Устройство и принцип работы растрового электронного микроскопа

Первая линза – конденсор даёт промежуточное уменьшенное изображение кроссовера, которое затем перебрасывается в плоскость образца второй линзой – объективом.

Перед зазором конденсора и после него установлены 2 ограничивающие диафрагмы, которые предотвращают попадание пучка на стенки внутренних каналов полюсных наконечников и отклоняющей системы.

Между конденсором и объективом установлена отклоняющая система и стигматор, намотанные на общем каркасе.

Стигматор предназначен для исправления астигматизма объективной линзы, который вызывается неоднородностью материала линзы, неточностями изготовления или загрязнения, возникшими в процессе работы. Эти причины обуславливают искажения формы пятна на образце, (вместо круглого, оно становится эллиптическим), что приводит к размазыванию деталей изображения в определенном направлении.

При изменении тока объектива вблизи положения точной фокусировки (перефокусировка – недофокусировка) происходит поворот эллипса на 90°, соответствующий поворот направления размытия деталей на изображении.

Коррекция астигматизма объектива производится путем предварительного искажения формы пучка; входящую в объективную линзу. Для этого служат катушки электромагнитного стигматора. Стигматор состоит из 8 катушек, разделенных на две электрические независимые секции. Каждая секция состоит из соединенных последовательно четырех катушек, намотанных на общем каркасе. Катушки включены таким образом, что поля противоположных катушек направлены навстречу друг другу (рисунок 1.6).

Результирующее поле подобной конфигурации вызывает сжатие электронного пучка в одном направлении и растягивание его в одном направлении и растягивание в противоположном, при изменении направлении тока в одной из секций катушек на противоположное происходит поворот эллипса на 90°. Оси катушек одной секции стигматора сдвинуты относительно другой на 45°, что позволяет путем независимого изменения величины и направления токов в секциях регулировать величину и направление вносимой эллиптичности пучка перед объективом.

На общем каркасе со стигматором ближе к зазору объектива намотана отклоняющая система развертки, состоящая из строчных и кадровых отклоняющих катушек, оси которых взаимно перпендкулярны.

Объективная линза отображает промежуточное изображение источника на образце. При регулировки тока объектива производится фокусировка пятна на образце, следовательно, и фокусировка изображения. В зазоре объектива установлена юстируемая апертурная диафрагма, которая определяет апертуру электронного пучка на образце. При уменьшении диаметра этой диафрагмы апертура уменьшается; вместе с тем снижаются и аберрации объектива, которые пропорциональны апертуре пучка.

Уменьшение апертуры вызывает также увеличение глубины резкости изображения, но при уменьшении диаметра диафрагмы происходит также снижение тока зонда на образце и понижение контраста изображения. Поэтому диаметр апертурной диафрагмы выбирается обычно в пределах 0,5 – 1,0 мм в зависимости от конкретных условий работы.

Разрешающая способность растрового микроскопа определяется в основном диаметром зонда на образце. При этом предполагается, что ток пучка еще достаточен для формирования видеосигнала. Диаметр зонда на образце складывается из уменьшенного линзами диаметра источника и кружков размытия, вызванных аберрациями оптики. В растровых микроскопах среднего разрешения наиболее существенной является сферическая аберрация объективной линзы, пропорциональная кубу апертуры пучка на образце. Существенно снизить сферическую аберрацию можно путём значительного уменьшения коэффициента сферической аберрации, что происходит при помещении исследуемого образца в пределы немагнитного зазора объективной линзы. Возможность помещения образца в немагнитный зазор объектива является отличительной особенностью микроскопа.

Наиболее высокое разрешение наблюдается в том случае, когда образец помещается вблизи середины немагнитного зазора объектива. К сожалению, в этом случае происходит некоторое снижение глубины резкости, поэтому положение образца приходится подбирать в зависимости от конкретных условий работы и вида образцов

Диаметр канала полюсных наконечников объектива выбран достаточно большим (30 мм) для того, чтобы большинство практически встречающихся образцов можно было вводить в пределы немагнитного зазора.

Объектив, в котором образец может помещаться в область сильного магнитного поля, называется объективом высокого возбуждения или магнитным иммерсионным объективом.

