eng
Выпуск #4/2009
С.Иванов.
Низковольтная растровая электронная микроскопия для исследования наноматериалов
Низковольтная растровая электронная микроскопия для исследования наноматериалов
Просмотры: 4601
По мере развития нанотехнологий возникает потребность в исследованиях физических свойств, состава структуры наноматериалов с характерными морфологическими размерами 2–5 нм. Наиболее часто для изучения их морфологии применяются атомно-силовые микроскопы (АСМ), разрешение которых позволяет исследовать неоднородности вплоть до атомарных размеров. Однако, в случае материалов с сильно развитой пространственной геометрией (катализаторы, объемные наноматериалы) изучение их структуры затруднено.
Существует потребность в исследовании не только морфологии наноматериалов, но и их элементного состава в определенных точках, распределения химических элементов в различных участках объектов. Задача может быть решена с применением пучков заряженных частиц – электронных и ионных. Электронные пучки с энергией, достаточной для ионизации остовных оболочек атомов, используются для рентгеноспектрального микроанализа участков образца диаметром до 0,2–1,0 мкм, а тонкие ионные пучки диаметром до 5 нм – для вторично-ионной спектрометрии путем масс-спектрометрического анализа атомов образца, выбиваемых сфокусированным пучком ионов (обычно Ar или Ga) с энергией 5–10 кэВ.
Особенность взаимодействия ускоренных электронных пучков, используемых в просвечивающих и растровых электронных микроскопах, рентгеноспектральных и оже-электронных микроанализаторах в том, что будучи намного меньше атомов, электроны, ускоренные до энергий, требуемых для формирования нанопучка диаметром 0,1–2 нм, достаточно глубоко проникают под поверхность материала и свободно рассеиваются в объеме образца под влиянием электростатических кулоновских взаимодействий с его атомами. На рис.1 приведены диаграммы рассеяния электронов в твердом теле. На рис.1(б) показано рассеяние электронного пучка с энергией 15 кэВ, вторичные и отраженные электроны, которые формируются высокоэнергетичным пучком.
Первичные электроны, испытывая многократное рассеяние внутри кристаллической структуры образца, генерируют вторичные электроны. Поскольку максимум их энергии находится в области 3–10 эВ, они могут выходить только из приповерхностных областей образца с глубины не более 1–2 нм. Максимум первичных электронов генерируется в непосредственной окрестности точки их попадания в образец, в области диаметра d0 электронного пучка, имеющего в современных РЭМ диаметр до 1 нм. Обратно рассеянные (или просто отраженные электроны), испытывающие многократное рассеяние внутри образца, могут с некоторой вероятностью выходить из поверхности на некотором расстоянии от точки попадания зонда, вызывая дополнительную эмиссию вторичных электронов II типа (ВЭII), которые в отличие от вторичных электронов I типа (ВЭI), генерируемых электронным пучком непосредственно в электронном пятне, ухудшают пространственное разрешение в результате уширения области генерации сигнала в РЭМ.
Области генерации ВЭI и ВЭII имеют разные размеры. В то время, как эмиссия ВЭI осуществляется в основном из области, примерно равной диаметру электронного зонда на образце, эмиссия ВЭII происходит из гораздо большей области (которая в различных материалах может на два-три порядка превосходить область генерации ВЭI). В результате сложения вкладов от ВЭI и ВЭII образуется профиль генерации сигнала вторичных электронов на различных расстояниях от точки попадания зонда диаметром d0 в образец (рис.2).
