книги из ГПНТБ / Деркач, В. П. Электроннозондовые устройства

энергии создает в обедненном слое пары электрон — дырка; их диф­ фузия соответственно к слоям р- и «-типа вызывает появление тока во внешней цепи. Частично ток во внешней цепи обусловлен также диффузией в обедненный слой вызванных облучением в р- и «-слоях

рованный лучом ток определяется суммой всех приращений заряда.

В реальных случаях эквивалентные схемы должны учитывать параллельные пути утечки, через которые равновесие перехода вос­ станавливается без протекания тока через усилитель, взаимодейст­ вие близко расположенных переходов и т. д.

150

Из-за неоднородностей образца локально изменяется ток во внешней цепи образца, что обусловливает контраст изображения на микроснимках. Например, наличие поверхностных ловушек или центров рекомбинации приводит к тому, что часть носителей не мо­ жет продиффундировать к переходу, в результате чего наблюдается локальное уменьшение тока. Если в самом обедненном слое имеются ловушки, то они тоже уменьшают сигнал и замедляют накопление заряда; поэтому сигнал с данного участка образца может прийти в момент, соответствующий облучению соседнего, а это ухудшает раз­ решение. Если имеются микротрещины, тонкие (С 200 А) пленки за­ грязнения, то они изменяют эффек­

ионизация, в результате которой на каждую пару носителей, ин­ жектированную в обедненный слой, им коллектируется в некоторое число раз большее количество пар и во столько же раз умножается ток. Если свойства перехода неоднородны, то это можно зафиксиро­ вать по изменению выходного сигнала. Например, при наличии ло­ кального увеличения поля с ростом смещения сигнал от этой области растет быстрее, чем от прочих областей; это место может быть наи­ более вероятным для электрического пробоя.

Если при приложении внешнего смещения в области потенциаль­ ных барьеров, например в гетеропереходе, создаются настолько сильные электрические поля, что индуцируемые лучом носители могут туннелировать, то происходит локальное увеличение сигнала во внешней цепи, что тоже создает контраст изображения.

Теперь рассмотрим объект, в котором при облучении не происхо­ дит накопления заряда, например заземленный металлический обра­ зец. При сканировании зондом через образец протекает мгновенный ток «поглощенных» им электронов, который является разностью первичного тока и тока отраженных и вторичных электронов. По­ этому на образуемый им контраст воздействуют те факторы, о кото­ рых говорилось при обсуждении контраста, создаваемого за счет вторичных и отраженных электронов.

151

И сп ол ь зов ан и е к атодол ю м ин есц ен ц и и

Неоднородности объекта могут также влиять на контраст изоб­ ражения, формируемый с помощью сигналов катодолюминесцентно­ го излучения. Например, наличие на гладкой поверхности образца тонкой пленки изменяет коэффициент отражения первичных элект­ ронов и коэффициент отражения испускаемого света. Если при этом примесь диффундирует в образец неравномерно или на поверхности образца имеется неравномерно распределенный заряд, то это приво­ дит к изменению заполнения локализованных состояний, что выра­ жается в локальном изменении скорости поверхностной рекомбина­ ции. Имеющиеся в образце пустоты, дислокации и другие дефекты могут служить добавочными центрами рекомбинации, изменять плот­ ность созданных лучом пар электрон — дырка, рассеивать реком­ бинационное излучение.

Контраст в просвечивающем растровом электронном микроскопе

До недавнего времени считалось, что в ПРЭМе не могут быть по­ лучены некоторые виды контраста изображения, свойственные обыч­ ному просвечивающему электронному микроскопу. Например, счи­ талось, что созданное ПРЭМом изображение лишено фазового конт­ раста (см., например, [18,412]), из-за чего в нем нельзя обнаруживать детали строения тонких объектов, не обладающих достаточным амп­ литудным контрастом. Однако более поздние исследования [433—

4351 показали, что в ПРЭМе наблюдаются многие характерные для обычных просвечи­ вающих микроскопов явления, в том числе и фазовый контраст, а также могут быть полу­ чены новые виды контраста. В работе [434] с помощью ПРЭМа, в котором в лабораторных условиях было достигнуто разрешение 5 А, получены микрофотографии с контурами экстинкции, френелевыми полосами, картины фазового и дифракционного контраста.

