Просвечивающая электронная микроскопия. Микроскопия, электронная просвечивающая Микроскопия пэм
Просвечивающая электронная микроскопия.
1.Общая схема и принцип действия просвечивающего электронного микроскопа.
Все современные просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) могут работать в двух режимах – в режиме изображения и в режиме дифракции.
Электронный пучок формируется в ускорительной колонне 1, состоящей из электронной пушки, секционной ускорительной трубки (обычно 6 секций) и системы отклонения. Энергия электронов на выходе ускорительной колонны, определяется величиной ускоряющего напряжения на электронной пушке и в различных типах ПЭМ может меняться в пределах 20-200 кэВ. Чем больше энергия электронов, тем меньше длина волны, тем больше проникающая способность электронов.
После ускорительной колонны установлена система конденсорных линз 2, назначение которой получить электронный пучок с минимальным угловым расхождением. Ускорительная колонна совместно с системой конденсорных линз позволяет получать электронные пучки разного диаметра. Минимальный диаметр электронного пучка в ПЭМ может составлять несколько нанометров, что позволяет получать дифракцию от локальной области такого же диаметра в режиме микролучевой дифракции. При работе в режиме изображений при помощи системы конденсорных линз получают параллельный пучок электронов. Система отклонения предназначена для электронного наклона пучка в режиме изображения и дифракции.
За системой конденсорных линз расположена объективная линза. Держатель с образцом 3 устанавливается в зазор полюсного наконечника объективной линзы, так чтобы образец находился в предполье объективной линзы. Гониометрическая головка позволяет осуществлять поворот образца относительно электронного пучка на угол ± 12º. Так как в просвечивающей электронной микроскопии изображение формируется электронами, прошедшими через образец, то его толщина должна быть много меньше длины пробега электронов в материале образца.
Пройдя через образец, электроны попадают в объективную линзу 4. Данная короткофокусная (несколько мм) линза, имеющая небольшое увеличение (~ 50), является ключевой в дальнейшем формировании изображения, поэтому она снабжена корректором астигматизма – стигматором. Диафрагма объективной линзы расположена на задней фокальной плоскости объективной линзы. В последних моделях микроскопов изображения выводятся на монитор компьютера при помощи цифровых ПЗС камер.
В ПЭМ используются электромагнитные линзы, которые состоят из обмотки, магнитопровода и полюсного наконечника. Полюсный наконечник является концентратором магнитного поля. Полюсный наконечник имеет форму круговой симметрии. В центре имеется отверстие с некоторым радиусом и зазор между полюсами. В результате такой конструкции полюсного наконечника, магнитный поток сжимается в зазоре. Электроны, проходя через объективную линзу, под действием магнитного поля отклоняются в направлении оптической оси и фокусируются в определенной точке оптической оси (в фокусе линзы).
2.Реализация режимов наблюдения изображения (темное и светлое поле), микродифракции .
Формирование электронно-микро-скопического изображения коротко можно описать следующим образом. Электронный пучок, сформированный осветительной системой, падает на объект и рассеивается. Далее, рассеянная волна объективной линзой преобразуется в изображение. Образованное объективной линзой изображение увеличивается промежуточными линзами и проецируется проекционной линзой либо на экран для наблюдения, либо на фотопластины или выводится на дисплей монитора.
Светлопольное изображение формируется прямым пучком, а темнопольное – дифрагированным, рис.4.8.5.
Рисунок 4.8.5 – Схема формирования светлопольного (а) и темнопольного (б)
изображений: 1 – падающий пучок электронов; 2 – объект; 3 – дифрагированные пучки;
4 – объективная линза; 5 – апертурная диафрагма; 6 – первичное микроскопическое
изображение; А и В – зерна различной ориентации (В – ближе к «отражающему»
положению).
Поэтому те участки образца (зерна, субзерна), которые ближе к отражающему положению (брегговскому положению для определенного семейства (hkl)), будут на светлопольном изображении темнее (Iпр меньше), а те, которые больше отклоняются от отражающего положения – светлее (Iпр – больше), рис.4.8.6. На темнопольном изображении картина будет обратной.