Исследование наноматериалов требует максимального уменьшения латеральных размеров области генерации сигналов в микроскопе. В идеале профиль сигнала должен быть представлен только ВЭI (см. рис.2а). Этого можно добиться путем снижения ускоряющего напряжения до величин порядка 100 эВ, когда длина пробега электронов в образце пренебрежимо мала (1–2 нм) и минимизируется латеральный размер области генерации ВЭII. Тем самым становится очевидной тенденция развития РЭМ для исследования наноструктур: уже разработаны РЭМ, имеющие предельно низкие значения энергии взаимодействия первичных электронов с образцом. Поскольку электронно-оптическая колонна РЭМ из-за сильного влияния хроматических и сферических аберраций не позволяет сформировать пучок электронов диаметром около 1 нм при ускоряющих напряжениях ниже 1 эВ, недавно фирмой JEOL был предложен вариант – осуществлять торможение первичных электронов более высокой энергии (1–2 кэВ) непосредственно перед их попаданием в образец, т.е. реализовать принцип деакселерации электронов в тормозящем поле перед образцом подачей на него отрицательного смещения. Тем самым была решена задача минимизации уширения диаметра зонда в образце в результате электронного рассеяния при сохранении на нем минимального диаметра зонда.
С использованием режима деакселерации в современных РЭМ возможно получение предельно малой энергии взаимодействия первичного пучка с образцом вплоть до 100 эВ. При такой энергии сфокусированный пучок первичных электронов (электронный зонд) имеет диаметр около 1,4 нм.
На рис.3 показана схема работы низковольтного РЭМ в нормальном режиме (см. рис.3а) и в режиме деакселерации пучка (см. рис.3б). Из таблицы (см. рис.3в) видно, что энергия взаимодействия первичных электронов с образцом, равная 100 эВ, может быть достигнута при различных условиях работы РЭМ. Эту энергию можно получать, например, при ускоряющих напряжениях 800, 1600 и 2100 В и напряжениях смещения на образце – 700, 1500 и 2000 В, соответственно. В каждом случае разность значений ускоряющего напряжения и тормозящего потенциала составляет 100 В.
При разработке низковольтного РЭМ должна быть решена проблема сохранения малого диаметра зонда при существенном снижении вплоть до самых низких значений порядка 100 В эффективного ускоряющего напряжения. Для этого стандартная термоэмиссионная электронная пушка с вольфрамовым термокатодом должна быть заменена на острийный полевой катод с холодной эмиссией электронов, имеющий температуру 300 К; вместо обычной объективной линзы необходимо использовать специальную линзу с малыми аберрациями; обычный детектор вторичных электронов типа Эверхарта-Торнли заменяется на детектор, встроенный в объективную линзу с фильтром энергии электронов.
Полевая электронная пушка с холодным катодом необходима для снижения влияния хроматических аберраций за счет уменьшения теплового разброса электронов по энергиям (при низких энергиях первичных электронов E0 большое значение теплового разброса ∆E = 2–3 эВ у термокатода сильно увеличивает отношение ∆E/E0, от которого зависит величина хроматической аберрации), иммерсионная объективная линза – для снижения сферических аберраций, а встроенный в линзу верхний детектор вторичных и отраженных электронов – для повышения эффективности сбора сигнала при малых токах пучка и малом рабочем расстоянии (1,5–1,7 мм), когда падает эффективность нижнего детектора ВЭ (типа Эверхарта-Торнли).
Рассмотрим типичные характеристики автоэмиссионного низковольтного РЭМ сверхвысокого разрешения модели JSM-7500F (рис.4а), в котором решена вышеуказанная проблема. Микроскоп включает в себя электронную пушку с холодным полевым катодом, объективную иммерсионную линзу со встроенным детектором вторичных электронов и электростатическим фильтром электронов по энергиям (рис.4б), а также схему подачи на образец отрицательного тормозящего напряжения.
Такой РЭМ позволяет получать сверхвысокое разрешение даже при самых низких ускоряющих напряжениях. Например, при ускоряющем напряжении всего 100 В можно получить разрешение 1,4 нм, а при 15 кВ предельное разрешение достигает 1 нм. Максимальное увеличение микроскопа составляет ×1000000. Возможность работы при сверхнизких ускоряющих напряжениях (вплоть до 0,1 кВ), специальный детектор вторичных электронов внутри объективной линзы и фильтр энергии электронов, расположенный перед этим детектором, позволяют получать принципиально новую информацию о наноморфологии поверхности образца с добавлением информации о плотности различных участков образца (частиц, включений и пр.). Хотя разрешение при 100 В ниже, чем при 15 кВ, передача деталей наноморфологии или так называемое "топографическое" разрешение повышается, что улучшает наблюдение таких объектов, как наноступеньки, нанопоры, наночастицы.
