Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы структурного анализа материалов. Учебное пособие
.pdf
Во всех сканирующих электронных микроскопах, выпускаемых
промышленностью, используются по крайней мере два из этих явлений, а
именно вторичная эмиссия и обратное рассеяние электронов. Эти электроны захватываются коллектором, преобразуются в электрический сигнал,
который усиливается и отображается как локальное изменение яркости на
экране электронно-лучевой трубки. Большинство микроскопов также
оснащены (по крайней мере, в качестве принадлежности) устройством для
измерения количества поглощенных электронов или, другими словами,
тока образца. Анализ, который может быть проведен с помощью РЭМ,
может быть только качественным или полуколичественным, если количество квантов рентгеновского излучения, выходящих из любой точки, подсчитывается в очень благоприятных условиях, когда концентрации элементов, существующих на поверхности образца, очень высоки.
Интенсивность рентгеновского излучения почти во всех случаях будет настолько низкой, что соответствующий сигнал будет «исчезать» в
шуме из-за относительно короткого времени счета рентгеновских квантов
в процессе обычного сканирования в растр электронного зонда. Но даже
если эта дополнительная функция в настоящее время не позволяет преобразовать сканирующий электронный микроскоп в сканирующий рентгеновский микроскоп, то микроанализ может иметь реальную ценность для
исследователя, работающего с РЭМ. Например, его можно использовать
для идентификации неизвестной структуры при фрактографическом исследовании путем выполнения качественного рентгеновского микроанализа для определения элементов.
Возвращаясь к третьему требованию (наличие связи между взаимодействием зондирующих электронов и топографией поверхности или
концентрацией элементов в образце), мы можем ограничиться рассмотрением вторичных и обратно рассеянных электронов, поскольку поглощенные электроны или ток выборки используются редко. Контраст изображения формируется за счет изменения количества вторичных или обратно
рассеянных электронов, собранных с разных участков поверхности образца. Следовательно, величина сигнала, определяющего яркость любой точки на экране, сложным образом зависит от ряда факторов.
Механизм контраста будет отличаться для вторичных и обратно
рассеянных электронов из-за огромной разницы в их энергиях (рис. 3.2).
Вторичные электроны имеют энергию около 20 эВ, тогда как для электронов, рассеянных назад, это значение составляет 20 000 эВ. Основное
различие между этими двумя типами электронов заключается в том, что
быстро рассеянные электроны не отклоняются полем коллектора. Они летят от образца к сцинтилляционному счетчику по идеально прямолинейным траекториям.
31
-30 : +250 В
Рис. 3.2. Схема, поясняющая механизм формирования контраста в РЭМ
для рассеянных назад (быстрых) и вторичных (медленных) электронов:
1 – сетка; 2 – пластмассовый сцинтиллятор, покрытый алюминием;
3 – световод; 4 – фотокатод; 5 – изолятор; 6 – металлический стакан
С другой стороны, медленные вторичные электроны находятся под
влиянием электрического поля и обычно следуют по сильно искривленным траекториям, как показано на рис. 1.5. Из этого становится ясно, что
те участки поверхности образца, от которых прямая линия не может быть
проведена к коллектору, можно визуализировать только с использованием
вторичных электронов, а не обратно рассеянных. Это основная причина
более высокой информативности вторично-эмиссионного изображения.
Кроме того, вторичные электроны обеспечивают больший общий сигнал
и, следовательно, лучшее отношение «сигнал/шум».
Вклад в видеосигнал вносят только те обратно рассеянные электроны, которые, двигаясь по прямым траекториям, падают с образца на сцинтиллятор. Медленные вторичные электроны под действием электрического
поля коллектора попадают на сцинтиллятор даже из тех участков образца,
от которых невозможно провести прямую линию к сцинтиллятору. Число
электронов, попадающих на сцинтиллятор, определяется углом между падающим электронным пучком и нормалью к поверхности образца, как показано на рис. 3.2. Это верно как для обратно рассеянных, так и для вто-
32
ричных электронов. Небольших изменений (1…2°) наклона поверхности в
целом достаточно для заметной модуляции яркости свечения экрана электронно-лучевой трубки. Шероховатый рельеф поверхности может обеспечить дополнительный контраст за счет эффекта тени.
Существует прямая аналогия между механизмом формирования контраста электронно-оптического изображения в РЭМ и закономерностями
восприятия оптического изображения человеческим глазом со световым
микроскопом (или без него). В обоих случаях яркость области изображения в основном определяется наклоном соответствующей области поверхности образца по отношению к падающему лучу света или электронов.
