9.2.1.1. Аппаратура метода рэм

Принципиальная схема растрового электронного микроскопа (с устройством электронно-оптической части и камеры объекта) приведена на рисунке 9.1. Эмитируемые катодом электроны ускоряются и форми- руются в электронный луч (зонд) с помощью системы диафрагм, линз,

269

стигматоров и т. п. Отклоняющие катушки, соединенные с генератором, обеспечивают синхронную с электронно-лучевой трубкой развертку (сканирование) электронного зонда по изучаемому участку поверхности образца. Зонд сканирует поверхность образца формируя на ней растр из нескольких тысяч параллельных линий. Формирование яркости изобра- жения осуществляется по сигналам от детекторов отраженных электро- нов, вторичных электронов и рентгеновского излучения. Управление увеличением (от 20 до 10000) осуществляется специальным устрой- ством путем изменения отношения амплитуд развертки луча по экрану и электронного зонда по образцу.

a) б)

Рис. 9.1. Принципиальная схема растрового электронного микроскопа (а) и схема системы объектива с малым отверстием нижнего полюсного нако-

нечника (б): 1 – нижний полюсный наконечник; 2 – объективная диафрагма; 3 – стигматор; 4 – отклоняющие катушки для сканирования

Чтобы получить информацию о микроструктуре достаточно боль- шой области, зонд сканирует заданную площадь объекта по заданной программе (движется луч по строчкам, образующим квадрат, круг и т. д.).

От того же генератора развертки луча (или генератора сканирова- ния, см. рис. 9.1) работает ЭЛТ, яркость электронного луча которой мо- дулируется сигналом от приемника сигналов (например, коллектора вторичных электронов), подаваемого через усилитель видеосигнала. Масштаб изображения на экране ЭЛТ определяется отношением разме- ра сканирования на поверхности объекта и размера изображения (раст- ра) на экране. Уменьшение размера участка сканирования приводит к

Объективная линза

Электронная пушка

Коллектор электронов

Анод

Линзы кон- денсатора

Отклоняющая система

Образец

Генератор сканирования

Усилитель видеосигнала

I

II

ЭЛТ

270

росту увеличения изображения. Предельные увеличения в современных конструкциях РЭМ достигают 150000–200000.

Разрешающая способность растровой микроскопии определяется многими факторами, зависящими как от конструкции прибора, так и от природы исследуемого объекта. Если образец электро- и теплопроводен, однороден по составу и не обладает приповерхностной пористостью, в РЭМ с вольфрамовыми электродами достигается разрешение 5–7 нм, в РЭМ с электронными пушками на полевой эмиссии – 1,0–1,5 нм. Наименьшие значения разрешаемого расстояния 70–100 Å при исполь- зовании эффекта эмиссии вторичных электронов. При любом виде ис- пользуемого для выявления микроструктуры сигнала характерным яв- ляется чрезвычайно большая глубина резкости вследствие очень малой апертуры (практически, параллельности) электронного зонда.

Разного рода сигналы от участка объекта, на который попадает пу- чок электронов, представляют информацию об особенностях соответ- ствующего участка (рис. 9.2). Размер этого участка определяется сече- нием зонда, который в существующих конструкциях растровых элек- тронных микроскопов может достигать 10–100 Å.

Рис. 9.2. Изображение поверхности в упругоотраженных (а), поглощенных (б) и во вторичных электронах (в): а, б – графитовые включения в сером чугуне

(Х200; шлиф); в – рельеф поверхности излома нержавеющей стали (Х1350)

Глубина резкого изображения объекта оказывается всегда не меньшей, чем размер изображаемого участка в плоскости (рис. 9.3).

Общий вид РЭМ приведен на рисунке 9.4. В этих приборах как де- тектор вторичных электронов, так и детекторы рентгеновского излуче- ния установлен ниже конечной линзы. Электронная оптика дает воз- можность исследователю сформировать электронный пучок, который характеризуют три параметра: ток пучка i (диапазон изменения 10

−12 –

10 −6

Å), диаметр пучка d (5 нм–l мкм) и расходимость α (10 –4

–10 –2

ср).

а б в

271

Рис. 9.3. Разрешение (полезное увеличение) и глубина резкости в методах

световой (I) и растровой электронной микроскопии (II) (линии IA и IБ отно- сятся, соответственно, к низкоапертурным и высокоапертурным объекти-

вам светового микроскопа)

Рис. 9.4. РЭМ: 1 – электронный микроскоп растровый JSM-6390; 2 – растровый

сканирующий микроскоп JEOL JSM 6390

Внутри области взаимодействия происходит как упругое, так и не- упругое рассеяние, в результате чего в детекторах возникают сигналы за счет упругих, вторичных и поглощенных электронов, характеристиче- ского и непрерывного рентгеновского излучения, катодолюминесцент- ного излучения. Измеряя величину этих сигналов с помощью соответ- ствующих детекторов, можно определить в месте падения электронного пучка некоторые свойства объектов, например локальную топографию, состав. Чтобы исследовать объект не только в одной точке, пучок нужно перемещать от одной точки к другой с помощью системы сканирования. Сканирование обычно осуществляется с помощью электромагнитных отклоняющих катушек, объединенных в две пары, каждая из которых служит для отклонения соответственно в Х- и Y-направлениях. Типич- ная система сканирования с двойным отклонением, как показано на ри-

272

сунке 9.5, имеет две пары отклоняющих катушек, расположенных в по- люсном наконечнике конечной (объективной) линзы, которые отклоня- ют пучок сначала от оси, затем возвращают его на оптическую ось, при- чем второе пересечение оптической оси происходит в конечной диа- фрагме.

Рис. 9.5. Схема сканирующей системы растрового электронного микроско-

па: КД – конечная диафрагма; ТД – твердотельный детектор электронов; Э–Т – детектор Эверхарта–Торнли; ФЭУ – фотоумножитель; С – сцинтиллятор; РД – рентгеновские спектрометры (кристалл-дифракционные и/или с дисперсией

по энергии); ЭЛТ. Цифры 1–9 обозначают последовательные положения пучка при сканировании

Помещая ограничивающую диафрагму во втором кроссовере, мож- но получать малые увеличения (большие углы отклонения) без умень- шения поля зрения диафрагмой. Пучок за счет «процесса сканирования» перемещается во времени через последовательные положения на образ- це (например, 1,2,3 на рис. 9.5), зондируя свойства образца в контроли- руемой последовательности точек. В аналоговой системе сканирования пучок движется непрерывно вдоль линии (развертка по строке), напри- мер в Х-направлении. После завершения сканирования вдоль линии по- ложение линии слегка сдвигается в Y-направлении (развертка по кадру), и процесс повторяется, образуя на экране растр. В цифровой системе развертки пучок адресуется в определенное место X−Y растра. В этом случае пучок может занимать только определенные дискретные поло-

273

жения по сравнению с непрерывным движением в аналоговой системе; однако суммарный эффект остается одним и тем же.