Наиболее часто исследуемые объекты – наночастицы и мезопористые материалы, нанокомпозиты, углеродные нанотрубки (УНТ) – имеют малый средний атомный номер составляющих их элементов и, как правило, являются диэлектриками. Поэтому в JSM-7500F разрешение 1,4 нм при ускоряющем напряжении в 100 В может считаться именно "топографическим разрешением", поскольку из-за предельно малой длины пробега первичных электронов генерация сигнала ВЭ происходит в основном в области пятна электронного зонда на образце и, следовательно, сигнал формируется главным образом ВЭI.
По этой причине микроскоп JSM-7500F идеально подходит для исследования наночастиц, нанотрубок, нанопор и ступенек кристаллографического роста, структур на поверхности полимеров с характерными размерами 1–2 нм. При дальнейшем увеличении ускоряющего напряжения область генерации возрастает, начинают играть большую роль ВЭII, а наноструктуры на изображении образца становятся размытыми и "полупрозрачными".
На рис.5. показан спектр ВЭ, возникающий при облучении образца низкоэнергетическими электронами (включает истинно-вторичные и обратно-рассеянные электроны). Амплитуда пика низкоэнергетичных ВЭ с максимумом около 3–5 не зависит от характеристик образца и определяется в основном морфологией поверхности, а амплитуда пика обратнорассеянных электронов – функция плотности (среднего атомного номера) материала образца, и эти электроны позволяют получать на образце контраст по атомному номеру (Z-контраст). Фильтр электронов с тормозящим электростатическим полем имеет определенную энергию отсечки, что позволяет регистрировать вторичные и отраженные электроны в определенной пропорции. Изменение энергии отсечки позволяет менять соотношение вторичных и отраженных электронов в сигнале и получать от образца различную информацию, подмешивая к сигналу ВЭ сигнал отраженных электронов, тем самым добавляя к топографической информации Z-контраст, например, контрастируя наночастицы тяжелых металлов типа платины на легких углеродных подложках.
Благодаря встроенному энергетическому фильтру и возможности регистрации одним детектором изображений как в ВЭ, так и в отраженных электронах (смещением порога отсечки энергетического r-фильтра) можно одновременно наблюдать наноморфологию во вторичных электронах и распределение частиц с плотностью, отличающейся от плотности матрицы в отраженных электронах. На рис.6 изображен катализатор топливного элемента – наночастицы Pt на углеродной подложке. На рис.6а показано изображение в ВЭ, а на рис.6б – в отраженных электронах. Размер линейного масштабного маркера равен 100 нм. На рис.6б в отраженных электронах отчетливо наблюдаются светлые точки – частицы Pt с размерами 3–5 нм на фоне темного контраста углеродной подложки.
Применение низковольтного электронного пучка имеет еще один положительный эффект – при облучении ими диэлектрических образцов под поверхностью последних отсутствуют области поверхностного и объемного заряда. Существуют различные методы исследования диэлектрических материалов в РЭМ. Можно, например, напылить на поверхность тонкое проводящее покрытие (пленку золота, углерода). Однако метод не годится при исследовании наноматериалов, где даже самое тонкое проводящее покрытие может скрыть детали морфологии поверхности.