Объяснение идентичности формирования изображения в ПРЭМе и ПЭМе основано на том, что в случае использования сходящегося высококогерентного луча оптические схемы обоих микроскопов в некотором смысле обра­ щены относительно друг друга. Это является

следствием фундаментальной теоремы обратимости Гельмгольца, согласно которой точечный источник в любой точке А, создающий определенную амплитуду в точке В плоскости регистрации, будет создавать ту же амплитуду в А, когда его поместить в В. На рис. 81, а (ПРЭМ) электроны из одной точки А источника сфокуси­ рованы на объекте, и интенсивность изображения наблюдается в

152

точке В детектора на большом расстоянии от объекта. На рис. 81, б (ПЭМ) электроны из точки В' с большого расстояния пробивают объект, и рассеянные электроны собираются в точке А ' в изображе­ ние. Согласно принципу об­

регистрации другого и нао­ борот.

показано на рисунке [435].

На основании такого рассмотрения считают, что к ПРЭМу при­ менима в целом теория ПЭМа с теми только поправками, которые

сумму дифракционных амплитуд, которые будут интерферировать в удаленном поле изображения с однородным фоном, образуемым нерассеянными электронами (см. гл. II, § 2). Рассматривается мало­ угловое рассеяние атомными потенциалами. Амплитуда рассеяния при этом является двумерным преобразованием Фурье функции пропускания объекта.

153

При таком рассмотрении амплитуда волны, падающей на объект,

/о (г) — j" G(a) eik (а •r) da.

Функция апертуры G (а) определяет в пределах угла а 0 амплитуду сходящегося пучка плоских волн и их фазы в зависимости от дефо­ кусировки и сферической аберрации линз. В отсутствие аберраций пятно сканирования всегда является диском Эйри [436].

После прохождения через объект, расположенный в плоскости (О, г), с пропусканием fnp амплитуда

амплитуда, наблюдаемая в х на плоскости регистрации на расстоя­ нии s от кроссовера,

Это показывает, что наблюдаемая амплитуда должна быть дифрак-

ционной картиной / пр (а) от объекта /пр (г), свернутой с угловым вектором падающих волн.

На оси (а' = 0) наблюдаемая амплитуда является возможной суммой всех дифракционных картин, создаваемых падающим кони­

/' (0) = J /пр (a) G (а) e~ik <а • r">da = j / пр (г — г') G (г) dr.

154

Для объекта, состоящего из различных отдельных атомов с

При развертке г' меняется со степенью контраста. Область объекта, дающая вклад в амплитуду /'(0), определяется бесселевой функци­ ей под интегралом. Колебательный характер этой функции огра­

разрешению Аббе.

В данной работе показано, что это уравнение идентично с результатом, получаемым для амплитуды, наблюдаемой на экране обычного ПЭМа с объектом, отстоящим от оси на расстоянии г'

(см. [438, 439]). В ПЭМе плоская волна освещает объект fnp(P). Объек­ тивная линза действует на преобразование Фурье от плоскости объекта к задней фокальной плоскости, добавляя дополнительные фазовые сдвиги за счет расфокусировки и сферической аберрации. Тогда амплитуда в задней фокальной плоскости

/(а) = G (те) /пр (а),

где G (а) — апертурная функция, определяющая конечные размеры апертуры в задней фокальной плоскости и аберрации линз.

В противоположность ПРЭМу, в ПЭМе второе преобразование Фурье переносит амплитуды из задней фокальной плоскости к уда-

ленной плоскости регистрации. Наблюдаемая в месте х на этой плоскости амплитуда

Это означает, что наблюдается исходный объект /пр (г), свернутый

с дифракционной картиной G (г) обобщенной функции апертуры (также называемой импульсным ответом оптической системы), которая в отсутствие аберраций будет как раз диском Эйри, обуслов­ ленным дифракцией на кольце апертуры.

