Методичні рекомендації до лабораторної роботи „




Скачати 264.25 Kb.
НазваМетодичні рекомендації до лабораторної роботи „
Сторінка1/2
Дата конвертації01.02.2014
Розмір264.25 Kb.
ТипМетодичні рекомендації
uchni.com.ua > Фізика > Методичні рекомендації
  1   2





Методичні рекомендації

до лабораторної роботи

Растровий електронний мікроскоп”

із курсу

Фізична мікроелектроніка”

для студентів радіофізичного факультету

Растровий електронний мікроскоп

1. Мета роботи.

  1. Ознайомлення з будовою та принципами роботи растрового електронного мікроскопа (РЕМ).

1.2.Дослідження мікрорельєфу зразків. Визначення типів контрасту. розрахунок величини контрасту.

1.3.Засвоєння методики визначення збільшення в РЕМ.

2. Порядок виконання роботи

2.1. Вивчити опис до роботи.

2.2. Установити у камеру об’єктів РЕМ зразки, запропоновані викладачем.

2.3. Отримати зображення зразків при прискорюючій напрузі 30 кеВ, визначити тип контрасту, пояснити принцип формування зображення та контрасту.

2.4. Отримати на екрані осцилографа відеосигнал зі зразка. Визначити відповідність зміни амплітуди сигналів на осцилографі градаціям яскравості на екрані ЕПТ, заміряти амплітуди, вирахувати контраст за формулою (14).

  1. За допомогою оптичного мікроскопа БІОЛАМ визначити розміри кроку сіточки, що використовується для градуювання збільшення в РЕМ.

  2. Помістити сіточку в камеру зразків РЕМ та отримати її зображення при прискорюючій напрузі 30 кеВ. Пояснити принцип зміни збільшення в РЕМ.

  3. Заміряти на екрані лінійкою розмір кроку сіточки (або плетива). Вирахувати збільшення за формулою

М = S1/S2,

де Si1 - розмір зображення на екрані ЕПТ, a S2 - розмір, визначений за допомогою БІОЛАМа.

2.8. Порівняти отримані величини з показниками індикатора збільшення РЕМ. Проаналізувати розходження результатів вимірів та показниками індикатора.

2.9. Скласти звіт про зроблену роботу, в який включити:

- теоретичні основи формування зображення та контрасту в РЕМ;

- блок-схему РЕМ;

- результати розрахунку контрасту та збільшення;

- короткі висновки.

^ РАСТРОВИЙ ЕЛЕКТРОННИЙ МІКРОСКОП

1. Вступ

Растровий електронний мікроскоп (РЕМ) - це прилад, що дозволяє на мікронному та субмікронному рівнях спостерігати та .вивчати органічні та неорганічні матеріали, їх поверхню та явища, що проходять на них. В РЕМ ділянка зразка (об’єкта, твердого тіла), що вивчається, опромінюється сфокусованим електронним пучком, який розвертається у растр по поверхні зразка. При взаємодії електронного пучка з поверхнею виникають різні типи сигналів, що обумовлені вторинними електронами, відбитими електронами, оже-електронами, характеристичним і гальмівним рентгенівським випромінюванням, фотонами з різними енергіями. Ці сигнали можуть бути використані для дослідження багатьох характеристик об'єкта (складу, топографії поверхні, кристалографічної орієнтації тощо).

В РЕМ найбільший інтерес являють сигнали, що утворюються вторинними та відбитими електронами, оскільки вони змінюються при змінах у топографії поверхні в міру того, як електронний промінь сканує зразок. Вторинна електронна емісія виникає в об'ємі зразка поблизу ділянки падіння променя, що дозволяє отримувати зображення з відносно високою роздільною здатністю. Об'ємність зображення виникає за рахунок великої глибини фокуса РЕМ.

На рис.1 приведена блок-схема приладу. Принцип дії його такий. Електронний зонд, що формується електронно - оптичною системою, яка складається з джерела електронів та трьох електромагнітних лінз, розгортається на зразку у растр растровими котушками. Сигнал вторинних електронів детектується та після підсилення подається на модулятор електронно-променевої трубки (ЕПТ), тобто управляє яскравістю променя на екрані. Сканування електронного зонду по поверхні зразка та променя ЕПТ здійснюється від одного генератора. Оскільки при переміщенні зонда по зразку від точки до точки змінюється кількість вторинних електронів, що виходять з його, то відповідно змінюється яскравість на екрані, створюючи зображення поверхні. Збільшення зображення дорівнює відношенню лінійних розмірів растрів на екрані ЕПТ і на зразку та може змінюватися при зміні струму в растрових котушках.

