Рубрика: Методы сканирующей электронной микроскопии

Получение увеличенного изображения поверхности исследуемого материала является основной целью применения СЭМ, а возможность интуитивной интерпретации изображений делает их незаменимыми для наглядной демонстрации свойств разнообразных объектов исследования. Сам процесс получения СЭМ-изображений можно кратко описать следующим образом.

В процессе сканирования сфокусированным электронным пучком возбуждается эмиссия отраженных и вторичных электронов из исследуемого образца. Для регистрации вторичных электронов традиционно применяется сцинтилляционный детектор Эверхарта-Торнли, а для регистрации обратно-рассеянных электронов применяется полупроводниковый детектор.

Какой из детекторов применяется в конкретном случае, зависит от задач исследования. Регистрируемый сигнал преобразуется в яркость (уровень серого) пикселей на изображении, соответственно, зная, чем определяется количество вторичных или обратно-рассеянных электронов, можно интерпретировать полученное изображение. В случае вторичных электронов основную роль играет морфология исследуемой поверхности, задающая локальный угол падения для электронного пучка, а в случае обратно-рассеянных электронов основным является средний атомный номер исследуемого вещества. Подробная интерпретация и количественный анализ получаемых изображений требуют детального изучения физики процессов, лежащих в основе взаимодействия электронов с веществом.

В электронной микроскопии часто встречаются ситуации, когда, получив увеличенное изображение объекта исследования, нельзя или сложно идентифицировать отдельные детали по их виду. В этом случае необходима дополнительная информация, и наиболее популярным способом ее получения является рентгеновский микроанализ, суть которого состоит в следующем. При воздействии ускоренных электронов на вещество происходит ионизация внутренних оболочек атомов, в результате чего испускается характеристическое рентгеновское излучение. Длин волны (энергия квантов) характеристического излучения определяется энергией глубоких энергетических уровней в атомах, поэтому может быть использована для идентификации элементов входящих в состав исследуемого материала. С этой целью сканирующие электронные микроскопы дополнительно оборудуются спектрометрами рентгеновского излучения энергодисперсионного или волнодисперсионного типов. Регистрируя спектр рентгеновского излучения, можно не только определить какие химические элементы входят в состав материала по положению характеристических линий, но и оценить концентрацию элементов по интенсивности соответствующих им линий, а измеряя интенсивность рентгеновского излучения в каждой точке поверхности, можно получить карту распределения химических элементов.

Метод исследования токов наведенных электронным пучком (electron beam induced current (EBIC)) основан на регистрации тока неравновесных носителей заряда, возбуждаемых электронным пучком СЭМ. При этом регистрируемый сигнал определяется количеством электронов и дырок, вышедших во внешнюю цепь без рекомбинации, что позволяет локализовать области повышенной рекомбинации, связанные с протяженными дефектами. Данный метод является весьма популярным не только для исследования полупроводниковых материалов, но и для анализа работоспособности устройств микроэлектроники.

Быстрые электроны, попадая в твердое тело, рассеиваются на атомах, меняя направление движения. В результате, если рассмотреть какую-то точку образца внутри объема взаимодействия, то можно найти электроны, которые проходят через эту точку в разных направлениях. Если материал кристаллический, то среди всех направлений, в которых движутся такие рассеянные электроны, есть направления, соответствующие условиям конструктивной интерференции. Угол между волновым вектором для таких электронов и плоскостью кристалла θ соответствует условию Вульфа-Брэгга:

2dsinθ=kλ,

где d – межплоскостное расстояние, а λ – длина волны электрона. Часть рассеянных электронов может покинуть образец. Установив рядом с образцом камеру, можно зарегистрировать картину распределения рассеянных электронов по углам. Анализируя выделенные направления рассеяния, можно получить информацию о межплоскостных расстояниях и ориентации кристалла, а собирая такую информацию в каждой точке образца, можно получить распределение зерен поликристалла или распределение механических напряжений.