БЕЛОРУССКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
КафедраЭТТ
РЕФЕРАТ
Натему:
«Электронная микроскопия»
МИНСК,2008
Основныехарактеристики микроскопов
Разрешающая способность микроскопа — это минимальное расстояние между ближайшими точками,при котором их ещё можно наблюдать раздельно.
Изтеории оптической микроскопии следует, что разрешающая способность выражаетсякак
= /NA ,
где NA — числовая апертура линз объектива, — длина волны излучения, в которомформируется изображение в микроскопе.
Длясветового микроскопа = 400...750 нм, а значение NA для лучшихобъективов не превышает 1,5. Это говорит о том, что даже в самых лучшихсветовых микроскопах нельзя наблюдать детали объекта меньше чем 200 нм.
Глубина резкости — это расстояние вдоль оптическойоси, на котором расфокусировка (т.е. неточность установки объектива поотношению к объекту и его изображению) не влияет на разрешающую способность:
D= / sin ,
где 2 - угол расходимости лучей, образующих изображение предмета.
Увеличениелюбого микроскопа равно отношению размера, разрешаемого невооружённым глазом (0.2 мм) к размеру наименьшей детали изображения, разрешаемого микроскопом. Для светового микроскопа
M= 0.2/ = 1000 .
Увеличениеразрешающей способности микроскопа путём уменьшения длины волны привело кположительному результату. Микроскопы, использующие УФ — лучи, позволяютувеличить разрешающую способность примерно в два раза. Переход к микроскопии,использующей рентгеновские лучи, позволяет ещё более резко увеличитьразрешающую способность. Однако отсутствие оптических линз для рентгеновскогодиапазона создаёт ряд трудностей в реализации этой идеи. Такие принципиальныетрудности были преодолены после того, как в 1923 г. Луи де Бройлем была выдвинута гипотеза, согласно которой любой частице с массой m,движущейся со скоростьюv, соответствует волна с длиной
= h/mv ,
где h- постоянная Планка, равная 6.67*10-34 Дж с.
Скоростьэлектрона можно выразить через ускоряющее напряжение:
Е = еU =mv 2/2
v = (2еU/m)1/2
= h/(2mеU)1/2
Приближённые расчётыпоказывают, что волна, соответствующая электрону, ускоренному полем в 150 В,равна 0.1 нм, что на 3 порядка меньше длины волны видимого света. Посколькуэлектрону соответствует столь короткая волна, это наводит на мысль овозможности создания микроскопа, работающего с электронными пучками. Рольоптической системы могут выполнять соответствующим образом подобранныеэлектрические и магнитные поля, сформированные электромагнитными линзами.Принцип действия электронныхмикроскопов
В настоящеевремя различают просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) и растровуюэлектронную микроскопию (РЭМ). Данные для сравнения РЭМ, ПЭМ и световой микроскопии(СМ) приведены в таблице 1.
Табл.1.Сравнительныехарактеристики световых и электронных микроскопов
/>
Просвечивающий электронный микроскоп представляет собой вакуумную камеру,изготовленную в виде вертикально расположенной колонны (рис. 1). Вдольцентральной оси этой колонны сверху вниз внутри колонны расположены электронныйпрожектор, определенный набор электрических катушек с проводом — электрическихмагнитов, выполняющих роль электромагнитных линз для пучка электронов,проходящего вдоль центральной оси колонны до ее основания, и флуоресцирующегоэкрана, поверхность которого бомбардируют электроны пучка.
/>
Рис.1. Просвечивающий электронный микроскоп JEM-200CX
ПЭМявляется фактическим аналогом светового микроскопа. Его схема показана нарис.2. Исследуемый образец располагается в области объективной линзы 5.Проекционная и промежуточная линзы выполняют функцию окуляра. Изображениеформируется на флуоресцирующем экране.
/>
Рис. 2. Схема просвечивающего электронногомикроскопа:
1- катод, 2 — управляющий электрод, 3 — анод, 4 — конденсорная линза, 5 — объектная линза, 6 — апертурная диафрагма, 7 — селекторная диафрагма, 8 — промежуточная линза, 9 — проекционная линза, 10 – экран
ОбъектАВ располагают обычно на микросетке. Проходя через объект, электроны рассеиваютсяв некоторый телесный угол, который ограничивается апертурой диафрагмойобъектной линзы. Изображение объекта, формируемое объектной линзой (А’В’)увеличивается промежуточной (А’’В’’) и проекционной (А’’’В’’’) линзами.Контраст изображения обуславливается поглощением (амплитудный контраст) ирассеянием (фазовый контраст) электронов в объекте (рис. 3).