При помещении образца в магнитное поле отбор вторичных электронов с него на коллектор становится невозможным. Поэтому установка образца в зазор возможна только в режиме поглощения электронов.

Для работы в режиме вторичных электронов в объектив вставляется полюсный наконечник с малым диаметром канала.

С развертывающего устройства ВКУ отклоняющие токи пилообразной формы поступают на кадровые и строчные катушки отклоняющей системы, разворачивая электронный зонд в телевизионный растр на поверхности образца.

Для образования идеального растра на поверхности объекта и экране кинескопа необходимо, чтобы:

а) движение луча вдоль каждой строки происходило с постоянной скоростью;

б) расстояние между строками были одинаковыми;

в) все строки по длине были равны между собой.

Кроме того, необходимо, чтобы совпадали моменты начала и конца строк растров на объекте и приемной трубке (кинескопе). Требования постоянства скорости движения луча и сохранения одинаковых расстояний между сроками диктуется тем, что только в этом случае четкость изображения и яркость свечения экрана будут постоянны по всему полю. Требования равенства длины всех строк обуславливается тем, что растр должен иметь прямоугольную форму.

В точке встречи электронного зонда с исследуемым образцом возникают вторичные, отраженные, поглощенные и прошедшие насквозь электроны (при исследовании тонких пленок прозрачных для электронов). Любой из этих токов можно собрать на коллектор и использовать в качестве полезного видеосигнала. Сигнал с коллектора поступает в телевизионный видеоусилительный тракт, где производится его усиление, коррекция и введение в видеоусилитель различных импульсных сигналов. Сформированный телевизионный сигнал модулирует приёмной электронно-лучевой трубки (кинескопа) по яркости и на экране воспроизводится увеличенное изображение поверхности исследуемого объекта.

Увеличение изображения равно отношению размеров растров на экране кинескопа и поверхности исследуемого объекта.

Наиболее простым режимом работы растрового микроскопа является получение видеосигнала в поглощенных электронах. Предельное разрешение для этого режима 0,5 мкм. Для достижения предельного разрешения образец помещается в середину магнитного поля объектива. При этом диаметр зонда на образце достигает минимума. Так как снятие видеосигнала происходит непосредственно с образца, то образец подключается к входу высокочувствительного видиоусилителя. Поэтому образец должен быть хорошо изолирован, экранирован и иметь минимальную емкость относительно корпуса. Кроме того, на образец подается постоянный потенциал отрицательной полярности для улучшения отбора с образца вторичных электронов. Образование видеосигнала происходит следующим образом:

При взаимодействии первичного пучка  (рисунок 1.7) с образцом возникает вторичный эмиссионный ток - , образуя напряжение видеосигнала. Сопротивление нагрузки выбирается порядка 50100 кОм. Отсюда понятны требования минимальной ёмкости образца относительно корпуса, ибо эта ёмкость шунтирует сопротивление нагрузки. При снятии сигнала с образца в образовании сигнала участвует все уходящие с образца вторичные электроны независимо от направления их начальных скоростей. Постоянный потенциал на образце подбирается в зависимости от материала исследуемого образца и его положение относительно поверхности наконечника объектива. Наилучшее разрешение достигается при симметричном расположении образца относительно поверхности наконечника объектива. Как уже говорилось выше, для достижения предельного разрешения объект необходимо помещать в магнитное поле объективной линзы, при этом объективный отрезок становится очень малым (при этом минимальным становится коэффициент сферической аберрации), а апертурной угол пучка на объективе сравнительно большим. Поэтому глубина резкости изображения на приборе в режиме поглощенных электронов получается небольшой и лежит в пределах 13 мкм.

Вторым режимом работы микроскопа является получение изображения за счет вторичных – эмиссионного тока с образца.

Предельное разрешение для этого режима 0,6 мкм.

В канал объективной линзы необходимо внести полюсный наконечник с отверстием в канале 4 мм.

Вторичные электроны, имеющие энергию 050 эВ, выходят из приповерхностных атомных слоев и поэтому несут богатую информацию, о состоянии поверхности объекта.

При развертки электронного зонда по поверхности образца, причиной изменения величины сигнала от точки к точке может быть изменение угла между падающим электронным лучом и перпендикуляром к поверхности образца в точке падения электронного луча.

i = k·secθ

При изменении угла θ от точки к точке, меняется расстояние выхода вторичных электронов до поверхности, а, следовательно, и количество вышедших электронов.

