Лабораторная работа № 2. Знакомство с пользовательским интерфейсом растрового электронного микроскопа

• | Печать |

Цель работы: ознакомиться с пользовательским интерфейсом растрового электронного микроскопа, в т.ч. с основными элементами основного окна микроскопа, научиться перемещать зонд по образцу, выбирать оптимальные режимы наблюдения, сохранять полученные результаты.

Структура основного окна пользовательского интерфейса РЭМ JEOL 6610LV
Основное окно содержит следующие элементы (рис. 1): Заголовок окна (1), Строка меню (2), Зона иконок (3), Кнопки настройки изображения (4), Область изображений (5), Операционная панель (6), Панель управления вакуумом (7), Панель управления (8), Меню панели управления (9).
Строка меню (отображаются различные выпадающие меню)
Во вкладке Файл (File) можно Открыть графический файл (Open), Сохранить графический файл (Save), запустить приложение для просмотра данных об изображении (Smile View), записать видеоряд с живого изображения (Movie), Завершить работу с микроскопом (Exit).
Во вкладке меню Правка (Edit) можно скопировать изображение в буфер обмена (Image Clip).
Во вкладе меню Справка (Help) можно вызвать окно справки (Content) либо узнать версию программы для работы с микроскопом (About)

Вкладка Display включает в себя следующие функции:

функция Стандартное изображение (Standard Live Image) возвращает к стандартному виду отображения области изображений: 1 изображение слева (основной экран) и 4 изображения справа (дополнительный экран). На основном экране может быть как статическое отображение наблюдаемой картинки, так и живое.

функция Двойное изображение (Dual Screen Live Image) приводит к переходу к двойному отображению области изображения: 1 изображение слева и 1 изображение справа. Изображения могут быть в разных сигналах.

функция Полноэкранное изображение (Full Screen Live Image). Производится получение изображения на весь экран монитора

функция Двойное живое изображение (Dual Live Image) позволяет отобразить живое изображение одного и того же поля зрения в различных типах сигнала. Режим RL – изображения справа и слева. TB – изображения вверху и внизу. На Экране 1 производится отображение в сигнале основного экрана, на Экране 2 – в предыдущем сигнале. Соотношение между Экранами можно менять, перетаскивая границу между ними
функция Разделенное живое изображение (Split Live Image) позволяет разделить одно поле зрения для отображения его частей в различных типах сигнала (на Экране 1 производится отображение в сигнале основного экрана, на Экране 2 – в предыдущем сигнале). Соотношение между Экранами можно менять перетаскивая границу между ними.
функция «Гибкое окно» (Flexible Window Image) позволяет задать участок поля зрения для его отображения в различных сигналах. На Экране 1 отображение в сигнале основного экрана, на Экране 2 – в предыдущем сигнале. Настройка изображения и его управление возможно только в пределах выбранной рамки. Границы рамки можно перемещать.
функция Смешанное изображение (Signal Mix Image) позволяет отображать на основном экране изображение в 2 смешанных разных сигналах. Полоса прокрутки в Панели управления изменяет соотношение сигналов в комбинации.

Вкладка Tools включает в себя следующие функции: функция Запирание пучка (BeamBlank) позволяет прерывать подачу пучка на образец, предотвращая его повреждение. В режиме статического изображения запирание пучка происходит автоматически, при переходе в режим живого изображения – автоматически отключается.
функция Осциллятор объективной линзы (OL Wobbler) используется для центровки апертуры объективной линзы. При ее включении изображение периодически перемещается относительно фокуса. При плохой центровке апертуры объективной линзы изображение объекта будет покачиваться из стороны в сторону – осциллировать. Оптимальная центровка апертуры – минимальная амплитуда колебания изображения
функция Восстановление линзы (Lens Reset) состоит в сбросе настроек (восстановлении) линзы к исходным заводским. Позволяет устранить отставание линзы и производить наблюдение в лучших условиях.
функция Сброс компенсации астигматизма (Stigma Reset) позволяет восстановливать заводские настройки астигматизма
функция Индикатор автофокуса (Auto Focus Tracer) приводит к изменению фокуса при перемещении образца по оси Z
функция Измерение (Measure) позволяет проводить различные измерения на статическом изображении объекта (рис. 2)

функция Коррекция вуалирования (Naturalizer) позволяет уменьшить ореол вокруг изображения объектов.
функция Детектор зондового тока (Probe Current Detector) – измерение зондового тока
функция Камероскоп (Chamber Scope) – отображение внутренней части камеры образца

Вкладка Image включает в себя следующие функции:

Справочная таблица/псевдоцвет (Look-up Table/Color) – настройка градаций яркости статического изображения на основном экране.
Четыре изображения (Quad Screen) – основной экран разделен на 4 части, выполняется синтез 4х изображений.
Двойное изображение (Dual Screen) – основной экран разделен на 2 части, выполняется синтез 2х изображений
Цифровое увеличение (Digital Zoom) – на основном экране в увеличенном виде отражается часть статического изображения
Двойное увеличение (Dual Magnification) – в правой части экрана в увеличенном виде отображается часть статического изображения с основного экрана

Зона иконок включает в себя как фиксированные иконки, так и редактируемые.

