Устройство обнаружения газов

Устройство обнаружения газов ( GDD ) — это метод и устройство для обнаружения сигналов в газовой среде сканирующего электронного микроскопа окружающей среды (ESEM) и всех приборов со сканирующим лучом, которые допускают минимальное давление газа для работы детектора.

История

В ходе разработки ЭСЭМ детекторы , использовавшиеся ранее в вакууме сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), пришлось адаптировать для работы в газовых условиях. Детектор обратных рассеянных электронов (BSE) был адаптирован с помощью соответствующей геометрии в соответствии с требованиями оптимальной передачи электронного луча, распределения BSE и пропускания световода. Однако соответствующий детектор вторичных электронов (SE) ( детектор Эверхарта-Торнли ) не удалось адаптировать, поскольку требуемый высокий потенциал мог бы вызвать катастрофический пробой даже при умеренном повышении давления, например при низком вакууме. Данилатос (1983) преодолели эту проблему, используя в качестве детектора сам окружающий газ благодаря ионизирующему действию различных сигналов. При соответствующем контроле конфигурации и смещения электродов было достигнуто обнаружение SE. Опубликован комплексный обзор, посвященный теории и работе GDD. из которого была использована большая часть представленного ниже материала.

Принципы и описание

Принцип GDD

GDD в принципе представляет собой адаптацию методов обнаружения частиц, используемых в ядерной физике и астрономии. В адаптации заложены параметры, необходимые для формирования изображений в условиях электронного микроскопа и при наличии газа внутри камеры образца. Сигналы, исходящие от взаимодействия пучка с образцом, в свою очередь, взаимодействуют с окружающим газом в виде газовой ионизации и возбуждения. Тип, интенсивность и распределение взаимодействий сигнал-газ различаются. К счастью, в целом постоянная времени этих взаимодействий совместима с постоянной времени, необходимой для формирования изображений в ESEM. Установление этой совместимости составляет основу изобретения GDD и перехода от физики элементарных частиц к электронной микроскопии. Доминирующими взаимодействиями сигнал-газ являются взаимодействия BSE и SE, как они описаны ниже.

В своей простейшей форме GDD включает в себя один или несколько электродов, на которые обычно подается низкое напряжение (например, до 20 В), которого достаточно для сбора тока ионизации, создаваемого любыми источниками. Это очень похоже на ионизационную камеру в физике элементарных частиц. Размер и расположение этих электродов определяют объем обнаружения в газе и, следовательно, тип обнаруживаемого сигнала. Энергичные BSE проходят большое расстояние, тогда как SE перемещаются на гораздо меньшее поперечное расстояние, главным образом, за счет диффузии в газе. Соответственно, электрод, расположенный дальше от оси пучка, будет иметь преимущественно компонент BSE по сравнению с преобладающим компонентом SE, собранным электродом, расположенным близко к оси. Точная пропорция смеси и интенсивности сигналов зависит от дополнительных параметров природы газа и давления в сочетании с конфигурациями электродов и смещением, принимая во внимание, что нет резкого физического различия между SE и BSE, за исключением традиционного определения 50 эВ. граница между ними.

В другой форме GDD включает в себя один или несколько электродов, как указано выше, но на которые обычно подается высокое напряжение (например, 20–500 В). Используемые процессы такие же, как и в случае низкого напряжения, с добавлением усиления сигнала по принципу пропорционального усилителя, используемого в физике элементарных частиц. То есть все медленные электроны в газе, исходящие либо от ионизирующего ОЭБ, либо непосредственно от образца (т.е. ЭЭ), размножаются лавинообразно. Энергии, сообщаемой бегущим медленным электронам внешним электродным полем, достаточно для ионизации молекул газа посредством последовательных (каскадных) столкновений. Разряд контролируется пропорционально приложенному смещению электрода ниже точки пробоя. Эта форма обнаружения называется ионизационным GDD.

Параллельно ионизации в обоих вышеописанных случаях происходит и возбуждение газа. Газообразные фотоны рождаются как БСЭ, так и СЭ как напрямую, так и каскадно-лавинно с ионизационными электронами. Эти фотоны обнаруживаются соответствующими средствами, например фотоумножителями. Стратегически расположив световые трубки , используя фильтры и другие средства световой оптики, SE снова можно отделить от BSE и сформировать соответствующие изображения. Эта форма обнаружения называется сцинтилляцией-GDD.

