Что такое СЭМ?

Что такое сканирующий электронный микроскоп?

Внешний вид типичного СЭМ.jpg

Рисунок 1. Внешний вид типичного сканирующего электронного микроскопа.

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) — это многофункциональное оборудование, которое далеко выходит за рамки устройства для получения увеличенных изображений. На рис. 1 фото типичного сканирующего электронного микроскопа, который состоит из электронно-оптической колонны, блока электроники и управляющего компьютера (иногда колонна и блок электроники объединены). У всех современных СЭМ изображения формируются сразу в цифровом формате, окуляров нет.

Сравнение: оптика, СЭМ, ПЭМ

Рисунок 2. Типичные изображения: а - оптического микроскопа; б - сканирующего электронного микроскопа; в - просвечивающего электронного микроскопа.

Сравнение СЭМ с другими распространёнными микроскопическими техниками условно можно представить себе следующим образом, рис. 2: а) оптическая микроскопия — цветные снимки при малых и средних увеличениях; б) сканирующая электронная микроскопия — чёрно-белые снимки при малых, средних и больших увеличениях, объекты на снимках выглядят объёмными; в) просвечивающая электронная микроскопия — чёрно-белые снимки при больших и очень больших увеличениях, объекты на снимках выглядят плоскими.

В колонне СЭМ есть, сверху вниз: электронная пушка, где формируется пучок электронов; набор электромагнитных катушек, которые этот пучок фокусируют; камера образцов, где размещаются образцы. В наименовании СЭМ есть слово «сканирующий», потому что при построении СЭМ-изображений тонко сфокусированный пучок электронов сканирует поверхность образца, т.е. закрашивает образец точку за точкой. СЭМ-изображение формируется вслед за движением электронного пучка последовательно во времени, пиксель за пикселем. Для сравнения, фотографирование на фотоплёнку — это параллельный способ формирования изображения, потому что все зёрна фотоплёнки засвечиваются одновременно. Чем меньше диаметр электронного пучка, тем лучшего пространственного разрешения СЭМ можно добиться. Типичный диаметр электронного пучка < 10 нм, хотя эта величина сильно зависит от конструкции и настроек СЭМ.

При взаимодействии сфокусированного электронного пучка с поверхностью образца генерируется множество ответных сигналов, как то: электроны различных энергий и углов разлёта, характеристическое и тормозное рентгеновское излучение, иногда наведённый ток и излучение в оптическом диапазоне. Каждый тип сигнала особенно чувствителен к определённому свойству образца, для регистрации каждого типа сигнала нужна своя конструкция детектора. Свойства образца, наблюдение которых возможно в СЭМ, это: топография поверхности образца, композиционный контраст, состав микрокомпонентов, ориентационный контраст, а также более тонкие особенности, которые труднее выявить, такие как различия в проводимости, в магнитных свойствах, наличие дефектов кристаллической структуры, наличие микропримесей.

Принцип построения изображения в СЭМ

Рисунок 3. Общий принцип формирования электронного изображения в сканирующем электронном микроскопе на примере работы некоего условного детектора.

Разновидностей ответных сигналов много и детекторов для их регистрации много, но общий принцип построения СЭМ-изображений один (рис. 3). Пусть пучок электронов закрашивает на образце площадку размера l, и синхронно с этим на экране монитора строится изображение размера L, для построения изображения выбран какой-либо СЭМ-детектор из доступного набора детекторов (назовём его детектор «1»). Яркость в градациях серого на получающемся изображении «1» пропорциональна уровню сигнала «типа 1» от соответствующей точки образца. Например, на рис. 3 первый пиксель изображения L получился тёмным, это значит, что детектор «1» диагностировал слабый сигнал «типа 1» от данной точки образца. Перейдя к следующим точкам поверхности образца, пучок электронов возбудит более сильный ответный сигнал «типа 1» от этих точек, и это найдёт отражение в более светлых оттенках соответствующих пикселей СЭМ-изображения «1». Отсюда ясно, почему изображения со сканирующего электронного микроскопа чёрно-белые (если только к ним не применили цифрового псевдоокрашивания), ведь шкала яркостей в градациях серого используется для модуляции ответного сигнала, поступающего на СЭМ-детектор. Способ построения СЭМ-изображений может показаться сложным и необычным, но при этом, как правило, СЭМ-изображения легко интерпретируются, объекты на них выглядят вполне узнаваемо.

