книги из ГПНТБ / Хокс П. Электронная оптика и электронная микроскопия

220 Глава 4

отклоняющую в у-направлении систему подается сигнал, пропорциональный вторичному электронному току на де­ тектор. В этом случае мы видим кривую зависимости тока от положения зонда на поверхности объекта. Если теперь сканировать от линии к линии всю поверхность объекта, то на экране катоднолучевой трубки будет виден ряд расположенных друг под другом кривых, которые глаз воспринимает как трехмерную объемную структуру (сни­ мок XIV).

Электроны в описываемом приборе эмиттируются элект­ ронной пушкой, аналогичной пушке просвечивающих электронных микроскопов, которая состоит из накаливае­ мой вольфрамовой нити (катода), цилиндра Венельта и анода. (Используются также эмиттеры из гексаборида лантана LaB0, отличающиеся большей яркостью.) При тщательном изготовлении и наладке такая пушка обеспе­ чивает получение электронного луча, диаметр кроссовера которого составляет около 100 мкм и меньше. Оптималь­ ный размер конечного пятна первичного электронного луча в растровом микроскопе составляет 3 нм, поэтому система линз прибора должна уменьшать размер кроссо­ вера примерно в 30 000 раз. Такое уменьшение может быть достигнуто с помощью двухлинзовой системы, но при этом ее общая длина оказывается слишком большой. По этой причине обычно применяют уменьшающую систе­ му из трех электронных линз. На основании ряда практи­ ческих соображений в растровом микроскопе, как прави­ ло, используются магнитные линзы: они просты и надежны в работе, легко поддаются чистке, не имеют высоковольт­ ных вводов, при расположении их обмотки возбуждения вне вакуумного пространства, в котором движутся элект­ роны, приходится откачивать сравнительно небольшой объем прибора.

В просвечивающем электронном микроскопе необхо­ димо учитывать сферическую аберрацию только объек­ тивной линзы, поскольку она является единственной лин­ зой, в которой электроны движутся под большим углом к оси. В растровом микроскопе линзы предназначены для уменьшения размера пятна: они являются уменьшающими

линзами, и можно считать, что сферическая аберрация сосредоточена в последней из трех линз, известной под

названием «зондоформирующей линзы». Выше было рас­ смотрено, как сферическая аберрация объектива влияет на разрешающую способность просвечивающего электрон­ ного микроскопа (разд. 2.4.1). Теперь необходимо выяс­ нить, в какой степени эта аберрация обусловливает уве­ личение размера пятна, формируемого зондоформирую­ щей линзой. Вследствие сферической аберрации изобра­ жение точки объекта смещается на расстояние

Аг = M C sQl,

где М — увеличение; 0О— угол, под которым электроны покидают плоскость объекта. Если увеличение М очень

мало, то Дг удобнее выражать через соответствующий угол с плоскостью изображения 0г, и тогда

Коэффициент сферической аберрации Cs, как уже указы­

валось, является функцией положения объекта (или уве­ личения). Необходимо выяснить, как связано значение Са для сильного увеличения (М —*- оо), табулированное почти

для всех типов линз, с соответствующим значением С„ для сильного уменьшения (М ->0). На фиг. 4.2 приведе­

на сильно увеличивающая система с коэффициентом сфе­ рической аберрации Cs. Точке объекта, лежащей на оси,

соответствует точка изображения, находящаяся па рас­

и мы получаем ход лучей, по которому можно найти зна­ чение Cs, соответствующее обратной (т. е. уменьшающей)

системе:

Коэффициент сферической аберрации уменьшающей системы Cs может быть определен из выражения

АП = MCsQl,

в уравнение (4.3), идентичны здесь величинам Лгг и 0О, так что

С. = М*С,.

Если С оо означает значение Cs, соответствующее сильному увеличению, то при М - у 0 уравнение (4.2) может быть

переписано следующим образом:

Лг; = Ш*СsQl = М*М*Ссо©? = С«,0?,

так как М = ИМ.

Это соотношение может оказаться ошибочным в тех случаях, когда рассматриваемые линзы несимметричны

УВеличиВающсш

система

Уменьшающая

система

Ф и г. 4.2. Построение, позволяющее определить связь между пря­ мым и обратным значениями коэффициентов сферической абер­ рации.

