ЕЛЕКТРОННИЙ МІКРОСКОП-прилад для спостереження і фотографування багаторазово (до 10 6 разів) збільшеного зображення об'єкта, в якому замість світлових променів використовуються, прискорених до великих енергій (30-1000 кеВ і більше) в умовах глибокого. Фіз. основи корпускулярно-променевих оптич. приладів були закладені в 1827, 1834-35 (майже за сто років до появи Е. м.) У. Р. Гамільтоном (W. R. Gamil-ton), який встановив існування аналогії між проходженням світлових променів в оптично неоднорідних середовищах та траєкторіями частинок у силових полях . Доцільність створення Е. м. стала очевидною після висування в 1924 р. гіпотези про хвилі де Бройля, а техн. Причини були створені X. Бушем (H. Busch), який в 1926 досліджував фокусуючі властивості осесиметричних полів і розробив магн. електронну лінзу. У 1928 М. Кнолль (M. Knoll) та E. Руска (E. Ruska) приступили до створення першого магн. просвічує Е. м. (ПЕМ) і через три роки отримали зображення об'єкта, сформоване пучками електронів. У наступні роки були побудовані перші растрові Е. м. (РЕМ), що працюють на принципі сканування, тобто послідовного від точки до точки переміщення тонкого електронного пучка (зонда) об'єктом. До сер. 1960-х рр. РЕМ досягли високого техн. досконалості, і з цього часу почалося їхнє широке застосування в наук. дослідженнях. ПЕМ мають найвищу роздільною здатністю, переважаючи за цим параметром світлові мікроскопиу дек. тисяч разів. П р е д е л р а з р е ш ен ня, що характеризує здатність приладу відобразити окремо дві максимально близько розташовані деталі об'єкта, у ПЕМ становить 0,15- 0,3 HM, тобто досягає рівня, що дозволяє спостерігати атомарну та молекулярну структуру досліджуваних об'єктів. Такі високі дозволи досягаються завдяки дуже малій довжині хвилі електронів. Лінзи Е. м. володіють абераціями, ефективних методівкорекції яких не знайдено на відміну від світлового мікроскопа (див. Електронна та іонна оптика).Тому у ПЕМ магн. електронні лінзи(ЕЛ), у яких брало аберації на порядок величини менше, повністю витіснили електростатичні. Оптимальним діафрагмуванням (див. Діафрагмав електронній і іонної птиці) вдається знизити сферич. аберацію об'єктива, що впливає

на роздільну здатність Е. м. ПЕМ, що знаходяться в експлуатації, можна розділити на три групи: Е. м. високої роздільної здатності, спрощені ПЕМ і унікальні надвисококовдрові Е. м.

ПЕМ з високою роздільною здатністю(0,15-0,3 нм) – універсальні прилади багатоцільового призначення. Використовуються для спостереження зображення об'єктів у світлому та темному полі, вивчення їх структури електронограф. методом (див. Електронографія), проведення локальної кількості. за допомогою спектрометра енергетич. втрат електронів та рентгенівських кристалліч. та напівпровідникового та отримання спектроскопич. зображення об'єктів за допомогою фільтра, що відсіює електрони з енергіями поза заданим енергетич. вікна. Втрати енергії електронів, що пропущені фільтром і формують зображення, викликаються присутністю в об'єкті якогось одного хімічного. елемент. Тому контраст ділянок, в яких брало присутній цей елемент, зростає. Переміщенням вікна по енергетич. спектру отримують розподіли разл. елементів, які у об'єкті. Фільтр використовується також як монохроматор для підвищення роздільної здатності Е. м. при дослідженні об'єктів великої товщини, що збільшують розкид електронів по енергіях і (як наслідок) хроматичну аберацію.

За допомогою доповнить. пристроїв і приставок об'єкт, що вивчається в ПЕМ, можна нахиляти в різних площинах на великі кути до оптич. осі, нагрівати, охолоджувати, деформувати. Прискорююча електрони напруга у високороздільних Е. м. становить 100-400 кВ, воно регулюється ступінчасто і відрізняється високою стабільністю: за 1 - 3 хв не допускається зміна його величини більш ніж на (1-2) 10 -6 від вихідного значення. Від прискорювального напруження залежить товщина об'єкта, яку можна "просвітити" електронним пучком. У 100-кіловольтних Е. м. вивчають об'єкти товщиною від 1 до дек. десятків нм.

Схематично ПЕМ описуваного типу наведено на рис. 1. У його електронно-оптич. В системі (колонні) за допомогою вакуумної системи створюється глибокий вакуум (тиск до ~10 -5 Па). Схема електронно-оптич. Системи ПЕМ представлена ​​на рис. 2. Пучок електронів, джерелом яких брало служить термокатод, формується в електронної гарматиі високовольтному прискорювачі і потім двічі фокусується першим і другим конденсорами, що створюють на об'єкті електронну пляму малих розмірів (при регулюванні діаметр плями може змінюватися від 1 до 20 мкм). Після проходження крізь об'єкт частина електронів розсіюється та затримується апертурною діафрагмою. Нерозсіяні електрони проходять через отвір діафрагми та фокусуються об'єктивом у предметній площині проміжної електронної лінзи. Тут формується перше збільшене зображення. Наступні лінзи створюють друге, третє тощо зображення. Остання – проекційна – лінза формує зображення на катодолюмінесцентному екрані, який світиться під впливом електронів. Ступінь і характер розсіювання електронів неоднакові в різних точках об'єкта, тому що товщина, структура та хімічний. склад об'єкта змінюються від точки до точки. Відповідно змінюється кількість електронів, що пройшли через апертурну діафрагму, а отже, і щільність струму на зображенні. Виникає амплітудний контраст, який перетворюється на світловий контраст на екрані. У разі тонких об'єктів превалює фазовий контраст, викликаний зміною фаз , розсіяних в об'єкті інтерферуючих в площині зображення. Під екраном Е. м. розташований магазин з фотопластинками, при фотографуванні екран забирається і електрони впливають на фотоемульсійний шар. Зображення фокусується об'єктивною лінзою за допомогою плавного регулювання струму, що змінює магн. поле. Струменями ін. електронних лінз регулюється збільшення Е. м., яке дорівнює добутку збільшення всіх лінз. При великих збільшеннях яскравість світіння екрана стає недостатньою і зображення спостерігають за допомогою підсилювача яскравості. Для аналізу зображення виробляються аналогово-цифрове перетворення інформації, що міститься в ньому, і обробка на комп'ютері. Посилене та оброблене за заданою програмою зображення виводиться на екран комп'ютера і при необхідності вводиться в пристрій.

