Архивы Profiler - ЭМТИОН

Элементный анализ в растровой электронной микроскопии (РЭМ)

Основы энергодисперсионного анализа

 

Энергодисперсионный рентгеновский спектрометр (EDS) применяется в процессе анализа характеристических спектров посредством измерения энергии излучения. Как показано на рисунке ниже, формируемое элементами образца рентгеновское излучение подается на полупроводниковый детектор, в котором при этом инициируется генерация электронно-дырочных пар. Последующее измерение количества образованных носителей (электрического тока) позволяет оценить величину поступающей энергии излучения. В целях снижения электрического шума детектор охлаждается жидким азотом. Преимуществом методики энергодисперсионной спектроскопии является возможность проведения анализа в широком диапазоне элементов от В до U. Например, СЭМ KyKy поставляется с EDS производства Oxford Instrument, Bruker, EDAX и других производителей, а диапазон их анализируемых элементов начинается с B и заканчивается Cf.

 

Конструкция полупроводникового детектора EDS

 

Волновой дисперсионный анализ

 

Рентгеновский волновой дисперсионный спектрометр (WDS) применяется в процессе анализа характеристических спектров посредством контроля параметров излучения. Как показано на нижнем рисунке, на кристаллическом анализаторе осуществляется дифракция рентгеновских лучей, исходящих из образца, после чего в детекторе производится регистрация и измерение длины волны. При этом оба устройства, анализатор и детектор перемещаются по так называемому «кругу Роуланда» постоянного радиуса. Полный охват (измерение) всего волнового диапазона предусматривает оснащение механизмом привода множественных кристаллических анализаторов и требует значительных затрат времени для регистрации соответствующих рентгеновских спектров.

 

Организация процесса анализа средствами WDS

 

Применение технологий волнового и энергодисперсионного анализа

 

В таблице приводятся отличительные особенности методов EDS и WDS. И если для энергодисперсионной спектроскопии характерно проведение операций с малыми токами зонда и оперативной регистрацией спектров, то технология WDS отличается высоким энергетическим (волновым) разрешением, возможностью регистрации элементов в микроскопических дозах. Большинство систем РЭМ оснащается оборудованием EDS, тогда как устройства WDS, как правило, применяется в качестве электронно-зондового микроанализатора (EPMA) в процессах исследования элементного состава.

 

 

EDS WDS
Диапазон анализируемых элементов B~U B~U
Методика измерений Энергодисперсионная технология с полупроводниковым детектором Si (Li) Технология

волновой дисперсии с кристаллическим анализатором

Разрешение E = 130~140 эВ E = 20 эВ

(преобразование энергии)

Скорость измерений Высокая Низкая
Одновременный анализ множества элементов Возможен Невозможен
Повреждение/загрязнение образца Незначительное Существенное
Предел распознавания 1500~2000 х 10-6 (ppm) 10~100 х 10-6 (ppm)
Регистрируемое рентгеновское излучение на единицу тока Значительное Малой интенсивности

 

С техническими характеристиками детекторов EDS и WDS для электронных микроскопов KyKy можно ознакомиться в данном каталоге.

 

Качественный анализ

 

Регистрация рентгеновского спектра, генерируемого в процессе облучения определенной области образца пучком электронов, позволяет обеспечить проведение анализа состава присутствующих элементов:

– точечный анализ спектра , полученного в фиксированной позиции электронного луча;

– линейный анализ одномерного распределения интересующих элементов в заданном направлении;

– диаграмма двумерного распределения исследуемых элементов в определенной области.

Двумерную диаграмму или «распределение по площади» можно представить как результат точечного анализа, распространяемого на определенную область в процессе сканирования электронным зондом, и формирования соответствующего изображения. Предел обнаружения зависит от типа элемента и в системе EDS составляет несколько тысяч единиц на миллион (ppm), как можно видеть в таблице.

 

Рентгеновская диаграмма распределения

 

Как упоминалось выше, изображение в рентгеновских лучах применяется в качестве карты распределения элементов по определенной области. В процессе сканирования электронным зондом осуществляется регистрация генерируемого характеристического рентгеновского излучения с определенной энергией. Следует учитывать, что в случае чрезвычайно низкого соотношения «P-B» (сигнал/шум) на диаграммах распределения отображается непрерывный рентгеновский спектр (уровень фона). Кроме того, теряют актуальность результаты анализа, формируемые в результате наложения энергетических пиков характеристического излучения от сторонних и исследуемых элементов. Подобный эффект возникает при уменьшении расстояния между линиями энергетического спектра разных элементов до уровня разрешения оборудования. На рисунке приводятся примеры изображений, полученных в рентгеновском диапазоне при значительных затратах времени, обусловленных более низкой, чем у вторичных и отраженных электронов, интенсивностью характеристического излучения.

 

Примеры диаграмм распределения, полученных в рентгеновских лучах. Образец: фрагмент бетона.

 

Уровень разрешения в процессе распознавания элемента на рентгеновских диаграммах распределения ограничен «анализируемой областью» образца, подробное описание которой приводится далее. Но при этом не исключается возможность регистрации локализованных в данной зоне мелких частиц определенного материала.

В то же время технология поочередного анализа точек на поверхности образца в процессе сканирования электронным зондом, называемая «количественным распределением», позволяет получить точную информацию о присутствующих элементах даже при низком соотношении «P-B», недостижимую в процессах построения простой диаграммы распределения методами качественного анализа.

 

Эффективная область анализа

 

Диффузия проникающих в образец электронов исходного луча сопровождается потерей энергии и сопутствующей генерацией характеристического рентгеновского излучения в области определенного размера, составляющего в обычных условиях около микрона. Как можно видеть, фактическая область анализа слишком велика даже при попытке исследования на изображении РЭМ частиц размером от единиц до десятков нм. Некоторое уменьшение площади анализа достигается понижением ускоряющего напряжения, определяющего в свою очередь энергию электронов падающего пучка, которая должна превышать уровень генерации характеристического рентгеновского излучения. Тем самым устанавливается минимальный предел ускоряющего напряжения. Дополнительное уменьшение площади анализа осуществляется соответствующей подготовкой тонкопленочного образца. Так, в процессе исследования пленки толщиной 100 нм при напряжении 30 кВ размер зоны многоэлементного анализа может быть снижен до 100 нм и менее.

 

Количественный анализ

 

Проведение операций количественного анализа основано на пропорциональной зависимости интенсивности характеристического рентгеновского излучения от концентрации соответствующего элемента. На стадии подготовки процесса используется эталонный образец с известным составом и концентрацией компонентов. Удельное количество определенного элемента в исследуемом материале далее определяется посредством сравнения измеренной интенсивности рентгеновского излучения с полученной для данного компонента на эталонном образце. Однако генерируемое излучение до выхода в вакуум может частично поглощаться в объеме материала, а также инициировать возбуждение и активность других элементов в рентгеновском диапазоне. Тем самым обусловлена необходимость коррекции количественных параметров, рассчитываемой в применяемых системах EDS и WDS с учетом определенных условий, в числе которых равномерное распределение элементов в области генерации рентгеновского излучения, перпендикулярность электронного зонда к плоской поверхности образца. На практике множество материалов в операциях РЭМ не удовлетворяют подобным условиям, в результате вероятно возникновение существенных ошибок в процессе количественного анализа.

 

Анализ непроводящего образца

 

Проведение анализа непроводящего материала требует нанесения металлического покрытия, как и в операциях исследования поверхности методами РЭМ. Необходимо применение металла, отличающегося от содержащегося в образце. Кроме того, процессы анализа легких элементов выполняются на поверхностях материала с достаточно тонким покрытием, поскольку пленка большой толщины из тяжелого металла экранирует подобное характеристическое рентгеновское излучение.

Допускается анализ непроводящего образца без покрытия при низком ускоряющем напряжении, сводящем к минимуму негативное воздействие эффекта накопления заряда. Однако требуется учитывать сопутствующее ухудшение точности количественного анализа, невозможность регистрации характеристического рентгеновского излучения с высокой энергией генерации, возникновение позиционного сдвига исходного электронного зонда в процессе анализа и формирования линейной или двумерной диаграммы распределения.

Применение режимов низкого вакуума (LVSEM) также позволяет выполнять операции анализа непроводящего образца без покрытия. При этом в рабочей камере подобной системы (LVSEM) неизбежно значительное рассеяние электронного луча на остаточных молекулах газа и увеличение области анализа, учитываемое далее при планировании технологических процессов.

 

Генерация рентгеновского излучения

 

Под воздействием падающего пучка в приповерхностном слое образца инициируется электромагнитное излучение различной природы и встречный поток электронов. На рисунке ниже схематически показан механизм генерации характеристического рентгеновского излучения. В процессе облучения исходным пучком производится возбуждение и выход электронов внутренних оболочек атомов вещества с последующим заполнением освободившихся позиций посредством перехода с внешних орбит. Разница энергии электронов внешней и внутренней оболочки выделяется в форме рентгеновского излучения, называемого “характеристическим”, поскольку номинальная величина (как и длина волны) определяется типом атома. Тем самым обусловлено применение регистрации характеристического рентгеновского излучения в процессе элементного анализа. Линиям энергетического спектра при этом присваивается обозначение электронной оболочки, при возбуждении которой было инициировано излучение, «K», «L» и «M», соответственно.