Для того чтобы получить изображение в светлом поле, апертурная диафрагма должна «пропустить» прямой пучок. Это достигается тем, что диафрагма, которая видна на экране в режиме получения дифракционной картины, располагается так, чтобы вырезать центральный рефлекс (изображение узла 000 обратной решетки), рис.4.8.5 а. Ясно, что пучок, формирующий изображение, распространяется при этом по оси объективной линзы. Для получения темнопольного изображения в лучах рефлекса HKL (максимум интенсивности при дифракции электронов на плоскостях (hkl)) апертурную диафрагму следует сдвинуть так (при работе микроскопа в дифракционном режиме), чтобы вырезать рефлекс HKL. При этом формирующий изображение дифрагированный пучок проходит по периферии объективной линзы, рис.4.8.5 б, где неоднородность (градиент) магнитного поля больше, чем вблизи оптической оси линзы. Поэтому возрастает размытие в изображении точки, обусловленное сферической аберрацией, а следовательно, ухудшается разрешение на темнопольном изображении. Чтобы получить темнопольное изображение с тем же разрешением, что и светлопольное (так называмое темнопольное изображение высокого разрешения), надо направить формирующий его дифрагированный пучок по оси линзы, для чего следует наклонить падающий пучок на угол 2θ.
2. Электронография.
ЭЛЕКТРОНОГРАФИЯ, метод исследования атомной структуры вещества, главным образом кристаллов, основанный на дифракции электронов. Существует несколько вариантов метода. Основным является электронография на просвет, при этом используют дифракцию электроноввысоких энергий (50-300 кэВ, что соответствует длине волны 5-10-3 нм). Электронографию проводят в специальных приборах - электронографах, в которых поддерживается вакуум 10-5-10-6 Па, время экспозиции около 1 с, или в трансмиссионных электронных микроскопах. Образцы для исследований готовят в виде тонких пленок толщиной 10-50 нм, осаждая кристаллическое вещество из растворов или суспензий, либо получая пленки вакуумным распылением. Образцы представляют собой мозаичный монокристалл, текстуру или поликристалл.
Дифракционная картина - электронограмма - возникает в результате прохождения начального монохроматического пучка электронов через образец и представляет собой совокупность упорядочение расположенных дифракционных пятен - рефлексов, которые определяются расположением атомов в исследуемом объекте. Рефлексы характеризуются межплоскостными расстояниями dhkl в кристалле и интенсивностью Ihkl, где h, k и l - миллеровские индексы. По величинам и по расположению рефлексов определяют элементарную ячейку кристалла; используя также данные по интенсивности рефлексов, можно определить атомную структуру кристалла. Методы расчета атомной структуры в электронографии близки к применяемым в рентгеновском структурном анализе. Расчеты, обычно проводимые на ЭВМ, позволяют установить координаты атомов, расстояния между ними и т. д.
3. Механизмы формирования контраста изображения в просвечивающем электронном микроскопе (общие понятия).
Механизм формирования контраста в электронной линзе такой же, как формирование контраста в геометрической оптике с оптическими линзами. На рис. 17.3 показан ход лучей при образовании дифракционного контраста. Диафрагма объективной линзы установлена так, что она пропускает только центральный пучок, а отраженные электроны не достигают конечного изображения. Изображение будет сформировано из центрального пучка и электронов, неупруго рассеянных под малыми углами. Изображение является однолучевым и оно, в этом случае, называется светлопольным . Полученный контраст обусловлен распределением интенсивности электронов, отраженных по закону Вульфа-Брэгга и поэтому получил название дифракционный контраст . При пропускании через диафрагму двух и более пучков (в том числе и центральный пучок), получаем многолучевое светлопольное изображение. На таких изображениях преобладает фазовый контраст.
Изображения можно получить, пропуская через диафрагму объективной линзы только дифрагированные пучки. Тогда полученные изображения называются темнопольными и они так же бывают однолучевыми и многолучевыми.
4. Предельные возможности просвечивающего электронного микроскопа.
5. Требования к объектам исследования.
1. Для исследований с высоким разрешением требуются ультратонкие образцы, толщиной порядка 10 нм.
2. Приготовленный образец должен иметь достаточное количество прозрачных для электрона участков для исследования, чтобы можно было оценить, является ли данная структура типичной для исследуемого образца.
