Студопедия
Обратная связь


Авиадвигателестроения Административное право Административное право Беларусии Алгебра Архитектура Безопасность жизнедеятельности Введение в профессию «психолог» Введение в экономику культуры Высшая математика Геология Геоморфология Гидрология и гидрометрии Гидросистемы и гидромашины История Украины Культурология Культурология Логика Маркетинг Машиностроение Медицинская психология Менеджмент Металлы и сварка Методы и средства измерений электрических величин Мировая экономика Начертательная геометрия Основы экономической теории Охрана труда Пожарная тактика Процессы и структуры мышления Профессиональная психология Психология Психология менеджмента Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении Социальная психология Социально-философская проблематика Социология Статистика Теоретические основы информатики Теория автоматического регулирования Теория вероятности Транспортное право Туроператор Уголовное право Уголовный процесс Управление современным производством Физика Физические явления Философия Холодильные установки Экология Экономика История экономики Основы экономики Экономика предприятия Экономическая история Экономическая теория Экономический анализ Развитие экономики ЕС Чрезвычайные ситуации ВКонтакте Одноклассники Мой Мир Фейсбук LiveJournal Instagram 500-летие Реформации


Растровыый эдектронный микроскоп

<== предыдущая статья | следующая статья ==>

 

Растровый электронный микроскоп — прибор, позволяющий получать изображения поверхности образца с большим разрешением (несколько нанометров). Ряд дополнительных методов позволяет получать информацию о химическом составе приповерхностных слоёв.

Исследуемый образец в условиях высокого вакуума сканируется сфокусированным электронным пучком средних энергий.

В зависимости от механизма регистрирования сигнала различают несколько режимов работы сканирующего электронного микроскопа:

· режим отражённых электронов,

· режим вторичных электронов,

· режим катодолюминесценции и др.

Разработанные методики позволяют исследовать не только свойства поверхности образца, но и получать и визуализировать информацию о свойствах подповерхностных структур.

 

История СЭМ (РЭМ)

• 1935 Предложена идея РЭМ

• 1938 Построен первый РЭМ (Von Ardenne)

• 1965 Первый коммерческий РЭМ изготовлен фирмой Cambridge Instruments

ПРЕИМУЩЕСТВА РЭМ

• Значительная глубина резкости изображения (объемность)

• Большие размеры объектов

• Простота системы электронной оптики

• Большой диапазон увеличений: от 3-х раз до 150 000 раз

Растровый электронный микроскоп Zeiss Leo Supra 35

Микрофотография пыльцы позволяет оценить возможности режима ВЭ РЭМ

Микрофотография интерфейса между оксидной (темные поля) и металлической (светлые поля) составляющими позволяет оценить возможности режима ОЭ РЭМ

Принципиальная схема «исторического» сканирующего микроскопа. Начиная с 1980 года, кинескоп синхронизированный с РЭМ уступил место устройствам цифрового накопления изображений

Схема РЭМ, оснащенного детектором рентгеновских лучей — «РСМА» (микрозондом)

Виды взаимодействия электронов с веществом

Вторичные электроны

РЭМ JEOL JSM 6430F

 

Растровый электронный микроскоп Zeiss Leo Supra 35

 

Микрофотография пыльцы позволяет оценить возможности режима ВЭ РЭМ

 

Микрофотография интерфейса между оксидной (темные поля) и металлической (светлые поля) составляющими позволяет оценить возможности режима ОЭ РЭМ

 

Растровый электронный микроскоп (РЭМ, англ. Scanning Electron Microscope, SEM) — прибор, основанный на принципе взаимодействия электронного пучка с веществом, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким пространственным разрешением (несколько нанометров), а также о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв.

