Электронный микроскоп

прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 10⁶ раз) увеличенного изображения объектов, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30—100 кэв и более) в условиях глубокого вакуума. Физические основы корпускулярно-лучевых оптических приборов были заложены в 1834 (почти за сто лет до появления Э. м.) У. Р. Гамильтоном, установившим существование аналогии между прохождением световых лучей в оптически неоднородных средах и траекториями частиц в силовых полях. Целесообразность создания Э. м. стала очевидной после выдвижения в 1924 гипотезы о волнах де Бройля (См. Волны де Бройля), а технические предпосылки были созданы немецким физиком X. Бушем, который исследовал фокусирующие свойства осесимметричных полей и разработал магнитную электронную линзу (1926). В 1928 немецкие учёные М. Кнолль и Э. Руска приступили к созданию первого магнитного просвечивающего Э. м. (ПЭМ) и спустя три года получили изображение объекта, сформированное пучками электронов. В последующие годы (М. фон Арденне, Германия, 1938; В. К. Зворыкин, США, 1942) были построены первые растровые Э. м. (РЭМ), работающие по принципу сканирования (развёртывания), т. е. последовательного от точки к точке перемещения тонкого электронного пучка (зонда) по объекту. К середине 1960-х гг. РЭМ достигли высокого технического совершенства, и с этого времени началось их широкое применение в научных исследованиях. ПЭМ обладают самой высокой разрешающей способностью (См. Разрешающая способность)(PC), превосходя по этому параметру световые микроскопы в несколько тыс. раз. Т. н. предел разрешения, характеризующий способность прибора отобразить раздельно мелкие максимально близко расположенные детали объекта, у ПЭМ составляет 2—3 Å. При благоприятных условиях можно сфотографировать отдельные тяжёлые атомы. При фотографировании периодических структур, таких как атомные плоскости решёток кристаллов, удаётся реализовать разрешение менее 1 Å. Столь высокие разрешения достигаются благодаря чрезвычайно малой длине волны де Бройля электронов (см. Дифракция частиц).Оптимальным диафрагмированием [см. Диафрагма в электронной (и ионной) оптике] удаётся снизить сферическую аберрацию (См. Сферическая аберрация)объектива (влияющую на PC Э. м.) при достаточно малой дифракционной ошибке. Эффективных методов коррекции аберраций в Э. м. (см. Электронная и ионная оптика)не найдено. Поэтому в ПЭМ магнитные Электронные линзы (ЭЛ), обладающие меньшими аберрациями, полностью вытеснили электростатические ЭЛ. Выпускаются ПЭМ различного назначения. Их молено разделить на 3 группы: Э. м. высокого разрешения, упрощённые ПЭМ и Э. м. с повышенным ускоряющим напряжением.

ПЭМ с высокой разрешающей способностью (2—3 Å) — как правило, универсальные приборы многоцелевого назначения. С помощью дополнительных устройств и приставок в них можно наклонять объект в разных плоскостях на большие углы к оптической оси, нагревать, охлаждать, деформировать его, осуществлять Рентгеновский структурный анализ, исследования методами электронографии (См. Электронография)и пр. Ускоряющее электроны напряжение достигает 100—125 кв, регулируется ступенеобразно и отличается высокой стабильностью: за 1—3 мин оно изменяется не более чем на 1—2 миллионные доли от исходного значения. Изображение типичного ПЭМ описываемого типа приведено на рис. 1. В его оптической системе (колонне) с помощью специальной вакуумной системы создаётся глубокий вакуум (давление до 10^—6 мм рт. ст.). Схема оптической системы ПЭМ изображена на рис. 2. Пучок электронов, источником которых служит накалённый катод, (формируется в электронной пушке (См. Электронная пушка) и затем дважды фокусируется первым и вторым конденсорами, создающими на объекте электронное «пятно» малых размеров (при регулировке диаметр пятна может меняться от 1 до 20 мкм). После прохождения сквозь объект часть электронов рассеивается и задерживается апертурной диафрагмой. Нерассеянные электроны проходят через отверстие диафрагмы и фокусируются объективом в предметной плоскости промежуточной линзы. Здесь формируется первое увеличенное изображение. Последующие линзы создают второе, третье и т. д. изображения. Последняя проекционная линза формирует изображение на флуоресцирующем экране, который светится под воздействием электронов. Увеличение Э. м. равно произведению увеличений всех линз. Степень и характер рассеяния электронов неодинаковы в различных точках объекта, т. к. толщина, плотность и химический состав объекта меняются от точки к точке. Соответственно изменяется число электронов, задержанных апертурной диафрагмой после прохождения различных точек объекта, а следовательно, и плотность тока на изображении, которая преобразуется в световой контраст на экране. Под экраном располагается магазин с фотопластинками. При фотографировании экран убирается, и электроны воздействуют на фотоэмульсионный слой. Изображение фокусируется плавным изменением тока, возбуждающего магнитное поле объектива. Токи др. линз регулируют для изменения увеличения Э. м.

Упрощённые ПЭМ предназначены для исследований, в которых не требуется высокая PC. Они более просты по конструкции (включающей 1 конденсор и 2—3 линзы для увеличения изображения объекта), их отличают меньшее (обычно 60—80 кв) ускоряющее напряжение и более низкая его стабильность. PC этих приборов — от 6 до 15. Другие применения — предварительный просмотр объектов, рутинные исследования, учебные цели. Толщина объекта, которую можно «просветить» электронным пучком, зависит от ускоряющего напряжения. В 100-кв Э. м. изучают объекты толщиной от 10 до нескольких тыс. Å.

ПЭМ с повышенным ускоряющим напряжением (до 200 кв) предназначены для исследования более толстых объектов (в 2—3 раза толще), чем обычные ПЭМ. Их разрешающая способность достигает 3—5 Å. Эти приборы отличаются конструкцией электронной пушки: в ней для обеспечения электрической прочности и стабильности имеются два анода, на один из которых подаётся промежуточный потенциал, составляющий половину ускоряющего напряжения. Магнитодвижущая силалинз больше, чем в 100-кв ПЭМ, а сами линзы имеют увеличенные габариты и вес.

Сверхвысоковольтные Э. м. (СВЭМ) — крупногабаритные приборы (рис. 3) высотой от 5 до 15 м, с ускоряющим напряжением 0,5—0,65; 1—1,5 и 3 Мв. Для них строят специальные помещения. СВЭМ предназначены для исследования объектов толщиной до 1—10 мкм(10⁴—10⁶ Å). Электроны ускоряются в электростатическом ускорителе (т. н. ускорителе прямого действия), расположенном в баке, заполненном электроизоляционным газом под давлением. В том же или в дополнительном баке находится высоковольтный стабилизированный источник питания. Ведутся работы по созданию СВЭМ с линейным ускорителем, в котором электроны ускоряются до энергий 5—10 Мэв.При изучении тонких объектов PC СВЭМ ниже, чем у ПЭМ. В случае толстых объектов PC СВЭМ в 10—20 раз превосходит PC 100-кв ПЭМ.

Растровые Э. м. (РЭМ) с накаливаемым катодом предназначены для исследования массивных объектов с разрешением от 70 до 200 Å. Ускоряющее напряжение в РЭМ можно регулировать в пределах от 1 до 30—50 кв.

Устройство растрового Э. м. показано на рис. 4. При помощи 2 или 3 ЭЛ на поверхность образца фокусируется узкий электронный зонд. Магнитные отклоняющие катушки развёртывают зонд по заданной площади на объекте. При взаимодействии электронов зонда с объектом возникает несколько видов излучений (рис. 5) — вторичные и отражённые электроны; электроны, прошедшие сквозь объект (если он тонкий); рентгеновское Тормозное излучение и характеристическое излучение; световое излучение и т. д.

