Виды излучений при воздействии электронного луча на образец
При взаимодействии электронов зонда с объектом возникает несколько видов излучений: вторичные и отраженные электроны; электроны, прошедшие сквозь объект (если он тонкий); характеристичское рентгеновское излучение, рентгеновское тормозное излучение и катодолюминесценция. Эти излучения детектируются в РЭМ специальными датчиками. Обычно при получении изображения в РЭМ регистрируются вторичные или отраженные электроны, выбитые из поверхности (реже, поглощенные образцом электроны). Индуцированное сфокусированным электронным лучом рентгеновское излучение и катодолюминесценция используются для получения дополнительной информации о химическом составе материала исследуемого образца (рентгеноспектральный микроанализ), так как спектры этих излучений содержат информацию о структуре энергетических уровней атомов, с которыми взаимодействовал зондирующий электронный луч РЭМ.
Электрон можно выбить с внутренней оболочки атома, если энергия первичного электрона выше энергии, требуемой для такого процесса. В результате этого атом ионизируется, а его энергия увеличивается на величину энергии ионизации. Затем начинается релаксация возбужденного состояния путем перехода на образовавшийся уровень более высоко лежащих электронов. Такие переходы сопровождаются излучением фотона. Если электрон был выбит с внутренней оболочки атома, то энергия фотона будет соответствовать рентгеновской области спектра.
Катодолюминесценция. Под действием электронного пучка оптически активные материалы излучают видимый свет. Оптически активные области образца выглядят более яркими. Образец можно наблюдать при помощи оптического микроскопа, и разрешение в этом случае лимитируется длиной световой волны. Излучаемый свет собирают фотоприемником, усиливают, а изображение проектируют на монитор. В этом случае разрешение может быть заметно выше, чем в первом случае (т. е. быть заметно меньше длины световой волны).
Оптическая активность — это способность среды (кристаллов, растворов, паров вещества) вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё оптического излучения (света). Метод исследования оптической активности — поляриметрия.
При достаточно высокой энергии падающих на образец электронов они могут выбивать из внутренних оболочек атомов так называемые Оже-электроны. На анализе энергии Оже-электронов построены Оже-спектрометры и Оже-микроскопы. Энергетические спектры Оже-электронов зависят от Z номера элемента входящего в состав образца, поэтому они широко используются для определения состава поверхности твердых тел.
Эффект Оже — явление в физике, в ходе которого происходит заполнение электроном вакансии, образованной на одной из внутренних электронных оболочек атома путём «выбивания» другого электрона рентгеновским излучением. Эффект Оже был открыт в 1925 году на основе анализа экспериментов в камере Вильсона.
При «выбивании» излучением на внутренней электронной оболочке образуется вакансия. Такое состояние неустойчиво и электронная подсистема стремится минимизировать энергию за счёт заполнения вакансии электроном с одного из вышележащих уровней энергии атома. Выделяющаяся при переходе на нижележащий уровень энергия может быть испущена в виде кванта характеристического рентгеновского излучения, либо передана третьему электрону, который вынужденно покидает атом. Первый процесс более вероятен при энергии связи электрона, превышающей 1 кэВ, второй — для лёгких атомов и энергии связи электрона, не превышающей 1 кэВ.
Второй процесс называют по имени его открывателя Пьера Оже — «эффектом Оже», а высвобождающийся при этом электрон, которому был передан избыток энергии, — Оже-электрон. Энергия Оже-электрона не зависит от энергии возбуждающего излучения, а определяется структурой энергетических уровней атома.
В связи с тем, что электроны с энергией 5–2000 эВ, используемые в ожеспектроскопии, сильно рассеиваются в твердом теле, данным метод позволяет исследовать лишь тонкий поверхностный слой толщиной 1–2 нм.
Принцип оже-процесса схематически представлен на рисунке. Первичный электрон, обычно имеющий энергию в диапазоне 2–10 кэВ, выбивает электрон с глубокого уровня, после чего оба электрона покидают атом. На рис. а показано образование электронной вакансии на K-уровне. Эта вакансия заполняется электроном с более высокого уровня, скажем, с L1-уровня. Ионизированный атом оказывается в сильно возбужденном состоянии и быстро релаксирует в более низкое по энергии состояние в результате одного из двух возможных процессов:
— оже-эмиссии (безызлучательного перехода);
— рентгеновской флуоресценции (излучательного перехода)
Тормозное рентгеновское излучение возникает при торможении электронов, движущихся с большой скоростью, электрическими полями атомов анода. Условия торможения отдельных электронов не одинаковы. В результате в энергию рентгеновского излучения переходят различные части их кинетической энергии.
Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от природы вещества анода. Как известно, энергия фотонов рентгеновских лучей определяет их частоту и длину волны. Поэтому тормозное рентгеновское излучение не является монохроматическим. Оно характеризуется разнообразием длин волн, которое может быть представлено сплошным (непрерывным) спектром
Рентгеновские лучи не могут иметь энергию большую, чем кинетическая энергия образующих их электронов. Наименьшая длина волны рентгеновского излучения соответствует максимальной кинетической энергии тормозящихся электронов. Чем больше разность потенциалов в рентгеновской трубке, тем меньшие длины волны рентгеновского излучения можно получить.
Схема генерации различных излучений при воздействии электронного пучка на образец представлена на рис. 1.
При проникновении первичных электронов в образец они рассеиваются во всех направлениях, поэтому внутри образца происходит расширение пучка электронов. Участок образца, в котором первичные электроны тормозятся до энергии Е=0, имеет грушевидную форму. Боковое расширение электронного пучка в образце в этом случае имеет величину от 1 до 2 мкм, даже когда зонд имеет диаметр 10 нм. Расхождение электронов приводит к тому, что площадь выхода на поверхность образца отраженных и вторичных электронов будет больше фокуса электронного пучка.
ОТРАЖЕННЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ образуются при рассеивании падающих на образец первичных электронов в результате однократного упругого рассеивания или в результате многократного рассеивания на малые углы. В конечном итоге первичные электроны, испытав ряд взаимодействий с атомами образца и теряя при этом энергию, изменяют траекторию своего движения и покидают поверхность образца. Размеры области генерации отраженных электронов возрастают с увеличением ускоряющего первичные электроны напряжения и уменьшения среднего атомного номера Z элементов, входящих в состав образца. Протяженность области может изменяться от 0,1 до 1 мкм. Сечение, с которого получают сигнал, будет существенно больше сечения зонда (рис. 1). Поэтому разрешение РЭМ в режиме регистрации отраженных электронов небольшое и изменяется от десятков нанометров при работе с невысокими ускоряющими напряжениями и тяжелыми материалами до сотен нанометров при работе с большими ускоряющими напряжениями и легкими материалами. Важной особенностью эмиссии отраженных электронов является ее зависимость от Z атомного номера элементов. Если атомный номер атомов материала в точке падения первичного пучка электронов мал (легкие атомы), то образуется меньшее количество отраженных электронов с малым запасом энергии. В областях образца, содержащих высокую концентрацию атомов с большим атомным номером (тяжелые атомы), большее число электронов отражается от этих атомов и на меньшей глубине в образце, поэтому потери энергии при их движении к поверхности меньше. Эти закономерности используются при получении изображений в отраженных электронах.
Доля отраженных электронов зависит от атомного номера материала и почти не зависит от энергии пучка. Электроны отражаются назад в поверхностном слое, толщина которого примерно равна длине свободного пробега. Радиус этой области также близок к длине свободного пробега, которая значительно меньше полной глубины проникновения электронов. Средняя энергия отраженных электронов меньше энергии первичного пучка, но имеет тот же порядок величины. Основа сканирующего электронного микроскопа — электронная пушка и электронная колонна, функция которой состоит в формировании остросфокусированного электронного зонда средних энергий (200 эВ — 50 кэВ) на поверхности образца.
Получение изображения в отраженных электронах представляет особый интерес тем, что эмиссия этих электронов зависит от порядкового номера химического элемента. Отраженные электроны регистрируются полупроводниковым (кремниевым) детектором. Разрешение изображения, получаемого в отраженных электронах, ниже, чем получаемого с помощью вторичных электронов (иногда на порядок величины). Контраст изображения обусловлен зависимостью коэффициента отражения от угла падения первичного пучка и атомного номера вещества. На плоской поверхности образца участок материала с более высоким средним порядковым номером атомов отражает большее количество электронов. Он выглядит на экране более светлым относительно других участков образца. Этот режим используется для определения количественного состава приповерхностных слоев образца.
ВТОРИЧНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ. Первичные электроны, проникающие в образец, взаимодействуют с электронами внешних оболочек атомов объекта, передавая им часть своей энергии. Происходит ионизация атомов образца, а высвобождающиеся в этом случае электроны могут покинуть образец в виде вторичных электронов. Они характеризуются очень малой энергией до 50 эВ и поэтому выходят из участков образца очень близких к поверхности (рис.1). 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 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. Количество образующихся вторичных электронов слабо зависит от атомного номера элемента. Основным параметром, определяющим выход вторичных электронов, является угол падения пучка первичных электронов на поверхность объекта. Таким образом, вариации наклона микроучастков поверхности вызывают резко выраженные изменения в выходе вторичных электронов. Этот эффект используется для получения информации о топографии поверхности.
Электрический ток, появляющийся при облучении материала пучком электронов, обусловлен в основном эмиссией вторичных электронов с поверхности образца. Коэффициент эмиссии вторичных электронов определяется как количество электронов, выбитых из поверхности материала одним первичным электроном. Он всегда больше единицы и может достигать нескольких сотен. Энергия вторичных электронов обычно равна 10-50 эВ, но она может достигать и 200 эВ. По этой причине вторичные электроны легко отклоняются управляющей сеткой (запирающим напряжением) и собираются с очень высокой степенью эффективности (близкой к 100%). Низкая кинетическая энергия вторичных электронов сильно ограничивает их длину свободного пробега. Как следствие, они могут покинуть образец, если появились очень близко к поверхности, на расстоянии не более 1 – 2 нм от нее. Поэтому при использовании сигнала вторичных электронов разрешающая способность микроскопа определяется лишь диаметром первичного пучка, а не рассеянием электронов в пучке.
Факторы, влияющие на вторичную эмиссию. Эмиссия вторичных электронов определяется четырьмя факторами.
Работой выхода. Её определяют как энергию, которую нужно передать электрону, находящемуся на уровне Ферми, чтобы он смог покинуть материал. Типичные значения работы выхода равны нескольким эВ, причем она зависит как от состава, так и от структуры (упаковки атомов) поверхности. Работа выхода зависит от наличия поверхностного адсорбированных атомов и загрязняющей пленки.
Энергией и интенсивностью пучка. Казалось бы, увеличение энергии первичного электрона должно увеличивать количество вторичных электронов. Однако при этом уменьшаются потери энергии в приповерхностной области, и доля достигающих поверхность вторичных электронов уменьшается. С другой стороны, количество вторичных электронов всегда прямо пропорционально току первичного пучка.
Плотностью образца. Отметим, что плотность материала влияет на коэффициент эмиссии вторичных электронов не слишком сильно. Так как тяжелые материалы имеют небольшую длину свободного побега, потери энергии в поверхностной области повышены. Это приводит к увеличению количества вторичных электронов. Наиболее яроко роль плотности проявляется при невысокой энергии пучка, когда длина свободного пробега сравнительно мала. Влияние вариации плотности маскируется поверхностной пленкой.
Топографией поверхности. Наиболее сильно на выход вторичных электронов влияют неровности поверхности. Выступающие из поверхности области (имеющие положительный радиус кривизны) имеют повышенный выход вторичных электронов. Напротив, в углублениях (отрицательная кривизна) выход вторичных электронов понижен вследствие их возврата в образец. Поскольку вторичные электроны попадают в ускоряющее электрическое поле, они достигают анода, даже если были выбиты из областей, находящихся вне его «зоны прямой видимости». Использование вторичных электронов наилучшим образом подходит для неровных поверхностей, что позволяет получить высокое решение и хорошую контрастность.
При воздействии зонда часть генерируемых электронов остается в объеме образца. Так, при энергиях первичного пучка 10 – 20 кэВ примерно 50% от общего числа образующихся вторичных и отраженных электронов достигают поверхности образца и покидают ее. Оставшиеся электроны образуют ток поглощенных электронов. Его можно измерить, и он будет равен разности между током зонда и токами отраженных и вторичных электронов. Эта разность также может быть сигналом для получения изображения, на которое оказывают влияние как топографический, так и композиционный эффекты. Разрешающая способность при получении изображений в этом случае имеет такой же порядок, как и для отраженных электронов. Из-за малой разрешающей способности этот метод получения изображений используется редко.