 

Принцип работы РЭМ, заключающийся в сканировании поверхности образца сфокусированным электронным пучком и анализе отраженных от поверхности частиц и возникающего в результате взаимодействия электронов с веществом рентгеновского излучения, был впервые предложен в работах Максом Кноллом и Манфредом фон Арденне в 1930 годы. Анализ частиц позволяет получать информацию о рельефе поверхности, о фазовом различии и кристаллической структуре приповерхностных слоёв. Анализ рентгеновского излучения, возникающего в процессе взаимодействия пучка электронов с образцом дает возможность качественно и количественно охарактеризовать химический состав приповерхностных слоёв.

 

Работы, которые велись в Кембриджском университете группой Чарльза Отли в 1960 годы весьма способствовали развитию РЭМ и в 1965 году фирмой «Cambridge Instrument Co.» был выпущен первый коммерческий сканирующий электронный микроскоп — Stereoscan.[1]

 

Современный РЭМ позволяет работать в широком диапазоне увеличений приблизительно от 10 крат (то есть эквивалентно увеличению сильной ручной линзы) до 1 000 000 крат, что приблизительно в 500 раз превышает предел увеличения лучших оптических микроскопов.

 

Сегодня возможности растровой электронной микроскопии используются практически во всех областях науки и промышленности от биологии до наук о материалах. Существует огромное число выпускаемых десятками фирм разнообразных конструкций и типов РЭМ, оснащенных детекторами различных типов.

 

Основные типы сигналов, которые генерируются в процессе работы РЭМ:

сигнал детектора вторичных электронов (ВЭ или режим рельефа)

отражённых электронов (ОЭ или режим фазового контраста)

прошедшие через образец электроны, в случае установленной STEM-приставки (используется для исследования органических объектов)

дифракции отражённых электронов (ДОЭ)

потери тока на образце (ПЭ или детектор поглощенных электронов)

ток прошедший через образец (ТЭ или детектор прошедших электронов)

характеристическое рентгеновское излучение (РСМА или ренгеноспектральный микроанализ)

ВДА или волнодисперсионный анализ)

световой сигнал (КЛ или катодолюминесценция).

 

Все возможные типы детекторов, установленные на одном приборе встречаются крайне редко.

 

Детекторы вторичных электронов — первый и традиционно устанавливаемый на все РЭМ тип детекторов. В этом режиме разрешающая способность РЭМ максимальна. Разрешение детекторов вторичных электронов в современных приборах уже достаточно для наблюдения субнанометровых объектов.[2] Из-за очень узкого электронного луча РЭМ обладают очень большой глубиной резкости (0.6-0.8 мм), что на два порядка выше, чем у оптического микроскопа и позволяет получать четкие микрофотографии с характерным трехмерным эффектом для объектов со сложным рельефом. Это свойство РЭМ крайне полезно для понимания поверхностной структуры образца. Микрофотография пыльцы демонстрирует возможности режима ВЭ РЭМ.

 

Отражённые электроны (ОЭ) — это электроны пучка, отражённые от образца упругим рассеиванием. ОЭ часто используются в аналитическом РЭМ совместно с анализом характеристических спектров рентгеновского излучения. Поскольку интенсивность сигнала ОЭ напрямую связана со средним атомным номером (Z) засвечиваемой области образца, изображения ОЭ несут в себе информацию о распределении различных элементов в образце. Например, режим ОЭ позволяет обнаружить коллоидные золотые иммунные метки диаметра 5-10 нм, которые очень тяжело или даже невозможно обнаружить в биологических объектах в режиме ВЭ. Микрофотография поверхности аншлифа металл-оксидной системы демонстрирует возможности режима ОЭ РЭМ.

 

Характеристическое рентгеновское излучение генерируется в случае, когда электронный луч выбивает электроны с внутренних оболочек элементов образца, заставляя электрон с более высокого энергетического уровня перейти на нижний уровень энергии с одновременным испусканием кванта рентгеновского излучения. Детектирование спектра характеристического рентгеновского излучения позволяет идентифицировать состав и измерить количество элементов в образце.

