Сканирующий электронный микроскоп осуществляет непрерывное сканирующее движение пучка электронов по поверхности образца, одновременно в режиме реального времени регистрируя формирование различных сигнальных изображений и затем модулируя изображение в зависимости от интенсивности этих сигналов.

Источники контраста изображений, получаемых с помощью сканирующего электронного микроскопа и обусловливающих возникновение различных сигналов, делятся на три аспекта:

1. Свойства самого образца: включая неровности поверхности, различия в составе, анизотропию ориентации, а также разницу поверхностного потенциала и другие факторы.

2. Свойства самого сигнала: в основном это вторичные электроны и обратно рассеянные электроны.

3. Ручная обработка сигнала.

1. Контраст по форме и внешнему виду

Формовый контраст — это разница в углах наклона на различных участках образца.

A. Зависимость коэффициента выхода вторичных электронов δ от угла падения пучка первичных электронов α

Когда пучок электронов с одинаковой энергией бомбардирует участки образца различной морфологии, глубина образования вторичных электронов оказывается одинаковой. Однако после их генерации эти электроны должны успеть покинуть поверхность образца, чтобы быть зарегистрированы. Пусть α обозначает угол между падающим электронным пучком и нормалью к поверхности образца. Для гладкой поверхности выход вторичных электронов δ пропорционален 1/cosα. По мере увеличения угла α падающие электроны всё ближе подходят к поверхностному слою образца. Как показано на рис. 1, при α2 > α1 траектория падающего электронного пучка ② оказывается ближе к поверхности образца, чем траектория пучка ①, вследствие чего из образца вылетает больше вторичных электронов. Чтобы получить интенсивный сигнал вторичных электронов, обычно приходится наклонять столик образца, то есть изменять угол падения электронного пучка (изменяя α), что способствует более эффективному возбуждению большего числа вторичных электронов.

Рис. 1 Зависимость между углом наклона и выходом SE

B. Влияние направления падающих электронов на выходную долю обратнорассеянных электронов η

Коэффициент выхода обратнорассеянных электронов η характеризует вероятность возникновения обратнорассеянного электрона при его начальной энергии, превышающей 50 эВ и меньшей, чем начальная энергия. При нормальном падении электронного пучка распределение обратнорассеянных электронов близко к закону косинуса, а направление их эмиссии случайно (см. рис. 2); однако при наклонном падении пучка угловое распределение обратнорассеянных электронов принимает форму переднего направленного стержня (см. рис. 2). По мере увеличения угла падения α обратнорассеянные электроны оказываются ближе к поверхности образца, и соответствующим образом возрастает их коэффициент выхода. Когда угол падения приближается к скользящему углу, коэффициент обратного рассеяния η стремится к единице.

Хотя η возрастает с увеличением угла наклона α, это не соответствует точной тригонометрической зависимости; как показано на рис. 3. По мере роста угла α коэффициент отражения обратнорассеянных электронов η увеличивается, что свидетельствует о том, что отражательная способность обратнорассеянных электронов также весьма чувствительна к состоянию поверхности образца.

Рис. 2 Угловое распределение BSE

Рис. 3 Зависимость коэффициента обратного отражения η от угла наклона

C. Контраст морфологии

Для сканирующего электронного микроскопа направление падающих электронов фиксировано, однако из‑за неровностей поверхности образца угол падения электронного пучка на её поверхность различается. Как показано на рис. 4, углы падения α на двух плоскостях A и B образца отличаются. Согласно законам отражения вторичных электронов и обратно рассеянных электронов, чем больше угол падения α, тем выше выход вторичных электронов δ и коэффициент отражения обратно рассеянных электронов η. Поэтому количество вторичных и обратно рассеянных электронов, регистрируемых детектором сканирующего электронного микроскопа, также различается, что приводит к разнице в яркости изображения. Например, в области A угол падения больше, чем в области B; следовательно, в области A принимается больше вторичных и обратно рассеянных электронов. В результате на изображении область A выглядит светлее, чем область B, что обеспечивает контраст по морфологии образца.

