25 Детектори електронів

Електрони, що покидають зразок, складаються із двох типів з різко відмінними властивостями. Вторинні електрони еміту­ються мішенню з енергією, максимум якої припадає на 3-5 еВ. Відбиті електрони мають широкий спектр енергій від нуля до енергії пучка. Для матеріалів з середніми та високими атомними номерами розподіл відбитих електронів має максимум, який складає (0,8 - 0,9)Eq. Для того, щоб сформувати зображення у РЕМ, інформацію від електронного сигналу необхідно перевести у електричний сигнал. Для цього потрібні відповідні детектори.

Будь-яку детектору систему характеризують три важливі па­раметра: кут ер, під яким детектор приймає сигнал; тілесний кут збору: Q =A/r2,j\Q А - площа детектора, г - від­стань від точки падіння електронного пучка до детектора; відсоток електронів, що попадають на детектор. На випадок плоского зразка, розміщеного перпендикулярно до пучка електронів, зміст кутів ер та Q можна зрозуміти з рис.2.6. Рисунок 2.6-До пояснення поняття збору електронів

Детекторні системи типу сцинтилятор-фотопомножувач

Найбільшого поширення у растрових електронний мікро­скопах отримали детектори типу сцинтилятор-фотопомножувач який було розроблено Еверхартом та Торнлі. На рис. 2.7 приве­дено схему такого детектора.

Електрони з великою енергією попадають на сцинтилятор. Він представляє собою леговані пластмасу або скло, що здатні випромінювати фотони у наслідок попадання на них електронів (наприклад, з'єднання CaF2 рівномірно леговане європієм).

Рисунок 2.7 - Схема детектора електронів Еверхарта-Тсрнлі: 1-зразок; 2-падаючий пучок електронів; 3-сцинтилятср; 4-світовод; 5-фотоелектронний помножувач (ФЕП); б-циліндр Фарадея [2] У сцинтиляторі електрони генерують фотонний сигнал. Фо­тонний сигнал по світловоду передається на ФЕП. Оскільки на даному етапі сигнал є світовим випромінювання і може прохо­дити через кварцове скло, то ФЕП розміщується за межами ка­мери об'єкта. Фотони бомбардують перший електрод ФЕП. При цьому вони викликають каскад електронів, які в свою чергу, на наступних електродах утворюють теж каскад електронів. Таким чином, утворюється імпульс, на виході підсилений в 10D - 10б разів.

Для того щоб можна було використати сигнал від низько енергетичних вторинних та збільшити ефективність збору від­битих електронів , сцинтилятор покривають плівкою алюмінію товщиною від 10 до 50 нм, на яку подається потенціал +(10 -12)кВ. З метою позбавлення впливу високої напруги на падаю­чий пучок сцинтилятор оточується циліндром Фарадея. Для по­кращення збору вторинних електронів до циліндра Фарадея прикладається додатний потенціал до +250 В. Така напруга не впливає на падаючий пучок електронів. Для того, щоб позбути­ся вторинних електронів, на циліндр Фарадея подається потен­ціал -50 В або знімається висока напруга з сцинтилятора. Відмі­тимо, що електрони з енергією порядку 20 кеВ і більше можуть збуджувати сцинтилятор без прикладення до нього високої на­пруги.

Із відбитих електронів сцинтилятором збираються лише ті, які рухаються прямо за напрямком сцинтилятора. Ефективність збору складає від 1 до 10 %. Кут виходу для детектора Еверхар-та-Торнлі складає 30 °. Тілесний кут - 0,05 страд. Діаметр сцин­тилятора дорівнює 1 см. Відстань від точки падіння пучка до сцинтилятора 4 см. Для вторинних електронів кут виходу та тілесний кут збору визначити дуже складно.

