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

ориентации или толщины, соответствующие условиям сильного от­ ражения. В несовершенных кристаллах дислокации наблюдаются в виде линий, обусловленных смещениями атомов в их окрестности, а дефекты упаковки вызывают появление характерной картины по­

Дислокации отличают от экстинкционных контуров по форме и связи с другими деталями изображения, а также по изменениям в

Рис. 117. Схема изображения ме­ таллической фольги в просвечива­

ные встречающиеся эффекты контраста: 10 — обычный вид дислокации, 11 — невидимая дислокация, 12 — двойное изображение (собственно проекция дислокации расположена между двумя ее изображениями), 13 — зигзаг, 14 — пунктир; 15 — дислокационные пет­ ли, различно расположенные в фольге; 16 — тетраэдр дефектов укладки; 17 — гелико­ идальные дислокации; 18 — след прошедшей дислокации с двойным поперечным сдвигом (стрелки указывают направление движения дислокации, ступеньки на поверхности далеко

ширина линий дислокаций меньше, чем экстинкционных контуров. При наклоне образца или освещающего пучка контуры экстинкции более или менее сильно смещаются, а линии дислокации, оставаясь на месте или переместившись скачком параллельно самим себе на двойную их ширину, могут усилить или ослабить вплоть до нуля кон­ траст и даже изменить его на противоположный. Поскольку на микро­ фотографиях, полученных при определенном расположении образца относительно электронного пучка, часть дефектов упаковки и дис­ локаций может быть невидима [561 ], определение общего количества несовершенств должно производиться при различных порядках от­ ражения, что обеспечивается наклоном образца в двух направлениях под прямым углом или изменением ускоряющего напряжения.

Для измерения плотности дислокаций в тонких фольгах приме­ няется метод подсчета числа пересечений с поверхностью фольги или измерение общей длины дислокационных линий в единице объема кристалла (см. [562—568]).

Электронномикроскопические изучения дефектов методами из­ бирательной пространственной дифракции и темного поля помогают строить модели образования дефектов (см., например, [569]).

220

Для наблюдения нарушения или сдвига периодичности кристал­ лической решетки до глубины в несколько сотен ангстрем, вызывае­ мого различными воздействиями, могут быть использованы сигналы вторичных или отраженных электронов в РЭМе в их зависимости от угла падения зонда на поверхность монокристалла. При этом изобра­ жения сходны с Кикучи-линиями, получаемыми методом обычной дифракции электронов. Исследования такого рода были проведены в работе [570], в которой изучались нарушения в кристаллической решетке арсенида галлия в плоскости (111), вызванные ионной бом­ бардировкой.

С помощью сканирующего электронного луча можно также об­ наруживать пространственный заряд дислокаций, который образует­ ся из-за наличия лишней полуплоскости атомов и, следовательно, разорванных связей с их дополнительным зарядом. Для объемной структуры совокупность точек решетки, в которых заканчивается лишняя полуплоскость, образует заряженную линию, вокруг ко­ торой возникает цилиндрический пространственный заряд (труб­ ки). Этот заряд рассеивает носители, движущиеся перпендикуляр­ но трубкам, и отличается высокой проводимостью в направлении, параллельном трубкам (создается п—р—«-структура).

Особенно хорошие результаты при выявлении дислокаций полу­ чаются, если снимать осциллограммы наведенного тока при скани­ ровании луча по образцу, к которому прикладывается внешнее поле. При полях порядка нескольких сотен вольт на сантиметр на изоб­ ражении образца появляются области пространственного заряда отдельных дислокаций. Например, при исследованиях кристаллов гер­ мания и кремния, легированных сурьмой, обнаружили трубки про­ странственного заряда вокруг дислокаций при напряженности внеш­ него поля 430 в!см [571]. Размеры пространственного заряда, получен­ ные методом наведенного тока, хорошо совпадают с расчетными значениями для модели, учитывающей как ширину инверсионного слоя, так и зависимость действительного числа носителей в гранич­ ных состояниях от напряжения.

На полученных в излучении катодолюмииесценции изображениях в РЭМе были обнаружены дислокации в легированном теллуром GaAs и концентрические полосы, нормальные к оси роста кристалла, которые связывают с флуктуациями примесей или неоднородностя­ ми в некоторых свойствах полупроводникового кристалла [572, 573]. Просвечивающий ЭМ, рентгеновский микроанализатор и дру­ гие приборы не позволяли целиком исследовать возможные причины этих изменений с в о й с т е кристалла, но РЭМ при работе в режиме катодолюминесценции дал возможность не только наблюдать со­ ответствующие этим изменениям полосы, но и определять причины изменений.