Самые распространённые детекторы сканирующего электронного микроскопа

Теперь пусть СЭМ-детекторы перестанут быть безликими, пусть они из абстрактных детекторов «1», «2», «3» … превратятся в детекторы с конкретными наименованиями и соответствующим перечнем регистрируемых свойств образца. Три самых распространённых СЭМ-детектора, которые вы встретите в подавляющем большинстве сканирующих электронных микроскопов — это:

детектор вторичных электронов SE (secondary electrons). Сигнал вторичных электронов чувствителен к рельефу поверхности образца, поэтому SE-детектор используют тогда, когда изучают морфологию поверхности (рис. 4). Например, SE-детектор нужен для наблюдения биологических образцов, изломов, пор и шероховатостей поверхности, для понимания общего вида образцов;

Пример SE

Рисунок 4. Пример изображения во вторичных электронах (SE). Сталь, строчечные включения сульфида марганца на поверхности излома

детектор обратно отражённых электронов BSE (back scattered electrons), другое название «детектор обратно рассеянных электронов». Сигнал отражённых электронов чувствителен к композиционному контрасту, т.е. компоненты образца, имеющие разный состав, будут иметь разные оттенки в градациях серого на BSE-изображениях (рис. 5). Это позволяет визуализировать разницу в составах между составляющими образца;

Пример BSE

Рисунок 5. Пример изображения в отраженных электронах (BSE). Полутонкий эпоксидный срез биологического материала на предметном стекле

энергодисперсионный спектрометр ЭДС, латинские аббревиатуры EDS и EDX (energy dispersive spectroscopy). Это следующий шаг после визуализации разницы в составах на BSE-снимках, а именно: определение этих составов. Детектор EDS позволяет определять элементный состав микровключений и микрочастиц. Подчеркнём, что анализируется именно элементный состав, а не химический, молекулярный, минеральный, изотопный или какой-либо ещё. На рис. 6 приведён пример локального анализа составов с помощью детектора EDS, в качестве подложки использовано изображение с детектора обратно отражённых электронов. Предел обнаружения у EDS-детектора составляет величину < 0.1% масс. Точнее, предел обнаружения зависит от того, какой элемент в матрице каких элементов анализируется. Так, для азота предел обнаружения ~ 0.1% масс., а для кобальта 0.03 – 0.05% масс. Отметим, что есть методы анализа химического состава, предел обнаружения которых не в пример точнее, чем у детектора EDS, но эти методы, как правило, определяют средний состав навески. А детектор EDS определяет составы локально, по отдельности для каждого микрокомпонента образца, что иногда бывает важнее, чем точность анализа. Например, с помощью EDS-детектора можно установить, из каких элементов состоит неметаллическое включение в очаге излома. Определяется состав того участка образца, куда в данный момент направлен узкий пучок электронов. Ещё одно достоинство EDS-анализа заключается в том, что этот вид анализа не требует каких-либо реагентов. Даже наличие стандартных образцов у EDS-метода — это опция, уточняющая результат, а не необходимость. Подробнее про EDS-детекторы здесь .

Пример EDS

Рисунок 6. Пример анализа элементного состава микрокомпонентов образца с помощью EDS-детектора, в качестве подложки использовано изображение с детектора обратно отражённых электронов. Полированный образец анодного шлака

Приставки SE, BSE и EDS — это далеко не полный перечень детекторов, которые могут быть установлены на колонну сканирующего электронного микроскопа. См. здесь подробное описание остальных СЭМ-детекторов производства компании TESCAN (того же производителя, что и изготовитель электронно-оптической колонны). Здесь описание детекторов и аксессуаров для сканирующего электронного микроскопа, которые выпускаются сторонними производителями, но которые при этом совместимы с микроскопами марки TESCAN. Часть детекторов можно купить при приобретении СЭМ, а другую часть докупить позже, постепенно превращая сканирующий электронный микроскоп в многофункциональное устройство для исследований свойств материалов.

Какими должны быть образцы, подготовленные для исследований в сканирующем электронном микроскопе

В камере СЭМ исследование образцов происходит в вакууме, так как иначе пучок электронов рассеивался бы на молекулах атмосферы и не долетал бы до образца. Для замены образцов в камере микроскопа временно создаётся атмосферное давление, но после камера снова откачивается. У микроскопов TESCAN длительность откачки камеры образцов от атмосферы до рабочего вакуума составляет менее 3 минут, поэтому менять образцы много раз в течение дня — это обычная практика. Исходя из конструктивных особенностей СЭМ, подытожим основные требования к образцам, предназначенным для исследований в сканирующем электронном микроскопе:

