Растровая сканирующая электронная микроскопия

12.1 Физические особенности работы растрового микроскопа

Растровый электронный микроскоп является одним из наиболее универсальных приборов. Основной причиной широкого использования является высокое разрешение при изучении топографии поверхности массивных объектов, достигающее в серийных приборах 10 нм.

Другой важной особенностью объёмность изображения связанная с глубиной фокуса прибора, которая даёт возможность получать более полную информацию об изучаемых объектах.

Растровый микроскоп позволяет изучать объекты при небольших увеличениях, что особенно важно при изучении механизмов разрушения различных материалов.

Конструкция растрового электронного микроскопа, принципы формирования изображения, контраст и разрешающая способность, методы обработки разнообразных сигналов, возникающих при торможении ускоренного пучка электронов в поверхностных слоях образцов, необходимо достаточно уверено владеть каждому специалисту, использующем методы сканирующей электронной микроскопии

Добавление детектора рентгеновского излучения с дисперсией по энергии рентгеновского вторичного излучения позволило реализовать возможность совмещения рентгеновского микроанализа с растровым электронным микроскопом. Большинство растровых электронных микроскопов оснащено устройствами для рентгеновского анализа. Таким образом, возможно, эффективно получать информацию о топографии, кристаллографии и элементном составе изучаемых материалов.

Величина тока сфокусированного электронного пучка, - падающего на поверхность образца, определяет интенсивность регистрируемых сигналов. Размер конечного пятна электронного зонда определяет разрешающую способность растрового электронного микроскопа.

В связи с этим электронно-оптическая система прибора сконструирована таким образом, чтобы получать максимально возможное увеличение при минимально возможном размере электронного пучка.

На рисунке 12.1 представлена принципиальная схема растрового электронного микроскопа.

В электронной пушке 2 благодаря термоэлектронной эмиссии создаётся пучок электронов, ускоряемых с помощью блока высокого напряжения до энергии 30 - 50 кВ. Необходимый вакуум 1, 3·10^-3 Па создаётся с помощью диффузионного насоса высокого вакуума.

Электронный пучок формируется системой трёх электромагнитных конденсорных линз 3, 4, 5. Фокусировку на поверхность объекта 12 и подбор интенсивности пучка осуществляют путём изменения тока линз 6.

Генератор сканирования 7 осуществляет синхронное перемещение луча электронно-лучевых трубок наблюдения и фоторегистрации 8 и первичного пучка электронов, сканирующего с помощью катушек 15 определенный участок на объекте изучения.

Изменение увеличения осуществляется путём изменения площади растра на объекте. Возникающие при взаимодействии первичного пучка электронов с материалом объекта отраженные и вторичные электроны улавливаются коллекторной системой 13, и после усиления и электронной обработки видеосигналов 10 используются для модулирования яркости свечения электронно-лучевых трубок и создания изображения растра на объекте. Коллекторная система 13 состоит из сцинтиллятора и коллекторной сетки. Большинство сцинтилляторов для эффективного испускания фотонов требует энергии электронов 10 - 15 кВ.

Рисунок 12.1. Электронно-оптическая схема растрового микроскопа:

1 – блок высокого напряжения; 2 - электронная пушка;

3-5 - конденсорные линзы; 6 – блок питания линз;

7- генератор сканирования; 8 - экраны

наблюдения и фоторегистрации; 9 – блок регулирования

увеличения; 10 - усилитель видеосигналов; 11 – вакуумная

система; 12 - объект исследования; 13 - коллекторная система;

14 - стигматор; 15 – сканирующие катушки.

Отраженные электроны имеют высокую энергию и, попадая на сцинтиллятор, возбуждают фотоны, которые усиливаются с помощью фотоэлектронного умножителя. Вторичные электроны имеют низкую энергию до 50 эВ, поэтому на сцинтиллятор подают потенциал 12 кВ, в поле которого вторичные электроны ускоряются до энергии, достаточной для оптического возбуждения сцинтиллятора.

Сцинтиллятор окружен коллекторной сеткой (цилиндром Фарадея), на которую подаётся регулируемый потенциал от -200 до +400 В. Положительный потенциал на коллекторной сетке способствует «вытягиванию» вторичных электронов из образца по изогнутым траекториям. Вторичные электроны, возникающие в слое толщиной ≈ 5 нм и составляющие около 2/3от общего числа электронов, улавливаемых коллекторной системой, позволяют получить оптимальное разрешение 7 – 9 нм.

Изменение количества вторичных электронов в зависимости от топографии поверхности приводит к образованию различных оттенков серого цвета на экране наблюдения, благодаря этому создается впечатление стереометрической объёмности изображений.