Дело в том, что измеряемая яркость рекомбинационного излуче­ ния, при условии постоянства тока и напряжения сканирующего лу­ ча, пропорциональна квантовому выходу, равному отношению числа электронно-дырочных пар, которые рекомбинируютизлучательно, к

221

степени увеличения высоты ступеньки с расстоянием при прохо­ ждении излома через дислокацию и т. п. Богатую информацию дает исследование динамики распространения изломов.

Особенными достоинствами в исследовании объектов, репликование которых для наблюдения в ПЭМе затруднительно или невозмож­ но, например волокон, поровых пространств, обладают электронные микроскопы, позволяющие наблюдать такие объекты непосредствен­ но. Пример изучения цилиндрических катодов на основе металличе­ ской проволоки и органического полимерного волокна в отражатель­ ном электронном микроскопе рассмотрен в §3 этой главы. Результаты

гая соответствующим образом коллектор вторичных электронов, получают хорошее изображение в РЭМе внешнего вида отверстия в фильере, предназначенной для производства нейлона [416, 585], и деталей поверхности внутри отверстия. В работе [5851 просматрива­ лось отверстие диаметром 50 мкм с длиной канала примерно в 100 мкм. При решении ряда теоретических и практических задач, связанных с прочностными свойствами пористых твердых тел, на­ пример горных пород, и явлениями переноса в них (диффузии, филь­ трации, конденсации и др.), необходимо учитывать влияние струк­ туры порового пространства. Разрешающая способность оптических микроскопов не позволяет изучать микростроение тонкодисперсных тел, имеющих размер пор меньше0,1 мкм. Электронная микроскопия просвечивающего типа не получила здесь широкого применения ввиду технических трудностей использования в геологии метода ультратонких срезов. В этой области эффективным оказалось использование РЭМа, большая глубина фокуса которого позволяет изучать естест­ венный скол породы без шлифовки. Визуальный просмотр увеличен­ ных изображений образца позволяет производить качественную оцен­ ку изучаемого объекта и дает возможность делать заключение о его строении, однако часто для такой цели визуальных наблюдений не­ достаточно и применяют объективный анализ, пользуясь статисти­ ческими методами исследований. Поскольку последние требуют вы­ полнения большого объема обработки измерений, разрабатываются способы автоматического анализа. Например, созданы системы авто­ матического анализа изображений однородных микрообъектов или содержащих на ровном фоне четко выделенные элементы [586]. Эти ограничения в отношении типа объектов связаны с постоянством уров­ ня дискриминации сигнала в системах обработки. Разработана методика анализа структуры пористых тел (горных пород) по их микрофотографиям, имеющим непостоянную среднюю плотность (см. [587, 588]). При статистическом анализе структуры пористых тел в качестве характеристик используют плотность распределения размеров пор и ее параметры: среднее значение, равное среднему раз­ меру пор, и дисперсию, характеризующую разброс размеров пор в образце. При электронномикроскопическом изучении образцов их увеличенное изображение получается в виде растра переменной яр­

224

образцов, например, оказался удовлетворительным метод обрызгива­ ния их антистатическим аэрозолем, используемым в текстильной промышленности [589]. Этот метод, кроме того, дает возможность исследовать такие образцы при высоких напряжениях и уменьшает опасность внесения изменений в образец под действием низкого дав­ ления по сравнению с обычной методикой, при которой он подверга­ ется действию вакуума не только в самом РЭМе, но и до исследова­ ний, во время запыления металлом. Напыление металлической плен­ ки полезно даже при исследовании металлических образцов, по­ скольку на них могут быть пятна жира и коррозии.

В применении ПЭМа к исследованиям биологических объектов имеются значительные ограничения, связанные в основном с приго­ товлением исследуемого образца: в ПЭМ помещается реплика или тонкий срез образца, а поскольку биологическое вещество состоит в основном из светлых элементов, то применяется метод окрашивания срезов [590]; в любом случае образец должен быть обезвожен, а при этом возможны изменения в его структуре.

Тонкие срезы могут быть исследованы также методами просвечи­ вающей растровой электронной микроскопии, однако получение до­ статочного контраста при этом связано с большими трудностями, а разрешение хуже, чем в обычном ПЭМе.