 

Принципы формирования характеристического рентгеновского излучения

 

С увеличением атомного веса элементов образца возрастает необходимая энергия электронов исходного луча и характеристического рентгеновского излучения. С другой стороны, при непосредственной бомбардировке электронами атомного ядра также производится генерация электромагнитного излучения в рентгеновском диапазоне, называемого «непрерывным», «белым» или «фоновым».

 

Подготовка образцов, усиление контраста и влияние заряда поверхности в РЭМ

Механизм образования заряда

 

Потоки электронов в случае непроводящего образца

 

Проникающие в образец электроны теряют свою энергию и далее поглощаются в объеме материала. В случае проводящего образца через него генерируется электрический ток, однако движение электронов останавливается в диэлектрике с формированием и накоплением заряда, схематически показанного на рисунке выше. Как можно заметить, количество падающих и покидающих образец электронов не совпадает. В общем случае исходный поток больше, и образец заряжается отрицательно. Продолжительное облучение электронным пучком способствует формированию отрицательного локального заряда в определенной области. Дальнейшее увеличение потенциала приводит к возникновению разряда и возврату к исходному состоянию поверхности. Если же по какой-либо причине количество выходящих из образца электронов превышает число поступающих, формируется положительный заряд.

 

Влияние заряда на контрастность изображения

 

В процессе сканирования электронным зондом заряженной поверхности образца происходит отталкивание и сдвиг луча под действием потенциала, что приводит к искажению изображения. Кроме того, при возникновении разряда электронный зонд на мгновение возвращается в исходную позицию. В результате изображение РЭМ выглядит разорванным, как показано на рисунке ниже.

 

Искажение изображения РЭМ, вызванное зарядом образца

 

Что же происходит в случае невысокого уровня заряда поверхности и в отсутствии видимого воздействия на характер перемещения электронного зонда? В подобных условиях остается влияние локального заряда на траекторию и эффективность регистрации вторичных электронов с малой энергией, в результате соответствующая область изображения выглядит светлой или тёмной. Существенная разница в количестве зарегистрированных электронов лежит в основе формирования так называемого потенциального контраста. Так, отрицательный потенциал на поверхности приводит к увеличению напряжения между детектором и образцом, следовательно в датчик поступает большее количество вторичных электронов, а область локального заряда становится ярче на изображении (возрастает эффективность регистрации). Наоборот, положительный заряд образца снижает эффективность работы регистратора и количество обнаруживаемых электронов, что приводит к уменьшению яркости данной области до темных тонов на изображении. Причина состоит в значительной напряженности электрического поля, генерируемого в области локального заряда, превышающего сформированное детектором и вызывающего отклонение траектории излучаемых с поверхности вторичных электронов, которые более не попадают на регистратор.

На располагающемся ниже рисунке показано явление, связанное с потемнением соответствующей локальной области.

 

Аномальный контраст заряженной поверхности

 

Меры профилактики заряда поверхности

 

Формирование проводящего покрытия

 

Наиболее распространенной технологией предотвращения накопления заряда является нанесение на поверхность диэлектрического образца покрытия с высокой проводимостью, например тонкой металлической пленки, методами ионного напыления и осаждения в вакууме. Как правило, в качестве материала покрытия толщиной до 10 нм применяются благородные металлы (Au, Pt, Au-Pd, Pt-Pd), тем самым обеспечивается высокий уровень стабильности и выхода вторичных электронов, а точность воспроизведения морфологии поверхности – формированием тонкого слоя. Однако на развитом рельефе при этом возможна потеря непрерывности покрытия и возникновение области локального заряда.

 

Операции при низком ускоряющем напряжении

 

В случае накопления заряда на поверхности возникает различие в количестве электронов, проникающих в материал и покидающих образец. Как показано на рисунке ниже, с уменьшением ускоряющего напряжения исходного луча возрастает выход вторичных электронов и при достижении значения порядка 1 кВ превышает количество падающих. Однако само существование точки баланса между падающим и исходящим потоком электронов при столь низком ускоряющем напряжении эквивалентно отсутствию заряда поверхности и означает возможность формирования качественного изображения РЭМ диэлектрического образца.

 

Относительное количество излучаемых вторичных электронов в зависимости от ускоряющего напряжения

 

На представленном ниже рисунке приводятся примеры снимков керамического материала без покрытия. При ускоряющем напряжении 10 кВ информация о рельефе поверхности представлена скудно, однако отчетливо просматриваются аномальные размытые области. В то же время при значении ускоряющего напряжения 1 кВ формируется качественное изображение с подробными деталями без образования размытых зон.

 

Изображения во вторичных электронах керамического образца (без покрытия) при различном ускоряющем напряжении

 

 

Исследование наклонной поверхности

 

Как упоминалось ранее, количество излучаемых вторичных электронов увеличивается при наклоне поверхности образца относительно исходного луча, что также позволяет выполнять исследование непроводящих материалов без образования заряженных областей. Методика эффективна для проведения операций на образцах с небольшим рельефом поверхности.

 

Режим низкого вакуума в растровой электронной микроскопия

 

Далее будет подробно рассматриваться механизм функционирования системы РЭМ в режиме низкого вакуума (LVSEM), позволяющем проводить исследование непроводящего образца в отсутствии искажений, вносимых поверхностным зарядом. Из линейки микроскопов KyKy, например, этот режим имеется в модели EM6900 LV. При снижении вакуума в рабочей камере возрастает остаточное количество молекул газа, ионизируемых в потоке электронов и достигающих поверхности уже в качестве положительных частиц, что приводит к нейтрализации заряда образца.

 

Организация процесса исследования непроводящего образца в условиях низкого вакуума 

 

Необходимое количество положительных ионов, при котором обеспечивается нейтрализации заряда, достигается установкой в рабочем объеме давления 10-100 Па (величина варьируется в зависимости от материала). На рисунках ниже приводятся изображения раковины фораминиферы, полученные без нанесения дополнительного проводящего покрытия при разном разрежении в рабочей камере, в том числе в режиме низкого вакуума (LVSEM). Аномальный контраст, обусловленный зарядом поверхности, возникает в условиях высокого вакуума, но исчезает при возрастании давления. Необходимо отметить отчетливый эффект образования теней от элементов рельефа на последнем изображении, полученном в отраженных электронах.

 

Режим высокого разрежения Режим низкого вакуума
Примеры изображения непроводящего образца, сформированного в высоком вакууме, а также в системе LVSEM.

Образец: раковина фораминиферы (без покрытия)

 

Основы методики подготовки образца

 

Перед загрузкой в систему РЭМ требуется обеспечить соответствие образца следующим требованиям:

а) поверхность, подлежащая исследованию полностью открыта.

б) образец надежно зафиксирован на предметном столике.

в) достаточный уровень электропроводности образца.

 

Усиление контраста и подготовка поверхности для исследования

 

После обрезки материала до технологических размеров необходимо вскрытие соответствующего слоя для последующего проведения операций РЭМ, если только не выполняется исследование собственной поверхности образца. В любом случае может потребоваться удаление пленок, препятствующих формированию изображения.

Исследование внутренней структуры проводится после подготовки сечения образца следующими методами.

 

Формирование скола

 

Поперечное сечение фрагмента твердого материала может быть получено посредством раскалывания образца. В случае если требуется исследование полупроводниковой структуры, сформированной на монокристаллической подложке Si или GaAs, используется свойство преимущественного расщепления материала по плоскостям в определенном направлении с образованием требуемого сечения. В иных методиках достижение необходимой твердости образца, мягкого при нормальной температуре, достигается в процессе охлаждения в жидком азоте.

 

Разрез

 

Подготовка мягкого образца, например из полимерных материалов, может осуществляться посредством реза ультрамикротомом, изначально применяемым в процессе формирования тонких пластин для операций просвечивающей электронной микроскопии (TEM) Методика позволяет достигать высокой плоскостности поперечного сечения. В операциях РЭМ с низким увеличением допускается наличие отдельных рубцов на срезе материала, который при этом может производиться лезвием бритвы.

 

Механическая полировка

 

Оптимальной методикой подготовки образцов из разнообразных металлических или минеральных материалов зачастую является механическая полировка после фиксации соответствующего фрагмента в слое твердеющего полимера, в процессе которой постепенно снижается размер зерен применяемого абразива. На завершающем этапе достигается состояние зеркальной поверхности.

 

Ионно-лучевое травление

 

В последнее время расширяется применение технологий ионно-лучевого фрезерования. Так, например, система формирования сфокусированного ионного пучка (FIB) позволяет получать сечение образца с точностью позиционирования в несколько сотен нанометров. Кроме того, получает распространение методика с использованием широкого пучка ионов Ar, обеспечивающая гораздо большую площадь сечения, но при несколько пониженной точности, по сравнению с технологией FIB.

 

Повышение контрастности

 

В ряде случаев не обеспечивается контрастность изображения во вторичных электронах достаточно гладкой поверхности сечения образца. В качестве основной методики повышения контрастности в первую очередь применяется селективное химическое или физическое травление с формированием рельефа поверхности и возможностью исследования внутренней структуры с помощью вторичных электронов. Вторая технология носит название «окрашивания» в результате обработки тяжелыми металлами, такими как Os и Ru, специфических областей высокомолекулярного полимера и последующее исследование композиционного изображения (COMPO) в отраженных электронах. Кроме того, при значительной вариации состава или кристаллической структуры композиционное изображение или эффект контраста электронного туннелирования (ECC) наблюдается в электронах обратного рассеяния даже без предварительной обработки образца (усиления контрастности).

