4.3.5. Растровые электронные микроскопы.

Термин «растровый электронный микроскоп» (РЭМ) охватывает группу раз-

личных приборов, которые часто объединяются в одну конструктивную единицу. Растровые микроскопы можно успешно применять для решения многих проблем структурного анализа только в том случае, если полностью поняты принципы его работы. Прежде всего, РЭМ не является обычным электронным микроскопом, в котором изображение создается электронными линзами с помощью электронов, прошедших через объект. В РЭМ совершенно не используются электронно-оптические системы для образования и изменения масштабов изображения.

В нем изображение строится по точкам; оно является результатом взаимодействия электронного пучка с поверхностью образца. Наблюдаемая область последовательно облучается перемещающимся электронным пучком микроскопа подобно сканированию в телевидении (рис. 11.5); соответствующее изображение синхронно и синфазно строится таким же образом. Электронные линзы, тем не менее, составляют важную часть электронно-оптической колонны РЭМ, но они используются только для формирования электронного пучка (зонда) т. е. для проектирования уменьшенного изображения кончика нити катода на поверхность непрозрачного для электронов образца. Растровые микроскопы стали выпускаться промышленностью совсем недавно. Однако общая идея работы прибора была сформулирована еще в 1935г, а первый, действующий прибор описан в 1938г. Воплощение этой сравнительно старой идеи и превращении в безотказно работающий в руках исследователя инструмент стало возможным лишь после 1970г с использованием достижений современной электроники.

Рис. 11.5. Схема получения растрового изображения объекта в электронных и рентгеновских лучах.

Принцип действия микроскопа растрового типа можно описать следующим образом (рис. 11.5). Пучок электронов движется по поверхности образца вдоль близко расположенных друг к другу линий, образующих растр. Падающий пучок взаимодействует с поверхностью образца, в результате чего он может быть поглощен, отражен, рассеян назад, диспергирован или поляризован. В свою очередь образец сам может активизироваться и эмитировать вторичные электроны либо испускать рентгеновское излучение. Результат взаимодействия пучка с поверхностью образца — это сигнал, пропорциональный степени проявления одного из перечисленных эффектов, он улавливается подходящим чувствительным устройством и усиливается. Затем этот сигнал используется для модуляции записываемой интенсивности, например интенсивности электронного пучка катодно-лучевой трубки, который движется по ее экрану синхронно со сканирующим пучком микроскопа. Электронный зонд отклоняют с помощью электромагнитных катушек, питаемых от генератора пилообразных напряжений, который вырабатывает также синхронный сигнал, поступающий на электронно лучевую трубку. Увеличение растрового изображения регулируют изменением амплитуды растра на образце.

Картина на экране электронно лучевой трубки состоит из отдельных точек, каждая из которых соответствует импульсу, возникающему в детекторах под действием рентгеновского излучения либо электронного пучка (рис. 11.5).

В случае изображения получаемого с детектора под действием характеристического рентгеновского излучения интенсивность свечения каждой точки соответствует импульсу рентгеновского фотона, энергия которого зависит от частоты определяемой порядковым номером элемента (закон Мозли). В этом случае контраст изображения оказывается, связан непосредственно с химическим составом сканируемой поверхности образца.

Если поверхность образца имеет какие-либо свойства (например, изменения состава или топографии), которые вызывают поглощение, отражение, рассеяние назад, дисперсию, эмиссию или поляризацию электронного пучка, меняющиеся от точки к точке, то в регистрирующей системе, настроенной на соответствующий эффект, возникает изображение, которое представляет объект как бы видимым при «освещении» используемым излучением. В этом случае контраст изображения несет информацию, которая в большей степени характеризует больше рельеф поверхности, чем химический состав образца.

Для получения изображения были опробованы почти все возможные типы взаимодействия электронов сканирующего пучка с веществом объекта, и теперь эти взаимодействия используются в имеющихся в продаже двух типов приборов: 1. Электронно-зондовые микрорентгеноспектральные анализаторы (растровые рентгеновские микроскопы) и 2. Растровые электронные микроскопы. Основное различие между этими двумя приборами определяется диаметром зонда на поверхности образца [около (0,2—2)10⁴ для первого и около (0,5—2)10² для второго] и, следовательно, более высокой интенсивностью электронного потока в первом и значительно лучшим разрешением во втором приборе. В обоих приборах используется зонд одной физической природы, но в сочетании с различными типами детектирующих устройств. В связи с этим принцип работы данных приборов рассмотрен совместно.

Отклоняющие системы. Для сканирования поверхности образца электронным зондом необходима система отклонения луча. Для управления лучом используют либо электрическое, либо магнитное поле.