Процесс формирования изображения в растровом электронном микроскопе (особенно в режиме вторичных электронов) во многом аналогичен формированию изображения при наблюдении объектов простым глазом в световой микроскоп. В растровом микроскопе исследуемый образец облучается пучком с малой апертурой, а сигнал отбирается в широком угле (коллектор обладает слабой направленностью). При визуальном наблюдении объект обычно освещается в широком угле (рассеянное освещение), а наблюдение производится в пределах малой апертуры (глаз). Подобная аналогия обуславливает сходство изображений при визуальном наблюдении и при наблюдении в растровый микроскоп, а также облегчает интерпретацию изображения в растровом микроскопе.

Получение видеосигнала в режиме вторичных электронов происходит следующим образом.

При взаимодействии первичного пучка  (рисунок 1.8) с образцом возникает вторичная эмиссия, ток . Образец при этом находится нулевым потенциалом. Вторичные электроны с поверхности образца отбираются и регистрируются сцинтилляционным коллектором. Сцинтилляционный коллектор включает в себя:

а) вытягивающий электрод;

б) ускоряющий электрод;

в) сцинтиллятор;

г) светопровод;

д) фотоэлектронный умножитель ФЭУ – 68.

Вытягивающий электрод предоставляет собой сетку с шагом порядка 2 мм и помещается в камере образцов на некотором расстоянии от оси пучка. На него подаётся положительный потенциал порядка 350 вольт. Отобранные вторичные электроны, пройдя сетку, попадают в поле действия ускоряющего электрода, где они разгоняются до скоростей порядка 10 кэВ и, попадая на сцинтиллятор, вызывают его свечение. По светопроводу свет поступает на ФЭУ, с выхода которого сигнал подаётся на усилитель. Полярность видеосигнала при снятии сигнала с образца и её сцинтилляционного коллектора противоположны, так как вторично-эмиссионный ток  и разностный ток  в этих случаях противоположны по величине.

1.3 Устройство и работа составных частей микроскопа

1.3.1 Общая компоновка микроскопа

Микроскоп растровый электронный низковольтный РЭМН – 2У4.1 представляет собой моноблочную конструкцию, которая объединяет:

1. Колонну;

2. Вакуумную систему;

3. Электропитающее устройство;

4. Видеоконтрольное устройство (ВКУ);

5. Стенд.

1.3.2 Колонна (рисунок 1.9)

Колонна РЭМН – 2 представляет собой электронно-оптическую систему, предназначенную для формирования на поверхности исследуемого объекта электронного зонда, от диаметра которого зависит разрешаемое расстояние микроскопа.

Колонна микроскопа состоит из:

источника электронов (11);

вакуумопровада (4), (8);

анодного узла (15,17,18);

линзы электронной (19);

камеры образцов (3).

Вакуумная герметичность соединений корпусов обеспечивается резиновыми уплотнителями (5,12,14).

Источник электронов (11) может перемещаться по отношению к аноду (15) в горизонтальной плоскости в пределах 1,5 мм при помощи винтов без нарушения вакуума в колоне.

Расстояние между анодом и управляющим электродом регулируется в пределах 0,53 мм перемещением анода (15) по оси Z в разгерметизированной колонне при помощи резьбового соединения гайки (18) и анода (15).

В анодный узел входит люминесцентный экран (17) с отверстием диаметром 2 мм, выполняющим роль ограничивающей диафрагмы

Экран (17) служит для визуального контроля через окно (13) юстировки источника электронов.

Вакуумопровод (4) и (8) служит для откачки внутреннего объёма источника электронов, и конструктивно он состоит из 2-х частей. Верхний (8) подсоединяется к источнику электронов, нижний (4) к камере (3).Герметичность вакуумных соединений обеспечивается резиновыми уплотнителями (2,7,10) при помощи гайки (9) и винта (1).В конструкцию верхнего вакуумопровода (8) входит: два сильфоны, распорный винт, гайку (6).