 

Фиксация образца

 

Необходимо обеспечить электрический контакт и надежную фиксацию образца на предметном столике.

 

Объемные образцы

 

Объемный образец крепится к держателю проводящей двусторонней клейкой лентой или пастой, а при достаточной однородности формы применяется штатный зажим. Диэлектрический объемный образец максимально покрывается проводящей пастой, за исключением области, подлежащей исследованию.

 

Сыпучие материалы и порошки

 

Подобные образцы наносятся распылением на значительную по возможности область двусторонней клейкой ленты или проводящей пасты. В то же время допускается и суспензионный способ подготовки соответствующих образцов, при котором осуществляется взвесь материала в дисперсионной среде (органическом растворителе, воде и т.д.), нанесение каплями на алюминиевую фольгу или пластину кремния (S) с последующей сушкой.

 

Покрытие

 

На диэлектрической поверхности, как правило, требуется формирование проводящего покрытия в виде тонкой металлической пленки методами ионного напыления или осаждения в вакууме.

Технология ионного напыления, в свою очередь, подразделяется на две методики. К первой относится широко распространенная система нанесения покрытия ионным распылением металлической мишени в диодном реакторе, во второй используется принцип ионно-лучевого формирования пленки. На рисунке ниже показана схема функционирования устройства для формирования покрытия методом ионного распыления. После бомбардировки мишени положительными ионами, образуемыми в рабочем объеме при разряде в условиях низкого вакуума порядка 10 Па, распыляемые частицы металла в результате интенсивного столкновения с остаточными молекулами газа осаждаются на поверхность образца с разных направлений, обеспечивая тем самым однородность формируемого слоя. С другой стороны, в установках ионно-лучевого напыления качество тонкой пленки обеспечивается в условиях высокого вакуума, в котором располагается мишень и образец.

 

Конструкция установки ионного напыления

 

В процессе вакуумного осаждения исходный материал нагревается, испаряется и наносится в виде тонкой металлической пленки на поверхность образца. Высоким вакуумом уровня 10-3 Па в рабочем объеме испарителя обусловлено незначительное остаточное количество молекул газа и, как следствие, слабое рассеяние частиц материала и невозможность осаждения на поверхность со всех направлений. В этом случае формирование однородной пленки достигается наклоном и вращением образца.

Предпочтительное применение благородных металлов (Au, Au-Pd, Pt, Pt-Pd и т.д.) обусловлено стабильностью формируемого покрытия и высоким выходом вторичных электронов. В операциях с большим увеличением, как правило, используется Au-Pd, Pt или Pt-Pd. В отдельных случаях, включая элементный анализ, допускается применение С или Al. Необходимо учитывать особенности каждого материала, так, Pt и Pt-Pd сложно сочетается с системами вакуумного осаждения, а С и Al трудно поддаются распылению.

Покрытием большой толщины скрадываются мелкие элементы рельефа, тогда как потеря непрерывности чрезмерно тонкой пленки служит причиной локального образования поверхностного заряда. Оптимальная толщина покрытия находится в диапазоне 2~10 нм.

 

Обработка биоматериалов

 

Образцы с высоким содержанием воды, включая биологические ткани, подвержены деформации при помещении в рабочую камеру РЭМ без предварительной обработки. Негативный эффект предотвращается проведением следующих процедур и исследованием поверхности образца с сформированным покрытием. Аналогичным операциям подвергаются и образцы пищевых продуктов.

 

Резка образца и очистка ткани

 

В процессе подготовки образца осуществляется обрезка ткани до требуемого размера, обеспечивается хранение перед операцией сушки и надлежащий уход во избежание деформации. Кроме того, может потребоваться очистка поверхности.

 

Фиксация

 

Изменение структуры отделенных фрагментов ткани после гибели организма предотвращается методами химической фиксации с применением глутаральдегида, формальдегида и тетроксида осмия. Так, адсорбция значительного количества металлического осмия в подобном процессе приводит к повышению электропроводности (проводящее окрашивание). Для иных образцов более применимой для подавления структурных изменений оказывается технология быстрого замораживания (физическая фиксация).

 

Дегидратация

 

Деформации образца также предотвращается методами обезвоживания посредством погружения на определенное время в раствор этанола или ацетона, концентрация которого при этом поэтапно изменяется.

 

Сушка

 

После удаления этанола или ацетона требуется дополнительная сушка фрагмента ткани, в процессе которой возможна деформация образца силами поверхностного натяжения, если операция проводится в естественных условиях. Минимизация подобного эффекта достигается применением специальных методик обработки, например, сушки в критической точке или сублимации.

 

Крепление образца и формирование покрытия

 

Процесс проводится по аналогии с процедурами, принятыми для непроводящего образца.

 

Операции РЭМ в условиях низкого вакуума

 

Стандартные операции растровой электронной микроскопии осуществляются при давлении в рабочем объеме 10-3÷10-4 Па, тогда как в системах, функционирующих в условиях низкого вакуума (LVSEM), значение поднимается до уровня 10÷100 Па. Высокое разрежение в отсеке электронного прожектора поддерживается благодаря установке диафрагмы между электронно-оптической колонной и камерой образца, а также независимой работе узлов дифференцированной вакуумной системы. Применение детектора E-T в оборудовании LVSEM представляется затруднительным, поскольку подача напряжения на сцинтиллятор и остаточное давление газа инициирует возникновение разряда, тем самым обусловлена необходимость использования устройства регистрации электронов обратного рассеяния, позволяющего повысить композиционный контраст и обеспечить формирование изображения РЭМ с устойчивым эффектом затенения элементов рельефа. Кроме того, в отдельных случаях актуально применение методики регистрации ионного тока с увеличением выхода вторичных электронов в низком вакууме за счет нейтрализации заряда поверхности.

Как упоминалось ранее, в условиях низкого вакуума (LVSEM) возможно исследование непроводящих образцов без нанесения дополнительного покрытия. Кроме того, благодаря допустимости повышения давления в рабочей камере подобных систем обеспечивается проведение операций с материалами, отличающимися значительным выделением газов, нестабильными в высоком вакууме и влагосодержащими, после охлаждения в жидком азоте.

Понижение давления в стандартной системе РЭМ до рабочих значений высокого вакуума и возможности проведения операций с пористым образцом, выделяющим большое количество газа, требует значительных затрат времени. В противоположность этому, процессы с подобным материалом в условиях низкого вакуума (LVSEM) могут проводиться уже при оперативно достигаемом значении давления в рабочей камере 10~100 Па.

На рисунке ниже в качестве примера приводится изображение (LVSEM) фрагмента бетона, выделяющего значительное количество паров. Время получения изображения РЭМ составляет несколько минут.

 

Изображение бетонного образца в режиме низкого вакуума (LVSEM)

 

Сохранение исходного состояния образца с высоким содержанием влаги обеспечивается быстрым охлаждением в жидком азоте, при этом последующие операции проводятся с материалом в замороженном состоянии. Остаточное давление в рабочей камере (LVSEM) препятствует испарению льда даже при относительно высокой температуре, например, -20 °C и значении 100 Па, соответствующем низкому вакууму. Подобные условия достигается с помощью элемента Пельтье, при этом исключается необходимость в применении жидкого азота. Кроме того, в режиме низкого вакуума (LVSEM) упрощается формирование изображения замороженного при атмосферном давлении образца, загруженного далее в систему РЭМ и исследуемого в процессе повышения температуры (непосредственной сублимации), как показано на нижнем рисунке.

 

Изображение РЭМ в условиях низкого вакуума (LVSEM), полученное после сублимационной сушки.
Образец: лактобактерии

 

Классификация электронных прожекторов в растровой электронной микроскопии (РЭМ)

В статье приводится подробное описание конструкции двух источников электронов из линейки широко распространенных систем на основе эффекта Шоттки (SE), полевой (FE) и термоэлектронной (TE) эмиссии.

 

Электронная пушка на основе полевой эмиссии

 

Эффект полевой эмиссии возникает в момент приложения к металлической поверхности сильного электрического поля и применяется в конструкции электронного прожектора, показанной на рис. 30, позволяющей достигать высокого разрешения в операциях РЭМ.

 

Устройство электронного прожектора на основе полевой эмиссии (FE)

 

Катод в этом случае изготавливается из тонкой вольфрамовой проволоки, к которой приваривается монокристалл из того же материала, заостренный до радиуса кривизны порядка 100 нм и выполняющий функции эмиттера. При подаче положительного напряжения (нескольких кВ) на металлическую пластину (извлекающему электроду) возникает эффект туннелирования излучаемых эмиттером электронов, проходящих далее через отверстие в центре. Последующим воздействием напряжения на ускоряющем электроде, расположенном под извлекающим, формируется электронный луч, обладающий определенной энергией. Необходимым условием активации полевой эмиссии является высокий уровень чистоты излучателя электронного прожектора, обеспечиваемый сверхвысоким вакуумом порядка 10-8 Па. Излучаемые эмиттером электроны перемещаются так, как если бы их источник имел диаметр 5-10 нм. В случае прожектора на основе термоэлектронной эмиссии (TE) размеры виртуального источника составляют уже 10-20 мкм. Таким образом, пушка на основе полевой эмиссии (FE-) позволяет сформировать гораздо более тонкий луч, чем термоэлектронный прожектор (TE), и потому применяется в системах РЭМ высокого разрешения. Кроме того, значительным преимуществом подобной конструкции (FE) является низкий разброс энергии излучаемых электронов, поскольку не требуется нагрев эмиттера. Особое значение это приобретает в операциях РЭМ при низком ускоряющем напряжении, в которых разрешение (хроматическая аберрация) как раз определяется величиной разброса энергии.