Рис. 1. Електронний мікроскоп типу, що просвічує (ПЕМ): 1 -електронна гармата із прискорювачем; 2-конденсміттєві лінзи; 3 -Об'єктивна лінза; 4 - проекційні лінзи; 5 -світловий мікроскоп, додатково вивелизображення, що спостерігається на екрані; б-Тунамиста з оглядовими вікнами, через які можна наблюдати зображення; 7 -Високовольтний кабель; 8 - вакуумна система; 9 - пульт керування; 10 -стенд; 11 - високовольтне живильне пристрій; 12 - джерело живлення лінз.

Рис. 2. Електронно-оптична схема ПЕМ: 1 -катод; 2 - фокусуючий циліндр; 3 -Прискорювач; 4 -первий (короткофокусний) конденсор, що створює зменшення зображення джерела електронів; 5 - другий (довгофокусний) конденсор, який переносить зменшене зображення джерела електронів на об'єкт; 6 -Об'єкт; 7 -апертурна діафрагмент об'єктива; 8 - Об'єктив; 9 , 10, 11 -система проекційних лінз; 12 -катодолюмінесцентний екран.

Спрощені ПЕМпризначені для навч. досліджень, в яких брало не потрібно висока роздільна здатність. Їх використовують також для попереднього. перегляду об'єктів, рутинної роботи та у навчальних цілях. Ці прилади прості за конструкцією (один конденсор, 2-3 електронні лінзи для збільшення зображення об'єкта), мають меншу (60-100 кВ) напругу, що прискорює, і нижчу стабільність високої напруги і струмів лінз. Їх роздільна здатність 0,5-0,7 нм.

Надвисоковольтні Е. м . (СВЭМ) - прилади з прискорюючим напругою від 1 до 3,5 MB - є великогабаритні споруди висотою від 5 до 15 м. Їх обладнають спец. приміщення або будують окремі будинки, що є складовою комплексу СВЭМ. Перші СВЭМ призначалися для дослідження об'єктів великої (1 -10 мкм) товщини, при якій зберігаються властивості масивного твердого тіла. Через сильний вплив хроматич. аберацій роздільна здатність таких Е. м. знижується. Однак у порівнянні зі 100-кіловольтними Е. м. роздільна здатність зображення товстих об'єктів у СВЕМ в 10-20 разів вище. Так як енергія електронів у СВЕМ більша, то довжина їх хвилі менша, ніж у ПЕМ високої роздільної здатності. Тому після вирішення складних техн. проблем (на це пішло не одне десятиліття) та реалізації високої вібростійкості, надійної віброізоляції та достатньої механіч. та електрич. стабільності на СВЕМ була досягнута найвища (0,13-0,17 нм) для Е. м., що просвічують, роздільна здатність, що дозволила фотографувати зображення атомарних структур. Проте сферич. аберація та дефокусування об'єктива спотворюють зображення, отримані з граничною роздільною здатністю, і заважають отриманню достовірної інформації. Цей інформаційний бар'єр долається за допомогою фокальних серій зображень, які отримують при разл. дефокусування об'єктива. Паралельно для тих же дефокусувань проводять моделювання атомарної структури, що вивчається, на комп'ютері. Порівняння фокальних серій із серіями модельних зображень допомагає розшифрувати мікрофотографії атомарних структур, зроблені на СВЕМ із граничною роздільною здатністю. На рис. 3 представлена ​​схема СВЕМ, розміщеного у спец. будівлі. Осн. вузли приладу об'єднані в єдиний комплекс за допомогою платформи, яка підвішена до стелі на чотирьох ланцюгах і амортизаційних пружинах. Зверху на платформі є два баки, наповнені електроізоляційним газом під тиском 3-5 атм. В один з них поміщений високовольтний генератор, в інший електростатич. прискорювач електронів із електронною гарматою. Обидва баки з'єднані патрубком, через який висока напруга від генератора передається на прискорювач. Знизу до бака із прискорювачем примикає електронно-оптич. колона розташована в нижній частині будівлі, захищеної перекриттям від рентг. випромінювання, що у прискорювачі. Всі перелічені вузли утворюють жорстку конструкцію, що має властивості фіз. маятника з великим (до 7 с) періодом собств. , які гасяться рідинними демпферами. Маятникова система підвіски забезпечує ефективну ізоляцію СВЕМ від зовніш. вібрацій. Управління приладом виконується з пульта, що знаходиться біля колони. Пристрій лінз, колони та ін. вузлів приладу подібно до відповідних пристроїв ПЕМ і відрізняється від них великими габаритами та вагою.

Рис. 3. Надвисоковольтний електронний мікроскоп (СВЕМ): 1-віброізолююча платформа; 2-ланцюги, на яких висить платформа; 3 - амортизуючі пружини; 4-баки, в яких знаходяться генератор високого напруження та прискорювач електронів з електронної гарматою; 5-електронно-оптична колона; 6- перекриття, що розділяє будівлю СВЕМ на верхній та нижній зали та захищаючий персонал, що працює нижній залі, від рентгенівського випромінювання; 7 - пульт управління мікроскопом.