В первом случае отклоняющая система представляет собой пару пластин, расположенных по обе стороны от пучка, к которым приложена разность потенциалов (рис.12.5,а). Если к двум плоским пластинам длиной (а), отстоящим друг от друга на расстоянии (b) , приложены соответственно потенциалы +U и —U относительно земли, то угол отклонения пучка электронов, ускоренных полем U₀, определяется приближенной формулой:

(6.5)

Для отклонения электронов с энергией 30 кэВ на угол 20 мрад необходима разность потенциалов около 150 В, если а = 10 мм и b = 2,5 мм.

Более часто используют систему магнитного отклонения луча. Магнитное поле, создаваемое двумя круговыми катушками (рис.12.5,б), имеющими n витков каждая и несущими ток i, вблизи оси катушек отклоняет пучок электронов, ускоренных полем U_0i на угол:

. (7.5)

Из этой формулы следует, что для отклонения пучка с энергией 30 кэВ на угол 20 мрад необходим ток около 5 А.

а б

Рис.12.5. Отклонение электронного луча с помощью электростатических пластин (а) и электромагнитных катушек (б).

Магнитный поток используется более эффективно, если катушки намотаны на ферритовом каркасе, имеющем, например, форму квадрата; катушки располагают на противоположных сторонах квадрата и соединяют друг с другом последовательно (рис.13.5,а). Индуктивность катушек с ферритовым сердечником приблизительно втрое превышает индуктивность эквивалентных катушек без сердечника. Однако их нельзя располагать там, где имеется достаточно сильное магнитное поле, создаваемое электронными линзами; в таких местах во избежание искажения поля линз необходимо устанавливать катушки без сердечника.

а б в

Рис.13.5. а). Катушки сканирования с ферритовыми сердечниками (показана одна пара); электронный луч перпендикулярен плоскости рисунка. Система сканирования с использованием катушек, установленных между последней линзой и образцом (б) и катушек двойного отклонения между конденсорной и последней линзой (в).

Отклоняющие катушки можно разместить между образцом и последней линзой (рис.13.5,а), но в этом случае они занимают место, необходимое для других целей, и увеличивают рабочее расстояние линзы. Вследствие этого на практике обычно применяют систему двойного отклонения с катушками, расположенными между конденсором и последней линзой (рис.13.5,б). Верхние и нижние катушки соединяют последовательно, а число витков выбирают с таким расчетом, чтобы пучок всегда проходил через диафрагму последней линзы.

Электронные схемы сканирования. Для питания системы отклонения зонда вдоль осей X и Y и формирования растра электронно-лучевой трубки (рис.11.5) применяют генераторы пилообразных колебаний. Амплитуду и частоту строчной и кадровой разверток обычно изменяют независимо и плавно, хотя в отдельных случаях прибор может иметь ступенчатую регулировку. Чтобы вывести зонд в заданную точку образца, отключают генераторы разверток и перемещают зонд вдоль X и Y вручную, пользуясь потенциометрами сканирования.

Увеличение растрового изображения объекта равно отношению размера растра на экране трубки к размеру области сканирования на поверхности образца. Размер растра на экране обычно сохраняют постоянным, варьируя амплитуду сигнала пилообразной формы, подаваемого на систему отклонения зонда. При магнитном отклонении пучка ток в катушках, обеспечивающий отклонение на заданный угол, пропорционален , вследствие этого ручку регулировки увеличения приходится градуировать отдельно для каждого ускоряющего напряжения. Для оценки увеличения используют тест-объект, представляющий собой сетку с ячейками известного размера. Специальная схема позволяет также автоматически изменять калибровку в соответствии с ускоряющим напряжением U₀.

e⁺ FeK_ SiK_ AlK

Рис. 14.5. Распределение элементов в структуре золовых шлаковых отложений. Микрофотография поверхности образца снятая в поглощенных электронах (e⁺). Этот же участок в характеристическом рентгеновском излучении: FeK_; SiK_; AlK. Светлый фон на микрофотографиях указывает на присутствие элемента.

Для получения изображения достаточно высокого качества со стандартной кадровой разверткой частотой 0,3 Гц применяют люминофоры с длительным послесвечением. Из-за конечных размеров пятна на экране трубки нет смысла использовать растр с числом строк, большим 300. Более детальную картину при фотографировании можно получить, используя люминофор с меньшим временем свечения и растром с числом строк 1000—2000. Фотографирование лучше всего производить при однократном сканировании, используя медленную кадровую развертку с тем, чтобы возможные перемещения объекта при фотографировании лишь слегка искажали картину, не вызывая ухудшения резкости.

Изображение объекта в рентгеновских лучах получают, модулируя яркость пятна на экране электронно-лучевой трубки сигналом, снимаемым с выхода спектрометра, который настроен на характеристическую линию анализируемого элемента. Для этой цели обычно используют импульсы с выхода дискриминатора или амплитудного анализатора.