 

Применение эффекта Шоттки в конструкции прожектора

 

Конструкция электронного прожектора на основе эффекта Шоттки (SE)

 

Используемый в показанном на рисунке выше электронном прожекторе эффект Шоттки образуется при воздействии сильного электрического поля на нагретую металлическую поверхность. Катод (ZrO/W) изготавливается из монокристалла вольфрама с покрытием ZrO и радиусом кривизны наконечника в несколько сотен нанометров, выполняет функции эмиттера. Покрытие из оксида циркония ZrO значительно снижает работу выхода, тем самым обеспечиваются большие токи эмиссии при относительно низкой температуре катода (порядка 1800 K). Как можно видеть на схематическом вышерасположенным изображении экранирование излучаемых эмиттером термоэлектронов осуществляется подачей на запирающий электрод отрицательного напряжения. Основным преимуществом прожектора на основе эффекта Шоттки (SE) является чрезвычайная стабильность электронного луча, обусловленная температурой нагрева излучателя, помещенного в сверхвысокий вакуум (10-7 Па), и предотвращением абсорбции молекул газа. Разброс энергии электронов несколько выше, по сравнению с пушкой на основе полевой эмиссии (FE), однако прожектором Шоттки (SE) обеспечиваются более высокие значения тока зонда. Тем самым обусловлено эффективное применение подобной системы при одновременном проведении разнообразных анализов и исследования морфологии. Зачастую подобная конструкция упоминается как прожектор на основе полевой эмиссии (FE) с термокатодом.

 

Отличительные особенности электронных прожекторов

 

На рисунке ниже представлена полярная диаграмма сравнительных характеристик прожекторов с применением принципов термоэлектронной (ТЕ) и полевой (FE) эмиссии, а также эффекта Шоттки (SE). Конструкция пушки на основе полевой эмиссии (FE) выделяется особо малыми размерами источника, высокой яркостью (величина соответствует плотности тока и параллельности электронного пучка), сроком службы и небольшим разбросом энергии луча (шириной энергетического спектра). Термоэмиссионный прожектор (ТЕ) превосходит остальные по величине и стабильности тока зонда тока. Указанные особенности предопределяют применение систем РЭМ с полевой эмиссией (FE) преимущественно в операциях исследования морфологии образца при высоком увеличении, тогда как термоэлектронная пушка (TE) отличается большей универсальностью и используется, как правило, в процессах анализа, не требующих значительного масштабирования. Прожектор на основе эффекта Шоттки (SE) занимает промежуточное положение между двумя указанными системами и применяется в широком диапазоне операций от процессов с высоким увеличением до проведения разнообразных анализов.

 

Сравнительные характеристики трёх типов электронных прожекторов

 

Сводная таблица обобщенных параметров электронных пушек.

 

TE FE SE
Вольфрам LaB6
Размер источника электронов 15~20 мкм 10 мкм 5~10 нм 15~20 нм
Яркость (Aсм-2рад-2) 105 106 108 108
Разброс энергии (эВ) 3~4 2~3 0.3 0.7~1
Срок службы 50 ч 500 ч Неск. лет 1~2 года
Температура катода (K) 2800 1900 300 1800
Колебания величины тока (час) <1% <2% >10% <1%

 

Необходимо учитывать, что яркость измеряется при напряжении 20 кВ.

 

Разрешающая способность и характер искажений линзы объектива

 

Диаметр электронного зонда в зависимости от аберрации объектива

 

Линза объектива является важным компонентом, определяющим разрешение системы РЭМ на конечной стадии формирования электронного зонда. Далее рассматривается влияние характеристик объектива на достигаемое разрешение. В идеальном случае пучок электронов, излучаемый из точечного источника, после прохождения через линзу сходится в точку, которая в реальных условиях трансформируется в размытое пятно. Подобный эффект называется «аберрацией» и носит различный характер в зависимости от природы возникновения. Различают сферическую, хроматическую и дифракционную аберрацию. Так, ослабление сферической аберрации достигается уменьшением угла апертуры линзы и использованием области луча вблизи оптической оси, однако при этом возрастает дифракционный компонент. Минимальный диаметр электронного зонда определяется оптимальным углом апертуры с учетом сбалансированного влияния указанных факторов. На рисунке выше приводится зависимость диаметра электронного зонда от типа искажений объектива. Необходимо принимать во внимание возрастание хроматической аберрации с увеличением ускоряющего напряжения.

 

Типовая конструкция объектива

 

Конструкция объектива с так называемой «внешней линзой» широко используется в системах формирования электронного зонда, включая микроанализаторы. Как показано на рисунке ниже, позиция образца под линзой объектива позволяет минимизировать взаимное влияние и предотвратить возникновение искажений даже при наклоне поверхности значительного размера. В то же время беспрепятственное перемещение образца предполагает наличие достаточной дистанции до линзы объектива, при этом требуется соответствующее фокусное расстояние, возрастают аберрации, снижается возможность достижения высокого разрешения.

 

Типовая конструкция линзы объектива

 

 

Высокое разрешение при большом увеличении

 

 
Конструкция объектива с «внутренней» линзой

 

Конструкция объектива рассчитана на достижение высокого разрешения за счет сокращения расстояния до поверхности образца и увеличения изображения, формируемого линзой. Расстояние уменьшается при перемещении образца непосредственно в магнитное поле линзы. Подобный принцип реализуется преимущественно в рассматриваемых далее двух типах оптических устройств, объективах с «внутренней линзой» и «полузакрытого» типа (или «трубчатой» конструкции). На вышерасположенном рисунке показана конструкция объектива с «внутренней линзой», в котором образец полностью помещается в магнитное поле между полюсными наконечниками, по аналогии с просвечивающим электронным микроскопом (ПЭМ). Размер образца в данном случае ограничивается несколькими миллиметрами. На рисунке ниже приводится схема объектива с линзой «полуоткрытого» типа, в котором ограничения по размеру образца, характерные для предыдущей конструкции, преодолевается за счет изменения формы полюсных наконечников. При этом обеспечивается генерация сильного магнитного поля в расположенной ниже области и возможности позиционирования образца значительного размера. В обоих случаях детектор вторичных электронов расположен над линзой объектива, следовательно механизм формирования контраста изображения отличается от стандартной схемы.

 

Объектив «полуоткрытого» типа

 

 

Функциональное назначение апертуры объектива

 

В случае если в процессе формирования электронного зонда задействована вся площадь проходного отверстия объектива, получение тонкого луча на выходе может оказаться затруднительным из-за аберраций линзы. Минимизировать негативное влияние искажений удается установкой ограничителя потока в виде тонкой металлической пластины с небольшим отверстием по центру, пропускающим луч только вдоль оси системы. Особую роль играет центровка диафрагмы, поскольку при смещении относительно объектива резко возрастает аберрация, препятствующая формированию тонкого электронного зонда.

 

Достигаемое разрешение

 

На нижнем рисунке проиллюстрировано влияние ускоряющего напряжения на разрешение в представленных системах РЭМ, как общего назначения, так и оснащаемых прожектором на основе полевой эмиссии (FE), применяемым в процессах универсального характера и сверхвысокого разрешения. Общей тенденцией является возрастание разрешения при увеличении ускоряющего напряжения и резкое ухудшение качества изображения при падении значения до нескольких кВ и ниже под влиянием хроматической аберрации. Кроме того, заслуживает внимания значительное совпадение кривых зависимости разрешения для прожекторов на основе полевой эмиссии (FE, универсального назначения) и эффекта Шоттки (SE).

РЭМ общего назначения: термоэлектронный прожектор (TE) + объектив стандартной конструкции.

РЭМ общего назначения (FE): пушка на основе полевой эмиссии (FE) + объектив стандартной конструкции.

РЭМ сверхвысокого разрешения (FE): пушка на основе полевой эмиссии (FE) + объектив высокого разрешения.

 

Зависимость разрешения от ускоряющего напряжения

 

Соотношение между током и диаметром зонда при ускоряющем напряжении 20 кВ приводится на нижеприведенном рисунке. Как можно видеть, диаметр луча, формируемого термоэлектронным прожектором (TE), сравнительно равномерно увеличивается с возрастанием тока. С другой стороны, диаметр зонда, генерируемого пушкой на основе полевой эмиссии (FE), остается практически постоянным в определенном диапазоне токов, но резко увеличивается при превышении значения 1 нА. Кроме того, пушка с полевой эмиссией (FE) не позволяет обеспечить ток зонда, превышающий несколько нА. Гораздо большие значения токов зонда при незначительном увеличении диаметра достигаются в системах РЭМ, оснащаемых прожектором на основе эффекта Шоттки (SE), широко применяемых в этой связи для решения аналитических задач.

 

Соотношение между током и диаметром зонда

 

Современные подходы к улучшению разрешения в растровой электронной микроскопии (РЭМ)

Изображение растрового электронного микроскопа (РЭМ) на экране монитора формируется в процессе сканирования поверхности образца электронным зондом по двум координатам. Масштаб изображения при постоянном размере экрана находится в обратной зависимости от дистанции перемещения зонда в процессе сканирования.

