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

телями видеосигнала, при помощи нагруженного на разомкнутую линию задержки каскада на импульсы видеосигнала накладывается сигнал контурного изображения, что эквивалентно увеличению крутизны фронтов импульсов, т. е. подъему частотной характеристи­ ки в области высоких частот. В зависимости от характера изображе­ ния регулируется амплитуда дополнительного сигнала. Ширина линии ретуши определяется постоянной времени линии задержки и, как правило, выбирается равной длительности передачи одного элемента изображения. При оконтуривании шум становится' более заметным на изображении, в силу чего этот метод целесообразно применять лишь при высоком отношении сигнала к шуму.

При «однокоординатном оконтуривании» изображение выгля­ дит несколько астигматичным, поскольку при этом выявляются только вертикальные линии изображения без изменения горизон­

тальных. Этот недостаток можно преодолеть, применяя двухкоорди­ натное оконтуривание.

С целью улучшения отношения сигнал/шум ведутся поиски наиболее удовлетворительных систем развертки электронного зонда и усиления сигналов. Сравнительный анализ типов развертки в РЭМе приведен, например, в работе [497]. Отмечается, что основными являются два типа. Наиболее распространена развертка с низкой частотой кадров (обычно 0,2 гц). Для сохранения изображения в те­ чение такой медленной развертки используются трубки с длительным послесвечением. При этом возникают неудобства, связанные с не­ обходимостью при перемещении образца для наблюдения нового участка выжидать несколько секунд для исчезновения на экране ЭЛТ старого изображения и появления нового, а также с затрудне­ нием фокусировки луча. Система развертки со значительно более высокой скоростью сканирования [498] позволяет быстро менять положение образца для выбора требуемых участков. Частотный ана­ лиз сигналов с образца в случае быстрого сканирования показы­ вает, что имеются две основные группы частот: низкочастотная груп­ па несет, как правило, информацию о крупных деталях, причем эти сигналы имеют большие амплитуды; мелкие детали дают высо­ кочастотные сигналы гораздо меньших амплитуд. Простой расчет с учетом скорости развертки и размеров наблюдаемых мелких де­ талей поверхности образца показывает, что при сканировании пло­ щади 250—1000 нм2"лучом, разворачиваемым в растр с частотой кад­ ров 45 гц и частотой строк 4,5 кгц, основные частотные компоненты сигнала приходятся на диапазон от 0,5 до 3,0 Мгц. Если для уси­ ления таких высокочастотных сигналов малых амплитуд повышать коэффициент усиления усилительного тракта, то это приведет к пе­ регрузке усилителя и снижению качества изображения. Ослабле­ ние же низких частот позволяет повысить усиление, не перегружая

190

усилитель. Кроме того, ограничение полосы пропускания усилите­ ля значительно улучшает отношение сигнал/шум. Таким образом, тщательный выбор полосы пропускания видеоусилителя в соответ­ ствии с применяемой частотой сканирования позволяет получать большое усиление полезного сигнала и отсекать значительную часть шума. Основываясь на этом, авторы публикации [497] разра­ ботали систему развертки и усиления, используемую в рентгеновких микроанализаторах и позволяющую получать высококачествен­

с ограниченной полосой пропускания. Сигнал с эмиттерного повто­ рителя усиливался промежуточным видеоусилителем с полосой пропускания 100 кгц — 2 Мгц. Эта система позволила получать качественные изображения обычных образцов при токах с образца не более 10 на по сравнению с токами, превышающими 500 на, необходимыми в случае использования широкополосного усилителя.

Предложена система обработки получаемого в рентгеновском микроанализаторе сигнала, которую можно также использовать во многих областях сбора и обработки информации, когда нужно исключить шумовые импульсы [499]. Импульсные сигналы, следую­ щие с разной частотой, после дискриминации по амплитуде посту­ пают на анализатор интенсивности импульсов, в котором они ослаб­ ляются в зависимости от частоты: чем меньше частота, тем боль­ ше ослабление. Пороговый регулятор позволяет выбирать частоты следования входных импульсов, пропускаемых на блок индикации. При работе с микроанализаторами оптимальный диапазон частот был выбран от 10 гц до 40 кгц. Двоичная пересчетная схема расши­ рила этот диапазон в 2—4 раза. В результате добились отношения сигнал/шум 50 : 1.

В некоторых случаях полезен телевизионно-вычислительный спо­ соб управления разверткой луча. Так, для автоматического ведения луча по границам деталей поверхности образца выделяют сигнал от границы и используют его как управляющий разверткой. В ра­ боте [500], например, в целях автоматического ведения электронного луча по стыку свариваемых им изделий выделялся сигнал от стыка по моменту его появления, что оказалось достаточно надежным.

