Взаимодействие электронного пучка с образцом

Лекция по электронной микроскопии

Литература:

1. Шиммель Г. Методика электронной микроскопии, пер. с нем., М., 1972; Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ, пер. с англ., т. 1-2, М., 1984.

2. Миронов В.Л.Основы сканирующей зондовой микроскопии., Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений.:Н.Новгород, 2004.

Электронная микроскопия – это совокупность электронно-зондовых методов исследования микроструктуры твердых тел, их локального состава и микрополей (электрических, магнитных и др.). Такие исследования проводятся с помощью электронных микроскопов (ЭМ) - приборов, в которых для получения увеличенных изображений используют электронный пучок. Электронная микроскопия включает также методики подготовки изучаемых объектов, обработки и анализа результирующей информации.

Принципиально идея построения электронного микроскопа была сформулирована в 1935 году М. Кнолем (идея оптического сканирующего микроскопа была ранее высказана и реализована одним из создателей современного телевидения В.К.Зворыкиным в 1924 году). Согласно этой идее изображение объекта формируется последовательно по точкам и является результатом взаимодействия электронного пучка (зонда) с поверхностью образца. Каждая точка образца последовательно облучается сфокусированным электронным пучком, который перемещается по исследуемой поверхности подобно сканированию электронного луча в телевизионных системах.

Несмотря на кажущуюся простоту идеи, высказанной М.Кнолем, осуществить ее в виде надежного прибора с достаточным для практической работы разрешением оказалось очень сложно из-за весьма ограниченных технических возможностей того времени. Первые действующие приборы были созданы в 1939 (Арденне) и в 1942 годах (Зворыкин).

Различают два главных направления электронной микроскопии: трансмиссионную (просвечивающую) и растровую (сканирующую), основанных на использовании соответствующих типов ЭМ. Они дают качественно различную информацию об объекте исследования и часто применяются совместно.

Взаимодействие электронного пучка с образцом

Характерная энергия электронов в пучке составляет от 1 до 50 кэВ. Это означает, что электроны с такой энергией могут возбудить большое количество разнообразных процессов в объекте. Однако, за исключением специальных редких случаев (таких, как органические материалы) энергии налетающих электронов недостаточно для разрыва атомной связи или смещения атома. Поэтому электронно-зондовые методы относятся к неразрушающим методам анализа.

В соответствии с волновой природой электрона, длина волны электрона:

λ = h/p

где h - константа Планка 6,63·10^-34 Дж·с , p - импульс электрона. При этом, соотношение между длиной волны Де Бройля для электрона и его энергией описывается уравнением:

λ=1,22/E^1/2

где λ – [нм]; Е - [эВ].

Скорости и длины волн электронов для некоторых энергий приведены в Таблице.

При попадании электронов зонда на поверхность мишени-образца происходит множество достаточно сложных явлений, связанных с передачей энергии электронов пучка веществу мишени. В первом приближении, все эти явления можно разделить на две большие группы: упругое рассеяние, связанное с изменением траекторий электронов при малой потере энергии; неупругое рассеяние, обусловленное неупругим взаимодействием с ядрами атомов, и неупругим взаимодействием со связанными электронами. Эти процессы можно представить общей схемой:

Эти основные источники вторичных сигналов используются для формирования изображения в РЭМ.

Для описания взаимодействия потока частиц с веществом обычно используют следующие два понятия - сечение взаимодействия и длина свободного

пробега частиц. Сечение взаимодействия определяется, как а длина свободного

пробега - где n - число столкновений в единице объема; n_m - число атомов в

единице объема мишени; n₀ - число падающих частиц в единицу времени; р - плотность; A - атомный вес; N₀ - число Авогадро. Рассмотрим вторичные явления, возникающие при взаимодействии электронов с веществом.