 

Методика расчета увеличения РЭМ

 

Например, при размере экрана монитора 10 см и ширине области перемещения электронного зонда 1 мм достигается 100-кратное увеличение, а при дистанции сканирования 10 мкм – 10000 крат. А в современных микроскопах регулируемое значение кратности может доходить до 1 000 000, как, например, в линейке СЭМ KyKy. Традиционно увеличение рассчитывается для стандартного экрана 12 см (по горизонтали) и 10 см (по вертикали), размер которого варьируется в определенных пределах в зависимости от производителя оборудования РЭМ. С увеличением размеров дисплея по сравнению со стандартным монитором возрастает изображение РЭМ. В этом случае увеличение и размеры объекта рассчитываются по шкале, отображаемой на экране в качестве справки.

 

Глубина резкости в системе РЭМ

 

Поскольку изображение РЭМ выглядит, как в процессе наблюдения невооруженным глазом, визуально все особенности объекта представляются интуитивно понятными. Однако время от времени возникает труднообъяснимый контраст отдельных элементов, управление которым требует глубокого понимания принципов формирования изображения в растровой электронной микроскопии.

В процессе исследования образца с большой высотой рельефа становится затруднительной одновременная настройка резкости на верхней и нижней поверхности. Однако в случае существенной дистанции между граничными позициями, в которых изображение начинает размываться, можно говорить о значительной глубине резкости, и наоборот.

 

Соотношение между углом апертуры при формировании электронного зонда и глубиной резкости

 

Как можно видеть на верхнем рисунке, при малых углах апертуры, когда лучи, формирующие электронный зонд почти параллельны, изображение остается резким в большом диапазоне изменения фокусного расстояния. В то же время значительные углы апертуры, образованные лучами электронного зонда, сопряжены с нарушением резкости даже при малых вариациях фокусного расстояния. Формирование изображения в оптическом микроскопе (ОМ) также тесно связано с величиной апертуры, хотя и не предполагает организацию сканирования электронным зондом. Зависимость глубины резкости от апертуры носит обратный характер, и диапазон качественного изображения возрастает при уменьшении угла. Кроме того, необходимо учитывать возможность появления размытых линий с ростом увеличения, поскольку глубина резкости находится в обратной зависимости от масштаба изображения.

 

Сравнительная глубина резкости системы РЭМ и оптического микроскопа

 

На вышерасположенном рисунке представлены сравнительные графики зависимости глубины резкости от увеличения для электронного и оптического микроскопа (РЭМ и ОМ). В системе РЭМ обеспечивается значительно большая глубина резкости, чем даже в стереоскопическом микроскопе, лучшем по данному параметру в линейке оптических устройств. Причиной является существенно меньший угол апертуры в системе РЭМ, по сравнению с оптическим микроскопом. В любом случае следует учитывать зависимость глубины резкости от условий наблюдения.

На нижнем рисунке в сравнении приводятся изображения поверхности разлома винта, полученные средствами оптической и электронной микроскопии (ОМ и РЭМ). Существенная неровность исследуемого образца приводит к тому, что лишь небольшой участок отображается резко в оптическом микроскопе. При этом в силу значительной глубины резкости системы РЭМ на фото качественно представлена вся поверхность в поле зрения.

 

Изображение ОМ Изображение РЭМ
Изображения одного и того же участка поверхности, полученные средствами ОМ и РЭМ

Почему мы видим изображения?

 

Поскольку изображение РЭМ выглядит, как в процессе наблюдения невооруженным глазом, визуально все особенности объекта представляются интуитивно понятными. Однако время от времени возникает труднообъяснимый контраст отдельных элементов, управление которым требует глубокого понимания принципов формирования изображения в растровой электронной микроскопии.

 

Взаимодействие электронов с образцом

 

На рисунке расположенном ниже наглядно показано смоделированное по методу Монте-Карло поведение электронов в процессе бомбардировки поверхности, последующего рассеяния в объеме с постепенной потерей энергии и поглощения в материале образца. Диапазон рассеяния варьируется в зависимости от энергии электронов, атомного номера элементов, входящих в состав образца, и плотности вещества. Как можно понять, зона рассеяния возрастает с увеличением энергии электронов и уменьшается при больших значениях атомного номера и плотности.

 

Моделирование рассеяния электронов в образце по методу Монте-Карло

 

Схема на нижнем рисунке иллюстрирует механизм генерации различных типов излучения под воздействием падающего на поверхность и проникающего в объем образца пучка электронов. В растровой электронной микроскопии подобные сигналы применяются в процессе исследования и анализа поверхности (или прилегающего слоя). Оборудование РЭМ, таким образом, служит не только инструментом исследования морфологии, но и представляет собой универсальное средство проведения элементного анализа и контроля состояния материала.

 

Механизм формирования излучения различного типа при бомбардировке образца пучком электронов

 

На рисунке ниже приводится распределение энергии излучаемых образцом электронов различного типа. Энергия вторичных электронов ограничена уровнем 50 эВ. В то же время распределение энергии электронов обратного рассеяния простирается от величин, сопоставимых с параметрами падающего пучка, до весьма низких значений порядка 50 эВ. Небольшие пики в энергетической зоне обратного рассеяния соответствуют электронам Оже.

 

Распределение энергии электронов, излучаемых с поверхности образца

 

Вторичные электроны

 

При проникновении исходного луча в объем образца и взаимодействии с атомами вещества инициируется излучение вторичных электронов из состава валентных оболочек. Малая энергия предопределяет быстрое поглощение вторичных электронов, генерация которых произошла на значительной глубине. Таким образом, за пределы объема образца выходят только электроны, излучаемые из приповерхностного слоя. Как следствие, кроме чрезвычайной чувствительности данного эффекта к характеру поверхности, просматривается также тенденция к возрастанию уровня эмиссии вторичных электронов с увеличением угла наклона образца, как показано на рисунке.

 

Соотношение между углом падения луча и эмиссией вторичных электронов

 

Пример изображения, полученного во вторичных электронах, приводится на нижнем рисунке. Вариация яркости обусловлена разным углом падения электронного луча на грани кристалла. Указанная особенность позволяет применять методику регистрации вторичных электронов в процессах исследования рельефа поверхности. Малой энергией излучаемых электронов обусловлена высокая чувствительность к поверхностному потенциалу образца, приводящая к возникновению аномального контраста в присутствии электрического заряда. Регистрация вторичных электронов в этой связи зачастую применяется в операциях измерения рабочего напряжения элементов интегральной схемы и полупроводниковых приборов.

 

Изображение кристалла оксида вольфрама во вторичных электронах

 

Отраженные электроны

 

Электроны обратного рассеяния, отраженные в направлении, противоположном падающему пучку, и излучаемые с поверхности в процессе бомбардировки, обладают более высокой энергией, чем вторичные, а значит несут информацию из глубинных областей образца и характеризуются высокой чувствительностью к составу материала. Как показано на расположенном ниже рисунке , уровень генерации электронов обратного рассеяния возрастает с повышением атомного номера элементов, входящих в состав образца. При этом области, сформированные более тяжелыми атомами, выглядят ярче на изображении в отраженных электронах, что позволяет использовать методику в процессах анализа состава вещества.

 

Зависимость интенсивности излучения электронов обратного рассеяния от атомного номера элементов образца

 

На рисунке приводится пример изображения, полученного посредством регистрации электронов обратного рассеяния.

 

Пример изображения в отраженных электронах.

Образец: магнитная головка жесткого диска

 

Кроме того, как можно видеть на размещенном рисунке, в условиях высокой неоднородности поверхности образца интенсивность излучения отраженных электронов значительно выше в направлении зеркального отражения, тем самым обусловлена актуальность данной опции при анализе элементов рельефа.

 

Соотношение между углом падения электронного луча и интенсивностью излучения отраженных электронов

 

Как можно видеть на приведенном ниже рисунке, при облучении пучком электронов кристаллического образца с однородной структурой интенсивность обратного рассеяния изменяется в зависимости от ориентации плоскости решетки, от которой происходит отражение.

 

Соотношение между ориентацией кристалла и интенсивностью излучения отраженных электронов

 

Использование подобного эффекта позволяет наблюдать изображение, полученное от разных кристаллографических плоскостей с помощью так называемого контраста электронного туннелирования (ECC), показанного в качестве примера на следующем рисунке. Изменение контраста может быть вызвано даже небольшим наклоном кристаллического образца.

 

Пример контраста электронного туннелирования (ECC).

Образец: сечение гибкой платы

 

Краевой эффект

 

Как показано на нижеприведенном рисунке, при наличии перепада высоты или тонких выступов на поверхности образца края элементов рельефа отличаются значительной шириной и яркостью (тогда как теоретически должны выглядеть как тонкие линии).

 

Пример выраженного краевого эффекта.

Образец: вытравленные углубления на стали. Ускоряющее напряжение: 25 кВ

 

Подобное явление носит название краевого эффекта, механизм формирования которого приводится на рисунке ниже. Как можно видеть, даже при воздействии зондом на области, достаточно удаленные от края элемента, последующая диффузия в объем и генерация ответного излучения из валентных зон атомов вещества вызывают эмиссию вторичных электронов с боковых поверхностей рельефа.