Очевидно, что если бы микроснимки имели достаточное сходство с образами, воспринимаемыми человеком при визуальном наблюде­ нии трехмерных объектов,то это намного упростило расшифровку их. Обычно изображения в растровых электроннозондовых устрой­ ствах, представляя вид образца при наблюдении вдоль направле­ ния зонда, не позволяют делать объемные измерения. Проводятся работы по применению методов стереографии в этой области [416, 501—504].

Если образец наклонен к падающему на него зонду и угол сколь­ жения близок к 30°, то для получения микроснимков, составляющих стереопару, можно несколько изменить этот наклон (от 2 до 15°)

191

между последовательными экспонированиями. Точно угол подби­ рается экспериментально по достижению наибольшей объемности, когда, наблюдая помещенные рядом два микроснимка, иллюзорно получают трехмерное изображение. Теоретически характер изме­ нения изображения при повороте объекта вокруг некоторой оси исследован автором работы [501]; приведены формулы для расчета истинных координат точек, наблюдаемых на изображении, по из­ меряемым размерам на микроснимках и известному углу наклона, причем точность расчета составляет ±5% .

Лучшим способом получения стереопар считается поворот об­ разца между последовательными экспонированиями на небольшой

\относительно коллектора, угол поворота не

должен превышать примерно 10°. Опти­ мальный угол наклона для получения мак­ симального стереоскопического эффекта рас­

считывается в работе [504]. Количественные оценки топографи­ ческих деталей на поверхности образца можно получить, применяя, например, такие методы обработки, как при аэрофотосъемке (см. [502, 5031).

Возможности исследования быстропротекающих процессов при обычных режимах работы растровых электроннозондовых устройств ограничены из-за небольшого временного разрешения. Так, в рас­ тровом электронном микроскопе полное изображение, состоящее из fenточек, строится за конечный отрезок времени t, определяемый электронной яркостью В, количеством электронов N ' , приходящих­ ся на точку изображения, геометрическим разрешением б, которое хотят получить, и апертурой а зондирующего пучка [18]:

Здесь е — заряд электрона. В существующих приборах это время лежит в пределах от 0,1 до 100 сек.

Поэтому в растровой электронной микроскопии особое значение приобретает применение стробоскопических принципов, о которых упоминалось в гл. III, § 8. В последние годы появился ряд сообще­

ний о создании стробоскопических растровых микроскопов [404— * 4081.

Стробоскопический режим работы растрового микроскопа от­ личается некоторыми особенностями. Он может быть осуществлен либо при импульсном облучении объекта, либо при непрерывном в

192

сочетании с импульсным отпиранием видеотракта в заданный момент и на определенное время. В обоих случаях частота происходящих в объекте процессов и частота строб-импульсов, отпирающих зондиру­ ющий луч или видеотракт, должны быть синхронизированы, при­ чем длительность строб-импульсов не должна превышать самый короткий значимый временной интервал исследуемого процесса.

Стробоскопическое изображение на экране индикаторной труб­ ки будет выглядеть тем более слитным, чем больше период форми­ рования строки развертки электронного зонда на поверхности объекта по сравнению с периодом повторения изменения состоя­ ния объекта.

Чтобы уменьшить усредненность изображения, нужно умень­ шить длительность строб-импульса. При импульсном режиме ви­ деотракта из-за ограниченной полосы пропускания возникают иска­ жения информации при длительностях импульса меньше долей микросекунды. Поэтому для исследования отдельных фаз переход­ ных состояний, продолжающихся менее десятков наносекунд, рекомендуется работать в режиме периодического облучения образ­ ца. Например, используются импульсы первичного пучка длитель­

ностью менее 2 • 10—10шс [406]. Временное разрешение в стробо­ скопическом РЭМе зависит от длительности стробирующих импуль­ сов, частоты их следования и, в частности, от времени пролета вторичными электронами области распространения микрополя.

13 4-829

отражательного микроскопа пригоден также для расчета контраста изображения в отраженных электронах в РЭМе.

Яркость изображения микроучастка на экране пропорциональна плотности тока электронов, отраженных объектом в направлении детектора, т. е. электронной яркости В этого микроучастка. При

освещающего пучка, и продольный контраст, когда линия пересе­ чения лежит в плоскости падения (рис. 101).

