Внутрилинзовый SE-детектор (In-Beam SE)

Рисунок 1. Упрощенная схема электронной колонны СЭМ TESCAN MIRA

СЭМ TESCAN MIRA*, TESCAN MAGNA, TESCAN SOLARIS и TESCAN SOLARIS X оснащены детектором вторичных электронов, встроенным в объективную линзу (In-Beam) (*MIRA– опционально, MAGNA, SOLARIS и SOLARIS X – стандартно), который позволяет исследовать образцы на очень коротких рабочих расстояниях с улучшенным разрешением (рисунок 1, позиция 4). На коротких рабочих расстояниях стандартный внутрикамерный SE-детектор по сравнению с внутрилинзовым SE-детектором будет терять часть полезного сигнала, так как путь вторичных электронов от образца к данному детектору частично будет экранироваться полюсным наконечником.

Детектор In-Beam SE предназначен для регистрации вторичных электронов с низкой энергией, что делает его намного более чувствительным к поверхности.

Стоит отметить, что можно выделить несколько категорий вторичных электронов:

·      вторичные электроны, которые генерируются непосредственно с поверхности образца и сразу же покидают ее;

·      вторичные электроны, которые генерируются после многократного рассеяния первичных электронов внутри области взаимодействия, и покидают поверхность образца с некоторой глубины от точки удара первичного пучка;

·      вторичные электроны, которые генерируются при столкновении обратно отраженных электронов со стенками камеры или системой линз.

Чтобы получить изображение фактической поверхности образца, необходимо зарегистрировать именно первый тип вторичных электронов, потому что именно они генерируются вблизи верхней границы области взаимодействия, и, следовательно, только они дают непосредственную информацию о поверхности образца. Такие электроны можно эффективно зарегистрировать с помощью внутрилинзового детектора. Принцип действия внутрилинзового детектора In-Beam SE такой же, как и у стандартного детектора Эверхарта-Торнли. Детектор In-Beam SE также имеет коллектор в виде пластинки с отверстиями, покрытой золотом, который собирает электроны. Далее электроны попадают на сцинтиллятор, к которому прикладывается потенциал порядка +10 кВ, и генерируют фотоны света. Далее сигнал через световод передается на фотоумножитель, усиливается и выводится для генерации изображения.

Внутрилинзовый LE BSE-детектор (In-Beam LE BSE)

In-Beam LE BSE детектор – детектор обратно отражённых электронов сцинтилляционного типа, встроенный в полюсный наконечник объективной линзы СЭМ TESCAN MIRA. Данный детектор регистрирует в основном обратно отражённые электроны, рассеянные на малые углы и распространяющиеся вдоль оптической оси колонны, что позволяет получать изображения с композиционным контрастом без информации о топографии поверхности на коротких рабочих расстояниях, как при низких, так и при высоких энергиях электронного пучка. Детектор In-Beam LE BSE дополняет выдвижной внутрикамерный BSE-детектор, который регистрирует в основном обратно отражённые электроны, рассеянные на широкие углы и дает информацию как о композиционном, так и топографическом контрасте. На рисунке 1 показана упрощенная схема электронной колонны СЭМ TESCAN MIRA, детектор In-Beam LE BSE – под номером 3 на схеме.

Внутрилинзовый мультидетектор (In-Beam Multidetector)

Рисунок 2. Упрощенная схема электронной колонны BrightBeam. 

СЭМ TESCAN CLARA, TESCAN AMBER и TESCAN AMBER X с электронной колонной BrightBeam^TM оснащены внутрилинзовым мультидетектором (рисунок 2, подпись детектора выделена красным), который предназначен для регистрации особенно низкоэнергетических вторичных электронов или обратно отражённых электронов, что делает его чувствительным к поверхности.