 

Диффузия падающих на поверхность электронов и результирующий краевой эффект

 

Влияние ускоряющего напряжения

 

Значением ускоряющего напряжения определяется глубина проникновения электронов, падающих на поверхность образца. В то же время чрезмерная величина напряжения приводит к возрастанию фона за счет информации из глубинных слоев материала и понижению контраста формируемого изображения. На нижнем рисунке отчетливо наблюдается эффект расширения электронного зонда внутри образца при высоком ускоряющем напряжении, что вызывает наложение неясного в данном случае изображения присутствующего элемента структуры и регистрируемого излучения с поверхности. Кроме того, увеличивается краевой эффект. Таким образом, четкое изображение поверхностных структур достигается при более низком ускоряющем напряжении. Например, минимальное ускоряющее напряжение в СЭМ KyKy составляет всего 0.2 кВ, в то время как миксимум – 30 кВ.

Наложение регистрируемой информации о глубинной структуре на изображение рельефа поверхности

 

На рисунке расположенном ниже приводятся изображения перекрывающих друг друга тонких пластин кристаллов нитрида бора, полученные при трех различных ускоряющих напряжениях. При величине напряжения порядка 10 кВ сквозь кристаллы, состоящие из элементов с малым атомным номером, видны расположенные ниже. Кроме того, на изображениях отчетливо просматриваются две градации яркости «плавающих» кристаллов, светлая и темная. В первом случае причиной повышения яркости служит регистрация эмиссии вторичных электронов с нижней стороны плавающего кристалла. Более темное изображение соответствует ситуации, в которой излучение вторичных электронов с нижней стороны предотвращается кристаллами, расположенными непосредственно под плавающими. При снижении ускоряющего напряжения до 1 кВ достигается удовлетворительная контрастность изображений, а также просматривается ступенчатая структура поверхности кристаллов.

 

Зависимость контрастности изображений во вторичных электронах от ускоряющего напряжения.

Образец: пластинчатые кристаллы нитрида бора

 

Эффект подсветки детектора вторичными электронами

 

В теории поверхность, перпендикулярная падающему лучу, на изображении во вторичных электронах выглядит темнее и становится ярче при наклоне образца. Фактически на контрастность изображения в системе РЭМ также влияет положение детектора и траектория регистрируемых вторичных электронов, как показано на следующем рисунке.

 

Механизм формирования эффекта подсветки вторичными электронами широко распространенного детектора E-T

 

Вторичные электроны попадают в детектор под воздействием высокого ускоряющего напряжения, приложенного к его наконечнику. Электроны, излучаемые в противоположном от детектора направлении (с левой стороны зонда), также под влиянием ускоряющего напряжения попадают на регистратор ввиду незначительной собственной энергии. При этом на изображении возникает эффект освещения без теней, вызванный разнообразием траекторий и углов эмиссии регистрируемых вторичных электронов. Кроме того, на детектор попадает определенная часть высокоэнергетичных отраженных электронов, создавая эффект направленного освещения. В результате изображение образца воспринимается как полученное при мягком освещении со стороны детектора, направление которого соответствует траекториям вторичных электронов. В качестве интерпретации эффекта можно предположить освещение образца виртуальным источником, расположенным перед детектором, и наблюдение получаемого изображения со стороны электронного зонда.

Подобный эффект имеет место при оснащении системы РЭМ распространенным детектором E-T . Однако при использовании TTL-детектора принцип облучения несколько меняется.

 

Эффект подсветки детектора TTL

 

Как можно видеть на рисунке выше, эмиссия вторичных электронов с поверхности образца переходит в перемещение вдоль оптической оси, ограниченное магнитным полем линзы объектива, после чего они попадают в детектор. В данном случае траектория вторичных электронов соответствует исходному лучу (направлению наблюдения). При этом ослабляется эффект боковой подсветки (уменьшается контрастность изображения рельефа), и изображение РЭМ отличается от полученного детектором E-T.

 

Засветка детектора отраженными электронами

 

Эффект освещения поверхности также возникает в случае электронов с обратным рассеянием. Изображение выглядит так, как будто свет падает на образец со стороны детектора. Однако следует учитывать, что при этом осуществляется регистрация электронов, движущихся по прямой, в отличии от вторичных, попадающих в детектор по криволинейной траектории. Этим обусловлена контрастность изображения рельефа поверхности, в значительной степени зависящая от положения детектора отраженных электронов, схематически показанного на нижеприведенном рисунке. Непосредственно над образцом симметрично относительно электронного зонда расположены два детектора (А и В). Информация, позволяющая сформировать изображение рельефа, получается после регистрации отраженных электронов в результате вычитания сигнала В из А, при этом образец выглядит, как будто свет падает со стороны детектора А. В то же время сложение сигналов A и B приводит к исчезновению информации рельефе, но позволяет анализировать изменения структуры и состава образца, поскольку изображение соответствует освещению поверхности в направлении исходного луча.

 

Двухзонный детектор электронов обратного рассеяния

Повышение разрешения изображения

 

Разрешающая способность

 

Возможность формирования резкого изображения при точной фокусировке электронного зонда зависит от разрешающей способности системы, соответствующей «минимальному расстоянию, на котором две  разные точки отображаются раздельно». Традиционно в растровой электронной микроскопии разрешающая способность оборудования определяется измерением  минимального различимого расстояния между двумя объектами.

 

Частицы золота, осажденные на углеродной пластине.

Двумя стрелками показано расстояние между двумя точками порядка 1 нм (разрешение 1 нм).

 

 

На вышестоящем рисунке приводится изображение частиц золота, осажденных на углеродной пластине. Как можно видеть,  стрелками обозначено расстояние между двумя наиболее близко расположенными частицами, измерение которого подтверждает достижение разрешающей способности порядка 1 нм. Для сравнения первый РЭМ достигал разрешения порядка 50 нанометров, а самое высокое полученное на сегодня составляет 0,4 нм. Например, в электронных микроскопах KyKy EM6900 LV и EM6900 разрешение достигает 3 нм, а в EM8000 и в EM8100 – 1.5 нм и 1нм соответственно. В целях оптимизации процесса измерений немаловажно подготовить стабильный образец материала, на котором максимально упрощается проведение операций РЭМ. Эталонные образцы для контроля разрешающей способности, а также условия и методика измерений могут отличаться у разных производителей электронных микроскопов, но в любом случае параметр определяется в оптимальных условиях работы оборудования.

Термин «разрешение» во многом аналогичен разрешающей способности, также определяется как «минимальное различимое расстояние между двумя точками на изображении (РЭМ)» и зависит от целого ряда факторов, включая состояние оборудования, состав образца, применяемое увеличение и т.д.

Однако на практике определения «разрешение» и «разрешающая способность» зачастую взаимозаменяемы.

 

Методы повышения разрешения

 

Разрешение системы РЭМ во многом определяется диаметром электронного зонда. В принципе, пучок электронов, излучаемый электронной пушкой, фокусируется линзами конденсора и объектива. Но в практических операциях РЭМ возбуждение линзы объектива остается неизменным, а диаметр электронного луча корректируется полем конденсора.

 

Изменение диаметра электронного зонда в зависимости от возбуждения линзы конденсатора

 

На этом рисунке показана зависимость диаметра электронного зонда от возбуждения (оптической силы) линзы конденсора. По мере возрастания оптической силы конденсора размерр изображения источника электронов (электронного зонда) уменьшается до некоего теоретического значения, определяемого линзой объектива. С уменьшением диаметра электронного луча снижается ток зонда, воздействующего на образец. В случае применения термоэлектронной пушки (TE) и значительном возбуждении линзы конденсора качество изображения (отношение сигнал/шум) быстро ухудшается, а до того, как диаметр электронного луча достигает теоретического предела, регистрируемый сигнал пропадает вовсе из-за отсутствия тока зонда.

Прожектор на основе полевой эмиссии (FE) обеспечивает больший ток зонда, чем термоэлектронные пушки (TE), а кривая на данном рисунке при этом смещается влево. В результате достигается теоретический предел диаметра электронного зонда в процессе наблюдения изображения. Кроме того, при повышении возбуждения объектива кривая смещается вниз, что позволяет получить гораздо более высокое разрешение

Таким образом, сочетанием прожектора на основе полевой эмиссии (FE) и высокоэффективного объектива обеспечивается чрезвычайно высокое разрешение.

Устройство растрового электронного микроскопа (РЭМ)

Конструкция оборудования

 

В состав растрового электронного микроскопа входят элементы систем электронной оптики и генерации потока частиц, предметный стол с размещаемым образцом, детектор, обеспечивающий регистрацию вторичных электронов, блок формирования изображения, операционная система в качестве среды обработки информации.

 

Основные элементы конструкции РЭМ

 

Построение оптики определяется структурой компонентов электронного прожектора, линз конденсора и объектива, формирующих тонкий сфокусированный луч, обмотки отклоняющей системы и модуля развертки, обеспечивающих сканирование зондом поверхности образца.

В системе электронной оптики (внутри колонны микроскопа) и в рабочей зоне вокруг образца поддерживается вакуум.

 

Электронный прожектор

 

Конструкция прожектора на основе термоэлектронной эмиссии (TE) схематично показана на рисунке ниже.

Устройство электронного прожектора

 

Источником электронов в этом случае служит нить накала (катод), изготовленная из тонкой вольфрамовой проволоки порядка 0.1 мм  и нагретая до температуры приблизительно 2800 К. Образующиеся термоэлектроны собираются в направленный пучок, проходящий через отверстие по центру металлической пластины (анода), посредством приложения положительного напряжения до 30 кВ. Ток электронного луча регулируется отрицательным напряжением на электроде (называемом цилиндром Венельта), размещаемом между катодом и анодом и обеспечивающим также фокусировку пучка. Минимальное сечение луча, сфокусированного в «критической точке», рассматриваемой в качестве виртуального источника электронов, соответствует диаметру пучка 15~20 мкм.