Упругое рассеяние

При упругом рассеянии изменяется направление вектора скорости электрона, а ее величина и, следовательно, величина кинетической энергии фактически остается постоянной. Образцу при каждом акте упругого рассеяния передается энергия порядка 1 эВ, что пренебрежимо мало по сравнению с первоначальной энергией электронов в пучке (~ 1 кэВ). Угол отклонения от направления падения может принимать значения в переделах от 0° вплоть до 180°, но его наиболее вероятное значение составляет по порядку величины единицы градусов. Упругое рассеяние происходит в результате столкновений электронов высокой энергии с ядрами атомов, частично экранированных связанными электронами. В результате упругих взаимодействий электрон может покинуть образец. Такой электрон называется отражённым. Экспериментально установлено, что доля отраженных электронов может достигать 30% от изначального количества электронов пучка. Электроны пучка, которые вылетают с поверхности образца в качестве отражённых электронов, имеют меньшую энергию, чем до взаимодействия, так как проходят некоторое расстояние внутри твёрдого тела и теряют энергию. Сечение рассеяния описывается формулой Резерфорда:

σ_r = 1,62·10^-20 {Z/E·ctg(φ/2)}²

где Z – атомный номер элемента; Е – энергия электрона (кэВ); φ – угол рассеяния.

Контраст изображения, полученный в режиме отражённых электронов в растровой электронной микроскопии позволяет извлекать полезную информацию о различии среднего атомного номера исследуемого объекта (Рис. 2, слева). Коэффициент отражения электронов прямо пропорционален атомному номеру матрицы, поэтому более светлые области на изображении соответствуют фазам с большим средним атомным номером.

Неупругое рассеяние

При неупругихвзаимодействиях траектория электрона изменяется мало, при этом происходит передача энергии твёрдому телу. Длина пробега электрона в мишени передается формулой Канайя и Окаямя:

R = 0,0276·E^1,67{A/(Z^0,889·ρ)}  где Е – энергия электрона (кэВ); А – атомный вес (г/моль); Z – атомный номер; ρ – плотность вещества (г/см³).

Неупругие взаимодействия происходят, в основном, между электронами пучка и электронами образца. Благодаря неупругим взаимодействиям возникают:

■ вторичные электроны

■ непрерывное рентгеновское излучение

■ характеристическое рентгеновское излучение

■ оже-электроны

■ колебания решётки (фононы)

■ электронные колебания (плазмоны)

■ электронно-дырочные пары

■ катодолюминесценция

Рассмотрим эти явления подробнее:

Вторичные электроны.Взаимодействие электрона пучка с твёрдым телом может привести к высвобождению слабо связанных электронов зоны проводимости (т.н. медленных вторичных электронов). Вторичными принято называть электроны, обладающие энергией до 50 эВ. (Этот порог задан условно для того, чтобы различать вторичные и отражённые электроны.) Большая часть вторичных электронов имеет энергию 3 5 эВ. Распределение по энергии всех электронов, эмитированных с поверхности, приведено на Рис. 3.

Чтобы вылететь из твердого тела, вторичные электроны должны преодолеть поверхностный потенциальный барьер. Поэтому только вторичные электроны, находящиеся в тонком приповерхностном слое (5-50 нм), могут покинуть образец. Следовательно, плотность и направление вторичных электронов зависит от рельефа поверхности. Регистрируя вторичные электроны можно получить информацию о топографическом контрасте в РЭМ

(Рис. 2, справа). В режиме вторичных электронов достигается высокое пространственное разрешение, которое определяется диаметром электронного зонда и составляет величину 5 нм в серийно выпускаемых РЭМ.

Рентгеновское излучение.Электрон с высокой энергией претерпевает торможение в кулоновском поле атома. Потеря энергии электрона при таком торможении преобразуется в квант рентгеновского излучения, которое называется тормозным рентгеновским излучением. Так как энергетические потери в процессе этого торможения могут принимать любые значения, то тормозное рентгеновское излучение образует непрерывный спектр с энергией от нуля до энергии электронов пучка (Рис. 4).