Любое из этих излучений может регистрироваться соответствующим коллектором, содержащим датчик, преобразующий излучение в электрические сигналы, которые после усиления подаются на электроннолучевую трубку (См. Электроннолучевая трубка) (ЭЛТ) и модулируют её пучок. Развёртка пучка ЭЛТ производится синхронно с развёрткой электронного зонда в РЭМ, и на экране ЭЛТ наблюдается увеличенное изображение объекта. Увеличение равно отношению высоты кадра на экране ЭЛТ к ширине сканируемой поверхности объекта. Фотографируют изображение непосредственно с экрана ЭЛТ. Основным достоинством РЭМ является высокая информативность прибора, обусловленная возможностью наблюдать изображение, используя сигналы различных датчиков. С помощью РЭМ можно исследовать микрорельеф, распределение химического состава по объекту, р—n-переходы, производить рентгеноструктурный анализ и многое другое. Образец обычно исследуется без предварительной подготовки. РЭМ находит применение и в технологических процессах (контроль дефектов микросхем и пр.). Высокая для РЭМ PC реализуется при формировании изображения с использованием вторичных электронов. Она определяется диаметром зоны, из которой эти электроны эмиттируются. Размер зоны в свою очередь зависит от диаметра зонда, свойств объекта, скорости электронов первичного пучка и т. д. При большой глубине проникновения первичных электронов вторичные процессы, развивающиеся во всех направлениях, увеличивают диаметр зоны и PC падает. Детектор вторичных электронов состоит из фотоэлектронного умножителя (См. Фотоэлектронный умножитель)(ФЭУ) и электронно-фотонного преобразователя, основным элементом которого является сцинтиллятор (См. Сцинтилляторы) с двумя электродами — вытягивающим в виде сетки, находящейся под положительным потенциалом (до нескольких сотен в), и ускоряющим; последний сообщает захваченным вторичным электронам энергию, необходимую для возбуждения сцинтиллятора. К ускоряющему электроду приложено напряжение около 10 кв; обычно он представляет собой алюминиевое покрытие на поверхности сцинтиллятора. Число вспышек сцинтиллятора пропорционально числу вторичных электронов, выбитых в данной точке объекта. После усиления в ФЭУ и в видеоусилителе сигнал модулирует пучок ЭЛТ. Величина сигнала зависит от топографии образца, наличия локальных электрических и магнитных микрополей, величины коэффициента вторичной электронной эмиссии (См. Вторичная электронная эмиссия), который в свою очередь зависит от химического состава образца в данной точке. Отражённые электроны регистрируются полупроводниковым (кремниевым) детектором. Контраст изображения обусловлен зависимостью коэффициента отражения от угла падения первичного пучка и атомного номера вещества. Разрешение изображения, получаемого «в отражённых электронах», ниже, чем получаемого с помощью вторичных электронов (иногда на порядок величины). Из-за прямолинейности полёта электронов к коллектору информация об отдельных участках, от которых нет прямого пути к коллектору, теряется (возникают тени). Характеристическое рентгеновское излучение выделяется или рентгеновским кристаллическим спектрометром или энергодисперсным датчиком — полупроводниковым детектором (обычно из чистого кремния, легированного литием). В первом случае рентгеновские кванты после отражения кристаллом спектрометра регистрируются газовым пропорциональным счётчиком (См. Пропорциональный счётчик), а во втором — сигнал, снимаемый с полупроводникового детектора, усиливается малошумящим усилителем (который для снижения шума охлаждается жидким азотом) и последующей системой усиления. Сигнал от кристаллического спектрометра модулирует пучок ЭЛТ, и на экране возникает картина распределения того или иного химического элемента по поверхности объекта. На РЭМ производят также локальный рентгеновский количественный анализ. Энергодисперсный детектор регистрирует все элементы от Na до U при высокой чувствительности. Кристаллический спектрометр с помощью набора кристаллов с различными межплоскостными расстояниями (см. Брэгга - Вульфа условие) перекрывает диапазон от Be до U. Существенный недостаток РЭМ — большая длительность процесса «снятия» информации при исследовании объектов. Сравнительно высокую PC можно получить, используя электронный зонд достаточно малого диаметра. Но при этом уменьшается сила тока зонда, вследствие чего резко возрастает влияние дробового эффекта (См. Дробовой эффект), снижающего отношение полезного сигнала к шуму. Чтобы отношение «сигнал/шум» не падало ниже заданного уровня, необходимо замедлить скорость сканирования для накопления в каждой точке объекта достаточно большого числа первичных электронов (и соответствующего количества вторичных). В результате высокая PC реализуется лишь при малых скоростях развёртки. Иногда один кадр формируется в течение 10—15 мин.

РЭМ с автоэмиссионной пушкой обладают высокой для РЭМ PC (до 30 Å). В автоэмиссионной пушке (как и в электронном проекторе (См. Электронный проектор)) используется катод в форме острия, у вершины которого возникает сильное электрическое поле, вырывающее электроны из катода (см. Туннельная эмиссия). Электронная яркость пушки с автоэмиссионным катодом в 10³—10₄ раз выше, чем пушки с накалённым катодом. Соответственно увеличивается ток электронного зонда. Поэтому в РЭМ с автоэмиссионной пушкой осуществляют быстрые развёртки, а диаметр зонда уменьшают для повышения PC. Однако автоэмиссионный катод работает устойчиво лишь при сверхвысоком вакууме (10^—9—10^—11 мм рт. ст.), и это усложняет конструкцию таких РЭМ и работу на них.

Просвечивающие растровые Э. м. (ПРЭМ)обладают столь же высокой PC, как и ПЭМ. В этих приборах применяются автоэмиссионные пушки, обеспечивающие достаточно большой ток в зонде диаметром до 2—3 Å. На рис. 6 приведено схематическое изображение ПРЭМ. Две магнитные линзы уменьшают диаметр зонда. Ниже объекта расположены детекторы — центральный и кольцевой. На первый попадают нерассеянные электроны, и после преобразования и усиления соответствующих сигналов на экране ЭЛТ появляется т. н. светлопольное изображение. На кольцевом детекторе собираются рассеянные электроны, создающие т. н. темнопольное изображение. В ПРЭМ можно исследовать более толстые объекты, чем в ПЭМ, т. к. возрастание числа неупруго рассеянных электронов с толщиной не влияет на разрешение (после объекта оптика в ПРЭМ отсутствует). С помощью анализатора энергии электроны, прошедшие сквозь объект, разделяются на упруго и неупруго рассеянные пучки. Каждый пучок попадает на свой детектор, и на ЭЛТ наблюдается соответствующее изображение, содержащее дополнительную информацию о рассеивающих свойствах объекта. Высокое разрешение в ПРЭМ достигается при медленных развёртках, т. к. в зонде диаметром всего 2—3 Å ток получается слишком малым.

Э. м. смешанного типа. Сочетание в одном приборепринципов формирования изображения с неподвижным пучком (как в ПЭМ) и сканирования тонкого зонда по объекту позволило реализовать в таком Э. м. преимущества ПЭМ, РЭМ и ПРЭМ. В настоящее время во всех ПЭМ предусмотрена возможность наблюдения объектов в растровом режиме (с помощью конденсорных линз и объектива, создающих уменьшенное изображение источника электронов, которое сканируется по объекту отклоняющими системами). Кроме изображения, сформированного неподвижным пучком, получают растровые изображения на экранах ЭЛТ с использованием прошедших и вторичных электронов, характеристические рентгеновские спектры и т. д. Оптическая система такого ПЭМ, расположенная после объекта, даёт возможность работать в режимах, неосуществимых в других приборах. Например, можно одновременно наблюдать электронограмму на экране ЭЛТ и изображение того же объекта на экране прибора.

Эмиссионные Э. м. создают изображение объекта в электронах, которые эмиттирует сам объект при нагревании, бомбардировке первичным пучком электронов, освещении и при наложении сильного электрического поля, вырывающего электроны из объекта. Эти приборы обычно имеют узкое целевое назначение.

Зеркальные Э. м. служат главным образом для визуализации электростатического «потенциального рельефа» и магнитных микрополей на поверхности объекта. Основным оптическим элементом прибора является Электронное зеркало, причём одним из электродов служит сам объект, который находится под небольшим отрицательным потенциалом относительно катода пушки. Электронный пучок направляется в зеркало и отражается полем в непосредственной близости от поверхности объекта. Зеркало формирует на экране изображение «в отражённых пучках». Микрополя возле поверхности объекта перераспределяют электроны отражённых пучков, создавая контраст на изображении, визуализирующий эти микрополя.

Перспективы развития Э. м. Повышение PC в изображениях непериодических объектов до 1 Å и более позволит регистрировать не только тяжёлые, но и лёгкие атомы и визуализировать органический мир на атомарном уровне. Для создания Э. м. с подобным разрешением повышают ускоряющее напряжение, разрабатывают ЭЛ с малыми аберрациями, в частности криогенные линзы, в которых используется эффект сверхпроводимости (См. Сверхпроводимость) при низких температурах, работают над созданием методов исправления аберраций ЭЛ и т. д. Исследование механизма формирования частотно-контрастных характеристик (См. Частотно-контрастная характеристика) изображения в Э. м. привело к разработке методов реконструкции изображения, которые осуществляются аналогично тому, как это делается в световой оптике, где подобные методы основаны на Фурье преобразованиях (См. Фурье преобразование), а соответствующие расчёты производятся на ЭВМ.