При нулевом или отрицательном потенциале на коллекторной сетке изображение формируется только отраженными электронами, энергия которых находится в диапазоне от нескольких десятков электрон-вольт до энергии первичного зонда 20 - 30 кВ, которые несут в себе информацию о структуре слоя толщиной 1 - 2 мкм. Изображения в отраженных электронах формируются лишь теми участками объекта, которые соединяются прямой линией со сцинтиллятором и поэтому имеют сильный черно-белый контраст, без оттенков серого и не создают эффекта объёмности. Такой тип изображений используется, например, на полированных металлографических шлифах для обнаружения фазового контраста, вызванного разницей средних атомных номеров структурных составляющих.

Коллекторная система электронов должна не только обеспечить высокое и свободное от шумов усиление, но и иметь малую инерционность.

Например, для формирования изображения, состоящего из 10⁶ точек с временем сканирования 1сек - режим визуального наблюдения, время срабатывания сцинтиллятора должно быть менее 1 мкс и иметь полосу частот пропускания более 1 МГц.

Схема получения изображений в различных сигналах приводится на рисунке 12.2.

Рисунок 12.2. Схема получения изображения в различных сигналах:

1 - первичный электронный пучок; 2 - сканирующие катушки;

3 - генератор сканирования; 4 - телевизионная трубка;

5 – видеоусилитель; 6 - спектрометры волновой или

энергетической дисперсии: 7—детектор катодолюминесцеции;

8 - детектор поглощенных электронов; 9 - детектор прошедших

через тонкий объект электронов; 10 - детектор отраженных и

вторичных электронов; 11 - образец; 12 - объектная диафрагма

Сигналы с выхода фотоумножителя 10 усиливаются в предусилителе и видеоусилителе 5 и подаются в устройство визуального наблюдения 4, где усиленными сигналами модулируется яркость электронного луча телевизионной трубки.

Развертка электронного луча трубки наблюдения осуществляется генератором сканирования 3 синхронно с развёрткой первичного электронного пучка 7, сканирующего с помощью катушек 2 выбранный участок поверхности образца 11. Изображения могут быть сформированы поглощенными или прошедшими через тонкий объект электронами 8 и 9, лучами катодолюминесцеции 7 или рентгеновским характеристическим излучением любого выбранного элемента 6.

Глубина фокуса определяется диаметром отверстия объектной диафрагмы 12. Половина телесного угла апертуры определяется по формуле:

α = r_α /L, (12.1)

где r_α - радиус объектной диафрагмы; L - расстояние от диафрагмы до образца.

Диапазон Δ L, в пределах которого все элементы изображения сохраняют свою резкость, называется глубиной фокуса. Глубина фокуса обратно пропорциональна половине апертуры α и зависит от увеличения, поэтому сравнение глубины фокуса нужно проводить при одинаковых увеличениях.

Например, при увеличении 500 глубина резкого изображения структуры объекта составляет 500—600мкм, что в 300 раз превышает глубину фокуса оптического микроскопа, при увеличении 10000 глубина фокуса 8 – 15 мкм.

Диаметр пучка регулируют изменением тока в первой и второй конденсорных линзах, третья конденсорная линза используется для фокусирования электронного пучка на поверхность образца. Значения апертуры выбирают с помощью сменных апертурных диафрагм, обычно размером 50, 100 или 200 мкм.

Электронная яркость «В» - ток электронного пучка в пределах единичного телесного угла, приходящийся на единицу площади облучаемой поверхности, не превышает 6·10⁴ А·см^-2·стр^-1. Ток электронного пучка рассчитывается по формуле:

, (12.2)

где α - апертурный угол осветительной системы, равный половине угла расхождения траекторий электронов, падающих на объект;

d – диаметр, сфокусированного на поверхности объекта, электронного пучка.

Учитывая влияние сферической аберрации конденсорных линз на величину d, а также практически обеспечиваемые значения α, получают, что при 30 кВ с диаметрами пучков 0, 1 и 1, 0 мкм максимальные значения тока I составляют 2 нÅ и 1 мкÅ соответственно.

Разрешающая способность растрового микроскопа - наименьшее расстояние между двумя деталями объекта, раздельно изображаемыми на сканограмме, определяется видом сигналов, выбранных для формирования изображения.

При взаимодействии первичного пучка электронов с материалом объекта возникают различные сигналы. Рисунок 12.3.

В самом тонком поверхностном слое ≈ 1 нм, образуются Оже-электроны, вторичные электроны с энергией до 50 эВ образуются на глубине 5 – 50 нм, отраженные (обратно рассеянные) электроны возникают на глубине в 2 - 3 раза превышающей глубину возникновения вторичных электронов.