Рис. 4 Контрастность поверхностной морфологии

Как коэффициент выхода вторичных электронов, так и коэффициент отражения обратно рассеянных электронов способны отображать контраст морфологии образца; однако из‑за большей глубины выхода обратно рассеянных электронов и относительно более широкой области их эмиссии их пространственное разрешение значительно ниже, чем у вторичных электронов, а степень стереоскопичности также уступает последним. Обратно рассеянные электроны в значительной степени отражают морфологию подповерхностного слоя. Как показано на рис. 5, при сравнении изображений, полученных с помощью вторичных электронов и обратно рассеянных электронов для материалов электродов литиевых аккумуляторов, очевидно, что вторичные электроны гораздо чувствительнее воспринимают поверхностную морфологию. Тем не менее многие настольные сканирующие электронные микроскопы сегодня используют обратно рассеянные электроны для наблюдения за морфологией образцов. Кроме того, в определённых случаях наблюдение морфологии с помощью обратно рассеянных электронов обладает преимуществами по сравнению с использованием вторичных электронов; об этом будет сказано далее.

Рис. 5 СЭ‑изображение и БЭ‑изображение электродного материала литиевой батареи

Однако, хотя с увеличением угла наклона отдача электронов обратного рассеяния возрастает, одновременно изменяется и распределение их углового расхождения. Поэтому, несмотря на большую отдачу электронов обратного рассеяния, это вовсе не означает, что все они могут быть эффективно зарегистрированы. В результате иногда зависимость контрастности изображения, формируемого электронами обратного рассеяния, от угла наклона оказывается не вполне однозначной, как показано на рис. 6.

Рис. 6 СЭ‑изображение и БЭ‑изображение с пирамидальной морфологией (аномальный контраст)

D. Эффект края

Рис. 7 Краевой эффект и концевой эффект в контрасте морфологии

Однако морфологическая контрастность вторичных электронов или обратнорассеянных электронов проявляет выраженный краевой и концевой эффекты, как показано на рис. 7. В местах выступающих острий, мелких частиц, достаточно крутых склонов, а также в зонах пересечения нескольких плоскостей путь ухода вторичных электронов на поверхность оказывается значительно длиннее, чем в обычных условиях; вследствие этого в этих точках выход вторичных электронов нередко существенно превышает уровень на обычных плоскостях. В изображении это проявляется в виде крайне высокой яркости в областях, характеризующихся концевым или краевым эффектом, что приводит к появлению белых пятен или белых контуров, как показано на рис. 8.

Рис. 8 Краевой эффект и эффект острия

II. Контраст по атомному номеру Z (контраст по составу)

A. Зависимость коэффициента выхода вторичных электронов δ от атомного номера Z

Рис. 9 Различные вещества дают разные выходы SE

Коэффициент выделения вторичных электронов, помимо зависимости от морфологии, также определяется энергией падающего электронного пучка и атомным номером Z; это показано на рис. 9. Зависимость коэффициента выделения вторичных электронов от атомного номера является сложной. Поскольку вещества с различными атомными номерами обладают разным числом внешних электронов и различными значениями энергии ионизации, между коэффициентом выделения вторичных электронов и атомным номером существует определённая связь. Кроме того, при разных атомных номерах наблюдаются различия и в коэффициенте выделения обратнорассеянных электронов, которые, в свою очередь, также способны генерировать вторичные электроны.

В целом, выход вторичных электронов возрастает с ростом атомного номера. При атомном номере Z, меньшем 20, выход вторичных электронов увеличивается по мере роста Z; однако при Z, превышающем 20, он практически не зависит от изменения атомного номера. Лишь для элементов с небольшим атомным номером выход вторичных электронов зависит от состава образца. Поэтому в обычных условиях вторичные электроны используются для наблюдения за поверхностной морфологией, а не для анализа распределения компонентов; тем не менее, при низких или сильно различающихся атомных номерах они также способны обеспечивать контраст, обусловленный атомным номером.

B. Зависимость коэффициента обратного рассеяния электронов η от атомного номера Z

Коэффициент обратного рассеяния электронов η связан с атомным номером Z следующим соотношением: η возрастает с ростом Z; конкретная зависимость приведена на рис. 10.

η = -0,0254 + 0,016Z - 0,000186Z ² +8,3×10 ^-7 З ³

Рис. 10. Зависимость коэффициента обратного рассеяния от атомного номера

Рис. 11. Зависимость выходов SE и BSE от атомного номера

C. Контраст по атомному номеру

На рис. 11 показана зависимость выхода вторичных электронов и обратно рассеянных электронов от атомного номера. Как видно из графика, как для вторичных, так и для обратно рассеянных электронов их выход возрастает с увеличением атомного номера. Следовательно, при анализе участки образца с более высоким атомным номером испускают больше вторичных и обратно рассеянных электронов, чем участки с меньшим атомным номером; вследствие этого эти участки на изображении проявляются более яркими. В этом и заключается основной принцип контраста по атомному номеру.