/>
Рис. 3. Электронные изображения биологическойткани, полученные при различной степени увеличения. На первом изображении сувеличением в 170 раз видна графитовая микросетка, на которой располагаютисследуемый объект
В ПЭМобъект исследования должен пропускать пучок электронов. Первостепенная задачаисследователя — обеспечение двух условий: малой толщины образца иизбирательного взаимодействия электронов с разными деталями образца. Микроскопснабжается камерой, в объёме которой создаётся необходимый вакуум (10-5 - 10-6 Па). Ускоряющее напряжение, прикладываемое между катодоми анодом, находится в пределах от 20 до 200 кВ, что обеспечивает режим работы«на просвет». В РЭМ это напряжение значительно меньше (до 20 кВ). Весьмаэффективно применение ПЭМ для анализа микроструктуры материалов, установление вней нарушений, контроля правильности заполнения узлов кристаллической решётки,наличия пустот, дислокаций и т.д. (рис. 4).
/>
Рис. 4. Двумерное электронное изображение кристалла Nb, полученное при 200 кэВускоряющего напряжения и увеличении в 6.000.000 раз. Черные точки соответствуютпозициям атомов Nb, белые – каналам межатомного пространства
Вотличие от ПЭМ растровая электронная микроскопия позволяетдефектоскопировать образцы практически любых размеров по толщине. В её основележат физические явления, наблюдающиеся при бомбардировке поверхности твёрдоготела пучком электронов с энергией до нескольких десятков килоэлектронвольт,разворачиваемым в двумерный растр на поверхности исследуемого образца. К такимявлениям относятся: эмиссия вторичных электронов (рис. 5); рентгеновскоеизлучение; оптическое излучение (катодолюминесценция); образование отражённыхэлектронов (рис. 6); наведение токов в объекте дефектоскопирования (рис. 7 а);поглощение электронов (рис. 7 б); электроны, прошедшие сквозь образец (рис. 7в); образование объёмного заряда; образование термоволны при модуляцииэлектронного пучка по амплитуде. Регистрация и последующее преобразованиесигналов, вызванных вторичными эффектами, позволяет получить разнообразные поинформативному содержанию «электронные» изображения объекта.
/>
Рис. 6. Контроль дефектов изготовления интегральных схем поэлектронным изображениям, полученным в режиме контроля отраженных электрономпри различных ускоряющих напряжениях и увеличении в 250 раз
/>
Рис. 7. Электронные изображения, полученное в режимах контролянаведенных токов в кристалле интегральной схемы (а), поглощенных электронов(сквозного сопротивления) в пленке сплава четырех металлов Ti-Fe-Ni-Ag(б), электронов,прошедших сквозь тонкий слой каучука (в)
Если после бомбардировкиобразца электронным пучком измерить энергетическое распределение всехэмиттированных из него электронов в диапазоне энергий от 0 до Е0 (Е0 - энергия первичных бомбардирующих поверхность исследуемогообразца электронов), то получится кривая, подобная изображённой на рис. 8.Высокоэнергетическая часть распределения (область I) имеет широкий максимум исоответствует отраженным электронам, меньшая часть которых имеет низкие энергии(область II). Увеличение числа эмиттированных электронов, которые образуютобласть III, происходит за счёт процесса вторичной электронной эмиссии.
/>
Рис. 8. Энергетическое распределение электронов,эмиттированных изисследуемого образца после его бомбардировки первичным электронным пучком
Вторичные электроны возникают в результате взаимодействия междувысокоэнергетичными электронами пучка и слабо связанными электронамипроводимости. При взаимодействии между ними происходит передача электронам зоныпроводимости лишь нескольких электронвольт энергии, но вполне достаточных длятого, чтобы они покинули кристаллическую решётку. В состав вторичных электроноввходят также электроны, возникающие в результате выбивания из внутреннихоболочек атомов и Оже-электроны, возникающие в результате безизлучательнойрекомбинации. Энергия этих электронов характеризуется энергией определённыхэлектронных уровней конкретного атома.