Силофоны и распорный винт между ними образуют вакуумный компенсатор. При наличии вакуума внутри объема колонны, силы атмосферы стремятся сжать нижний сильфон, одновременно силы атмосферы сжимают также верхний сильфон. Ввиду того, что сильфоны связаны между собой распорным винтом равнодействующая сила оказывается равной нулю.

1.3.3 Источник электронов (рисунок 1.10)

Основной частью источника является катодный узел (5,6,7,8,9,10,11)

Катодный узел состоит из:

Управляющего электрода (8);

Катода (9);

Держателей катода (7);

Держателей управляющего электрода (6);

Катодом служит вольфрамовая нить ø 0,1 мм (9), приваренная к держателям (7). Управляющий электрод (8) имеет возможность перемещаться относительно катода.

1.3.4 Электронная линза

Конструктивно электронная линза (рисунок 1.11) выполнена в виде блока линз с общим наружным магнитопроводом.

Конденсорная линза работает со вставным полюсным наконечником (S=2 мм, D=4 мм). Объективная линза снабжается вставным полюсным наконечником только при работе в режиме вторичных электронов.

При работе в режиме поглощенных электронов образец вводится в середину немагнитного зазора объектива, поэтому внутренний накал имеет большой диаметр (S=12 мм, D=30 мм). Объективная линза снабжена стигматором (3).

Для развертки электронного зонда в телевизионный растр в канале объективной линзы установлена отклоняющая система (2). Конструктивно стигматор и отклоняющая система выполнены в виде цельного блочка, который крепится на вставном полюсном наконечнике конденсорной линзы.

В средней плоскости немагнитного зазора объективной линзы установлена апертурная диафрагма, которая может меняться и юстироваться под пучком без нарушения вакуума в колонне с помощью наружного механизма. Конструктивно набор апертурных диафрагм выполнена одной тонкой пластинке (10).

Размеры диафрагм следующие: 0,2;0,3:0,4 мм.

1.3.5 Наконечник полюсный с катушками (рисунок 1.12)

Конструктивно полюсный наконечник конденсорной линзы соединен блочком стигматор (3) – отклоняющая система (2) с помощью резьбового соединения. В канале полюсного наконечник установлены две ограничивающие диафрагмы

Первая ограничивающая диафрагма (5) размером 0,5мм размещена сверху, вторая ограничивающая диафрагма (4) размером 0,8 мм размещена снизу.

В нижнем торце каркаса отклоняющей системы установлена 3-я ограничивающая диафрагма (1) размером 0,5 мм.

Во внутреннем канале блочка стигматор – отклоняющая система установлен экран из материала с высоким удельным сопротивлением.

1.3.6 Камера объектов

Камера объектов (рисунок 1.13) состоит из следующих узлов:

- корпуса 12;

- столика для перемещения объекта (10);

- юстировочного устройства (19), (15);

- камеры шлюзования (14);

- сцинтилляционного коллектора (6,7,8,9);

- предварительного видеоусилителя (3).

Столик (10) предназначен для установки одного из объектодержателей (11) (рисунок 1.14,1.15) и перемещения его совместно с объектом. При помощи имеющихся механизмов объект может получить следующие движения:

перемещение вдоль осей X и Y на 5 мм при Z=0-40 мм, мм при Z более 40 мм

подъём вдоль оси Z на 50 мм

наклон относительно оси Z на +24..0..-10.

Камера шлюзования включает в себя: шток для захвата объекта и введение его в объектодержатель, заслонку для отсекания камеры шлюзования от колонны прибора, клапан для включения камеры шлюзования в форвакуумную линию.

Сцинтилляционный коллектор служит приёмником вторичных и отраженных электронов. Он установлен постоянно на левой стенке корпуса камеры в верхней части. Конструктивно он состоит из двух частей: вакуумной и не вакуумной

В вакуумном объёме камеры находится: вытягивающий электрод (сетка) (9),ускоряющий электрод (6), сцинтиллятор (8) и светопровод (7).

Вне вакуума находится фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с делителем питания, который конструктивно входит в видеоуситель предварительный (3).

Блок предварительного видеоусителя (рисунок 1.16) крепится слева на задней скошенной стенке камеры объектов. В конструкцию блока входит фотоэлектронный умножитель ФЭУ – 68.

