих электронов выше, тем больше диапазон рассеяния, тогда как чем больше атомный номер и плотность образца, тем меньше область рассеяния.

На рис. 12 показана схематичная диаграмма, иллюстрирующая различные сигналы, эмиттируемые образцом после облучения его электронным пучком. Анализируя эти сигналы, можно получать информацию не только о морфологии поверхности (точнее, подповерхностного слоя), но и выполнять элементный и структурный анализ образца.

Рис. 12. Эмиссия электронов и электромагнитных волн из образца

В растровой электронной микроскопии для формирования изображения используют вторичные и обратно-рассеянные электроны. Распределение энергии различных электронов, эмиттированных из образца, показано на рис. 13. Как правило, энергия вторичных электронов ограничивается значением 50 эВ и менее; в то время как спектр энергии обратно-рассеянных электронов очень широк и варьирует от значений, эквивалентных энергии падающих электронов, до низких значений порядка 50 эВ. Небольшие пики в спектре обратно-рассеянных электронов на рис. 13 соответствуют электронам Оже.

Рис. 13. Распределение энергии электронов, эмиттированных из образца

Вторичные электроны

При внедрении падающего электронного пучка в образец возникает эмиссия вторичных электронов, происходящая из свободных валентных электронов, слагающих образец атомов. Так как энергия вторичных электронов очень мала, те из них, которые генерируются в глубоких слоях, быстро абсорбируются образцом.

С поверхности образца вылетают только те электроны, которые генерируются вблизи его поверхности. Это означает, что эмиссия вторичных электронов очень чувствительна к морфологии поверхности. Кроме того, эмиссия вторичных электронов выше, когда падающие электроны достигают образца под углом, чем при облучении перпендикулярно поверхности образца (рис. 14).

Рис. 14. Выход вторичных электронов в зависимости от угла облучения

На рис. 15 показано изображение раковины диатомеи во вторичных электронах. Различия в яркости поверхности связаны с различиями угла падения электронов. Таким образом, вторичные электроны прекрасно отражают морфологию поверхности и используются для ее изучения. Поскольку вторичные электроны обладают малой энергией, процесс их выхода подвержен влиянию электрического потенциала вблизи поверхности. Как результат, когда образец электрически заряжается, наблюдается аномальный контраст, а вторичные электроны можно использовать для измерения тока, наведенного электронным пучком в полупроводниковых приборах.

Рис. 15. Различия в яркости, связанные с углом выхода вторичных электронов в зависимости от угла облучения (автор фотографии — Frans Holthuysen)

Обратно-рассеянные электроны

Обратно-рассеянные электроны — это упруго отраженные первичные электроны, излучаемые обратно образцом, без энергетических потерь при его бомбардировке электронным зондом. Иногда их называют отраженными электронами. Обратно-рассеянные электроны несут информацию об относительно глубоких зонах, так как обладают намного более высокой энергией, чем вторичные электроны. Обратно-рассеянные электроны чувствительны к элементному составу образца. Выход обратно-рассеянных электронов тем больше, чем больше атомный номер слагающих образец атомов (рис. 16). То есть на изображении в обратно-рассеянных электронах участок, состоящий из тяжелых элементов, выглядит ярче.

Рис. 16. Зависимость интенсивности выхода обратно-рассеянных электронов от атомного номера

Подобный контраст можно использовать для визуализации различий в элементном составе образца. Такой контраст часто называют композиционным. Интенсивность обратного отражения электронов выше в зеркальном направлении (рис. 17). Это свойство используется для изучения морфологии поверхности образцов, поскольку позволяет наблюдать топографический контраст в обратно-рассеянных электронах. Если электронный луч входит в кристаллический образец однородного элементного состава, изменения интенсивности обратно-рассеянных электронов отражают ориентацию кристаллов.

Рис. 17. Отношение между углом падения электронного зонда и интенсивностью обратно-рассеянных электронов

Это явление позволяет наблюдать различия в кристаллической ориентации (рис. 18). Подобный контраст называют контрастом от каналирования электронов (ECC). К изменению контраста этого вида приводит даже легкий наклон кристаллического образца.

Рис. 18. Контраст от каналирования электронов (ECC)

Краевой эффект

Если на поверхности образца имеются тонкие чешуйки, ступеньки или выступы (рис. 19), их края выглядят как яркие участки с несколько большей шириной, чем они имеют в действительности. Это явление называется краевым эффектом. Когда электронный зонд облучает участок вблизи края неровности, вторичные электроны, сгенерированные в зоне диффузии первичных электронов, более интенсивно излучаются из области, находящейся ближе к границе раздела сред (рис. 20).

Рис. 19. Проявление краевого эффекта (автор фотографии — Frans Holthuysen)

Рис. 20. Диффузия первичных электронов и результирующий краевой эффект

Рабочие характеристики РЭМ

В процессе сканирования образца электронным зондом по двум осям на экран монитора выводится РЭМ-изображение. При этом если ширина зоны сканирования изменяется, то изменяется и увеличение выводимого РЭМ-изображения. Поскольку размер экрана монитора постоянен, то уменьшение ширины зоны сканирования приводит к росту увеличения, и наоборот, увеличение ширины зоны сканирования приводит к уменьшению изображения (рис. 21).