Растрові Е. м. (РЕМ) з термоемісійною гарматою - найпоширеніший тип приладів електронної мікроскопії. У них застосовуються вольфрамові та гексабо-рід-лантанові термокатоди. Роздільна здатність РЕМ залежить від електронної яскравості гармати і в приладах класу, що розглядається, становить 5-10 нм. Прискорююча напруга регулюється в межах від 1 до 30-50 кВ. Пристрій РЕМ показано на рис. 4. За допомогою двох або трьох електронних лінз на поверхню зразка фокусується вузький електронний зонд. Магніт. котушки, що відхиляють, розгортають зонд по заданій площі на об'єкті. При взаємодії електронів зонда з об'єктом виникає кілька видів випромінювань (рис. 5): вторинні та відбиті електрони; оже-електрони; рентгенівське гальмівне випромінюваннята характеристичне випромінювання (див. Характеристичний спектр);світлове випромінювання і т. д. Будь-яке з випромінювань, струми електронів, що пройшли крізь об'єкт (якщо він тонкий) і поглинених в об'єкті, а також напруга, наведена на об'єкті, можуть реєструватися відповідними детекторами, що перетворюють ці випромінювання, струми та напруги в електро. сигнали, які після посилення подаються на електронно-променеву трубку (ЕЛТ) і модулюють її пучок. Розгортка пучка ЕЛТ виробляється синхронно з розгорткою електронного зонда в РЕМ, і екрані ЕЛТ спостерігається збільшене зображення об'єкта. Збільшення дорівнює відношенню розміру кадру на екрані ЕПТ до відповідного розміру на поверхні об'єкта, що сканується. Фотографують зображення безпосередньо з екрану ЕЛТ. Осн. гідність РЕМ - висока інформативність приладу, обумовлена ​​можливістю спостерігати зображення, використовуючи сигнали разл. детекторів. За допомогою РЕМ можна вивчити мікрорельєф, розподіл хім. складу по об'єкту, p-n-переходи, робити рентг. спектральний аналіз та ін. РЕМ широко застосовуються і в техно. процесах (контроль в електронно-літог-рафіч. технологіях, перевірка та виявлення дефектів у мікросхемах, метрологія мікровиробів та ін.).

Рис. 4. Схема растрового електронного мікроскопа (РЕМ): 1 -Ізолятор електронної гармати; 2 -V-Образний термокатод; 3 -Фокусуючий електрод; 4 - анод; 5 - конденсорні лінзи; 6 -діафрагма; 7 - двоярусна система, що відхиляє; 8 -Об'єктив; 9 -апертурна діафрагма об'єктива; 10 -Об'єкт; 11 -Детектор вторинних електронів; 12 -кристалособистий спектрометр; 13 -пропорційний лічильник; 14 - Попередній підсилювач; 15 - блок посилення; 16, 17 -Апаратура для реєстрації рентгенівського випромінювання; 18 - Блок посилення; 19 - блок регулювання збільшення; 20, 21 - блоки горізонтальної та вертикальної розгорток; 22, 23 -електронно-променеві трубки.

Рис. 5. Схема реєстрації інформації про об'єкт, одержуваної в РЕМ; 1-первинний пучок електронів; 2-детектор вторинних електронів; 3-детектор рентгенівського випромінювання; 4-детектор відбитих електронів; 5-детектор оже-електронів; 6-детектор светового випромінювання; 7 - детектор минулих електроновий; 8 - схема для реєстрації струму, що пройшли через об'єкт електронів; 9-схема для реєстрації струму поглинених в об'єкті електронів; 10-схема для регістрації наведеного на об'єкті електричного потенціалу.

Висока роздільна здатність РЕМ реалізується при формуванні зображення з використанням вторинних електронів. Вона знаходиться у зворотній залежності від діаметра зони, з якої ці електрони емітуються. Розмір зони залежить від діаметра зонда, властивостей об'єкта, швидкості електронів первинного пучка і т. д. При великій глибині проникнення первинних електронів вторинні процеси, що розвиваються у всіх напрямках, збільшують діаметр зони і здатність падає. Детектор вторинних електронів складається з фотоелектронного помножувача(ФЕУ) та електронно-фотонного перетворювача, осн. елементом якого є сцинтиллятор. Число спалахів сцинтилятора пропорційно числу вторинних електронів, вибитих у цій точці об'єкта. Після посилення у ФЕУ та у відеопідсилювачі сигнал модулює пучок ЕПТ. Величина сигналу залежить від топографії зразка, наявності локальних електрич. та магн. мікрополів, величини коеф. вторинної електронної емісії, який, у свою чергу, залежить від хімічного. складу зразка у цій точці.

Відбиті електрони уловлюються напівпровідниковим детектором з p - n-переходом. Контраст зображення обумовлений залежністю коеф. відображення від кута падіння первинного пучка в даній точці об'єкта та від ат. номери речовини. Роздільна здатність зображення, що отримується в "відбитих електронах", нижче, ніж одержуваного за допомогою вторинних електронів (іноді на порядок величини). Через прямолінійність польоту електронів інформація про від. ділянках об'єкта, від яких брало прямого шляху до детектора немає, губиться (виникають тіні). Для усунення втрат інформації, а також для формування зображення рельєфу зразка, на якому не впливає його елементний склад і, навпаки, для формування картини розподілу хім. елементів в об'єкті, на яку не впливає його рельєф, в РЕМ застосовується детекторна система, що складається з дек. розміщених навколо об'єкта детекторів, сигнали яких брало віднімаються один з іншого або підсумовуються, а результуючий сигнал після посилення подається на модулятор ЕПТ.

Рентг. характеристич. випромінювання реєструється крісталліч. (хвильоводисперсним) або напівпровідниковим (енергодисперсним) спектрометрами, які взаємно доповнюють один одного. У першому випадку рентг. випромінювання після відображення кристалом спектрометра потрапляє у газовий пропорційний лічильник, а у другому – рентг. Кванти збуджують сигнали в напівпровідниковому охолоджуваному (для зниження шуму) детекторі з кремнію, легованого літієм, або з германію. Після посилення сигнали спектрометрів можуть бути подані на модулятор ЕЛТ і її екрані виникне картина розподілу тієї чи іншої хімічної. елемент по поверхні об'єкта.