Кроме того, рис. 11 также выявляет одну проблему: отражённые вторичные электроны демонстрируют гораздо более слабую Z‑контрастность по сравнению с обратнорассеянными электронами.

При небольшом значении атомного номера Z или при значительной разнице в Z вторичные электроны по‑прежнему демонстрируют хорошую контрастность по атомному номеру Z. Как показано на рис. 12, на левом изображении — вторичное электронное изображение углеродно‑серебряного композита: у углерода атомный номер весьма мал, тогда как у серебра он значительно больше; при этом разница в выходе вторичных электронов между этими элементами остаётся существенной, что позволяет легко различать углерод и серебро на вторичном электронном изображении. На правом изображении, полученном с помощью обратнорассеянных электронов, контраст по составу выражен ещё ярче, однако детализация поверхности здесь значительно уступает вторичному электронному изображению.

Рис. 12 SE‑ и BSE‑изображения углеродно‑серебряного композитного материала, а также электронные выходы углерода и серебра

Хотя вторичные электроны и обратно рассеянные электроны способны проявлять контраст, обусловленный атомным номером, чувствительность обратно рассеянных электронов к атомному номеру всегда значительно выше, независимо от значения Z. Поэтому при проведении анализа состава применение обратно рассеянных электронов гораздо шире. По различиям яркости изображений, полученных с помощью обратно рассеянных электронов, а также с учётом имеющихся сведений о образце, можно быстро и качественно определить тип фазы.

Например, как показано на рис. 13, образец представляет собой поперечное сечение медно‑алюминиевого проводника: внешний слой — медь, внутренняя часть — алюминий. Поскольку атомные номера алюминия и меди мало различаются, разница в выходе вторичных электронов у них оказывается незначительной, вследствие чего изображение по вторичным электронам уже не позволяет чётко различать различные компоненты. Однако выход обратнорассеянных электронов по‑прежнему существенно отличается, поэтому контрастность изображения по обратнорассеянным электронам весьма высока, что позволяет легко выявить распределение меди и алюминия.

Рис. 13 SE‑ и BSE‑изображения поперечного сечения медно‑алюминиевого провода и электронные выходы алюминия и меди

Рис. 14 SE‑изображение и BSE‑изображение поверхности покрытия

В качестве ещё одного примера, представленного на рис. 14, показана ситуация с определённым материалом для покрытия. Поскольку поверхность образца подвержена выраженному контрасту, обусловленному рельефом, а также наличию краевых эффектов, выход вторичных электронов уже совершенно не отражает контраст по атомному номеру. Однако в этом случае обратнорассеянные электроны менее чувствительны к рельефу и по‑прежнему способны демонстрировать чёткий контраст по составу.

III. Связь между контрастом по форме, контрастом по атомному номеру и вторичными электронами с одной стороны и обратно рассеянными электронами — с другой.

В настоящее время во многих случаях изображения вторичных электронов называют изображениями морфологии, а изображения обратнорассеянных электронов — изображениями состава; однако такие термины не совсем строги. Как уже отмечалось выше, выход вторичных электронов в основном более чувствителен к рельефу, тогда как выход обратнорассеянных электронов в большей степени отражает химический состав; вместе с тем изображения вторичных электронов также могут демонстрировать определённую контрастность, связанную с составом, а изображения обратнорассеянных электронов содержат и некоторую контрастность, обусловленную рельефом. Таким образом, как изображения вторичных электронов, так и изображения обратнорассеянных электронов всегда представляют собой смесь как минимум этих двух видов контрастности. Далее будут рассмотрены также влияния других видов контрастности на эти два типа выхода электронов.

Характеристики вторичных электронов и обратно рассеянных электронов в сканирующем электронном микроскопе суммированы в следующей таблице:

Таблица 15. Сравнительная характеристика SE и BSE

В ходе многочисленных экспериментальных исследований выяснилось, что многие специалисты хорошо знакомы с вторичными электронами, но игнорируют обратнорассеянные электроны. Некоторые сканирующие электронные микроскопы даже не оснащены детекторами обратнорассеянных электронов, вследствие чего невозможно получить изображения, полученные с использованием этого сигнала. Ограничиваясь лишь пониманием морфологической контрастности и игнорируя контрастность, обусловленную атомным номером, а также рассматривая сканирующий электронный микроскоп исключительно как прибор для наблюдения морфологии с разрешением, превосходящим оптический микроскоп, — всё это свидетельствует о недостаточном знании возможностей данного прибора и о неполной реализации его потенциала.