Распределение и разделение SE

Работоспособность устройства обнаружения газов в ESEM

Принципы, изложенные выше, лучше всего описать, рассматривая плоские электроды, смещенные для формирования однородного электрического поля, как показано на прилагаемой диаграмме принципа GDD . Электронный луч, попадающий на образец на катоде, эффективно создает точечный источник SE и BSE. Распределение медленных электронов, вылетающих из точечного источника внутри газа, находящегося под действием однородного поля, определяется уравнениями (слабое поле):

$R={\frac {I(r,d)}{\delta I_{b}}}=1-{\frac {1}{Q}}\exp \left[{\frac {eV}{2kT\epsilon }}(1-Q)\right]$  с   $Q=\left(1+{\frac {r^{2}}{d^{2}}}\right)^{1/2}$

где R — доля SE, которая достигает анода внутри радиуса r , V — разность потенциалов между электродами, расположенными на расстоянии d , k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура газа, e — заряд электрона и ε — отношение тепловая (возбуждающая и кинетическая) энергия электронов, деленная на тепловую энергию основного газа; I — соответствующий ток, собираемый анодом внутри r , δ — коэффициент выхода SE, а I _{b —} ток падающего электронного пучка. Это обеспечивает пространственное распределение исходных электронов SE, поскольку на них действует однородное электрическое поле, перемещающее их от катода к аноду, при этом электроны также диффундируют за счет тепловых столкновений с молекулами газа. представлены графики В прилагаемых характеристиках эффективности ГДД для набора рабочих условий давления p и расстояния d . Отметим, что эффективность сбора 100% быстро достигается в пределах небольшого радиуса даже при умеренной напряженности поля. При большом смещении почти полный сбор достигается в пределах очень малого радиуса, и этот факт имеет благоприятное значение для проектирования.

Приведенное выше радиальное распределение справедливо и при наличии образования электронных лавин в сильном электрическом поле, но его необходимо умножить на соответствующий коэффициент усиления. В простейшей форме для параллельных электродов: коэффициент усиления представляет собой экспоненту в текущем уравнении:

$\ I(r,d)=\delta I_{b}R\exp(\alpha d)$

где α – первый коэффициент Таунсенда . Это дает общее усиление сигнала как за счет электронов, так и за счет ионов. Пространственное распределение заряда и коэффициент усиления варьируются в зависимости от конфигурации и геометрии электрода, а также от дополнительных процессов разряда, описанных в упомянутой теории GDD.

Характеристики усиления GDD SE

Распространение BSE

реализация GDD

BSE обычно имеют энергию в диапазоне кВ, поэтому гораздо меньшее смещение электрода оказывает лишь вторичное влияние на их траекторию. По той же причине конечное число столкновений с газом также приводит к отклонению второго порядка от траектории, которую они имели бы в вакууме. Поэтому их распределение практически такое же, как было установлено специалистами СЭМ, изменение которого зависит от свойств поверхности образца (геометрии и состава материала). Для полированной поверхности образца распределение BSE принимает почти косинусоидальную функцию, но для шероховатой поверхности его можно считать сферическим (т.е. однородным во всех направлениях). Для краткости ниже приведены уравнения только второго случая. В вакууме распределение тока от BSE на электроде определяется выражением

$\ I(r,d)=\eta I_{b}\left(1-{\frac {1}{Q}}\right)$

где η — коэффициент доходности БФБ.

В присутствии газа в слабом электрическом поле соответствующие уравнения принимают вид:

$\ I(r,d)=\eta I_{b}pdS\left[{\frac {r}{d}}\tan ^{-1}\left({\frac {r}{d}}\right)+\ln Q\right]$

где S — коэффициент ионизации газа, а p — его давление

Наконец, для сильного электрического поля получаем

$\ I(r,d)={\frac {1}{2}}\eta I_{b}pS\int \limits _{0}^{d}\ln \left[1+\left({\frac {r}{h}}\right)^{2}\right]\exp\{\alpha (d-h)\}\,dh$

Для практических целей BSE преимущественно выходит за пределы объема, на который воздействует преимущественно SE, в то время как существует промежуточный объем, составляющий сопоставимую долю двух сигналов. Взаимодействие различных задействованных параметров в основном изучено, но оно также представляет собой новую область для дальнейших исследований и разработок, особенно по мере того, как мы выходим за пределы геометрии плоского электрода.

Электронная и ионная индукция

Перед практическими реализациями полезно рассмотреть более эзотерический аспект (принцип), а именно фундаментальный физический процесс, происходящий в ДГД. Сигналом во внешней цепи является ток смещения i, создаваемый индукцией заряда на электродах движущимся зарядом e со скоростью υ в пространстве между ними:

$i={\frac {e\upsilon }{d}}$

В момент времени, когда заряд достигает электрода, ток в цепи не течет, поскольку υ=0 , только когда заряд движется между электродами, мы имеем сигнальный ток. Это важно, например, в том случае, когда новая электрон-ионная пара генерируется в любой точке пространства между анодом и катодом, скажем, на расстоянии х от анода. Тогда только часть заряда ex/d индуцируется электроном во время его перехода к аноду, тогда как остальная часть заряда e(d–x)/d индуцируется ионом во время его перехода к катоду. Сложение этих двух фракций дает заряд, равный заряду одного электрона. Таким образом, подсчитывая количество электронов, прибывающих к аноду, или ионов к катоду, мы получаем ту же цифру при измерении тока. Однако, поскольку скорость дрейфа электронов примерно на три порядка выше (в наносекундном диапазоне), чем у ионов, индуцированный сигнал может быть разделен на две компоненты различной значимости, когда время прохождения иона может стать больше, чем время пикселя на экране. отсканированное изображение. Таким образом, GDD имеет две собственные постоянные времени: очень короткую, обусловленную электронами, и более длинную, обусловленную ионами. Когда время прохождения ионов превышает время пребывания пикселя, интенсивность полезного сигнала снижается вместе с увеличением фонового шума сигнала или размытием краев изображения из-за отставания ионов. Как следствие, приведенные выше выводы, которые включают общие вклады электронов и ионов, должны быть соответствующим образом модифицированы новыми уравнениями для случая высоких скоростей сканирования. Геометрию электрода можно изменить с целью уменьшения времени прохождения ионов, как это можно сделать с помощью иглы или цилиндрической геометрии.