На РЕМ, що оснащений рентг. спектрометрами, що виробляють локальний кількостей. аналіз: реєструють число імпульсів, збуджуваних рентг. квантами від ділянки, на якій зупинено електронний зонд. Кристалліч. спектрометр за допомогою набору кристалів-аналізаторів з разл. міжплощинними відстанями (див. Брегга-Вульфа умова)дискримінує з високим спектром. дозволом характеристич. спектр по довжинах хвиль, перекриваючи діапазон елементів від Be до U. Напівпровідниковий спектрометр дискримінує рентг. кванти по їх енергіям і реєструє одночасно всі елементи від (або С) до U. Його спектральне дозвіл нижче, ніж у кристаллич. спектрометра, але вища чутливість. Є й інші переваги: ​​швидка видача інформації, проста конструкція, високі експлуатаційні характеристики.

Растрові оже-Е. м. (РОЕМ)-прилади, в яких брало при скануванні електронного зонда детектуються оже-електрони з глибини об'єкта не більше 0,1-2 нм. При такій глибині зона виходу оже-електронів не збільшується (на відміну від електронів вторинної емісії) і роздільна здатність приладу залежить тільки від діаметра зонда. Прилад працює при надвисокому вакуумі (10 -7 -10 -8 Па). Його прискорююча напруга прибл. 10 кВ. На рис. 6 представлений пристрій РОЕМ. Електронна гармата складається з гексаборид-лантанового або вольфрамового термокатода, що працює в режимі Шоттки, і триелектродний електростатич. лінзи. Електронний зонд фокусується цією лінзою та магн. об'єктивом, у фокальній площині якого знаходиться об'єкт. Збір оже-електронів проводиться за допомогою циліндрич. дзеркального аналізатора енергій, внутрішній електрод якого охоплює корпус об'єктива, а зовнішній примикає до об'єкта. За допомогою аналізатора, що дискримінує оже-електрони за енергіями, досліджується розподіл хімічних речовин. елементів у поверхневому шарі об'єкта із субмікронною роздільною здатністю. Для дослідження глибинних шарів прилад оснащується іонною гарматою, за допомогою якої видаляються верхні шари об'єкта методом іонно-променевого травлення.

Рис. б. Схема растрового оже-електронного мікроскопа(РОЕМ): 1 – іонний насос; 2- катод; 3 - триелектродна електростатична лінза; 4-багатоканальний детектор; 5-апертурна діафрагма об'єктива; 6-двоярусна система, що відхиляє для розгорнення електронного зонда; 7-об'єктив; 8- зовнішній електрод циліндричного дзеркального аналізатора; 9-об'єкт.

РЕМ з автоемісійною гарматоюмають високу роздільну здатність (до 2-3 нм). В автоемісійній гарматі використовується катод у формі вістря, у вершини якого виникає сильне елекгріч. поле, що вириває електрони з катода ( автоелектронна емісія). Електронна яскравість гармати з автоемісійним катодом в 10 3 -10 4 разів вище за яскравість гармати з термокатодом. Відповідно збільшується струм електронного зонда. Тому в РЕМ з автоемісійною гарматою здійснюють поряд з повільною швидку розгортку, а діаметр зонда зменшують для підвищення роздільної здатності. Однак автоемісійний катод працює стійко лише за надвисокого вакууму (10 -7 -10 -9 Па), що ускладнює конструкцію та експлуатацію таких РЕМ.

Растрові Е. м, що просвічують. (ПРЕМ) мають таку ж високу роздільну здатність, як і ПЕМ. У цих приладах застосовуються автоемісійні гармати, що працюють в умовах надвисокого вакууму (до 10 -8 Па), що забезпечують достатній струм у зонді малого діаметра (0,2-0,3 нм). Діаметр зонда зменшують дві магн. лінзи (рис. 7). Нижче за об'єкт розташовані детектори - центральний і кільцевий. На перший попадають нерозсіяні електрони, і після перетворення та посилення відповідних сигналів на екрані ЕЛТ з'являється світлопольне зображення. На кільцевому детекторі збираються розсіяні електрони, що створюють темнопольне зображення. У ПРЕМ можна досліджувати товстіші об'єкти, ніж у ПЕМ, тому що зростання числа неупруго розсіяних електронів з товщиною не впливає на дозвіл (після об'єкта електронна оптика для формування зображення відсутня). За допомогою аналізатора енергії електрони, що пройшли крізь об'єкт, поділяються на пружно та непружно розсіяні пучки. Кожен пучок потрапляє на свій детектор, і на ЕПТ спостерігаються відповідні зображення, що містять доповнення. інформацію про елементний склад об'єкта. Висока роздільна здатність у ПРЕМ досягається при повільних розгортках, тому що в зонді діаметром всього 0,2-0,3 нм струм виходить малим. ПРЕМ оснащуються всіма пристроями, що використовуються в електронній мікроскопії, для аналітич. досліджень об'єктів, і зокрема спектрометрами енерге-тич. втрат електронів, рентг. спектрометрами, складними системами детектування минулих, назад розсіяних та вторинних електронів, що виділяють групи електронів, розсіяних на разл. кути, що мають разл. енергію і т. п. Прилади комплектуються ЕОМ для комплексної обробки інформації, що надходить.

Рис. 7. Принципова схема просвічує растрового електронного мікроскопа (ПРЕМ): 1-автоеміссіонний катод; 2-проміжний анод; 3 анод; 4- діафрагма "освітлювача"; 5-магнітна лінза; 6-двохярусна система, що відхиляє для розгорнення електронного зонда; 7-магнітний об'єктив; 8 - апертурна діафрагма об'єктива; 9-об'єкт; 10 - система, що відхиляє; 11 - кільцевий детектор розсіяних електронів; 12 -детектор нерозсіяних електронів (видаляється при роботі магнітного спектрометра); 13 – магнітний спектрометр; 14-відхильна система для відбору електронів із різними втратами енергії; 15 - щілина спектрометра; 16-детектор спектрометра; ВЕ-вторичні електрони; hv-Рентгенівське випромінювання.