История

 

История электронной микроскопии, в частности и РЭМ, началась с теоретических работ немецкого физика Ганса Буша о влиянии электромагнитного поля на траекторию заряженных частиц. В 1926 году он доказал, что такие поля могут быть использованы в качестве электромагнитных линз,[3] установив таким образом основополагающие принципы геометрической электронной оптики. В ответ на это открытие возникла идея электронного микроскопа и две команды — Макс Кнолл и Эрнст Руска из Берлинского технического университета и Эрнст Бруш из лаборатории EAG попробовали реализовать эту идею на практике. И в 1932 году Кнолл и Руска создали первый просвечивающий электронный микроскоп [4].

Первый сканирующий электронный микроскоп

 

После перехода в немецкую радиокомпанию Telefunken для проведения исследований телевизоров на катодных трубках Макс Кнолл разработал анализатор электронной трубки или «анализатор электронного пучка», который моделировал все необходимые характеристики сканирующего электронного микроскопа: образец располагался с одной стороны отпаянной стеклянной трубки, а электронная пушка с другой. Электроны, ускоренные напряжением от 500 до 4000 вольт, фокусировались на поверхности образца, а система катушек обеспечивала их отклонение. Пучок сканировал поверхность образца со скоростью 50 изображений в секунду. Измерение тока, прошедшего через образец, позволяло восстановить изображение его поверхности. Первый прибор, использующий этот принцип, был создан в 1935 году.[5]

 

В 1938 году немецкий специалист Манфред фон Арденне построил первый сканирующий электронный микроскоп.[6] Но этот аппарат еще не был похож на современный РЭМ, так как на нем можно было смотреть только очень тонкие образцы на просвет. То есть это был скорее сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (СПЭМ или STEM). Кроме того, помимо регистрации изображения на кинескопе, в приборе была реализована система фоторегистрации на пленку, расположенную на вращающемся барабане. Фон Арденне по-сути добавил сканирующую систему к просвечивающему электронному микроскопу. Электронный пучок диаметром 0.01 мкм сканировал поверхность образца, а прошедшие электроны засвечивали фотопленку, которая перемещалась синхронно с электронным пучком. Первая микрофотография, полученная на СПЭМ, зафиксировала увеличенный в 8000 раз кристалл ZnO с разрешением от 50 до 100 нанометров. Изображение составлялось из растра 400х400 точек и для его накопления было необходимо 20 минут. Микроскоп имел две электростатические линзы окруженные отклоняющими катушками.

 

В 1942 году, русский физик и инженер Владимир Зворыкин, работающий в то время в лаборатории Radio Corporation of America в Принстоне в США, опубликовал детали первого сканирующего электронного микроскопа, позволяющего проанализировать не только тонкий образец на просвет, но и поверхность массивного образца. Электронная пушка с вольфрамовым катодом эмиттировала электроны, которые затем ускорялись напряжением 10 киловольт. Электронная оптика аппарата была составлена из трех электростатических катушек, а отклоняющие катушки размещались между первой и второй линзой. Чтобы обеспечить удобство размещения образца и манипулирования им в конструкции РЭМ электронная пушка располагалась внизу микроскопа. У этой конструкции была неприятная особенность — риск падения образца в колонну микроскопа. Этот первый РЭМ достигал решения порядка 50 нанометров. Но в это время бурно развивалась просвечивающая электронная микроскопия, на фоне которой РЭМ казался менее интересным прибором, что сказалось на скорости развития этого вида микроскопии.[7]

Развитие сканирующего электронного микроскопа

 

В конце 1940 годов Чарльз Отли будучи председателем конференции отдела проектирования Кембриджского университета в Великобритании заинтересовался электронной оптикой и решил объявить программу разработки сканирующего электронного микроскопа в дополнение к ведущимся в отделе физики работам над просвечивающим электронным микроскопом под руководством Элис Косслетт. Один из студентов Чарльза Отли, Кен Сандер, начал работать над колонной для РЭМ используя электростатические линзы, но вынужден был через год прервать работы из-за болезни. Работу в 1948 году возобновил Дэннис МакМиллан. Он с Чарльзом Отли построил их первый РЭМ (SEM1 или Scanning Electron Microscope 1) и в 1952 году этот инструмент достиг разрешения 50 нанометров и, что наиболее важно, обеспечил трехмерный эффект воспроизведения рельефа образца — характерную особенность всех современных РЭМ.[8]