на оси, оба микроскопа дают одинаковые результаты.

Поскольку оптическое изображение инвариантно относительно смещения объекта, то аналогично уравнению (57) получается для

155

Для удобства анализа на основе этой инвариантности можно по­

ложить х = 0 и описывать наблюдения вне оси движением образца,

—v

т. е. изменением г', получая при этом вместо уравнения (58) следую­ щую формулу:

Для объекта, состоящего из многих атомов, получается следую­ щий результат (см. работу [438]):

mft

ВПРЭМе дифракционная картина объекта создается на плос­ кости регистрации путем одиночного преобразования Фурье, в то время как в ПЭМе изображение формируется двумя последователь­ ными преобразованиями, что видно из различия между уравнениями

(55)и (58). Из сравнения уравнений (56) и (59) видно, что если на­ блюдения производятся на оси, то оба микроскопа дают идентичные результаты. С физической точки зрения это объясняется следующим образом.

На оси в ПЭМе наблюдают усредненную дифракционную карти­ ну. Усреднение обусловлено конечным телесным углом, стягивае­ мым задней фокальной апертурой в центре задней фокальной плос­ кости. Оно производится по всей картине, создаваемой элект­

задней фокальной плоскости к плоскости изображения становится просто интегралом, все относительные фазовые сдвиги равны нулю. На оси ПРЭМа также наблюдают усредненную дифракционную кар­ тину, причем это усреднение обусловлено коническим облучением. Таким образом, угловая апертура в задней фокальной плоскости в ПЭМе количественно соответствует расходимости облучения в ПРЭМе.

Для наклонного наблюдения в ПЭМе анализ также приводит к выражению, аналогичному уравнению (55) для наблюдений в ПРЭМе под углом а '. Далее, более общий случай конического облучения сводится к случаю наклонного облучения с переменным а'. При этом интегрирование по телесному углу облучения в ПЭМе или по углу, стягиваемому детектором в ПРЭМе, дает также идентичные выра­ жения.

На контраст изображения значительно влияет степень когерент­ ности луча. Когда одна точка объекта освещается из многих точек источника, то дифракционные картины, наблюдаемые от разных точек источника, накладываются и контраст общей картины ухуд­ шается. Угол освещения определяет степень, до которой снижается видимость этих картин. Если последняя равна нулю, то говорят о полной некогерентности. Степень когерентности р12 между двумя

156

точками объекта зависит, согласно [440], от расстояния г12 между ними и от полуугла освещения ф:

2 У ] ( й ф г 12)

Обычно довольствуются значением |ц12| — 0,88, которое имеет место, когда аргумент £фru = 1. Иными словами, диск радиусом rAiK =

= -j- = 0,16 Х/ф почти когерентно освещен.

Условие для получения фазового контраста состоит в том, что освещение должно быть почти когерентным на расстоянии по край­ ней мере такой же величины, как и исследуемая деталь объекта. Критерии же когерентности для ПЭМа и ПРЭМа различны. В обоих случаях деталь г12 одна и та же, но в ПРЭМе освещается поверх­ ность, равная по размерам детали, и поэтому требуется, чтобы весь освещаемый участок гоб был когерентным, т. е. должно быть

поскольку угол освещения ф равен апертуре объектива а, то это условие записывается как

0, 16Х

Гоб*

Например, при 20 кэв и а 0 = 0,018 рад гоб С 0,76 А. В ПЭМе раз­ мер источника намного больше, поскольку освещается все поле изоб­ ражения одновременно. Если имеют дело с отдельными атомами,

больше, а а 0 — меньше.