СЭМ работает только с такими образцами, которые терпят вакуумирование, т.е. с твёрдыми телами (не жидкими и не газообразными). Впрочем, для жидких образцов существует опция крио-заморозки. Если образец влагосодержащий (биологические образцы зачастую таковы), то в процессе вакуумирования влага испаряется и образец усыхает, в результате после того, как вакуумирование завершено, СЭМ наблюдает не изображение образца, а изображение результата высыхания образца в камере микроскопа. Для преодоления этого неприятного явления существует упомянутая выше крио-заморозка, а также более бюджетное устройство – так называемая сушка в критической точке;
образцы в камере СЭМ должны быть закреплены, их нельзя просто положить на столик образцов, так как тогда они могут упасть при перемещениях столика либо, если это мелкий порошок, улететь в процессе вакуумирования. Крупные образцы зажимают в струбцины различных конфигураций, а мелкие образцы, вплоть до очень мелкого порошка, закрепляют на столиках на двустороннем проводящем скотче (чаще всего углеродном скотче), который является стандартным расходным материалом для СЭМ;
форма и габариты образца для СЭМ ограничены только размерами камеры образцов (а точнее, размерами дверцы камеры образцов). Это утверждение удобно пояснить на примере сравнения с просвечивающим электронным микроскопом, рис. 7. В сканирующем электронном микроскопе собирается ответный сигнал, отражённый в верхнюю полусферу камеры, а в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) регистрируется электронный сигнал, прошедший сквозь образец. Соответственно, в СЭМ образец может быть толстым и бесформенным, а образец для ПЭМ нужно готовить в виде очень тонкой фольги (например, < 100 нм толщиной, это зависит от задачи), такой, чтобы высокоэнергетические электроны ПЭМ смогли бы пройти насквозь через эту фольгу. Поэтому пробоподготовка в СЭМ проще, чем в ПЭМ, например, в СЭМ можно изучать технологическое изделие целиком, не ломая и не утоняя его, если это изделие помещается в камеру СЭМ. В цифрах: маленькая камера СЭМ TESCAN имеет ширину дверцы 148 мм, высота образца ограничена значением 81 мм. В большой камере СЭМ TESCAN эти показатели почти в два раза шире;

Сравнение СЭМ и ПЭМ

Рисунок 7. Сравнение геометрии регистрации ответного сигнала у сканирующего и просвечивающего электронных микроскопов, и какие ограничения это накладывает на размеры образцов

есть материалы, прозрачные для видимого света, но можно утверждать, что нет материалов, прозрачных для пучка электронов. Поэтому если вы прикрыли объекты наблюдения покровным стеклом или запечатали их прозрачной для видимого света плёнкой или связующей, то в оптическом микроскопе вы будете наблюдать объекты интереса, потому что световой поток будет беспрепятственно проходить через прозрачную для него среду, фиксирующую образец. Но если вы разместите образец, подготовленный таким образом, в сканирующем электронном микроскопе, вы будете наблюдать не образец, а поверхность покровного стекла / защитной плёнки /связующей. В СЭМ вы всегда видите только поверхность объекта наблюдения и ничего более глубокого. Хотя у некоторых СЭМ имеется ионная колонна, позволяющая частично преодолеть это ограничение, об этом см. ниже. Поэтому образцы для СЭМ нужно раскрыть вплоть до того слоя, который требуется изучать;
в сканирующем электронном микроскопе удобно изучать образцы, проводящие электрический ток. Если же ваши образцы непроводящие, то их тоже можно изучать в СЭМ, так как разработано несколько разных приёмов, призванных преодолеть артефакты СЭМ-изображений, вызванные непроводимостью образца (так называемую «зарядку»). Самый распространённый приём — это напыление на поверхность непроводящего образца тонкого слоя проводящего материала (углерода либо металла). Поэтому напылительная установка является стандартным сопутствующим оборудованием к СЭМ;
иногда с образцом перед установкой его в камеру СЭМ требуется провести специальные манипуляции для того, чтобы решить задачу. Например, нужно декапсулировать микросхему или приготовить поперечное сечение из образца, в котором изучается внутренняя структура. EDS-анализ на количественном уровне требует полировать поверхность образцов (на качественном уровне полировка не требуется). Иногда приходится применять фантазию в том, как разрезать, очистить, заполировать и закрепить образец в камере СЭМ, чтобы подобраться к объектам интереса и решить задачу.

Сканирующую электронную микроскопию можно назвать неразрушающим методом анализа в том смысле, что образец в камере СЭМ не сжигается, вещество образца не испаряется от воздействия пучка электронов. За редкими исключениями в каком виде вы поставили образец в камеру СЭМ, в таком и достали обратно. Но необходимость в некоторых задачах декапсулировать, резать, полировать образцы (см. выше) уже не даёт право называть СЭМ-исследование полностью неразрушающим методом.