Рисунок 3. Принцип работы внутрилинзового мультидетектора: (а) сетка фильтрации отключена; (б) сетка фильтрации подключена

Рисунок 4. Принцип работы внутрилинзового мультидетектора: (а) потенциал на сетке фильтрации -0.5 кВ; (б) потенциал на сетке фильтрации -1.9 кВ

Мультидетектор оснащен сеткой фильтрации, с помощью которой электроны сигнала могут быть отфильтрованы в соответствии с их энергией. Сигнал вторичных электронов регистрируется внутрилинзовым мультидетектором только при активации потенциальной трубки и отключении сетки фильтрации. Накопленное в этом случае изображение будет иметь топографический контраст (рисунок 3, а). При подключении сетки фильтрации (рисунок 3, б) будут регистрироваться сигнальные электроны в соответствии с потенциалом на сетке:

• если на сетку фильтрации прикладывается потенциал -0.5 кВ, то часть сигнала вторичных электронов фильтруется, регистрируются преимущественно обратно отражённые электроны, рассеянные на малые углы, в связи с чем накопленное изображение будет иметь композиционный контраст (рисунок 4, а);

• если на сетку фильтрации прикладывается потенциал -1 кВ, сигнал вторичных электронов и часть сигнала медленных обратно отражённых электронов фильтруется, регистрируются обратно отражённые электроны с энергией 1-2 кэВ;

• если на сетку фильтрации прикладывается потенциал -1.9 кВ (рисунок 4, б), сигнал вторичных электронов и часть сигнала медленных обратно отражённых электронов фильтруется, регистрируются обратно отраженные электроны с малыми потерями энергии.

При работе с мультидетектором рекомендуется использовать короткие рабочие расстояния, что позволит получить высокое пространственное разрешение.

Внутрилинзовый приосевой детектор (In-Beam Axial)

СЭМ TESCAN CLARA, TESCAN AMBER и TESCAN AMBER X с электронной колонной BrightBeam^TM оснащены внутрилинзовым приосевым детектором (рисунок 2, подпись детектора выделена зеленым), который предназначен для регистрации электронного сигнала, распространяющегося вдоль оптической оси колонны. В зависимости от выбора напряжения на потенциальной трубке детектор передаёт изображение с топографическим или композиционным контрастом, либо их смесь.

Внутрилинзовый детектор обратно отражённых электронов, рассеянных на средние углы (Mid-Angle BSE)

Рисунок 5. Упрощенная схема электронной колонны Triglav^TM

СЭМ TESCAN MAGNA, TESCAN SOLARIS и TESCAN SOLARIS X с электронной колонной Triglav^TM оснащены внутрилинзовым детектором обратно отражённых электронов, рассеянных на средние углы. Этот же детектор регистрирует и вторичные электроны, когда на его коллектор подается потенциал. Если на коллектор потенциал не подается, то происходит сбор обратно отражённых электронов, рассеянных на средние углы и получение изображения с композиционным контрастом (рисунок 5, подпись детектора выделена зеленым).

Внутрилинзовый детектор обратно отражённых электронов с фильтрацией по энергии (In-Beam f-BSE детектор)

СЭМ TESCAN MAGNA, TESCAN SOLARIS и TESCAN SOLARIS X с электронной колонной Triglav^TM оснащены внутрилинзовым детектором обратно отражённых электронов с фильтрацией по энергии (рисунок 5, подпись детектора выделена красным). Этот детектор оснащен специальной сеткой фильтрации и позволяет проводить селекцию обратно отражённых электронов по энергии, что делает его чувствительным к поверхности. Детектор позволяет получать изображения с высоким пространственным разрешением при низких энергия пучка электронов. В режиме замедления пучка электронов детектор регистрирует вторичные электроны.

Технология торможения пучка электронов (Beam Deceleration Technology)

Рисунок 6. Изображение золота на углероде: слева –  без BDT; справа – с активацией режима BDT

Хорошо известно, что чем выше ускоряющее напряжение, тем меньше хроматические аберрации линзы и тем лучше пространственное разрешение электронного микроскопа. С другой стороны, известно, что тонкая структура поверхности образца лучше видна при низких ускоряющих напряжениях. Возникает противоречие – при высоком ускоряющем напряжении разрешение лучше, однако для наблюдения тонких вариации контраста необходимо использовать низкие ускоряющие напряжения. Технология торможение пучка электронов разрабатывалась для того, чтобы преодолеть это противоречие. В режиме торможения пучка электронов на столик образцов подается потенциала смещения, который тормозит первичный пучок электронов перед его падением на образец. Таким образом, пучок покидает электронную колонну с более высокой энергией, а падает на образец с более низкой энергией. При высоких ускоряющих напряжениях хроматические аберрации меньше, но с точки зрения образца сканирование происходит будто бы при более низком ускоряющем напряжении. На рисунке 6 показаны изображения одного и того же образца, полученные с использованием режима BDT и без использования этого режима.