2 Взаємодія електронного пучка зі зразком
2.1 Розсіювання електронів у твердому тілі

Електронно-оптична система мікроскопа, що формує пучок, управляє його параметрами, а саме, енергією, діаметром, струмом та розходженням. Типові пучки складаються з електронів, траєкторії яких майже паралельні, з розходженням ≤10-2 рад (0,5°), які фокусуються на зразку в маленьке коло діаметром від 5 нм до 1 мкм. Зображення в РЕМ будується з інформації, що отримується з таких "точок", в яких пучок при скануванні опромінює зразок. Ясно, що для отримання растрових зображень в РЕМ з високою просторовою роздільною здатністю основною вимогою є малий діаметр пучка. В ідеальному випадку діаметр ділянки, з якої знімається інформація пучком зі зразка, дорівнює діаметру пучка. Однак, в дійсності це не реалізується через явища розсіювання електронів. В загальному випадку розсіювання означає взаємодію між електронами пучка та атомами зразка, яке проявляється у змінах траєкторії та (або) енергії електронів пучка. Існує два типи розсіювання електронів: пружне та непружне.

2.1.1 Пружне розсіювання

Пружне розсіювання відбувається за рахунок зіткнень електронів з високою енергією з ядрами атомів, які частково екрановані електронами. Перетин (ймовірність) пружного розсіювання описується за допомогою моделі Резерфорда і дорівнює

σ(>φ0)=1,62·10-20Z/Е)2ctg20/2)кільк.зіткнень/електрон(атом/см2) (1)

де φ0 - кут між напрямком падіння та розсіювання електрона, σ(>φ0) > ймовірність розсіювання на кут, що перевищує φ0, Z - атомний номер атому, що розсіює, Е - енергія електрона (кеВ)

Як видно з рівняння (1) ймовірність пружного розсіювання сильно залежить від атомного номера зразка і енергії пучка електронів, а при наближенні φ0 до нуля - зростає до безкінечності.

При пружному розсіюванні, змінюється напрямок вектора швидкості електрона, а її величина залишається практично незмінною, так, що кінетична енергія не змінюється. Від електрона, що падає на поверхню, зразку передається енергія менше 1 еВ, що зневажливо мало порівняно з його первісною енергією, яка звичайно дорівнює 5 - 50 кеВ. Електрон відхиляється від напрямку падіння на кут , який приймає значення від 0 до 180°.
2.1.2 Непружнє розсіювання

Непружнє розсіювання обумовлено двома механізмами – непружною взаємодією з ядрами атомів та зі зв'язаними електронами.

Існує декілька можливих процесів непружного розсіювання, що являють інтерес для растрової електронної мікроскопії та рентгенівського мікроаналізу (більшість РЕМ оснащені системами для рентгенівського мікроаналізу):

а) ^ Збудження електронів провідності, що приводить до емісії повільних вторинних електронів. Взаємодія електронного пучка з твердим тілом може призвести, до вивільнення слабо зв’язаних електронів зони провідності. Ці електрони, що вилетіли, називаються вторинними електронами, більшість з яких має первинну кінетичну енергію 0-50 еВ.

б) Іонізація внутрішніх оболонок атома. Електрон, що має достатньо високу енергію, при взаємодії з атомом може викликати звільнення сильно зв'язаного електрона з внутрішніх оболонок. Наступна релаксація цього збудженого стану приводить до емісії характеристичного рентгенівського випромінювання та виникненню оже-електрона.

в) ^ Гальмівне або безперервне рентгенівське випромінювання. Електрон пучка з високою енергією може зазнавати гальмування в кулонівському полі атома. Втрати енергії електронного пучка при такому гальмуванні перетворюються у кванти рентгенівського випромінювання, яке називають гальмівним рентгенівським випромінюванням.

Непружне розсіювання відбувається за рахунок багатьох дискретних процесів, у яких твердому тілу передається різна енергія, величина якої залежить від сили кожної взаємодії. Перетин розсіювання індивідуальних процесів для всіх мішеней отримати важко. В багатьох розрахунках розглядають всі непружні процеси, що створюють безперервні втрати енергії, що згруповані разом. Втрата енергії на одиницю довжини у твердому тілі дорівнює

(2)

де е - заряд електрона, N0 - число Авогадро, Z - атомний номер, А - атомна вага, ρ - густина, Еm - середня енергія електрона на шляху, І - середній потенціал іонізації. Середній потенціал іонізації, що являє середню втрату енергії на взаємодію при врахуванні всіх можливих процесів втрат енергії, дорівнює

І = (9,76 Z + 58,5 Z0,19) 10-3 кеВ (3)

Треба врахувати, що х - це відстань вздовж траєкторії, яка за рахунок пружного розсіювання відхиляється від прямої лінії.