Сравнение сканирующей электронной микроскопии с оптической микроскопией

Сравним сканирующую электронную микроскопию с повсеместно распространённой оптической микроскопией. Основные отличия СЭМ от оптического микроскопа:

гораздо более широкий диапазон увеличений у СЭМ, чем у оптического микроскопа (рис. 8);

Диапазон увеличений СЭМ

Рисунок 8. Диапазон достижимых увеличений СЭМ очень широк. Увеличение на снимке с длиной масштабной линейки 10 мм составляет около 5 крат, а увеличение на изображении с масштабной линейкой "70 нм" (70 нанометров, 1 нм = 1^-9 м) приближается к 1 миллиону крат. Диапазон увеличений непрерывный

у сканирующего электронного микроскопа больше глубина резкости, чем у типичного оптического микроскопа (рис. 9). Хотя у ряда современных оптических микроскопов есть программно-аппаратные решения для преодоления ограничений в глубине резкости. Глубина резкости — это способность видеть рельефные объекты сфокусированными по всей высоте объекта;

Глубина резкости

Рисунок 9. Сравнение глубины резкости сканирующего электронного микроскопа и оптического стереомикроскопа

в области малых увеличений тоже, как правило, выигрывает СЭМ. У сканирующих электронных микроскопов TESCAN максимальная ширина поля обзора, достижимая за один проход сканирования, без панорамной сшивки полей, составляет 50 мм (рис. 10). Изображения при малых увеличениях удобны для навигации по образцам, а также облегчают восприятие СЭМ-результатов неспециалистами, когда на изображении общего вида образца СЭМ-исследователь отмечает участки, которые он изучал при бо́льших увеличениях;

Широкое поле обзора СЭМ

Рисунок 10. Челюсть крота, снимок получен за один проход сканирования, без использования панорамной сшивки кадров. Данное СЭМ-изображение демонстрирует и широкое поле обзора СЭМ, и большую глубину резкости СЭМ

как уже отмечалось выше, немаловажное преимущество сканирующего электронного микроскопа, оснащённого энергодисперсионным спектрометром, перед оптическим микроскопом, заключается в том, что c СЭМ + ЭДС вы имеете одновременно как увеличенное изображение поверхности образца, так и состав каждого микрокомпонента образца (рис. 6). Исследователи, которые имели в своём распоряжении только оптические микроскопы, а потом приобретали сканирующие электронные микроскопы, говорили, что у них добавилась ещё одна степень свободы — состав;
физические принципы формирования контраста различны у СЭМ и оптических микроскопов, поэтому иногда бывает так, что два разных объекта выглядят неразличимыми в СЭМ, но хорошо различимы в оптическом микроскопе, или наоборот. Например, флуоресцентные маркеры отчётливо видны при наблюдении в оптический микроскоп, но сливаются оттенками с окружающим веществом при наблюдении в СЭМ. Или обратный пример: облагороженные драгоценные камни состоят из разных фаз, которые подбираются с очень близкими оптическими свойствами (чтобы были неотличимы при визуальном наблюдении), но в сканирующем электронном микроскопе сразу видны признаки облагораживания драгоценного камня. Например, на рис. 11 приведён снимок в отражённых электронах облагороженного сапфира, светлые полосы в котором — это стекло, которое было использовано для заполнения трещин. Поскольку сапфир и стекло имеют разный состав, они хорошо отличимы друг от друга на BSE-изображениях. Ситуации, когда нужный объект легко найти в оптическом микроскопе, но он теряется при наблюдении в сканирующем электронном микроскопе, либо наоборот, подтолкнули разработчиков микроскопов к созданию так называемых корреляционных техник микроскопии, т.е. программного обеспечения и аксессуаров для совмещения оптических и СЭМ-координат по реперным точкам (рис. 12). В качестве реперных точек могут выступать узнаваемые особенности на поверхности образца либо специальные маркеры на держателях образцов. После совмещения координат возможно наложение оптических и электронных снимков, позиционирование области интереса в центр окна сканирования СЭМ по клику, притом что таблица с координатами областей интереса записывалась при наблюдении в оптическом микроскопе. Чтобы корреляционная микроскопия была реализуема, и СЭМ, и оптический микроскоп должны иметь координатные столики образцов.