Основное преимущество РЭМа над ПЭМом в области биологии — большая глубина резкости, что упрощает приготовление образцов и позволяет наблюдать трехмерные объекты. Кроме того, РЭМ по сравнению с обычным ПЭМом или отражательным микроскопом дает более легко интерпретируемое изображение. Высушенные методом вымораживания биологические объекты могут быть изучены в РЭМе непосредственно, если приняты меры по устранению их зарядки. Также в РЭМе можно исследовать образцы, температура которых понижена до точки, когда давление водяного пара значительно ниже максимального давления, допустимого в РЭМе [416, 464]. Были про­ ведены опыты [464 ] по исследованию биологических образцов, не под­ верженных ни замораживанию, ни обезвоживанию, т. е. с обычным их окружением водяным паром, соответствующим давлению насы­ щенного пара около 14 мм pm. cm. при комнатной температуре; так как это в значительной степени превышает максимальное дав­ ление, допустимое в микроскопе, то образец изолировался в камере, к которой электроны имели доступ через окно. Основная трудность при этом связана с недостаточностью получаемого от биологических образцов контраста. Кроме того, хотя и есть несколько случаев на­ блюдения в РЭМе живых организмов, все же в этой области приме­ нение РЭМа наталкивается на большие трудности, поскольку даже слабый электронный луч убивает живые организмы. Вообще же при­ менение РЭМа в биологии уже дало полезные результаты, например в исследованиях красных кровяных клеток, лимфоцитов, клеток плаз­ мы, раковых клеток, многоклеточных тканей и внутриклеточных структур [591—595]. Новую информацию дает РЭМ в исследованиях, где получаемые с помощью обычного ПЭМа сведения недостаточны,

226

например при изучении радужной оболочки глаза, структуры внут­ реннего уха.

Во многих электроннозондовых исследованиях часто требуется изучать химическую неоднородность объектов.

Концентрацию элемента определяют с помощью рентгеновского микроанализа. Большое значение такие данные имеют в области ис­ следования полупроводников, например для изучения примесей, однако отмечается (см. [596]), что ограничением применения этого метода здесь является недостаточная чувствительность его: даже в сильно легированных полупроводниках концентрация легирующих элементов лежит в пределах 10-2 — 10~3 вес.%, т. е. на границе чувствительности метода рентгеновского микроанализа. Одним из направлений применения этого метода в указанной области являет­ ся изучение гетеропереходов, представляющих собой сложные мно­ гокомпонентные композиции различных элементов; в частности, значительный интерес представляет распределение элементов в области р— «-перехода. Регистрируя характеристическое рентгенов­ ское излучение анализируемого элемента, получают концентра­ ционную кривую его распределения по объекту (см. рис. 76, 77). Определение, например, местоположения р— n-перехода фиксируется по резкому возрастанию тока, индуцируемого при пересечении элек­ тронным зондом области р—n-перехода и регистрируемого прибором. В работе [596] исследовалось таким способом распределение индия и галлия в пленках InAs, выращенных на подложках из GaAs, и в пленках GaAs, выращенных на подложках из InAs; исследовались концентрационные профили компонент диффузионных гетероперехо­ дов GaP—GaAs и InP—InAs [597].

Неоднородность распределения концентрации определенного элемента по объекту также исследуют путем сравнения полученных

вРЭМе изображений в инфракрасном катодолюминесцентном излу­ чении с изображениями во вторичных электронах.

Вработе [506] оценивается количественно контраст изображения

вотраженных электронах, образованный за счет различия химиче­ ского состава соседних участков объекта. Для объекта, содержащего два участка из веществ с атомными номерами Zx и Z2, контраст за­ писывается в виде

где F (Zx) и F (Z2) — функции углового распределения отраженных электронов от соответствующих участков.Представляя/7 с помощью

где R x и R 2 — электронные пробеги для соответствующих участков; N x и N 2 — число атомов в одном кубическом сантиметре этих участ­ ков соответственно.

Из этих выражений следует, что контраст изображения химиче­ ски разнородных участков может быть достаточно большим, причем при наблюдении в быстрых электронах он не зависит от ф3 и фОТр.

Подобные наблюдения позволяют не только выявлять, так ска­ зать, геометрическое размещение микронеоднородностей в образцах и определять их размеры, но и проводить исследования связанных с ними неоднородностей свойств объектов, определять некоторые ха­ рактеристики. Например, в электронномикроскопическом изучении процессов образования тонких пленок индия, получаемых с помощью напыления, была обнаружена [598] связь температуры плавления с размерами частиц и построена кривая этой зависимости; установлено, что появление преимущественных ориентаций совпадает с той ста­ дией роста, когда кристаллиты начинают объединяться; толщина плен­ ки мало зависит от отношения числа внедренных молекул кислорода к числу атомов пленки, а максимальный размер кристаллита обна­ руживает монотонную зависимость от этого фактора, а также зави­ сит от температуры подложки. Таким же способом исследовалась диффузия некоторых металлов (Au, Ag, Pt, Та, А1), напыляемых сло­ ями в несколько сотен ангстрем, тонкие аморфные пленки As2Se3 (500 А) и их реакционная способность [599]. В отношении исследо­ вания тонкопленочных структур в РЭМе отмечаются некоторые трудности, как, например, рассмотренный выше эффект зарядки диэ­ лектрика (см. также публикации [600, 601 ]).