Другой метод основан на применении низковакуумного режима РЭМ (НВ РЭМ), в котором в камеру напускается немного газа под давлением 1–2 Торр, при этом ионы молекул газа, ионизированные частью электронов первичного пучка, компенсируют локальный заряд на поверхности образца. Метод НВ РЭМ не очень годится для исследования наноматериалов, поскольку в нем применяются пучки электронов с относительно высокой энергией, которые сильно рассеиваются как в остаточном газе в камере образцов, так и в образце и существенно снижают информативность при передаче нанорельефа поверхности образца. Низковакуумный режим также не обеспечивает полную компенсацию заряда в объеме образца, а лишь на его поверхности. Поскольку в обычных низковакуумных микроскопах используются относительно высокие ускоряющие напряжения (до 30 кэВ), в диэлектрическом образце могут создаваться области сильного объемного заряда, который будут приводить к поляризации приповерхностных слоев, нарушению передачи морфологического контраста вследствие того, что медленные ВЭ чрезвычайно чувствительны даже к самым малым потенциалам на поверхности образца. Объемный заряд может вызывать даже пробои внутренних структур в микроэлектронных приборах (подзатворных диэлектриков в полевых транзисторах и ключах). Для борьбы с образованием областей объемного заряда предпочтительно использовать низкоэнергетичные электронные пучки, которые не проникают глубоко под поверхность. Поэтому низковольтные микроскопы типа JSM-7500F предпочтительнее использовать при исследовании изделий наноэлектроники. Кроме того, низковольтные пучки не создают электростатического заряда на поверхности образца за счет того, что в области низких энергий первичных электронов коэффициент вторичной эмиссии равен 1.
На рис.7 приведена зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ) от ускоряющего напряжения. Низковольтный РЭМ ( область энергий – 0,1–0,5 кэВ) работает в окрестности первой точки пересечения кривой вторичной эмиссии с единичным значением ВЭЭ.
Благодаря этому в низковольтных РЭМ появляется возможность непосредственного изучения морфологии диэлектрических частиц и покрытий, нанокомпозитов, углеродных и других видов наноматериалов и наноструктур в их исходном состоянии.
На рис.8 показаны ступеньки кристаллического роста на поверхности полимерного кристалла в режиме деакселерации пучка. При переходе в стандартный режим наблюдения поверхность кристалла электростатически заряжается (за счет образования двойного слоя внутреннего заряда) и изображение ступенек на поверхности кристалла пропадает.
На рис.9а показана поверхность стекла (SiO2) после химического травления. Ускоряющее напряжение в режиме деакселерации составляет 100 В, увеличение на рис.9а ×20 000, на рис.9б – ×100 000, рабочее расстояние 1,5 мм. На рис.9 б отчетливо наблюдаются структуры размерами от 10 нм. Размеры линейного маркера внизу фотографии 9б составляют 100 нм.
На низковольтный микроскоп JSM-7500F может также устанавливаться энергодисперсионный спектрометр и система картин дифракции отраженных электронов для исследования кристаллической микроструктуры материалов. Конечно, использование иммерсионной линзы ограничивает возможность изучения картин дифракции отраженных электронов, поскольку в достигающем образца сильном магнитном поле линзы траектории обратнорассеянных электронов будут искривляться, что в целом приведет к искажению и развороту всей картины дифракции на экране. Однако поле линзы выходит из полюсного наконечника на небольшую длину, поэтому при увеличении рабочего расстояния от образца до объективной линзы оно уже не будет достигать поверхности образца, и при таких условиях возможно исследование кристаллической микроструктуры нанообъектов методом анализа картин дифракции отраженных электронов.
Таким образом, низковольтная растровая микроскопия высокого разрешения является незаменимым методом исследования наноматериалов, поскольку:
1. За счет малой длины пробега электронов с ускоряющим напряжением 100–200 эВ не происходит уширения области генерации ВЭII, поэтому изображение формируется, в основном, ВЭI, что обуславливает идеальные условия для передачи нанорельефа поверхности образца.
2. Низковольтные электронные пучки не создают областей объемного заряда под поверхностью диэлектрических наноматериалов и областей поляризации в глубине образца (многослойные материалы, МДП-структуры и приборы микроэлектроники), поэтому низковольтный РЭМ – идеальный прибор для тестирования микроэлектронной технологии (например, стенок фоторезиста после проявления) и микроэлектронных приборов без риска их повреждения.