В результате взаимодействия быстрых электронов с атомами объекта возникает рентгеновское излучение трех видов: первичное характеристическое, непрерывное и флуоресцентное, которое определяется наличием как непрерывного спектра, так первичного характеристического излучения.

Рисунок 12.3. Схема взаимодействия электронов первичного пучка

с материалом объекта со средними и малыми атомными номерами:

1 - первичный пучок электронов; 2 - поверхность объекта;

3 - вторичные электроны (Е < 50 эВ); 4 - отраженные электроны;

5 - первичное рентгеновское излучение; 6 – тормозное излучение;

7 - вторичное флуоресцентное излучение (характеристическое

и непрерывное); 8 - отраженные рентгеновские лучи.

Общая глубина проникновения электронов R определяется ускоряющим напряжением Е₀. Например, для объектов из меди при Е₀ = 20 кВ глубина проникновения электронов и следовательно область возникновения характеристического излучения составит 0, 86 мкм.

При более низкой энергии пучка контраст образуется в результате взаимодействия электронов с атомами образца на меньшей глубине. Зная глубину проникновения пучка в зависимости от его энергии Е₀, на основе сканограмм при различных Е₀ можно оценить толщину поверхностных образований.

Поэтому в современных растровых электронных микроскопах предусмотрена возможность плавного регулирования ускоряющего напряжения Е₀ с автоматическим сохранением резкого изображения структуры изучаемых объектов.

12.2 Формирование изображения и контраст

в растровом электронном микроскопе

Процесс формирования изображения в растровом электронном микроскопе определяется системой сканирования, детекторами сигналов, усилителем и видеоконтрольным устройством. Блок-схема системы, формирующей изображение, приведена на рисунке 12.4.

Рисунок 12.4. Система формирования изображения

в растровом электроном микроскопе: КД - конечная диафрагма;

ТД -твёрдотельный детектор электронов; Э - Т – детектор;

ФЭУ -фотоумножитель; С – сцинтиллятор; РД - рентгеновские детекторы; ЭЛТ – электронно-лучевая трубка, предназначенная для наблюдения и съёмки изображения.

Электронный луч, выходящий из электронной пушки, движется вдоль электронно-оптической оси и проходит через две первые конденсорные линзы, причем каждая из линз существенно уменьшает размеры пучка.

При прохождении через первую группу отклоняющих катушек пучок отклоняется от оптической оси. Вторая, нижняя группа отклоняющих катушек действует на отклоненный пучок, и он снова пересекает оптическую ось. Отклоняющие катушки встроены в наконечник объективной линзы, и при прохождении их пучок дополнительно сужается за счёт действия этой линзы, которая обычно является самой сильной линзой в микроскопе.

Назначение «двойной отклоняющей системы» состоит в том, чтобы заставить электронный пучок перемещаться во времени в поперечном направлении перпендикулярно оптической оси в плоскости ниже отклоняющих катушек.

Синхронизация развёртки устроена так, что геометрическое расположение группы точек, пробегаемых при сканировании объекта, воспроизводится путём расположения соответствующих точек на экране ЭЛТ. Если образец сканируется по точкам по квадратному растру, то квадратный растр разворачивается на экране ЭЛТ. Точно так же, если образец сканируется по линии, то линия разворачивается и на экране ЭЛТ.

В каждой точке на образце пучок будет находиться в течение некоторого фиксированного времени τ, определяемого скоростью развертки. В течение времени τ электроны пучка взаимодействуют с образцом. Полное время взаимодействия каждого электрона гораздо меньше τ, так что, как только электронный пучок покидает данную точку, взаимодействие в этой точке прекращается.

В результате взаимодействия происходит ряд явлений и возникают отраженные электроны больших энергий, низкоэнергетические вторичные электроны, рентгеновское излучение и излучение в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях. Все это несет информацию о природе объекта и может регистрироваться одновременно при использовании соответствующих детекторов.

Сигналы, сформированные детекторами, усиливаются и используются для управления яркостью на экране электронно-лучевой трубки - модуляция интенсивности.

Таким образом, сложная система, включающая отклоняющие катушки, генератор развертки, детекторы сигналов, усилители и видеоконтрольные электронно-лучевые трубки, отображает область сканирования на образце в область сканирования на экране видиоконтрольного устройства. Геометрическое соотношение группы точек на поверхности образца воспроизводится на экране ЭЛТ, а интенсивность в каждой точке определенным образом связана с образцом. Увеличение прибора обусловлено процессом отображения и равно отношению размера сканирования на экране ЭЛТ к размеру сканирования на образце.