Большие возможности открывает РЭМ в исследованиях темпера­ турных зависимостей. Известно, что многие виды сигналов, возника­ ющих при облучении образца электронами, зависят от температуры. В частности, к ним относятся сигналы, возникающие при генерирова­ нии электронно-дырочных пар в полупроводнике, излучение катодолюминесценции. Если эти температурные зависимости предваритель­ но установлены, можно определить локальную скорость изменения температуры и окончательно установившуюся температуру по ско­ рости изменения наблюдаемых свойств. В работе [493], например, проводились исследования процесса теплового пробоя путем на­ блюдения по растровым электронномикроскопическим изображениям роста областей повышенной температуры (идентифицированных из­ мерениями в инфракрасном микроскопе) до наступления пробоя.

Известны работы по применению метода электронного зонда для получения информации о пробеге и рассеянии электронов (см. гл. II, § 1). Авторы публикации [61] для выполнения таких исследований пользовались свечением люминофора под действием узкого пучка электронов. О дальнейших разработках этого метода сообщается в статье [602]. Узкий пучок электронов фокусировался таким образом, чтобы он падал нормально на плоскую горизонтальную грань кри­ сталла люминофора, а возникающее катодолюминесцентное свечение наблюдалось через смежную вертикальную грань.

Электронномикроскопические методы в применении к исследо­ ваниям катодов дают ценную информацию для выяснения механизма их работы. Например, эмиссионный электронный микроскоп успеш­

228

но используется при изучении распределения эмиссионной неодно­ родности, адсорбции и миграции, рекристаллизации и других яв­ лений, происходящих на поверхности твердых тел. Так, в работе [603] описывается исследование поликристаллического вольфрама и сплавов в различных стадиях рекристаллизации по их изображе­ ниям в высоковакуумном ЭЭМ, созданном на основе ЭЭМ-75 (вакуум порядка 10~8 ммрт. cm.). В эмиссионном микроскопе полу­ чают изображения катодов со сложной формой эмиттирующей по­ верхности; авторы работы [604], например, исследовали таким обра­ зом оксидные катоды с защитными пленками, обработанными сфо­ кусированным электронным лучом или ионным потоком через маску. Анализ результатов исследования распределительных термокатодов, обладающих высокими эмиссионными свойствами, с помощью до­ полняющих друг друга методов эмиссионного [605], растрового [606] и просвечивающего [607] микроскопов позволил построить модель такого катода; доказано, что основной вклад в эмиссию вно­ сят кристаллиты, наблюдаемые на поверхности катода. Такие методы исследования эффективных термокатодов позволяют преодолеть мно­ гие трудности, возникающие при использовании оптического мик­ роскопа, например, малую глубину поля, недостаточное разрешение, неудобство наблюдения находящихся в вакууме образцов.

Последняя же причина мешает исследованиям этих катодов в ПЭМе, поскольку при изготовлении реплик они на некоторое время будут подвергаться воздействию воздуха. Возможности же РЭМа благоприятствуют таким исследованиям. Например, в работе РЭМа [608] наблюдалась поверхность эффективного термокатода на раз­ личных этапах активации. Термоэлектронную эмиссию с катода мож­ но было измерять на любой стадии и даже получать микроснимки поверхности, находящейся при высокой температуре. С помощью отражательного электронного микроскопа наблюдали структуру поверхности таких катодов непрерывно в процессе их активации в широком диапазоне температур [609]. Это оказалось возможным потому, что в создании изображения в отражательном микроскопе участвуют лишь быстрые электроны и термоэмиссия образца не влияет на качество изображения, в то время каквЭЭМе, например, где изображение строится на основе тока термоэмиссии, катод может быть исследован лишь при рабочих температурах. Кроме того, бла­ годаря высокой чувствительности отражательного ЭМ к микро­ рельефу и полной независимости контраста изображения от контакт­ ных полей геометрический рельеф был отделен от потенциального рельефа (см. гл. V, § 1). Вследствие освещения объекта скользящим электронным пучком оказалось возможным обнаруживать выступы в десятки ангстрем. Наряду с наблюдением изображения поверхности катода в этой же работе получали электронограммы, по которым су­ дили о структурном составе частиц, находящихся на поверхности.

Рассматриваемые возможности электроннозондовых устройств по­ зволяют на их основе создавать установки-лаборатории для проведе­ ния многосторонних исследований, например, в области химии.

229