Емісійні Е. м. створюють зображення об'єкта електронами, які емітує сам об'єкт при нагріванні, бомбардуванні первинним пучком електронів, під дією ел-магн. випромінювання та при накладенні сильного електрич. поля, що вириває електрони з об'єкта. Ці прилади мають вузьке цільове призначення (див. Електронний проектор).

Дзеркальні Е. м. служать гол. обр. для візуалізації електротростатич. "потенційних рельєфів" та магн. мікрополі на поверхні об'єкта. Осн. електронно-оптич. елементом приладу є електронне дзеркало, причому одним з електродів служить сам об'єкт, який знаходиться під невеликим запереченням. потенціалом щодо катода гармати. Електронний пучок прямує в електронне дзеркало і відбивається полем у безпосередній близькості від поверхні об'єкта. Дзеркало формує на екрані зображення "в відбитих пучках": мікрополя біля поверхні об'єкта перерозподіляють електрони відбитих пучків, створюючи контраст у зображенні, що візуалізує ці мікрополя.

Перспективи розвитку Е. м. Удосконалення Е. м. з метою збільшення обсягу отриманої інформації, що проводилося багато років, продовжиться і надалі, а поліпшення параметрів приладів, і насамперед підвищення роздільної здатності, залишиться головним завданням. Роботи зі створення електронно-оптичних. систем з малими абераціями поки що не призвели до реального підвищення дозволу Е. м. Це відноситься до неосесиметричних систем корекції аберацій, кріогенної оптики, до лінз з коригуючим просторами. у пріосевій області та ін. Пошуки та дослідження у зазначених напрямках ведуться. Продовжуються пошукові роботи зі створення електронних голографій. систем, у т. ч. та з корекцією частотно-контрастних характеристик лінз. Мініатюризація електростатич. лінз та систем з використанням досягнень мікро- та на-нотехнологій також сприятиме вирішенню проблеми створення електронної оптики з малими абераціями.

Літ.:Практична растрова електронна мікроскопія, за ред. Д. Гоулдстейна, X. Яковиця, пров. з англ., M., 1978; Спенс Д., Експериментальна електронна мікроскопія високої роздільної здатності, пров. з англ., M., 1986; Стоянов П. А., Електронний мікроскоп СВЕМ-1, "Известия АН СРСР, сер. фіз.", 1988, т. 52 № 7, с. 1429; Хокс П., Каспер Е., Основи електронної оптики, пров. з англ. 1-2, M., 1993; Oechsner H., Scanning auger microscopy, Le Vide, Les Couches Minces, 1994, t. 50 № 271, p. 141; McMul-lan D., Scanning electron microscopy 1928-1965, "Scanning", 1995, t. 17, № 3, c. 175. П. А. Стоянов.

Електронна мікроскопія - це метод дослідження структур, що знаходяться поза межами видимості світлового мікроскопа і мають розміри менше одного мікрона (від 1 мк до 1-5 Å).

Дія електронного мікроскопа (рис.) засноване на використанні спрямованого потоку, який виконує роль світлового променя у світловому мікроскопі, а роль лінз відіграють магніти (магнітні лінзи).

Внаслідок того, що різні ділянки об'єкта, що досліджується, по-різному затримують електрони, на екрані електронного мікроскопа виходить чорно-біле зображення досліджуваного об'єкта, збільшене в десятки і сотні тисяч разів. У біології та медицині в основному використовуються електронні мікроскопи типу, що просвічує.

Електронна мікроскопія виникла у 30-х роках, коли були отримані перші зображення деяких вірусів (вірусу тютюнової мозаїки та бактеріофагів). В даний час електронна мікроскопія знайшла найбільш широке застосування в , і вірусології, зумовивши створення нових галузей науки. Під час електронної мікроскопії біологічних об'єктів застосовують спеціальні методи приготування препаратів. Це необхідно для виявлення окремих компонентів об'єктів, що вивчаються (клітини, бактерії, вірусу і т. д.), а також для збереження їх структури в умовах високого вакууму під пучком електронів. З допомогою електронної мікроскопії вивчається зовнішня форма об'єкта, молекулярна організація його поверхні, з допомогою методу ультратонких зрізів досліджується внутрішню будову об'єкта.

Електронна мікроскопія у поєднанні з біохімічними, цитохімічними методами дослідження, імунофлюоресценцією, а також рентгеноструктурним аналізом дозволяють судити про склад та функції структурних елементів клітин та вірусів.

Електронний мікроскоп 70-х років минулого століття

Електронна мікроскопія – вивчення мікроскопічних об'єктів за допомогою електронного мікроскопа.

Електронний мікроскоп представляє електронно-оптичний інструмент, що має роздільну здатність в кілька ангстрем і дозволяє візуально вивчати тонку будову мікроскопічних структур і навіть деяких молекул.

Як джерело електронів для створення електронного пучка, що замінює світловий пучок, служить триелектродна гармата, що складається з катода, керуючого електрода та анода (рис. 1).

Рис. 1. Триелектродна гармата: 1 – катод; 2 - керуючий електрод; 3 – пучок електронів; 4 – анод.

Електромагнітні лінзи, які застосовуються в електронному мікроскопі замість оптичних, представляють багатошарові соленоїди, укладені в панцирі з магнітно-м'якого матеріалу, що мають на внутрішній стороні немагнітний зазор (мал. 2).

Рис. 2. Електромагнітна лінза: 1 – полюсний наконечник; 2 - латунне кільце; 3 – обмотка; 4 – панцир.

Електричні та магнітні поля, створювані в електронному мікроскопі, є аксіально-симетричними. Завдяки дії цих полів заряджені частинки (електрони), що виходять з однієї точки об'єкта в межах невеликого кута, знову збираються у площині зображення. Вся електронно-оптична система міститься у колоні електронного мікроскопа (рис. 3).