Лит.: Eighth international congress on electron microscopy, Canberra, 1974; Стоянов П. А., Мосеев В. В., Розоренова К. М., Ренский И. О., Электронный микроскоп предельного разрешения ЭМВ-100Л, «Изв. АН СССР. Сер. физическая», т. 34, 1970; Хокс П., Электронная оптика и электронная микроскопия, пер. с англ., М., 1974; Деркач В. П., Кияшко Г. Ф., Кухарчук М. С., Электронозондовые устройства, К., 1974; Стоянова И. Г., Анаскин И. Ф., Физические основы методов просвечивающей электронной микроскопии, М., 1972; Oatley С. W., The scanning electron microscope, Camb., 1972; Grivet P., Electron optics, 2 ed., Oxf., 1972.

П. А. Стоянов.

Рис. 1. Электронный микроскоп просвечивающего типа (ПЭМ): 1 — электронная пушка; 2 — конденсорные линзы; 3 — объектив; 4 — проекционные линзы; 5 — световой микроскоп, дополнительно увеличивающий изображение, наблюдаемое на экране: 6 — тубус со смотровыми окнами, через которые можно наблюдать изображение; 7 — высоковольтный кабель; 8 — вакуумная система; 9 — пульт управления; 10 — стенд; 11 — высоковольтное питающее устройство; 12 — источник питания линз.

Рис. 2. Оптическая схема ПЭМ. 1 — катод v-образной формы из вольфрамовой проволоки (разогревается проходящим по нему током до 2800 К); 2 — фокусирующий цилиндр; 3 — анод; 4 — первый (короткофокусный) конденсор, создающий уменьшенное изображение источника электронов; 5 — второй (длиннофокусный) конденсор, который переносит уменьшенное изображение источника электронов на объект; 6 — объект; 7 — апертурная диафрагма; 8 — объектив; 9, 10, 11 система проекционных линз; 12 — катодолюминесцентный экран, на котором формируется конечное изображение.

Рис. 3. Сверхвысоковольтный электронный микроскоп (СВЭМ): 1 — бак, в который накачивается электроизоляционный газ (элегаз) до давления 3—5 атм; 2 — электронная пушка; 3 — ускорительная трубка; 4 — конденсаторы высоковольтного источника; 5 — блок конденсорных линз; 6 — объектив; 7, 8, 9— проекционные линзы; 10 — световой микроскоп; 11 — пульт управления.

Рис. 4. Растровый электронный микроскоп (РЭМ): 1 - изолятор электронной пушки; 2 - накаливаемый V-образный катод; 3 - фокусирующий электрод; 4 - анод; 5 - блок двух конденсорных линз; 6 - диафрагма; 7 - двухъярусная отклоняющая система; 8 - объектив; 9 - диафрагма; 10 - объект; 11 - детектор вторичных электронов; 12 - кристаллический спектрометр; 13 - пропорциональный счётчик; 14 - предварительный усилитель; 15 - блок усиления: 16, 17 - аппаратура для регистрации рентгеновского излучения; 18 - блок усиления; 19 - блок регулировки увеличения; 20, 21 - блоки горизонтальной и вертикальной развёрток; 22, 23 - электроннолучевые трубки.

Рис. 5. Схема регистрации информации об объекте, получаемой в РЭМ. 1 — первичный пучок электронов; 2 — детектор вторичных электронов; 3 — детектор рентгеновского излучения; 4 — детектор отражённых электронов; 5 — детектор светового излучения; 6 — детектор прошедших электронов; 7 — прибор для измерения наведённого на объекте электрического потенциала; 8 — прибор для измерения тока прошедших через объект электронов; 9 — прибор для измерения тока поглощенных в объекте электронов.

Рис. 6. Принципиальная схема просвечивающего растрового электронного микроскопа (ПРЭМ): 1 — автоэмиссионный катод; 2 —промежуточный анод; 3 — анод; 4 — отклоняющая система для юстировки пучка; 5 — диафрагма «осветителя»; 6, 8 — отклоняющие системы для развертки электронного зонда; 7 — магнитная длиннофокусная линза; 9 — апертурная диафрагма; 10 — магнитный объектив; 11 — объект; 12, 14 — отклоняющие системы; 13 — кольцевой коллектор рассеянных электронов; 15 — коллектор нерассеянных электронов (убирается при работе со спектрометром); 16 — магнитный спектрометр, в котором электронные пучки поворачиваются магнитным полем на 90°; 17 — отклоняющая система для отбора электронов с различными потерями энергии; 18 — щель спектрометра; 19 — коллектор; ВЭ — поток вторичных электронов hν — рентгеновское излучение.

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП - прибор, в котором для получения увеличенного изображения используется электронный пучок. Разрешающая способность электронного микроскопа в сотни раз превышает разрешающую способность оптического микроскопа.

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП, вакуумный электронно-оптический прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, полученного с помощью пучков электронов, ускоренных до больших энергий. Разрешающая способность электронного микроскопа в несколько тысяч раз больше, чем у обычного оптического микроскопа; предел разрешения электронного микроскопа составляет ~0,01-0,1 нм.

electron microscope

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП

прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, в к-ром вместо световых лучей используются пучки эл-нов, ускоренных до больших энергий (30—100 кэВ и более) в условиях глубокого вакуума. Физ. основы электронно-оптич. приборов были заложены почти за сто лет до появления Э. м. ирл. матем. У. Р. Гамильтоном, установившим существование аналогии между прохождением световых лучей в оптически неоднородных средах и траекториями ч-ц в силовых полях. Целесообразность создания Э. м. стала очевидной после выдвижения в 1924 гипотезы о волнах де Бройля, а технич. предпосылки были созданы нем. физиком X. Бушем, к-рый исследовал фокусирующие св—ва осесимметричных полей и разработал магн. электронную линзу (1926). В 1928 нем. учёные М. Кнолль и Э. Руска приступили к созданию первого магн. просвечивающего Э. м. (ПЭМ) и спустя три года получили изображение объекта, сформированное пучками эл-нов. В дальнейшем (М. фон Арденне, Германия, 1938; В. К. Зворыкин, США, 1942) были построены первые растровые Э. м. (РЭМ), работающие по принципу сканирования (развёртывания), т. е. последовательного от точки к точке перемещения тонкого электронного пучка (зонда) по объекту. К сер. 1960-х гг. РЭМ достигли высокого технич. совершенства, и с этого времени началось их широкое применение в науч. исследованиях. ПЭМ обладают самой высокой разрешающей способностью (PC), превосходя по этому параметру световые микроскопы в неск. тысяч раз. Т. н. предел разрешения, характеризующий способность прибора отобразить раздельно мелкие, максимально близко расположенные детали объекта, у ПЭМ составляет 2—З A. При благоприятных условиях можно сфотографировать отд. тяжёлые атомы. При фотографировании периодич. структур, напр. кристаллографических, удаётся реализовать разрешение менее 1 А. Столь высокие разрешения достигаются благодаря чрезвычайно малой длине волны эл-нов (см. ДИФРАКЦИЯ МИКРОЧАСТИЦ). Оптимальным диафрагмированием (см. ДИАФРАГМА В ЭЛЕКТРОННОЙ И ИОННОЙ ОПТИКЕ) удаётся снижать сферич. аберрацию объектива, ухудшающую PC Э. м. Эфф. методов коррекции аберраций в Э. м. (см. ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА) не найдено. Поэтому в ПЭМ магн. электронные линзы (ЭЛ), обладающие меньшими аберрациями, полностью вытеснили электростатические. Выпускаемые ПЭМ можно разделить на три группы: Э. м. высокого разрешения, упрощённые ПЭМ и Э. м. с повышенным ускоряющим напряжением.

ПЭМ с высокой разрешающей способностью (2—3 A) — как правило, универсальные приборы многоцелевого назначения. С помощью дополнит. устройств и приставок в них можно наклонять объект в разных плоскостях на большие углы к оптич. оси, нагревать, охлаждать, деформировать его, осуществлять рентгеновский структурный анализ, электронографич. исследования (см. ЭЛЕКТРОНОГРАФИЯ) и др.