В этом одно из принципиальных различий между ПРЭМом и

Когда амплитудный контраст отсутствует, то оставшаяся часть двойной суммы соответствует интенсивности, которая не может

157

достигнуть плоскости детектора, а следовательно, не может быть за­ регистрирована как интенсивность. На практике этот член становит­ ся важным или когда объект освещен некогерентно (р0ш = 0), или когда линейный член Fm = 0 (например, при определенном значении угла приема детектора в ПРЭМе). Оставшийся контраст изображения известен как контраст «дефицита рассеяния» (см. гл. Ill, § 1) и об­ разуется одинаковым путем в ПРЭМе и ПЭМе. Ему соответствует часть двойной суммы с т — п

называемая интенсивностью рассеяния; это случай полной некогерентности:

Второй член двойной суммы / ' зависит не только от степени ко­ герентности, но и от фазовых отношений, определяемых внутренним порядком образца. От радиуса когерентности зависит, будет ли обнаруживаться ближайшее окружение данного атома при микро­ скопическом наблюдении. Этот радиус различен для ПРЭМа и ПЭМа, поэтому при рассмотрении в них ближайшего окружения ожидаются качественные различия изображений. Поскольку размер пятна в ПРЭМе может составлять несколько ангстрем, то облучае­ мый объем образца всегда будет выявлять ближайшее окруже­ ние данного атома.

Кроме того, ПРЭМу присуще важное преимущество, обеспечивае­ мое использованием метода сканирования. Благодаря этому можно, например, собрать сведения обо всем образце, чтобы вычислить флуктуации интенсивностей / и /', использовать прошедший элект­ ронный луч для получения дополнительной информации без нару­ шения изображения. Особенно важные различия между ПРЭМом и ПЭМом проявляются при наблюдении дифракции; ПРЭМ обеспе­ чивает получение большого количества информации путем усред­ нения по меньшим образцам по сравнению со стандартным дифрак­ ционным методом в ПЭМе, когда облучается довольно большой обра­ зец и получается усредненный результат; в ПРЭМе можно получать дифракционные изображения очень малых образцов, порядка сверх­ минимального размера пятна.

В сочетании с анализатором энергии прошедших электронов ПРЭМ в применении к микроанализу элементов дает более сильный, чем в ПЭМе, сигнал на каждую точку изображения тонких образцов* При исследовании толстых образцов в ПРЭМе ожидается лучшая разрешающая способность по сравнению с ПЭМом, поскольку в первом можно использовать намного более широкую апертуру ре­ гистрации, а также потому, что не требуется никакой последующей линзы, хроматические аберрации которой искажают изображения толстых объектов в обычных ПЭМах. Увеличение может быть по­ вышено за счет снижения амплитуды развертки, поэтому нет необ­ ходимости применения ряда увеличительных линз с присущими им.

158

аберрациями. При большем увеличении среднее значение контраста не снижается, поскольку можно увеличить усиление сигналов. ПРЭМ, по существу, более простой прибор, чем ПЭМ. Единственную сложность представляет создание малого пятна, однако, как отмеча­ лось выше, при использовании холодного катода уже получили раз­ мер зонда в ПРЭМе в 5 А и разрешение, равное разрешению ПЭМа.

Наиболее существенное различие между ПРЭМом и ПЭМом зак­ лючается в способе представления информации: ПРЭМ выдает изме­ няющиеся во времени электрические сигналы, которые могут быть легко преобразованы в изображение.

§ 3. РАЗРЕШЕНИЕ РАСТРОВОГО ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА

Особенности формирования изображения и влияние свойств самого образца, а именно: дискретности эмиссии электронов с катода, флуктуаций вторичной электронной эмиссии, времени сканирования, тока зонда, проникновения электронов в образец, эффективности коллектора

нами. Пусть нормально па­ дающий на объект луч создает на его поверхности пятно диаметром

2г3. Эффективная площадь на поверхности образца, с которой вы­ ходят вторичные электроны, больше размеров пятна; отраженные электроны покидают поверхность образца с еще большей площади, а тот факт, что они вблизи поверхности также создают вторичные электроны, приводит к еще большему расширению области эмигриро­ вания электронов поверхностью образца. Это наглядно иллюстри­ рует рис. 84.

159