Просвечивающий электронный микроскоп с автоэмиссионным катодом, энергетическим ОМЕГА фильтром, системой освещения по Кёлеру (запатентовано Carl Zeiss SMT) – микроскоп спроектирован для работы с высоким разрешением.
Просвечивающий электронный микроскоп Zeiss Libra 200FE
Libra 200 FE – аналитический просвечивающий электронный микроскоп для проведения исследований твердотельных и биологических образцов. Оснащен высокоэффективным автоэмиссионным эмиттером и энергетическим ОМЕГА-фильтром для выполнения прецизионных измерений с высоким разрешением кристаллической решетки и химического состава наноразмерных объектов. Снимки, полученные в МРЦ по направлению "Нанотехнологии".
Основные характеристики микроскопа:
Ускоряющее напряжение:
200 кВ, 80 кВ, 120 кВ.
Увеличение:
- в режиме ПЭМ (ТЕМ) 8х - 1 000 000х;
- в режиме ПРЭМ (STEM) 2 000х - 5 000 000х;
- в режиме СХПЭЭ (EELS) 20х - 315х.
Предельное разрешение:
- в режиме ПЭМ 0.12 нм;
- в режиме ПРЭМ (STEM) 0.19 нм.
Разрешение спектрометра СХПЭЭ (EELS): по энергии 0.7 эВ.
- - высокоразрешающая электронная микроскопия (ВРЭМ);
- - просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ);
- - сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (СТЭМ);
- - ПЭМ с фильтрацией по энергиям;
- - электронная дифракция (ED);
- - ED в сходящемся пучке (CBED);
- - аналитическая электронная микроскопия (EELS, EDS);
- - Z-контраст;
- - наблюдение объекта в диапазоне температур от -170 о С до 25 о С.
Области применения:
- - характеризация кристаллической решетки и химической природы нанообъектов;
- - локальный анализ элементного состава;
- - анализ структурного совершенства многослойных гетероструктур для микро- и оптоэлектроники;
- - идентификация дефектов кристаллической решетки полупроводниковых материалов;
- - тонкая структура биологических объектов.
Требования к образцам:
Стандартный размер образцов в плоскости держателя ПЭМ 3 мм в диаметре. Типичные толщины для ПЭМ, например: алюминивые сплавы, полупроводниковые материалы ПЭМ - 1000 nm; ВРЭМ - 50 nm.
Энергодисперсионный детектор рентгеновского излучения X-Max
Тип спектрометра – энергодисперсионный (EDS).
Тип детектора – Analytical Silicon Drift Detector (SDD): X-Max;
активная площадь кристалла – 80 мм 2 ;
безазотное охлаждение (Пельтье);
моторизированный слайдер.
Спектральное разрешение – 127 эВ (Mn), соответствует ISO 15632:2002;
Чувствительность к концентрации – 0,1%.
Держатели образов для LIBRA 200
Gatan Model 643. Одноосный аналитический держатель
Предназначен для получения изображений и аналитических приложений, такие как электронная дифракции и EDX анализ образцов ТЕМ, где не требуется две оси наклона образца.
Основные характеристики:
- cкорость дрейфа 1.5 нм/мин
- материал держателя бериллий
- угол наклона максимум 60ᵒ
Gatan Model 646. Двухосный аналитический держатель
Предназначен для получения изображений с высоким разрешением, держатель включает в себя конструктивные особенности, оптимизирован для электронной дифракции и EDX-анализа кристаллических образцов.
Основные характеристики:
- скорость дрейфа 1.5 нм/мин
- разрешение 0.34 нм при нулевом угле наклона
- размер образца 3 мм диаметр, 100 микрон толщина
- материал держателя бериллий
- углы наклона α =60ᵒ β = 45ᵒ
Gatan Model 626. Одноосный Крио трансфер аналитический держатель
Крио держатель используется в приложениях для исследований при низких температурах замороженных гидратированных образцов, Он также может быть использована для исследований in-situ фазовых переходов и снижение загрязнения в результате миграции углерода, уменьшения нежелательных тепловых эффектов в EELS.