Рис. 4. Рентгеновский спектр, состоящий из узких линий

(характеристическое излучение), налагающихся на непрерывный фон

 (тормозное излучение - плавная кривая)

Электрон, обладающий достаточно высокой энергией, при взаимодействии с атомом может вызвать освобождение сильно связанного электрона с внутренних оболочек, в результате чего атом оказывается ионизованным в высокоэнергетическом состоянии. Последующая релаксация этого возбуждённого состояния приводит к эмиссии характеристического рентгеновского излучения (Рис.5). На этом явлении основан рентгеноспектральный микроанализ.

Оже-электрон. Образовавшийся квант излучения может провзаимодействовать с электроном внешней оболочки, не покинув атома (внутреннее преобразование). При этом другой электрон с внешней оболочки покидает атом. Такие электроны называются оже-электронами (Рис. 5). Энергия таких оже-электронов составляет по порядку величины 100эВ-1кэВ. Этот сигнал используется в оже- спектроскопии.

Значительная доля энергии, приносимой на образец электронным пучком, передаётся твёрдому телу в виде возбуждения колебаний решётки - фононов (нагрева образца). Если коэффициент теплопроводности образца достаточно высокий (большинство полупроводников), то образец нагревается незначительно - не более 10°С. В материалах с низкой теплопроводностью (или в тонких пленках на диэлектрических подложках) при высоких токах пучка (1 мкА) вследствие нагрева может происходить модификация микрообъёма образца (отжиг, изменение фазы, разрушение и т.д.). Нагрев в таких случаях может достигать от единиц до тысяч градусов. Однако при типовых режимах работы (токах зонда ~ 10 нА) изменение или разрушение исследуемого образца не наблюдается.

Возбуждение плазмонов. Электрон пучка может возбуждать волны в "электронном газе", который существует между ионами в твёрдом теле. Это весьма вероятный процесс неупругого рассеяния. Характерное значение потери энергии электрона на возбуждении плазмона составляет по порядку величины 10-20 эВ.

Катодолюминесценция.При бомбардировке электронным пучком диэлектрика или полупроводника электрон валентной зоны может быть заброшен в зону проводимости. Таким образом, образуется электронно- дырочная пара, которая может рекомбинировать. При этом энергия, будет излучена в виде кванта света. Это явление называется катодолюминесценцией. Генерируемые кванты света будут лежать в ультрафиолетовом, видимом или инфра-красном диапазоне. Однако, вклад в катодолюминесценцию также могут вносить примесные уровни в запрещённой зоне, на которые произошел захват носителей заряда. Возможны процессы ступенчатой рекомбинации через примесные уровни, в том числе так называемые внутрицентровые переходы.

 Процессы, происходящие при взаимодействии электронного пучка с твёрдым телом, могут быть причиной других физических явлений. Например, рентгеновское излучение поглощается образцом. Поглощение может в разы уменьшать интенсивность рентгеновского излучения, выходящего из образца. Интенсивность характеристического рентгеновского излучения, распростра­няющегося в поглощающей среде, спадает с расстоянием по закону Бугера.

В веществе может также происходить неупругое рассеяние рентгеновского излучения, в результате которого происходит изменение энергии за счёт эффекта Комптона, при котором рентгеновское излучение взаимодействует со свободным электроном. Однако вероятность этого эффекта при данных энергиях настолько мала, что им можно пренебречь.

Рис.5. Схема ионизации внутренней оболочки с последующем образованием оже-электрона или рентгеновского излучения

Следует также упомянуть о вторичном рентгеновском излучении (вторичной флуоресценции). Атомы вещества поглощая рентгеновское излучение оказываются в ионизованном возбуждённом состоянии. Релаксируя, они испускают характеристическое излучение, которое называют вторичным (т.к. оно возникло под действием рентгеновского излучения, в отличие от первичного, которое обусловлено непосредственной электронной ионизацией). Вторичное рентгеновское излучение может возникать под действием как тормозного излучения, так и характеристического. Как правило, вклад тормозного излучения во втроичную флуоресценцию пренебрежимо мал.

