1.2 Устройство и работа растрового электронного микроскопа

В основе работы микроскопа лежит принцип сканирования исследуемой поверхности тонким электронным зондом.

В результате взаимодействия зонда с веществом образуются разные токи, которые улавливаются соответствующими приёмниками и преобразуются в видеосигнал. Полученный видеосигнал поступаёт на телевизионный тракт, где он усиливается, преобразуется в телевизионный сигнал с последующим воспроизведением изображением на экране кинескопа видеоконтрольного устройства .

Тонкий электронный зонд на поверхности исследуемого образца формируется электронной оптической системой микроскопа (рисунок 1.5),которая включает в себя:

а) источник электронов – электронная пушка;

б) две формирующие электромагнитные линзы – конденсор и объектив;

в) стигматор;

г) отклоняющая система.

Трехэлектродная электронная пушка состоит из «V» образного катода прямого накала, управляющего электрода и анода. Анод пушки заземлен, а к катоду приложено ускоряющее напряжение отрицательной полярности. На управляющий электрод, подается отрицательное (относительно катода) напряжение смещения, которое позволяет регулировать ток пучка, выходящего из пушки, Напряжение смещения образуется в результате протекания тока эмиссии катода по сопротивлению смещения. Известно два режима работы пушки: режим насыщения и режим пространственного заряда.

а) В режиме насыщения эмитированного с катода электроны непосредственно используются для формирования пучка. В этом режиме пучок имеет структуру, определяемую неоднородностями эмиссии с катода. Эти неоднородности видны на контрольном экране в виде расходящихся полос. Вызываются они структурой вольфрамовой проволоки, образовавшейся в процессе изготовления. Режим насыщения образуется при недостаточной эмиссии катода (т.е. при недостаточном токе накала) и малом (по абсолютной величине) напряжении смещения. Этому может также способствовать слишком большая длина катода, в результате чего его вершина входит внутрь отверстия управляющего электрода.

б) В режиме пространственного заряда перед катодом образуется электронное облачко пространственного заряда, которое и является непосредственным источником. В облаке происходит усреднение электронов, эмитированных различными участками катода, поэтому электронный пучок не несет на себе следов структуры самого катода.

Рабочим режимом пушки является режим пространственного заряда. Переход от режима насыщения к режиму пространственного заряда осуществляется путем увеличения тока накала или увеличением (по абсолютной величине) напряжения отрицательного смещения. Ток накала должен устанавливаться таким, чтобы дальнейшее его увеличение не вызывало повышение яркости пятна на экране. С течением времени происходит испарение материала катода, его диаметр уменьшается и для поддержания неизменной температуры катода следует несколько снижать ток накала по сравнению с первоначальным. Это способствует увеличению срока службы катода. В рабочем режиме распределение температуры по длине катода сказывается резко неравномерным. Концы катода охлаждаются держателями, а на вершине катода происходит некоторое снижение температуры за счет отбора эмитированных электронов. Поэтому наиболее высокая температура образуется на боковых участках катода, на расстоянии, примерно, 1/3 от его вершины. В этих местах охлаждающее действие держателей не сказывается, а ток эмиссии не отбирается.

Здесь в результате наиболее интенсивного термического испарения и происходит, как правило, перегорание катода. Если перегорание катода происходит на вершине, это свидетельствует обычно о неправильном режиме работы пушки или чаще всего плохом вакууме в колоне микроскопа. В условиях плохого вакуума происходит интенсивное разрушение вершины катода положительными ионами остаточного газа.

При работе пушки с небольшим (по абсолютной величине) напряжением смещения удается получить более интенсивный электронный пучок и, следовательно, более контрастное изображение. Но при этом получения режима пространственного заряда приходится сильнее накаливать катод, что приводит к сокращению срока его службы. Поэтому, когда это возможно, особенно при работе микроскопа с небольшими увеличениями целесообразно увеличивать напряжение смещения и снижать ток накала, что поможет увеличить срок службы катода.