Каждый из импульсов возникает в момент попадания в детектор одного рентгеновского фотона. Участкам образца с высоким содержанием элемента соответствует много светящихся точек на экране, т. е. достаточно высокая яркость изображения. Картина распределения элемента в этом случае подобна показанной на фотографии (рис. 14.5). Можно считать, что изображение объекта состоит из N² точек, где N — число строк в растре. Уровень шумов в изображении зависит от случайных флуктуаций яркости от точки к точке. Если растр содержит 300 строк и формируется за время 3с, то при скорости счета порядка 5000 им/с, лишь одна точка из шести отвечает регистрации импульса: уровень шумов в таком изображении чрезмерно велик. Разницу в концентрации фиксируют как разницу в среднем числе точек на единицу площади. Отсюда следует, что в визуальном изображении объекта можно различить только значительные колебания химического состава.

Другой способ формирования рентгеновского изображения состоит в использовании сигнала с выхода измерителя скорости счета, который пропорционален средней скорости счета импульсов. После соответствующей обработки этот сигнал используют для получения изображения того или иного вида. Можно, например, усилить видимые различия в концентрации за счет подавления нулевого сигнала, либо установить порог срабатывания схемы таким образом, что будут «отрезаны» импульсы, соответствующие фону в областях с нулевой или низкой концентрацией элемента.

Измеритель скорости счета можно использовать также для получения на экране трубки кривой распределения выбранного элемента вдоль определенного направления на образце, перемещая в этом направлении электронный зонд. Для того чтобы сохранять шум на разумно низком уровне, постоянную интегрирования обычно выбирают равной по крайней мере 0,2с, это приводит к необходимости сканирования с очень малой скоростью (соответствующей, например, 300 строкам за 30с) из-за медленной реакции системы на изменение концентрации. Для быстрой полуколичественной записи кривых распределения различных элементов их можно наложить друг на друга в одном кадре и сфотографировать на пленку.

Недавно стала доступной бездисперсионная и дисперсионная аппаратура для регистрации характеристического рентгеновского излучения, которой в виде приставок снабжаются микроанализаторы. Однако такое оборудование непригодно в растровом микроскопе, поскольку в нем диаметр зонда значительно (раз в 100) меньше, чем в рентгеновском микроанализаторе. В результате интенсивность рентгеновского излучения, вызванная электронным зондом в РЭМ, в 10000 раз меньше, чем в микроанализаторе. Соответственно анализ, который возможно осуществить с помощью РЭМ, может быть только качественным или полуколичественным когда концентрации существующих на поверхности образца элементов весьма большие. Интенсивность рентгеновского излучения почти во всех случаях будет столь малой, что соответствующий сигнал «пропадет» в шуме из-за сравнительно малого времени счета рентгеновских квантов в процессе обычной развертки в растр электронного зонда. Но даже если эта дополнительная особенность в настоящее время не допускает превращения растрового электронного микроскопа в растровый рентгеновский микроскоп, то, тем не менее, микроанализ может иметь реальную ценность для исследователя, эксплуатирующего РЭМ. Например, его можно использовать для идентификации неизвестной структуры при фрактографическом исследовании, проводя качественный рентгеновский микроанализ, чтобы определить элементы, присутствующие в структуре.

В электронно-зондовом микроанализе изображение поверхности анализируемого образца в электронах необходимо в основном для визуального контроля сканируемой области и выбора участков образца для анализа. В растровой электронной микроскопии изображение поверхности анализируемого образца с высокой разрешающей способностью является основой метода. В РЭМ при формировании электронного изображения объекта основную роль играют два физических явления: вторичная эмиссия и обратное рассеяние электронов. Обратно рассеянными (или отраженными электронами) называют электроны, которые после столкновений с атомами анализируемого образца выходят наружу. Электроны, появившиеся в результате вторичной эмиссии при сканировании образцов, называют вторичными.

Контраст изображения формируется за счет изменения числа вторичных или рассеянных назад электронов, собранных с различных участков поверхности образца. Поэтому величина сигнала, определяющая яркость какой-либо точки на экране, сложным образом зависит от ряда факторов.

Условия формирования контраста различны для вторичных и рассеянных назад электронов из-за огромной разницы в их энергиях. Вторичные электроны имеют энергию около 20 эВ, в то время как для рассеянных назад электронов это значение составляет 20000 эВ. Основное различие между этими двумя типами электронов заключается в том, что быстрые рассеянные назад электроны не отклоняются полем коллектора. Они летят от образца к сцинтилляционному счетчику по совершенно прямолинейным траекториям. С другой стороны, медленные вторичные электроны испытывают влияние электрического поля и обычно следуют по сильно искривленным траекториям, как показано на рис. 15.5.

