Московский институт электронной техники

Лаборатория электронной микроскопии С.В. Седов

[email protected]

Принцип работы современного растрового электронного микроскопа и его использование для исследования объектов микроэлектроники

Цель работы: знакомство с методиками исследования материалов и микроэлектронных структур при помощи растрового электронного микроскопа.

Продолжительность работы: 4 ч.

Приборы и принадлежности: растровый электронный микроскоп Philips-

SEM-515, образцы микроэлектронных структур.

Устройство и принцип работы растрового электронного микроскопа

1. Введение

Растровая электронная микроскопия - это исследование объекта путем облучения тонко сфокусированным электронным пучком, который развертывается в растр по поверхности образца. В результате взаимодействия сфокусированного электронного пучка с поверхностью образца возникают вторичные электроны, отраженные электроны, характеристическое рентгеновское излучение, ожэ-электроны и фотоны различных энергий. Они рождаются в определенных объемах - областях генерации внутри образца и могут быть использованы для измерения многих его характеристик, таких как топография поверхности, химический состав, электрофизические свойства и т д.

Основной причиной широкого использования растровых электронных микроскоов является высокое разрешение при исследовании массивных объектов, достигающее 1,0 нм (10 Å). Другой важной чертой изображений, получаемых в растровом электронном микроскопе является их объемность, обусловленная большой глубиной резкости прибора. Удобство применения растрового микроскопа в микро-и нанотехнологии объясняется относительной простотой подготовки образца и оперативностью исследования, что позволяет использовать его для межоперационного контроля технологических параметров без значительных потерь времени. Изображение в растровом микроскопе формируется в виде телевизионного сигнала, что существенно упрощает его ввод в компьютер и дальнейшую программную обработку результатов исследований.

Развитие микротехнологий и появление нанотехнологий, где размеры элементов существенно меньше длины волны видимого света, делает растровую электронную микроскопию практически единственной неразрушающей методикой визуального контроля при производстве изделий твердотельной электроники и микромеханики.

2. Взаимодействие электронного луча с образцом

При взаимодействии пучка электронов с твердой мишенью возникает большое число различного рода сигналов. Источником этих сигналов являются области излучения, размеры которых зависят от энергии пучка и атомного номера бомбардируемой мишени. Размерами этой области, при использовании определенного сорта сигнала, определяется разрешение микроскопа. На рис. 1 показаны области возбуждения в образце для разных сигналов.

Полное распределение по энергии электронов, излучаемых образцом

приведено на рис.2. Оно получено при энергии падающего пучка Е 0= 180эВ, по оси ординат отложено число эмиттированых мишенью электронов J s (E), а по оси абсцисс - энергия Е этих электронов. Заметим, что вид зависимости,

приведенной на рис.2, сохраняется и для пучков с энергией 5 – 50 кэВ, используемых в растровых электронных микроскопах.

Г
руппуI составляют упруго отраженные электроны с энергией, близкой к энергии первичного пучка. Они возникают при упругом рассеянии под большими углами. С увеличением атомного номера Z растет упругое рассеяние и увеличивается доля отраженных электронов . Распределение отраженных электронов по энергиям для некоторых элементов приведено на рис.3.

Угол рассеяния 135 0
, W=E/E 0 - нормированная энергия, d/dW - число отраженных электронов на падающий электрон и на единицу энергетического интервала. Из рисунка видно, что при увеличении атомного номера не только растет число отраженных электронов, но и их энергия становится ближе к энергии первичного пучка. Это приводит к возникновению контраста по атомному номеру и позволяет исследовать фазовый состав объекта.

Группа II включает в себя электроны, подвергшиеся многократному неупругому рассеянию и излученные к поверхности после прохождения более или менее толстого слоя материала мишени, потеряв при этом определенную часть своей первоначальной энергии.

Э
лектроны группыIII являются вторичными электронами с малой энергией (менее 50 эВ), которые образуются при возбуждении первичным пучком слабосвязаных электронов внешних оболочек атомов мишени. Основное влияние на количество вторичных электронов оказывает топография поверхности образца и локальные электрические и магнитные поля. Количество выходящих вторичных электронов зависит от угла падения первичного пучка (рис.4). Пусть R 0 – максимальная глубина выхода вторичных электронов. Если образец наклонен, то длина пути в пределах расстояния R 0 от поверхности возрастает: R = R 0 sec 

Следовательно возрастает и количество соударений, при которых рождаются вторичные электроны. Поэтому незначительное изменение угла падения приводит к заметному изменению яркости выходного сигнала. Благодаря тому, что генерация вторичных электронов происходит в основном в приповерхностной области образца (рис.1), разрешение изображения во вторичных электронах близко к размерам первичного электронного пучка.