Рассмотрим случай вторичной флуоресценции под действием характеристического излучения подробнее. Допустим, что в образце есть два элемента А и В с близкими значениями характеристических линий. Если энергия характеристического излучения элемента А превышает энергию поглощения элемента В, то возникнет вторичное излучение элемента В, обусловленное элементом А. Для возникновения значительного эффекта вторичной флуоресценции необходимо, чтобы линия элемента А хорошо поглощалась элементом В. На практике, такие ситуации встречаются довольно редко (Ni, Ка вызвывает вторичную флуоресценцию Fe, Ка и др.).

Область взаимодействия.Все явления, возникающие в процессе облучения твердого тела электронным пучком, происходят в так называемой области взаимодействия. Часто применяется также термин область генерации. Следует помнить, что эти термины принципиально отличаются. Под областью взаимодействия электронного пучка с веществом принято понимать объем вещества, в котором электроны падающего на образец пучка теряют всю свою кинетическую энергию.

Рис.6. Зависимость области взаимодействия от условий эксперимента.

Область взаимодействия может иметь разную геометрическую форму. Форма в основном зависит от энергии электронов, среднего атомного номера вещества и угла падения пучка. Обычно, в эксперименте используется нормальное падение электронного пучка на образец.

Чем меньше атомный номер и чем больше энергия электронов, тем глубже электроны проникают в образец и тем меньше они отклоняются от первоначальной траектории. (При высокой энергии упругое рассеяние менее вероятно, чем неупругое.) Затем, потеряв энергию, они начинают отклоняться под большими углами. Таким образом, при маленьком среднем атомном номере образца и высокой энергии электронов область взаимодействия формой напоминает грушу (Рис. 6). В противоположном случае (большой средний атомный номер и малая энергия) область взаимодействия имеет форму полусферы (Рис. 6).

Если изучаемый образец представляет собой не массивный однородный слой, а многослойную структуру, то может происходить одновременное возбуждение нескольких слоев, расположенных на различной глубине. Изменение энергии электронного пучка в эксперименте позволяет изучать многослойные структуры по глубине, то есть измерять интенсивность сигналов (например, катодолюминесценции или характеристического рентгеновского излучения), связанных с различными слоями, в зависимости от глубины проникновения электронов в материале. (Рис. 6).

Областью генерации называют объём, в котором происходит рассматриваемое явление (катодолюминесценция, рождение характеристического рентгеновского излучения и т.д.). Каждому явлению соответствует своя область генерации (Рис. 7). Области генерации для разных явлений отличаются друг от друга и от области взаимодействия по объёму и форме. Характеристическое рентгеновское излучение генерируется в значительной части области взаимодействия. Но глубина генерации меньше глубины проникновения электронов, т.к. для ионизации внутренней оболочки атома требуется значительная энергия, сопоставимая с энергией электронного пучка. Электроны, обладающие несколько меньшей энергией способны, тем не менее, проходить в образце значительные расстояния и генерировать другие сигналы (Рис. 7).

 Размеры области генерации какого-либо процесса определяются его энергией активации.

Рис.7. Области генерации различных сигналов.

Трансмиссионная микроскопияреализуется с помощью трансмиссионных (просвечивающих) электронных микроскопов (ТЭМ; рис.8), в которых тонкопленочный объект просвечивается пучком ускоренных электронов с энергией 50-200 кэВ. Электроны, отклоненные атомами объекта на малые углы и прошедшие сквозь него с небольшими энергетическими потерями, попадают в систему магнитных линз, которые формируют на люминесцентном экране (и на фотопленке) светлопольное изображение внутренней структуры. При этом удается достичь разрешения порядка 0,1 нм, что соответствует увеличениям до 1,5 х 10⁶ раз. Рассеянные электроны задерживаются диафрагмами, от диаметра которых в значит, степени зависит контраст изображения. При изучении сильнорассеивающих объектов более информативны темнопольные изображения.

Рис. 8. Схема устройства трансмиссионного электронного микроскопа: 1 - электронная пушка; 2 - конденсор; 3 -образец; 4, 5- объектив и его диафрагма; 6, 7- промежуточная и проекционная линзы; 8 -смотровое окно; 9 - люминесцентный экран; 10 - фотокамера с затвором; 11 - вакуумная система.