Сапфир

Рисунок 11. Облагороженный сапфир. Светлые полосы в камне - это стекло, которым были заполнены трещины. В сканирующем электронном микроскопе легко отличить стекло от сапфира, так как эти вещества имеют разный состав, а значит выглядят по-разному на BSE-изображениях. В оптическом микроскопе в данном случае трудно отличить одну фазу от другой, так как их специально подбирают с одинаковыми оптическими свойствами

Корреляционная микроскопия

Рисунок 12. Пример корреляционной микроскопии: а) локализация бактерий helicobacter pylori на образце биологической ткани. Зелёные маркеры, указывающие на местоположение колоний helicobacter pylori, хорошо видны во флуоресцентном микроскопе, но не в СЭМ; б) после того, как благодаря корреляционной микроскопии колония helicobacter pylori найдена, можно фотографировать в СЭМ индивидуальные бактерии при гораздо большем увеличении, чем это было бы доступно с оптическим микроскопом

Краткий обзор специальных приложений СЭМ

Зачастую использование СЭМ ограничивается лишь получением SE- и BSE-изображений и точечным анализом составов с помощью детектора ЭДС. Следующий уровень освоения сканирующего электронного микроскопа — это применение специальных методик, расширяющих функционал СЭМ:

элементное картирование с помощью ЭДС. Коль скоро состав может быть определён в каждой точке поверхности образца, можно поставить задачу определить состав в одном миллионе точек, которые сформируют участок размером 1024 × 1024 пикселей. Из полученных ЭДС-данных извлекается информация о том, как распределены те или иные элементы по проанализированному участку, графическое отображение этой информации называется элементной картой (рис. 13). Современные ЭДС обладают таким быстродействием, что карта 1024 × 1024 пикселей накапливается в среднем за 5 минут. Также в программном обеспечении ЭДС-спектрометра наряду с элементным картированием представлено элементное профилирование, т.е. построение распределений элементов вдоль заданной линии на поверхности образца;

Карта ЭДС

Рисунок 13. ЭДС-картирование. Распределение элементов по внутренней полости капсюля гильзы и по наковальне. Цветовое кодирование элементов: барий - синий, свинец - красный, цинк - зеленый, железо - малиновый, алюминий - сине-зеленый

программное обеспечение ЭДС позволяет организовать автоматический поиск и анализ микрочастиц или микровключений с заранее заданными свойствами. Например, можно искать в автоматическом режиме спорадически встречающиеся частицы золота в руде или искать следы продуктов выстрела при проведении криминалистической экспертизы. На металлургических заводах пользуется спросом программа автоматического поиска и анализа неметаллических включений в сталях и сплавах. На рис. 14 результат такого анализа для сплава 45НХТЮ: проанализирована площадь поверхности шлифа 13,25 мм²; длительность сканирования в автоматическом режиме 1,5 часа. Обнаружено 6005 штук неметаллических включений крупнее 0,8 мкм. Пороговый размер минимально обнаружимого включения 0,8 мкм выбирается оператором, можно задать другое значение, данный параметр воздействует на длительность анализа. На рис. 15г показан результат классификации обнаруженных неметаллических включений, чаще всего классифицируют по составу, но также можно классифицировать по таким критериям как форма, яркость на электронных снимках и координаты на шлифе. Один из признаков, по которому впоследствии сравнивают проанализированные образцы — это объемная доля каждого класса неметаллов;

Автоматический поиск частиц

Рисунок 14. Пример использования ЭДС-приложения для автоматического поиска и анализа микрочастиц и микровключений. Сплав 45НХТЮ, проанализирована площадь поверхности шлифа 13,25 мм², длительность сканирования в автоматическом режиме 1,5 часа, обнаружено 6005 штук неметаллических включений крупнее 0,8 мкм: а) мозаика из 53-х участков, каждый участок размером 0,5 мм × 0,5 мм, от участка к участку столик образцов перемещался автоматически, цветные точки – это обнаруженные неметаллические включения; б, в) один из 53-х проанализированых участков в виде исходного электронного изображения и после автоматического выявления неметаллических включений, далее в автоматическом режиме будет определён состав каждого выявленного неметалла; г) результат классификации зарегистрированных неметаллических включений.

следующий шаг автоматизации после автоматического поиска определённых частиц с заданными свойствами — это автоматический анализ всех составляющих, которые встретятся в образце. Это интересно для многокомпонентных образцов, т.е. в первую очередь для таких отраслей, как геология и металлургия. Компания TESCAN выпускает специализированный микроскоп для автоматического минералогического анализа под названием TIMA. Помимо анализа минерального состава программное обеспечение TIMA выгружает также информацию о раскрытиях и ассоциациях минералов;
помимо детектора ЭДС, который определяет состав микрокомпонентов образца, выпускается также детектор EBSD (electron backscatter diffraction, детектор анализа картин дифракции отражённых электронов), который регистрирует кристаллографические данные микрокомпонентов образца. Если анализируемая составляющая образца аморфная, то EBSD-детектор наблюдает только шум, в котором нет полезного сигнала. Тандем из двух детекторов — ЭДС для определения состава и EBSD для установления кристаллографических данных — приводит к фазовому анализу, т.е. идентификации фаз на основе информации как о составе, так и о кристаллической структуре анализируемого микрокомпонента. Например, с точки зрения ЭДС-детектора феррит не отличается от аустенита, так как обе эти фазы имеют одинаковый состав (по крайней мере, состав одинаков для той точности, с которой работает ЭДС), но с точки зрения EBSD-детектора феррит отличается от аустенита, так как в одном случае кристаллическая решётка объёмноцентрированная, а в другом случае гранецентрированная (рис. 15а);

