Конструкция зеркального электронного микроскопа

Используются два основных варианта ЗЭМ – «прямые» приборы, в которых оси освещающего и изображающего пучков совмещены, и приборы с разделением этих пучков (см. рис. 9). Вначале строились приборы с разделением пучков – первые лабораторные стеклянные модели Хоттенрота и Ортубера, микроскоп Барца с соавторами, обеспечивавший разрешение 1000 Å. Затем был построен Майером первый прибор прямой конструкции с длиннофокусной электронной пушкой и четырехэлектродным иммерсионным объективом, предложенным ранее Сетье для эмиссионных микроскопов. Геометрическое разрешение прибора было около 0,35 мкм.

Ряд лабораторных моделей прямых ЗЭМ был сконструирован и использовался для наблюдения доменной структуры сегнетоэлектриков и ферромагнетиков. В этих приборах впервые был применен пятиэлектродный иммерсионный объектив (образец +прикатодная диафрагма + одиночная трехэлектродная линза), который позволяет легко переходить от рассеивающего к собирающему режиму работы ЗЭМ. Характеристики объектива исследовались в работе [18].

Электронная пушка в нем юстируется относительно оси системы, конденсор – электростатический. В микроскопе использовался двух-, трех- или пятиэлектродный иммерсионный объектив (ускоряющее напряжение 0–50 кэВ, вакуум до 10^-6 мм рт. ст.). Внутривакуумное фотографирование используется и в более простом приборе.

Прямые ЗЭМ сконструированы Хейденрейхом с соавторами. Вначале использовалась стеклянная модель, а затем была создана металлическая конструкция. Применение зеркала, наклоненного под углом 45° к оси системы и находящегося под прозрачным люминесцентным экраном, позволило избежать масштабных искажений при внешнем фотографировании. Устройство для коррекции масштаба при фотографировании описано и в работе.

ЗЭМ прямой конструкции с ускоряющим напряжением до 10 кВ для исследования полупроводников построен Играсом. Образец заземлен, и температура его может варьироваться в интервале 77–1300 К.

В микроскопе с магнитными линзами, сконструированном Барнеттом и Никсоном, используется двухэлектродная зеркальная система (образец + диафрагма) с магнитной объективной линзой и двойной магнитный конденсор. Двухлинзовая проекционная система формирует бездисторсионное изображение в диапазоне увеличений от 25× до 2500×. Аналогичный прибор JEM-ΜΙ разработан и с 1968 г. серийно выпускается фирмой «Jeol» (Япония). В отличие от JEM-MI, в приборе JEOL установлены трехэлектродный объектив (образец + промежуточный электрод + анод) и камера для внутривакуумного фотографирования на плоскую пленку. Ускоряющее напряжение – 15 или 35 кВ (стабильность его – 3·10^-4мин^-1), вакуум – 5·10^-5мм рт. ст., разрешение – около 1000 Å.

В приборах прямой конструкции нельзя получить сфокусированное изображение, а яркость «теневого» изображения при больших полезных увеличениях слишком мала. Поэтому в последнее время вновь возрос интерес к микроскопам с разделением пучков. Майер, предложивший ЗЭМ прямой конструкции, построил затем прибор с полным углом разделения 30°. В нем катод электронной пушки заземлен, образец находится под малым отрицательным или положительным потенциалом, а колонна – под высоким положительным. Тем не менее прибор вполне безопасен в работе, так как все высоковольтные детали заключены в защитные экраны из оргстекла. Диафрагмы четырехэлектродного иммерсионного объектива юстируются с помощью прецизионных стеклянных трубок. Все напряжения стабилизированы. Прибор снабжен автоматической вакуумной системой, оборудован дистанционным управлением для перемещения держателя образца в трех перпендикулярных направлениях.

Микроскоп классической конструкции (с заземленной колонной) создан Шварце в ГДР. Для разделения пучков используется магнитная призма с малым астигматизмом даже при сравнительно больших углах отклонения (угол отклонения в приборе – 37,5°). Конденсорная и проекционная линзы – магнитные, длиннофокусные. Стабилизированное ускоряющее напряжение 6–36 кВ, вакуум порядка 10^-5 мм рт. ст. Зеркальная система двух- или трехэлектродная (образец и диафрагмы). Максимальное увеличение 2100×достигается при использовании двухэлектродного зеркального объектива с диафрагмой диаметром 1 мм, находящейся на расстоянии 2 мм от образца (проекционное увеличение также максимально). Максимальная напряженность поля у поверхности образца – 120 кВ/см. Разрешение микроскопа – не хуже 2000 Å. Можно получать как «теневые», так и сфокусированные изображения поверхности образца.