Это очевидное сходство объясняет легкость, с которой глаз из-за
изменения яркости почти автоматически воспринимает растровую электронную микрофотографию как трехмерное изображение объекта. В случае обратно рассеянных электронов имеет место иной механизм образования контраста. Число этих электронов увеличивается с увеличением атомного номера элемента, бомбардируемого первичными электронами. Следовательно, контраст изображения образцов с полированной поверхностью,
зависящий от атомного номера, может быть получен отключением или, по
крайней мере, уменьшением потенциала коллектора.
Из-за малой интенсивности потока рассеянных электронов этот режим используется сравнительно редко. Однако в некоторых случаях его
можно использовать для получения важной информации.
Наконец, есть еще один (третий) механизм образования контраста,
но он более важен в области полупроводниковой электроники, чем в металлургии. Как указано, большая часть вторичных электронов достигает
сцинтиллятора по изогнутым, а не прямым путям. Эти кривые зависят от
энергии электронов и разности потенциалов между сканируемой областью
поверхности и коллектором. Если на поверхности образца изменяется потенциал (как, например, в полупроводниковых приборах), то это изменение приведет к изменению яркости на экране микроскопа.
3.2. Устройство растрового электронного микроскопа
Как правило, РЭМ состоит из трех частей: 1) источника питания;
2) электрооптической колонны с камерой и коллектором электронов; 3) системы отображения изображений.
Источники питания обеспечивают необходимое высоковольтное
напряжение для электронной пушки и электронно-лучевых трубок, на
экранах которых возникает изображение объекта.
Хотя микроскопы предназначены для нормальной работы в присутствии значительных паразитных магнитных полей, практика показала, что
рекомендуется размещать такие устройства, как трансформаторы, распреде-
33
лительные щиты, двигатели, провода и их устройства управления, электрические устройства, через которые протекают большие токи, и источники
энергии, не ближе 5 м от электронно-оптической колонны. Особое внимание
следует уделять незащищенным проводам под напряжением, расположенным под потолком или под полом в помещении, где находится микроскоп.
Электронно-оптическая колонка РЭМ включает в себя электронную
пушку, систему линз, уменьшающих диаметр электронного пучка, устройство, отклоняющее пучок, а также такое вспомогательное оборудование,
как вакуумные клапаны, изолирующие электронную пушку от колонны,
промежуточную и конечную апертурные диафрагмы, стигматор и т.д.
Электронная пушка триодного типа имеет вольфрамовую V-образную
нить катода, которую можно центрировать, перемещая ее ручками без
нарушения вакуума.
Обычно, чтобы получить зонд наилучшего качества, выравнивание
катодной нити проверяется перед съемкой критического изображения.
Нить накала нагревается током такой силы, что она испускает 90…95 % от
максимального количества электронов. Электроны ускоряются за счет
напряжения, приложенного между пушкой и анодом, которое может плавно изменяться от 1 до 20 кВ. В основном этот микроскоп работает при
напряжении 15…20 кВ, так как этот диапазон обеспечивает оптимальное
разрешение. При исследовании диэлектрических объектов используются
низкие напряжения, чтобы избежать зарядки образца электронами зонда.
Первичный электронный пучок проходит через три предварительно выровненных электромагнитных линзы, которые уменьшают пересекающееся
изображение, образуя «световой шар» диаметром около 100 А. Фактический размер пятна зависит от тока в каждой линзе. Первые две линзы взаимозаменяемы, но у второй обычно есть полюс. Третья линза объектива
используется для фокусировки луча и имеет три сменные апертурные диафрагмы диаметром от 50 до 300 мкм (0,05…0,3 мм).
Система отклоняющих катушек установлена в канале линзы объектива. Он состоит из двойных отклоняющих катушек, магнитного стигматора и системы катушек, которая обеспечивает точное перемещение всего
растра по поверхности образца за счет подачи на эти катушки соответствующего постоянного тока. Эти катушки можно передвигать, механически перемещая столик микроскопа. На качество электронно-оптического
изображения могут влиять частицы грязи, которые собираются на разных
частях колонны, в частности в держателе последней апертурной диафрагмы и на линзе объектива. Эти частицы будут заряжены электронным лучом, создавая асимметричные поля, действующие на зонд. Наличие загрязнения можно определить по величине тока в катушке стигматора, при которой астигматизм луча устраняется; в чистой колонке астигматизм не обнаруживается даже при увеличении, поэтому не требуется большого ис-
34
пользования стигматора. Быстро и легко откручиваемые отдельные кронштейны, фиксирующие секции колонны, позволяют разобрать колонку для
очистки.