1.3.7 Состав электропитания

Электропитающее устройство включает:

- Щит распределительный

- Пульт управления

- Блок вакуумной блокировки

- Индикатор вакуума

- Блок питания пушки

- Стабилизатор (питания линз)

- Блок питания

- Стабилизатор (питания стигматоров)

- Стабилизатор напряжения С-0,5

Электропитающее устройство обеспечивает необходимые токи и напряжения для питания всех узлов прибора от сети переменного трёхфазного тока с фазным напряжением 220 В (линейное напряжение 380 В) частотой 50 Гц.

Блоки электропитания в основном функционально независимы. Исключение составляют щит распределительный, пульт управления и блок вакуумной блокировки, которые образуют каналы: Канал питания переменным напряжением 220 В, канал. Передние панели выдвижных блоков в совокупности образуют лицевую панель прибора. Расположение блоков в стенде прибора приведено на рисунке 1.17.

1.3.8 Контрольно-измерительные приборы

Для контроля работы блоков электропитания, проведения измерений, а также для выявления неисправностей используются приборы:

миллиамперметр М4200, 500мА;

миллиамперметр М4200, 5мА;

миллиамперметр Ц4200, 300мА;

вольтметр М4200, 75В;

комбинированный прибор Ц4341

Миллиамперметр М4200, 500мА используется для измерения тока линз. Миллиамперметр 4200, 5мА используется для измерения тока нагрузки высоковольтного выпрямителя стабилизатора ускоряющего напряжения. Миллиамперметр Ц4200,300мА используется для контроля тока накала катода источника электронов путём измерения тока первичной обмотки трансформатора накала. Вольтметр М4200,75В используется для контроля выходного напряжения источника напряжения ±50В блока питания.

1.3.9 Прибор индикатора вакуума

В качестве измерителя используется микроамперметр М24-18, напряжение полного отклонения 8,2мв, внутреннее сопротивление не более 60 Ом, класс точности 2,5. Внутри прибора имеется добавочный резистор для увеличения напряжения полного отклонения до 10мВ.

Прибор совместно со схемой позволяет контролировать ток накала ПМГ-2 и ток эмиссии ПМИ-2.

1.3.10 Видеоконтрольное устройство

Видеоконтрольное устройство (ВКУ) предназначено для формирования и воспроизведения телевизионного изображения исследуемой поверхности на экране электроннолучевой трубки (кинескопа), ВКУ выполнено на базе прикладной телевизионной установки ПТУ–29 – 1 – 2 с контурными измерениями для растрового микроскопа.

В состав ВКУ входят следующие узлы и блоки:

а) блок комбинированный;

б) блок видеконрольного устройства ВК – 23;

в) видеоусилитель предварительный;

г) блок регулировки усиления;

д) приспособлен для фотографирования.

1.3.11 Блок комбинированный

Блок комбинированный предназначен для усиления и формирования телевизионного сигнала. Он изготавливается на базе телевизионной камеры КТП – 39 от установки ПТУ 29 – 1 – 2 .

В состав блока входят следующие узлы:

а) видеоуситель УВ – 66;

б) синхрогенератор БГС – 20;

в) генератор строчной развертки ГР – 42;

г) генератор кадровой развертки ГР – 43;

д) блок фильтров БФ – 2;

е) трансформатор;

ж) узел автоматической регулировки режима АРР – 1.

Видеосигнал с предварительного видеоусилителя поступает на видеоусилитель УВ – 66, где усиливается до величины 11,5 в и формируется: в него замешиваются импульсы синхронизации разверток приёмного устройства и импульсы гашения луча приёмной трубки.

Синхрогенератор БГС – 20 вырабатывает все необходимые для нормальной работы ВКУ сигналы синхронизации, гашения и импульсы привязки.

Формирование пилообразного тока в строчных и кадровых отклоняющих катушках колонны осуществляется генераторами ГР – 42 и ГР – 43. Запуск этих генераторов производится синхроимпульсами, поступающими от синхрогенератора.

1.3.12 Блок видеоконтрольного устройства ВК – 23

Видеоконтрольное устройство ВК – 23 предназначено для воспроизведения телевизионного изображения поверхности исследуемого объекта на экране электроннолучевой трубки (кинескопа).

Страницы: 1, 2, 3