Основные характеристики:
- скорость дрейфа 1.5 нм/мин
- разрешение 0.34 нм при нулевом угле наклона
- размер образца 3 мм диаметр, 100 микрон толщина
- криоген жидкий азот
- материал держателя медь
- угол наклона максимум 60ᵒ
Рабочая станция Model 626 workstation
Gatan Model 636. Двухосный Крио аналитический держатель
Крио держатель используется в приложениях для исследований при низких температурах, in-situ фазовых переходов и снижение загрязнения в результате миграции углерода. Он также может быть использована для уменьшения нежелательных тепловых эффектов в аналитических методах EELS и EDX.
Основные характеристики:
- скорость дрейфа 1.5 нм/мин
- разрешение 0.34 нм при нулевом угле наклона
- размер образца 3 мм диаметр, 100 микрон толщина
- макс. рабочая температура 110ᵒС
- мин. рабочая температура - 170ᵒС
- криоген жидкий азот
- стабильность температуры ± 1ᵒС
- время охлаждения 30 минут до -170ᵒС
- материал держателя бериллий
- углы наклона α =60ᵒ β = 45ᵒ
Gatan Model 652. Двухосный аналитический держатель с нагревом
Держатель с возможностью нагрева образца предназначен для in situ наблюдения за микро-структурными изменениями фазы, нуклеации, ростом и растворением в процессе повышенных температур.
Основные характеристики:
- скорость дрейфа 0.2 нм/мин (при температуре от 0 до 500ᵒC)
- разрешение 0.34 нм при нулевом угле наклона
- размер образца 3 мм диаметр, 500 микрон толщина
- макс. рабочая температура 1000ᵒС
- мин. рабочая температура комната
- материал держателя бериллий, медь
- углы наклона α =45ᵒ β = 30ᵒ
Используется совместно с такими приборами:
Водяным рециркулятором Model 652.09J Water recirculator
Gatan Model 654. Одноосный деформационный держатель
Держатель предназначен для исследования in situ растяжения образцов.
Основные характеристики:
- скорость дрейфа 1.5 нм/мин
- разрешение 0.34 нм при нулевом угле наклона
- размер образца 2.5 мм X 11.5 мм, 500 микрон толщина
Используется совместно с таким прибором:
Контроллер Accutroller Model 902
Fischione Model 2040. Двухосевой томографический держатель
Держатель с дополнительной осью вращения предназначен для получения серии изображений для томографии.
Основные характеристики:
- скорость дрейфа 1.5 нм/мин
- разрешение 0.34 нм при нулевом угле наклона
- размер образца 3 мм диаметр, 100 микрон толщина
- материал держателя медь
- угол наклона максимум 70ᵒ
Описание
Для исследований методом ПЭМ обычно используют образцы толщиной менее 500 нм (чаще менее 100–200 нм). Чем больше толщина образца, тем больше должно быть ускоряющее напряжение пучка электронов. Разрешение ПЭМ составляет десятки нанометров, однако существуют модификации метода ПЭМ, для которых разрешение может достигать 0,2 нм, а при применении специальных корректоров сферической абберации даже 0,05 нм. Эти разновидности часто рассматривают как самостоятельный метод исследования - просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (high resolution transmission electron microscopy - HREM, HRTEM).
Электронный микроскоп с использованием дополнительных детекторов позволяет реализовать различные методики микроанализа образцов - , рентгеноспектральный микроанализ и др.
Авторы
- Зотов Андрей Вадимович
- Саранин Александр Александрович
Источник
- Terminology for nanoscale measurement and instrumentation, PAS133:2007. - BSI (British standart), 2007.
Использование сканирующих ЭП привело к появлению просвечивающего растрового (сканирующего) электронного микроскопа ПРЭМ.
Система ПРЭМ (рис.16) представляет собой сочетание следующих узлов:
Электронная пушка, разгоняющая ЭП высоким напряжением;
Линзы, сильно сжимающие ЭП и фокусирующие его на образце до пятна диаметром около 20 нм; электромагнитные катушки для сканирования ЭП;
Генератор, вырабатывающий управляющий сигнал для сканирования ЭП на образце и выходном телемониторе;
Детектор (приёмник) регистрируемого излучения в сочетании с преобразовательно-усилительным трактом, приводящий с соответствие интенсивность излучения в данном месте образца с яркостью изображения в данном месте экрана монитора.
