Изображение в вольтовом контрасте.
Потенциальный контраст возникает обычно в полупроводниковых микросхемах, когда к участкам поверхности образца прикладываются напряжения. Выход вторичных электронов снижается в областях, на которые подается положительное смещение, поскольку низкоэнергетичные вторичные электроны притягиваются обратно к образцу.
А участки образца, которые находятся под отрицательным смещением, показывают повышенную эмиссию вторичных электронов, поскольку вторичные электроны отталкиваются от этих участков и с более высокой вероятностью достигают детектора. Изображение в вольтовом контрасте полезно для контроля прохождения напряжений, прикладываемых к выводам микросхемы, до соответствующих участков этой микросхемы. Также этот метод может использоваться для проверки нормальной работы микросхемы, в ходе которой проверяется то, чтобы напряжения сигналов появлялись в надлежащей последовательности.
Стробоскопический метод.
При подаче тока прямоугольной формы на отклоняющие катушки, установленные на колонне растрового электронного микроскопа, можно добиться того, чтобы электронный луч в РЭМ периодически отклонялся и прерывался на диафрагме, установленной в подходящем положении.
Если стробирование пучка выполняется с частотой, которая незначительно отличается от рабочей частоты интегральной микросхемы (ИС), то на изображении во вторичных электронах появятся циклы напряжения на частоте биений, то есть на частоте, являющейся разностью частоты прерывания луча и тактовой частоты ИС, которая может быть достаточно низкой, например, один цикл в секунду.
Катодолюминесценция для получения изображения в РЭМ.
Можно детектировать фотоны, испускаемые образцом. Некоторые материалы испускают видимый свет в качестве отклика на бомбардировку их электронами, это и есть катодолюминесценция. Кроме люминофоров, некоторые полупроводники также могут испускать свет однородно.
Катодолюминесценция является более эффективной при низких температурах, поэтому образец часто охлаждают до температур ниже 20 К, используя в качестве хладагента жидкий гель.
Видимый свет излучается, когда в результате неупругого рассеяния первичный электрон передает энергию в несколько электронвольт электронам внешней (валентной) оболочки, которая затем испускает фотон при возврате атома в его исходное низкоэнергетичное состояние.
Энергия этого рентгеновского фотона может быть измерена и использована для идентификации атомного номера. Если характеристический рентгеновский сигнал используется для модуляции интенсивности растрового изображения при сканировании пучка, то в результате можно получить карту распределения элементов, показывающую распределение конкретных химических элементов в образце, исследуемом в растровом электронном микроскопе.
5. Условия работы растрового электронного микроскопа
Каждый оператор РЭМ может контролировать несколько параметров конкретного РЭМ, таких как ускоряющее напряжение, расстояние от образца до объективной линзы, известное как рабочее расстояние (WD), и иногда диаметр отверстия диафрагмы, используемой в объективной линзе для контроля сферической аберрации. В свою очередь, выбор этих переменных влияет на рабочие характеристики данного РЭМ.
Ускоряющее напряжение определяет: кинетическую энергию Е0 первичных электронов, их глубину проникновения, информационную глубину изображения в отраженных электронах.
Изображение во вторичных электронах не зависит от выбора Е0.
Электроны второго и третьего типа вносят вклад в виде хвоста или юбки в функцию разрешения изображения. Хотя этот факт усложняет определение пространственного разрешения, существование острого центрального пика в графике функции разрешения гарантирует, что на изображении во вторичных электронах будет присутствовать некоторое количество информации с высоким разрешением.
Рисунок 3
Хорошее разрешение изображения получают только в том случае, если РЭМ надлежащим образом сфокусирован, что выполняется путем тщательной настройки тока объективной линзы. Одновременно можно и скорректировать и астигматизм линз. В РЭМ нулевой астигматизм соответствует круглому электронному зонду, эквивалентному аксиально-симметричной функции разрешения.
6. Подготовка образцов для растрового электронного микроскопа
Одним из главных преимуществ растрового электронного микроскопа является простота пробоподготовки благодаря тому, что нет необходимости в приготовлении тонкого образца. С другой стороны, на образцах из диэлектрических материалов не имеется способа для заземления тока образца Is, и при облучении электронным зондом они могут испытывать электростатическую зарядку.
