Понятие контраста в растровом электронном микроскопе. Определение предельного разрешения РЭМ

разрешения РЭМ.
Формирование топографического контраста в РЭМ.

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


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

человеческого глаза, то применим критерий Рэлея: точки разрешаются (т.е. воспринимаются

раздельно), если минимальная интенсивность в промежутке не больше ¾ максимальной интенсивности, т.е. ΔS должно быть > ¼ Smax.
Отсюда следует,
два соседних пикселя на ЭЛТ будут восприниматься раздельно, если их контрастность С не меньше 0,25.

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
dS ≥ 5

условие



Величина n определяет минимальное значение среднего числа электронов, которые должны

попасть за время t0 на каждый элемент изображения, при условии, что σ = 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.

tк /106, где tк – время сканирования зонда по всему

растру. Отсюда, считая, что образец обеспечивает контраст 0,25, минимальный ток зонда


где Imin – в А, tк – в секундах.

Яркость электронных пушек β = 4I /π2d 2α2 в настоящее время ~ 105 А/см2ср. Отсюда можно оценить диаметр пучка, т.е. размер элемента изображения. Для угла расходимости α = 5⋅10-3 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.

следующих основных предположениях:
Образец способен создать контраст 0,25.
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).

отраженных и вторичных электронов.
Формирование контраста в отраженных электронах.

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.

вторичных электронах
В этом случае на экран детектора подается потенциал

+ 250 В, который втягивает вторичные электроны (синие стрелки) в детектор.

электронах формируется за счет того, что коэффициент выхода вторичных электронов

зависит от угла падения первичного пучка на образец δ(α) = δ/cosα, где δ – 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.

вторичных электронах для двух участков образца, наклоненных относительно нормали к

поверхности под углами α1 и α2. В этом случае контраст



При α1 = 30о и α2 = 60о получается величина контраста C = 0,54. Даже при близких углах, например, α1 = 60о и α2 = 65о C = 0,17.
Вторичные электроны способны создать очень большой топографический контраст

того же участка напыленной золотой пленки, снятые при одинаковом увеличении

М = 36 000 при различных ускоряющих напряжениях

того же участка керамического образца, снятые при одинаковом увеличении М

= 5400 и ускоряющем напряжении 10 кВ при различных значениях Iз

Снят один и тот же участок поверхности асбестовой нити при

увеличении
М = 2 200, ускоряющем напряжении 7 кВ при различных ориентациях детектора.