Если ток накала или напряжение смещения становятся недостаточными, катод приобретает собственную структуру с несколькими максимумами интенсивности, а изображение исследуемого объекта на экране кинескопа становится многоконтурным или размазанным.

Электронный пучок выходящий из пушки, имеет форму слабо расходящегося конуса, вершина которого, кроссовер, лежит между анодом и управляющим электродом. Кроссовер, отображается с уменьшением в плоскости исследуемого образца посредством двух линзовой оптической системы.

Первая линза – конденсор даёт промежуточное уменьшенное изображение кроссовера, которое затем перебрасывается в плоскость образца второй линзой – объективом.

Перед зазором конденсора и после него установлены 2 ограничивающие диафрагмы, которые предотвращают попадание пучка на стенки внутренних каналов полюсных наконечников и отклоняющей системы.

Между конденсором и объективом установлена отклоняющая система и стигматор, намотанные на общем каркасе.

Стигматор предназначен для исправления астигматизма объективной линзы, который вызывается неоднородностью материала линзы, неточностями изготовления или загрязнения, возникшими в процессе работы. Эти причины обуславливают искажения формы пятна на образце, (вместо круглого, оно становится эллиптическим), что приводит к размазыванию деталей изображения в определенном направлении.

При изменении тока объектива вблизи положения точной фокусировки (перефокусировка – недофокусировка) происходит поворот эллипса на 90°, соответствующий поворот направления размытия деталей на изображении.

Коррекция астигматизма объектива производится путем предварительного искажения формы пучка; входящую в объективную линзу. Для этого служат катушки электромагнитного стигматора. Стигматор состоит из 8 катушек, разделенных на две электрические независимые секции. Каждая секция состоит из соединенных последовательно четырех катушек, намотанных на общем каркасе. Катушки включены таким образом, что поля противоположных катушек направлены навстречу друг другу (рисунок 1.6).

Результирующее поле подобной конфигурации вызывает сжатие электронного пучка в одном направлении и растягивание его в одном направлении и растягивание в противоположном, при изменении направлении тока в одной из секций катушек на противоположное происходит поворот эллипса на 90°. Оси катушек одной секции стигматора сдвинуты относительно другой на 45°, что позволяет путем независимого изменения величины и направления токов в секциях регулировать величину и направление вносимой эллиптичности пучка перед объективом.

На общем каркасе со стигматором ближе к зазору объектива намотана отклоняющая система развертки, состоящая из строчных и кадровых отклоняющих катушек, оси которых взаимно перпендкулярны.

Объективная линза отображает промежуточное изображение источника на образце. При регулировки тока объектива производится фокусировка пятна на образце, следовательно, и фокусировка изображения. В зазоре объектива установлена юстируемая апертурная диафрагма, которая определяет апертуру электронного пучка на образце. При уменьшении диаметра этой диафрагмы апертура уменьшается; вместе с тем снижаются и аберрации объектива, которые пропорциональны апертуре пучка.

Уменьшение апертуры вызывает также увеличение глубины резкости изображения, но при уменьшении диаметра диафрагмы происходит также снижение тока зонда на образце и понижение контраста изображения. Поэтому диаметр апертурной диафрагмы выбирается обычно в пределах 0,5 – 1,0 мм в зависимости от конкретных условий работы.

Разрешающая способность растрового микроскопа определяется в основном диаметром зонда на образце. При этом предполагается, что ток пучка еще достаточен для формирования видеосигнала. Диаметр зонда на образце складывается из уменьшенного линзами диаметра источника и кружков размытия, вызванных аберрациями оптики. В растровых микроскопах среднего разрешения наиболее существенной является сферическая аберрация объективной линзы, пропорциональная кубу апертуры пучка на образце. Существенно снизить сферическую аберрацию можно путём значительного уменьшения коэффициента сферической аберрации, что происходит при помещении исследуемого образца в пределы немагнитного зазора объективной линзы. Возможность помещения образца в немагнитный зазор объектива является отличительной особенностью микроскопа.