 

В 1960 году Томас Эверхарт и Ричард Торнли изобретя новый детектор (детектор Эверхарта-Торнли) ускорили развитие растрового электронного микроскопа. Этот детектор крайне эффективный для сбора как вторичных, так и отражённых электронов становится очень популярным и встречается сейчас на многих РЭМ.

Принцип работы

 

Разрешающая способность (способность различать тонкие детали) человеческого глаза, вооруженного оптическим микроскопом, помимо качества увеличительных линз ограничена длиной волны фотонов видимого света. Наиболее мощные оптические микроскопы могут обеспечить наблюдение деталей с размером 0.1-0.2 мкм.[9] Если мы захотим увидеть более тонкие детали, необходимо сократить длину волны, которая освещает объект исследования. Для этого можно использовать не фотоны, а, например, электроны, длина волны которых намного меньше. Электронные микроскопы — результат воплощения этой идеи.

 

Принципиальная схема «исторического» сканирующего микроскопа. Начиная с 1980 года, кинескоп синхронизированный с РЭМ уступил место устройствам цифрового накопления изображений

 

Нижеследующий рисунок иллюстрирует принципиальную схему РЭМ: тонкий электронный зонд (электронный пучок) направляется на анализируемый образец. В результате взаимодействия между электронным зондом и образцом возникают низкоэнергетичные вторичные электроны, которые отбираются детектором вторичных электронов. Каждый акт столкновения сопровождается появлением электрического сигнала на выходе детектора. Интенсивность электрического сигнала зависит как от природы образца (в меньшей степени), так и от топографии (в большей степени) образца в области взаимодействия. Таким образом, сканируя электронным пучком поверхность объекта возможно получить карту рельефа проанализированной зоны.

 

Тонкий электронный зонд генерируется электронной пушкой, которая играет роль источника электронов, сокращенного электронными линзами, которые играют ту же роль по отношению к электронному пучку как фотонные линзы в оптическом микроскопе к световому потоку. Катушки, расположенные согласно двум взаимоперпендикулярным направлениям (x, y), перпендикулярным направлению пучка (z) и контролируемые синхронизированными токами, позволяют подвергнуть зонд сканированию подобно сканированию электронного пучка в электронно-лучевой трубке телевизора. Электронные линзы (обычно сферические магнитные) и отклоняющие катушки образуют систему, называемую электронной колонной.

 

В современных РЭМ изображение регистрируется исключительно в цифровой форме, но первые РЭМы появились в начале 1960 годов задолго до распространения цифровой техники и поэтому изображение формировалось способом синхронизации развёрток электронного пучка в кинескопе с электронным пучком в РЭМ и регулировки интенсивности трубки вторичным сигналом. Изображение образца тогда появлялось на фосфоресцирующем экране кинескопа и могло быть зарегистрировано на фотопленке.

 

Схема РЭМ, оснащенного детектором рентгеновских лучей — «РСМА» (микрозондом)

 

Основа сканирующего электронного микроскопа — электронная пушка и электронная колонна, функция которой состоит в формировании остросфокусированного электронного зонда средних энергий (10 — 50 кэВ) на поверхности образца. Прибор обязательно должен быть оснащен вакуумной системой (в современных моделях микроскопов высокий вакуум желателен, но не обязателен). Также в каждом РЭМ есть предметный столик, позволяющий перемещать образец минимум в трех направлениях. При взаимодействии зонда с объектом возникают несколько видов излучений, каждое из которых может быть преобразовано в электрический сигнал. В зависимости от механизма регистрирования сигнала различают несколько режимов работы сканирующего электронного микроскопа: режим вторичных электронов, режим отражённых электронов, режим катодолюминесценции и др. РЭМ оснащаются детекторами позволяющими отобрать и проанализировать излучение возникшее в процессе взаимодействия и частицы изменившие энергию в результате взаимодействия электронного зонда с образцом.[10] Разработанные методики позволяют исследовать не только свойства поверхности образца, но и визуализировать информацию о свойствах подповерхностных структур.