Характеристическое рентгеновское излучение возникает в результате взаимодействия падающих электронов с электронами внутренних K, L, или М оболочек атомов образца. Спектр характеристического излучения несет информацию о химическом составе объекта. На этом основаны многочисленные методы микроанализа состава. Большинство современных растровых электронных микроскопов оснащено энергодисперсионными спектрометрами для качественного и количественного микроанализа, а так же для создания карт поверхности образца в характеристическом рентгеновском излучении определенных элементов.

3 Устройство растрового электронного микроскопа .

Чтобы понять принцип работы светового микроскопа, необходимо рассмотреть его строение.

Главный прибор биологии является оптической системой, которая состоит из штатива, осветительной и оптической части. В штатив входят башмак; предметный столик с держателем предметного стекла и двумя винтами, перемещающими столик в двух перпендикулярных направлениях; тубус, тубусодержатель; макро- и микровинты, передвигающие тубус в вертикальном направлении.

Для освещения объекта используют естественное рассеянное или искусственное освещение, которое осуществляется посредством стационарно вмонтированного в башмак микроскопа или соединенного через планку осветителя.

В осветительную систему также входят зеркало с плоской и вогнутой поверхностями и конденсор, расположенный под предметным столиком и состоящий из 2 линз, ирисовой диафрагмы и откидывающейся оправы для светофильтров. Оптическая часть включает наборы объективов и окуляров, которые позволяют изучать клетки на разных увеличениях.

Принцип работа светового микроскопа заключается в том, что пучок света от источника освещения собирается в конденсаторе и направляется на объект. Пройдя через него, лучи света попадают в систему линз объектива. Они выстраивают первичное изображение, которое увеличивается при помощи линз окуляра. В целом объектив и окуляр дают обратное мнимое и увеличенное изображение объекта.

Основными характеристиками любого микроскопа являются разрешающая способность и контраст.

Разрешающая способность - это минимальное расстояние, на котором находятся две точки, демонстрируемые микроскопом раздельно.

Разрешение микроскопа вычисляет по формуле

где л - длина волны света осветителя,

б - угол между оптической осью объектива и наиболее отклоняющимся лучом, попадающим в него,

n - коэффициент преломления среды.

Чем меньше длина волны луча, тем более мелкие детали мы сможем наблюдать через микроскоп. И чем выше нумерическая апертура объектива (n, тем выше разрешение объектива.

Световой микроскоп может повысить разрешающую способность человеческого глаза примерно в 1000 раз. Это является "полезным" увеличением микроскопа. При использовании видимой части спектра света конченый предел разрешения светового микроскопа составляет 0,2-0,3 мкм.

Однако следует отметить, что световая микроскопия позволяет нам увидеть частицы, меньшие предела разрешения. Это можно осуществить благодаря методу "Темного поля" или "Ультрамикроскопии".

Рис. 1 Световой микроскоп: 1 - штатив; 2 - предметный столик; 3 - насадка; 4 - окуляр; 5 - тубус; 6 - устройство смены объективов; 7 - микрообъектив; 8 - конденсор; 9 - механизм перемещения конденсора; 10 - коллектор; 11 - осветительная система; 12 - механизм фокусировки микроскопа.

Строение электронного микроскопа

Основная часть электронного микроскопа - полый вакуумный цилиндр (воздух откачан, чтобы исключить взаимодействие электронов с его составляющими и оксисления нити катода). Между катодом и анодом подаётся высокое напряжение, для дополнительного ускорения электронов. В конденсорной линзе(которая представляет собой электромагнит, как и все линзы электронного микроскопа) пучок электронов фокусируется и попадает на изучаемый объект. Прошедшие электроны, формируют на объективной линзе увеличенное первичное изображение, которое увеличивает проекционная линза, и проецируется на экран, который покрыт люминесцентным слоем для свечения при попадании на него электронов.

