Якість зображення. Як було показано раніше, величина сигналу залежить від атомного номера мішені

Як було показано раніше, величина сигналу залежить від атомного номера мішені. При малих атомних номерах отримане зображення буде темним, а при великих – світлим. Відносна зміна інтенсивності сигналу у двох сусідніх точках обумовлює контраст (С) на зображенні, який визначається за співвідношенням

, (2.7)

де S_max, S_min – величини сигналу у двох сусідніх точках.

За величиною сигналу можна розрахувати контраст та отримати певну інформацію про зразок, але наявність флуктуацій (шумів) її обмежує. Обмеження інформації на зображенні є звичайним явищем, що типове для всіх процесів відображення. Існує критерій Роуза, згідно з яким середній спостерігач може розрізняти різницю між сигналами ΔS, яка обумовлена контрастом, якщо вона перебільшує шум у 5 разів. На основі критерію Роуза було отримано порогове рівняння для струму пучка у вигляді

, (2.8)

де t_к – час кадрової розгортки; ε – ефективність збору електронів.

Порогове рівняння дозволяє розрахувати мінімальний струм пучка, який повинен використовуватися для детектування певного рівня контрасту між двома точками для заданого часу кадрової розгортки. Іншими словами, воно дозволяє для заданого струму пучка розрахувати найменше значення контрасту, що можна спостерігати. Об’єкти, у полі зору яких не спостерігається пороговий контраст, не можна розрізнити від випадкових флуктуацій. Наприклад, якщо використати струм пучка 10^-10 А, то всі об’єкти з контрастом менше 5 % губляться у шумі.

Поряд із пороговим рівнянням для розрахунку параметрів оптимального зображення у РЕМ використовують рівняння яскравості

. (2.9)

Зі співвідношення (2.9) випливає, що . Аналіз співвідношень (2.8) та (2.9) показує, що для відображення низького рівня контрасту потрібно істотно збільшити струм пучка, щоб задовольнити порогове рівняння. Але при цьому виникає необхідність працювати з великим діаметром пучка, що, у свою чергу, призводить до втрати інформації у тонкій структурі на зображенні.

На якість зображення може впливати ряд обмежень, що пов’язані:

– з роботою електронно-оптичної системи;

– з контрастом, що створюють зразок та детекторна система;

– з областю генерації у зразку;

– з природою вторинних електронів.

Коротко зупинимося на зазначених обмеженнях.

У випадку 100% контрасту при ефективності збору 25% пороговий струм пучка для спостереження об’єкта при кадровій розгортці 100 с становить 1,6·10^-13 А. Яскравість пучка у цьому випадку становить 5·10⁴ А/(см²·стр), розходження (апертура) – 5·10^-3 рад (при діафрагмі 100 мікрон та робочій відстані 1 см). Для даного випадку мінімальний розмір зонда повинен становити 2,3 нм, але аберація лінз призводить до того, що діаметр зонда збільшується до 5,2 нм. Таким чином, при максимальному контрасті і досить високій ефективності збору інформації мінімальний розмір зонда на рівні 5 нм.

Для більшості зразків, які створюють контраст від
1 до 10 %, розмір просторових неоднорідностей лежить у межах 23 – 230 нм. Ця величина є співрозмірною з мінімальним розміром зонда, необхідним для спостереження контрасту від 1 до 10 %. Тобто у даному випадку сам зразок обмежує можливість приладу.

Розглянемо міжфазну межу у твердому тілі (рис. 2.17), де мішень являє собою стик двох матеріалів з різко відмінними атомними номерами. Хоча межа між матеріалами різко виражена, але на зображенні вона буде розмитою. Таким чином, можливість визначення положення межі обумовлена природою взаємодії електронного пучка із мішенню.

Положення пучка на лінії сканування

Рисунок 2.17 – До пояснення впливу розміру області взаємодії на зміну сигналу

Інший фактор, який впливає на обмеження зображення, полягає у наступному. Вторинні електрони утворюються падаючим пучком електронів при вході в мішень, а також електронами, що емітуються із мішені. У першому випадку електрони дають інформацію про мікро-неоднорідності або тонку структуру мішені. Електрони, утворені відбитими електронами, створюють шум. Це означає, що обмеження на зображення тонкої структури обумовлюється природою виникнення вторинних електронів.