Взаимодействие электронов с веществом

 

Виды взаимодействия электронов с веществом

 

В классическом микроскопе видимый свет реагирует с образцом и отраженные фотоны анализируются детекторами или глазом человека. В электронной микроскопии пучок света заменен пучком электронов, взаимодействующих с поверхностью образца и отраженные фотоны заменены целым спектром частиц и излучения: вторичные электроны, обратноотраженные электроны, Оже-электроны, рентгеновское излучение, катодолюминесценция и т.д. Эти частицы и излучение являются носителями информации различного типа о веществе, из которого создан образец[10].

 

Вторичные электроны

 

В результате взаимодействия с атомами образца электроны первичного пучка могут передать часть своей энергии электронам из зоны проводимости, т.е. слабо связанным с атомами. В результате такого взаимодействия может произойти отрыв электронов и ионизация атомов. Такие электроны называются вторичными. Эти электроны обычно обладают небольшой энергией (порядка 50 эВ). Любой электрон первичного пучка обладает энергией, достаточной для появления нескольких вторичных электронов.

 

Так как энергия вторичных электронов невелика, их выход возможен только с приповерхностных слоев материала (менее 10 нм). Благодаря небольшой кинетической энергии эти электроны легко отклоняются небольшой разностью потенциалов. Это делает возможным существенно повысить эффективность детекторов (собрать максимально возможное их количество) и получить высококачественные изображения с хорошим отношением сигнал/шум и разрешением порядка 4 нм при диаметре пучка 3 нм.

 

Принимая во внимание, что вторичные электроны генерируются приповерхностными слоями, они очень чувствительны к состоянию поверхности. Минимальные изменения отражаются на количестве собираемых электронов. Таким образом этот тип электронов несет в себе инфорамцию о рельефе образца. Однако, они мало чувствительны в отношении плотности материала, а, следовательно и фазового контраста[10].

 

 

Режимы работы

 

РЭМ JEOL JSM 6430F

 

Обычно для получения информации о структуре поверхности используются вторичные и/или отражённые (обратно-рассеянные) электроны. Контраст во вторичных электронах сильнее всего зависит от рельефа поверхности, тогда как отражённые электроны несут информацию о распределении электронной плотности (области, обогащённые элементом с бо́льшим атомным номером выглядят ярче). Поэтому обратно-рассеянные электроны, которые генерируются одновременно со вторичными, кроме информации о морфологии поверхности содержат дополнительную информацию и о составе образца. Облучение образца пучком электронов приводит не только к образованию вторичных и отражённых электронов, а также вызывает испускание характеристического рентгеновского излучения. Анализ этого излучения позволяет определить элементный состав микрообъёма образца (разрешение не лучше 1 мкм).

Детектирование вторичных электронов

 

Для определения вторичных электронов используется детектор Эверхарта-Торнли, позволяющий селективно идентифицировать электроны с энергией менее 50 эВ.

Детектирование отражённых электронов

 

Некоторые модели микроскопов оснащены высокочувствительным полупроводниковым детектором обратно-рассеянных электронов. Детектор смонтирован на нижней поверхности объективной линзы либо вводиться на специальном стержне под полюсной наконечник. Это позволяет путем выбора режима из меню получить изображения топографии поверхности, изображение в композиционном контрасте или в темном поле.

 

Детектируется характеристическое излучение вещества, возникающеее при облучении электронами... Существует энергодисперсионные(EDX) и волнодисперсионные(WDX) анализаторы.