Рис. 1. Электронный микроскоп просвечивающего типа (ПЭМ): 1 электронная пушка; 2 — конденсорные линзы; a — линза объектива; 4 — проекц. линзы; 5 — световой микроскоп, дополнительно увеличивающий изображение, наблюдаемое на экране; 6 — тубус со смотровыми окнами; 7 — высоковольтный кабель; 8 — вакуумная система; 9 — пульт управления; 10 — стенд; 11 — высоковольтное питающее устройство; 12 — источник питания линз.

Ускоряющее эл-ны напряжение достигает 100 кВ, регулируется ступенеобразно и отличается высокой стабильностью: за 1—3 мин оно изменяется не более чем на 1 — 2 миллионные доли от исходного значения. Величина ускоряющего напряжения определяет толщину объекта, к-рую можно «просветить» электронным пучком. В 100-киловольтных Э. м. изучают объекты толщиной от 10 до неск. тыс. A.

Рис. 2. Оптич. схема ПЭМ: 1 — катод; 2 — фокусирующий цилиндр; 3 — анод; 4 — первый (короткофокусный) конденсор, создающий уменьшенное изображение источника эл-нов; 5 — второй (длиннофокусный) конденсор, к-рый переносит уменьшенное изображение источника эл-нов на объект; 6 — объект; 7 — апертурная диафрагма; 8 — объектив; 9, 10, 11 — система проекц. линз; 12 — катодолюминесцентный экран.

Изображение типичного ПЭМ с высокой PC приведено на рис. 1. В его оптич. системе (колонне) с помощью спец. вакуумной системы создаётся глубокий вакуум (давление до 10-6 мм рт. ст. (10-4 Па)). Схема оптич. системы ПЭМ изображена на рис. 2. Пучок эл-нов, источником к-рых служит накалённый катод 1, формируется в электронной пушке и затем дважды фокусируется первым 4 и вторым 5 конденсорами, создающими на объекте электронное «пятно» малых размеров (при регулировке диаметр пятна может меняться от 1 до 20 мкм). После прохождения сквозь объект 6 часть эл-нов рассеивается и задерживается апертурной диафрагмой 7. Нерассеянные эл-ны проходят через отверстие диафрагмы и фокусируются объективом 8 в предметной плоскости промежуточной линзы. Здесь формируется первое увеличенное изображение. Последующие линзы создают второе, третье и т. д. изображения. Последняя проекционная линза 11 формирует изображение на флуоресцирующем экране 12, который светится под воздействием электронов. Увеличение Э. м. равно произведению увеличений всех линз. Степень и характер рассеяния электронов неодинаковы в различных точках объекта, т. к. толщина, плотность и хим. состав объекта меняются от точки к точке. Соответственно изменяется число эл-нов, прошедших через апертурную диафрагму, а следовательно, и плотность тока на изображении. Возникает амплитудный контраст, к-рый преобразуется в световой контраст на экране. В случае тонких объектов превалирует фазовый контраст, вызываемый изменением фаз волн де Бройля, рассеянных в объекте и интерферирующих в плоскости изображения. Под экраном Э. м. расположен магазин с фотопластинками; при фотографировании экран убирается и эл-ны воздействуют на фотоэмульсионный слой. Изображение фокусируется плавным изменением тока, возбуждающего магн. поле объектива. Токи др. линз регулируют для изменения увеличения Э. м.

Упрощённые ПЭМ предназначены для науч. исследований, в к-рых не требуется высокая PC, а также при предварит. просмотрах объектов, в рутинных исследованиях, с учебной целью и т. п. Они более просты по конструкции (один конденсор и 2—3 линзы для увеличения изображения объекта), их отличают меньшее (60.— 80 кВ) ускоряющее напряжение и более низкая его стабильность. PC этих приборов — от 6 до 15 А.

ПЭМ с повышенным ускоряющим напряжением (до 200 кВ) предназначены для исследования более толстых объектов. Эти приборы отличаются конструкцией электронной пушки: в ней для обеспечения электрич. прочности и стабильности применяют высоковольтные ускорители с неск. ступенями ускорения. Магнитодвижущая сила линз больше, чем в 100-киловольтных ПЭМ, и сами линзы имеют увелич. габариты и вес.

Сверхвысоковольтные Э. м. (СВЭМ) —крупногабаритные приборы высотой от 5 до 15 м, с ускоряющим напряжением 0,5—0,65; 1—1,5 и 3 MB. Для них строят спец. помещения. СВЭМ предназначены для исследования объектов толщиной до 1—10 мкм (104—105 A). Эл-ны ускоряются в электростатич. ускорителе прямого действия (см. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ), расположенном в баке, заполненном электроизоляц. газом под давлением. Ведутся работы по созданию СВЭМ с линейным ускорителем, в к-ром эл-ны ускоряются до энергий выше 3 МэВ. В случае толстых объектов PC СВЭМ в 10—20 раз превосходит PC 100-киловольтных ПЭМ.

Растровые электронные микроскопы (РЭМ) с накаливаемым катодом предназначены для исследования массивных объектов с разрешением, существенно более низким, чем у ПЭМ,— от 50 до 200 A. Ускоряющее напряжение в РЭМ можно регулировать в пределах от 1 до 30—50 кВ. Устройство РЭМ показано на рис. 3. При помощи двух или трёх ЭЛ на поверхность образца фокусируется узкий электронный зонд. Магн. отклоняющие катушки развёртывают зонд по заданной площади на объекте. При вз-ствии эл-нов зонда с объектом возникает несколько видов излучений (рис. 4) — вторичные и отражённые эл-ны; эл-ны, прошедшие сквозь объект (если он тонкий); рентгеновское излучение (тормозное и характеристическое); световое излучение и т. д.

Рис. 3. Растровый электронный микроскоп (РЭМ): 1 — изолятор электронной пушки; 2 — накаливаемый V-образный катод; 3 — фокусирующий электрод; 4 — анод; 5 — конденсорные линзы; 6—диафрагма; 7—двухъярусная отклоняющая система; 8— объектив; 9 — диафрагма; 10 — объект; 11 — детектор вторичных эл-нов; 12 — крист. спектрометр; 13 — пропорциональный счётчик; 14 — предварительный усилитель; 15 —блок усиления; 16, 17 — аппаратура для регистрации рентг. излучения; 18 — блок усиления; 1» — блок регулировки увеличения; 20, 21 — блоки горизонтальной и вертикальной развёрток; 22, 23 — электронно-лучевые трубки.

Любое из этих излучений может регистрироваться соответствующим детектором, преобразующим излучение в электрич. сигналы, к-рые после усиления подаются на электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) и модулируют её пучок. Развёртка пучка ЭЛТ производится синхронно с развёрткой электронного зонда в РЭМ, и на экране ЭЛТ наблюдается увелич. изображение объекта (увеличение равно отношению высоты кадра на экране ЭЛТ к ширине сканируемой поверхности объекта). Фотографируют изображение непосредственно с экрана ЭЛТ. Осн. достоинством РЭМ явл. высокая информативность прибора, обусловленная возможностью наблюдать изображение, используя сигналы разл. детекторов. С помощью РЭМ можно исследовать микрорельеф, распределение хим. состава по объекту, р — n-переходы, производить рентг. структурный анализ и мн. др. РЭМ применяется и в технологич. процессах (контроль дефектов микросхем и пр.).

Рис. 4. Схема регистрации информации об объекте, получаемой в РЭМ: 1 — первичный пучок эл-нов; 2 — детектор вторичных эл-нов; 3 — детектор рентг. излучения; 4 — детектор отражённых эл-нов; 5 — детектор светового излучения; 6 — детектор прошедших эл-нов; 7 — прибор для измерения наведённого на объекте электрич. потенциала; 8 — прибор для регистрации тока прошедших через объект эл-нов; 9 — прибор для регистрации тока поглощённых в объекте эл-нов.

Высокая для РЭМ PC реализуется при формировании изображения с использованием вторичных эл-нов. Она находится в обратной зависимости от диаметра зоны, из к-рой эти эл-ны эмитируются. Размер зоны зависит от диаметра зонда, св-в объекта, скорости эл-нов первичного пучка и т. п. При большой глубине проникновения первичных эл-нов вторичные процессы, развивающиеся во всех направлениях, увеличивают диаметр зоны и PC падает. Детектор вторичных эл-нов состоит из фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и электронно-фотонного преобразователя, осн. элементом к-рого явл. сцинтиллятор. Число вспышек сцинтиллятора пропорционально числу вторичных эл-нов, выбитых в данной точке объекта. После усиления в ФЭУ и в видеоусилителе сигнал модулирует пучок ЭЛТ. Величина сигнала зависит от топографии образца, наличия локальных электрич. и магн. микрополей, величины коэфф. вторичной электронной эмиссии, к-рый, в свою очередь, зависит от хим. состава образца в данной точке.