1 — параксиальный луч из 0\ 2 — параксиальный луч из Р; з — луч из Р с аберрацией; 4 — луч из О с аберрацией.

относительно центральной плоскости (z = 0). Зондо-фор- мирующие линзы в растровом электронном микроскопе часто характеризуются значительной асимметрией, по­ скольку, как мы увидим, исследуемый объект должен быть помещен как можно дальше от поля линзы. Это означает, что зонд будет формироваться на достаточно большом рас­

стоянии от линзы. В связи с этим диаметр канала второй половины линзы выбирается меньше, чем диаметр канала первой половины линзы. На основании анализа соотно­ шений между различными значениями Cs можно сделать

следующий вывод (фиг. 4.2): если значение коэффициента сферической аберрации, соответствующее сильному уве­ личению, будет Сао, то размер изображения точки объекта равен МСообо', если же линза обращена и используется

для формирования зонда, то размер зонда будет равен

Coo0 f.

В этом случае, когда зонд формируется в свободном от поля пространстве, можно воспользоваться также тем фактом, что коэффициенты аберрации теперь являются асимптотическими величинами. Напомним, что асимпто­ тическая сферическая аберрация (уравнение (2.85а)) может быть представлена в виде полиномиального ряда по 1 /М

нию коэффициента сферической аберрации Сх , соответ­

ствующему сильному увеличению. Для сильного умень­ шения потребуется M4CS (уравнение (4.2)), которое опре­ деляется соотношением

и, так как М - у 0, M iCs - +Ck. В случае асимметричной линзы С4 # С0 и С3 Ф Си но если рассматривать асим­

метричную линзу и такую же обратную линзу, как две разные линзы с коэффициентами сферической аберрации,

С\ — С3 и С0 = С4. Таким образом можно легко проил­

люстрировать результаты, полученные в предыдущем раз­ деле.

Линзы сами по себе формируют на оси неподвижный электронный зонд, а исследуемый объект сканируется путем отклонения этого зонда с помощью электромагнит­ ных катушек, обычно размещаемых между второй и третьей

линзами. В растровом электронном микроскопе имеются две системы отклоняющих катушек, каждая из которых может отклонять электронный луч в двух взаимно перпен­ дикулярных направлениях, что обеспечивает возможность сканирования квадратной области. Использование двух систем катушек дает то преимущество, что при этом может осуществляться «колебание» луча относительно централь­ ной плоскости последней линзы (фиг. 4.3). В широко при­ меняемых отклоняющих системах через верхние и нижние

Ф и г. 4.3. Колебание пучка.

Верхние отклоняющие катушки отклоняют пучок от оси, а нижние возвращают его обратно таким обра­ зом, что пучок колеблется относительно центра линзы для формирования зонда. Другая система верхних и нижних катушек служит для аналогичных отклоне­ ний пучка в плоскости, перпендикулярной к пло­ скости чертежа. 1 — конденсор 2 ; 2 — верхние от­

клоняющие катушки; 3 — нижние отклоняющие ка­ тушки; 4 — линза для формирования зонда.

катушки течет одинаковый ток, но нижние катушки имеют вдвое большее число витков, чем верхние, поэтому угол отклонения луча нижними катушками оказывается в два раза больше.

Электроны облучающего зонда выбивают из поверхно­ сти объекта медленные вторичные электроны. Некоторое количество первичных электронов может также отражать­ ся объектом, но все же большинство электронов замед­ ляется и полностью теряет энергию в самом объекте. Вторично-электронный ток составляет примерно

1 НО-1 2 А. Это, однако, такой слабый ток, что при попытке

его усиления по обычной схеме вводимые ошибки, или шум, будут полностью подавлять сигнал. В первых кон­ струкциях растровых микроскопов слабый вторичный электронный ток усиливался с помощью электронного умножителя. Электронный умножитель представляет собой устройство, в котором очень слабый ток усиливается благодаря тому, что первичные электроны падают на метал­ лический электрод (так называемый динод), характери­ зующийся очень высоким коэффициентом вторичной элек­ тронной эмиссии. Вторичные электроны, эмиттируемые первым динодом, направляются затем на другой динод,

226 Глава 4

при этом почти все электроны, проходящие через входную сетку детектора, попадают на очень малую область поверх­ ности полусферы вблизи ее вершины. Под действием элек­ тронной бомбардировки пластик сцинтиллирует, и излу­ чаемый свет направляется па фотокатод.