Важным понятием в растровой электронной микроскопии является «элемент изображения», или «точка изображения». В растровом электронном микроскопе изображение регистрируется на экране высококачественной ЭЛТ сфокусированным электронным пучком.

В стандартной ЭЛТ с площадью экрана 100 х 100 мм² можно сфокусировать пучок так, что будут различаться 1000 отчётливых и раздельных строк, а вдоль каждой строки смогут быть записаны без наложения 1000 отчётливых точек.

Можно представить, что экран ЭЛТ разбит на 10⁶ квадратных элементов площадью 0, 1 х 0, 1 мм², это максимальное число элементов, которое может быть записано пучком на экране. Яркость каждого элемента приблизительно постоянна по площади элемента. Такой элемент является основой построения изображения, при этом изображение нельзя уже разделить на более мелкие части. Этот основной элемент известен под названием элемента изображения.

Например, при увеличении 1000 крат площадь сканирования на образце составляет 100 х 100 мкм², каждый элемент изображения, отнесенный к образцу, равен 0, 1 х 0, 1 мкм². Понятие величины элемента изображения на образце важно при определении оптимального размера зонда для данного увеличения.

Процесс формирования изображения в растровом электронном микроскопе - отображение области образца на экране ЭЛТ, непохож на процесс формирования изображения в оптическом и просвечивающем электронном микроскопе. В этих системах лучи, испускаемые объектом, проходят через линзы и формируют изображение.

В растровом электронном микроскопе не существует изображения, понимаемого в обычном смысле, и не существует никаких лучей, идущих от объекта к изображению.

Изображение в растровом электронном микроскопе является абстрактным построением. Это просто результат отображения. Изображение представляет собой подобие объекта. Изображения с протяженной топографией образцов в растровом электронном микроскопе можно интерпретировать на основе имеющегося опыта работы с объектами, освещенными светом, несмотря на существенное различие между взаимодействием света и электронов с твёрдыми телами.

12.2.1 Троекторный контраст.

В общем случае сигнал между двумя точками на изображении будет различным из-за физического различия во взаимодействии электронов зонда с образцом или в последующем поведении результатов взаимодействия, после того как они покинут образец.

В качестве первого примера механизма формирования контраста рассмотрим плоский образец, расположенный перпендикулярно пучку. Пусть на образце имеются области, различающиеся по химическому составу, в качестве примера такого образца может служить многофазный сплав или минерал.

На изображении многофазного объекта, сформированном в отраженных электронах, будут области с большим сигналом, соответствующие наибольшему атомному номеру, и области с малым сигналом, соответствующие наименьшему атомному номеру. Области с промежуточными атомными номерами создают сигналы промежуточных уровней.

При регистрации сигнала на экране электронно-лучевой трубки подбирается усиление и другие регулировки таким образом, чтобы элемент с самым высоким атомным номером выглядел на экране белым, с самым низким атомным номером - черным, а с промежуточными значениями соответствовал разным градациям серого.

Самой близкой аналогией для контраста, обусловленного атомным номером элемента, являются представления о цвете. При изучении с помощью света образцов с различным химическим составом часто возникает контраст в различных цветах.

Контраст может возникать за счёт различия в количестве электронов, покидающих образец. Контраст, обусловленный лишь количеством вылетающих электронов и контраст, связанный с различием в атомном номере, является частным примером контраста.

Если процесс взаимодействия приводит к направленности эмиссии электронов, то результатом взаимодействия, как это имеет место в случае отраженных электронов, возникает контраст за счёт траекторий электронов.

Такой контраст называется чисто троекторным контрастом. Некоторые механизмы контраста объединяют в себе аспекты как контраста, обусловленного количеством вылетающих частиц, так и троекторного контраста.

12.2.2 Топографический контраст.

В растровом электронном микроскопе часто изучаются шероховатые объекты. Контраст от таких образцов обусловлен топографией - топографический контраст, который получается за счёт влияния топографии, как на отраженные, так и на вторичные электроны.

При формировании топографического контраста в отраженных электронах, установлено, что если плоский образец наклоняется в сторону от нормального положения к падающему пучку, то коэффициент отражения постепенно возрастает, достигая единицы при скользящем падении.

Если образец имеет ограненную поверхность с различным углом наклона плоских поверхностей по отношению к первичному пучку, то поверхности, которые расположены под углом, более близким к углу скольжения, дали бы наибольший сигнал, следовательно, выглядели бы наиболее яркими на изображении.