В гораздо более сложном приборе Бока с разделением пучков изображающий электронный пучок проходит через четыре магнитные призмы, возвращающие его на оптическую ось. Увеличение сфокусированных или «теневых» изображений – от 250× до 4000×. Применение четырех призм с последовательно включенными обмотками позволило практически свести к нулю хроматическую аберрацию, отклонения при стабильности тока почти на два порядка хуже, чем при использовании одной призмы. Астигматизм отклонения корректируется стигматором, смонтированным па последней линзе. Ускоряющее напряжение 0–30 кВ.

Несравненно проще «сферическое электронное зеркало». Так, например, в приборе Артамонова легко достигается большая напряженность тормозящего поля вблизи объекта (вплоть до 107 В/см) без возникновения пробоев, но в таком микроскопе можно получить лишь «теневые» изображения и притом с малым полем зрения (сравнительно большие искажения возникают уже на малых расстояниях от оптической оси). Такой ЗЭМ удобен как простой и доступный лабораторный прибор.

Микроскоп с разделением пучков для исследования полупроводников сконструирован Э. Играсом и Т. Варминьским и выпущен серийно в Польше. Основные параметры прибора: ускоряющее напряжение 10–25 кВ, рабочий вакуум 10^-5 мм рт. ст., увеличение – до 2000×, разрешение – около 2000 Å; температуру образца можно менять от 77 до 600 К.

Универсальный ЗЭМ с разделением пучков, сконструированный Хейденрейхом, предназначен в основном для исследования микрополей и работает в проекционном (теневом) режиме, обеспечивающем максимальную чувствительность к полям. Большая камера образца дает возможность нагревать, охлаждать, деформировать, намагничивать образец, напылять на него тонкие пленки и очищать поверхность с помощью ионной пушки, пропускать регулируемый ток по поверхности образца. Ускоряющее напряжение 5–30 кВ, максимальное увеличение 3000×, разрешение – около 1000 Å.

В последнее время разрабатываются разнообразные комбинированные приборы, в том числе эмиссионно-зеркальные. Один из первых микроскопов такого рода построен в Чехословакии. Он дает возможность получать термо-, фото-, автоэмиссионные и зеркальные изображения массивных объектов. Аналогичный универсальный прибор был сконструирован в СССР на базе просвечивающего электронного микроскопа ЭМ-7. В приборе используется пятиэлектродный иммерсионный объектив и ионная пушка для получения вторично-эмиссионных изображений. Авторам удалось зафиксировать рекордное разрешение 800 Å на зеркальном изображении пленки золота.

Сложный лабораторный комбинированный прибор, разработанный Никсоном с сотрудниками, можно использовать как просвечивающий микроскоп, электронограф, эмиссионный или зеркальный микроскопы.

Новый прибор, представляющий собой комбинацию зеркального микроскопа с электронографами для быстрых и медленных электронов, разрабатывается во Франции. Вакуум в этом приборе порядка 10^-10 мм рт. ст., точность измерений поверхностных потенциалов – до 0,1 мВ, локальность – около 10 мкм. Прибор состоит из электронной пушки, отклоняющей магнитной призмы и двух электронных зеркал, одно из которых предназначено для сужения энергетического спектра отраженных электронов (примерно в два раза), а второе – для измерения локальных потенциалов на поверхности образца – отражателя этого зеркала.

Ведутся эксперименты с системой, состоящей из трех зеркал и магнитной призмы, обеспечивающей возвращение монохроматизированного (после трех отражений) электронного пучка на первоначальную ось. Интенсивно разрабатываются в последние годы также растрово-зеркальные микроскопы, которые, обладая всеми достоинствами растровых электронных микроскопов (РЭМ), гораздо более чувствительны к поверхностным микрополям, чем обычные РЭМ. Некоторые из разработанных приборов могут работать и как обычные зеркальные микроскопы, в которых изображение формируется одновременно, а не поэлементно.