Решением проблемы электрической зарядки является напыление на поверхность образца перед исследованием его в РЭМ тонкой пленки металла либо проводящей углеродной пленки. Это выполняется в вакууме с помощью метода вакуумного испарения или сублимации.
Наиболее распространенными материалами покрытий являются золото и хром. Также используется напыленная углеродная пленка.
В тех случаях, когда нанесение проводящего покрытия является нежелательным либо проблематичным, то зарядки образца часто можно избежать путем тщательного выбора ускоряющего напряжения в РЭМ. Такая возможность появляется благодаря тому, что коэффициент эмиссии отраженных электронов и коэффициент вторичной электронной эмиссии зависят от энергии первичных электронов Е0.
Рисунок 4
Для энергии падающих электронов ниже некоторого значения Е1 общий коэффициент эмиссии электронов падает ниже 1, поскольку теперь первичные электроны не имеют достаточно энергии для образования вторичных электронов. По определению з<1, значит, снова будет иметь место отрицательная зарядка образца. Но для Е1<Е0<Е2 отрицательная зарядка отсутствует даже для проводящих образцов.
Обычно Е2 находится в диапазоне от1 до 10 кэВ. Величина Е1 обычно составляет несколько сотен вольт.
Поэтому низковольтный РЭМ является очень подходящим прибором для получения изображения непроводящих образцов. Главным недостатком использования низких значения Е0 является уширение электронного зонда в связи с хроматическими аберрациями. Эту проблему можно свести к минимуму путем использования в микроскопе полевого эмиттера и путем тщательной разработки конструкции объективной линзы для уменьшения коэффициента хроматической аберрации. Это является направлением современных исследований и разработок.
7. РЭМ с естественной средой в камере образцов
Другим подходом к решению проблемы зарядки образца является помещение образца в газовую атмосферу. Первичные электроны будут ионизировать молекулы газа. Если образец заряжается отрицательно, положительные ионы притягиваются к нему, нейтрализуя поверхностный заряд.
Давление в камере образцов может повышаться вплоть до 5000 Па. Газом, окружающим образец, часто являются пары воды.
Камера образцов с естественными условиями расширяет диапазон материалов, которые можно исследовать в РЭМ, а также позволяет избежать необходимости нанесения проводящих покрытий на образцы.
8. Количественный микроанализ в РЭМ
В случае РЭМ электроны проникают в массивный образец и проходят определенное расстояние. Поэтому количественный анализ усложняется тем фактом, что многие из генерированных рентгеновских фотонов прежде, чем покинут его, будут поглощены в материале образца. Величина поглощения зависит от химического состава. Коррекция измеренных интенсивностей для поглощения приводит к получению пересмотренного химического состава. После выполнения нескольких циклов данной процедуры рассчитанное отношение элементов должно сходится с их истинными значениями.
Другой проблемой является рентгеновская флюоресценция - процесс, в котором рентгеновские фотоны поглощаются, но генерируют фотоны более низкой энергии. Эти более низкоэнергетичные фотоны могут вносить вклад в виде ложной интенсивности характеристического пика, меняя измеренное отношение элементов. И опять, данный эффект можно рассчитать, только если известен химический состав данного образца. Поэтому решение данной проблемы заключается во включении в вышеописанный процесс коррекции на флюоресценцию, а также на поглощение. Поскольку величины поперечного сечения ионизации и выхода флюоресценции, зависят от Z, полная процедура такого расчета выполняется с помощью соответствующей программы, производящей набор и отображение рентгеновского эмиссионного спектра.
Основные итоги работы
электронный микроскоп прибор изображение
В ходе выполнения данной работы были рассмотрены и изучены основные способы и режимы получения изображения растровым электронным микроскопом, а также его основные характеристики. Можно сделать вывод, что растровый электронный микроскоп обладает рядом разных преимуществ и полезных свойств относительно других видов подобных устройств, позволяет исследовать вещества различных структур, химического состава и происхождения и обеспечивает надлежащие условия для качественного анализа.
Список литературы
1. Р.Ф. Эгертон «Физические принципы электронной микроскопии».
2. Ю.А. Новиков, А.В. Раков, П.А. Тодуа «Геометрия формирования изображения в сканирующей зондовой микроскопии», 2008.