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

связи между яркостью изображения и наклоном поверхно­ сти объекта позволил обнаружить наиболее интересный результат, заключающийся в том, что при определенных условиях на конечном изображении можно наблюдать трехмерный эффект. При этом картина оказывается точно такой же, как и картина, которую мог бы увидеть вообра­ жаемый наблюдатель, смотрящий из электронной пушки на поверхность исследуемого объекта, освещаемую источ­ ником света, помещенным на детекторе.

Как уже упоминалось, часть первичных электронов (т. е. электронов, излучаемых пушкой и падающих на объект) будет отражаться поверхностью объекта, и они также могут быть использованы для формирования изо­ бражения. Этот способ формирования изображения особен­ но целесообразно применять при исследованиях, прово­ димых с целью выявления изменений атомных номеров

(Z) химических элементов, входящих в состав исследуе­ мого объекта. Правда, в этом случае, количество вторич­ ных электронов также в определенной мере зависит от Z.

Однако преимущество способа формирования изображения

от атомного номера. Часть отраженных первичных элек­ тронов определяется так называемым коэффициентом обратного рассеяния. Зависимость этого коэффициента от атомного номера Z для ускоряющего напряжения, рав­ ного 30 кВ, представлена на фиг. 4.8, а. Как видно из

фиг. 4.8, б, коэффициент обратного рассеяния слабо зависит от величины ускоряющего напряжения первич­ ного пучка электронов.

Имеется целый ряд различных типов веществ, обладаю­ щих тем иптереспьш свойством, что вблизи их поверхности существует электрическое или магнитное поле. Эти поля могут быть либо естественными (как в случае ферромаг­ нитных материалов или сегнетоэлектриков), либо искус­ ственно созданными (например, в случае таких полупро­ водниковых устройств, как транзисторы). Распределение напряженности или потенциала указанных полей можно наблюдать непосредственно на изображении, которое фор­ мируется в растровом электронном микроскопе посред­ ством вторичных электронов, так как эти электроны будут

на поверхности. Например, ферромагнитные материалы состоят из мозаики магнитных доменов, отделенных друг от друга доменными перегородками, и изменения магнит­ ного поля от одного домена к другому можно наблюдать непосредственно. Аналогия между ферромагнитными веществами и сегнетоэлектриками состоит в том, что последние обладают постоянным электростатическим моментом или поляризацией (аналогично постоянным магнитам, обладающим магнитным моментом или намаг­ ниченностью). Однако источники указанных свойств весьма различны. При температурах ниже определенной температуры перехода некоторые атомы смещаются отно­ сительно их прежних положений в решетке, что вызывает нарушение локальной (но, разумеется, не общей) элек­ трической нейтральности. Положительно или отрицатель­ но заряженные ионы образуют диполи, благодаря чему возникает электрическое поле, картину которого можно непосредственно наблюдать на вторично-электронном изо­ бражении. Типичными и наиболее хорошо изученными

структуру перовскита. Сегнетоэлектрическими свойства­ ми обладают также соль Рошеля и целый ряд фосфатов и арсенидов (KH2P 0 4, RbH2P 0 4, KH 2A s04, CsH2A s04).

Поверхностное электрическое поле может возникать в тех случаях, когда различные участки объекта находятся под разными потенциалами. При этом имеется возмож­ ность непосредственного наблюдения отдельных областей транзистора. Особенно остроумная методика была раз­ работана для изучения характера изменения распределе­ ния потенциала в микросхеме, на которую подается пере­ менный сигнал. Если объект облучается электронным зондом не непрерывно, а отдельными импульсами, и если частота этих импульсов равна частоте подаваемого на микросхему переменного напряжения, то при этом будет достигнут стробоскопический эффект; в каждый данный момент времени на изображении будет видно распределе­ ние напряжения по поверхности объекта. Распределение последовательных точек цикла переменного тока можно наблюдать благодаря изменению разности фаз между сиг­

236 Глава 4

налом, подаваемым на микросхему, и прерываемым пер­ вичным электронным лучом. При этом успешно исполь­ зуются частоты до нескольких мегагерц, причем уже пред­ принимаются попытки применять и более высокие часто­ ты. Поскольку вторичные и обратно рассеянные электроны обладают сравнительно малыми скоростями, в растровом электронном микроскопе удается наблюдать очень неболь­ шие изменения потенциала (0,5 В).