Установлено, что коэффициент вторичной эмиссии существенно возрастает с увеличением угла наклона θ. Для большинства материалов вторичные электроны могут выходить только с глубины менее 10 нм. При столь малых глубинах количество упругих соударений, которое претерпевает первичный пучок, минимально, так что большинство электронов пучка движется почти параллельно направлению падения.

Таким образом, можно считать, что падающий пучок вблизи поверхности идёт вдоль прямой линии. Как только образец отклоняется на некоторый угол от нормального расположения к пучку (θ = 0°), длина отрезка пути пучка R, которая лежит в пределах R₀ = 10 нм от поверхности, возрастает (рисунок 12.5), что следует из уравнения:

R = R₀ secθ. (12.3)

Предположим, что скорость образования вторичного электрона постоянна вдоль этого отрезка пути. Поэтому, когда длина пути вблизи поверхности возрастает, то большее количество вторичных электронов вылетает из образца.

Рисунок 12.5. Влияние наклона на вторичную эмиссию.

R - максимальная глубина выхода вторичных электронов.

Если образец наклоняется, то длина пути в пределах

расстояния R от поверхности возрастает.

При формировании в растровом электронном микроскопе изображения области, которая содержит грани, наклоненные под различными углами к пучку, то большее количество электронов будет вылетать с поверхностей, имеющих большой угол наклона.

Величина контраста рассчитывается из условия, что сигнал вторичных электронов S от наклонных поверхностей пропорционален secθ.

При угле θ = 45° изменение угла на 1° создаёт контраст dS/S = 0, 0175 = 1, 75 %, при угле θ = 60° dS/S = 0, 03 = 3% для dθ = 1°.

Топографический контраст в режиме вторичной электронной эмиссии имеет высокую чувствительность.

Если пучок круглого сечения «А» пересекается плоскостью, лежащей под некоторым углом, отличным от прямого угла к оси пучка, то сечение пучка в этой плоскости представляет собой эллипс.

Для постоянного тока пучка, несущего n электронов в единицу времени, плотность тока J_A, попадающая на образец, уменьшается:

n/A = J_A = J_Ao·cosθ, (12.4)

гдеJ_Ao -плотность тока пучка при θ = 0.

Этот эффект не приводит к изменению контраста, так как выход вторичных электронов пропорционален полному току, попадающему на образец, а не плотности тока.

В основе интерпретации топографических изображений, получаемых в режиме отраженных и вторичных электронов, на растровом электронном микроскопе с образцов с грубой топографией, является их сходство с изображениями аналогичных объектов, освещённых светом в определенном направлении.

Для других механизмов контраста, за исключением топографического контраста и контраста за счёт атомного номера, световая аналогия не имеет места. Интерпретация изображения, образованные за счёт других механизмов формирования контраста, например электронное каналирование, магнитный контраст и другие физические механизмы основаны на знаниях физики взаимодействия электронов с образцом.

12.3 Методы обработки видеосигналов

В конструкциях микроскопа особое место занимает метод дифференциального усиления - подавление низкочастотной составляющей.

Нелинейное усиление - гамма-контроль.

Формирование изображения по производной интенсивности сигнала – блок дифференцированного сигнала.

На всех растровых приборах используется дифференциальное усиление -вычитание постоянной части сигнала, что позволяет получать качественные изображения даже в тех случаях, когда контраст составляет менее 1%.

Например, при изучении вязкого излома - деталей рельефа на дне глубоких чашек, пользуются нелинейным усилением - гамма-коррекцией.

Электронный блок гамма-коррекции усиливает входные сигналы по закону:

I_вых = I_вх^1/γ , (12.5)

где γ равно 1, 2, 3 или 4.

С увеличением γ диапазон входных сигналов расширяется таким образом, что минимальные сигналы, следовательно, и контраст в этом диапазоне, усиливаются больше, чем максимальные сигналы.

В современных приборах в качестве стандартного блока используют специальную схему для электронного дифференцирования сигнала. В результате дифференцирования сглаживаются медленно изменяющиеся уровни интенсивности сигналов и резко усиливаются быстро изменяющиеся уровни интенсивности, что приводит к увеличению чёткости изображения более мелких деталей.

Сканограммы в дифференцированных сигналах могут более чётко проявлять отдельные детали, но при этом в целом теряется глубина фокуса из-за статистических изменений сигналов, формирующих в изображении различные уровни серого оттенка.

На сканограмме в дифференцированном сигнале локализация того или иного элемента топографии определяется максимальной скоростью изменения сигнала и не всегда совпадает с истинным местоположением и конфигурацией элемента. Именно поэтому не рекомендуется использовать блок дифференцированного сигнала при увеличениях, характеризующих предельную разрешающую способность растрового микроскопа.