3. Низковольтные электронные пучки не создают областей заряда на поверхности наноматериалов, что позволяет исследовать диэлектрические нанопорошки и другие наноструктурированные материалы без напыления на них.
4. Низковольтные РЭМ, имеющие функцию деакселерации электронов перед образцом, могут использоваться как обычные аналитические РЭМ, поскольку при повышении ускоряющего напряжения и увеличении рабочего расстояния можно пользоваться методами энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа и дифракции отраженных электронов.
Московское представительство компании "Интерактив Корп." Москва, 117312, ул. Губкина, д. 14, оф. 23
Тел.: +7(495) 748-20-07 Факс: +7(495) 748-20-07
http://www.intactive.ru
Особенность взаимодействия ускоренных электронных пучков, используемых в просвечивающих и растровых электронных микроскопах, рентгеноспектральных и оже-электронных микроанализаторах в том, что будучи намного меньше атомов, электроны, ускоренные до энергий, требуемых для формирования нанопучка диаметром 0,1–2 нм, достаточно глубоко проникают под поверхность материала и свободно рассеиваются в объеме образца под влиянием электростатических кулоновских взаимодействий с его атомами. На рис.1 приведены диаграммы рассеяния электронов в твердом теле. На рис.1(б) показано рассеяние электронного пучка с энергией 15 кэВ, вторичные и отраженные электроны, которые формируются высокоэнергетичным пучком.
Первичные электроны, испытывая многократное рассеяние внутри кристаллической структуры образца, генерируют вторичные электроны. Поскольку максимум их энергии находится в области 3–10 эВ, они могут выходить только из приповерхностных областей образца с глубины не более 1–2 нм. Максимум первичных электронов генерируется в непосредственной окрестности точки их попадания в образец, в области диаметра d0 электронного пучка, имеющего в современных РЭМ диаметр до 1 нм. Обратно рассеянные (или просто отраженные электроны), испытывающие многократное рассеяние внутри образца, могут с некоторой вероятностью выходить из поверхности на некотором расстоянии от точки попадания зонда, вызывая дополнительную эмиссию вторичных электронов II типа (ВЭII), которые в отличие от вторичных электронов I типа (ВЭI), генерируемых электронным пучком непосредственно в электронном пятне, ухудшают пространственное разрешение в результате уширения области генерации сигнала в РЭМ.
Области генерации ВЭI и ВЭII имеют разные размеры. В то время, как эмиссия ВЭI осуществляется в основном из области, примерно равной диаметру электронного зонда на образце, эмиссия ВЭII происходит из гораздо большей области (которая в различных материалах может на два-три порядка превосходить область генерации ВЭI). В результате сложения вкладов от ВЭI и ВЭII образуется профиль генерации сигнала вторичных электронов на различных расстояниях от точки попадания зонда диаметром d0 в образец (рис.2).
Исследование наноматериалов требует максимального уменьшения латеральных размеров области генерации сигналов в микроскопе. В идеале профиль сигнала должен быть представлен только ВЭI (см. рис.2а). Этого можно добиться путем снижения ускоряющего напряжения до величин порядка 100 эВ, когда длина пробега электронов в образце пренебрежимо мала (1–2 нм) и минимизируется латеральный размер области генерации ВЭII. Тем самым становится очевидной тенденция развития РЭМ для исследования наноструктур: уже разработаны РЭМ, имеющие предельно низкие значения энергии взаимодействия первичных электронов с образцом. Поскольку электронно-оптическая колонна РЭМ из-за сильного влияния хроматических и сферических аберраций не позволяет сформировать пучок электронов диаметром около 1 нм при ускоряющих напряжениях ниже 1 эВ, недавно фирмой JEOL был предложен вариант – осуществлять торможение первичных электронов более высокой энергии (1–2 кэВ) непосредственно перед их попаданием в образец, т.е. реализовать принцип деакселерации электронов в тормозящем поле перед образцом подачей на него отрицательного смещения. Тем самым была решена задача минимизации уширения диаметра зонда в образце в результате электронного рассеяния при сохранении на нем минимального диаметра зонда.