Отражённые эл-ны улавливаются полупроводниковым (кремниевым) детектором. Контраст изображения обусловлен зависимостью коэфф. отражения от угла падения первичного пучка и ат. номера элемента. Разрешение в изображении, получаемом «в отражённых эл-нах», ниже, чем в получаемом с помощью вторичных эл-нов (иногда на порядок величины). Из-за прямолинейности полёта эл-нов к коллектору информация об отд. участках, от к-рых нет прямого пути к коллектору, теряется (возникают тени).

Рентг. характеристич. излучение выделяется или рентг. крист. спектрометром (см. СПЕКТРАЛЬНАЯ АППАРАТУРА РЕНТГЕНОВСКАЯ), или энергодисперсным датчиком — ПП детектором (обычно из чистого кремния, легированного Li). В первом случае рентг. кванты после отражения кристаллом спектрометра регистрируются газовым пропорциональным счётчиком, а во втором — сигнал, снимаемый с ПП пластины, усиливается малошумящей системой усиления. Сигнал модулирует пучок ЭЛТ, и на экране возникает картина распределения того или иного хим. элемента по поверхности объекта. На РЭМ производят локальный рентг. количеств. анализ: регистрируют число импульсов рентг. квантов от участка, на к-ром остановлен зонд, и сравнивают это число с эталонным (см. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕНТГЕНОВСКИЙ). Энергодисперсный датчик регистрирует все элементы от Na до U при высокой чувствительности. Крист. спектрометр с набором кристаллов с разл. межплоскостными расстояниями (см. БРЭГГА — ВУЛЬФА УСЛОВИЕ) может идентифицировать элементы от Be до U. Существ. недостаток РЭМ — большая длительность процесса «снятия» информации при исследовании объектов. Сравнительно высокую PC можно получить, используя электронный зонд достаточно малого диаметра. Но при этом уменьшается сила тока зонда, вследствие чего резко возрастает влияние дробового эффекта, снижающего отношение полезного сигнала к шуму. Чтобы отношение сигнал/шум не падало ниже заданного уровня, необходимо замедлить скорость сканирования для накопления в каждой точке объекта достаточно большого числа первичных эл-нов (и соответств. кол-ва вторичных). В результате высокая PC реализуется лишь при малых скоростях развёртки. Иногда один кадр формируется в течение 10—15 мин. РЭМ с автоэмиссионной пушкой обладают высокой для РЭМ PC (до 30 А). В автоэмиссионной пушке (как и в электронном проекторе) используется катод в форме острия, у вершины к-рого возникает сильное электрич. поле, вырывающее эл-ны из катода (см. АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ). Электронная яркость пушки с автоэмиссионным катодом в 103—104 раз выше, чем яркость пушки с накалённым катодом. Соответственно увеличивается ток электронного зонда. Поэтому в РЭМ с автоэмиссионной пушкой осуществляют быстрые развёртки, а диаметр зонда уменьшают для повышения PC. Однако автоэмиссионный катод работает устойчиво лишь при сверхвысоком вакууме (10-7—10-9 Па), что усложняет конструкцию таких РЭМ.

Просвечивающие растровые Э. м. (ПРЭМ) обладают столь же высокой PC, как и ПЭМ. В этих приборах применяются автоэмиссионные пушки, обеспечивающие достаточно большой ток в зонде малого диаметра (2—3 A). Диаметр зонда уменьшают две магн. линзы (рис. 5). Ниже объекта расположены детекторы — центральный и кольцевой. На первый попадают нерассеянные эл-ны, и после преобразования и усиления соответств. сигналов на экране ЭЛТ появляется т. н. светлопольное изображение. На кольцевом детекторе собираются рассеянные эл-ны, создающие т. н. темнопольное изображение. В ПРЭМ можно исследовать более толстые объекты, чем в ПЭМ, т. к. возрастание числа неупруго рассеянных эл-нов с толщиной не влияет на разрешение (после объекта оптика в ПРЭМ отсутствует). С помощью анализатора энергии эл-ны, прошедшие сквозь объект, разделяются на упруго и неупруго рассеянные пучки. Каждый пучок попадает на свой детектор, и на ЭЛТ наблюдается соответств. изображение, содержащее дополнит. информацию о рассеивающих свойствах объекта. Высокое разрешение в ПРЭМ достигается при медленных развёртках, т. к. в зонде диаметром всего 2—3 A ток получается слишком малым.

Рис. 5. Принципиальная схема просвечивающего растрового электронного микроскопа (ПРЭМ): 1— автозмиссионный катод; 2 — промежуточный анод; 3 — анод; 4 — отклоняющая Система для юстировки пучка; 5 - диафрагма «осветителя»; 6, 8 — отклоняющие системы для развёртки электронного зонда; 7 — магн. длиннофокусная линза; 9 — апертурная диафрагма; 10 — магн. объектив; 11 — объект; 12, 14 — отклоняющие системы; 13 — кольцевой коллектор рассеянных эл-нов; 15 — коллектор нерассеянных эл-нов; 1в — магн. спектрометр; 17 — отклоняющая система для отбора эл-нов с разл. потерями энергии; 18 — щель спектрометра; 19 — коллектор; ВЭ — вторичные эл-ны; hn — рентг. излучение.

Э. м. для аналитических исследований. Сочетание в одном приборе принципов формирования изображения с неподвижным пучком (как в ПЭМ) и сканирования тонкого зонда по объекту позволило реализовать в таком Э. м. преимущества ПЭМ, РЭМ и ПРЭМ и обеспечить проведение широкого круга аналитич. исследований. В наст. время во многих ПЭМ предусмотрена возможность наблюдения объектов в растровом режиме (с помощью конденсорных линз и объектива, создающих уменьшенное изображение источника эл-нов, к-рое сканируется по объекту отклоняющими системами). Кроме изображения с неподвижным пучком на экране Э. м., получают растровые изображения на экранах ЭЛТ с использованием прошедших и вторичных эл-нов, характеристич. рентг. спектры и т. д. Оптич. система такого ПЭМ, расположенная после объекта, даёт возможность работать в режимах, неосуществимых в других приборах.

Эмиссионные Э. м. создают изображение объекта эл-нами, к-рые эмитирует сам объект при нагревании, бомбардировке первичным пучком эл-нов, освещении и при наложении сильного электрич. поля, вырывающего эл-ны из объекта. Эти приборы обычно имеют узкое целевое назначение.

Зеркальные Э. м. служат гл. обр. для визуализации электростатич. «потенциального рельефа» и магн. микрополей на поверхности объекта. Осн. электронно-оптич. элементом прибора явл. электронное зеркало, причём одним из электродов служит сам объект, к-рый находится под небольшим отрицат. потенциалом относительно катода пушки. Электронный пучок направляется в зеркало и отражается полем в непосредств. близости от поверхности объекта. Зеркало формирует на экране изображение «в отражённых пучках». Микрополя возле поверхности объекта перераспределяют эл-ны отражённых пучков, создавая контраст на изображении, визуализирующий эти микрополя.

Перспективы развития Э. м. Повышение PC в изображениях непериодич. объектов до 1 A и более позволит регистрировать не только тяжёлые, но и лёгкие атомы и визуализировать органич. мир на атомарном уровне. Для создания Э. м. с подобным разрешением повышают ускоряющее напряжение, разрабатывают ЭЛ с малыми аберрациями, в частности криогенные линзы, в к-рых используется эффект сверхпроводимости при низких темп-рах, разрабатывают методы исправления аберраций ЭЛ и т. д. Исследование механизма формирования частотно-контрастных характеристик изображения в Э. м. привело к разработке методов улучшения и реконструкции изображения, к-рые осуществляются аналогично тому, как это делается в световой оптике, где подобные методы основаны на фурье-преобразованиях, а соответств. расчёты производятся на ЭВМ.