В случае поперечного контраста (см. рис. 101, а)

Лфз = — Лфотр = У,

что приводит к следующему выражению для величины /С:

Для продольного контраста, когда углы падения и «отра­ жения» электронов для двух участков связаны соотношениями

(см. рис. 101, б)

COS фотр 1 = COS у • COS фотр 0; COS фз 1= COS у • COS фз 0,

получается, что

т. е. продольный контраст определяется соотношением значений

Ф У Н К Ц И Й F (фз 1 , фотр i) И F (фз 0 , фотр о ) .

В частности, в работе [507] F представляют асимптотическим вы­ ражением

где Одоп — угол, дополнительный к углу рассеяния электронов;

/п р (х>) — функция, характеризующая относительное число элек­ тронов, прошедших в веществе относительный путь х* без рассея­ ния на большие углы, и записываемая как

Здесь N — число атомов в кубическом Сантиметре вещества; В — пробег электрона в объекте в сантиметрах; ^отр.мин — минимальная энергия отраженного от объекта электрона. Полученные при этом выражения для К показывают, что поперечный угловой контраст в быстрых электронах пропор­ ционален tg у и в первом прибли­ жении не зависит от физико-хи­ мических свойств объекта, а определяется только геометриче­ скими параметрами, в то время как продольный пропорциона­ лен tg2 у, очень мал в области малых у и зависит от свойств вещества, возрастая с увеличе­ нием атомного номера Z и ве-

На рис. 102 приведены кривые поперечного контраста, рассчитанные для малых у. Видно, что в диапазоне ф3 = 10—60° отношение К/у практически не изменяется, при ф3 > 60° — быстро растет, при Ф3 > 85®— растет, как tg ф3. В отражательном ЭМ наблюдения обыч­

196

Контраст в отраженных электронах за счет теней, образуемых отдельными деталями, может наблюдаться, если длина тени превы­ шает разрешаемое расстояние и при этом плотность тока освещающе­ го пучка в области тени на 5—10% ниже, чем на соседних участках объекта. Если высота выступа, имеющего форму параллелепипеда, h, ширина выступа г, угол наклона выступа к объекту в плоскости

где/’пр в (*') — функция, характеризующая ослабление пучка, прошедшего в выступе относительный путь

Rcos (фз — у)

Сиспользованием выражения (61) получается, что минимальные

размеры обнаруживаемого по тени выступа 4

Для легких элементов образование полутени существенно сни­ жает разрешение по высоте:

, 'мин

^MHH-----iiHy ctg Фз‘

Для тяжелых элементов /гмин « 6xctg ф3/со5фотр, т. е. hum опре­ деляется чисто геометрическими соображениями; при обычно ис­

создается одновременно за счет теней и за счет того, что часть элек­ тронов, прошедших через выступ, рассеивается в направлении объек­ тива (см. рис. 101, г). При этом контраст за счет рассеяния

197

при фз -v я/2 и потерях энергии электроном зонда ДЯ <£ Е3

В работе [369] методы расчета контраста изображения микропо­ лей в эмиссионном и зеркальном электронных микроскопах распро­ странены с некоторыми ограничениями на случай образования кон­ траста под действием микрогеометрии на поверхности объекта, которая может оказывать влияние на скорость электронов. Получе­ но выражение для величины тангенциальной скорости, приобрета­

емой при этом электроном:

СО OQ

где функция h (х , у) определяет поверхность объекта; распределе­

Для зеркального ЭМ полученные значения vx удваиваются вследствие движения электрона по направлению к объекту и от него.

Решение обратной задачи дает, например, для двумерного случая

На практике могут одновременно присутствовать контраст мик­ рополей и контраст микрогеометрии. Разный характер зависимости функции ох от Л0 позволяет разделить их: в формулы (62) и (63)

входит а в соответствующие формулы для микрополей—

(см. гл. V, § 3). Если s2(x) — смещение электрона под действием мик­ рогеометрии, а смещение за счет микрополей — s2 (х), то новая координата точки попадания электрона на экран

* с м = X + S} (X) + S2 (X),

а в отсутствие микрополей

Кем = К + S] (к).

Если обозначить значение функции распределения плотности тока на экран в отсутствие возмущения /0 (х), при наличии геометрии

198

/j (x), а при наличии геометрии и микрополей /2 (х) и применить закон сохранения трубок тока, получается

распределение интенсивности светлопольного изображения в апер­ турной плоскости описывается вы­ ражением (50), а в плоскости объ­ екта интенсивность рассеяния объ­ ектом — законом (48).

Наличие на объекте выступа вы­ сотой h и площадью ЛSBC(рис. 103, а) изменяет интенсивность изображе­ ния на величину

Если принять, что минимальный различимый контраст не меньше 5%, то с учетом выражения (43) минимальное изменение толщины Л^мин, еще различимое на изображении,

199