EBSD

Рисунок 15. Пример фазоидентификации с помощью тандема двух детекторов ЭДС + EBSD, дуплексная сталь, синее - феррит, красное - аустенит

если у вас только один СЭМ-снимок, и вы видите на нём углубление или выступ, то не представляется возможным узнать, насколько глубокое это углубление или насколько высок этот выступ. Но если у вас два СЭМ-снимка одного и того же участка, снятых под разными углами обзора, то на основе анализа этой стереопары изображений возможна реконструкция трёхмерной поверхности, откуда, с некоторыми ограничениями, вы сможете узнать глубину кратера и высоту пика (рис. 16). Один из вариантов программного обеспечения для трёхмерной реконструкции поверхности — это программа Alicona Mex;

Alicona

Рисунок 16. Пример реконструкции трёхмерной поверхности, выполненной с помощью программы Alicona Mex на основе стереопары изображений одного и того же участка: а) один из двух СЭМ-снимков стереопары; б) результат реконструкции; в) профиль перепеда высот, откуда следует, что глубина наблюдаемого кратера 200 мкм

некоторые образцы при облучении их пучком электронов генерируют электромагнитное излучение в видимом спектральном диапазоне. Про такие вещества говорят, что они обладают свойством катодолюминесценции. Для регистрации сигнала катодолюминесценции (CL) выпускаются катодолюминесцентные детекторы в следующих вариантах исполнения: 1) панхроматический CL-детектор — регистрирует суммарную интенсивность видимого света, испускаемого каждой точкой образца, рис. 17б; 2) цветной CL-детектор — регистрирует как интенсивность, так и цветовую характеристику видимого света, испускаемого каждой точкой образца; 3) CL-спектрометр — раскладывает в спектр катодолюминесцентное излучение от каждой точки образца. CL-сигнал чувствителен к самым незначительным вариациям микропримесей в веществе, а также к другим свойствам вещества, таким как тип кристаллической структуры, плотность дислокаций. Поэтому CL-детектор может увидеть вариации оттенков там, где другие СЭМ-детекторы их не видят (рис. 17).

Катодолюминесценция

Рисунок 17. Полированный образец песчаника. Один и тот же участок наблюдается с помощью трёх СЭМ-детекторов: а) детектор обратно отражённых электронов BSE, б) панхроматический катодолюминесцентный детектор, в) цветной катодолюминесцентный детектор. В то время как на BSE-изображении зёрна песчаника выглядят одинаковыми, CL-детекторы показывают вариации оттенков

Многие из перечисленных выше методик требуют приобретения дополнительных детекторов или дополнительного программного обеспечения, что может быть сделано как на этапе покупки микроскопа, так и позже в виде upgrade. На других страницах нашего сайта более подробно освещаются некоторые из приложений, затронутых выше.

Зачем нужна ионная колонна?

Сканирующий электронный микроскоп позволяет наблюдать поверхность образцов. А что скрыто под поверхностью? Обычно для ответа на этот вопрос из образца готовится поперечное сечение или скол. И то, и другое означает разрушение образца. С помощью ионной колонны можно обойтись микроразрушениями, не ломая образец целиком.

Типичная кросс-секция

Рисунок 18. а) схема совместной работы ионной и электронной колонн двулучевого сканирующего электронно-ионного микроскопа FIB-SEM. Создание локального микрошлифа (кросс-секции); б) типичная кросс-секция, поверхность кросс-секции и поверхность образца составляют угол 90 градусов

Если к СЭМ добавляется ионная колонна, то такой микроскоп называется двулучевым сканирующим электронно-ионным микроскопом FIB-SEM. Схема работы FIB-SEM представлена на рисунке 18а: ионная колонна создаёт сфокусированный пучок высокоэнергетических ионов (чаще всего ионов галлия), который сканирует поверхность образца схожим образом, как это делает и электронный пучок. Но у ионного пучка по сравнению с электронным гораздо более разрушительное воздействие на образец. Ионный пучок, ударяясь в образец, вытравливает материал образца. Программное обеспечение микроскопа FIB-SEM направляет ионный пучок так, чтобы из образца сформировалась задуманная фигура, чаще всего это локальный микрошлиф, который называют кросс-секцией (рисунок 18б). Микрошлиф ориентирован таким образом, чтобы он сразу после приготовления был доступен для наблюдений с помощью электронной колонны, без необходимости как-либо вращать или наклонять столик образцов. Преимущества FIB-микрошлифов по сравнению с традиционными механическими методами пробоподготовки:

FIB-травление гораздо предпочтительнее, чем обычное механическое травление, если речь идёт об изучении тонких слоёв, прилегающих к поверхности образца. Например, если нужно изучить стек из нескольких слоёв суммарной толщиной < 1 мкм, то на обычном шлифе эти слои, как правило, теряются, так как слишком тонкие, а FIB-методика сохраняет приповерхностные слои вплоть до слоёв толщиной 5 – 10 нм. Для защиты тонких слоёв используется так называемая платиновая маска, которая непосредственно перед FIB-травлением осаждается на нужный участок образца с помощью системы инжектирования газов GIS, рисунок 19. GIS (gas injection system) — это распространённая опция для микроскопов FIB-SEM;

GIS

Рисунок 19. а) типичная платиновая маска (белый прямоугольник), созданная in-situ в камере FIB-SEM с помощью опциональной системы инжектирования газов GIS и сканирования выбранной прямоугольной площадки ионным пучком; б) внешний вид системы 5-GIS и сопла 5-GIS, подведённые в рабочее положение к образцу; в) если при приготовлении кросс-секции использовать платиновую маску, то верхние слои образца оказываются защищёнными

FIB-травление — это очень прицельный метод пробоподготовки (по англ. site-specific), так как участок для кросс-секции выбирается весьма точно с помощью наблюдения в СЭМ. Для сравнения, попробуйте сломать образец в нужном месте при приготовлении скола;
FIB-травление не разрушает образец целиком, что важно при изучении музейных экспонатов и образцов криминалистической экспертизы (которые являются вещественными доказательствами, а значит не разрешается их видоизменение). В микроэлектронике сохранность изделия означает, что можно выполнить несколько FIB кросс-секций в разных участках вместо одного скола (рисунок 20);

Три кросс-секции

Рисунок 20. Для приготовления локальной кросс-секции не приходится уничтожать образец (как это происходит с традиционными методами: поперечными сечениями и сколами), поэтому образец доступен для последующих кросс-секций в других местах

как правило, кросс-секции, полученные с помощью FIB, более гладкие, чем обычные механические шлифы, что важно для поиска очень мелких и слабоконтрастных составляющих образца (рисунок 21);

Варианты полировки

Рисунок 21. После ионной полировки (а) поверхность образца, как правило, получается более гладкой, чем после механической полировки (б), что становится заметно при достаточно большом увеличении

как правило, после травления ионным пучком полученные кросс-секции легко интерпретировать, так как включения остаются включениями, а поры остаются порами. Ионный пучок не склонен вырывать включения из их позиций или намазывать окружающий материал в поры, что часто бывает при механической полировке.

Два логических продолжения метода приготовления микрошлифов с помощью ионной колонны микроскопа FIB-SEM — это изготовление ламелей site-specific для изучения их в просвечивающем электронном микроскопе (рисунок 22) и 3D-томография, которая заключается в периодических послойных FIB-травлении и SEM-сканировании выбранного куба материала образца (рисунок 23) с последующей реконструкцией объёмных данных.

Ламель

Рисунок 22. Один из этапов приготовления образца для просвечивающего электронного микроскопа - ламели - в микроскопе FIB-SEM. Ламель закреплена на кончике иглы наноманипулятора с помощью осаждения платины. На следующем этапе эта ламель будет прикреплена к TEM-полусеточке

3D-томография

Рисунок 23. 3D-томография с помощью FIB-SEM: а) схема процессса, б) один из результатов - распространение трещины в стали

Чем отличаются сканирующие электронные микроскопы друг от друга?

На рынке предлагаются сканирующие электронные микроскопы, стоимости которых отличаются в разы и десятки раз. По каким признакам различаются СЭМ, что так влияет на их стоимость и, соответственно, функционал?

