3.6. Электронно-зондовые методы анализа веществ

Известны десятки методов анализа вещества, использующих энергетические потоки как аналитические инструменты. В основе диагностики лежит регистрация вторичных потоков, испускаемых веществом и несущих информацию о его природе и особенностях строения. Электронный поток легче других потоков частиц и излучений сформировать в зонд очень малого диаметра (единицы и даже доли нанометра) на поверхности анализируемого объекта. Для получения информации о поверхности достаточно регистрировать энергию и пространственное распределение упруго- и неупругоотраженных первичных электронов зонда, вторичных электронов, оже-электронов, рентгеновского излучения, люминесценции, наведенных в образце токов, в некоторых случаях – ток и пространственное распределение электронов, прошедших сквозь тонкие образцы.

Р астровая электронная микроскопия – это метод исследования поверхности образца, использующий энергетическое и пространственное распределение электронов, эмиттированных из поверхностного слоя образца под воздействием остросфокусированного электронного луча (зонда). Для создания изображения структуры поверхности в растровом электронном микроскопе (РЭМ) регистрируются либо вторичные электроны, либо упругорассеянные первичные. Для этого луч сканирует поверхность образца, а эмитируемые с поверхности электроны собираются коллектором. Когда первичные электроны соударяются с поверхностью образца, в энергетическом спектре испускаемых с поверхности электронов можно выделить три основные зоны (см. рис. 26): истинно вторичные электроны 1; неупругоотраженные электроны 2; упругоотраженные электроны 3. По оси абсцисс на рис. 26 – энергия электронов, по оси ординат – интенсивность потока электронов.

Электронные микроскопы делятся на три типа: эмиссионные, просвечивающие и зеркальные. В каждом могут быть реализованы проекционный и растровый режимы работы. В узле регистрации используются следующие способы детектирования электронов:

1. под углом к образцу расположен металлический коллектор под положительным потенциалом, выходным параметром служит ток этого коллектора;

2. непосредственно у образца смонтирован каналовый электронный умножитель;

3. коллектор выполнен в виде полупроводникового детектора – пластины с pn – переходом; вторичные электроны в таком детекторе генерируют электронно-дырочные пары, а под действием внешнего источника напряжения смещения в цепи детектора возникает ток;

4. вторичные электроны вызывают в сцинтилляторе кванты света, которые попадают в фотоэлектронный умножитель, где вновь появляются фотоэмиссионные электроны, усиливаемые этим умножителем.

При выборе узла регистрации имеют значение его коэффициент передачи и уровень шумов.

Перспективным методом анализа поверхности является оже-спектроскопия. С ее помощью изучают физические и химические свойства поверхности, оценивают степень чистоты полупроводниковых пластин, анализируют причины отказа изделий электронной техники. В оже-спектроскопии измеряют энергию и количество оже-электронов, эмиттируемых с поверхности мишени в результате электронной бомбардировки. Оже-эффект связан с ионизацией атома в результате соударения первичного электрона с электроном на одной из внутренних оболочек атома (K, L, M,…), на которой возникает вакансия. За очень короткое время (10^-14 …10^-16 с) происходит переход электрона с более высоких оболочек на образовавшуюся вакансию. Выделяющаяся в результате такого перехода энергия может либо перейти в энергию -кванта (радиационный переход), либо перейти к электрону одной из внешних оболочек, который покинет атом и регистрируется как оже-электрон.