 

До настоящего времени используются энергодисперсионные спектрометры с азотным охлаждением, однако в последние годы производители переходят на безазотные детекторы.

Разрешение

 

Пространственное разрешение сканирующего электронного микроскопа зависит от поперечного размера электронного пучка, который, в свою очередь зависит от электронно-оптической системы, фокусирующей пучок. Разрешение также ограничено размером области взаимодействия электронного зонда с образцом. Размер электронного зонда и размер области взаимодействия зонда с образцом намного больше расстояния между атомами мишени. Таким образом, разрешение сканирующего электронного микроскопа не достаточно для отображения атомных плоскостей и даже атомов, в отличие от современных просвечивающих микроскопов. Тем не менее, растровый электронный микроскоп имеет ряд преимуществ перед просвечивающим микроскопом. Это — визуализация сравнительно большой области образца, исследование массивных объектов (а не только тонких пленок), набор аналитических методов, позволяющих измерять состав и свойства изучаемого объекта.

 

В зависимости от конкретного прибора и параметров эксперимента, может быть получено разрешение от десятков до единиц нанометров. На 2009 год наилучшее разрешение было достигнуто на микроскопе Hitachi S-5500 и составило 0.4 нм (при напряжении 30 кВ).[2]

 

Как правило, наилучшее разрешение может быть получено при использовании вторичных электронов, наихудшее — в характеристическом рентгеновском излучении. Последнее связано с большим размером области возбуждения излучения, в несколько раз превышающим размер электронного зонда. При использовании режима низкого вакуума разрешение несколько ухудшается.

Применение

 

Растровые микроскопы применяются как исследовательский инструмент в физике, электронике, биологии и материаловедении. Их главная функция — получение изображения исследуемого образца, которое зависит от регистрируемого сигнала. Сопоставление изображений, полученных в разных сигналах, позволяют делать вывод о морфологии и составе поверхности. Растровый электронный микроскоп практически единственный прибор, который может дать изображение поверхности современной микросхемы или промежуточной стадии фотолитографического процесса.

Характеристики современного растрового микроскопаХарактеристики растрового электронного микроскопа JEOL серии JSM-6510

Разрешение в режиме высокого вакуума 3.0 нм (30кВ), 8.0 нм (3кВ), 15.0 (1кВ)

Разрешение в режиме низкого вакуума 4.0 нм (30кВ)

Увеличение От x8 до x300 000 (при 11кВ или выше)

От x5 до x300 000 (при 10кВ или ниже)

Предустановленное увеличение Пятишаговое, настраиваемое

Набор управляющих меню пользователя Оптика, столик образца, режим изображения, давление LV, стандартный набор

Режим изображения Во вторичных электронах, «состав»*, «топография»*, темное поле*

Ускоряющее напряжение От 0.5кВ до 30кВ

Катод LaB6 юстированный в заводских условиях

Электронная пушка Автоматизированная, с ручной коррекцией

Конденсор Зум-конденсор

Объектив Сверхконический объектив

Апертура объектива 3-х стадийная, с тонкой настройкой по XY

Память стигматора Встроенная

Электрический сдвиг изображения ± 50 мкм, (WD=10 мм)

Автоматические функции Фокус, яркость, контраст, стигматор

Столик для образцов Эвцентрический, наклон от −10oo до +90oo

Привод столика Опционально (2-х, 3-х и 5-ти осевой)

Навигация Два изображения

Замена образцов Выдвиганием сбоку

Максимальный размер образца 150 мм в диаметре

Компьютер IBM PC/AT совместимый

Операционная система MS Windows XP

Монитор Жидкокристаллический, 15", один или два**

Размер изображения 640 x 480, 1280 x 960, 2560 x 1920 пикселей

Вывод полноразмерного изображения Встроенный

Реперные изображения Два

Псевдоокрашивание Встроенное

Количество выводимых изображений Два изображения, четыре изображения

Цифровое увеличение Встроенное

Двойное увеличение Встроенное

Сетевой интерфейс Ethernet

Формат изображений BMP, TIFF, JPEG

Автоматическое архивирование Встроенное

Программа SMile View Встроенная **

Вакуум система Полностью автоматизированная

Переключение вакуум систем* Через функции меню, менее 1 минуты

LV давление От 1 до 270 Pa

 

