Растровая электронная микроскопия

Существуют два основных вида электронных микроскопов. Растровый электронный микроскоп (РЭМ) – зонд совершает возвратно-поступательное движение по линии и развертывается в растр, т.е. в совокупность параллельных линий (рис. 45). Луч фокусируется в пятно размером 1 – 2 нм. Применяется для исследования поверхности толстых объектов. Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) – проводится регистрация электронов, прошедших через ультратонкослойный (0,1 мкм) образец. Затем изображение увеличивается с помощью специальных линз.

В растровой электронной микроскопии различают два вида контраста изображения: топографический и композиционный. Топографический контраст определяется изменением интенсивности вторичной электронной эмиссии в зависимости от положения элемента поверхности по отношению к пучку электронов. Так как траектории упруго отражённых электронов практически не искажаются полем коллектора, то они, двигаясь по прямолинейным траекториям, не попадают на коллектор, если на их пути встречаются препятствия, например, выступ на поверхности. Поэтому в отражённых электронах наблюдается характерное теневое изображение рельефа поверхности.

Если для получения топографического контраста используются вторичные электроны, то за счёт искривления траектории их движения вытягивающим полем коллектора эффект затемнения выражен значительно слабее. В этом случае изображение воспринимается как объёмное, что позволяет наблюдать структуру трещин, углублений на поверхности образца.

Композиционный контраст изображения образцов сложного фазового состава обусловлен различными значениями коэффициента вторичной электронной эмиссии.

Растровый электронный микроскоп является вакуумным прибором, так как при нормальном атмосферном давлении электронный пучок сильно рассеивается и поглощается, что делает невозможным его фокусировку. Поэтому рабочий вакуум в камере микроскопа должен быть менее 10 − 5 тор. Схема основных узлов растрового микроскопа приведена на рис. 46.

Вылетающие из электронной пушки 1, электроны 2 под действием электрического поля устремляются к сетчатому (кольцевому) аноду 3 и, проходя через него, формируются с помощью конденсорных электромагнитных линз 4 в хорошо сфокусированный пучок (зонд). Пучок проходит через отклоняющую систему 5, которая перемещает пучок по поверхности образца по траектории, образующей растр. Перемещение зонда по поверхности образца должно происходить с очень высокой точностью и будет, в конечном счете, наряду с размером зонда, определять величину разрешения прибора. Далее пучок фокусируется объективной линзой 6 на образец 8. В результате взаимодействия пучка электронов с поверхностью образца возникает излучение, рассеянные лучи которого попадают на коллектор 7, а вторичные электроны регистрируются коллектором электронов – детектором 9.

а	б
Рис. 46. Принципиальная схема РЭМ 1 – электронная пушка; 2 – поток электронов 3– анод; 4 – конденсорные линзы; 5 – отклоняющая система; 6 – объективная линза; 7 – детектор рассеянных электронов; 8 – образец; 9 – детектор вторичных электронов; 10 – усилитель видеосигнала; 11 – генератор сканирования; 12 – электронно-лучевая трубка

Регистрируемые датчиками 7 и 9 сигнал подаются на усилитель 10, генератор сканирования 11 и используются в дальнейшем для модуляции яркости электронного пучка в электронно-лучевой трубке 12 монитора. Величина этого 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. На упруго рассеянные электроны поле коллектора не действует (рис. 47). Можно изменять напряжение на сетке и таким образом регулировать степень участия вторичных электронов в формировании изображения.