С использованием режима деакселерации в современных РЭМ возможно получение предельно малой энергии взаимодействия первичного пучка с образцом вплоть до 100 эВ. При такой энергии сфокусированный пучок первичных электронов (электронный зонд) имеет диаметр около 1,4 нм.
На рис.3 показана схема работы низковольтного РЭМ в нормальном режиме (см. рис.3а) и в режиме деакселерации пучка (см. рис.3б). Из таблицы (см. рис.3в) видно, что энергия взаимодействия первичных электронов с образцом, равная 100 эВ, может быть достигнута при различных условиях работы РЭМ. Эту энергию можно получать, например, при ускоряющих напряжениях 800, 1600 и 2100 В и напряжениях смещения на образце – 700, 1500 и 2000 В, соответственно. В каждом случае разность значений ускоряющего напряжения и тормозящего потенциала составляет 100 В.
При разработке низковольтного РЭМ должна быть решена проблема сохранения малого диаметра зонда при существенном снижении вплоть до самых низких значений порядка 100 В эффективного ускоряющего напряжения. Для этого стандартная термоэмиссионная электронная пушка с вольфрамовым термокатодом должна быть заменена на острийный полевой катод с холодной эмиссией электронов, имеющий температуру 300 К; вместо обычной объективной линзы необходимо использовать специальную линзу с малыми аберрациями; обычный детектор вторичных электронов типа Эверхарта-Торнли заменяется на детектор, встроенный в объективную линзу с фильтром энергии электронов.
Полевая электронная пушка с холодным катодом необходима для снижения влияния хроматических аберраций за счет уменьшения теплового разброса электронов по энергиям (при низких энергиях первичных электронов E0 большое значение теплового разброса ∆E = 2–3 эВ у термокатода сильно увеличивает отношение ∆E/E0, от которого зависит величина хроматической аберрации), иммерсионная объективная линза – для снижения сферических аберраций, а встроенный в линзу верхний детектор вторичных и отраженных электронов – для повышения эффективности сбора сигнала при малых токах пучка и малом рабочем расстоянии (1,5–1,7 мм), когда падает эффективность нижнего детектора ВЭ (типа Эверхарта-Торнли).
Рассмотрим типичные характеристики автоэмиссионного низковольтного РЭМ сверхвысокого разрешения модели JSM-7500F (рис.4а), в котором решена вышеуказанная проблема. Микроскоп включает в себя электронную пушку с холодным полевым катодом, объективную иммерсионную линзу со встроенным детектором вторичных электронов и электростатическим фильтром электронов по энергиям (рис.4б), а также схему подачи на образец отрицательного тормозящего напряжения.
Такой РЭМ позволяет получать сверхвысокое разрешение даже при самых низких ускоряющих напряжениях. Например, при ускоряющем напряжении всего 100 В можно получить разрешение 1,4 нм, а при 15 кВ предельное разрешение достигает 1 нм. Максимальное увеличение микроскопа составляет ×1000000. Возможность работы при сверхнизких ускоряющих напряжениях (вплоть до 0,1 кВ), специальный детектор вторичных электронов внутри объективной линзы и фильтр энергии электронов, расположенный перед этим детектором, позволяют получать принципиально новую информацию о наноморфологии поверхности образца с добавлением информации о плотности различных участков образца (частиц, включений и пр.). Хотя разрешение при 100 В ниже, чем при 15 кВ, передача деталей наноморфологии или так называемое "топографическое" разрешение повышается, что улучшает наблюдение таких объектов, как наноступеньки, нанопоры, наночастицы.
Наиболее часто исследуемые объекты – наночастицы и мезопористые материалы, нанокомпозиты, углеродные нанотрубки (УНТ) – имеют малый средний атомный номер составляющих их элементов и, как правило, являются диэлектриками. Поэтому в JSM-7500F разрешение 1,4 нм при ускоряющем напряжении в 100 В может считаться именно "топографическим разрешением", поскольку из-за предельно малой длины пробега первичных электронов генерация сигнала ВЭ происходит в основном в области пятна электронного зонда на образце и, следовательно, сигнал формируется главным образом ВЭI.