основополагающая характеристика сканирующего электронного микроскопа — это тип электронной пушки. Два основных типа электронных пушек — это вольфрамовый термо-катод (микроскоп VEGA в линейке TESCAN) и катод с полевой эмиссией типа Шоттки (все остальные микроскопы в линейке TESCAN). Катод Шоттки часто обозначают аббревиатурой FEG, field emission gun. Наличие катода Шоттки переводит СЭМ в более прогрессивный класс микроскопов по сравнению с вольфрамовым катодом. У СЭМ с катодом Шоттки лучше пространственное разрешение, но также выше плотность тока электронного пучка и выигрышнее скорость накопления электронных снимков. Для сравнения, при небольших увеличениях (до 5 тысяч крат) скорости накопления изображений на микроскопах с вольфрамовым катодом и катодом Шоттки почти не отличаются, но при больших увеличениях (от 50 до 100 тысяч крат) время на кадр может отличаться в 10 – 15 раз в пользу FEG, что очень много в пересчёте на рабочее время специалиста. На микроскопе с вольфрамовым катодом приходится тратить много времени на накопление электронных изображений при больших увеличениях, чтобы скомпенсировать малую плотность тока пучка электронов;
сканирующие электронные микроскопы отличаются друг от друга наличием/отсутствием различных опций, детекторов и аксессуаров, а также модулей программного обеспечения для их использования. Большинство опций, детекторов и модулей ПО можно докупить позже к уже имеющемуся микроскопу, но есть несколько опций и детекторов, которые могут быть смонтированы только на территории фабрики производителя;
микроскопы отличаются размерами камеры образцов, например, TESCAN выпускает два типоразмера камер с маркировками LM и GM. Большая камера образцов означает возможность изучать крупные образцы, но также, что важнее, это означает возможность установить больше детекторов и аксессуаров на одну камеру (в случае камер TESCAN речь идёт о 12 либо 20 интерфейсных портах на камерах, соответственно, LM и GM);
СЭМ бывают однолучевыми (SEM) или двулучевыми (FIB-SEM). Двулучевыми называют микроскопы, у которых помимо электронной колонны для наблюдения образцов имеется ещё ионная колонна для модификации образцов (см. выше). В свою очередь, двулучевые микроскопы делятся на два класса в зависимости от типа ионной колонны: с галлиевым ионным пучком либо с ксеноновым ионным пучком. Ионная колонна с пучком Xe⁺ дороже, зато стравливает материал образца быстрее, чем FIB Ga⁺. Пучку Xe⁺ доступны более крупные объёмы материала, чем пучку Ga⁺. Например, с пучком Xe⁺ максимальная ширина кросс-секции, которую можно приготовить за разумное время, составляет 1 мм, а с пучком Ga⁺ это 100 мкм;
помимо конструкции пушки сканирующие электронные микроскопы отличаются также конструкцией электронно-оптической колонны. Более прогрессивные колонны создаются, чтобы улучить пространственное разрешение при малых энергиях пучка электронов (или, что то же самое, при малых ускоряющих напряжениях). Дело в том, что традиционные СЭМ с катодом Шоттки демонстрируют хорошее пространственное разрешение при высоких ускоряющих напряжениях (HV), но разрешение деградирует при малых HV. В то время как современные тенденции заключаются в том, чтобы работать именно при малых HV, потому что только в этом диапазоне HV можно увидеть тонкие вариации контраста, которые иначе скрыты. Также при малых HV зачастую можно изучать непроводящие образцы без какого-либо токопроводящего напыления, и это деликатный режим сканирования, когда пучок электронов не видоизменяет чувствительные образцы. В линейке TESCAN среди микроскопов с катодом Шоттки есть три варианта исполнения электронно-оптической колонны: 1) традиционный вариант, микроскоп MIRA, 2) колонна Triglav^TM с иммерсионной оптикой, это означает, что образец в камере образцов находится в окружении магнитного поля, при этом удаётся добиться наилучшего прогресса в сохранении разрешения при малых HV, но на образцы накладывается такое ограничение, что они должны быть немагнитными; 3) колонна BrightBeam^TM с потенциальной трубкой внутри колонны, улучшение разрешения при малых HV происходит, но не в такой степени, как с колонной Triglav^TM. Зато на образцы не накладывается никаких ограничений, они могут как обладать, так и не обладать магнитными свойствами.

Таким образом, линейку TESCAN в каталоге «Оборудование» на данном сайте можно кратко описать так:

VEGA	СЭМ с вольфрамовым катодом
MIRA	СЭМ с катодом Шоттки
CLARA	СЭМ с катодом Шоттки и колонной BrightBeam^TM
MAGNA	СЭМ с катодом Шоттки и колонной Triglav^TM
AMBER	FIB-SEM с электронной и ионной колоннами, катод Шоттки, электронная колонна BrightBeam^TM, ионная колонна с галлиевым ионным пучком
AMBER X	FIB-SEM с электронной и ионной колоннами, катод Шоттки, электронная колонна BrightBeam^TM, ионная колонна с ксеноновым ионным пучком
SOLARIS	FIB-SEM с электронной и ионной колоннами, катод Шоттки, электронная колонна Triglav^TM, ионная колонна с галлиевым ионным пучком
SOLARIS X	FIB-SEM с электронной и ионной колоннами, катод Шоттки, электронная колонна Triglav^TM, ионная колонна с ксеноновым ионным пучком
TIMA	специализированный СЭМ для автоматического анализа минералогических образцов