Таким чином, за виключенням плівок, товщина яких менше довжини вільного пробігу, при розрахунку втрат енергії в плівках і масивних зразках для непружного розсіювання потрібно вводити корекцію на додаткове збільшення шляху під впливом пружного розсіювання.

Теорія, яка враховує наближення безперервних втрат енергії, приводить до введення гальмівної здатності ^ S, яка визначається, як

S = - 1/ρ dE/dx (4)

S зменшується при збільшенні атомного номера (наприклад, при 20 кеВ для алюмінію на 50% більше, ніж для золота).

2.2 Область взаємодії

Процеси пружного та непружного розсіяння конкурують між собою. За рахунок пружного розсіяння електрони пучка відхиляються від їх первісного напрямку руху. Непружне розсіяння значно зменшує енергію електрона пучка до тих пір, поки він не буде захоплений твердим тілом, що обмежує довжину пересування електрона. Область, в середині якої електрони пучка взаємодіють з твердим тілом із втратою енергії, в результаті чого виникають перераховані вище процеси, називається областю взаємодії. Знання розміру та форми області взаємодії та їх залежності від характеристик зразка та параметрів пучка надзвичайно необхідно для точної інтерпретації зображень з РЕМ та рентгенівського мікроаналізу.

За допомогою модельних розрахунків та експериментів встановлено, що область взаємодії для зразка з низьким Z має грушоподібну форму (рис.2). В приповерхневому шарі завдяки перевазі процесів непружного розсіяння електрони зазнають відносно мале кутове розсіювання і утворюють вузьку ділянку грушоподібного об'єму. Поступово електрони втрачають енергію, а при менших енергіях пружне розсіяння стає більш імовірним, що випливає з рівняння (1). При пружній взаємодії електрони відхиляються від їх первинного напрямку руху і розсіювання в поперечному напрямку призводить до утворення широкої частини грушоподібної області взаємодії.

Зі зростанням Z лінійні розміри області взаємодії при фіксованій енергії пучка зменшуються за рахунок зростання перетину пружного розсіювання, що випливає з рівняння (1), бо σ~Z2. В об’єктах з високим Z електрони зазнають більше пружних зіткнень на одиницю довжини і середній кут розсіювання для них більший, ніж в об’єктах з малим Z.

Таким чином, траєкторії електронів намагаються відхилитися від первісного напрямку руху і глибина їх проникнення в тверде тіло зменшується. Форма області взаємодії також суттєво змінюється в залежності від Z. Вона змінюється від грушоподібної для об'єктів з низьким Z до майже сферичної, що перетинається площиною поверхні, для об'єктів з високим Z (рис.2).

Розмір області взаємодії сильно залежить від енергії електронів, що падають на об'єкт. З рівнянь (1) та (2) видно, що вона збільшується з ростом енергії, бо перетин пружного розсіювання обернено пропорційний квадрату енергії: σ ~ 1/Е2. Таким чином, зі зростанням Е траєкторії електронів поблизу поверхні спрямляються і вони глибше проникають в тверде тіло перед тим як ефекти багатократного розсіяння приведуть до розвороту частини електронів та їх прямуванню назад до поверхні. Швидкість втрат енергії, як це випливає з (2), обернено пропорційна енергії dE/dx - 1/Е. За вищих енергій електрони можуть проникати на більші глибини, тому що вони зберігають більшу частину первісної енергії після проходження того самого відрізку шляху. Однак форма області взаємодії суттєво не змінюється при змінах енергії пучка електронів.
2.2.1 Довжина пробігу електронів

Довжина пробігу електронів R визначається як середня повна відстань, що вимірюється від поверхні зразка, яку електрон проходить в зразку вздовж траєкторії. Для електронів, що падають, довжина пробігу та розмір області взаємодії є величинами одного порядку, тому що вони визначаються кількістю актів пружного розсіяння. R є функцією від енергії падаючих електронів Е0

(5)

Якщо в (5) підставити (2), то можна визначити довжину пробігу, яка обернено пропорційна ρ. Тому зручно використовувати так звану масову довжину пробігу

(6).