Растровая (сканирующая) микроскопия.В растровых электронных микроскопах (РЭМ; рис. 9) электронный луч, сжатый магнитными линзами в тонкий (1-10 нм) зонд, сканирует поверхность образца, формируя на ней растр из нескольких тысяч параллельных линий. Возникающее при электронной бомбардировке поверхности вторичные излучения (вторичная эмиссия электронов, оже-электронная эмиссия и др.) регистрируются различными детекторами и преобразуются в видеосигналы, модулирующие электронный луч в ЭЛТ. Развертки лучей в колонне РЭМ и в ЭЛТ синхронны, поэтому на экране ЭЛТ появляется изображение, представляющее собой картину распределения интенсивности одного из вторичных излучений по сканируемой площади объекта. Увеличение РЭМ определяется как М = L/l, где L и l - длины линий сканирования на экране ЭЛТ и на поверхности образца.

Рис. 9. Схема устройства растрового электронного микроскопа: 1 - электронная пушка; 2 - конденсор; 3 - отклоняющая система; 4 - конечная линза с корректором астигматизма; 5 - объектный столик; 6 - образец; 7 - вакуумная система; 8 - генератор разверток; 9 - блок управления увеличением; 10 -селектор сигналов (для выбора регистрируемого вторичного излучения); 11 -видеоусилитель; 12,13 - ЭЛТ и ее отклоняющая система; BИ₁-BИ₃ - потоки вторичных излучений; C₁ - C₃ - электрич. сигналы; Д₁-Д₃ - детекторы; ЭЛ₁, ЭЛ₂ - электронные лучи; X, Y - направления сканирования (строчная и кадровая развертки).

Растровый электронный микроскоп является вакуумным прибором, так как при нормальном атмосферном давлении электронный пучок сильно рассеивается и поглощается, что делает невозможным его фокусировку.

Схема основных узлов растрового микроскопа приведена на рис.10. Электронный пучок от источника электронов специальной конденсорной системой формируется в виде хорошо сфокусированного зонда и проходит через систему управляющих электродов или электромагнитов, которые перемещают пучок по поверхности образца по траектории, образующей растр, аналогичный

Рис.10. Упрощенная схема, иллюстрирующая работу РЭМ.

телевизионному растру. Перемещение зонда по поверхности образца должно происходить с очень высокой точностью и будет, в конечном счете, наряду с размером зонда, определять величину разрешения прибора. В результате взаимодействия пучка электронов с поверхностью образца возникает ответная реакция, которая регистрируется соответствующими датчиками. Регистрируемый датчиками сигнал используется в дальнейшем для модуляции яркости электронного пучка в электронно-лучевой трубке монитора. Величина этого вторичного сигнала будет зависеть от физических свойств поверхности образца и может меняться от точки к точке. В результате на экране монитора образуется изображение поверхности образца, отображающее топографию соответствующего физического свойства исследуемого образца. Таким образом можно исследовать топографию неоднородностей дефектов и состояния поверхности: например, топологию поверхности (границы зерен, поры, трещины, неоднородности состава и др.) - в отраженных или вторичных электронах; распределение элементного состава по поверхности образца - в характеристическом рентгеновском излучении; распределение донорных или акцепторных центров - по величине поглощенного тока; топографию магнитной доменной структуры - во вторичных электронах и пр. Коэффициент увеличения изображения в РЭМ определяется отношением линейных размеров растра, освещаемого зондом, на поверхности образца d и на экране монитора D, т.е. M = D / d. Разрешение, достигаемое в РЭМ, ограничено эффективным размером элемента изображения, или, другими словами, размером области в образце, возбуждаемой электронным зондом, имеющим диаметр d_z. С другой стороны величина тока сфокусированного электронного пучка, взаимодействующего с поверхностью образца, определяет интенсивность вторичных сигналов. Поэтому электронно-оптическая система,формирующая зонд, должна обеспечивать получение максимально возможного тока при минимально возможном размере зонда.