Указанная конструкция термоэлектронной пушки (TE) находит все более широкое применение, а в качестве материала катода также возможно использование монокристалла LaB6, но при этом требуется более высокий вакуума в силу особой активности данного вещества. Кроме того, распространенными вариантами конструкции электронных прожекторов являются устройства на основе полевой эмиссии (FE) или эффекта Шоттки (SE).

Например, в РЭМ производителя KyKy ускоряющее напряжение регулируется в диапазоне от 0.2 до 30 кВ (для моделей EM8000, EM8100, EM6900, EM6900LV). Вольфрамовые катоды в виде нити накала применены в электронных микроскопах  EM6900 и EM6900 LV, а катоды на основе эффекта Шоттки реализованы на моделях EM8100 и EM8000.

 

Конструкция линзы

 

В качестве инструмента управления процессами растровой электронной микроскопии, как правило, применяются магнитные линзы. Воздействие подобной оптики на проходящий пучок электронов осуществляется симметричным круговым магнитным полем, генерируемым при пропускании постоянного электрического тока через кольцевую обмотку. При этом формирование мощной (короткофокусной) линзы предполагает увеличение плотности силовых линий, «просачивающихся» наружу только в узком зазоре изготовленных с высокой точностью полюсных наконечников закрытой обоймы магнитопровода, внутри которого расположена обмотка, как можно видеть на рисунке.

 

Конструкция магнитной линзы

 

Основной особенностью магнитной линзы является изменение фокусного расстояния в зависимости от силы тока, проходящего через обмотку.

Подобный эффект не имеет аналога в системе линз оптического диапазона.

 

Линзы конденсора и объектива

 

Размещение оптики непосредственно под электронным прожектором позволяет регулировать диаметр электронного луча в процессе фокусировки двумя каскадами линз, конденсора и объектива, и обеспечивать требуемые размеры зонда в технологиях РЭМ.

На рисунке ниже схематично показан механизм поэтапного формирования тонкого сфокусированного электронного луча (зонда).

 

Формирование зонда в системе электронной оптики

Назначение конденсорной линзы

 

При уменьшении фокусного расстояния линзы конденсора соответственно снижается величина соотношения b/a, размер электронного зонда, и наоборот. Между линзами конденсора и объектива расположена диафрагма, выполненная из тонкой металлической пластины с небольшим отверстием. Диафрагма облучается поступающим через конденсорную линзу потоком электронов, из которых только часть, прошедшая центральное отверстие, достигает объектива. С возрастанием возбуждения конденсорной линзы электронный пучок, падающий на диафрагму, значительно расширяется, следовательно уменьшается число дошедших до объектива (величина тока зонда), и наоборот. То есть регулировкой возбуждения линзы конденсора обеспечивается изменение тока и диаметра электронного зонда.

Однако даже при неограниченном (предположительно) возбуждении конденсорной линзы электронный луч не сводится в бесконечно малую точку.

 

Назначение линзы объектива

 

Конечный диаметр зонда определяется в процессе фокусировки луча линзой объектива, играющей важную роль в системе электронной оптики. Так, вопреки всем усилиям на предыдущих этапах формирования электронного зонда, минимальное сечение луча недостижимо при неудовлетворительных характеристиках объектива.

 

Предметный стол

 

Поскольку исследования в электронной микроскопии производится при высоком увеличении, требуется надежная фиксация образца и плавное перемещение рабочего стола в горизонтальной плоскости (X, Y), по вертикали (Z), а также наклон (T) и вращение (R) в соответствии с конструкцией, показанной на рисунке. Перемещением по осям X и Y осуществляется выбор поля зрения, движением по вертикали Z обеспечивается корректировка разрешения изображения и глубины фокусировки.

Например, в микроскопах KyKy максимальный диапазон перемещения столика составляет: 150 мм в горизонтальной плоскости,  и 60 мм в вертикальной. При этом столик позволяет совершать полный оборот (R) вокруг своей оси с возможность наклона (T) от -5 до +90 градусов. В свою очередь, максимальный размер исследуемого образца доходит до 340 мм.

 

Конструкция предметного столика

 

В большинстве систем РЭМ применяется предметный столик эвцентричного типа, характерной особенностью которого является отсутствие смещения поля зрения при наклоне образца. Кроме того, перемещение образца в наклонном состоянии вдоль осей X и Y не приводит к изменению фокусировки.

В дополнение к традиционной конструкции рабочего стола с ручным управлением в последние годы расширено применение устройств с моторизированным приводом, а также компьютерным контролем, обеспечивающим перемещение и позиционирование в выбранной точке простым нажатием кнопки мыши и реализацию расширенных возможностей эвцентрической платформы.

 

Детектор вторичных электронов

 

На рисунке приводится конструкция детектора, применяемого для регистрации вторичных электронов, излучаемых с поверхности образца, на торце датчика сформировано флуоресцентное покрытие сцинтиллятора и приложено высокое напряжение порядка 10 кВ. Вторичные электроны под действием положительного потенциала бомбардируют сцинтиллятор с формированием импульса в видимом диапазоне, направляемого по световоду к трубке фотоумножителя (PMT). Далее производится преобразование света в поток электронов и усиление полученного электрического сигнала. К дополнительному электроду, называемому коллектором и размещаемому перед сцинтиллятором, прикладывается напряжение в несколько сотен вольт, также обеспечивающее захват и управление потоком вторичных электронов. Данный тип детектора носит название по инициалам создателей устройства (E-T), первоначально разработанного Эверхартом и Торнли. Во многих системах РЭМ подобный детектор встраивается непосредственно в рабочую камеру. Однако при оснащении системы объективом с высоком уровнем возбуждения в целях повышения разрешения детектор помещается над ней, а регистрация вторичных электроны осуществляется с использованием магнитных полей линзы. Подобная конструкция известна как детектор TTL [Through The Lens (Регистрация через объектив)].

 

Конструкция детектора вторичных электронов

 

Формирование и запись изображения

 

Выходной сигнал детектора вторичных электронов далее усиливаются и передается на монитор. Формирование изображения в растровой электронной микроскопии осуществляется точечным изменением яркости на экране в зависимости от количества вторичных электронов, поскольку развертка на дисплее синхронизирована с процессом сканирования зондом. Долгое время в качестве монитора использовалась электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), однако в последние годы широко применяется жидкокристаллический дисплей (ЖК). Как правило, предусматривается пошаговая регулировка скорости сканирования электронного зонда. При этом в процессе исследования образца используется высокая скорость, а для получения и сохранения изображений применяется медленное сканирование.

Долгое время изображение, сформированное системой РЭМ на экране ЭЛТ, регистрировалось фотокамерой. Ограниченным разрешением ЭЛТ, необходимостью развития методики обработки и передачи изображений обусловлен прогресс в области цифровых технологий, обеспечивающих оперативное получение данных, обмен графической информацией и запись в файл с разрешением, как правило, 1М.

 

Вакуумная система

 

Внутренние области электронной оптической системы и рабочая камера поддерживаются в состоянии высокого вакуума на уровне 10-3 ~10-4 Па, достигаемом использованием диффузионного насоса в процессе откачки. При необходимости обеспечить отсутствие в объеме масляных паров рекомендуется применение турбомолекулярного насоса. В случае оснащения оборудования РЭМ электронным прожектором на основе полевой эмиссии (FE, далее приводится подробное описание) требуется сверхвысокий вакуум с использованием ионно-сорбционного насоса.

Замена образца осуществляется при разгерметизации и последующей откачке рабочей камеры. В альтернативном варианте для перемещения образца используется форвакуумная (шлюзовая) камера с сохранением высокого уровня разрежения в рабочем объеме.

HPC технология – полосовые X-RAY детекторы

         Все матричные (полосовые) рентгеновские детекторы, используемые в дифрактометрах Tongda, работают в режиме счета одиночных фотонов и технологии гибридного счета фотонов (HPC). Основное отличие от традиционных детекторов заключается в том, что рентгеновские лучи непосредственно преобразуются в электрический заряд в кремниевом датчике (рис. 1). Затем сигнал обрабатывается в микросхемах считывания КМОП, которые непосредственно подключены к пикселям/полосам сенсора. Эта технология обладает существенным преимуществом исключая появление темнового тока или шума считывания и обеспечивает высокий динамический диапазон, короткое время считывания (< 0,1 мс), более высокую частоту кадров (до 1000* кадров/с) и превосходное пространственное разрешение (ширина канала 50 мкм). В линейке детекторов доступны три толщины кремниевых сенсоров (320 мкм, 450 мкм и 1000 мкм) и две длины полос (4 мм или 8 мм), сочетание данных параметров обеспечивает оптимальную квантовую эффективность для экспериментов в диапазоне энергий от 4 – 40 кэВ (рисунок 2, таблица 1). Однако детекторы могут использоваться для более высоких энергий рентгеновского излучения с более низкой эффективностью.

*Частота кадров до 1000 Гц возможна только для MYTHEN2 серии X (для синхротронных применений).

**Для оптимизации отношения сигнал/шум энергии до 4 кэВ могут быть достигнуты только при конфигурации датчика: толщина 320 мкм и длина полосы 4 мм (таблица 1).

