В статье приводится подробное описание конструкции двух источников электронов из линейки широко распространенных систем на основе эффекта Шоттки (SE), полевой (FE) и термоэлектронной (TE) эмиссии.
Электронная пушка на основе полевой эмиссии
Эффект полевой эмиссии возникает в момент приложения к металлической поверхности сильного электрического поля и применяется в конструкции электронного прожектора, показанной на рис. 30, позволяющей достигать высокого разрешения в операциях РЭМ.
 |
| Устройство электронной колонны на основе полевой эмиссии (FE) |
Катод в этом случае изготавливается из тонкой вольфрамовой проволоки, к которой приваривается монокристалл из того же материала, заостренный до радиуса кривизны порядка 100 нм и выполняющий функции эмиттера. При подаче положительного напряжения (нескольких кВ) на металлическую пластину (извлекающему электроду) возникает эффект туннелирования излучаемых эмиттером электронов, проходящих далее через отверстие в центре. Последующим воздействием напряжения на ускоряющем электроде, расположенном под извлекающим, формируется электронный луч, обладающий определенной энергией. Необходимым условием активации полевой эмиссии является высокий уровень чистоты излучателя электронного прожектора, обеспечиваемый сверхвысоким вакуумом порядка 10-8 Па. Излучаемые эмиттером электроны перемещаются так, как если бы их источник имел диаметр 5-10 нм. В случае прожектора на основе термоэлектронной эмиссии (TE) размеры виртуального источника составляют уже 10-20 мкм. Таким образом, пушка на основе полевой эмиссии (FE-) позволяет сформировать гораздо более тонкий луч, чем термоэлектронный прожектор (TE), и потому применяется в системах РЭМ высокого разрешения. Кроме того, значительным преимуществом подобной конструкции (FE) является низкий разброс энергии излучаемых электронов, поскольку не требуется нагрев эмиттера. Особое значение это приобретает в операциях РЭМ при низком ускоряющем напряжении, в которых разрешение (хроматическая аберрация) как раз определяется величиной разброса энергии.
Применение эффекта Шоттки в конструкции прожектора
 |
| Конструкция электронной колонны на основе эффекта Шоттки (SE) |
Используемый в показанном на рисунке выше электронном прожекторе эффект Шоттки образуется при воздействии сильного электрического поля на нагретую металлическую поверхность. Катод (ZrO/W) изготавливается из монокристалла вольфрама с покрытием ZrO и радиусом кривизны наконечника в несколько сотен нанометров, выполняет функции эмиттера. Покрытие из оксида циркония ZrO значительно снижает работу выхода, тем самым обеспечиваются большие токи эмиссии при относительно низкой температуре катода (порядка 1800 K). Как можно видеть на схематическом вышерасположенным изображении экранирование излучаемых эмиттером термоэлектронов осуществляется подачей на запирающий электрод отрицательного напряжения. Основным преимуществом прожектора на основе эффекта Шоттки (SE) является чрезвычайная стабильность электронного луча, обусловленная температурой нагрева излучателя, помещенного в сверхвысокий вакуум (10-7 Па), и предотвращением абсорбции молекул газа. Разброс энергии электронов несколько выше, по сравнению с пушкой на основе полевой эмиссии (FE), однако прожектором Шоттки (SE) обеспечиваются более высокие значения тока зонда. Тем самым обусловлено эффективное применение подобной системы при одновременном проведении разнообразных анализов и исследования морфологии. Зачастую подобная конструкция упоминается как прожектор на основе полевой эмиссии (FE) с термокатодом.
Отличительные особенности электронных колонн
На рисунке ниже представлена полярная диаграмма сравнительных характеристик прожекторов с применением принципов термоэлектронной (ТЕ) и полевой (FE) эмиссии, а также эффекта Шоттки (SE). Конструкция пушки на основе полевой эмиссии (FE) выделяется особо малыми размерами источника, высокой яркостью (величина соответствует плотности тока и параллельности электронного пучка), сроком службы и небольшим разбросом энергии луча (шириной энергетического спектра). Термоэмиссионный прожектор (ТЕ) превосходит остальные по величине и стабильности тока зонда тока. Указанные особенности предопределяют применение систем РЭМ с полевой эмиссией (FE) преимущественно в операциях исследования морфологии образца при высоком увеличении, тогда как термоэлектронная пушка (TE) отличается большей универсальностью и используется, как правило, в процессах анализа, не требующих значительного масштабирования. Пушка на основе эффекта Шоттки (SE) занимает промежуточное положение между двумя указанными системами и применяется в широком диапазоне операций от процессов с высоким увеличением до проведения разнообразных анализов.
 |
| Сравнительные характеристики трёх типов электронных прожекторов |
Сводная таблица обобщенных параметров электронных пушек.
| TE | FE | SE | ||
| Вольфрам | LaB6 | |||
| Размер источника электронов | 15~20 мкм | 10 мкм | 5~10 нм | 15~20 нм |
| Яркость (Aсм-2рад-2) | 105 | 106 | 108 | 108 |
| Разброс энергии (эВ) | 3~4 | 2~3 | 0.3 | 0.7~1 |
| Срок службы | 50 ч | 500 ч | Неск. лет | 1~2 года |
| Температура катода (K) | 2800 | 1900 | 300 | 1800 |
| Колебания величины тока (час) | <1% | <2% | >10% | <1% |
Необходимо учитывать, что яркость измеряется при напряжении 20 кВ.