Вторичные электроны и обратно рассеянные электроны — два наиболее часто используемых сигнала в сканирующей электронной микроскопии; контраст по морфологии и контраст по атомному номеру также относятся к самым распространённым видам контраста, обусловленным собственными свойствами образца. Как видно из таблицы 15, эти два типа электронных сигналов и два вида контраста взаимно дополняют друг друга и являются незаменимыми. Только глубокое понимание взаимосвязи между этими двумя типами электронов и двумя видами контраста позволяет в полной мере раскрыть потенциал сканирующей электронной микроскопии и извлечь из её изображений дополнительную информацию.

Например, как показано на рис. 16, вторичные электронные изображения (слева) и изображения обратнорассеянных электронов (справа) поверхности излома металлического материала, при совместном использовании этих двух типов изображений с учётом как морфологической, так и химической контрастности, позволяют проводить более быстрый и точный анализ причин разрушения.

Рис. 16 СЭ‑изображение и БЭ‑изображение излома

IV. Магнитная контрастность

В некоторых образцах — например, в магнитных доменах ферромагнитных материалов, в магнитном поле видеозаписывающей ленты или в тонкоплёночных проводниках интегральных схем — на поверхности образца формируется экстенсивное магнитное поле. Вторичные электроны, обладающие определённой закономерностью, подвергаются воздействию этого поля и отклоняются, что приводит к появлению определённого контраста; такой контраст относится к первой категории магнитного контраста и проявляется в виде полосчатого рисунка.

Длина свободного пробега обратнорассеянных электронов в образце велика; внешнее магнитное поле может влиять на траектории этих электронов: электроны, траектории которых изгибаются к поверхности, легко покидают образец, тогда как электроны, траектории которых изгибаются от поверхности внутрь, выходят с трудом. В результате коэффициент отражения обратнорассеянных электронов η оказывается различным, что приводит к появлению контраста второго рода — магнитного контраста.

5. Потенциальная контрастность

Если на поверхности образца присутствуют различия в распределении потенциала — например, в p‑n‑переходах полупроводников или в интегральных схемах при приложении смещения — эти локальные перепады потенциала влияют на траекторию и интенсивность вторичных электронов. В областях положительного потенциала вторичные электроны, как бы удерживаются и труднее вылетают; поэтому в этих зонах их выход меньше, а изображение получается более тёмным. Напротив, в областях отрицательного потенциала вторичные электроны легче выбиваются, их выход выше, и соответствующие участки на изображении выглядят светлее; именно это и называется потенциальным контрастом. С помощью потенциального контраста можно исследовать технологическую структуру материалов и устройств. На рис. 17 представлены изображения платы интегральной схемы при отсутствии и при наличии приложенного смещения.

Рис. 17 Изображение печатной платы до и после подачи смещения

Однако в обычных условиях наблюдения образцов с выраженной потенциальной контрастностью не так уж много. Тем не менее, по мере распространения технологии замедления электронов некоторые виды потенциальной контрастности в режиме замедления могут усиливаться, что позволяет выявить на образцах заметную потенциальную контрастность.

Кроме того, в области анализа отказов полупроводниковых микросхем потенциальная контрастность играет важную роль. В определённых участках некоторых полупроводниковых чипов могут возникать обрывы цепей, короткие замыкания или другие неисправности; при этом эти дефекты зачастую находятся не на поверхности образца. Поэтому в таких случаях морфологическая и контрастность по атомному номеру могут оказаться недостаточно эффективными. Однако, сканируя поверхность образца электронным пучком в течение некоторого времени, при наличии внутренних дефектов потенциал соответствующих участков поверхности может отличаться от окружающего, что проявляется на изображении в виде ярких или тёмных пятен, как показано на рис. 18. С помощью этого метода можно быстро локализовать места дефектов в микросхеме, после чего провести их дальнейшую обработку и более детальный анализ.

Рис. 18 Потенциальная контрастность, обусловленная дефектами полупроводниковых чипов

6. Контрастность электронного канала (ECC)

Если образец является кристаллическим, то выход вторичных электронов и электронов обратного рассеяния также зависит от относительного ориентирования первичного электронного пучка по отношению к кристаллографическим плоскостям. Различные ориентации кристалла приводят к различиям в вероятности рассеяния первичных электронов атомами образца, что, в свою очередь, влияет на выход вторичных электронов и электронов обратного рассеяния; это явление известно как контраст электронного каналирования, или ECC (Electron Channeling Contrast), как показано на рис. 19.