В растровых приборах существует возможность формировать изображение путём отклонения электронного пучка от вертикальной оси, пропорционального интенсивности сигнала в данной точке - y-модуляция. Такие изображения значительно отличаются от всех остальных изображений, так как вертикальное отклонение зависит от интенсивности сигнала и расположения точки в растре.

Используют у-модуляцию для наблюдения образцов с очень малым контрастом, когда отдельные элементы структуры не видны на изображениях модулированных по интенсивности сигнала. В отдельных случаях хорошие результаты получают при комбинировании яркостной и у-модулированной сканограммы.

В этом режиме работы имеется возможность выбора с помощью независимой ручки смещения по оси «у» местоположения линии сканирования в произвольном месте изображения. У- модуляцию используют обычно при больших увеличениях на малоконтрастных изображениях с характерным регулярным расположением элементов топографии.

Обычно поверхность объекта изучают при малых увеличениях для составления общей картины и выбора наиболее типичного (представительного) места, которое изучают при средних и максимальных увеличениях. В процессе выбора участков на образце при изменении положения сканограммы на объекте каждый раз настраивают резкость изображения.

При формировании изображений сигналы регистрируются в реальном времени, поэтому они являются идеальными для обработки сигнала в каждой точке изображения для получения максимального объёма информации.

В современном растровом электронном микроскопе в генераторе сканирования вместо аналоговых, используют дискретные сигналы. Это позволяет ввести в ЭВМ координаты каждой точки изображения и её интенсивность и с помощью специальных программ. На основании этой информации, можно получить сведения о размере зёрен, количестве разных фаз, доле хрупкого и вязкого разрушения в образце и другие характеристики, изучаемых объектов.

12.4 Методы подготовки объектов

Одно из основных достоинств растровой электронной микроскопии состоит в том, что большое число образцов может быть изучено без предварительной подготовки.

Толщина образца не имеет особого значения, размер образца ограничен только возможностью его установки на столике объектов.

При изучении изображений с топографическим контрастом от проводящих образцов, единственной необходимой, подготовкой объекта является тщательное обезжиривание образцов с целью исключения углеводородных загрязнений, которые могут неблагоприятно повлиять на вторичную электронную эмиссию. Электронный зонд может вызвать разложение углеводородов, в результате чего на поверхности образца может откладываться углерод и другие продукты разложения.

В определенных условиях подготовка образцов становится очень важной и требует применения специальных методов. При формировании слабого контраста, такого, как каналирование электронов, часто нельзя уловить в присутствии механизма сильного контраста, такого, как топографический. Поэтому, следует работать с контрастом за счёт каналирования электронов, с магнитными контрастами типа I и II и другими механизмами слабого контраста, при этом необходимо устранить влияние топографии образца.

Подготовка образца требует большого мастерства, причём каждый материал ставит различные проблемы, для решения которых необходим индивидуальный подход в зависимости от поставленной задачи. Соответствующая методика подготовки образца крайне необходима лишь для определенных видов изучения объектов в растровом электронном микроскопе, особенно там, где имеются конкурирующие механизмы контраста.

Особую сложность представляют диэлектрические материалы, например Al₂O₃. Когда электронный зонд попадает на диэлектрик, на его поверхности из-за отсутствия стекания заряда накапливаются поглощённые электроны.

Накопление электронов приводит к появлению на поверхности образца заряженных областей, которые при последующем сканировании могут нерегулярным образом отклонять первичный пучок, приводя к серьезным искажениям изображения.

Существуют три методики, с помощью которых возможно избежать эффекта зарядки:

- нанесение проводящего покрытия;

- работа при низком ускоряющем напряжении;

- использование методики однокадровой экспозиции.

Из этих методик наиболее широкое применение получила методика нанесения проводящего покрытия. Термическим испарением в вакууме или катодным распылением на поверхность образца наносится тонкая проводящая угольная или металлическая плёнка. Проводящий слой делают как можно тоньше, но при этом необходимо, чтобы он был сплошным. Обычно для этой цели пригодны слои толщиной 10 - 100 нм, при этом желательно, чтобы слой был как можно тоньше, чтобы не мешал наблюдению тонких деталей на поверхности образца.

При изучении диэлектрических материалов без нанесения проводящей плёнки можно использовать вторую или третью из отмеченных методик. Снижение зарядки поверхности при низких ускоряющих напряжениях связано с характерными особенностями электронной эмиссии с поверхности твёрдого тела.

Зависимость коэффициента электронной эмиссии, учитывающего как первичные отраженные электроны, так и вторичные электроны приводится на рисунке 12.6.