В современных растровых электронных микроскопах усиленный сигнал передается на две катоднолучевые трубки, одна из которых предназначена для фотографи­ рования, а другая приспособлена для визуального наблю­ дения. Благодаря этому оператор имеет возможность непосредственно видеть фотографируемое изображение объекта. Поскольку детали объекта, слишком мелкие для визуального наблюдения, могут быть зафиксированы на фотопластинке, а визуально удобно наблюдать все изобра­ жение сразу, для изготовления экрана трубки визуаль­ ного наблюдения используется крупнозернистый флуорес­ цирующий материал, обладающий большой инерцион­ ностью, благодаря чему изображение сохраняется на экра­ не довольно продолжительное время. В трубке, предназна­ ченной для фотографического фиксирования изображения, экран выполнен из люминофора с более мелкими зернами, что обеспечивает лучшую разрешающую способность экрана, на котором яркость изображения быстро умень­ шается.

Теперь необходимо выяснить параметры и характери­ стики, которые могут быть достигнуты при использова­ нии растрового микроскопа. Качество изображения в этом микроскопе зависит от того, с какой точностью вторично­ электронный ток преобразуется в соответствующий свето­ вой сигнал, излучаемый люминесцентным экраном катоднолучевой трубки, и от того, в какой степени вто­ рично-электронный ток отражает состояние поверхности исследуемого объекта. К вопросу о формировании изобра­ жения в растровом электронном микроскопе мы еще вер­

в зонде вообще меняется, то это может вызвать такие изменения величины вторично-электронного тока, кото­ рые не будут иметь ничего общего со свойствами исследуе­ мого объекта. С целью получения какой-либо оценки величины этого эффекта рассмотрим квадратный участок

сувеличением угла раствора электронного зонда 0 .

Электронные линзы формируют уменьшенное изобра­

жение кроссовера электронной пушки, размеры которого

вопределенной степени возрастают вследствие дифракции,

атакже сферической и хроматической аберрации. Если учитывать среднеквадратичную величину общего воздейст­ вия всех указанных факторов, то диаметр электронного зонда d будет определяться следующим соотношением:

d“- - —i—с?с —1— а , (4.10)

где ds — CSQ312 (в плоскости, несколько смещенной отно­

сительно точного положения плоскости изображения); do = Сс0ДФ/Ф; dd = 1,22А,/0.

Обозначив количество строк на изображении через N, уравнение (4.7) можно решить относительно р. Для этого

заменим в нем множитель 25 множителем 100 и исполь­ зуем выражение (4.8); в результате получаем уравнение

<«■«>

Подставив минимальное значение р в уравнение (4.10),

где а описывает эффекты, обусловленные дифракцией и шу­ мом; р — хроматическую аберрацию и у — сферическую аберрацию. Размер зонда d будет проходить через мини­

мум в том случае, когда производная функции, исполь­ зуемой для его определения, по 0 будет равна нулю. Это будет иметь место при условии, что

Если это значение 0 установлено, то соответствующее ему значение диаметра зондового пятна будет равно размеру наименьшей детали объекта, которая может быть разреше­ на с помощью растрового электронного микроскопа. На фиг. 4.5 приведены типичные значения различных пара­ метров, соответствующих следующим условиям работы прибора: Т = 2800 К, / 0 = 2-104 А/м2, АФ = 15, Ф =

Кривые фиг. 4.5 показывают, что при соответствующем практически приемлемом времени сканирования можно ожидать достижения разрешаемого расстояния пример­

но 1 0 нм.

Выше были рассмотрены основные оптические части растрового электронного микроскопа. Так же, как и про­ свечивающий микроскоп, кроме этих частей растровый

Время, с

Ф и г. 4.5. Дшшотр зонда d , ток пучка и угол 0 как функции вре­

мени сканирования для электростатической и магнитной линз для различных значений числа строк развертки N [711.

микроскоп должен иметь дополнительные устройства, например для создания вакуума внутри прибора и предот­ вращения механической вибрации. На фиг. 4.6 представле­ на конструкция растрового электронного микроскопа высокого класса, обеспечивающего возможность формиро­ вания электронного зонда диаметром 5—10 нм. На фиг. 4.7 показаны фотография и схематический чертеж промыш­ ленного образца растрового электронного микроскопа.