Рис. 16. Схема ПРЭМ
Разрешающая способность зависит от следующих факторов:
Размеров ЭП на образце;
Величины тока в ЭП, что обеспечивает интенсивность сигнала по сравнению с фоном;
Увеличения размеров зондирующего ЭП при его проникновении в образец.
Отличительной особенностью является отсутствие увеличивающих линз, так как увеличение обеспечивается с помощью электронного усиления. В зависимости от регистрируемого излучения (рис.1) приборы носят разные наименования:
Сканирующий электронный микроскоп, детекторы которого расположены в зоне над образцом и регистрируют или упруго отраженные, или вторичные (медленные) электроны;
Рентгеновский микроанализатор, имеющий детекторы характеристического рентгеновского излучения, также расположенные над образцом;
Оже-спектрометр, позволяющий обнаружить оже-электроны, выбиваемые из тонкого поверхностного слоя, и тем самый определять его состав;
Просвечивающий электронный микроскоп, который получается, если детектор расположить под образцом и регистрировать электроны, испытавшие дифракции или прошедшие через образец без отклонения.
Изображение на экране может быть сформировано также за счет электронов, поглощаемых образцом, или за счет улавливания электромагнитных излучений в оптическом диапазоне - катодолюминесценции, характеризующей состав диэлектриков и полупроводников.
Естественно предположить создание прибора - комбайна, сочетающего в себе все перечисленные функции, но это, как правило, приводит к ухудшению параметров, поэтому реальные приборы имеют ограниченное число функций.
ПРЭМ по сравнению с ПЭМ обладает рядом преимуществ:
1. Увеличение глубины проникновения ЭП, а значит, и возможность просвечивания более толстых образцов;
2. Установка линз за образцом или отсутствие линз, из-за чего отсутствует хроматическая аберрация;
3. Возможность получения дифракционной картины от очень малой области образца, соизмеримой с размером зонда (20 нм). В обычном ПЭМ ЭП значительно больше по сечению. Однако максимальное разрешение ПРЭМ хуже, чем ПЭМ: для ПРЭМ не лучше размера зонда (20 нм), а для ПЭМ теоретически можно различить точки на расстояния 0,15 нм;
4. Определение химического состава образцов за счет регистрации характеристического рентгеновского излучения (микроанализ) считается самым большим достоинством ПРЭМ. Здесь появляется возможность получать дифракционную картину и химический состав одной и той же очень малой области, ограниченной размером зонда. Это характеристическое рентгеновское излучение К-, L-, M-серий возникает, если электроны ЭП обладают достаточной энергией для выбивания электронов атомов, при этом вакантный уровень занимают другие электроны, излучающие кванты рентгеновского излучения с определенной, характерной для данного элемента длиной волны, что позволяет определить состав изучаемого участка.
5. Высокие напряжения, применяемые в ПРЭМ, дают возможность получать интенсивное излучение.
6. Возникновение характеристических потерь энергии электронов ЭП дает возможность определять элементы с малыми значениями Z , что в сочетании с предыдущим методом расширяет возможность анализа состава.
Появление ПРЭМ положило начало аналитической электронной микроскопии, находящей широкое применение в практике научных исследований.
Приготовление образцов для электронно-микроскопического исследования .
Как уже говорилось, образец или объект микроскопического исследования должен иметь очень малую толщину, около 0,3 - 0,5 мкм, при использовании
ПЭМ с ускоряющим напряжением до 200кВ. Поверхность должна быть чиста от окислов и различных загрязнений. В процессе приготовления образца механические» тепловые и другие воздействий, могущие вызвать изменение его структуры по сравнению с исходным материалом заготовки, сводятся к минимуму. Для получения тонких металлических образцов (фольг) чаще всего применяется электролитическое полирование. Образец вырезается из заготовки электроискровым методом, алмазной пилой или другим мало повреждающим способом. Форма, придаваемая образцу, обычно представляет собой диск диаметром 3-4 мм, что соответствует форме и размерам посадочного места в объектодержателе. С помощью тонкого абразивного материала образец доводится до толщины порядка 100 мкм, при этом его поверхность должна стать полированной и не содержать грубых царапин.
