Растровая электронная микроскопия

1.

Растровая электронная
микроскопия

2.

Сканирующий электронный
микроскоп
РЭМ (SEM) — растровый
электронный микроскоп.
1. Колонна
2. Камера образцов
3. Вакуумная система
4. Панель управления (ЭВМ)
5. Различные приставки и
детекторы

3.

Колонна растрового
электронного микроскопа
1 – катод;
2 – цилиндр Веньельта;
3 – анод;
4 – конденсерные линзы;
5 – отклоняющие катушки;
6 – объективная линза;
7 – детектор(ы)

4.

Источники электронов (электронные
пушки)
Источники с термоэлектронной эмиссией (ТЭП)
Ускоряющее напряжение на аноде может варьироваться от
100 В до 30 кВ.

5.

В качестве термоэмиссионных катодов используются Vобразные катоды из W проволоки либо монокристальные
катоды из гексаборида лантана LaB6
Плотность
тока
источника
описывается законом Ричардсона:
где А – «константа» Ричардсона,
А/м2К2, зависящая от материала, ток J
возникает когда источник нагрет до
температуры Т при которой kT
сопоставимо
с
потенциальным
барьером Ф – работой выхода
электронов
Яркость электронного источника – плотность тока на единицу телесного
угла источника, [А/м2стеррад]

6.

Источники с полевой эмиссией (автоэмиссионные
источники, АЭП, FEG)
Автоэмиссионные электронные пушки
используют
острийный
катод,
вырезанный
из
монокристалла
вольфрама (напрвление <310>). Создав
в районе острия электрическое поле
достаточной
напряженности,
можно
«вытянуть» электроны из материала.
полевые источники
с холодным
катодом
с «теплым»
катодом (катод
Шоттки)
T = 300 K
P = 10-9 Па
T = 1700 K
P = 10-6 Па

7.

Типы катодов
W
Вольфрамовый катод
с полевой эмиссией
LaB6
W
LaB6
warm FEG
cold FEG
4,5
2,4
4,5
4,5
константа Ричардсона А,
А/м2К2
6*109
4*109
-
-
температура, К
2700
1700
1700
300
5
102
105
106
> 105
104
15
3
1010
5*1011
5*1012
1013
3
1,5
0,7
0,3
<1
<1
<1
5
10-2
10-4
10-6
10-9
30-100
1000
>5000
>5000
работа выхода Ф, эВ
плотность тока, А/м2 (100 кВ)
размер кроссовера, нм
яркость, А/м2стеррад (100 кВ)
разброс энергий ΔЕ, эВ
стабильность эмиссии, %/час
рабочий вакуум, Па
срок службы, час
Увеличивается разрешение, стоимость и время службы.

8.

Электронно-оптическая система РЭМ
Отклоняющие
катушки
электронной пушки – наклон и
смещение пучка для его юстировки
Конденсорная
линза
–
уменьшение размеров кроссовера
электронной пушки
Узел сменных диафрагм с
механизмом ввода и микровинтами
центровки
–
выбор
условий
освещения исследуемого объекта
Стигматор объективной линзы –
корректировка астигматизма
Объективная
линза
–
формирование
тонкого
сходящегося
пучка электронов
(зонда) на объекте
Сканирующие
катушки
–
перемещение электронного зонда
по поверхности образца

9.

Конденсорная и объективная линза
B H
1 – расходящийся пучок электронов; 2
- медная обмотка; 3 – оболочка из
магнитомягкого материала (броня); 4 –
внешний корпус; 5 – зазор либо
полюсный
наконечник;
6
–
водоохлаждаемая пластина; 7 –
подвод
воды;
8
–
подвод
электропитания.
Конденсорная линза — электро-магнитная катушка, основная задача которой
уменьшение диаметра электронного зонда.
Объективная линза - основное назначение, фокусировка электронного зонда на
образце.

10.

Дефекты электромагнитных линз
Аберрациями называют погрешности
(искажения) изображений, создаваемых
реальной
оптической
системой
и
проявляющихся в неточном соответствии
изображения объекту.
Основными дефектами магнитных линз
являются сферическая, хроматическая
аберрации и астигматизм.
Сферическая аберрация связана с
неидеальным действием на лучи, идущие
вдали от оптической оси. Чем дальше от
оси движется электрон, тем сильнее он
отклоняется по направлению к оси.
В параксиальном приближении точка
будет изображаться диском с диаметром
CS 3
Сs
–
коэффициент
сферической
аберрации [м] – для сильных магнитных
линз примерно равен их минимальному
фокусному расстоянию.

11.

Дефекты электромагнитных линз
Хроматическая
аберрация
возникает
вследствие того, что попадающие в линзу
электроны
обладают
разной
энергией,
вследствие чего фокусируются в разных
плоскостях.
Астигматизм связан с нарушением
идеальной
вращательной
симметрии
магнитного
поля
линзы
вследствие
неточности
геометрии
полюсных
наконечников, неоднородности состава и
структуры сердечника линзы, загрязнений.
Нарушение осевой симметрии поля
приводит к эллипсовидным искажениям
электронного пучка.

12.

Диафрагмы
Апертура (диафрагма) – отверстие в пластине из тугоплавкого металла (Pt, Mo),
уменьшающее видимый линзой телесный (апертурный) угол объекта.
Введение диафрагм способствует увеличению разрешения, контраста, глубины
резкости и т.д., но снижает общую интенсивность (ток) пучка
помни о масштабе!
в реальности
d = 10…300 мкм
β ~ 1…5о

13.

Отклоняющие (сканирующие) катушки и
стигматоры
Астигматизм
можно
скорректировать,
используя
стигматоры,
которые
представляют
собой
небольшие
октупольные
линзы,
поле
которых
компенсирует
неоднородности
поля
основной линзы.

14.

И как же это всё работает?
1. Катод излучает электроны
2. Анод ускоряет электроны
3. Конденсорная и объективная линзы формируют
зонд необходимой геометрии
4. Катушки сканирования управляют зондом
5. Детекторы собирают испущенное излучение
6. Плата видео захвата формирует изображение на
экране.