Микроскоп чрезвычайно чувствителен к механической вибрации.
Таким образом, вся система, состоящая из электронной пушки, электронно-оптической колонны и камеры для образца, установлена на пластине,
поддерживаемой антивибрационным устройством, а соединение с вакуумной системой осуществляется с помощью больших металлических сильфонов. Поплавок закрывается автоматически при смене образцов или разборке колонки.
Камера для образцов должна быть достаточно большой, чтобы в ней
можно было разместить как обычные, так и специальные столы для образцов. Стандартный держатель позволяет образцу перемещаться в плоскости,
перпендикулярной оптической оси колонки микроскопа, и вдоль оси. Специальные столы позволяют нагревать или охлаждать образцы или вводить
в камеру необходимое оптическое или другое физическое оборудование.
Стандартные столы позволяют вращать образцы на любой угол до
90° вокруг оси, перпендикулярной электрооптической оси; это позволяет
изменять угол между направлением зонда и нормалью к поверхности образца от 0 до 90°. С помощью этих столиков вы также можете непрерывно
вращать образцы вокруг электрооптической оси (от 0 до 360°). Для облегчения работы оператора предметный столик должен быть выполнен в виде
рукава, который при смене образцов выдвигается лишь частично.
Важным элементом в камере для образца является коллектор вторичных электронов, состоящий из электростатического фокусирующего
электрода, сцинтиллятора с положительным потенциалом, оптически соединенный световодом с фотоумножителем. Соотношение вторичных и
обратно рассеянных электронов можно изменять, выбирая потенциал фокусирующего электрода в диапазоне от +250 до -30 В относительно стенок
камеры, нижнего электрода линзы и столика образцов с потенциалом земли. Чтобы детектор вторичных электронов был свободен от шума, электроны, которые бомбардируют сцинтиллятор и возбуждают кванты света,
должны иметь высокую энергию. Для этого на сцинтиллятор подается потенциал +12 кВ.
С помощью видеоусилителя осуществляется контроль контрастности, при этом контраст ослабляется при высоком уровне сигнала и усиливается при низком уровне входного сигнала.
Изображение объекта в РЭМ появляется на экранах двух электроннолучевых трубок, одна из которых предназначена для визуального наблюдения, а вторая, имеющая разные характеристики и работающая в разных
режимах сканирования, предназначена для фотографического воспроизведения. Блок визуального наблюдения используется, когда нужно быстро
35
выбрать желаемую площадь поверхности и определить увеличение, информативность и качество изображения данного образца. В этом случае
нет необходимости в большом количестве линий в кадре и в строгом соблюдении соотношения между шириной линий и диаметром зонда. Кроме
того, нет необходимости устранять самые тонкие локальные неровности
поверхности с помощью используемого диаметра электронного зонда и
увеличения.
Чтобы изображение на экране электронно-лучевой трубки не успевало погаснуть в течение кадра, необходимо выбирать время сканирования
в направлении оси Y достаточно малым. Соответственно, экраны смотровых трубок покрыты люминофором с большим временем действия, а время
кадра составляет 1 с. Время развертки по осям X и Y можно плавно изменять в диапазоне 0,1…10 с для первой развертки и 0,001…0,1 с – для второй. Эти скорости сканирования обеспечивают нормальное значение N для
наблюдения, равное 100, которое при необходимости может быть увеличено до 10 000.
Экран трубки, предназначенной для фотосъемки, покрыт люминофором, излучающим синий свет и имеющим короткое послесвечение. Короткое время экспозиции используется, чтобы избежать размытия изображения во время фотосъемки в результате механической и электрической нестабильности, а относительно длинное время экспозиции исключает необходимость повторного сканирования. Поскольку для записи изображения
требуется большое значение N (количество строк в кадре), экран такой
трубки должен обеспечивать высокое разрешение (от 800 до 1000 строк), а
на экране смотровой трубы 500 строк достаточно. Оптимальное расстояние
между линиями и размер электронного луча в трубке записи изображения
определяются наименьшим расстоянием, которое может разрешить человеческий глаз (~0,2 мм).