 

 

Рис. 1. Принцип прямого детектирования рентгеновских лучей в HPC технологии, прямое преобразование рентгеновского излучения в электрический заряд в пикселе сенсора.

 

 

Рис. 2. Квантовая эффективность как функция от регистрируемой энергии для сенсоров различной толщины.

 

 

  320мкм х 4мм 320мкм х 8мм 450мкм х 8мкм 1000мкм х 8мкм
Энергия [кЭв] 4.0 – 40.0 5.0 – 40.0 6.6 – 40.0 7.4 – 40.0
Пороговое значение [кЭв] 3.5 – 20.0 4.5 – 20.0 5.5 – 20.0 6.0 – 20.0

 

       HPC технология позволяет проводить прямую регистрацию x-ray излучения, преобразуя его в электрический заряд. Для реализации используются специализированные полупроводниковые сенсоры и микросхемы считывания. В сравнении с традиционными x-ray детекторами, существенным преимуществом HPC технологии является оптимизация детектора для регистрации x-ray излучения с превосходной квантовой эффективностью в широком диапазоне энергий. Кроме того, миниатюризация полосовых каналов регистрации и внутренних соединений привела к сильному уменьшению емкостей, и дало возможность существенно уменьшить шумы и потребление энергии считывающими микросхемами. Использование отработанной КМОП технологии для производства детекторов позволяет быть уверенными в качестве и стабильности предлагаемых решений.

 

MYTHEN2 1K 1D
Количество полос, шт 1280 640
Толщина сенсора, мкм 320, 450, 1000 320, 450
Толщина полосы, мкм 50
Длина полосы, мм 8 8 (450мкм)
4 (320мкм)
Динамический диапазон, бит 24
Диапазон энергий, кЭв 4-40*
Время считывания, мкс 89
Частота, Гц 100
Разрешение по энергии, эВ 687
Возможность работы в вакууме Да
Тип охлаждения Воздушное
Размеры, мм 70х62х22 38х62х22
Вес, г 180 100
Контроллер размеры, мм 110х30х60
Контроллер вес, г 400

Краткие основы растровой электронной микроскопии (РЭМ)

Информация, получаемая в процессе облучения электронами

 

Электронная микроскопия – это совокупность методов исследования с помощью электронных микроскопов микроструктуры образцов (вплоть до атомного уровня), их локального состава и локализованных на поверхностях или в микрообъёмах тел электрических и магнитных полей.

 

В процессе сканирования поверхности образца электронным лучом с прецизионной фокусировкой и диаметром порядка нескольких нанометров в подвергшихся воздействию точках в качестве отклика формируются потоки вторичных и отраженных электронов, которые далее детектируются, преобразуются в электрические сигналы, усиливаются и отображаются на дисплее. Сигналы применяются для модуляции интенсивности (яркости) изображения на ЭЛТ или жидкокристаллическом дисплее, а ввиду синхронизации процессов развертки и сканирования электронным лучом достигается соответствие зондируемой точки на образце и позиции на экране. Допускается переключение между морфологическим или композиционным типом формируемого РЭМ-изображения, масштаб которого определяется соотношением размера экрана по горизонтали к диапазону сканирования электронным лучом.

Электронные микроскопы KYKY от компании “Эмтион” – это современные стационарные РЭМ. Модельный ряд микроскопов KYKY представлен четырьмя основными единицами:

  • KYKY EM8100 – электронный микроскоп с полевой эмиссией, флагманское решение. Автоматизация всех осей, катод типа Шотки, макс. разрешение 1 нм при 30 кВ в SE режиме и 2.5 нм при 30 кВ в BSE режиме.
  • KYKY EM8000 – электронный микроскоп с полевой эмиссией, профессиональное решение. Автоматизация всех осей, катод типа Шотки, макс. разрешение 1.5 нм при 15 кВ в SE режиме и 3 нм при 20 кВ в BSE режиме.
  • KYKY EM6900 – электронный микроскоп с термоэмиссией, бюджетное решение. Автоматизация четырех из пяти осей, вольфрамовый нитевой катод, макс. разрешение 3 нм при 30 кВ в SE режиме и 6 нм при 30 кВ в BSE режиме.
  • KYKY EM6900-LV – низковакуумный электронный микроскоп с термоэмиссией, бюджетное решение. Автоматизация четырех из пяти осей, вольфрамовый нитевой катод, макс. разрешение 3 нм при 30 кВ в SE режиме при высоком вакууме (HV), а также 6 нм при 30 кВ в BSE режиме при высоком вакууме (HV) и низком вакууме (LV).

 

Растровые электронные микроскопы KYKY позволяют проводить полноценный анализ образца в различных условиях:

 

Электронные микроскоп KYKY позволяют получать следующую информацию об исследуемом образце с помощью детекторов EDS, EBSD, WDS, CL:

  • топография и профиль образца;
  • качественное и количественный элементный анализ, включая анализ примесей;
  • данные о структуре;
  • данные о кристаллической решетке, включая ориентацию кристалла;
  • люминесцентные свойства материалов;
  • анализ специфических параметров (поверхностный заряд, токи растекания, карту модули упругости образца и др.)

Разработка нового метода определения устойчивости к истиранию материалов в сухой среде

Многие производственные изделия требуют покрытия определенными материалами для придания необходимых свойств (окрашивания поверхностей для придания цвета, анодирование и порошковое покрытие для защиты, ламинирование материалов, тканей, лакирование поверхностей и многое другое. Одним из основных свойств изделий является стойкость их покрытий к износу – устойчивость к истиранию материалов и поверхностей.

 

Для проверки изделий на стойкость к истиранию используют, в частности, ротационные абразиметры. Тестирование проводится путем имитации ежедневного износа согласно международным и национальным отраслевым стандартам области, в которой проводятся испытания (автомобилестроение, производство потребительской электроники и др.). Методы испытаний на истирание могут варьироваться в зависимости от назначения продукта, например, анализ устойчивости поверхности может проводиться с использованием абразивных частиц Степень абразивного воздействия на материал свидетельствует о механической форме абразивного износа. Однако, на практике, мы не всегда сталкиваемся с абразивным износом в результате фрикционного контакта двух или более тел.

 

Например, элементы гидравлического оборудования для перекачки нефтепродуктов, испытывают не только фрикционный контакт с рабочей средой, но и дополнительные динамические нагрузки (центробежные шламовые насосы, предназначенные для перекачки жидкостей с высоким процентом содержания абразивных частиц и др. изделия). Оценка влияния абразивного износа на эксплуатационные характеристики оборудования также очень важна в авиационной технике. Здесь особое место занимает анализ абразивного износа наружных контуров авиационных узлов (включая лопатки газовых турбин, сопла и др. изделия). Требуется формирования новых подходов и разработки нового метода определения устойчивости поверхности материалов к истиранию в сухой среде при действующем динамическом потоке абразивных частиц.

 

Для реализации задач была разработана новая методика, в которой воздействие на объект производится за счёт использования водного раствора с суспензией, содержащей абразивный порошок (в сравнении с традиционным методом ультразвуковой обработки). Была разработана схема, в которой воздействие суспензии происходит по принципу работы системы подачи воды станка гидроабразивной резки, а регулирования имитации скорости воздействия частиц происходит роторным вращателем (Рисунок 1).

 

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки. Обозначения: 1 – тестовый образец; 2 – сопло; 3 – фокусирующая часть; 4 – подача воды; 5 – запорный клапан; 6 – редуктор; 7 – водяной насос; 8 – фильтрующий блок; 9 – система управления; 10 – блок повышения давления (усилитель); 11 – виброгаситель; 12 – шланги высокого давления; 13 – угловая шлифовальная машина.

 

В качестве тестового материала был выбран алюминиевый сплав. Результат эксперимента представлен на Рисунке 2.

 

(а)                                                                               (б)

Рисунок 2. Образцы после гидроабразивной обработки: (а) при 4000 об/мин, (б) при 10000 об/мин.

 

Для оценки глубины проникновения абразива в материал использовался оптический микроскоп.

Рисунок 2. Фотография поверхности образца со следами взаимодействия с абразивно-жидкостным потоком.

 

Для измерения точных значений воздействия абразива на образец использовался оптический профилометр SURFIEW ACADEMY (производство GlTech) от компании Эмтион.

Изучение характера эрозии поверхности исследуемого материала позволяет оценить эксплуатационные показателм материалов и изделий, изготовленных из исследуемых материалов материалов. В результате анализа повреждений тестового образца на профилометре SURFVIEW от компании Эмтион был выявлен уровень воздействия суспензии на тестовый материал, включая его тонкопленочные покрытия из TiN и TiCN, в том числе в местах, содержащих производственные дефекты, а также была оценена динамическая пластичность материала (рисунок 3).

 

               
            (a)            (b)
           
           (c)            (d)
Рисунок 3. Предполагаемые повреждения на поверхности различных материалов в результате абразивно-жидкостной ультрагидроабразивной обработки:
(a) – модель тонкопленочного покрытия, например, TiN, TiCN
(b) – Незначительное повреждение во время наплавки (плазменное покрытие)
(c) – Оценка динамической пластичности металла и сплавов
(d) – Определение локального ударного растрескивания керамики и композитов).

Источники

А А БарзовА. Л. Галиновский и А. С. Вышегородцева

Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерияОбъем 1060Современные материалы и требовательные приложения 2020 (AMDA 2020) 22-26 июня 2020

Ссылка на статью