Відмітимо основні особливості детекторів даного типу:

- електричний сигнал, отриманий за допомогою детекторної системи, має низький рівень шуму та велике підсилення;

- детектуються як відбиті, так і вторинні електрони;

• геометрична ефективність збору відбитих електронів складає від 1 до 10 %;

• ефективність збору вторинних електронів складає 50 %;

• у детекторі можна позбутися сигналу від вторинних електронів завдяки циліндру Фарадея.

Для більш повного збору інформації у РЕМ розроблені ряд детекторів, такі як: з ширококутовими сцинтиляторами, з послі­довним великим числом сцинтиляторів, детектори з перетворю­вачем.

Твердотільні детектори

У твердотільному детекторі використовується процес утво­рення у напівпровіднику електрон-діркової пар при попаданні на нього високоенергетичних електронів. Наприклад, для створен­ня однієї електрон-діркової пари у Si потрібна енергія 3,8 еВ, а від одного електрона з енергією 10 кеВ виникне 2800 пар. Дете­ктори виготовляють у вигляді кільця, яке розміщується над зра­зком біля полюсного наконечника об'єктивної лінзи (рис. 2.8, а). Електрична схема детектора приведена на рис. 2.8, б. Поле п-р переходу служить для розділення електрон-діркових пар. Відмі­тимо, що їх також можна розділити прикладеною напругою до напівпровідника. У цьому випадку використання n-р переходу не обов'язкове.

Твердотільний детектор чутливий лише до електронів з ви­сокою енергією. Таким чином, він реєструє сигнал від відбитих електронів. На детектор також впливає і рентгенівське випромі­нювання, але вклад його є набагато нижчий, ніж відбитих елек­тронів. Відмітимо, що детектор може в принципі фіксувати си­гнал і від вторинних електронів, якщо вони будуть окремо при­скорені.

Напівпровідникові детектори дають високе підсилення сиг­налу, але за рахунок ємності n-р переходу смуга пропускання відносно мала, що ускладнює його використання при швидких розгортках Для детекторів характерні великі значення кута О, і як наслідок цього, висока ефективність збору електронів.

Рисунок 2.8- Розмащування (а) та електрична схема (б) твердотіпьного детектора: 1- фрагмент полюсного наконечника об'єктивної лінзи; 2-падаючий пучок електронів; 3-детектср; 4-зразок; 5-електрони, що емі­туються зразком; 6-шар золота; 7-п-р перехід; 8-індикатср струму у зовнішньому колі

Зразок у якості детектора (струм мішені)

Зразок представляє собою вузол (рис. 2.9), в який втікає \}вх Із) та витікає (і_еш=і_е+і_ее+іп) електричні струми (і_в, струми відбитих, вторинних та пройшовших (поглинутих) елек­тронів мішень). Всі електрони, незважаючи на їх енергії, еквіва­лентні, оскільки, за означенням, струм - це заряд, що перено­ситься за одиницю часу. Для зразка у РЕМ струми мають такі величини: і_в=0,3і₃, і_ве=0,1і₃. З урахуванням цього, сумарний струм електронів, що покидають поверхню зразка, складає 0,4/₃. Якщо зразок не електропровідний або незаземлений провідник, то у цьому випадку г_вх>і_вш тобто він буде заряджатися. Стікання заряду можна забезпечити за допомогою звичайного заземлен­ня. У цьому випадку струм електронів і„ (його часто називають струмом мішені), буде складати і₃-і_в-і_ве. Таким чином баланс струмів матиме той вигляд, який задовольняє закон Кірхгофа, а Саме. l_ex leuxj із Ів^іве^іц.-

Для того, щоб використати у якості сигналу струм електро­нів, що поглинаються, він повинен пройти по "шляху" на землю через операційний підсилювач. Вони можуть працювати зі струмами менше 10" А та мають широку смугу пропускання. Рисунок 2.9- Ілюстрація вхідних та вихідних струмів зразка Щоб позбутись струму вторинних електронів на зразок по­дають потенціал +50 В. Тоді баланс струмів буде мати наступ­ний вигляд і3= ів +/'„.