Рис. 3. Електронно-оптична система: 1 – керуючий електрод; 2 – діафрагма першого конденсатора; 3 - діафрагма другого конденсатора; 4 – стигматор другого конденсатора; 5 – об'єкт; 6 – лінза об'єктива; 7 – стигматор лінзи об'єктива; 8 – стигматор проміжної лінзи; 9 – діафрагма проекційної лінзи; 10 – катод; 11 – анод; 12 – перший конденсатор; 13 – другий конденсатор; 14 - коректор фокусування; 15 – столик об'єктоутримувача; 16 – діафрагма лінзи об'єктива; 17 – селекторна діафрагма; 18 – проміжна лінза; 19 – проекційна лінза; 20 – екран.

Створений електронною гарматою пучок електронів прямує в поле дії конденсорних лінз, які дозволяють у широких межах змінювати щільність, діаметр та апертуру пучка, що падає на досліджуваний об'єкт. У камері об'єкта встановлено столик, конструкція якого забезпечує переміщення об'єкта у взаємно перпендикулярних напрямках. При цьому можна послідовно оглянути площу, рівну 4 мм 2 і вибрати найбільш цікаві ділянки.

За камерою об'єкта розташована лінза об'єктива, яка дозволяє досягати різкого зображення об'єкта. Вона ж дає перше збільшене зображення об'єкта, і за допомогою наступних, проміжної та проекційної лінз загальне збільшення можна довести до максимального. Зображення об'єкта виникає на екрані, що люмінескує під дією електронів. За екраном розташовані фотопластини. Стабільність дії електронної гармати, а також чіткість зображення поряд з іншими факторами (постійність високої напруги та ін) багато в чому залежать від глибини розрідження в колоні електронного мікроскопа, тому якість роботи приладу значною мірою визначається вакуумною системою (насоси, канали відкачування, крани, клапани, ущільнення) (рис. 4). Необхідне розрідження всередині колони досягається завдяки високій ефективності вакуумних насосів.

Попереднє розрідження у всій вакуумній системі створює механічний форвакуумний насос, потім набуває чинності масляний дифузійний насос; обидва насоси включені послідовно та забезпечують у колоні мікроскопа високе розрідження. Введення в систему електронного мікроскопа масляного насоса бустерного дозволило на тривалий час відключати форвакуумний насос.

Рис. 4. Вакуумна схема електронного мікроскопа: 1 - пастка, що охолоджується рідким азотом (хладопровід); 2 – високовакуумний кран; 3 – дифузійний насос; 4 – обхідний клапан; 5 – малий буферний балон; 6 – бустерний насос; 7 – механічний форвакуумний насос попереднього розрідження; 8 - чотириходовий клапанний кран; 9 – великий буферний балон; 10 – колона електронного мікроскопа; 11 - клапан напуску повітря колону мікроскопа.

Електрична схема мікроскопа складається з джерел високої напруги, напруження катода, живлення електромагнітних лінз, а також системи, що забезпечує змінною мережевою напругою електродвигун форвакуумного насоса, піч дифузійного насоса та освітлення пульта управління. До пристрою живлення пред'являються дуже високі вимоги: наприклад, для високороздільного електронного мікроскопа ступінь нестабільності високої напруги не повинна перевищувати 5·10 -6 за 30 сек.

Інтенсивний електронний пучок утворюється внаслідок термоемісії. Джерелом накалу катода, який є V-подібною вольфрамовою ниткою, служить високочастотний генератор. Напруга, що генерується, з частотою коливань 100-200 кГц забезпечує отримання монохроматичного електронного пучка. Живлення лінз електронного мікроскопа забезпечується незмінним високостабілізованим струмом.

Рис. 5. Електронний мікроскоп УЕМВ-100Б на дослідження живих мікроорганізмів.

Випускаються прилади (рис. 5) з гарантованою роздільною здатністю 4,5 Å; на окремих унікальних знімках отримано роздільну здатність 1,27 Å, що наближається до розміру атома. Корисне збільшення у своїй дорівнює 200 000.

Електронний мікроскоп - прецезійний прилад, який потребує спеціальних методів приготування препаратів. Біологічні об'єкти малоконтрастні, тому доводиться штучно посилювати контраст препарату. Є кілька способів підвищення контрастності препаратів. При відтінку препарату під кутом платиною, вольфрамом, вуглецем тощо стає можливим визначати на електронномікроскопічних знімках розміри по всіх трьох осях. просторової системикоординат. При позитивному контрастуванні препарат з'єднується з водорозчинними солями важких металів (уранілацетат, моноокис свинцю, перманганат калію та ін.). При негативному контрастуванні препарат оточують тонким шаром аморфної речовини високої щільності, непроникного для електронів (молібденовокислий амоній, уранілацетат, фосфорно-вольфрамова кислота та ін.).

Електронна мікроскопія вірусів (вірусоскопія) зумовила значний прогрес у вивченні ультратонкої субмолекулярної структури вірусів (див.). Поряд з фізичними, біохімічними та генетичними методами дослідження застосування електронної мікроскопії сприяло також виникненню та розвитку молекулярної біології. Предметом вивчення цього нового розділу біології є субмікроскопічна організація та функціонування клітин людини, тварин, рослин, бактерій та мікоплазм, а також організація рикетсій та вірусів (рис. 6). Віруси, великі молекули білка та нуклеїнових кислот (РНК, ДНК), окремі фрагменти клітин (наприклад, молекулярна будова оболонки бактеріальних клітин) можна досліджувати за допомогою електронного мікроскопа після спеціальної обробки: відтінку металом, позитивного або негативного контрастування уранілацетатом або фосфорно-вольфрамовою кислотою, а також іншими сполуками (мал. 7).

Рис. 6. Клітина культури тканини серця мавпи циномольгус, інфікована вірусом натуральної віспи (X 12 000): 1 – ядро; 2 - мітохондрії; 3 – цитоплазма; 4 – вірус.
Рис. 7. Вірус грипу (негативне контрастування (Х450 000): 1 – оболонка; 2 – рибонуклеопротеїд.

p align="justify"> Методом негативного контрастування на поверхні багатьох вірусів були виявлені закономірно розташовані групи білкових молекул - капсомери (рис. 8).

