Формирование контраста в растровом электронном микроскопе

Основные механизмы формирования изображения в растровом электронном микроскопе

Механизмы формирования изображения в РЭМ отличаются от формирования изображения в оптическом или просвечивающем электронных микроскопах, в которых изображение формируется при помощи линз и носит, таким образом, дифракционный характер. Изображение в РЭМ — это результат отображения изменений в характере взаимодействия электронов зонда с поверхностью мишени от точки к точке, что схематично представлено на рис. 4.13.

Рис. 4.13. Схема образования контраста в РЭМ

Если в точке А] (см. рис. 4.13) вторичный сигнал имеет величину S_b а в соседней точке А₂ — соответственно S₂, то говорят, что существует контрастность между этими точками, характеризуемая коэффициентом контраста.

Контраст между двумя точками на изображении может различаться вследствие различия во взаимодействии электронов зонда с материалом мишени.

Контраст, определяемый атомным составом мишени.

Рассмотрим, например, формирование контраста на образце, имеющем области, различающиеся по атомному составу. Выше отмечалось, что коэффициент отражения электронов ц зависит от атомного номера и растет с ростом последнего. Поэтому на экране монитора РЭМ области, содержащие элементы с высоким атомным номером, будут иметь более светлый контраст по сравнению с более легкими элементами. Таким образом можно проводить качественный анализ атомного состава поверхности, используя полированные образцы. Следует подчеркнуть, что коэффициент истинно вторичной эмиссии слабо зависит от атомного номера и, следовательно, во вторичных электронах такой контраст наблюдаться не будет.

Топографический контраст. Наибольшее применение методы РЭМ получили для изучения топографии поверхности. Этот тип контраста возникает за счет влияния рельефа поверхности на отраженные и вторичные электроны и имеет большое сходство с изображением, формируемым в световом микроскопе, поэтому интерпретация топографического контраста во многом аналогична описанию контраста в оптическом микроскопе.

Выше отмечалось, что коэффициент вторичной эмиссии существенно зависит от ориентации образца по отношению к падающему пучку, причем с ростом угла падения растет и коэффициент вторичной эмиссии. С другой стороны, в рассеянии электронов присутствует ориентационный эффект: наибольшее число отраженных электронов лежит в плоскости падения и направлено в сторону движения первичных электронов (угол падения приблизительно равен углу отражения). Следует подчеркнуть, что при формировании топографического контраста в отраженных электронах преимущественную роль играет ориентационный эффект, в то время как контраст во вторичных электронах обусловлен в основном зависимостью ц (0), где 0 — угол между направлением зонда и нормалью к локальному участку поверхности. Интерпретация изображений рельефа поверхности, получаемых с помощью РЭМ, относительно проста и может быть основана на обычных приемах, используемых при анализе оптических микрофотографий. Однако качество изображений, получаемых с помощью РЭМ, всегда выше, чем на оптических фотографиях, так как в РЭМ значительно глубина резкости практически не ограничена. Так, при увеличении Х500 глубина фокуса может достигать ~0,5 мм, что в тысячи раз больше, чем в оптическом микроскопе. Это является важной отличительной особенностью растрового микроскопа.

Контраст каналирования электронов. Как уже отмечалось выше, количество покинувших мишень электронов (отраженных и вторичных) быстро уменьшается с увеличением глубины, на которой произошел последний перед выходом электрона акт взаимодействия. С другой стороны, известно, что электроны при определенных углах падения могут захватываться каналами, которые образуются системами кристаллографических плоскостей. Далее для простоты будем рассматривать только системы кристаллографических плоскостей, перпендикулярные поверхности кристалла. Понятно, что угол входа электронов определяется отклонением пучка от оси прибора и в процессе сканирования изменяется. Из теории дифракции известно, что для электронов, падающих на кристалл под точным углом Брэгга 0_В для данной системы плоскостей, происходит резкое увеличение глубины проникновения электронов в материал мишени (эффект Бормана). Поэтому в этой точке поверхности кристалла происходит резкое уменьшение выхода электронов, что соответствует уменьшению контраста данной точки на изображении. Следовательно, если электронный зонд в процессе сканирования проходит угловой интервал от 0 < 0_В через 0 = 0_В до 0 > 0_В, на экране монитора в месте, соответствующем условию = _в, возникнет узкая темная полоса, параллельная данной системе кристаллографических плоскостей. При малых увеличениях прибора (х 10-^20) максимальный угол отклонения пучка от оптической оси при сканировании составляет приблизительно ±10°. Если величина брэгговского угла для какого-то семейства плоскостей лежит в этом интервале углов, возникнет контраст каналирования в виде полосы, отображающей это семейство плоскостей. В случае когда это условие удовлетворяется для нескольких семейств плоскостей, на экране монитора формируется изображение пересекающихся полос, каждая из которых связана со своим определенным семейством кристаллографических плоскостей. Этот контраст получил название контраста каналирования [5—11, 21]. Обычно он используется для определения пространственной ориентации кристалла или отдельных его участков.