Разрешающая способность и характер искажений линзы объектива
 |
| Диаметр электронного зонда в зависимости от аберрации объектива |
Линза объектива является важным компонентом, определяющим разрешение системы РЭМ на конечной стадии формирования электронного зонда. Далее рассматривается влияние характеристик объектива на достигаемое разрешение. В идеальном случае пучок электронов, излучаемый из точечного источника, после прохождения через линзу сходится в точку, которая в реальных условиях трансформируется в размытое пятно. Подобный эффект называется «аберрацией» и носит различный характер в зависимости от природы возникновения. Различают сферическую, хроматическую и дифракционную аберрацию. Так, ослабление сферической аберрации достигается уменьшением угла апертуры линзы и использованием области луча вблизи оптической оси, однако при этом возрастает дифракционный компонент. Минимальный диаметр электронного зонда определяется оптимальным углом апертуры с учетом сбалансированного влияния указанных факторов. На рисунке выше приводится зависимость диаметра электронного зонда от типа искажений объектива. Необходимо принимать во внимание возрастание хроматической аберрации с увеличением ускоряющего напряжения.
Типовая конструкция объектива
Конструкция объектива с так называемой «внешней линзой» широко используется в системах формирования электронного зонда, включая микроанализаторы. Как показано на рисунке ниже, позиция образца под линзой объектива позволяет минимизировать взаимное влияние и предотвратить возникновение искажений даже при наклоне поверхности значительного размера. В то же время беспрепятственное перемещение образца предполагает наличие достаточной дистанции до линзы объектива, при этом требуется соответствующее фокусное расстояние, возрастают аберрации, снижается возможность достижения высокого разрешения.
 |
| Типовая конструкция линзы объектива |
Высокое разрешение при большом увеличении
 |
| Конструкция объектива с «внутренней» линзой |
Конструкция объектива рассчитана на достижение высокого разрешения за счет сокращения расстояния до поверхности образца и увеличения изображения, формируемого линзой. Расстояние уменьшается при перемещении образца непосредственно в магнитное поле линзы. Подобный принцип реализуется преимущественно в рассматриваемых далее двух типах оптических устройств, объективах с «внутренней линзой» и «полузакрытого» типа (или «трубчатой» конструкции). На вышерасположенном рисунке показана конструкция объектива с «внутренней линзой», в котором образец полностью помещается в магнитное поле между полюсными наконечниками, по аналогии с просвечивающим электронным микроскопом (ПЭМ). Размер образца в данном случае ограничивается несколькими миллиметрами. На рисунке ниже приводится схема объектива с линзой «полуоткрытого» типа, в котором ограничения по размеру образца, характерные для предыдущей конструкции, преодолевается за счет изменения формы полюсных наконечников. При этом обеспечивается генерация сильного магнитного поля в расположенной ниже области и возможности позиционирования образца значительного размера. В обоих случаях детектор вторичных электронов расположен над линзой объектива, следовательно механизм формирования контраста изображения отличается от стандартной схемы.
 |
| Объектив «полуоткрытого» типа |
Функциональное назначение апертуры объектива
В случае если в процессе формирования электронного зонда задействована вся площадь проходного отверстия объектива, получение тонкого луча на выходе может оказаться затруднительным из-за аберраций линзы. Минимизировать негативное влияние искажений удается установкой ограничителя потока в виде тонкой металлической пластины с небольшим отверстием по центру, пропускающим луч только вдоль оси системы. Особую роль играет центровка диафрагмы, поскольку при смещении относительно объектива резко возрастает аберрация, препятствующая формированию тонкого электронного зонда.
Достигаемое разрешение
На нижнем рисунке проиллюстрировано влияние ускоряющего напряжения на разрешение в представленных системах РЭМ, как общего назначения, так и оснащаемых прожектором на основе полевой эмиссии (FE), применяемым в процессах универсального характера и сверхвысокого разрешения. Общей тенденцией является возрастание разрешения при увеличении ускоряющего напряжения и резкое ухудшение качества изображения при падении значения до нескольких кВ и ниже под влиянием хроматической аберрации. Кроме того, заслуживает внимания значительное совпадение кривых зависимости разрешения для прожекторов на основе полевой эмиссии (FE, универсального назначения) и эффекта Шоттки (SE).
РЭМ общего назначения: термоэлектронный прожектор (TE) + объектив стандартной конструкции.
РЭМ общего назначения (FE): пушка на основе полевой эмиссии (FE) + объектив стандартной конструкции.
РЭМ сверхвысокого разрешения (FE): пушка на основе полевой эмиссии (FE) + объектив высокого разрешения.
 |
| Зависимость разрешения от ускоряющего напряжения |
Соотношение между током и диаметром зонда при ускоряющем напряжении 20 кВ приводится на нижеприведенном рисунке. Как можно видеть, диаметр луча, формируемого термоэлектронным прожектором (TE), сравнительно равномерно увеличивается с возрастанием тока. С другой стороны, диаметр зонда, генерируемого пушкой на основе полевой эмиссии (FE), остается практически постоянным в определенном диапазоне токов, но резко увеличивается при превышении значения 1 нА. Кроме того, пушка с полевой эмиссией (FE) не позволяет обеспечить ток зонда, превышающий несколько нА. Гораздо большие значения токов зонда при незначительном увеличении диаметра достигаются в системах РЭМ, оснащаемых прожектором на основе эффекта Шоттки (SE), широко применяемых в этой связи для решения аналитических задач.
 |
| Соотношение между током и диаметром зонда |
.png)