3.1 Фиксированные иконки отображены в Таблице 1.


Таблица 1 - Фиксированные иконки и описание их функций

Сравнение различных режимов сканирования приведено на рисунке 3.

Кнопки настройки изображения позволяют оператору корректировать качество получаемого изображения (рисунок 4, таблица 2).

Операционная панель под основным экраном (рисунок 5) включает в себя следующие элементы:

Выбор типа сигнала, ускоряющее напряжение HV, рабочее расстояние WD, величину SpotSize, увеличение, микронная шкала, параметры образца и пользователя

Выбор типа сигналов

Для построения изображения в растровом электронном микроскопе используются различные типы сигналов (рисунок 6, таблица 3), появляющиеся при взаимодействии сфокусированного пучка электронов с образцом, которые регистрируются детекторами.

Итак, высокоэнергетические электроны при взаимодействии с образцом испытывают как упругое, так и неупругое взаимодействие. При упругом электроны взаимодействуют с ядрами атомов, частично экранированных связанными электронами, при этом изменяется траектория электронов внутри образца без существенного изменения их энергии, при неупругом – происходит передача энергии образцу, приводящая к образованию вторичных электронов, оже-электронов, характеристического и непрерывного (тормозного) рентгеновского излучения, катодолюминесценции. Все эти взаимодействия могут быть использованы для получения информации о природе объекта – форме, составе, кристаллической структуры и т.д.

Таблица 2 – Описание кнопок настройки изображения

Настройка яркости производится кнопками Contrast и Brightness на кнопках настройки изображения, либо вращением ручек на пульте оператора.

Значительная доля электронов пучка, которые бомбардируют образец, впоследствии вылетают из нее. Они называются отраженными электронами. Их количество растет с возрастанием атомного номера материала. Этот тип электронов несет информацию о природе объекта, усредненную по глубине зоны анализа (обычно эта величина порядка 1 мкм). Надо отметить, что отраженные электроны также «чувствуют» и топографию поверхности.

В результате взаимодействия с атомами образца электроны первичного пучка могут передать часть своей энергии электронам из зоны проводимости, то есть слабо связанным с атомами. В результате такого взаимодействия может произойти отрыв электронов и ионизация атомов. Такие электроны называются вторичными. Эти электроны обычно обладают небольшой энергией (порядка 50 эВ). Принимая во внимание, что вторичные электроны генерируются тонкими приповерхностными слоями, они очень чувствительны к состоянию поверхности. Минимальные изменения отражаются на количестве собираемых электронов. Таким образом этот тип электронов несет в себе информацию о рельефе образца.

Таблица 3 – Описание используемых типом сигналов

Выбор ускоряющего напряжения HV (рисунок 7, 8)

Повышение ускоряющего напряжения увеличивает четкость изображения и пространственное разрешение вследствие уменьшения длины волны опорного излучения. У непроводящих образцов понижение ускоряющего напряжения снимает излишнюю зарядку образца, выявляя мелкие детали.

Снижение повреждения образцов (под воздействие локального нагрева пучком) достигается понижением ускоряющего напряжения, уменьшением времени экспозиции снимка, фотографированием большой области образца с малым увеличением, контролем толщины проводящего покрытия на поверхности исследования образца.

Выбор оптимального рабочего расстояния

Рабочее расстояние WD (рисунок 9) может быть увеличено за счет механического перемещения столика с образцом в направлении от объективной линзы с расфокусировкой изображения образца либо уменьшением силы тока в обмотках объективной линзы (при этом опускается положение фокальной плоскости – точки, куда сходятся отдельные траектории электронов).

Увеличение рабочего расстояния приводит к увеличению диаметра пучка на поверхности образца, при этом ухудшается пространственное разрешение, ток зонда остается прежним; апертурный угол объективной линзы уменьшается с ростом рабочего расстояния, что дает увеличение глубины фокуса.