Рис. 8. Фрагмент поверхні капсиду вірусу герпесу. Видно окремі капсомери (X500 000): 1 - вид збоку; 2 – вид зверху.
Рис. 9. Ультратонкий зріз бактерії Salmonella typhimurium (Х80000): 1 - ядро; 2 – оболонка; 3 – цитоплазма.

Внутрішню будову бактерій та вірусів, а також інших більших біологічних об'єктів можна вивчати тільки після розтину їх за допомогою ультратоми та приготування найтонших зрізів завтовшки 100-300 Å. (Рис. 9). Завдяки покращенню методів фіксації, заливки та полімеризації біологічних об'єктів, застосуванню алмазних та скляних ножів при ультратомуванні, а також використанню висококонтрастуючих сполук для фарбування серійних зрізів вдалося отримати ультратонкі зрізи не лише великих, а й найдрібніших вірусів людини, тварин, рослин та бактерій.

Що таке USB-мікроскоп?

USB-мікроскоп – це вид цифрового мікроскопа. Замість звичного окуляра тут встановлено цифрову камеру, яка захоплює зображення з об'єктива і переносить його на екран монітора або ноутбука. До комп'ютера такий мікроскоп підключається дуже просто через звичайний USB-кабель. У комплекті з мікроскопом завжди йде спеціальне програмне забезпечення, яке дозволяє обробляти одержувані зображення. Ви зможете робити фотографії, створювати відеоролики, змінювати контрастність, яскравість та розміри картинки. Можливості програмного забезпеченнязалежить від виробника.

USB-мікроскоп – це перш за все компактний збільшувальний пристрій. Його зручно брати із собою у поїздки, на зустрічі чи за місто. Зазвичай USB-мікроскоп не може похвалитися великим збільшенням, але для вивчення монет, дрібного шрифту, предметів мистецтва, зразків тканин або грошових купюр його можливостей цілком вистачає. За допомогою такого мікроскопа можна досліджувати рослини, комах і будь-які дрібні предмети, що вас оточують.

Де придбати електронний мікроскоп?

Якщо ви остаточно визначилися з вибором моделі, можна купити електронний мікроскоп на цій сторінці. У нашому інтернет-магазині ви знайдете електронний мікроскоп за найкращою ціною!

Якщо ви хочете на власні очі побачити електронний мікроскоп, а потім прийняти рішення – відвідайте найближчий до вас магазин «Чотири очі».
Так-так, і візьміть із собою дітей! Без покупок та подарунків точно не залишитеся!

Технологічна археологія)
Одні електронні мікроскопи відновлюють, інші прошивки космічних апаратів, треті займаються реверс-інжинірингом схемотехніки мікросхем під мікроскопом. Підозрюю, що заняття дуже захоплююче.
А, до речі, згадав про чудовий піст про індустріальну археологію.

Спойлер

Корпоративна пам'ять буває двох видів: люди та документація. Люди пам'ятають, як речі працюють, і знають чому. Іноді вони записують цю інформацію кудись і зберігають свої записи десь. Це називається "документація". Корпоративна амнезія діє так само: люди йдуть, і документація зникає, гниє або просто забувається.

Я провів кілька десятиліть, працюючи у великій нафтохімічній компанії. На початку 1980-х ми спроектували та побудували завод, який переробляє одні вуглеводні до інших вуглеводнів. За наступні 30 років корпоративна пам'ять про цей завод ослабла. Так, завод все ще працює та приносить фірмі гроші; техобслуговування проводиться, і високомудрі фахівці знають, що їм треба сіпати і куди штовхнути, щоб завод продовжив працювати.

Але компанія абсолютно забула, як цей завод працює.

Це сталося з вини кількох факторів:

Спад у нафтохімічній промисловості у 1980-х та 1990-х змусив нас припинити приймати на роботу нових людей. Наприкінці 1990-х, у нашій групі працювали хлопці віком до 35 або старше 55 - з дуже рідкісними винятками.
Ми поступово перейшли на проектування за допомогою комп'ютерних систем.
Через корпоративні реорганізації нам довелося фізично переїжджати всім офісом з місця на місце.
Корпоративне злиття кількома роками пізніше повністю розчинило нашу фірму більшою, викликавши глобальну розбудову відділів і перетасовування кадрів.
Індустріальна археологія

На початку 2000-х я та кілька моїх колег вийшли на пенсію.

Наприкінці 2000-х компанія згадала про завод і подумала, що було б непогано зробити з ним щось. Скажімо, збільшити виробництво. Наприклад, можна знайти вузьке місце у виробничому процесі і поліпшити його, - технологія ці 30 років не стояла на місці, - і, можливо, прибудувати ще один цех.

І тут компанія з усього маху вдруковується в цегляну стіну. Як цей завод було збудовано? Чому він був збудований саме так, а не інакше? Як він працює? Навіщо потрібен чан А, навіщо цехи Б і У з'єднані трубопроводом, чому трубопровід має діаметр саме Р, а чи не Д?

Корпоративна амнезія у дії. Гігантські машини, побудовані інопланетянами за допомогою їх інопланетної технології, чавкають, як заведені, видаючи на гора купи полімерів. Компанія приблизно уявляє собі, як обслуговувати ці машини, але гадки не має, що за дивовижне чарівництво твориться всередині, і ні в кого немає найменшого уявлення про те, як вони створювалися. Загалом народ навіть не впевнений, що саме треба шукати, і не знає, з якого боку слід розплутувати цей клубок.

Відшукуються хлопці, котрі під час будівництва цього заводу вже працювали у фірмі. Тепер вони обіймають високі посади та сидять в окремих, кондиціонованих кабінетах. Їм дають завдання знайти документацію щодо зазначеного заводу. Це вже не корпоративна пам'ять, це більше схоже на індустріальну археологію. Ніхто не знає, яка документація по цьому заводу існує, чи існує вона взагалі, і якщо так, то в якому вигляді вона зберігається, в яких форматах, що вона включає і де вона лежить фізично. Завод проектувався проектною групою, якої більше немає, в компанії, яка з того часу була поглинена, в офісі, який був закритий, використовуючи методи до-комп'ютерної епохи, які більше не застосовуються.