 

Обычно для получения информации о структуре поверхности используются вторичные (отраженные) электроны. Обратно-рассеянные электроны, которые генерируются одновременно с вторичными, кроме информации о морфологии поверхности несут дополнительную информацию и о составе образца.

Облучение образца пучком электронов приводит к генерации вторичных и обратно-рассеянных электронов, а также вызывает испускание характеристического рентгеновского излучения. Когда к микроскопу подключены соответствующие детекторы, можно одновременно получить информацию обо всех этих видах вторичной эмиссии.

Первичные электроны, падающие на образец, взаимодействуют с электронами внешних оболочек атомов мишени, передавая им часть своей энергии. Происходит ионизация атомов образца, а высвобождающиеся в этом случае электроны могут покинуть образец и быть выявлены в виде вторичных электронов. Они характеризуются малой энергией (до 50 эВ) и поэтому выходят из участков образца очень близких к поверхности. Глубина слоя, дающего вторичные электроны, составляет 1…10 нм. В пределах этого слоя рассеивание электронов пренебрежимо мало, и поэтому при получении изображений во вторичных электронах разрешающая способность определяется, прежде всего, диаметром первичного электронного зонда. Вторичные электроны обеспечивают максимальную, в сравнении с другими сигналами, разрешающую способность порядка 5…10 нм. Поэтому они являются в РЭМ главным источником информации для получения изображения поверхности объекта, и именно для этого случая приводятся паспортные характеристики прибора.

Количество образующихся вторичных электронов слабо зависит от атомного номера элемента мишени. Основным параметром, определяющим выход вторичных электронов, является угол падения пучка первичных электронов на поверхность мишени. Таким образом, вариации наклона микроучастков поверхности вызывают резко выраженные изменения в выходе вторичных электронов. Этот эффект используется для получения информации о топографии поверхности. С целью увеличения эмиссии вторичных электронов часто образец устанавливается под углом к оси зонда. При этом будет ухудшаться резкость изображения — его размытие по краям. Для ее исправления в РЭМ предусмотрена система компенсации угла наклона.

Метод наклона образца применяют при исследовании плоских объектов (металлографических шлифов и др.). Для образцов с сильно развитым рельефом полностью провести коррекцию угла наклона не удается.

Пространственное разрешение сканирующего электронного микроскопа зависит от поперечного размера электронного пучка, который в свою очередь зависит от электронно-оптической системы, фокусирующей пучок.

Применение катодов из LaB6 позволяет повысить плотность тока по сравнению с вольфрамовым катодом в шесть раз и довести ресурс катода до 500 часов работы (катод из W −100 часов). В результате повышается разрешение РЭМ, ограниченное отношением сигнал/шум. Разрешение также ограничено размером области взаимодействия электронного зонда с образцом, то есть от материала мишени.

Размер электронного зонда и размер области взаимодействия зонда с образцом намного больше расстояния между атомами мишени. Таким образом, разрешение сканирующего электронного микроскопа не настолько велико, чтобы отображать атомарные масштабы, как это возможно, например, в просвечивающем электронном микроскопе. Однако, сканирующий электронный микроскоп имеет свои преимущества, включая способность визуализировать сравнительно большую область образца, способность исследовать массивные мишени (а не только тонкие пленки), а также разнообразие аналитических методов, позволяющих измерять фундаментальные характеристики материала мишени. В зависимости от конкретного прибора и параметров эксперимента, может быть получено разрешение от десятков до единиц нанометров.