Далее производятся полировка образца в неподвижном электролите или в струе электролита. Здесь применяются самые разнообразные устройства и приспособления (рис.17): от простого пинцета до электролитических ячеек с фотоэлектрическими датчиками прекращения полировки.
Рис. 17. Схема устройств эля электролитического полирования
Сам образец является анодом в процессе полировки, вследствие чего происходит утонение образца и сглаживание его поверхности. Процесс полировки заканчивается появлением небольшого отверстия в образце, края которого и будут прозрачны для электронов.
Составы электролитов для различных материалов образца и режимы обработки имеются в многочисленной литературе, однако, доводка процесса до получения высококачественной фольги всегда трудоёмкое занятие. Большое значение имеет тепловой режим образца и электролита. Повышенное тепловыделение может повести к изменениям структуры материала. Основные трудности в получении качественной фольги связаны с возможным газовыделением на образце, предотвращением травления и правильным определением момента окончания полировки.
Для подготовки образа из токопроводящих материалов находит применение ионное травление (рис.18). Утонение в данном методе происходит за счет снятия слоев материала ионными пучками, например аргона. Две ионные пушки формируют пучки, полирующие одновременно две поверхности образца.
Рис. 18. Схема устройства для ионного травления. 1 – подача, 2 – образец, ионный пучок, 4 – выход в вакуумную систему, 5 – держатель образца
Метод ионного травления обладает меньшей производительностью, чем электролитическая полировка. Следует отметить, однако, что ионное травление может быть полезно и для снятия окисных или сажистых пленок в колонне микроскопа. В оже-спектрометрах ионное травление используется для снятия слоев материала образца при послойном исследовании, так как оже-электроны возбуждаются только в очень тонком приповерхностном слое материала.
Для исследования поверхности, по которой можно судить о многих событиях внутри материала, часто используются реплики с поверхности. При просмотре их в ПЭМ на экране возникает изображение, контраст которого определяется толщиной материала реплики. Особенно часто метод реплик использовался до появления сканирующей электронной микроскопии на отражение.
Материалом реплик могут служить различные виды полимеров, углерод, окислы, некоторые металлы, например серебро, для повышения контраста на изображении используют оттенение рельефа реплик напылением в вакууме под некоторым углом к поверхности металлических тонких слоев. Зная угол напыления, по тени можно оценить высоту исследуемого рельефа.
Растровая электронная микроскопия .
Расширил предел разрешения от длины световой волны до атомных размеров, а точнее до межплоскостных расстоянии величиной порядка 0,15 нм. Первые попытки сфокусировать пучок электронов при помощи электростатических и электромагнитных линз были сделаны в 20-х годах XX века. Первый электронный микроскоп был сделан И.Руска в Берлине в 30-х годах. Ею микроскоп был просвечивающим и предназначался для изучения порошков, тонких пленок и срезов.
Отражающие электронные микроскопы появились после Второй мировой войны. Почти сразу же они были вытеснены растровыми (сканирующими) электронными микроскопами, объединенными со средствами микроанализа.
Качественная подготовка образца для просвечивающего электронного микроскопа является весьма непростой задачей. Тем не менее, методы такой подготовки существуют.
Имеется несколько методов подготовки образца. При наличии хорошего оборудования тонкую пленку можно приготовить практически из любого технического материала. С другой стороны, не стоит терять время на изучение плохо подготовленного образца.
Рассмотрим методы получения тонких образцов из блочного материала. Методы подготовки биологических тканей, дисперсных частиц, а также осаждение пленок из газовой и жидкой фаз здесь не рассматриваются. Следует отметить, что практически любой материал имеет особенности подготовки для электронного микроскопа.
Механическая обработка.
Исходной точкой для подготовки образца обычно является диск диаметром 3 мм и толщиной несколько сотен микрон, вырезаый из массивной детали. Этот диск может быть вырублен из металлической фольги, вырезан из керамики или выточен из блочного образца. Во всех случаях необходимо свести к минимуму опасность микрорастрескивания и сохранить плоскую поверхность образца.