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП

- прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 10⁶ раз) увеличенного изображения объекта, в к-ром вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30-1000 кэВ и более) в условиях глубокого вакуума. Физ. основы корпускулярно-лучевых оптич. приборов были заложены в 1827, 1834-35 (почти за сто лет до появления Э. м.) У. P. Гамильтоном (W. R. Gamil-ton), установившим существование аналогии между прохождением световых лучей в оптически неоднородных средах и траекториями частиц в силовых полях. Целесообразность создания Э. м. стала очевидной после выдвижения в 1924 гипотезы о волнах де Бройля, а техн. предпосылки были созданы X. Бушем (H. Busch), к-рый в 1926 исследовал фокусирующие свойства осесимметричных полей и разработал магн. электронную линзу. В 1928 M. Кнолль (M. Knoll) и E. Руска (E. Ruska) приступили к созданию первого магн. просвечивающего Э. м. (ПЭМ) и спустя три года получили изображение объекта, сформированное пучками электронов. В последующие годы [M. фон Арденне (M. von Ardenne), 1938; В. К. Зворыкин, США, 1942] были построены первые растровые Э. м. (РЭМ), работающие на принципе сканирования, т. е. последовательного от точки к точке перемещения тонкого электронного пучка (зонда) по объекту. К сер. 1960-х гг. РЭМ достигли высокого техн. совершенства, и с этого времени началось их широкое применение в науч. исследованиях. ПЭМ обладают самой высокой разрешающей способностью, превосходя по этому параметру световые микроскопы в неск. тысяч раз. П р ед е л р а з р е ш е н и я, характеризующий способность прибора отобразить раздельно две максимально близко расположенные детали объекта, у ПЭМ составляет 0,15- 0,3 HM, т. е. достигает уровня, позволяющего наблюдать атомарную и молекулярную структуру исследуемых объектов. Столь высокие разрешения достигаются благодаря чрезвычайно малой длине волны электронов. Линзы Э. м. обладают аберрациями, эффективных методов коррекции к-рых не найдено в отличие от светового микроскопа (см. Электронная и ионная оптика). Поэтому в ПЭМ магн. электронные линзы (ЭЛ), у к-рых аберрации на порядок величины меньше, полностью вытеснили электростатические. Оптимальным диафрагмированием (см. Диафрагма в э л е к т р о н н о й и и о н н о й о п т и к е) удаётся снизить сферич. аберрацию объектива, влияющую

на разрешающую способность Э. м. Находящиеся в эксплуатации ПЭМ можно разделить на три группы: Э. м. высокого разрешения, упрощённые ПЭМ и уникальные сверхвысо-коврльтные Э. м.

ПЭМ с высокой разрешающей способностью (0,15- 0,3 нм) - универсальные приборы многоцелевого назначения. Используются для наблюдения изображения объектов в светлом и тёмном поле, изучения их структуры электро-нографич. методом (см. Электронография), проведения локального количеств. спектрального анализа при помощи спектрометра энергетич. потерь электронов и рентгеновских кристаллич. и полупроводникового спектрометров и получения спектроскопич. изображения объектов с помощью фильтра, отсеивающего электроны с энергиями вне заданного энергетич. окна. Потери энергии электронов, пропущенных фильтром и формирующих изображение, вызываются присутствием в объекте какого-то одного хим. элемента. Поэтому контраст участков, в к-рых присутствует этот элемент, возрастает. Перемещением окна по энергетич. спектру получают распределения разл. элементов, содержащихся в объекте. Фильтр используется также в качестве монохроматора для повышения разрешающей способности Э. м. при исследовании объектов большой толщины, увеличивающих разброс электронов по энергиям и (как следствие) хроматическую аберрацию.

С помощью дополнит. устройств и приставок изучаемый в ПЭМ объект можно наклонять в разных плоскостях на большие углы к оптич. оси, нагревать, охлаждать, деформировать. Ускоряющее электроны напряжение в высокоразрешающих Э. м. составляет 100-400 кВ, оно регулируется ступенчато и отличается высокой стабильностью: за 1 - 3 мин не допускается изменение его величины более чем на (1-2)·10^-6 от исходного значения. От ускоряющего напряжения зависит толшина объекта, которую можно "просветить" электронным пучком. В 100-киловольтных Э. м. изучают объекты толщиной от 1 до неск. десятков нм.

Схематически ПЭМ описываемого типа приведён на рис. 1. В его электронно-оптич. системе (колонне) с помощью вакуумной системы создаётся глубокий вакуум (давление до ~10^-5 Па). Схема электронно-оптич. системы ПЭМ представлена на рис. 2. Пучок электронов, источником к-рых служит термокатод, формируется в электронной пушке и высоковольтном ускорителе и затем дважды фокусируется первым и вторым конденсорами, создающими на объекте электронное "пятно" малых размеров (при регулировке диаметр пятна может меняться от 1 до 20 мкм). После прохождения сквозь объект часть электронов рассеивается и задерживается апертурной диафрагмой. Нерассеянные электроны проходят через отверстие диафрагмы и фокусируются объективом в предметной плоскости промежуточной электронной линзы. Здесь формируется первое увеличенное изображение. Последующие линзы создают второе, третье и т. д. изображения. Последняя - проекционная - линза формирует изображение на катодолюминесцентном экране, который светится под воздействием электронов. Степень и характер рассеяния электронов неодинаковы в различных точках объекта, т. к. толщина, плотность, структура и хим. состав объекта меняются от точки к точке. Соответственно изменяется число электронов, прошедших через апертурную диафрагму, а следовательно, и плотность тока на изображении. Возникает амплитудный контраст, к-рый преобразуется в световой контраст на экране. В случае тонких объектов превалирует фазовый контраст, вызываемый изменением фаз волн де Бройля, рассеянных в объекте и интерферирующих в плоскости изображения. Под экраном Э. м. расположен магазин с фотопластинками, при фотографировании экран убирается и электроны воздействуют на фотоэмульсионный слой. Изображение фокусируется объективной линзой с помощью плавной регулировки тока, изменяющей её магн. поле. Токами др. электронных линз регулируется увеличение Э. м., к-рое равно произведению увеличений всех линз. При больших увеличениях яркость свечения экрана становится недостаточной и изображение наблюдают с помощью усилителя яркости. Для анализа изображения производятся аналогово-цифровое преобразование содержащейся в нём информации и обработка на компьютере. Усиленное и обработанное по заданной программе изображение выводится на экран компьютера и при необходимости вводится в запоминающее устройство.

Рис. 1. Электронный микроскоп просвечивающего типа (ПЭМ): 1 -электронная пушка с ускорителем; 2-конден сорные линзы; 3- объективная линза; 4 - проекционные линзы; 5 -световой микроскоп, дополнительно увели чивающий изображение, наблюдаемое на экране; б- ту бус со смотровыми окнами, через которые можно наблю дать изображение; 7 -высоковольтный кабель; 8- вакуумная система; 9- пульт управления; 10- стенд; 11 - высоковольтное питающее устройство; 12- источник питания линз.

Рис.2. Электронно-оптическая схема ПЭМ: 1 -катод; 2 - фокусирующий цилиндр; 3- ускоритель; 4- пер вый (короткофокусный) конденсор, создающий уменьшенное изображение источника электронов; 5 - второй (длиннофокусный) конденсор, который переносит уменьшенное изображение источника электронов на объект; 6- объект; 7 -апертурная диа фрагма объектива; 8- объектив; 9, 10, 11- система проекционных линз; 12- катодолюминесцентный экран.

Упрощённые ПЭМ предназначены для науч. исследований, в к-рых не требуется высокая разрешающая способность. Их используют также для предварит. просмотра объектов, рутинной работы и в учебных целях. Эти приборы просты по конструкции (один конденсор, 2-3 электронные линзы для увеличения изображения объекта), имеют меньшее (60-100 кВ) ускоряющее напряжение и более низкую стабильность высокого напряжения и токов линз. Их разрешающая способность 0,5-0,7 нм.