Большие рабочие расстояния приводят к длинным путям пробега пучка, что либо увеличивает время получения снимка, либо приводит к снижению увеличения (увеличению шага между положениями пучка) для достижения прежней скорости съемки (рисунок 10).

Итоговое правило работы таково: чем больше рабочее расстояние и меньше размер диафрагмы объективной линзы, тем больше глубина фокуса Для исследования образцов с выраженной топографией используют наименьшую диафрагму и наибольшее рабочее расстояние. Для исследования образцов в высоком разрешении используют минимальное рабочее расстояние.

5.4 Выбор оптимального размера пятна SS (рисунок 11)

SpotSize (SS)- относительный размер пучка после конденсорной линзы.

Общая зависимость говорит о том, что с ростом тока зонда растет и диаметр зонда (рис 12).

Чем меньше диаметр зонда, тем выше пространственное разрешение и увеличение можно получить. При этом сглаженность (отношение сигнал/шум) изображения зависит от тока в пучке. Когда уменьшается диаметр зонда, падает и ток в зонде (рис. 13).

Изменение увеличения

Увеличение можно изменять через:
Окно изменения увеличения под главным экраном (рисунок 14)
Клавишами изменения увеличения на кнопках настройки изображения
Колесиком мышки
Предустановленными кнопками увеличений на кнопках настройки изображения

Панель управления вакуумом (рисунок 15) включает в себя следующие элементы:
Кнопка Вытягивание (Draw Out) – кнопка переключения контроля откачки при вытягивании
Кнопка Шлюз (Airlock) – кнопка переключения контроля откачки в шлюзовой камере
Дисплей статуса вакуума – отображается состояние вакуума в камере образцов
Кнопка Напуск воздуха в камере образцов (VENT) : в процессе напуска кнопка мигает, по окончании – горит оранжевым
Кнопка Откачка (EVAC) – в процессе откачки камеры образцов мигает, при достижении рабочего вакуума горит зеленым цветом
Режимы вакуума: Высокий вакуум (High Vacuum) и Низкий вакуум (Low Vacuum)
Кнопки Вверх (Up) и Вниз (Down) увеличения или уменьшения давления в камере образцов
Область выбора нужного давления в режиме низкого вакуума: 10-270 Па. Кнопки Старт-Стоп – кнопки начала и остановки откачки до нужного давления.

Панель управления микроскопом

Панель управления включает следующие вкладки:
Управление учетными записями (User Login)
Параметры образца (Sample Settings) включает следующие пункты:
Извлечение образца
Установки
Настройка параметров наблюдения образца/ рецепты
Откачка из камеры образцов
Рецепты (Recipe). Для наблюдения образца необходимо установить соответствующие этому образцу условия наблюдения (Таблица 4). Набор настроек – рецепт. Рецепты: стандартные и индивидуальные.

Таблица 4 - Условия наблюдения образцов из различных материалов

Управление столиком (Stage) образцов содержит:

Файл позиции (Position File) представляет собой набор координат положения столика, сохраненных в какой то момент наблюдения. При выборе данного файла происходит перемещение столика в эти координаты.
Люфт (Backlash)
Предыдущая позиция (Previous position)
Начальная позиция (Initial Position)
Выбор держателя образца (Holder Selection)
Выступление образца за поверхность держателя (Protruding Height)
Ограничение перемещения по высоте (Z Axis Moving Limit)
Список изображений (Image List) позволяет просматривать полученные в РЭМ изображения из директории, куда они были сохранены. Также возможен просмотр условий получения данных изображений
Установки (Setup)
Обслуживание (Maintenance)

Вопросы для допуска к лабораторной работе

Расскажите правила техники безопасности
Опишите составляющие основного окна пользовательского интерфейса РЭМ
Опишите функции элементов строки меню
Опишите функции зоны иконок
Опишите функции кнопок настройки изображения
Опишите функции операционной панели
Опишите функции панели управления вакуумом
Опишите функции управления столиком

Сценарий лабораторной работы

Включить РЭМ
Установить исследуемый образец
Получить сфокусированное изображение исследуемых объектов
Изучить на практике основные составляющие пользовательского интерфейса РЭМ
Извлечь образец
Выключить РЭМ
Составить отчет по работе

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Как изменять скорость сканирования?
Как изменять тип сигнала, в котором исследуется образец?
Как изменять величину ускоряющего напряжения?
Как изменять величину SS?
Как изменять рабочее расстояние?
Как изменять увеличение, корректировать яркость и контраст?
Как управлять моторизованным столиком микроскопа?