Рис. 21. Принцип формирования увеличения РЭМ

Например, если размер экрана монитора 10 см, то при ширине сканирования 1 мм мы имеем увеличение в 100 раз, если же ширина сканирования — 10 мкм, увеличение будет 10 000-кратным. Исторически так сложилось, что увеличение микроскопа рассчитывают для экрана, принятого за стандартный, с размерами 12 см по горизонтали и 10 см по вертикали (у разных производителей эти размеры РЭМ немного различаются). Если используется дисплей большего, чем стандартный, размера, увеличение выводимого РЭМ-изображения становится больше. В этом случае увеличение и размер объекта рассчитывают, используя в качестве базы отсчета выводимую на экран стандартную шкалу.

Глубина фокуса РЭМ

Когда в обычном микроскопе исследуют образец, имеющий глубокий рельеф, то при фокусировании на его верхнем участке нижний участок может выглядеть расфокусированным. Если диапазон четкого изображения между верхним и нижним положениями значительный, говорят, что глубина фокуса большая. Если диапазон сфокусированного пространства между верхом и низом небольшой, говорят, что глубина фокуса маленькая.

Как показано на рис. 22, когда электронный пучок близок к параллельности (угловая апертура мала), изображение остается в фокусе даже при значительном изменении фокусировки. Если электронный зонд сильно расходится (угловая апертура большая), изображение теряет фокус даже при его незначительном изменении. Так же происходит и в оптическом микроскопе, где при уменьшении апертурного угла глубина фокуса становится большой, а при большом угле малой. Глубина фокуса прямо зависит от увеличения (рис. 23).

Рис. 22. Соотношение между угловой апертурой электронного зонда и глубиной фокуса

Рис. 23. Различия между электронным и оптическим микроскопами по глубине фокуса

При низком увеличении размытие изображения может быть незаметным, однако по мере роста увеличения оно становится все более значительным.

Иными словами, глубина фокуса обратно пропорциональна увеличению. У стереомикроскопа глубина фокуса несколько больше, чем у обычного микроскопа, однако с помощью РЭМ можно получить глубину фокуса на порядок больше. Это связано с тем, что угловая апертура электронного зонда РЭМ много меньше, чем у объективов оптического микроскопа. Глубину фокуса РЭМ-изображения можно оценить по фотографии, сделанной при увеличении 5000× (рис. 24).

Рис. 24. Глубина фокуса на РЭМ-изображении при увеличении 5000×

Вместе с тем следует отметить, что глубина фокуса РЭМ зависит и от условий формирования изображения. Прямое сравнение глубины фокуса на оптическом и электронном микроскопах показано на фотографии разлома винта (рис. 25). Участки изображения со значительными перепадами высот в оптическом микроскопе выглядят расфокусированными. И наоборот, на РЭМ-изображении вся поверхность четкая из-за большой глубины фокуса.

Рис. 25. Изображения в оптическом (слева) и электронном (справа) микроскопах одного поля зрения

Влияние ускоряющего напряжения

При изменении ускоряющего напряжения изменяется глубина проникновения первичных электронов. Чем оно выше, тем глубже проникновение. Внутри образца электронный зонд расширяется, вызывая эмиссию электронов из подповерхностной области. При увеличении ускоряющего напряжения излучение из глубины образца создает фон, ухудшающий контраст изображения поверхности. Если образец внутри структурирован, высокое ускоряющее напряжение приводит к наложению изображения внутренней структуры на изображение поверхности, и результирующее изображение становится нечетким. Кроме того, чем выше ускоряющее напряжение, тем больше проявляется краевой эффект. Таким образом, для того чтобы получить четкое изображение структуры поверхности, лучше использовать низкое ускоряющее напряжение.

На рис. 26 показаны изображения пластинчатых кристаллов нитрида бора, полученные при трех разных ускоряющих напряжениях. Тонкие кристаллы соли этих элементов, имеющих малый атомный номер, перекрывают друг друга. При высоком ускоряющем напряжении (10 кВ) начинают «просвечивать» кристаллы, лежащие под поверхностью. На изображении «плавающих» кристаллов можно видеть яркие и темные участки. Контраст ярких участков сформирован детектированием вторичных электронов, эмиттированных с нижней поверхности «плавающих» кристаллов. Темные же участки наблюдаются там, где кристаллы, расположенные непосредственно под «плавающими», препятствуют эмиссии вторичных электронов с их нижней поверхности. При уменьшении ускоряющего напряжения до 1 кВ ступенчатые структуры кристаллов становятся четкими и видны с хорошим контрастом.

Рис. 26. Различия контраста изображений во вторичных электронах зависят от ускоряющего напряжения (образец — пластинчатые кристаллы нитрида бора)

Продолжение следует