Вклад в видеосигнал дают только те, рассеянные назад, электроны которые, двигаясь по прямым траекториям, попадают от образца на сцинтиллятор. Отношение числа обратно рассеянных электронов к числу первичных зависит от атомного номера элемента, возрастая от 10% для углерода (Z=6) до 50% для урана (Z=92). Отсюда следует, что для четкого выявления в электронном изображении поверхности образца областей с различным средним атомным номером необходимо использовать детектор, чувствительный только к обратно рассеянным электронам.

Рис.15.5. Схема, поясняющая механизм формирования контраста в РЭМ для рассеянных назад (быстрых) и вторичных электронов. 1-сетка; 2-пластмассовый сцинтиллятор покрытый алюминием; 3-световод; 4-фотокатод; 5-изолятор; 6-металлический стакан.

Медленные вторичные электроны испытывают влияние электрического поля коллектора и попадают на сцинтиллятор даже от тех участков образца, от которых нельзя провести прямую линию к сцинтиллятору. Отсюда становится ясно, что те участки поверхности образца, из которых к коллектору нельзя провести прямую линию, можно визуализировать только с помощью вторичных электронов, а не с помощью рассеянных назад. Это является основной причиной более высокой информативной емкости вторично-эмиссионного изображения. Кроме того, вторичные электроны дают больший общий сигнал, а, следовательно, и лучшее отношение сигнал/шум. Число электронов, попадающих на сцинтиллятор, определяется углом между падающим электронным пучком и нормалью к поверхности образца, как показано на рис. 15.5. Это справедливо и для рассеянных назад и для вторичных электронов. Малые изменения (1—2°) наклона поверхности, в общем, оказываются достаточными для заметной модуляции яркости свечения экрана электронно-лучевой трубки, Грубый рельеф поверхности может давать дополнительный контраст за счет эффекта тени.

Существует прямая аналогия между механизмом формирования контраста электронно-оптического изображения в РЭМ и закономерностями восприятия оптического изображения человеческим глазом с помощью (или без) светового, микроскопа. В обоих случаях яркость участка изображения в основном определяется наклоном соответствующего участка поверхности образца по отношению к падающему пучку света или электронов. Этим явным сходством объясняется легкость, с которой глаз за счет изменения яркости почти автоматически воспринимает растровую электронную микрофотографию как трехмерное изображение объекта.

В случае рассеянных назад электронов имеет место другой механизм формирования контраста. Число этих электронов растет с увеличением атомного номера элемента, бомбардируемого первичными электронами. Поэтому контраст изображения образцов с полированной поверхностью, зависящий от атомного номера, можно получить, выключив или хотя бы уменьшив потенциал коллектора. Из-за низкой интенсивности потока рассеянных электронов этот режим используется сравнительно редко. Однако в определенных случаях с его помощью можно получить значительную информацию.

Блок-схема РЭМ представлена на рис. 16.5. Изображение объекта формируется на экранах двух электронно-лучевых трубок, одна из которых предназначена для визуального наблюдения, а вторая, имеющая другие характеристики и работающая в других режимах сканирования, - для фотографирования.

Блок визуального наблюдения используется в тех случаях, когда нужно быстро выбрать необходимый участок поверхности образца, определить увеличение, информативную емкость и качество изображения. Чтобы изображение на экране не успевало гаснуть за время кадра, время сканирования по оси Y достаточно мало. В соответствии с этим экраны трубок, используемых для наблюдения, покрыты люминофором с большим временем послесвечения, а время кадра составляет 1с.

Экран трубки, предназначенной для фотографирования, покрыт люминофором, дающим голубой цвет и имеющим малую длительность послесвечения. Короткое время высвечивания используется для того, чтобы избежать размытия

Рис.16.5. Схема устройства растрового

электронного микроскопа.

изображения при фотографировании в результате механической и электрической нестабильностей, а сравнительно большее время кадра при экспонировании исключает необходимость повторного сканирования. Поскольку при записи изображения требуется большое значение числа линий в кадре (N), экран такой трубки должен обеспечивать высокое разрешение (от 800 до 1000 линий), в то время как на экране трубки наблюдения достаточно 500 линий. Оптимальное расстояние между линиями и размер электронного луча в трубке записи изображения определяются наименьшим расстоянием, какое человеческий глаз способен разрешить (это расстояние приблизительно равно 0,2 мм).

В настоящее время электронная микроскопия превратилась в обширную самостоятельную, быстро развивающуюся область современной технической физики. Открытие новых, неизвестных ранее наноструктур, установление новых неожиданных пространственных соотношений произошло в результате применения электронного микроскопа в физике, химии и кристаллографии, и особенно в биологии.