Сверхвысоковольтные Э. м. (СВЭМ) - приборы с ускоряющим напряжением от 1 до 3,5 MB - представляют собой крупногабаритные сооружения высотой от 5 до 15 м. Для них оборудуют спец. помещения или строят отдельные здания, являющиеся составной частью комплекса СВЭМ. Первые СВЭМ предназначались для исследования объектов большой (1 -10 мкм) толщины, при к-рой сохраняются свойства массивного твёрдого тела. Из-за сильного влияния хроматич. аберраций разрешающая способность таких Э. м. снижается. Однако по сравнению со 100-киловольтными Э. м. разрешение изображения толстых объектов в СВЭМ в 10-20 раз выше. Так как энергия электронов в СВЭМ больше, то длина их волны меньше, чем в ПЭМ высокого разрешения. Поэтому после решения сложных техн. проблем (на это ушло не одно десятилетие) и реализации высокой виброустойчивости, надёжной виброизоляции и достаточной механич. и электрич. стабильности на СВЭМ была достигнута самая высокая (0,13- 0,17 нм) для просвечивающих Э. м. разрешающая способность, позволившая фотографировать изображения атомарных структур. Однако сферич. аберрация и дефокусировка объектива искажают изображения, полученные с предельным разрешением, и мешают получению достоверной информации. Этот информационнный барьер преодолевается с помощью фокальных серий изображений, к-рые получают при разл. дефокусировке объектива. Параллельно для тех же дефокусировок проводят моделирование изучаемой атомарной структуры на компьютере. Сравнение фокальных серий с сериями модельных изображений помогает расшифровать микрофотографии атомарных структур, сделанные на СВЭМ с предельным разрешением. На рис. 3 представлена схема СВЭМ, размещённого в спец. здании. Осн. узлы прибора объединены в единый комплекс с помощью платформы, к-рая подвешена к потолку на четырёх цепях и амортизационных пружинах. Сверху на платформе находятся два бака, наполненные электроизоляционным газом под давлением 3-5 атм. В один из них помещён высоковольтный генератор, в другой- электростатич. ускоритель электронов с электронной пушкой. Оба бака соединены патрубком, через к-рый высокое напряжение от генератора передаётся на ускоритель. Снизу к баку с ускорителем примыкает электронно-оптич. колонна, расположенная в нижней части здания, защищённой перекрытием от рентг. излучения, возникающего в ускорителе. Все перечисленные узлы образуют жёсткую конструкцию, обладающую свойствами физ. маятника с большим (до 7 с) периодом собств. колебаний, к-рые гасятся жидкостными демпферами. Маятниковая система подвески обеспечивает эффективную изоляцию СВЭМ от внеш. вибраций. Управление прибором производится с пульта, находящегося около колонны. Устройство линз, колонны и др. узлов прибора подобно соответствующим устройствам ПЭМ и отличается от них большими габаритами и весом.

Рис. 3. Сверхвысоковольтный электронный микроскоп (СВЭМ): 1-виброизолирующая платформа; 2-цепи, на которых висит платформа; 3 - амортизирующие пружины; 4-баки, в которых находятся генератор вы сокого напряжения и ускоритель электронов с электрон ной пушкой; 5-электронно-оптическая колонна; 6- перекрытие, разделяющее здание СВЭМ на верхний и нижний залы и защищающее персонал, работающий нижнем зале, от рентгеновского излучения; 7 - пульт управления микроскопом.

Растровые Э. м. (РЭМ) с термоэмиссионной пушкой - самый распространённый тип приборов в электронной микроскопии. В них применяются вольфрамовые и гексабо-рид-лантановые термокатоды. Разрешающая способность РЭМ зависит от электронной яркости пушки и в приборах рассматриваемого класса составляет 5-10 нм. Ускоряющее напряжение регулируется в пределах от 1 до 30- 50 кВ. Устройство РЭМ показано на рис. 4. При помощи двух или трёх электронных линз на поверхность образца фокусируется узкий электронный зонд. Магн. отклоняющие катушки развёртывают зонд по заданной площади на объекте. При взаимодействии электронов зонда с объектом возникает несколько видов излучений (рис. 5): вторичные и отражённые электроны; оже-электроны; рентгеновское тормозное излучение и характеристическое излучение (см. Характеристический спектр); световое излучение и т. д. Любое из излучений, токи электронов, прошедших сквозь объект (если он тонкий) и поглощённых в объекте, а также напряжение, наведённое на объекте, могут регистрироваться соответствующими детекторами, преобразующими эти излучения, токи и напряжения в электрич. сигналы, к-рые после усиления подаются на электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) и модулируют её пучок. Развёртка пучка ЭЛТ производится синхронно с развёрткой электронного зонда в РЭМ, и на экране ЭЛТ наблюдается увеличенное изображение объекта. Увеличение равно отношению размера кадра на экране ЭЛТ к соответствующему размеру на сканируемой поверхности объекта. Фотографируют изображение непосредственно с экрана ЭЛТ. Осн. достоинство РЭМ - высокая информативность прибора, обусловленная возможностью наблюдать изображения, используя сигналы разл. детекторов. С помощью РЭМ можно исследовать микрорельеф, распределение хим. состава по объекту, p-n -переходы, производить рентг. спектральный анализ и др. РЭМ широко применяются и в технол. процессах (контроль в электронно-литог-рафич. технологиях, проверка и выявление дефектов в микросхемах, метрология микроизделий и др.).

Рис. 4. Схема растрового электронного микроскопа (РЭМ): 1 - изолятор электронной пушки; 2-V -образ ный термокатод; 3 - фокусирующий электрод; 4- анод; 5 - конденсорные линзы; 6 - диафрагма; 7- двухъярусная отклоняющая система; 8- объектив; 9- апертурная диафрагма объектива; 10- объект; 11 -детектор вторичных электронов; 12- кристал лический спектрометр; 13 - пропорциональный счётчик; 14 - предварительный усилитель; 15 - блок усиления; 16, 17- аппаратура для регистрации рентгеновского излучения; 18 - блок усиления; 19 - блок регулировки увеличения; 20, 21 - блоки гори зонтальной и вертикальной развёрток; 22, 23- элек тронно-лучевые трубки.

Рис. 5. Схема регистрации информации об объекте, получаемой в РЭМ; 1-первичный пучок электронов; 2-детектор вторичных электронов; 3-детектор рент геновского излучения; 4-детектор отражённых элект ронов; 5-детектор оже-электронов; 6-детектор све тового излучения; 7 - детектор прошедших электро нов; 8 - схема для регистрации тока прошедших через объект электронов; 9-схема для регистрации тока поглощённых в объекте электронов; 10-схема для ре гистрации наведённого на объекте электрического потенциала.

Высокая разрешающая способность РЭМ реализуется при формировании изображения с использованием вторичных электронов. Она находится в обратной зависимости от диаметра зоны, из к-рой эти электроны эмитируются. Размер зоны зависит от диаметра зонда, свойств объекта, скорости электронов первичного пучка и т. д. При большой глубине проникновения первичных электронов вторичные процессы, развивающиеся во всех направлениях, увеличивают диаметр зоны и разрешающая способность падает. Детектор вторичных электронов состоит из фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и электронно-фотонного преобразователя, осн. элементом к-рого является сцинтил-лятор. Число вспышек сцинтиллятора пропорционально числу вторичных электронов, выбитых в данной точке объекта. После усиления в ФЭУ и в видеоусилителе сигнал модулирует пучок ЭЛТ. Величина сигнала зависит от топографии образца, наличия локальных электрич. и магн. микрополей, величины коэф. вторичной электронной эмиссии, к-рый, в свою очередь, зависит от хим. состава образца в данной точке.

Отражённые электроны улавливаются полупроводниковым детектором с p - n -переходом. Контраст изображения обусловлен зависимостью коэф. отражения от угла падения первичного пучка в данной точке объекта и от ат. номера вещества. Разрешение изображения, получаемого в "отражённых электронах", ниже, чем получаемого с помощью вторичных электронов (иногда на порядок величины). Из-за прямолинейности полёта электронов информация об отд. участках объекта, от к-рых прямого пути к детектору нет, теряется (возникают тени). Для устранения потерь информации, а также для формирования изображения рельефа образца, на к-рое не влияет его элементный состав и, наоборот, для формирования картины распределения хим. элементов в объекте, на к-рую не влияет его рельеф, в РЭМ применяется детекторная система, состоящая из неск. размещённых вокруг объекта детекторов, сигналы к-рых вычитаются один из другого или суммируются, а результирующий сигнал после усиления подаётся на модулятор ЭЛТ.

Рентг. характеристич. излучение регистрируется кри-сталлич. (волноводисперсным) или полупроводниковым (энергодисперсным) спектрометрами, к-рые взаимно дополняют друг друга. В первом случае рентг. излучение после отражения кристаллом спектрометра попадает в газовый пропорциональный счётчик, а во втором - рентг. кванты возбуждают сигналы в полупроводниковом охлаждаемом (для снижения шума) детекторе из кремния, легированного литием, или из германия. После усиления сигналы спектрометров могут быть поданы на модулятор ЭЛТ и на её экране возникнет картина распределения того или иного хим. элемента по поверхности объекта.