Если в дальнейшем сфотографированное изображение необходимо
оптически увеличить в 2 раза, то расстояние между линиями на экране записывающей трубки и эффективным диаметром ее луча должно быть около 0,1 мм. Для типичной эффективной площади экрана 100×100 мм это
означает 1000 строк на кадр, а время кадра (перемещение по оси Y) в 1000
раз больше, чем время строки (перемещение по оси X). Время фотографирования в обычном сканирующем электронном микроскопе составляет
100…200 с, что означает время движения луча в направлении Y 100…200 с
и в направлении X 0,1…0,2 с. Оба значения времени сканирования находятся в диапазоне генераторов развертки (2…1000 с для кадровой развертки и 0,004…0,4 с для горизонтальной развертки).
Токи, используемые для сканирования электронного луча в обеих
трубках, поступают от генератора развертки в виде пилообразного напряжения с амплитудой ±10 В через усилитель с выходным током +100 мА. В
36
обеих трубках луч распространяется по экрану в квадратный растр с помощью электромагнитных систем фокусировки и отклонения. Как упоминалось ранее, в сканирующем электронном микроскопе увеличение достигается за счет изменения величины тока, подаваемого на отклоняющие катушки катодно-оптической колонны, и определяется соотношением длин
линий сканирования на экране катода. Изменение силы тока контролируется устройством, предназначенным для изменения увеличения. С помощью этого устройства значение пилообразного тока, протекающего в отклоняющие катушки наблюдательной и записывающей трубок, устанавливается до того, как он попадет в отклоняющую систему в колонне.
Десятипозиционный поворотный переключатель обеспечивает выбор
увеличения. Увеличение, превышающее максимальное полезное увеличение микроскопа, обычно используется только для фокусировки и устранения астигматизма.
Увеличение также зависит от ускоряющего напряжения электронного зонда, ускоряющих напряжений в электронно-лучевых трубках и тока
возбуждения в линзе объектива. Изменение увеличения из-за ускоряющего
напряжения автоматически учитывается калибровочным устройством микроскопа. Изменение расстояния между нижним электродом линзы объектива и поверхностью образца вызовет изменение тока возбуждения этой
линзы. Это, в свою очередь, приведет к тому, что необходимо будет учитывать множитель увеличения, который указывается на шкале специального измерителя, связанного с линзой объектива. Таким образом, фактическое увеличение является результатом увеличения этого фактора.
4. АВТОИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ
4.1. Принцип работы автоионного микроскопа
Большое значение полевой ионной микроскопии связано с тем, что с
помощью этого метода можно различать отдельные атомы, расположенные
на поверхности твердого образца. Достигнутое в этом случае увеличение
превышает 10
6
.
Схематическое изображение трубки полевого ионного микроскопа
(ионного проектора) представлено на рис. 4.1. Образец представляет собой
кусок тонкой проволоки с очень тонким острием на конце, полученным
электрохимическим травлением. Обычно радиус наконечника составляет
100 А.
Образец устанавливается в держателе между двумя электродами,
впаянными в трубку, и расположен в нескольких сантиметрах от флуоресцентного экрана. Держатель вместе с образцом служит анодом. Чтобы получить изображение, воздух откачивается из пространства между образцом
37
и экраном, и на образец, охлажденный до очень низкой температуры, подается положительный потенциал относительно флуоресцентного экрана.
Положительный высоковольтный потенциал
1
2
Образец
3
Отрицательный высоковольтный потенциал
Рис. 4.1. Схема трубки автоионного микроскопа:
1 – жидкий азот; 2 – стеклянная трубка;
3 – флуоресцирующий экран
Образующий изображение газ (обычно гелий) попадает в систему
под давлением в несколько миллиметров ртутного столба. Из-за очень
сильного электрического поля, которое возникает в непосредственной близости от наконечника образца, формирующий изображение газ ионизируется, сформированные положительные ионы отталкиваются от образца и
затем летят прямо вперед, когда они попадают на флуоресцентный экран,
эти ионы образуют проецируемое изображение локальных флуктуаций поля, существующих на поверхности образца.
Прежде чем подробно рассматривать процесс формирования изображения, необходимо изучить атомную структуру поверхности образца.
Строение этой поверхности можно легко представить, проведя, например,
аналогию с полусферой радиусом около 3 м, построенной из детских кубиков, уложенных правильными слоями с краем ~5 см. Созданная таким образом полусфера не идеально гладкая, а состоит из плоских граней, выступов и ступенек.
На такой модели четко обнаруживаются плоские грани, которые на
самом деле являются плоскостями с маленькими индексами Миллера, выступами и ступенями, образованными, когда полусферы построены из шаров с радиусом на один или три порядка меньше, чем радиус кривизны половины сферы. Эта модель дает хорошее представление о поверхности
38
острия, поскольку атомные радиусы составляют 1 А, а радиусы острия
обычно используемых образцов варьируются от 50 до 1000 А.
