Изучение поверхности полупроводника с помощью сканирующего электронного микроскопа (стр. 2 из 5)

Історично першим був виготовлений просвітлюючий електронний мікроскоп (ПЕМ), у якому електрони, після проходження через об'єкт, попадають на електронну лінзу, що формує збільшене зображення об'єкта. Оптична схема ПЕМ цілком еквівалентна відповідній схемі оптичного мікроскопа, у якому світловий промінь заміняється електронним променем, а оптичні лінзи чи системи лінз заміняються електронними лінзами чи системами електронних лінз. Достоїнством ПЕМ є велика дозволяюча здатність. Основний недолік зв'язаний з тим, що об'єкт дослідження повинний бути дуже тонким (звичайно тонше, ніж 0.1 мкм). Крім того, у ПЭМ використовують електрони великої енергії. У залежності від досліджуваного матеріалу електрони прискорюють до кінетичної енергії в діапазоні від декількох КэВ до декількох МэВ. Це приводить до нагрівання зразка аж до його руйнування.

5. ЗВИЧАЙНИЙ ПРОСВІТЛЮЮЧИЙ ЕЛЕКТРОННИЙ МІКРОСКОП

ЗПЕМ багато в чому подібний світловому мікроскопу, але тільки для висвітлення зразків у ньому використовується не світло, а пучок електронів. У ньому є електронний прожектор, ряд конденсорних лінз, об'єктивна лінза і проекційна система, що відповідає окуляру, але проектує дійсне зображення на люмінесцентний екран чи фотографічну пластинку. Джерелом електронів звичайно служить катод, що нагрівається, з чи вольфраму гексаборида лантану. Катод електрично ізольований від іншої частини приладу, і електрони прискорюються сильним електричним полем. Для створення такого поля катод підтримують під потенціалом порядку -100 000 В щодо інших електродів, що фокусують електрони у вузький пучок. Ця частина приладу називається електронним прожектором. Оскільки електрони сильно розсіюються речовиною, у колоні мікроскопа, де рухаються електрони, повинний бути вакуум. Тут підтримується тиск, що не перевищує однієї мільярдної атмосферного.

5.1 Електронна оптика.

Електронне зображення формується електричними і магнітними полями приблизно так само, як світлове – оптичними лінзами. Магнітне поле, створюване витками котушки, по якій проходить струм, діє як збиральна лінза, фокусну відстань якої можна змінювати, змінюючи струм. Оскільки оптична сила такої лінзи, тобто здатність фокусувати електрони, залежить від напруженості магнітного поля поблизу осі, для її збільшення бажано сконцентрувати магнітне поле в мінімально можливому обсязі. Практично це досягається тим, що котушку майже цілком закривають магнітною «бронею» зі спеціального нікель-кобальтового сплаву, залишаючи лише вузький зазор у її внутрішній частині. Створюване в такий спосіб магнітне поле може бути в 10–100 тис. раз більш сильним, чим магнітне поле Землі на земній поверхні.

Ряд конденсорних лінз фокусує електронний пучок на зразок. Звичайно перша з них створює не збільшене зображення джерела електронів, а остання контролює розмір освітлюваної ділянки на зразку. Діафрагмою останньої конденсорної лінзи визначається ширина пучка в площині об'єкта. Зразок міститься в магнітному полі об'єктивної лінзи з великою оптичною силою – найважливішої лінзи ЗПЕМ, що визначається граничний можливий дозвіл приладу. Аберації об'єктивної лінзи обмежуються її діафрагмою так само, як це відбувається в фотоапараті чи світловому мікроскопі. Об'єктивна лінза дає збільшене зображення об'єкта (звичайно зі збільшенням порядку 100); додаткове збільшення, внесене проміжними і проекційними лінзами, лежить у межах величин від трохи меншої 10 до трохи більшої 1000. Таким чином, збільшення, яке можна одержати в сучасних ЗПЕМ, складає від 1000 до ~1 000 000. (При збільшенні в мільйон разів грейпфрут виростає до розмірів Землі.) Досліджуваний об'єкт звичайно поміщають на дуже дрібну сітку, вкладену в спеціального тримача. Тримач можна механічним чи електричним способом плавно переміщати вниз і вправо - уліво.

5.2 Зображення.

Контраст в ЗПЕМ обумовлений розсіюванням електронів при проходженні електронного пучка через зразок. Якщо зразок досить тонкий, то частка розсіяних електронів невелика. При проходженні електронів через зразок одні з них розсіюються через зіткнення з ядрами атомів зразка, інші – через зіткнення з електронами атомів, а треті проходять, не перетерплюючи розсіювання. Ступінь розсіювання в якій-небудь області зразка залежить від товщини зразка в цій області, його щільності і середньої атомної маси (числа протонів) у даній крапці. Електрони, що виходять з діафрагми з кутовим відхиленням, що перевищує деяку межу, уже не можуть повернутися в пучок, що несе зображення, а тому що сильно розсіюють ділянки підвищеної щільності, збільшеної товщини, місця розташування важких атомів виглядають на зображенні як темні зони на світлому тлі. Таке зображення називається світлопольним, оскільки на ньому навколишнє поле світліше об'єкта. Але можна зробити так, щоб електрична система, що відхиляє, пропускала в діафрагму об'єктива тільки ті чи інші з розсіяних електронів. Тоді зразок виглядає світлим на темному полі. Слабко розсіюючий об'єкт часто буває зручніше розглядати в режимі темного поля.