Стоит заметить, что в режиме BDT внутрилинзовый детектор In-Beam LE BSE будет работать как детектор вторичных электронов. Электростатическое поле, которое тормозит первичный пучок электронов при подлёте к образцу, будет ускорять вторичные электроны, вылетающие из образца. Благодаря этому вторичные электроны приобретают ускорение и оказываются направленными как раз в ту сторону, где расположен In-Beam LE-BSE детектор. В режиме BDT вторичные электроны будет регистрировать именно детектор In-Beam LE-BSE, а не детектор In-Beam SE, который собирает вторичные электроны с помощью коллектора. Что же касается электронных колон Triglav, то в них при использовании режима BDT за сбор вторичных электронов станет ответственным детектор In-Beam f-BSE.

Опция BDT возможна только на микроскопах с катодом Шоттки. Микроскопы с термоэмиссионным вольфрамовым катодом VEGA и VEGA COMPACT режимом BDT не комплектуются. Режим BDT активируется/деактивируется в один клик из программного обеспечения TESCAN Essence. Максимальное значение, на которое можно изменить энергию первичного пучка, составляет 5 кэВ. Чаще всего в режиме BDT электронная колонна работает при ускоряющем напряжении 6 кВ, а энергия падения пучка электронов на образец составляет 1 кэВ. При желании оператор может изменять энергию первичного пучка электронов меньше, чем на 5кэВ.

При оснащении микроскопа опцией BDT советуют также приобретать деконтаминатор для удаления углеродного нагара с поверхности образцов. Дело в том, что нагар особенно сильно мешает работе при малых энергиях падения первичного пучка. Это происходит не потому, что при малых энергиях нагар быстрее формируется, а потому, что при малых энергиях пучка происходит исследование самого поверхностного слоя образца.

Однако у режима BDT есть некоторые ограничения, которые приведены ниже.

• Режим BDT работает только с плоскими образцами. Если образец рельефный, то электростатическое поле вокруг образца будет отличаться от расчётного.

• Режим BDT работает только с горизонтально расположенными образцами. Если образец наклонён, то электростатическое поле вокруг образца будет отличаться от расчётного. Из-за этого в режиме BDT не удаётся изучать кросс-секции, приготовленные ионным пучком микроскопа FIB-SEM.

• В режиме BDT не следует работать на краях образца. Вблизи края образца электростатическое поле будет отличаться от расчётного.

• Наилучший образец для режима BDT – это мелкие частицы, лежащие на проводящей подложке. Если подложка будет непроводящей, то потенциал смещения, поданный на столик образцов, создаст электростатическое поле где-то внутри подложки-диэлектрика, а не на поверхности подложки, и эффект от активации режима BDT пропадет. Считается, что толщина непроводящей подложки должна быть меньше или равна 1 мм, чтобы от BDT был эффект. Если подложка проводящая, то на её толщину ограничений не накладывается.

Для преодоления описанных выше ограничений TESCAN предлагает микроскопы с электронной колонной BrightBeam^TM (CLARA, AMBER и AMBER X), у которых торможение первичного электронного пучка происходит не возле образца, а ещё внутри электронной колонны. В этом случае вокруг образца нет никакого электростатического поля, и снимаются все ограничения на типы образцов. Внутри электронной колонны типа BrightBeam^TM есть потенциальная трубка (Potential Tube), которая выполняет торможение первичного пучка. В электронных колоннах BrightBeam^TM за регистрацию вторичных электронов при использовании режима BDT отвечает детектор In-Beam Axial.