Сканирующие микроскопы применяются в первую очередь как исследовательский инструмент в физике, электронике, биологии. В основном это получение изображения исследуемого образца, которое может сильно меняться в зависимости от применяемого типа детектора. Эти различия позволяют делать вывод о физике поверхности, проводить исследование морфологии поверхности. Электронный микроскоп практически единственный прибор, который может дать изображение поверхности современной микросхемы или промежуточной стадии фотолитографического процесса.

 

 

Характеристики растрового электронного микроскопа JEOL серии JSM-6510

Разрешение в режиме высокого вакуума

3.0 нм (30кВ), 8.0 нм (3кВ), 15.0 (1кВ)

Разрешение в режиме низкого вакуума

4.0 нм (30кВ)

Увеличение

От x8 до x300 000 (при 11кВ или выше)

От x5 до x300 000 (при 10кВ или ниже)

Ускоряющее напряжение

От 0.5кВ до 30кВ

Максимальный размер образца

150 мм в диаметре

Компьютер

IBM PC/AT совместимый

Операционная система

MS Windows XP

Монитор

Жидкокристаллический, 15", один или два**

Размер изображения

640 x 480, 1280 x 960, 2560 x 1920 пикселей

Реперные изображения

Два

Количество выводимых изображений

Два изображения, четыре изображения

Цифровое увеличение

Встроенное

Сетевой интерфейс

Ethernet

Автоматическое архивирование

Встроенное

LV давление

От 1 до 270 Pa

 

В новой технологии сканирующей микроскопии используются атомы гелия вместо электронов.

Улучшение измерения наноразмеров является важной задачей в условиях введения стандартов и улучшения технических характеристик в полупроводниковой индустрии и нанотехнологии. Новый принцип работы микроскопа подразумевает использование атомов гелия для генерирования сигнала, используемого на очень малых объектах. Это технический аналог сканирующего электронного микроскопа, впервые внедренного в использование в 1960-х годах. Парадоксально, что хотя атомы гелия объемнее электронов, они могут обеспечить большее разрешение и больший контраст изображений.

Глубина резкости пространственного изображения также гораздо лучше при использовании этой новой технологии, и таким образом большая часть изображения находится в фокусе. Атомы имеют больший размер и более короткую длину волны, чем электрон, и именно поэтому они обеспечивают лучшее изображение. Картинка предстает уже трехмерной, выявляя детали меньшие, чем нанометр.

Изображение атомов, полученное современным сканирующим электронным микроскопом имеет сравнительно слабую глубину резкости – только часть картинки находится в фокусе. В противоположность этому, гелиевый ионный микроскоп дает цельное изображение, четкое и ясное. Исследователи изучают возможности гелиевого ионного микроскопа в области наноизмерений, которые очень важны в области полупроводниковой индустрии и нанотехнологий.

Явное преимущество гелиевого ионного микроскопа – в том, что он отображает реальные границы, края образца гораздо лучше, чем сканирующий электронный микроскоп, который весьма чувствителен к ручным настройкам параметров.

Полупроводниковые предприятия имеют многомиллионные сканирующие электронные микроскопы для обработки и контроля процессов производства микрочипов. Комбинация требования низких вибраций и наноизмерений приводит к некой размытости рисунка, как если бы был изображен движущийся предмет.

 

<== предыдущая статья | следующая статья ==>





 

Читайте также:

Классификация рецепторов. Мономодальные и полимодальные рецепторы. Ноцицепторы (болевые рецепторы). Экстерорецепторы. Интерорецепторы.

Тактильная чувствительность

Эффект Штарка

Сенсорное восприятие

Латеральное торможение

Эмиссионная электроника

Квантово-механическая теория сверхпроводимости

Силовая спектроскопия

Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа

Квантовый компьютер

Интерференционные и дифракционные явления при движении частиц

Преобразователи биохимических реакций в аналитический сигнал

Вернуться в оглавление: Физические явления

Просмотров: 2506

 
 

54.80.42.144 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.