Кристаллографические эффекты на массивных объектах в растровом электронном микроскопе были получены только в 1967 г. В гл. 3 бФло показано, что когда на тон­ кий объект, обладающий периодической кристаллической структурой, падает параллельный электронный пучок, то на выходе из объекта он расщепляется на ряд отдель­ ных лучей, распространяющихся в разных направлениях. Общее количество электронов в каждом из этих лучей и их направление определяются геометрией и размерами кристаллической решетки. В случае толстых объектов, как мы уже видели, будут происходить вторично-электрон­ ная эмиссия и обратное рассеяние первичных электронов, но на распределение будет оказывать характерное влия­ ние периодическая структура объекта. Это объясняется тем, что при не слишком больших увеличениях угол паде­

больше углов между падающим лучом и первыми немно­ гими преимущественными направлениями (соответствую­ щими описанным выше условиям прохождения электрон­ ного луча через тонкий объект), проникновение электрон­ ного зонда в решетку в одних местах будет облегчено, а в других затруднено. Там, где электроны проникают глубже, обратно вышедших электронов будет мало. В тех же местах, где на пути электронного зонда окажутся препятствия, обратно вышедших электронов будет боль­ ше. Таким образом, общая картина, отражающая степень легкости «каналирования» электронов через решетку, оказывается характерной для кристаллической струк­ туры объекта. Это так называемая картина электронного каналирования (сокращенное название КЭК).

Разумеется, маловероятно, что картина каналирования будет видна в чистом виде без каких-либо контрастных

явлений, обусловленных другими причинами, с кото­ рыми мы уже встречались. Каким образом ее можно все-таки обнаружить? К счастью, она отличается рядом характерных особенностей: если объект перемещается в горизонтальном направлении, то контраст, соответствую­ щий неоднородностям поверхности, также будет переме­ щаться, но картина каналирования останется неподвиж­ ной; если же объект наклоняется или поворачивается, то картина каналирования будет перемещаться в соот­ ветствии с перемещениями объекта. Кроме того, полосы, из которых обычно состоит картина каналирования, имеют характеристическую угловую ширину, уменьшаю­ щуюся при повышении ускоряющего напряжения пучка первичных электронов, и наоборот. Детали картины опре­ деляются структурой кристаллической решетки и ее ориентацией относительно оси микроскопа.

Картины каналирования можно наблюдать в тех слу­ чаях, когда увеличение достаточно мало для того, чтобы угол падения зонда заметно менялся при сканировании всей поверхности объекта. Это значит, что объект должен

либо дефектов, по крайней мере вблизи сканируемой поверхности. Однако с экспериментальной точки зрения гораздо важнее и целесообразнее было бы иметь возмож­ ность получать картину каналирования с малого участка объекта (аналогично тому, как это достигается в электроиографических исследованиях, проводимых в просвечи­ вающем электронном микроскопе методом микродифрак­ ции). Это можно обеспечить путем уменьшения тока в ниж­ ней системе сканирующих катушек таким образом, чтобы электронный зонд отклонялся относительно точки объекта аналогично стрелке метронома. Общая картина в данном случае уже не будет представлять собой изображение поверхности объекта, так как здесь луч не сканируется вдоль линии, а колеблется в определенных угловых пределах относительно какой-либо точки объекта. Однако получаемая при этом картина будет содержать весьма ценную информацию о кристаллической структуре объекта в непосредственной близости к точке, около которой колеблется зонд.

Если бы пушка обеспечивала достижение большей плот­ ности тока в электронном зонде, то это позволило бы либо сформировать изображение за более короткое время, либо получить за обычный период времени картину с гораздо большим разрешением. Таким образом, до тех пор пока применялась обычная электронная пушка с накаливаемым вольфрамовым катодом, не удавалось реализовать растровый микроскоп, который с точки зре­ ния разрешающей способности мог бы успешно конкури­ ровать с просвечивающим электронным микроскопом. Следовательно, обычный растровый прибор может обеспе­ чить пока только получение ценной дополнительной инфор­ мации о некоторых типах объектов (например, массивных образцах с большими выступами или углублениями на поверхности), которые нельзя исследовать с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

Только после создания электронной пушки нового типа оказалась возможной реализация просвечивающего растрового электронного микроскопа. Уже на протяже­ нии многих лет известно, что в принципе электронная эмиссия металлов может быть вызвана не только путем нагревания (термоэмиссия), но и другими способами. Наиболее подходящий способ, обеспечивающий очень высокую электронную яркость, необходимую для достиже­ ния разрешающей способности растрового электронного микроскопа, сопоставимой с разрешающей способностью обычного просвечивающего микроскопа, состоит в приме­ нении в электронной пушке автоэмиссионного источника электронов. В таком источнике у металлического острия создается сильное электрическое поле, способствующее преодолению свободными электронами потенциального барьера и сообщающее им после выхода из металла соот­