Остаточне збільшене електронне зображення перетвориться у видиме за допомогою люмінесцентного екрана, що світиться під дією електронного бомбардування. Це зображення, звичайно слабоконтрастне, як правило, розглядають через бінокулярний світловий мікроскоп. При тій же яскравості такий мікроскоп зі збільшенням 10 може створювати на сітківці ока зображення, у 10 разів більш велике, чим при спостереженні неозброєним оком. Іноді для підвищення яскравості слабкого зображення застосовується люмінофорний екран з електронно-оптичним перетворювачем. У цьому випадку остаточне зображення може бути виведене на звичайний телевізійний екран, що дозволяє записати його на відеоплівку. Відеозапис застосовується для реєстрації зображень, що міняються в часі, наприклад, у зв'язку з протіканням хімічної реакції. Найчастіше остаточне зображення реєструється на фотоплівці чи фотопластинці. Фотопластинка звичайно дозволяє одержати більш чітке зображення, ніж спостерігач простим оком чи записане на відеоплівці, тому що фотоматеріали, узагалі говорячи, більш ефективно реєструють електрони. Крім того, на одиниці площі фотоплівки може бути зареєстроване в 100 разів більше сигналів, ніж на одиниці площі відеоплівки. Завдяки цьому зображення, зареєстроване на фотоплівці, можна додатково збільшити приблизно в 10 разів без утрати чіткості.

5.3 Дозволяюча здатність.

Електронні пучки мають властивості, аналогічні властивостям світлових пучків. Зокрема, кожен електрон характеризується визначеною довжиною хвилі. Дозволяюча здатність ЕМ визначається ефективною довжиною хвилі електронів. Довжина хвилі залежить від швидкості електронів, а отже, від напруги, що прискорює; чим більше прискорює напруга, тим більше швидкість електронів і тим менше довжина хвилі, а виходить, вище дозволяюча здатність. Настільки значна перевага ЕМ у дозволяюча здатність порозумівається тим, що довжина хвилі електронів набагато менше довжини хвилі світла. Але оскільки електронні лінзи не так добре фокусують, як оптичні (числова апертура гарної електронної лінзи складає усього лише 0,09, тоді як для гарного оптичного об'єктива ця величина досягає 0,95), дозволяюча здатність ЕМ дорівнює 50–100 довжинам хвиль електронів. Навіть з настільки слабкими лінзами в електронному мікроскопі можна одержати межа дозволу біля 0,17 нм, що дозволяє розрізняти окремі атоми в кристалах. Для досягнення дозволяючої здатності такого порядку необхідне дуже ретельне настроювання приладу; зокрема, вимагаються высокостабільні джерела живлення, а сам прилад (який може бути висотою біля 2,5 м і мати масу в кілька тонн) і його додаткове устаткування вимагає монтажу, що виключає вібрацію.

6. РАСТРОВИЙ ЕЛЕКТРОННИЙ МІКРОСКОП. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Більш простим і універсальної для практичного застосування є скануючий і растровий електронний мікроскоп. РЕМ призначений для дослідження масивних об'єктів з дозволяючою здатністю, істотно більш низьким, ніж у ПЕМ, - від 50 до 200 А. У растровому електронному мікроскопі добре сфокусований електронний пучок розгортають за допомогою магнітної чи електростатичної системи, що відхиляє, по заданій площі на об'єкті дослідження. При взаємодії електронів пучка з об'єктом виникає кілька видів випромінювань – вторинні і відбиті електрони; електрони, що пройшли через об'єкт (якщо він тонкий); рентгенівське випромінювання. Кожне з цих випромінювань може реєструватися відповідним детектором, що перетворить випромінювання в електричні сигнали, що після посилення модулюють пучок електронно-променевої трубки (ЕПТ).

Розгорнення пучка ЕПТ проходить синхронно з розгорненням електронного зонда в РЕМ. Зображення об'єкта у відповідному випромінюванні спостерігається на екрані ЕПТ. Збільшення мікроскопа визначається відношенням розмірів областей сканування в РЕМ і ЕПТ.

Різноманіття областей застосування РЕМ зв'язане з різними механізмами взаємодії електронів із кристалічними твердими тілами.

Можливості РЕМ для вивчення рельєфу поверхні об'єкта ілюструє мал.5. Реєструєма детектором інтенсивність потоку розсіяних електронів залежить від того, у яке місце стосовно нерівностей поверхні зразка падає пучок у процесі сканування.

Крім розглянутого вище топографічного контрасту, у РЕМ часто спостерігають контраст сполуки. Цей контраст зв'язаний з тим, що коефіцієнт вторинної електронної емісії залежить від атомного номера елемента і, отже, від хімічного складу зразка в даній крапці.

Поряд з топографічним контрастом і контрастом сполуки в РЕМ використовують також і інші: кристалічний і магнітний. Методи створення дифракційних картин у РЕМ досить прості і дають велику інформацію про кристалічну будову і досконалість зразків. При дослідженні в растровому електроном мікроскопі магнітних зразків для доменів з різним намагнічуванням спостерігається контраст, обумовлений тим, що магнітні поля доменів у значній мірі впливають на траєкторії руху вторинних електронів.