Рисунок 12. 6. График зависимости коэффициента полной

электронной эмиссии от энергии Е₀ падающего зонда

Для диэлектриков существует область, в которой число эмиттируемых электронов превышает число падающих электронов. Эта область ограничена двумя величинами энергии падающих электронов, и и называются первой и второй критическими точками соответственно. имеет величину порядка нескольких сотен электрон-вольт, , в зависимости от материала, изменяется от 1 до 10 кэВ.

Таким образом, желательно работать при < < , что обычно достигается при значениях энергии Е близких к 1 кэВ. В таких условиях диэлектрики могут исследоваться без напыления. Однако при таких низких ускоряющих напряжениях параметры растрового электронного микроскопа существенно хуже, так как значительно снижается электронная яркость источника.

12.5 Методы совместного использования растрового электронного микроскопа и рентгеновского микроанализатора

Использование растрового электронного микроскопа при высокой глубине фокуса и высоких электронно-оптических увеличениях с возможностью, одновременного локального, определения химического состава не только позволяет определить влияние структуры и микросостава материалов на механические и физико-химические свойства, но и наметить пути к значительному повышению свойств материалов.

Микрорентгеноспектральный анализ со спектрометром энергетической дисперсии не требует никаких переключений в управлении микрозондом и может проводиться одновременно с наблюдением микроструктуры в режиме растрового микроскопа и изучением состава образца в режиме микроанализа.

Изображение в растровом микроскопе формируется электронами эмиссии отражёнными и вторичными и содержит информацию, как о микрорельефе поверхности изучаемых образцов, так и о локальном распределении элементов.

В случаях, когда по сканограмме сложно определить, является та или иная деталь поверхности выступом матричного состава материала или иной фазой, используется локальный элементный микроанализ с помощью спектрометра энергетической дисперсии.

В большинстве случаев с помощью спектрометра энергетической дисперсии на поверхности образцов при изучении механизмов разрушения (фрактография) проводится полуколичественный анализ локального участка, который позволяет определить влияние неметаллических включений и различных фазовых составляющих сплавов на механизм разрушения.

Основная часть совмещённого прибора – электронно-оптическая система, формирующая электронный пучок в широком интервале диаметров и позволяет легко переходить от одного режима к другому, которые, помимо выбранных систем регистрации сигналов, отличаются в основном диаметром электронного пучка. В растровом микроскопе диаметр пучка составляет 3 – 20 нм, при микрозондовом анализе от 0, 2 до 2, 0 мкм.

Такие приборы, как «Комебакс», «Стериоскан-150», РЭМ-100У и другие нельзя классифицировать в качестве растровых микроскопов или микроанализаторов. На приборах этого типа можно проводить микроструктурные изучения материалов с разрешением до 7-9 нм и точный микрорентгеноспектральный анализ с помощью спектрометров волновой дисперсии (СВД) и спектрометра энергетической дисперсии (СЭД) рентгеновских лучей.

Обычно усилители СЭД имеют постоянную времени формирования сигнала, равную 4 - 6 мкс, что позволяет вести регистрацию излучения, без сдвига центра пика при интенсивности до 10⁴ имп/сек.

Статистическая точность анализа с применением спектрометра энергетической дисперсии определяется по формуле:

, (12.6)

где N - измеренная интенсивность пика, имп/сек;

В - величина интенсивности фона, имп/с;

S - вычитаемая интенсивность при наложении линий, имп/с.

С помощью СЭД можно проводить все те же виды анализа, что и в микроанализаторе с кристалл-дифракционным спектрометром. Изображения в характеристических рентгеновских лучах - элементное картирование, дают полное представление о распределении элементов и химической неоднородности изучаемой структуры. Электронно-растровые рентгеновские микрофотографии в характеристических лучах отличаются высоким качеством как при малых (20 - 50-кратном), так и при высоких увеличениях (выше 3000).

Объемное рентгеновское разрешение растрового микроскопа при количественном анализе примерно в четыре раза превышает возможности микроанализаторов типа МАР.

На практике диаметр фазы d мкм, позволяющий проводить количественный анализ с помощью спектрометра энергетической дисперсии (СЭД) можно подсчитать по формуле:

, ( 12.7)

гдеρ -плотность анализируемого элемента, г/см³; E_i - энергия возбуждения характеристической линии, кВ; Е₀ - энергия первичного пучка электронов, кВ.

Наилучшая радиальная локальность для пары Mg-А1, составляющая 0, 7 мкм, достигается при Е₀ = 7 кВ. Для более тяжелых элементов разрешение около 0, 4 мкм реализуется при снижении Е₀ до 10 кВ. При дальнейшем уменьшении Е₀ разрешение ухудшается из-за увеличения диаметра электронного пучка.