Процессы, приводящие к формированию изображения, схематически
показаны на рис. 4.2. В сильном поле, существующем около иглы, атом
формирующего изображения газа поляризуется, притягивается к игле и
взаимодействует с поверхностью иглы. В этом столкновении атом может
потерять достаточное количество энергии, чтобы быть захваченным областью вблизи поверхности острия. Если это так, то он будет отскакивать от
металла, теряя энергию при каждом отскоке. В результате столкновений с
поверхностью захваченные атомы изображающего газа приобретают температуру острия. Если атом пролетает через область сильного поля над поверхностью образца, то он будет ионизован.
1
Рис. 4.2. Столкновение молекул
3
изображающего газа
с поверхностью металла:
1 – поляризованный атом
2
газа; 2 – ионизация в поле
высокого потенциала;
3 – пучки эмиттированных
ионов
Такие области сильного поля существуют только около атомов, выступающих над поверхностью (т.е. атомов, расположенных на краях ступенек), так что ионный пучок, вылетающий из эмиттера (острия), состоит
из набора дискретных тонких пучков, соответствующих атомным выступам на поверхности образца.
Если давление формирующего изображение газа невелико, то рассеяние ионов, вылетающих из наконечника, незначительно, а разрешение деталей на изображении зависит от расширения тонких лучей из-за наличия
поперечных составляющих скорости атомов во время их ионизации, а также от размера атомов изображающего газа. Это расширение может быть
уменьшено с помощью полевого ионного микроскопа, когда образец
охлаждается до температуры жидкого азота или ниже. Тогда траектории
ионов будут примерно перпендикулярны поверхности образца. В таком
микроскопе разрешение 2…3 А.
Достигаемое увеличение примерно равно отношению расстояния от
наконечника до экрана к радиусу кривизны наконечника и обычно составляет 106. Такое большое увеличение делает полевой ионный микроскоп
уникальным инструментом.
39
Из рис. 4.2 видно, что изображение может быть получено не по всем
атомам на поверхности, а только по тем, которые расположены на неплотно упакованных гранях или краях ступенек. На практике изображается
примерно 10…20 % всех атомов на поверхности. Это, очевидно, накладывает ограничение: хотя можно различить и увидеть один атом, нельзя увидеть все атомы, лежащие на поверхности. На самом деле, это ограничение
не является серьезным, поскольку именно те атомы, которые отображаются в процессе ионизации электрическим полем, могут быть удалены легче,
чем все другие, путем испарения под действием сил электрического поля.
Достаточно сильное электростатическое поле может удалять атомы с
поверхности образца без их заметного нагрева. Это эффект полевого испарения, и это наиболее важная особенность метода полевой ионной микроскопии.
Полевое испарение используется в начале любого эксперимента в
полевой ионной микроскопии, чтобы удалить загрязненные слои и получить атомарно-гладкую кривую на кончике образца. После электрохимического травления образец может быть покрыт большим количеством слоев
продуктов коррозии, а его форма обычно далека от правильной. Эти слои
загрязнения удаляются испарением в поле. Такое испарение начинается
при определенном значении поля. Любые неровности на образце можно
легко удалить и получить гладкую поверхность наконечника.
Благодаря тому, что испарение полем для каждой частицы происходит при определенном для нее характерном поле, этот процесс можно точно контролировать, а отдельные атомы, группы атомов и целые атомные
слои можно удалять с поверхности, просто изменяя напряжение. Таким
образом, хотя одна микрофотография дает картину расположения только
нескольких атомов на поверхности, большое количество микрофотографий
дает трехмерное изображение образца. Таким образом, процесс полевого
испарения можно использовать для «микроанатомии» образца.
В процессе испарения полем из образца правильной формы первыми
удаляются те атомы, которые участвуют в создании автоионного изображения, поскольку это те самые атомы, вокруг которых действует наиболее
сильное поле. Таким образом, испаряя образец полем, последовательно
удаляя атом за атомом, в принципе можно увидеть каждый атом кристалла.
4.2. Автоэлектронная и аутоионная микроскопии
Полевой электронный микроскоп широко используется для исследования поверхностей и поверхностных реакций. Возможно одновременное
использование как автоэлектронной, так и аутоионной микроскопии.
Трубка полевого электронного микроскопа по существу такая же, как
и трубка полевого ионного микроскопа (рис. 4.3). В обоих случаях образец
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]