Файл: Хокс П. Электронная оптика и электронная микроскопия.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 100
Скачиваний: 2
220 Глава 4
отклоняющую в у-направлении систему подается сигнал, пропорциональный вторичному электронному току на де тектор. В этом случае мы видим кривую зависимости тока от положения зонда на поверхности объекта. Если теперь сканировать от линии к линии всю поверхность объекта, то на экране катоднолучевой трубки будет виден ряд расположенных друг под другом кривых, которые глаз воспринимает как трехмерную объемную структуру (сни мок XIV).
Электроны в описываемом приборе эмиттируются элект ронной пушкой, аналогичной пушке просвечивающих электронных микроскопов, которая состоит из накаливае мой вольфрамовой нити (катода), цилиндра Венельта и анода. (Используются также эмиттеры из гексаборида лантана LaB0, отличающиеся большей яркостью.) При тщательном изготовлении и наладке такая пушка обеспе чивает получение электронного луча, диаметр кроссовера которого составляет около 100 мкм и меньше. Оптималь ный размер конечного пятна первичного электронного луча в растровом микроскопе составляет 3 нм, поэтому система линз прибора должна уменьшать размер кроссо вера примерно в 30 000 раз. Такое уменьшение может быть достигнуто с помощью двухлинзовой системы, но при этом ее общая длина оказывается слишком большой. По этой причине обычно применяют уменьшающую систе му из трех электронных линз. На основании ряда практи ческих соображений в растровом микроскопе, как прави ло, используются магнитные линзы: они просты и надежны в работе, легко поддаются чистке, не имеют высоковольт ных вводов, при расположении их обмотки возбуждения вне вакуумного пространства, в котором движутся элект роны, приходится откачивать сравнительно небольшой объем прибора.
В просвечивающем электронном микроскопе необхо димо учитывать сферическую аберрацию только объек тивной линзы, поскольку она является единственной лин зой, в которой электроны движутся под большим углом к оси. В растровом микроскопе линзы предназначены для уменьшения размера пятна: они являются уменьшающими
линзами, и можно считать, что сферическая аберрация сосредоточена в последней из трех линз, известной под
Растровая электронная микроскопия |
221 |
названием «зондоформирующей линзы». Выше было рас смотрено, как сферическая аберрация объектива влияет на разрешающую способность просвечивающего электрон ного микроскопа (разд. 2.4.1). Теперь необходимо выяс нить, в какой степени эта аберрация обусловливает уве личение размера пятна, формируемого зондоформирую щей линзой. Вследствие сферической аберрации изобра жение точки объекта смещается на расстояние
Аг = M C sQl,
где М — увеличение; 0О— угол, под которым электроны покидают плоскость объекта. Если увеличение М очень
мало, то Дг удобнее выражать через соответствующий угол с плоскостью изображения 0г, и тогда
0о = М 0г. |
(4.1) |
Следовательно, |
|
Аг = М ‘%CJdf. |
(4.2) |
Коэффициент сферической аберрации Cs, как уже указы
валось, является функцией положения объекта (или уве личения). Необходимо выяснить, как связано значение Са для сильного увеличения (М —*- оо), табулированное почти
для всех типов линз, с соответствующим значением С„ для сильного уменьшения (М ->0). На фиг. 4.2 приведе
на сильно увеличивающая система с коэффициентом сфе рической аберрации Cs. Точке объекта, лежащей на оси,
соответствует точка изображения, находящаяся па рас
стоянии M C sQ'g от оси, а точке объекта, |
отстоящей от оси |
||
на расстояние г0, соответствует точка изображения, |
нахо |
||
дящаяся на расстоянии М (г0 + Cs0„). |
Таким |
образом, |
|
если г0 = —Cs0q, точка изображения |
лежит |
на |
оси, |
и мы получаем ход лучей, по которому можно найти зна чение Cs, соответствующее обратной (т. е. уменьшающей)
системе:
Ar0 = Cs0o = М3С„0?. |
(4.3) |
Коэффициент сферической аберрации уменьшающей системы Cs может быть определен из выражения
АП = MCsQl,
222 |
Глава 4 |
где М — ИМ . |
Из фиг. 4.2 видно, что Дг0 и 0г, входящие |
в уравнение (4.3), идентичны здесь величинам Лгг и 0О, так что
С. = М*С,.
Если С оо означает значение Cs, соответствующее сильному увеличению, то при М - у 0 уравнение (4.2) может быть
переписано следующим образом:
Лг; = Ш*СsQl = М*М*Ссо©? = С«,0?,
так как М = ИМ.
Это соотношение может оказаться ошибочным в тех случаях, когда рассматриваемые линзы несимметричны
УВеличиВающсш
система
Уменьшающая
система
Ф и г. 4.2. Построение, позволяющее определить связь между пря мым и обратным значениями коэффициентов сферической абер рации.
1 — параксиальный луч из 0\ 2 — параксиальный луч из Р; з — луч из Р с аберрацией; 4 — луч из О с аберрацией.