На РЭМ, оснащённом рентг. спектрометрами, производят локальный количеств. анализ: регистрируют число импульсов, возбуждаемых рентг. квантами от участка, на к-ром остановлен электронный зонд. Кристаллич. спектрометр с помощью набора кристаллов-анализаторов с разл. межплоскостными расстояниями (см. Брэгга-Вульфа условие )дискриминирует с высоким спектр. разрешением характеристич. спектр по длинам волн, перекрывая диапазон элементов от Be до U. Полупроводниковый спектрометр дискриминирует рентг. кванты по их энергиям и регистрирует одновременно все элементы от В (или С) до U. Его спектральное разрешение ниже, чем у кристаллич. спектрометра, но выше чувствительность. Имеются и др. преимущества: быстрая выдача информации, простая конструкция, высокие эксплуатационные характеристики.

Растровые оже-Э. м. (РОЭМ)-приборы, в к-рых при сканировании электронного зонда детектируются оже-электроны из глубины объекта не более 0,1-2 нм. При такой глубине зона выхода оже-электронов не увеличивается (в отличие от электронов вторичной эмиссии) и разрешение прибора зависит только от диаметра зонда. Прибор работает при сверхвысоком вакууме (10^-7-10^-8 Па). Его ускоряющее напряжение ок. 10 кВ. На рис. 6 представлено устройство РОЭМ. Электронная пушка состоит из гексаборид-лантанового или вольфрамового термокатода, работающего в режиме Шоттки, и трёхэлектродной электростатич. линзы. Электронный зонд фокусируется этой линзой и магн. объективом, в фокальной плоскости к-рого находится объект. Сбор оже-электронов производится с помощью цилиндрич. зеркального анализатора энергий, внутренний электрод к-рого охватывает корпус объектива, а внешний примыкает к объекту. С помощью анализатора, дискриминирующего оже-электроны по энергиям, исследуется распределение хим. элементов в поверхностном слое объекта с субмикронным разрешением. Для исследования глубинных слоев прибор оснащается ионной пушкой, при помощи к-рой удаляются верхние слои объекта методом ионно-лучевого травления.

Рис. б. Схема растрового оже-электронного микроскопа (РОЭМ): 1 - ионный насос; 2- катод; 3 - трёхэлектродная электростатическая линза; 4-многоканальный детектор; 5-апертурная диафрагма объектива; 6-двухъярусная отклоняющая система для развёртки электронного зонда; 7-объектив; 8- наружный электрод цилиндрического зеркального анализатора; 9-объект.

РЭМ с автоэмиссионной пушкой обладают высокой разрешающей способностью (до 2-3 нм). В автоэмиссионной пушке используется катод в форме острия, у вершины к-рого возникает сильное элекгрич. поле, вырывающее электроны из катода ( автоэлектронная эмиссия). Электронная яркость пушки с автоэмиссионным катодом в 10³-10⁴ раз выше яркости пушки с термокатодом. Соответственно увеличивается ток электронного зонда. Поэтому в РЭМ с автоэмиссионной пушкой осуществляют наряду с медленной быструю развёртку, а диаметр зонда уменьшают для повышения разрешающей способности. Однако автоэмиссионный катод работает устойчиво лишь при сверхвысоком вакууме (10^-7-10^-9 Па), что усложняет конструкцию и эксплуатацию таких РЭМ.

Просвечивающие растровые Э. м. (ПРЭМ) обладают столь же высокой разрешающей способностью, как и ПЭМ. В этих приборах применяются автоэмиссионные пушки, работающие в условиях сверхвысокого вакуума (до 10^-8 Па), обеспечивающие достаточный ток в зонде малого диаметра (0,2-0,3 нм). Диаметр зонда уменьшают две магн. линзы (рис. 7). Ниже объекта расположены детекторы - центральный и кольцевой. На первый попадают нерассеянные электроны, и после преобразования и усиления соответствующих сигналов на экране ЭЛТ появляется светлопольное изображение. На кольцевом детекторе собираются рассеянные электроны, создающие темнополь-ное изображение. В ПРЭМ можно исследовать более толстые объекты, чем в ПЭМ, т. к. возрастание числа неупруго рассеянных электронов с толщиной не влияет на разрешение (после объекта электронная оптика для формирования изображения отсутствует). С помощью анализатора энергии электроны, прошедшие сквозь объект, разделяются на упруго и неупруго рассеянные пучки. Каждый пучок попадает на свой детектор, и на ЭЛТ наблюдаются соответствующие изображения, содержащие дополнит. информацию об элементном составе объекта. Высокое разрешение в ПРЭМ достигается при медленных развёртках, т. к. в зонде диаметром всего 0,2-0,3 нм ток получается малым. ПРЭМ оснащаются всеми используемыми в электронной микроскопии устройствами для аналитич. исследований объектов, и в частности спектрометрами энерге-тич. потерь электронов, рентг. спектрометрами, сложными системами детектирования прошедших, обратно рассеянных и вторичных электронов, выделяющих группы электронов, рассеянных на разл. углы, имеющих разл. энергию и т. п. Приборы комплектуются ЭВМ для комплексной обработки поступающей информации.

Рис. 7. Принципиальная схема просвечивающего растро вого электронного микроскопа (ПРЭМ): 1-автоэмис сионный катод; 2-промежуточный анод; 3- анод; 4- диафрагма "осветителя"; 5-магнитная линза; 6-двухъ ярусная отклоняющая система для развёртки электрон ного зонда; 7-магнитный объектив; 8 - апертурная диафрагма объектива; 9 -объект; 10 - отклоняющая система; 11 - кольцевой детектор рассеянных электронов; 12 -детектор нерассеянных электронов (удаляется при работе магнитного спектрометра); 13 - магнитный спектрометр; 14-отклоняющая система для отбора электронов с различными потерями энергии; 15 - щель спектрометра; 16-детектор спектрометра; ВЭ-вторич ные электроны; hv- рентгеновское излучение.

Эмиссионные Э. м. создают изображение объекта электронами, к-рые эмитирует сам объект при нагревании, бомбардировке первичным пучком электронов, под действием эл.-магн. излучения и при наложении сильного электрич. поля, вырывающего электроны из объекта. Эти приборы обычно имеют узкое целевое назначение (см. Электронный проектор).

Зеркальные Э. м. служат гл. обр. для визуализации элек-тростатич. "потенциальных рельефов" и магн. микрополей на поверхности объекта. Осн. электронно-оптич. элементом прибора является электронное зеркало, причём одним из электродов служит сам объект, к-рый находится под небольшим отрицат. потенциалом относительно катода пушки. Электронный пучок направляется в электронное зеркало и отражается полем в непосредственной близости от поверхности объекта. Зеркало формирует на экране изображение "в отражённых пучках": микрополя возле поверхности объекта перераспределяют электроны отражённых пучков, создавая контраст в изображении, визуа-лизирующий эти микрополя.

Перспективы развития Э. м. Совершенствование Э. м. с целью увеличения объёма получаемой информации, проводившееся многие годы, продолжится и в дальнейшем, а улучшение параметров приборов, и прежде всего повышение разрешающей способности, останется главной задачей. Работы по созданию электронно-оптич. систем с малыми аберрациями пока не привели к реальному повышению разрешения Э. м. Это относится к не-осесимметричным системам коррекции аберраций, криогенной оптике, к линзам с корректирующим пространств. зарядом в приосевой области и др. Поиски и исследования в указанных направлениях ведутся. Продолжаются поисковые работы по созданию электронных гологра-фич. систем, в т. ч. и с коррекцией частотно-контрастных характеристик линз. Миниатюризация электростатич. линз и систем с использованием достижений микро- и на-нотехнологий также будет способствовать решению проблемы создания электронной оптики с малыми аберрациями.

Лит.: Практическая растровая электронная микроскопия, под ред. Д. Гоулдстейна, X. Яковица, пер. с англ., M., 1978; Спенс Д., Экспериментальная электронная микроскопия высокого разрешения, пер. с англ., M., 1986; Стоянов П. А., Электронный микроскоп СВЭМ-1, "Известия АН СССР, сер. физ.", 1988, т. 52, № 7, с. 1429; Хокс П., Каспер Э., Основы электронной оптики, пер. с англ.,т. 1-2, M., 1993; Oechsner H., Scanning auger microscopy, Le Vide, les Couches Minces, 1994, t. 50, № 271, p. 141; McMul-lan D., Scanning electron microscopy 1928-1965, "Scanning", 1995, t. 17, № 3, c. 175. П. А. Стоянов.