Следующая задача состоит в уменьшении толщины лиска. Это делают шлифовкой и полировкой, как при подготовке образца для оптического микроскопа. Выбор оптимального способа шлифовки определяется жесткостью (модулем упругости), твердостью и степенью пластичности материала. Пластичные металлы, керамики и сплавы полируют различно.
Электрохимическое травление.
При механической обработке, как правило, появляются приповерхностные повреждения типа пластического сдвига или микрорастрескивания. В случае проводящего металла толщину образца можно уменьшить путем химического или электрохимического растворения в электрополирующем растворе. Однако следует иметь в виду, что параметры обработки тонких образцов значительно отличаются от макрообразцов, прежде всего в связи с малостью обрабатываемой области. В частности, в случае тонких образцов можно использовать гораздо более высокие плотности тока. Проблема охлаждения материала вследствие протекания химической реакции решается путем проведения реакции в струе растворителя, причем обработка диска может быть двусторонней.
Тонкие пленки металлов, сплавов и других электропроводящих материалов часто успешно полируют струей. Однако условия полировки таких материалов различаются по составу, температуре раствора и плотности тока.
Области вокруг нейтрального отверстия должны быть прозрачными (обычно их диаметр равен 50-200 нм). Если подходящие для исследования области слишком малы, это связано со слишком долгим травлением, которое следует прекращать сразу после появления отверстия Если эти области слишком грубы, то или слишком мала плотность тока, или следует сменить загрязненный и перегретый полирующий раствор.
Ионное травление .
Метод ионного травления (бомбардировки) имеет следующие достоинства:
(а) Ионное травление является газофазным процессом, проводимым при низком давлении, когда легко контролировать степень загрязнения поверхности.
(б) Электрохимические методы ограничены проводящими металлами, в то время как ионное травление применимо и к непроводящим материалам.
(в) Хотя ионное травление может приводить к приповерхностному радиационному повреждению материала, его степень может быть уменьшена соответствующим выбором параметров процесса.
(г) Ионное травление позволяет удалить поверхностные окисные слои, появившиеся при предыдущей электрополировке. При этом не изменяется поверхностный состав, поскольку процесс обычно проводят при невысоких температурах, когда отсутствует поверхностная диффузия.
(д) Ионное травление позволяет обрабатывать мультислоистые материалы, состоящие из нескольких нанесенных на подложку слоев, в плоскости, перпендикулярной слоям. Отметим, что стандартные методы химического травления этого не позволяют.
(с) Метод ионного травления позволяет обрабатывать области размером менее 1 мкм, что невозможно химическими методами. Он очень удобен для подготовки тонких пленок.
Конечно, этот метод имеет и недостатки. Скорость травления максимальна. если пучок ионов перпендикулярен поверхности образца, а атомные веса ионов и обрабатываемого материала близки. Однако пучок ионов переносит импульс, и при угле 90 0 максимально микроповрежление поверхностного слоя. Кроме того, из-за опасности химического взаимодействия ионов с обрабатываемой поверхностью в качестве пучка используют лишь инертные газы (обычно аргон).
Скорость травления может быть увеличена путем увеличения энергии ионов, но при этом они начинают проникать в материал и создают поврежленный поверхностный слой. Практически, энергия ионов ограничена несколькими кэВ, когда глубина внедрения не слишком высока и ионы могут диффундировать на поверхность, не повреждая материал.
Скорость травления не превышает 50 мкм в час. Как следствие, перед ионной обработкой образцы необходимо обрабатывать механически (диском или придавая им форму клина) или электрохимически до толщины 20-50 мкм. При ионной бомбардировке образец вращают. чтобы гарантировать однородную обработку, причем для увеличения скорости травления начальная стадия обработки выполняется одновременно с двух сторон под углом 18 0 . После этого угол пучка (и, следовательно, скорость процесса) уменьшают. Минимальный угол, позволяющий получить плоскую поверхность и примерно одинаковую толщину пленки в достаточно большой области, определяется геометрией ионного пучка. При стишком малых углах падения пучок перестает попадать на образец, и распыляемый при этом материал камеры осаждается и загрязняет поверхность образца. Минимальные углы падения пучка на заключительной стадии обработки обычно равны 2-6 0 .