Впроцессе неупругого рассеяния электронов пучка при взаимодействии его сисследуемым образцом может возникать рентгеновское излучение. Это происходит засчёт двух различных процессов:
· торможения электрона пучка вкулоновском поле атома, приводящего к возникновению непрерывного спектраэлектромагнитного излучения с энергией от нуля до энергии падающегоэлектрона (в этот диапазон входит и энергия рентгеновских квантов);
· взаимодействия электронапучка с электронами внутренних оболочек, приводящего к возникновению характеристического рентгеновскогоизлучения (энергияиспускаемого рентгеновского кванта характеризуется разностью энергий междучётко определёнными электронными уровнями).
/>Когда некоторые материалы, такие какдиэлектрики и полупроводники, подвергаются электронной бомбардировке, товозникает длинноволновое электромагнитное излучение в ультрафиолетовой ивидимой части спектра. Это излучение, известное как катодолюминесценция.
Для анализа рабочего состояния активных и пассивных элементов ИСпредставляет интерес режим наведённых токов. При сканировании электронным пучком поверхности кристаллаИС, подключенного к источнику питания, часть поглощённых в кристалле электроновпревращается в свободные носители заряда и генерируют электрические сигналы,обнаруживаемые в цепи питания. Эти сигналы имеют максимальное своё значение припересечении электронным пучком областей потенциальных барьеров на кристалле (p-nпереходов), что позволяет их визуализировать на экране видеомонитора (рис. 7а).
КонструктивноРЭМ от ПЭМ отличается наличием отклоняющей системы для электронного луча,датчиков отражённых и вторичных электронов, датчиков других вторичных сигналовс блоком формирования видеосигнала и электронным видеоблоком для наблюдения ифотографирования изображения (рис. 9, 10).
/>
Рис. 10. Схема растрового электронного микроскопа:
1- термоэмиссионный катод; 2 — управляющий электрод; 3 — анод, 4 — ЭЛТ длянаблюдения; 5 — ЭЛТ для фотографирования; 6,7 — первая и вторая конденсорнаялинзы; 8 — отклоняющие катушки; 9 – стигматор; 10 — объективная линза; 11 — объективная диафрагма; 12 — электронный пучок; 13 — генератор развёрткиэлектронного луча микроскопа и ЭЛТ видеоблока; 14 — сцинтиллятор; 15 –светопровод; 16 – ФЭУ; 17 – видеоусилитель; 18 – исследуемый образец; 19 –регистрируемый сигнал (оптический, рентгеновский или электронный)
/>В РЭМ необходимо применять излучающуюсистему, формирующую на образце пятно очень малого размера и позволяющуюперемещать его по всей поверхности образца. Вследствие того, что диаметр пучкаэлектронов поддерживается в пределах нескольких микрометров на достаточнобольшом расстоянии от поверхности образца, глубина резкости велика, что оченьважно при исследовании рельефных поверхностей микрообъектов (рис. 6). Этаособенность РЭМ, которой полностью лишены световые и просвечивающие электронныемикроскопы, обеспечивает РЭМ большое практическое значение и при небольшихувеличениях (рис. 11).Принцип действия ионных микроскопов
Методы зондированияповерхности излучениями всё же не дают возможности своими глазами увидеть еёсамые малые участки. Для того, чтобы понять, что же происходит на поверхности,исследователям необходима карта точного расположения атомов и их электронныхоболочек. Наблюдать отдельные атомы на поверхности позволяют ионные микроскопы.Это связано с тем, что длина волны движущегося в электрическом поле иона должнабыть гораздо меньше, чем длина волны электрона, что подтверждается формулой Луиде Бройля —
= h/mv ,
ведьмасса иона несоизмеримо больше массы покоя электрона.
В настоящее время (началобурного развития наноэлектронных технологий) практически опробованы и постоянномодернизируются несколько типов ионных микроскопов, среди которых можновыделить полевой ионизационный микроскоп, растровый туннельный микроскоп иатомный силовой микроскоп. Ниже кратко рассмотрим первых два вида ионныхмикроскопов.
Полевойионизационный микроскоп (ПИМ).