Рис. 2. Электронный микроскоп: 1 - электронная пушка; 2 - анод; 3 - катушка для юстировки пушки; 4 - клапан пушки; 5 - 1-я конденсорная линза; 6 - 2-я конденсорная линза; 7 - катушка для наклона пучка;8 - конденсор 2 диафрагмы; 9 - объективная линза; 10 - блок образца; 11 -дифракционная диафрагма; 12 - дифракционная линза; 13 - промежуточная линза; 14 - 1-я проекционная линза; 15 - 2-я проекционная линза; 16 - бинокуляр (увеличение 12); 17 - вакуумный блок колонны; 18 - камера для 35-миллиметровой катушечной пленки; 19 - экран для фокусировки; 20 - камера для пластинок; 21 - главный экран; 22 - ионный сорбционный насос.

Трансмиссионный электронный микроскоп – прибор для получения увеличенного изображения микроскопических предметов, в котором используются пучки электронов. Электронные микроскопы имеют большее разрешение по сравнению с оптическими микроскопами, кроме того они могут применяться также для получения дополнительной информации относительно материала и структуры объекта.
Первый электронный микроскоп был построен в 1931 году немецкими инженерами Эрнст Руска и Максом ствола. Эрнст Руска получил за это открытие Нобелевскую премию по физике в 1986 году. Он разделил ее с изобретателями туннельного микроскопа, поскольку Нобелевский комитет чувствовал, что изобретателей электронного микроскопа несправедливо забыли.
В электронном микроскопе для получения изображения используются фокусированные пучки электронов, которыми бомбардируется поверхность исследуемого объекта. Изображение можно наблюдать разными способами – в лучах, которые прошли через объект, в отраженных лучах, регистрируя вторичные электроны или рентгеновское излучение. Фокусировки пучка электронов с помощью специальных электронных линз.
Электронные микроскопы могут увеличивать изображение в 2 млн. раз. Высокое разрешение электронных микроскопов достигается за счет малой длины волны электрона. В то время как длина волны видимого света лежит в диапазоне от 400 до 800 нм, длина волны электрона, ускоренного в потенциале 150 В, составляет 0,1 нм. Таким образом, в электронные микроскопы можно практически рассматривать объекты размером с атом, хотя практически осуществить это трудно.
Схематическая строение электронного микроскопа Строение электронного микроскопа можно рассмотреть на примере прибора, работающего на пропускание. Монохроматический пучок электронов формируется в электронной пушке. Его характеристики улучшаются конденсорною системой, состоящей из конденсорнои диафрагмы и электронных линз. В зависимости от типа линз, магнитных или электростатических, различат магнитные и электростатические микроскопы. В дальнейшем пучок попадает на предмет, рассеиваясь на нем. Рассеянный пучок проходит через апертуру и попадает в объективную линзу, которая предназначена для растягивания изображения. Растянутый пучок электронов вызывает свечение люминофора на экране. В современных микроскопах используются несколько степеней увеличения.
Апертурная диафрагма объектива электронного микроскопа очень мала, составляет сотые доли миллиметра.
Если пучок электронов от объекта потраплае непосредственно на экран, то объект будет выглядеть на нем темным, а вокруг образовываться светлый фон. Такое изображение называется свитлопольним. Если же в апертуру объективной линзы попадает не основы пучок, а рассеянный, то образуется темнопольный изображения. Темнопольный изображение контрастнее, чем свитлопольне, но разрешение у него меньше.
Существует много различных типов и конструкций электронных микроскопов. Основными среди них являются:

Просвичуюючий электронный микроскоп – прибор, в котором электронный пучок просвечивает предмет насквозь.

Сканирующий просвичуюючий электронный микроскоп позволяет изучать отдельные участки объекта.

Сканирующий электронный микроскоп использует для исследования поверхности объекта, выбитые электронным пучком вторичные электроны.

Рефлекторный электронный микроскоп использует упруго-рассеянные электроны.

Электронный микроскоп можно, также, снарядить системой детектирования рентгеновских лучей, которые излучают сильно возбуждены, при столкновении с высокоэнергетическими електоронамы, атомы вещества. При выбивании электрона из внутренней электронных оболочек, образуется характеристическое рентгеновское излучение, исследуя которое можно установить химический состав материала.
Изучение спектра неупругие-рассеянных электронов позволяет получать информацию о характерных электронные возбуждения в материале исследуемого предмета.
Электронные микроскопы широко используются в физике, материаловедении, биологии.

Вчера сфотографировал белую Ауди. Получилось отличное фото audi сбоку. Жалко, что тюнинг на фотографии не видно.