Как правило, обработку заканчивают при появлении на поверхности образца первого отверстия. В современных ионных установках можно следить за обрабатываемой областью и процессе работы. что позволяет правильно завершить процесс.
Напыление покрытия.
Так как электронный пучок несет электрический заряд, образец в процессе работы микроскопа может заряжаться. Если заряд образца становится слишком большим (а но многих случаях это не так, поскольку остаточная поверхностная проводимость часто ограничивает величину заряда), образец нужно покрывать электропроводящим слоем. Наилучшим материалом для этого является углерод, который после напыления имеет аморфную структуру и имеет низкий атомный номер (6).
Покрытие создают, пропуская электрический ток через два контактирующих углеродных стержня. Второй способ состоит в распылении углеродного материала, бомбардируя его ионами инертного газа, после чего атомы углерода оседают на поверхность образца. «Проблемные» материалы могут потребовать покрытия с обеих сторон. Иногда тонкие (5-10 нм) нанометровые покрытия бывают слабо видны на изображении.
Метод реплик.
Вместо подготовки тонкого образца для просвечивающего электронного микроскопа иногда делают реплику (отпечаток) поверхности. В принципе, это не требуется, если поверхность можно изучать при помощи растрового электронного микроскопа. Однако и в этом случае может иметься целый ряд причин для приготовления реплик, например:
(а) Если нельзя резать образец. После разрезания детали в дальнейшем ее использовать нельзя. Напротив, снятие реплики позволяет сохранить деталь.
(б) В случаях, когда ищут определенные фазы на поверхности образца. Поверхность реплики отражает морфологию таких фаз и позволяет их идентифицировать.
(в) Часто можно экстрагировать одну из компонент многофазного материала, например, химическим травлением. Этот компонент можно выделить на реплике, при этом сохранив его и на исходном материале. Химический состав, кристаллографическую структуру и морфологию выделенной фазы можно изучать изолированно от основного материала, свойства которого иногда мешают исследованию,
г) Наконец, иногда нужно сравнить изображение реплики с оригинальной поверхностью в растровом электронном микроскопе. Примером является исследование материала в условиях механической усталости, когда поверхность изменяется в процессе испытания.
Стандартная методика состоит в получении негативной реплики при помощи пластичного полимера. Реплику получают при помощи отверждаемой эпоксидной смолы или размягченной растворителем полимерной пленки, прижимаемой к исследуемой поверхности перед испарением растворителя. В некоторых случаях требуется удалить поверхностное загрязнение. Для этого перед созданием конечной реплики используют ультразвук или делают предварительную «чистящую» поверхность реплику перед снятием конечной реплики. В некоторых случаях объектом исследования может быть «загрязнитель».
После застывания полимерной реплики ее отделяют от исследуемого образца и покрывают слоем тяжелого металла (обычно сплавом золота и палладия) для увеличения контрастности изображения. Металл выбирают так, чтобы при напылении размер его капель был минимален, а рассеяние электронов максимально. Размер капли металла обычно имеет порядок 3 нм. После затенения металлом, на полимерную реплику напыляют углеродную пленку толщиной 100-200 нм, а затем полимер растворяют. Углеродную пленку вместе с частицами, извлеченными полимером из оригинальной поверхности, а также затеняющий ее металлический слой (отражающий топографию оригинальной поверхности) после этого ополаскивают, кладут на тонкую медную сетку и помещают в микроскоп.
Подготовка поверхности.
Использование многослойных тонкопленочных материалов в электронике привело к необходимости развития методов их подготовки для изучения в электронном просвечивающем микроскопе.
Подготовка многослойных образцов имеет несколько этапов:
Сначала образец погружают в жидкую эпоксидную смолу, которую затем отверждают и разрезают перпендикулярно плоскости слоев.
Затем плоские образцы или протачивают диском, или полируют для получения клинообразных образцов. В последнем случае микрометром контролируют толщину удаленного материала и угол клина. Полировка имеет несколько стадии, на последней из которых используют частицы алмазного порошка диаметром 0,25 мкм.
Применяют ионное травление, до тех пор пока толщина исследуемой области не снизится до нужного уровня. Конечную обработку проводят ионным пучком под углом менее 6 0 .
Литература:
Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля // Издательство: Техносфера.2006. 384 с.