Наиболее высокое разрешение наблюдается в том случае, когда образец помещается вблизи середины немагнитного зазора объектива. К сожалению, в этом случае происходит некоторое снижение глубины резкости, поэтому положение образца приходится подбирать в зависимости от конкретных условий работы и вида образцов

Диаметр канала полюсных наконечников объектива выбран достаточно большим (30 мм) для того, чтобы большинство практически встречающихся образцов можно было вводить в пределы немагнитного зазора.

Объектив, в котором образец может помещаться в область сильного магнитного поля, называется объективом высокого возбуждения или магнитным иммерсионным объективом.

При помещении образца в магнитное поле отбор вторичных электронов с него на коллектор становится невозможным. Поэтому установка образца в зазор возможна только в режиме поглощения электронов.

Для работы в режиме вторичных электронов в объектив вставляется полюсный наконечник с малым диаметром канала.

С развертывающего устройства ВКУ отклоняющие токи пилообразной формы поступают на кадровые и строчные катушки отклоняющей системы, разворачивая электронный зонд в телевизионный растр на поверхности образца.

Для образования идеального растра на поверхности объекта и экране кинескопа необходимо, чтобы:

а) движение луча вдоль каждой строки происходило с постоянной скоростью;

б) расстояние между строками были одинаковыми;

в) все строки по длине были равны между собой.

Кроме того, необходимо, чтобы совпадали моменты начала и конца строк растров на объекте и приемной трубке (кинескопе). Требования постоянства скорости движения луча и сохранения одинаковых расстояний между сроками диктуется тем, что только в этом случае четкость изображения и яркость свечения экрана будут постоянны по всему полю. Требования равенства длины всех строк обуславливается тем, что растр должен иметь прямоугольную форму.

В точке встречи электронного зонда с исследуемым образцом возникают вторичные, отраженные, поглощенные и прошедшие насквозь электроны (при исследовании тонких пленок прозрачных для электронов). Любой из этих токов можно собрать на коллектор и использовать в качестве полезного видеосигнала. Сигнал с коллектора поступает в телевизионный видеоусилительный тракт, где производится его усиление, коррекция и введение в видеоусилитель различных импульсных сигналов. Сформированный телевизионный сигнал модулирует приёмной электронно-лучевой трубки (кинескопа) по яркости и на экране воспроизводится увеличенное изображение поверхности исследуемого объекта.

Увеличение изображения равно отношению размеров растров на экране кинескопа и поверхности исследуемого объекта.

Наиболее простым режимом работы растрового микроскопа является получение видеосигнала в поглощенных электронах. Предельное разрешение для этого режима 0,5 мкм. Для достижения предельного разрешения образец помещается в середину магнитного поля объектива. При этом диаметр зонда на образце достигает минимума. Так как снятие видеосигнала происходит непосредственно с образца, то образец подключается к входу высокочувствительного видиоусилителя. Поэтому образец должен быть хорошо изолирован, экранирован и иметь минимальную емкость относительно корпуса. Кроме того, на образец подается постоянный потенциал отрицательной полярности для улучшения отбора с образца вторичных электронов. Образование видеосигнала происходит следующим образом:

При взаимодействии первичного пучка  (рисунок 1.7) с образцом возникает вторичный эмиссионный ток - , образуя напряжение видеосигнала. Сопротивление нагрузки выбирается порядка 50100 кОм. Отсюда понятны требования минимальной ёмкости образца относительно корпуса, ибо эта ёмкость шунтирует сопротивление нагрузки. При снятии сигнала с образца в образовании сигнала участвует все уходящие с образца вторичные электроны независимо от направления их начальных скоростей. Постоянный потенциал на образце подбирается в зависимости от материала исследуемого образца и его положение относительно поверхности наконечника объектива. Наилучшее разрешение достигается при симметричном расположении образца относительно поверхности наконечника объектива. Как уже говорилось выше, для достижения предельного разрешения объект необходимо помещать в магнитное поле объективной линзы, при этом объективный отрезок становится очень малым (при этом минимальным становится коэффициент сферической аберрации), а апертурной угол пучка на объективе сравнительно большим. Поэтому глубина резкости изображения на приборе в режиме поглощенных электронов получается небольшой и лежит в пределах 13 мкм.