Рис. 19 Схема контрастности электронного канала

Однако по сравнению с контрастом морфологии электронный каналовый контраст значительно слабее и требует наличия на поверхности образца хорошо развитой кристаллической структуры. Поэтому для наблюдения выраженного электронного каналового контраста обычно необходимо устранить влияние контраста морфологии. Как правило, заметный каналовый контраст, обусловленный различными ориентациями зерен, можно наблюдать лишь на очень ровных поликристаллических образцах — металлах или кристаллах, лишенных избыточных остаточных напряжений. Для получения идеальных изображений ECC необходимо соблюсти следующие условия:

Особенно первые два пункта, которые в основном требуют подготовки образцов в соответствии со стандартами EBSD:

① Образец должен быть достаточно ровным, чтобы уменьшить влияние контраста морфологии;

② Поверхность образца должна иметь максимально низкое остаточное напряжение и сохранять достаточно целостную кристаллическую структуру;

③ Канальная контрастность обратнорассеянных электронов обычно выше, чем вторичных электронов; поэтому для наблюдения эффекта ECC лучше использовать обратнорассеянные электроны.

④ При большом токе пучка контрастность электронного канала становится более выраженной.

Как показано на рис. 20, представлены контрасты электронных каналов металлического никеля, полученные при различных условиях пучка с использованием вторичных электронов и обратнорассеянных электронов.

Рис. 20 Эффекты космического излучения (ECC) для металла Ni при различных условиях пучка

Техника SEM‑ECC подходит для исследования размеров зерен в поликристаллических материалах, в частности таких структур, как субзерновая структура. Вблизи дефектов в кристалле возникают деформации решётки; в этих областях контраст отличается от окружающей среды, что позволяет на экране отображать соответствующие контрастные изображения. Однако, ограниченно разрешением СЭМ, метод SEM‑ECC пока не позволяет визуализировать отдельные дислокации.

VII. Плотностный контраст

Помимо распространённых типов контраста существует и менее часто встречающийся вид контраста, который ранее ошибочно отождествляли с контрастом канала или контрастом по атомному номеру. Некоторые вещества, хотя и могут иметь совершенно одинаковый состав и сходную морфологию, способны проявлять явление изомерии. Из‑за различий в структуре между различными изомерами могут возникать значительные различия в плотности, что, в свою очередь, приводит к разной вероятности рассеяния первичного электронного пучка в образце и к различиям в выходе вторичных электронов или обратнорассеянных электронов. Вещества с более высокой плотностью характеризуются большим выходом электронов и проявляют более светлый серый оттенок, тогда как вещества с меньшей плотностью дают более тёмный серый оттенок. Такой контраст фактически является контрастом по плотности.

Рис. 21 Плотностная контрастность, проявляемая алмазом и графитом

Таким образом, в некоторых случаях вещества, имеющие изомеры (например, углеродные материалы), могут проявлять контраст, обусловленный различиями в плотности. Однако для объяснения такого контраста прежде всего необходимо убедиться, что состав практически одинаков и что влияние морфологического контраста практически отсутствует. Как показано на рис. 21, слева — алмаз с удельной массой около 3,5, справа — графит с удельной массой около 2,3; видно, что алмаз, обладающий большей плотностью, характеризуется более высоким выходом электронов.

Стационарный сканирующий электронный микроскоп ZEM18 компании ZEPTOOLS

Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — это научно‑инструментальная фирма, обладающая полностью самостоятельными правами интеллектуальной собственности. С начала 1990‑х годов, когда компания приступила к разработке электронных микроскопов и сопутствующего оборудования, её исследовательская команда неизменно стремится предоставлять высококачественные приборы для нанонаучных исследований. В настоящее время в компании работают… Пико Фемто Серия Система измерений в режиме in situ с использованием ТЭМ 、 Система измерений СЭМ в нативном состоянии 、 Настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM 、 Ступенчатый измеритель серии JS 、 Нано‑пьезо‑столик 、 Станок для переноса двумерных материалов 、 Пробоночная платформа и низкотемпературная система 、 Линейка с датчиком линейного перемещения Ряд продуктовых линеек, включая …, пользуются широким признанием как на внутреннем, так и на международном рынках, заполняя многочисленные пробелы в отечественной сфере научно‑точных измерительных приборов.