относительно центральной плоскости (z = 0). Зондо-фор- мирующие линзы в растровом электронном микроскопе часто характеризуются значительной асимметрией, по скольку, как мы увидим, исследуемый объект должен быть помещен как можно дальше от поля линзы. Это означает, что зонд будет формироваться на достаточно большом рас
Растровая электронная микроскопия |
223 |
стоянии от линзы. В связи с этим диаметр канала второй половины линзы выбирается меньше, чем диаметр канала первой половины линзы. На основании анализа соотно шений между различными значениями Cs можно сделать
следующий вывод (фиг. 4.2): если значение коэффициента сферической аберрации, соответствующее сильному уве личению, будет Сао, то размер изображения точки объекта равен МСообо', если же линза обращена и используется
для формирования зонда, то размер зонда будет равен
Coo0 f.
В этом случае, когда зонд формируется в свободном от поля пространстве, можно воспользоваться также тем фактом, что коэффициенты аберрации теперь являются асимптотическими величинами. Напомним, что асимпто тическая сферическая аберрация (уравнение (2.85а)) может быть представлена в виде полиномиального ряда по 1 /М
C, = CiM - * + C 3M - 3+ C t M - * + C iM - 1+ C 0. |
(4.4) |
||
Если линза симметрична, |
то |
С4 = С0 и С3 — С4. |
При |
М — оо Cs —>■Cq, так что |
С0 |
оказывается равным значе |
нию коэффициента сферической аберрации Сх , соответ
ствующему сильному увеличению. Для сильного умень шения потребуется M4CS (уравнение (4.2)), которое опре деляется соотношением
M4Cs = C4+ C 37H + C2M2-fC 1M 3+ C 4, |
(4.5) |
и, так как М - у 0, M iCs - +Ck. В случае асимметричной линзы С4 # С0 и С3 Ф Си но если рассматривать асим
метричную линзу и такую же обратную линзу, как две разные линзы с коэффициентами сферической аберрации,
равными С4, С3, . . ., С0 и С4, |
С3, |
. . |
., |
С0 |
соответствен |
но, то можно показать, что С4 |
= |
С0, |
С3 |
= |
Си С2 = С2, |
С\ — С3 и С0 = С4. Таким образом можно легко проил
люстрировать результаты, полученные в предыдущем раз деле.
Линзы сами по себе формируют на оси неподвижный электронный зонд, а исследуемый объект сканируется путем отклонения этого зонда с помощью электромагнит ных катушек, обычно размещаемых между второй и третьей
224 |
Глава 4 |
линзами. В растровом электронном микроскопе имеются две системы отклоняющих катушек, каждая из которых может отклонять электронный луч в двух взаимно перпен дикулярных направлениях, что обеспечивает возможность сканирования квадратной области. Использование двух систем катушек дает то преимущество, что при этом может осуществляться «колебание» луча относительно централь ной плоскости последней линзы (фиг. 4.3). В широко при меняемых отклоняющих системах через верхние и нижние
Ф и г. 4.3. Колебание пучка.
Верхние отклоняющие катушки отклоняют пучок от оси, а нижние возвращают его обратно таким обра зом, что пучок колеблется относительно центра линзы для формирования зонда. Другая система верхних и нижних катушек служит для аналогичных отклоне ний пучка в плоскости, перпендикулярной к пло скости чертежа. 1 — конденсор 2 ; 2 — верхние от
клоняющие катушки; 3 — нижние отклоняющие ка тушки; 4 — линза для формирования зонда.
катушки течет одинаковый ток, но нижние катушки имеют вдвое большее число витков, чем верхние, поэтому угол отклонения луча нижними катушками оказывается в два раза больше.
Электроны облучающего зонда выбивают из поверхно сти объекта медленные вторичные электроны. Некоторое количество первичных электронов может также отражать ся объектом, но все же большинство электронов замед ляется и полностью теряет энергию в самом объекте. Вторично-электронный ток составляет примерно
1 НО-1 2 А. Это, однако, такой слабый ток, что при попытке
его усиления по обычной схеме вводимые ошибки, или шум, будут полностью подавлять сигнал. В первых кон струкциях растровых микроскопов слабый вторичный электронный ток усиливался с помощью электронного умножителя. Электронный умножитель представляет собой устройство, в котором очень слабый ток усиливается благодаря тому, что первичные электроны падают на метал лический электрод (так называемый динод), характери зующийся очень высоким коэффициентом вторичной элек тронной эмиссии. Вторичные электроны, эмиттируемые первым динодом, направляются затем на другой динод,
Растровая электронная микроскопия |
225 |
который в свою очередь также благодаря высокому коэффициенту вторичной эмиссии эмиттнрует еще боль ший электронный ток, направляемый на третий динод. Процесс умножения продолжается до тех пор, пока элек тронный ток не достигнет величины, достаточной для его усиления обычными электронными устройствами. Однако электронные умножители громоздки н для целей растро вой электронной микроскопии недостаточно эффективны. В связи с этим в современных растровых микроскопах
Ф и г. 4.4. Система сцинтиллятор — фотоумножитель для детекти рования малых вторично-электронных токов.