Для количественной оценки изменений содержания анализируемого элемента измеряют интенсивность при медленном сканировании пучка вдоль определенной линии. Полученные кривые относительной интенсивности накладывают на сканограммы поверхности для сопоставления концентрационных изменений с топографическими деталями микроструктуры. Этот метод анализа проводят при любых содержаниях элемента вплоть до 0, 5—1, 0%.

Микропроцессор СЭД идентифицирует и измеряет интенсивности присутствующих характеристических рентгеновских линий и выдаёт эту информацию на монитор или печатающее устройство.

Перевод измеренных относительных интенсивностей в процентное содержание требует знания угла падения электронов φ и угла отбора рентгеновского излучения θ, который для плоских образцов определяется из геометрических соотношений угла φ, высоты и расстояния детектора от образца.

При микроанализе требуется знание:

- угла падения электронов на образец φ;

- угла отбора рентгеновских лучей θ;

- поглощения возникшего характеристического излучения на пути к детектору;

- вклада флуоресцентного излучения от близлежащих выступов, облучаемых рассеянным рентгеновским и электронным излучением.

По этой причине на образцах с развитым рельефом возможен только полуколичественный анализ, так как невозможно точно определить последние два фактора.

Рисунок 12.7 иллюстрирует трудности, которые могут возникнуть при анализе объектов с развитым рельефом. Отраженные электроны могут возбудить рентгеновское излучение в удаленных от места анализа выступах (обозначены буквой А), в этих же местах может возникнуть под воздействием отраженных характеристических рентгеновских лучей флуоресцентное возбуждение (обозначены буквами А и В). Оба источника рентгеновских лучей, не связанных с составом анализируемого объекта, будут регистрироваться детектором.

Рисунок 12.7. Схема возникновения и выхода рентгеновского

излучения с поверхности излома: 1 - первичный пучок электронов;

2 - отраженные электроны и рентгеновские лучи; 3 -анализируемая частица; 4 - рентгеновские лучи, возбуждённые первичным пучком;

5 - препятствия на пути прохождения рентгеновских лучей;

А - путь к детектору рентгеновских лучей; 7 - рентгеновские лучи, возбуждённые в окружающей матрице.

Характеристическое излучение анализируемого объекта может поглощаться выступами, расположенными на пути к детектору (обозначены буквой С).

Например, анализ отношения интенсивностей SK_α /MgK_α в сульфиде марганца размером 9 мкм на поверхности стального излома показал величины от 0, 2 до 1, 25, что связано с топографическим эффектом - различным путём прохождения рентгеновских лучей во включении и в окружающей матрице.

Практика микроанализа показывает, что высокие содержания элементов (> 90%) можно анализировать с точностью ±1% (отн). Определение легирующих элементов при содержаниях выше 10% осуществляется с точностью ±5% (отн). Анализ металлических образцов при содержаниях в них элементов от нескольких десятых до нескольких процентов возможен с погрешностью ±10 - 30% (отн.).

Использование СЭД в растровой электронной микроскопии ограничивается не только полуколичественным и количественным анализом локального состава, нопозволяет значительно расширить возможности самого растрового микроскопа.

Например, с помощью полуколичественного микроанализа на поверхности усталостных изломов сплава Тi6Аl₄V с пластинчатым строением α - и β -фаз был определен фазовый состав на основе знания содержания легирующих компонентов в α и β -фазах предварительно определенных на шлифе. Знание фазового состава усталостного образца позволило понять механизм образования и распространения микротрещин при различных технологических условиях нагружения образцов и деталей.

Для оптимизации рабочих параметров растрового электронного микроскопа рекомендуется фазовый анализ проводить при напряжении Е₀ = 20 кВ, токе образца 20 - 60 нА, скорости сканирования электронного зонда 4 - 10 мкм/с и времени интегрирования сигнала 0, 05-0, 10 с.

При отмеченных условиях анализа металлических фаз размером от 1 до 20мкм при средних расстояниях между фазами 30 мкм для набора 1500 импульсов отдельных фаз требуется 1 - 1, 5 мин..

Оценка разрешающей способности d рассмотренного метода анализа, проведенная по формуле (12.7), показала для СuK_α -линии d_Cu = 0, 8 мкм, для АlL_α -линии d_Al = 0, 3 мкм. Величина d для карбидов в быстрорежущей стали составила 1, 3 мкм. Количественный анализ распределения карбидов в ледебуритной инструментальной стали описанным методом с помощью микроанализа анализатора и анализа карбидных осадков показал расхождение в 10 - 20% (отн).