Растровый (сканирующий) электрический микроскоп (РЭМ, СЭМ) — прибор, позволяющий получать изображения поверхности эталона с огромным разрешением (несколько нанометров). Ряд дополнительных способов позволяет получать информацию о хим составе приповерхностных слоёв.
Механизм работы РЭМ
Узкий электрический луч генерируется электрической пушкой, которая играет роль источника электронов, совмещенного с электрическими линзами, которые играют ту же роль по отношению к электрическому пучку как фотонные линзы в оптическом микроскопе к световому сгустку. Катушки, расположенные согласно двум взаимоперпендикулярным фронтам (x, y), перпендикулярным направлению пучка (z) и контролируемые синхронизированными токами, позволяют подвергнуть зонд сканированию подобно сканированию электрического пучка в электронно-лучевой трубке телека. Электрические линзы (обычно сферические магнитные) и отклоняющие катушки образуют систему, именуемую электрической колонной. В современных РЭМ изображение регится только в цифровой форме.
Рис. 3. 14 Внешний облик и устройство растрового электрического микроскопа
База сканирующего электрического микроскопа — электрическая пушка и электрическая колонна, функция которой состоит в формировании остросфокусированного электрического зонда средних энергий (10 — 50 кэВ) на поверхности эталона. Прибор обустроен вакуумной системой (в современных моделях микроскопов высочайший вакуум желателен, но не обязателен). Также в каждом РЭМ есть предметный столик, позволяющий перемещать эталон минимум в 3-х направлениях. При содействии зонда с объектом появляются некоторое количество видов излучений, каждое из которых может быть преобразовано в электронный сигнал. Зависимо от механизма регистрирования сигнала различают несколько режимов работы сканирующего электрического микроскопа: режим вторичных электронов, режим отражённых электронов, режим катодолюминесценции и др.
РЭМ оснащаются сенсорами позволяющими отобрать и проанализировать излучение возникшее в процессе взаимодействия и частички изменившие энергию в итоге взаимодействия электрического зонда с прототипом. Разработанные методики позволяют изучить не только лишь характеристики поверхности эталона, да и визуализировать информацию о свойствах подповерхностных структур.
Главные типы сигналов, которые генерируются и детектируются в процессе работы РЭМ:
- вторичные электроны (ВЭ либо режим рельефа)
- отражённые электроны (ОЭ либо режим фазового контраста)
- прошедшие через эталон электроны (употребляется для исследования органических объектов)
- дифракции отражённых электронов (ДОЭ)
- утраты тока на образчике (ПЭ либо сенсор поглощенных электронов)
- ток, прошедший через эталон (ТЭ либо сенсор прошедших электронов)
- характеристическое рентгеновское излучение (ренгеноспектральный микроанализ)
- ВДА (волнодисперсионный анализ)
- световой сигнал (катодолюминесценция).
Все вероятные типы сенсоров, установленные на одном приборе встречаются очень изредка.
Сенсоры вторичных электронов — 1-ый и обычно устанавливаемый на все РЭМ тип сенсоров. В этом режиме разрешающая способность РЭМ максимальна. Разрешение сенсоров вторичных электронов в современных устройствах уже довольно для наблюдения субнанометровых объектов. Из-за очень узенького электрического луча РЭМ владеют очень большой глубиной резкости (0,6-0,8 мм), что на два порядка выше, чем у оптического микроскопа и позволяет получать точные микрофотографии с соответствующим трехмерным эффектом для объектов со сложным рельефом. Это свойство РЭМ очень полезно для осознания поверхностной структуры эталона.
Вторичные электроны. В итоге взаимодействия с атомами эталона электроны первичного пучка могут передать часть собственной энергии электронам из зоны проводимости, другими словами слабо связанным с атомами. В итоге такового взаимодействия может произойти отрыв электронов и ионизация атомов. Такие электроны именуются вторичными. Эти электроны обычно владеют маленький энергией (порядка 50 эВ). Хоть какой электрон первичного пучка обладает энергией, достаточной для возникновения нескольких вторичных электронов.
Потому что энергия вторичных электронов невелика, их выход вероятен только с приповерхностных слоев материала (наименее 10 нм). Благодаря маленький кинетической энергии эти электроны просто отклоняются маленький разностью потенциалов. Это делает вероятным значительно повысить эффективность сенсоров и получить качественные изображения с неплохим отношением сигнал/шум и разрешением порядка 4 нм при поперечнике пучка 3 нм.
Принимая во внимание, что вторичные электроны генерируются приповерхностными слоями, они очень чувствительны к состоянию поверхности. Малые конфигурации отражаются на количестве собираемых электронов. Таким макаром этот тип электронов несет внутри себя инфорамцию о рельефе эталона.
Отражённые электроны (ОЭ) — это электроны пучка, отражённые от эталона упругим рассеиванием. ОЭ нередко употребляются в аналитическом РЭМ вместе с анализом характеристических спектров рентгеновского излучения. Так как интенсивность сигнала ОЭ впрямую связана со средним атомным номером (Z) засвечиваемой области эталона, изображения ОЭ несут внутри себя информацию о рассредотачивании разных частей в образчике.
Рентгеновское излучение генерируется в случае, когда электрический луч выбивает электроны с внутренних оболочек частей эталона, заставляя электрон с более высочайшего энергетического уровня перейти на нижний уровень энергии с одновременным испусканием кванта рентгеновского излучения. Детектирование диапазона рентгеновского излучения позволяет идентифицировать состав и измерить количество частей в образчике.
Достоинства РЭМ:
- значимая глубина резкости изображения (объемность);
- огромные размеры объектов;
- простота системы электрической оптики;
- большой спектр увеличений: от 3-х раз до 150 000 раз.
Размер электрического зонда и размер области взаимодействия зонда с прототипом намного больше расстояния меж атомами мишени. Таким макаром, разрешение сканирующего электрического микроскопа не так велико, чтоб показывать атомарные масштабы, как это может быть, к примеру, в просвечивающем электрическом микроскопе. Но, сканирующий электрический микроскоп имеет свои достоинства, включая способность визуализировать сравнимо огромную область эталона, способность изучить мощные мишени (а не только лишь тонкие пленки), также обилие аналитических способов, позволяющих определять фундаментальные свойства материала мишени. Зависимо от определенного прибора и характеристик опыта, может быть получено разрешение от 10-ов до единиц нанометров.
Сканирующие микроскопы используются сначала как исследовательский инструмент в физике, электронике, биологии.
Рис. 3.15 Микрофотография пыльцы растений и интерфейса меж оксидной (черные поля) и железной (светлые поля) составляющими
Получение изображения исследуемого эталона может очень изменяться зависимо от используемого типа сенсора. Эти различия позволяют делать вывод о физике поверхности, проводить исследование морфологии поверхности. Электрический микроскоп фактически единственный прибор, который может дать изображение поверхности современной микросхемы либо промежной стадии фотолитографического процесса. В новейшей технологии сканирующей микроскопии употребляются атомы гелия заместо электронов.