Вторым режимом работы микроскопа является получение изображения за счет вторичных – эмиссионного тока с образца.

Предельное разрешение для этого режима 0,6 мкм.

В канал объективной линзы необходимо внести полюсный наконечник с отверстием в канале 4 мм.

Вторичные электроны, имеющие энергию 050 эВ, выходят из приповерхностных атомных слоев и поэтому несут богатую информацию, о состоянии поверхности объекта.

При развертки электронного зонда по поверхности образца, причиной изменения величины сигнала от точки к точке может быть изменение угла между падающим электронным лучом и перпендикуляром к поверхности образца в точке падения электронного луча.

i = k·secθ

При изменении угла θ от точки к точке, меняется расстояние выхода вторичных электронов до поверхности, а, следовательно, и количество вышедших электронов.

Процесс формирования изображения в растровом электронном микроскопе (особенно в режиме вторичных электронов) во многом аналогичен формированию изображения при наблюдении объектов простым глазом в световой микроскоп. В растровом микроскопе исследуемый образец облучается пучком с малой апертурой, а сигнал отбирается в широком угле (коллектор обладает слабой направленностью). При визуальном наблюдении объект обычно освещается в широком угле (рассеянное освещение), а наблюдение производится в пределах малой апертуры (глаз). Подобная аналогия обуславливает сходство изображений при визуальном наблюдении и при наблюдении в растровый микроскоп, а также облегчает интерпретацию изображения в растровом микроскопе.

Получение видеосигнала в режиме вторичных электронов происходит следующим образом.

При взаимодействии первичного пучка  (рисунок 1.8) с образцом возникает вторичная эмиссия, ток . Образец при этом находится нулевым потенциалом. Вторичные электроны с поверхности образца отбираются и регистрируются сцинтилляционным коллектором. Сцинтилляционный коллектор включает в себя:

а) вытягивающий электрод;

б) ускоряющий электрод;

в) сцинтиллятор;

г) светопровод;

д) фотоэлектронный умножитель ФЭУ – 68.

Вытягивающий электрод предоставляет собой сетку с шагом порядка 2 мм и помещается в камере образцов на некотором расстоянии от оси пучка. На него подаётся положительный потенциал порядка 350 вольт. Отобранные вторичные электроны, пройдя сетку, попадают в поле действия ускоряющего электрода, где они разгоняются до скоростей порядка 10 кэВ и, попадая на сцинтиллятор, вызывают его свечение. По светопроводу свет поступает на ФЭУ, с выхода которого сигнал подаётся на усилитель. Полярность видеосигнала при снятии сигнала с образца и её сцинтилляционного коллектора противоположны, так как вторично-эмиссионный ток  и разностный ток  в этих случаях противоположны по величине.

1.3 Устройство и работа составных частей микроскопа

1.3.1 Общая компоновка микроскопа

Микроскоп растровый электронный низковольтный РЭМН – 2У4.1 представляет собой моноблочную конструкцию, которая объединяет:

1. Колонну;

2. Вакуумную систему;

3. Электропитающее устройство;

4. Видеоконтрольное устройство (ВКУ);

5. Стенд.

1.3.2 Колонна (рисунок 1.9)

Колонна РЭМН – 2 представляет собой электронно-оптическую систему, предназначенную для формирования на поверхности исследуемого объекта электронного зонда, от диаметра которого зависит разрешаемое расстояние микроскопа.

Страницы: 1, 2, 3