19859

Понятие контраста в растровом электронном микроскопе. Определение предельного разрешения РЭМ. Формирование топографического контраста в РЭМ

Лекция

Физика

Лекция 24 Понятие контраста в растровом электронном микроскопе. Определение предельного разрешения РЭМ. Формирование топографического контраста в РЭМ. Для того чтобы на экране ЭЛТ можно было наблюдать картину отображения образца необходимо чтобы интенсивность свеч

Русский

2013-07-18

553 KB

6 чел.

Лекция 24

Понятие контраста в растровом электронном микроскопе. Определение предельного разрешения РЭМ. Формирование топографического контраста в РЭМ.

Для того чтобы на экране ЭЛТ можно было наблюдать картину отображения образца, необходимо, чтобы интенсивность свечения соседних пикселей была различной. Для того чтобы количественно описать это требование необходимо ввести понятие контрастности изображения.

Если в двух пикселях экрана 1 и 2 (для глаза это соответственно точки) величина одного и того же вторичного излучения, в котором формируется отображение образца, различна по величине и, соответственно различен сигнал S, модулирующий яркость ЭЛТ, то принимается, что существует контрастность изображения между этими точками и мерой контраста является величина

(24.1)

где S1 и S2 – сигнал от элементов изображения 1 и 2, Sср – усредненный по всем элементам уровень сигнала.

Так как картинка на экране ЭЛТ предназначена для человеческого глаза, то применим критерий Рэлея: точки разрешаются (т.е. воспринимаются раздельно), если минимальная интенсивность в промежутке не больше ¾ максимальной интенсивности, т.е. S должно быть > ¼ Smax. Отсюда следует, что два соседних пикселя на ЭЛТ будут восприниматься раздельно, если их контрастность С не меньше 0,25.

При сканировании электронного зонда по одному и тому же участку образца величина  будет меняться, так как коэффициент отражения и коэффициент вторичной электронной эмиссии являются статистическими величинами. Необходимо четко понимать: РЭМ – считывающее устройство дискретных событий. Для дискретных событий всегда существуют флуктуации в счете. Если n – среднее число отсчетов, то отклонение от среднего есть . Подобное случайное изменение полезных сигналов называется шумом. Мера качества сигнала – отношение величины сигнала к шуму. Для рассматриваемого случая сигнал есть n – среднее число электронов с элемента изображения, а шум – . Поэтому должно выполняться условие

dS  5.

Таким образом, для того чтобы контраст С имел место необходимо условие

(24.2)

Величина n определяет минимальное значение среднего числа электронов, которые должны попасть за время t0 на каждый элемент изображения, при условии, что = 1 и все вышедшие из образца электроны попали в детектор, для того чтобы наблюдался заданный контраст.

Считая, что отношение сигнал/шум не меняется на этапах усиления сигнала и воспроизведения на экране ЭЛТ, можно оценить минимально необходимый ток электронного зонда.

Время нахождения зонда на элементе изображения t0 = tк /106, где tк – время сканирования зонда по всему растру. Отсюда, считая, что образец обеспечивает контраст ¼, минимальный ток зонда

(24.3)

где Imin – в А, tк – в секундах.

Яркость электронных пушек = 4I /2d 22 в настоящее время ~ 105 А/см2ср. Отсюда можно оценить диаметр пучка, т.е. размер элемента изображения. Для угла расходимости = 510-3 радиан, tк = 100 с (больше сделать затруднительно из-за временной нестабильности тока зонда), получаем d = 30 Å. Такому размеру элемента изображения отвечает увеличение М = 30 000.

Еще раз отметим, что приведенная оценка базировалась на следующих основных предположениях:

  1.  Образец способен создать контраст ¼.
  2.  Коэффициент электрон-электронной эмиссии = 1 и эффективность сбора электронов = 1.

Если любое из них не выполняется, то необходим больший ток электронного зонда, что автоматически приводит к большим размерам элемента изображения, т.е. к худшей разрешающей способности РЭМ. Уменьшение d возможно при увеличении яркости. Именно по этому пути эволюционируют растровые электронные микроскопы. Использование автоэмиссионных катодов, имеющих большие значения яркости, выигрыша не дает из-за их временной нестабильности (маленькие tк).

Формирование топографического контраста в РЭМ обусловлено угловыми характеристиками отраженных и вторичных электронов. На рис. 24.1. показано формирование контраста в отраженных электронах. Для того чтобы исключить попадание в детектор вторичных электронов на его экран подается потенциал – 50 В. Так как максимальный выход отраженных электронов в случае наклонного падения направлен в направлении зеркального отражения, то с участков образца 1 и 3 сигнала в отраженных электронах практически не будет. С участков 2 и 4 сигнал будет максимальным при расположении детектора, показанного на рисунке. Перемещая детектор, можно добиться того, что сигнал с участков 2 и 4 практически пропадет, а с участка 3, наоборот, сделается максимальным. Величина контраста в приведенном примере определяется различием в числе электронов, отраженных различными участками образца.