Довжина пробігу електронів ^ R зростає за збільшення енергії електронного пучка і зменшення атомного номера. На відміну від цього масова довжина пробігу ρR збільшується за збільшення атомного номера за рахунок загального збільшення густини за збільшення атомного номера. Через те, що при пружних зіткненнях стається неодноразова зміна напрямку руху, реальні траєкторії сильно відрізняються від прямої, що проведена перпендикулярно поверхні твердого тіла в точці падіння електронів. Таким чином, довжина пробігу електронів є більшою, ніж виміряний від поверхні максимальний розмір області взаємодії.

Врахування впливу пружного та непружного розсіяння шляхом вибору закону втрат енергії при отриманні значення ^ R дає більш точне наближення для розміру області взаємодії по глибині R*. Розрахунки для цього випадку дають такий вираз для R*

R* - 0,0276 A E01,67/Z0,9ρ [мкм] (7)

де E0 - дається в кеВ, А - г/моль, ρ - г/см2. Цю довжину пробігу можна інтерпретувати як радіус напівкола з центром в точці падіння пучка, яка визначає обвідну траєкторій електронів в зразку (рис.2). Значення R* та R, що визначені за різними наближеннями, подані в Таблиці 1.

Таблиця 1 - Порівняння різних значень довжини пробігу електронів (в мкм)

Об'єкт/прискорююча напруга (кеВ)

5


10

20

30

Алюміній

R

R*


0,56 0,41


1,80

1,32


6,04 4,20


12,40 8,30

Мідь

R

R*


0,23 0,15


0,71 0,46


2,29 1,47


4,64

2,89

Золото

R

R*


0,20 0,085


0,55 0,27


1,63 0,86


3,18

1,70


2.3 Відбиті електрони

Експериментально встановлено, що значна частина електронів пучка, які бомбардують зразок, згодом вилітають з нього. Вони називаються відбитими електронами. Коефіцієнт відбиття електронів η визначається як кількість відбитих електронів nв-е поділена на кількість електронів, що падають на зразок n0, або через відповідні електронні струми

η
  1   2

Схожі:

Методичні рекомендації до лабораторної роботи „ iconМетодичні рекомендації для виконання лабораторної роботи. Тема : Настройка ос windows xp
Перевірка основних знань, понять, законів, що необхідні для засвоєння навичок роботи з програмою
Методичні рекомендації до лабораторної роботи „ iconМетодичні рекомендації для виконання лабораторної роботи. Тема: Створення...
Мета: Навчитися створювати І форматувати документи в середовищі текстового редактора Microsoft Word
Методичні рекомендації до лабораторної роботи „ iconМетодичні рекомендації до виконання лабораторної роботи. Тема: Пошук...
ПР. Існує декілька моделей, на яких заснована робота пошукових систем, але історично дві моделі придбали найбільшу популярність це...
Методичні рекомендації до лабораторної роботи „ iconМетодичні рекомендації до виконання контрольних робіт з дисципліни
Подані методичні рекомендації призначені для надання студентам допомоги у виконанні контрольної роботи з дисципліни «Системне управління...
Методичні рекомендації до лабораторної роботи „ iconМетодичні рекомендації Технологія
Дидактичний матеріал та методичні рекомендації збірника нададуть викладачеві можливості для творчої роботи учнів на уроці української...
Методичні рекомендації до лабораторної роботи „ iconМетодичні рекомендації Система планування роботи школи (на допомогу...
Методичні рекомендації підготував Толочкін Ю. С. методист лабораторії школознавства Житомирського обласного інституту післядипломної...
Методичні рекомендації до лабораторної роботи „ iconМетодичні вказівки до лабораторної роботи 7 Система математичного...
Для роботи із графіками використовуються наступні панелі:  - graph toolbar І  - x-y-plot
Методичні рекомендації до лабораторної роботи „ iconМетодичні рекомендації класним керівникам, вихователям, іншим
Моіппо розроблено інформаційно-методичні матеріали та рекомендації на допомогу педагогічним працівникам у проведенні просвітницької...
Методичні рекомендації до лабораторної роботи „ iconМетодичні рекомендації до виконання курсової роботи з дисципліни «Політична економія»
Методичні рекомендації до написання курсової роботи з дисципліни «Політична економія», складені на основі робочої навчальної програми,...
Методичні рекомендації до лабораторної роботи „ iconМетодичні рекомендації для виконання курсової роботи з політичної економії
Леоненко П. М., Поліванов В.Є., Сліпенчук О. П. Методичні рекомендації для виконання курсової роботи з політичної економії (для студентів...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Школьные материалы


База даних захищена авторським правом © 2014
звернутися до адміністрації
uchni.com.ua
Головна сторінка