Хлопці згадують дитинство з обов'язковим копошенням у багнюці, закочують рукави дорогих піджаків і приймаються за роботу.

Московський інститут електронної техніки

Лабораторія електронної мікроскопії С.В. Сєдов

[email protected]

Принцип роботи сучасного растрового електронного мікроскопа та його використання для дослідження об'єктів мікроелектроніки

Мета роботи: знайомство з методиками дослідження матеріалів та мікроелектронних структур за допомогою растрового електронного мікроскопа.

Тривалість роботи: 4 год.

Прилади та приладдя: растровий електронний мікроскоп Philips-

SEM-515, зразки мікроелектронних структур.

Пристрій та принцип роботи растрового електронного мікроскопа

1. Введення

Растрова електронна мікроскопія - це дослідження об'єкта шляхом опромінення тонко сфокусованим електронним пучком, який розгортається в растр поверхні зразка. Внаслідок взаємодії сфокусованого електронного пучка з поверхнею зразка виникають вторинні електрони, відбиті електрони, характеристичне рентгенівське випромінювання, оже-електрони та фотони різних енергій. Вони народжуються у певних обсягах - областях генерації всередині зразка і можуть бути використані для вимірювання багатьох його характеристик, таких як топографія поверхні, хімічний склад, електрофізичні властивості та ін.

Основною причиною широкого використання растрових електронних мікроскоів є висока роздільна здатність при дослідженні масивних об'єктів, що досягає 1,0 нм (10 Å). Інший важливою рисою зображень, одержуваних у растровом електронному мікроскопі є їхня об'ємність, обумовлена ​​великою глибиною різкості приладу. Зручність застосування растрового мікроскопа у мікро- та нанотехнології пояснюється відносною простотою підготовки зразка та оперативністю дослідження, що дозволяє використовувати його для міжопераційного контролю технологічних параметрів без значних втрат часу. Зображення в растровому мікроскопі формується як телевізійного сигналу, що значно спрощує його введення в комп'ютер і подальшу програмну обробку результатів досліджень.

Розвиток мікротехнологій та поява нанотехнологій, де розміри елементів істотно менші за довжину хвилі видимого світла, робить растрову електронну мікроскопію практично єдиною неруйнівною методикою візуального контролю при виробництві виробів твердотільної електроніки та мікромеханіки.

2. Взаємодія електронного променя із зразком

При взаємодії пучка електронів з твердою мішенню виникає велика кількість різноманітних сигналів. Джерелом цих сигналів є області випромінювання, розміри яких залежать від енергії пучка і атомного номера мішені, що бомбардується. Розмірами цієї області, при використанні певного сорту сигналу визначається дозвіл мікроскопа. На рис. 1 показані області збудження у зразку для різних сигналів.

Повний розподіл енергії електронів, випромінюваних зразком

наведено на рис.2. Воно отримано при енергії падаючого пучка Е 0 = 180эВ, по осі ординат відкладено число емітованих мішенню електронів J s (E), а по осі абсцис - енергія Е цих електронів. Зауважимо, що вид залежності,

наведеної на рис.2, зберігається й у пучків з енергією 5 – 50 кеВ, які у растрових електронних мікроскопах.

Г
руппуI складають пружно відбиті електрони з енергією, близькою до енергії первинного пучка. Вони виникають за пружного розсіювання під великими кутами. Зі збільшенням атомного номера Z зростає пружне розсіювання та збільшується частка відбитих електронів . Розподіл відбитих електронів за енергіями деяких елементів наведено на рис.3.

Кут розсіювання 135 0
, W=E/E 0 - нормована енергія, d/dW - кількість відбитих електронів на падаючий електрон і одиницю енергетичного інтервалу. З малюнка видно, що зі збільшенням атомного номера як зростає кількість відбитих електронів, а й їх енергія стає ближче до енергії первинного пучка. Це призводить до виникнення контрасту за атомним номером і дозволяє досліджувати фазовий склад об'єкта.

Група II включає електрони, що зазнали багаторазового непружного розсіювання і випромінювані до поверхні після проходження більш-менш товстого шару матеріалу мішені, втративши при цьому певну частину своєї початкової енергії.

Е
Електрони групи III є вторинними електронами з малою енергією (менше 50 еВ), які утворюються при збудженні первинним пучком слабозв'язаних електронів зовнішніх оболонок атомів мішені. Основний вплив на кількість вторинних електронів надає топографія поверхні зразка та локальні електричні та магнітні поля. Кількість вторинних електронів, що виходять, залежить від кута падіння первинного пучка (рис.4). Нехай R0 – максимальна глибина виходу вторинних електронів. Якщо зразок нахилений, то довжина колії в межах відстані R 0 від поверхні зростає: R = R 0 sec 

Отже зростає і кількість зіткнень, у яких народжуються вторинні електрони. Тому незначна зміна кута падіння призводить до помітної зміни яскравості вихідного сигналу. Завдяки тому, що генерація вторинних електронів відбувається в основному в приповерхневій області зразка (рис.1), роздільна здатність зображення у вторинних електронах близька до розмірів первинного електронного пучка.

Характеристичне рентгенівське випромінювання виникає в результаті взаємодії електронів, що падають, з електронами внутрішніх K, L, або М оболонок атомів зразка. Спектр характеристичного випромінювання несе інформацію про хімічному складіоб'єкт. На цьому ґрунтуються численні методи мікроаналізу складу. Більшість сучасних растрових електронних мікроскопів оснащені енергодисперсійними спектрометрами для якісного та кількісного мікроаналізу, а також для створення карток поверхні зразка в характеристичному рентгенівському випромінюванні певних елементів.

3 Пристрій растрового електронного мікроскопа.