По этой причине микроскоп JSM-7500F идеально подходит для исследования наночастиц, нанотрубок, нанопор и ступенек кристаллографического роста, структур на поверхности полимеров с характерными размерами 1–2 нм. При дальнейшем увеличении ускоряющего напряжения область генерации возрастает, начинают играть большую роль ВЭII, а наноструктуры на изображении образца становятся размытыми и "полупрозрачными".
На рис.5. показан спектр ВЭ, возникающий при облучении образца низкоэнергетическими электронами (включает истинно-вторичные и обратно-рассеянные электроны). Амплитуда пика низкоэнергетичных ВЭ с максимумом около 3–5 не зависит от характеристик образца и определяется в основном морфологией поверхности, а амплитуда пика обратнорассеянных электронов – функция плотности (среднего атомного номера) материала образца, и эти электроны позволяют получать на образце контраст по атомному номеру (Z-контраст). Фильтр электронов с тормозящим электростатическим полем имеет определенную энергию отсечки, что позволяет регистрировать вторичные и отраженные электроны в определенной пропорции. Изменение энергии отсечки позволяет менять соотношение вторичных и отраженных электронов в сигнале и получать от образца различную информацию, подмешивая к сигналу ВЭ сигнал отраженных электронов, тем самым добавляя к топографической информации Z-контраст, например, контрастируя наночастицы тяжелых металлов типа платины на легких углеродных подложках.
Благодаря встроенному энергетическому фильтру и возможности регистрации одним детектором изображений как в ВЭ, так и в отраженных электронах (смещением порога отсечки энергетического r-фильтра) можно одновременно наблюдать наноморфологию во вторичных электронах и распределение частиц с плотностью, отличающейся от плотности матрицы в отраженных электронах. На рис.6 изображен катализатор топливного элемента – наночастицы Pt на углеродной подложке. На рис.6а показано изображение в ВЭ, а на рис.6б – в отраженных электронах. Размер линейного масштабного маркера равен 100 нм. На рис.6б в отраженных электронах отчетливо наблюдаются светлые точки – частицы Pt с размерами 3–5 нм на фоне темного контраста углеродной подложки.
Применение низковольтного электронного пучка имеет еще один положительный эффект – при облучении ими диэлектрических образцов под поверхностью последних отсутствуют области поверхностного и объемного заряда. Существуют различные методы исследования диэлектрических материалов в РЭМ. Можно, например, напылить на поверхность тонкое проводящее покрытие (пленку золота, углерода). Однако метод не годится при исследовании наноматериалов, где даже самое тонкое проводящее покрытие может скрыть детали морфологии поверхности.
Другой метод основан на применении низковакуумного режима РЭМ (НВ РЭМ), в котором в камеру напускается немного газа под давлением 1–2 Торр, при этом ионы молекул газа, ионизированные частью электронов первичного пучка, компенсируют локальный заряд на поверхности образца. Метод НВ РЭМ не очень годится для исследования наноматериалов, поскольку в нем применяются пучки электронов с относительно высокой энергией, которые сильно рассеиваются как в остаточном газе в камере образцов, так и в образце и существенно снижают информативность при передаче нанорельефа поверхности образца. Низковакуумный режим также не обеспечивает полную компенсацию заряда в объеме образца, а лишь на его поверхности. Поскольку в обычных низковакуумных микроскопах используются относительно высокие ускоряющие напряжения (до 30 кэВ), в диэлектрическом образце могут создаваться области сильного объемного заряда, который будут приводить к поляризации приповерхностных слоев, нарушению передачи морфологического контраста вследствие того, что медленные ВЭ чрезвычайно чувствительны даже к самым малым потенциалам на поверхности образца. Объемный заряд может вызывать даже пробои внутренних структур в микроэлектронных приборах (подзатворных диэлектриков в полевых транзисторах и ключах). Для борьбы с образованием областей объемного заряда предпочтительно использовать низкоэнергетичные электронные пучки, которые не проникают глубоко под поверхность. Поэтому низковольтные микроскопы типа JSM-7500F предпочтительнее использовать при исследовании изделий наноэлектроники. Кроме того, низковольтные пучки не создают электростатического заряда на поверхности образца за счет того, что в области низких энергий первичных электронов коэффициент вторичной эмиссии равен 1.
