Электроника

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП, электронно-оптич. прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 10' раз) увеличенного изображения объектов, полученного с помощью пучков электронов, ускоренных до больших энергий (30—100 кэВ и более) в условиях глубокого вакуума. Первый магн. просвечивающий Э. м. (ПЭМ) был создан в 1926 нем. учёными М. Кноллем и Э. Руской. В 1938 М. фон Арденне (Германия) и в 1942 В. К. Зворыкин (США) построили первые растровые Э. м. (РЭМ), работающие по принципу сканирования (развёртывания), т. е. последовательного от точки к точке перемещения тонкого электронного пучка (зонда) по объекту. По разрешающей способности Э. м. в неск. тысяч раз превосходят обычные световые микроскопы; так, предел разрешения (характеризующий способность оптич. прибора отобразить раздельно мелкие, максимально близко расположенные детали объекта) у ПЭМ составляет 0,2—0,3 нм, а при фотографировании периодич. структур, напр. кристаллографических, удается реализовать разрешение менее 0,1  нм.
Изображение типичного ПЭМ с высокой разрешающей способностью приведено на рис. 1. В его оптич. системе  создаётся глубокий вакуум (10~ Па). Пучок эл-нов, испускаемых накалённым катодом, формируется электронной пушкой и затем дважды фокусируется конденсорами, в результате на объекте создаётся электронное «пятно», диаметр к-рого можно менять в пределах от 1 до 20 мкм. После прохождения сквозь объект наблюдения часть эл-нов рассеивается и задерживается апертурной диафрагмой; нерассеянные эл-ны проходят через отверстие диафрагмы и фокусируются объективом в предметной плоскости промежуточной линзы — здесь образуется первое увеличенное изображение. Последующие линзы создают второе, третье и т. д. изображения; последняя, проекционная, линза формирует изображение на флюоресцирующем экране, к-рый светится под воздействием эл-нов. Характер рассеяния эл-нов неодинаков в разл. точках объекта, т. к. толщина, плотность и хим. состав в-ва разных участков объекта различны. Соответственно изменяется число эл-нов, прошедших через апертурную диафрагму, а следовательно, и свечение отд. точек экрана. При фотографировании экран убирается и эл-ны воздействуют на светочувствит. слой фотопластинок, расположенных под экраном. Фокусировка изображения осуществляется плавным изменением тока, возбуждающего магн. поле объектива Э- м. Величина ускоряющего напряжения определяет толщину объекта, к-рую можно «просветить» электронным пучком; при напряжении 100 кВ изучению доступны объекты толщиной от единиц до неск. сотен нм.
ПЭМ, как правило, используется в качестве универсального прибора многоцелевого назначения. С помощью дополнит,   устр-в  и   приспособлений   объект   исследования можно располагать в разных плоскостях, нагревать, охлаждать, деформировать. В ПЭМ можно наблюдать поверхность объекта, осуществлять электронографии, исследования структур тонких пленок и др.
Для науч. исследований, при к-рых не требуется высокая разрешающая способность, а также при исследованиях с учебной целью и т. п. применяются ПЭМ упрощённой конструкции (их оптич. система содержит один конденсор и 2—3 линзы для увеличения изображения объекта) с меньшим ускоряющим напряжением (60—80 кВ); такие ПЭМ имеют предел разрешения 0,6—1,5 нм. Для исследования объектов толщиной до 1—10 мкм (напр., в биологии и медицине) применяют ПЭМ с повышенным ускоряющим напряжением (до 200 кВ) и сверхвысоковольтные Э. м. с ускоряющим напряжением 1—1,5 и 3 MB. Разрешающая способность таких Э. м. в 10—20 раз выше, чем у обычных 100-киловольтных ПЭМ.
Наибольшее применение в науч. исследованиях в области микроэлектроники получили растровые Э. м. В РЭМ электронный пучок, сформированный электронной пушкой, ускоряется до энергии в 30—50 кэВ и при помощи 2 или 3 электронных линз фокусируется в узкий электронный луч (зонд) . Магн. отклоняющая система развёртывает зонд по заданной площади на объекте. В основе растровой электронной микроскопии лежат фиэ. явления, наблюдающиеся при бомбардировке твёрдого тела эл-нами; в результате взаимодействия эл-нов с поверхностью объекта возникает неск. видов излучений : вторичные и отраженные эл-ны; эл-ны, прошедшие сквозь объект; рентгеновское излучение (тормозное и характеристическое); оптическое излучение и др. Любое из этих излучений может быть преобразовано соответствующим детектором (датчиком) в электрич. сигналы, к-рые после усиления подаются на ЭЛП и модулируют его луч. Развёртка луча в ЭЛП синхронизирована с развёрткой зонда в РЭМ, и на экране ЭЛП наблюдается увеличенное изображение объекта. Фотографируют изображение объекта непосредственно с экрана ЭЛП. Осн. достоинство РЭМ — высокая информативность, обусловленная возможностью наблюдать изображение, используя сигналы разл. детекторов. С помощью РЭМ можно, напр., исследовать микрорельеф подложек, изучать дефекты р—поперек о дов, выполнять рентгеновский структурный анализ, обнаруживать дефекты в структурах ИС, исследовать распределение магн. и электрич. полей по поверхности объекта.
Просвечивающие растровые Э. м. (ПРЭМ) обладают столь же высокой разрешающей способностью, как и ПЭМ. В Э. м. этого типа  применяются электронные пушки с автоэмиссионным катодом, обеспечивающие достаточно большой ток • зонде малого диаметра (0,2—0,3 нм). Под объектом исследования помещаются детекторы — центральный и кольцевой На первый попадают эл-иы, прошедшие сквозь объект (нерессеянные), на •торой — рассеянные. Сигналы с центр, детектора после усиления подаются на ЭЛП, на экране к-рого появляется т н. светлопольное изображение; эл-ны, собранные кольцевым детектором, также преобразуются в электрич. сигналы, к-рые после усиления создают на экране ЭЛП т. н. темнопольное изображение. С помощью анализатора энергии эл-ны, прошедшие сквозь объект, разделяются на упруго- и неупругорассеянные лучки. Каждый пучок попадает на свой детектор, и на экране ЭЛП появляется соответствующее изображение, содержащее дополнит, информацию о рассеивающих св-вах объекта. В ПРЭМ можно исследовать объекты более толстые, чем в ПЭМ, т. к. возрастание числа неупругорассеянных эл-нов с увеличением толщины объекта не влияет на разрешение прибора. Высокая разрешающая способность в ПРЭМ достигается при медленных развёртках, что объясняется нек-рой недостаточностью тока в зондах малого диаметра.
В Э.м смешанного типа сочетаются принципы формирования изображения с неподвижным пучком (как в ПЭМ) и сканирования тонкого зонда по объекту (как в РЭМ), что   позволяет  реализовать   в   таком   Э. м.   преимущества ПЭМ, РЭМ и ПРЭМ. Во всех совр. ПЭМ предусмотрена возможность наблюдения объектов ш растровом режиме (с помощью конденсорных линз и объектива, создающих уменьшенное изображение источника эл-нов, к-рое сканируется по объекту). В результате кроме изображения объекта, полученного на экрене Э. м. с помощью неподвижного пучка эл-нов, получают также растровые изображения объектов на экранах ЭЛП с использованием прошедших и вторичных эл-нов, характеристич. рентгеновские спектры и т д.