Сцинтиллятор, покрытый слоем алюминия, в действительности находится правее (ближе к изолятору), что необходимо для исключения возможности электрического пробоя в месте сужения, а также для использования фокуси
1 — входная сетка; 2 |
рующего действия |
последнего. |
|
— тонкий слой алюминия; .з |
— металлическая трубка; |
||
4 — изолятор; |
5 — светоироводящая |
трубка; |
6 — фотокатод. |
вместо электронных умножителей применяют усилительную систему, включающую сцинтиллятор и фотоэлектрон ный умножитель. Сцинтиллятор, бомбардируемый элек тронами, излучает свет, который попадает па фотокатод
ипреобразуется им снова в электронный сигнал, усили ваемый затем обычными способами. На фиг. 4.4 показаны основные части детектора этого типа. Вторичные электро ны, эмиттируемые исследуемым объектом, направляются к детектору посредством специальной металлической сет ки, находящейся под напряжением в несколько сотен вольт. Затем они соответствующим полем направляются
ифокусируются на поверхности полусферы из пластика, покрытой тонким слоем алюминия (толщиной в несколько сотен ангстрем). Слой алюминия находится под напря
жением ~ 1 0 кВ (относительно напряжения объекта);
1 5 - 0 1 3 2
226 Глава 4
при этом почти все электроны, проходящие через входную сетку детектора, попадают на очень малую область поверх ности полусферы вблизи ее вершины. Под действием элек тронной бомбардировки пластик сцинтиллирует, и излу чаемый свет направляется па фотокатод.
В современных растровых электронных микроскопах усиленный сигнал передается на две катоднолучевые трубки, одна из которых предназначена для фотографи рования, а другая приспособлена для визуального наблю дения. Благодаря этому оператор имеет возможность непосредственно видеть фотографируемое изображение объекта. Поскольку детали объекта, слишком мелкие для визуального наблюдения, могут быть зафиксированы на фотопластинке, а визуально удобно наблюдать все изобра жение сразу, для изготовления экрана трубки визуаль ного наблюдения используется крупнозернистый флуорес цирующий материал, обладающий большой инерцион ностью, благодаря чему изображение сохраняется на экра не довольно продолжительное время. В трубке, предназна ченной для фотографического фиксирования изображения, экран выполнен из люминофора с более мелкими зернами, что обеспечивает лучшую разрешающую способность экрана, на котором яркость изображения быстро умень шается.
Теперь необходимо выяснить параметры и характери стики, которые могут быть достигнуты при использова нии растрового микроскопа. Качество изображения в этом микроскопе зависит от того, с какой точностью вторично электронный ток преобразуется в соответствующий свето вой сигнал, излучаемый люминесцентным экраном катоднолучевой трубки, и от того, в какой степени вто рично-электронный ток отражает состояние поверхности исследуемого объекта. К вопросу о формировании изобра жения в растровом электронном микроскопе мы еще вер
немся. |
Здесь же необходимо сосредоточить внимание |
на том |
обстоятельстве, что если количество электронов |
в зонде вообще меняется, то это может вызвать такие изменения величины вторично-электронного тока, кото рые не будут иметь ничего общего со свойствами исследуе мого объекта. С целью получения какой-либо оценки величины этого эффекта рассмотрим квадратный участок
Растровая электронная микроскопия |
227 |
объекта со стороной квадрата D, сканируемый электрон ным зондом в течение общего времени t.
В проводимом расчете сечение зонда можно считать малым однородно светящимся квадратом со стороной р,
плотность тока в котором равна Тогда участок, площадь которого равна р 2, будет сканироваться в течение времени т = рНЮ 2 и за это время на указанный участок попадет
тр г)!е электронов. Обозначив это количество |
электронов |
||
через п, получим |
|
|
|
п |
ip4t |
(4.6) |
|
eZ>2 |
|||
|
|
Пользуясь статистическими закономерностями, можно считать, что среднеквадратичное отклонение количества электронов п составляет примерно га1/*. Таким образом,
отношение сигнала к шуму на элементарном участке поверхности области будет равно пV*. Эта величина есть отношение сигнала, который мы хотим увидеть на конеч
ном экране, к уровню размытого фона, на котором будет появляться сигнал.
|
Было установлено, что человеческий глаз не может |
|
отличить на |
изображении площадку с освещенностью В |
|
от |
соседней |
площадки с освещенностью В + АВ, если |
n1/a |
^ 5В/АВ, т. е.' |
Если допустить возможность существования других источ ников шумов, то множитель 25 в этом неравенстве целесо образно заменить множителем 100. Плотность тока / в электронном зонде связана с ускоряющим напряже нием Ф, температурой нити накала электронной пушки Т
и величиной половины угла раствора луча электронного зонда следующим соотношением:
. _ |
. |
еФ 02 |
’ |
(4.8) |
|
} ~ |
]о |
кТ |
|||
|
|||||
где к — постоянная Больцмана; |
j 0 2-10-4 А/м2. Следо- |
||||
вательно, |
|
|
|
|
|
п |
1оФр4< д2 |
(4.9) |
|||
kD%T |
’ |
||||
|
|
15*