Формирование контраста во вторичных электронах показано на рис. 24.2. В этом случае на экран детектора подается потенциал + 250 В, который втягивает вторичные электроны (синие стрелки) в детектор.

Рис.24.2

Контраст во вторичных электронах формируется за счет того, что коэффициент выхода вторичных электронов зависит от угла падения первичного пучка на образец () = /cos, где – коэффициент выхода вторичных электронов при облучении по нормали к поверхности. Поэтому количество вторичных электронов с участка 1 максимально, а с участков 2 и 3 примерно равны друг другу. Следует иметь в виду, что отраженные электроны также попадут в детектор, поэтому к контрасту во вторичных электронах добавляется контраст в отраженных электронах. Поэтому максимальный сигнал с детектора даст участок 4 – большое количество как вторичных, так и отраженных электронов. Если переместить детектор, то ситуация может измениться.

Вторичные электроны способны создать очень большой топографический контраст. Посчитаем контраст во вторичных электронах для двух участков образца, наклоненных относительно нормали к поверхности под углами 1 и 2. В этом случае контраст

.

При 1 = 30о и 2 = 60о получается величина контраста C = 0,54. Даже при близких углах, например, 1 = 60о и 2 = 65о C = 0,17.

Вышеприведенные выводы проиллюстрированы микрофотографиями, полученными при разных режимах работы РЭМ.

На рис. 24.3 приведены фотографии одного и того же участка напыленной золотой пленки, снятые при одинаковом увеличении М = 36 000 при различных ускоряющих напряжениях.

Видно, что разрешение лучше при большем ускоряющем напряжении.

Рис. 24.3

На рис. 24.4 приведены фотографии одного и того же участка керамического образца, снятые при одинаковом увеличении М = 5400 и ускоряющем напряжении 10 кВ при различных значениях Iз.

Видно, что большим значениям тока соответствует лучшее разрешение.

Рис. 24.4

Влияние расположения детектора показано на фотографиях, приведенных на рис. 24.5.

Снят один и тот же участок поверхности асбестовой нити при увеличении М = 2 200, ускоряющем напряжении 7 кВ при различных ориентациях детектора.

Рис. 24.5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

85432. Роль структури у формуванні пошкоджень кузовів вагонів при експлуатації 7.84 MB
  На сьогодні залізничний транспорт є найважливішою та однією з ключових галузей економіки України. З кожним роком за рахунок старіння парку пасажирського рухомого складу витрати на його утримання і ремонт підвищуються, що приводить до зниження його ефективності на ринку компаній перевізників.
85433. ПАСКАЛЬ ТІЛІНІҢ НЕГІЗГІ ТҮСІНІКТЕРІ 751.93 KB
  Паскаль қазіргі кезде дүние жүзіне кең тараған, электронды есептеу машинасына тәуелсіз, әмбебап тіл. Borland фирмасы Pascal тілінің бірнеше версияларын ойлап шығарды. Соның ішінде қазіргі кезде соңғы Turbo Pascal 7.0 версиясы кеңінен қолданылады.
85434. Разработка системы компьютерной обработки и описания изображений 81 KB
  Исходные данные к проекту: Теоретическая информация о принципах работы с изображениями, алгоритмы обработки изображения. Основы контурного анализа. Описание алгоритмов выделения контура объекта на изображении. Перечень искомых результатов: Реализованный программный продукт для обработки изображений.
85435. Проект гидравлического привода поступательного движения 391.78 KB
  Простота предохранения приводного двигателя и исполнительных органов машин от перегрузок; например если усилие на штоке гидроцилиндра становится слишком большим такое возможно в частности когда шток соединённый с рабочим органом встречает препятствие на своём пути то давление в гидросистеме достигает...
85436. Визначення матеріальних потреб виробництва 1.03 MB
  Робота може слугувати прикладом реальних розрахунків матеріальних потреб та сучасного планування на підприємствах і може бути корисною для студентів вищих навчальних закладів під час вивчення дисципліни «Операційний менеджмент», а також як зразок планування виробництва на діючих підприємствах.
85437. ТРАНСФОРМАТОР ПИТАНИЯ МАЛОЙ МОЩНОСТИ 80.29 KB
  В зависимости от назначения трансформаторы могут иметь различную конструкцию. Трансформатором малой мощности называется трансформатор, габаритная мощность которого не превосходит величины в несколько тысяч вольт – ампер.
85438. Расчет статической и динамической устойчивости электрической системы 593.5 KB
  Для электрической системы схема которой приведена на рисунке 1 определим идеальные пределы мощности генераторов Г1 первой станции ЭС1 и коэффициенты запаса статической устойчивости при передаче мощности от первой станции к точке потокораздела. Составим схему замещения электрической системы...
85439. Послуги харчування, обслуговування та організації дозвілля ресторану «Енергія» 938.5 KB
  Розвиток ринкових відносин у нашій країні витиснув багаторічну монополію на сферу ресторанного бізнесу. Україна стрімко ввійшла в ХХІ століття, яке надає чимало нових можливостей. Економічні зміни обумовили відродження вітчизняного бізнесу, закладеного в багатій культурній та історичній спадшині ресторанної справи України.