На рис.7 приведена зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ) от ускоряющего напряжения. Низковольтный РЭМ ( область энергий – 0,1–0,5 кэВ) работает в окрестности первой точки пересечения кривой вторичной эмиссии с единичным значением ВЭЭ.
Благодаря этому в низковольтных РЭМ появляется возможность непосредственного изучения морфологии диэлектрических частиц и покрытий, нанокомпозитов, углеродных и других видов наноматериалов и наноструктур в их исходном состоянии.
На рис.8 показаны ступеньки кристаллического роста на поверхности полимерного кристалла в режиме деакселерации пучка. При переходе в стандартный режим наблюдения поверхность кристалла электростатически заряжается (за счет образования двойного слоя внутреннего заряда) и изображение ступенек на поверхности кристалла пропадает.
На рис.9а показана поверхность стекла (SiO2) после химического травления. Ускоряющее напряжение в режиме деакселерации составляет 100 В, увеличение на рис.9а ×20 000, на рис.9б – ×100 000, рабочее расстояние 1,5 мм. На рис.9 б отчетливо наблюдаются структуры размерами от 10 нм. Размеры линейного маркера внизу фотографии 9б составляют 100 нм.
На низковольтный микроскоп JSM-7500F может также устанавливаться энергодисперсионный спектрометр и система картин дифракции отраженных электронов для исследования кристаллической микроструктуры материалов. Конечно, использование иммерсионной линзы ограничивает возможность изучения картин дифракции отраженных электронов, поскольку в достигающем образца сильном магнитном поле линзы траектории обратнорассеянных электронов будут искривляться, что в целом приведет к искажению и развороту всей картины дифракции на экране. Однако поле линзы выходит из полюсного наконечника на небольшую длину, поэтому при увеличении рабочего расстояния от образца до объективной линзы оно уже не будет достигать поверхности образца, и при таких условиях возможно исследование кристаллической микроструктуры нанообъектов методом анализа картин дифракции отраженных электронов.
Таким образом, низковольтная растровая микроскопия высокого разрешения является незаменимым методом исследования наноматериалов, поскольку:
1. За счет малой длины пробега электронов с ускоряющим напряжением 100–200 эВ не происходит уширения области генерации ВЭII, поэтому изображение формируется, в основном, ВЭI, что обуславливает идеальные условия для передачи нанорельефа поверхности образца.
2. Низковольтные электронные пучки не создают областей объемного заряда под поверхностью диэлектрических наноматериалов и областей поляризации в глубине образца (многослойные материалы, МДП-структуры и приборы микроэлектроники), поэтому низковольтный РЭМ – идеальный прибор для тестирования микроэлектронной технологии (например, стенок фоторезиста после проявления) и микроэлектронных приборов без риска их повреждения.
3. Низковольтные электронные пучки не создают областей заряда на поверхности наноматериалов, что позволяет исследовать диэлектрические нанопорошки и другие наноструктурированные материалы без напыления на них.
4. Низковольтные РЭМ, имеющие функцию деакселерации электронов перед образцом, могут использоваться как обычные аналитические РЭМ, поскольку при повышении ускоряющего напряжения и увеличении рабочего расстояния можно пользоваться методами энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа и дифракции отраженных электронов.
Московское представительство компании "Интерактив Корп." Москва, 117312, ул. Губкина, д. 14, оф. 23
Тел.: +7(495) 748-20-07 Факс: +7(495) 748-20-07
http://www.intactive.ru
Отзывы читателей