Основойприбора служит очень тонкая и острая металлическая игла, являющаяся исследуемымобразцом, а также люминесцентный экран, расположенный напротив (рис. 12).
/>
Рис. 12. Схема формирования изображения в полевом ионизационноммикроскопе
1- образец исследуемого материала (наконечник иглы); 2 — зона ионизации;
3- атом «изображающего» газа; 4 — ион; 5 — расходящийся поток ионов;
6- заземлённый флуорисцирующий экран; 7 — вспышка на экране;
8 — изображение(совокупность вспышек)
Пространствомежду иглой и экраном заполняется инертным газом (гелием, аргоном) при давлении10-1 Па. Еслимежду кончиком иглы и экраном приложить напряжение, причём игла должна служитьанодом, то вокруг неё можно создать чрезвычайно сильное электрическое поле — около 500 МВ/см2. Когдаэлектрически нейтральный атом вследствие диффузии подходит к атомам острия,электрическое поле ионизирует его. Этот ион под действием электрического полянаправляется к той точке экрана, которая однозначно соответствует позиции атомаисследуемого образца, вблизи которого произошла ионизация. Изображение иглы нафлуоресцирующем экране характеризуется очень большим увеличением — отчётливовидны атомы кристаллической решётки. Поскольку ионы — это тяжёлые частицы, тодлина их волны очень мала, вследствие чего исключаются дифракционные эффекты,снижающие разрешающую способность получаемых изображений.
При этом максимальное разрешение микроскопа определяется величинойменее 0,2 нм.
Однако не все образцыможно изучать с помощью ионного микроскопа. Образец должен быть насажен натонкий кончик иглы шириной несколько ангстрем и быть стойким к огромнымэлектрическим полям, которые могут привести к разрыву химических связей,удерживающих атомы на поверхности. Самые важные с технологической точки зренияполупроводниковые материалы можно изучать лишь при полях с плотностью около 350МВ/см.
Растровыйтуннельный микроскоп (РТМ).
Принцип работы РТМсравнительно прост. Сканирующая металлическая игла, закрепленная втрехкоординатном приводе PX, PY, PZ, расположена перпендикулярно исследуемой поверхности (рис.13).
/>
Рис. 13. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа:
1 – игла; 2 – исследуемая поверхность; 3 – трехкоординатныйпьезопривод; 4 – система обратной связи
С помощьюпьезопривода игла подводится к поверхности образца до возникновения туннельноготока IT, который определяется величиной зазора s между иглой иповерхностью:
/>,
/>где Ф – величинапотенциального барьера в зазоре, измеряемая в электронвольтах; U – напряжение, приложенное междуиглой и образцом в вольтах; s – зазор между поверхностью и иглой в ангстремах.
При постоянном напряженииU на зазоре игла перемещается вдольповерхности, причем с помощью системы обратной связи, воздействующей напьезоэлемент PZ,туннельный ток IT поддерживают постоянным. Если величина барьера Фпостоянна вдоль исследуемой поверхности (материал поверхности однороден), товеличина туннельного тока будет изменяться пропорционально величине зазорамежду иглой и поверхностью и график изменения этого тока будет описыватьпрофиль рельефа поверхности. Набор таких профилей даст непосредственнуюинформацию о топографии поверхности.
На рис. 14 представленысравнительные характеристики различных сканирующих растровых микроскопов, а нарис. 15 и 16 – примеры изображений отдельных групп атомов, построенных спомощью РТМ.
/>
Рис. 15. РТМ-изображение германиевой самосборкиатомов (германиевая «пирамида» на кремнии) шириной 10 нм
/>
Рис. 16. РТМ-изображение «квантового загона» — 48 атомов Feпоокружности диаметром 14,6 нм с движущимися внутри электронами (волновой рельеф)на медной пластине
ЛИТЕРАТУРА
1. Б. Хабаров, Г.Куликов,А.Парамонов. Техническая диагностика и ремонт бытовой радиоэлектроннойаппаратуры. – Мн.: Издательство: Горячая Линия – Телеком, 2004. – 376 с.
2. Дэвидсон Г. Поискнеисправностей и ремонт электронной аппаратуры без схем. 2-е издание. М.Издательство: ДМК Пресс. 2005, — 544 с.