Этот фундаментальный подход помогает также понять так называемый режим обнаружения « поглощенного образцом тока » в вакуумном СЭМ, который ограничен только проводящими образцами. Формирование изображения непроводящих образцов, теперь возможное в ESEM, можно понимать с точки зрения индуцированного тока смещения во внешней цепи посредством действия, подобного конденсатору, при этом образец является диэлектриком между его поверхностью и нижележащим электродом. Следовательно, (неправильный термин) «поглощаемый образцом ток» сам по себе не играет никакой роли в формировании какого-либо полезного изображения, за исключением рассеивания заряда (в проводниках), без чего изоляторы обычно не могут быть отображены в вакууме (за исключением того редкого случая, когда падающий луч ток равен общему излучаемому току).

Усиление детектора SE

Используя вывод коэффициента Таунсенда, данный фон Энгелем, коэффициент усиления G в случае SE с общим токосъемом I _tot (т.е. для R=1 ) находится по формуле:

$\ G={\frac {I_{tot}}{\delta I_{b}}}=\exp \left[Apd\exp \left(-B{\frac {pd}{V}}\right)\right]$

где A и B — табличные константы для различных газов. На представленной диаграмме мы отображаем характеристики усиления для азота с A=9,0 и B=256,5, действительные в диапазоне 75–450 В/(Па·м) для отношения E/p . Следует отметить, что при работе ESEM произведение pd<3 Па·м, так как при более высоких значениях полезный луч не проходит через слой газа на поверхность образца. Серой заштрихованной областью показана область работы ГДД при условии, что γ-процессы очень малы и не вызывают срыва пропорционального усиления. Эта область содержит максимумы кривых усиления, что еще больше подтверждает успешное применение этой технологии в ESEM. Кривые за пределами заштрихованной области можно использовать при энергии луча более 30 кВ, а также при будущей разработке сканирующих электронных микроскопов, работающих в окружающей среде или атмосфере, в которых будет использоваться очень высокая энергия луча.

Общие реализации

Изменение контрастности по GDD в сильном поле

Изменение контрастности по GDD в слабом поле

Схема, показывающая принцип GDD, представляет собой универсальную реализацию, включающую не только режим SE, но также BSE и их комбинацию. Даже если желательно использовать только сигнал SE, рекомендуется использовать по крайней мере один дополнительный концентрический электрод, чтобы помочь в отделении от помех BSE, а также от других источников шума, таких как электроны юбки, рассеянные из первичного луча. по газу. Это дополнение может действовать как «защитный» электрод, и, изменяя его смещение независимо от электрода SE, можно целенаправленно контролировать контрастность изображения. Используются альтернативные управляющие электроды, например, сетка между анодом и катодом. Многоцелевой массив электродов под и над образцом, а также над отверстием ограничения давления ESEM также был описан в других источниках.

Разработка этого детектора потребовала специальной электронной схемы, особенно когда сигнал улавливается анодом при высоком смещении, поскольку усиленный плавающий ток должен быть подключен на полной полосе пропускания к наземному усилителю и схемам видеодисплея (разработанным ElectroScan). Альтернативой является смещение катода с отрицательным потенциалом и получение сигнала от анода при плавающей земле без необходимости связи между каскадами усилителя. Однако это потребует дополнительных мер предосторожности для защиты пользователей от воздействия высокого потенциала на стадии образца.

Еще одна альтернатива, которая была реализована на лабораторном этапе, заключается в применении высокого смещения на аноде, но путем приема сигналов с катода на плавающей земле, как показано на прилагаемой диаграмме . Концентрические электроды (E2, E3, E4) выполнены на печатной плате (PCB) из стекловолокна с медным покрытием, а в центре диска добавлен медный провод (E1). Анод снова изготовлен из той же печатной платы с коническим отверстием (400 микрометров), служащим отверстием для ограничения давления в ESEM. Открытый материал из стекловолокна внутри апертурного конуса вместе с его поверхностью над ним покрыт серебряной краской, непрерывной с медным материалом анодного электрода (Е0), который удерживается под высоким потенциалом. Катодные электроды независимо подключаются к заземлению усилителей, которое, по сути, может смещаться низким напряжением непосредственно от источников питания усилителя в диапазоне ±15 Вольт без необходимости какой-либо дополнительной связи. Благодаря индукционному механизму, работающему за GDD, эта конфигурация эквивалентна предыдущей схеме, за исключением инвертированного сигнала, который восстанавливается электронным способом. Пока электрод E0 удерживается под напряжением 250 В, значимая визуализация выполняется, как показано на рисунке. серия изображений с композицией сигналов от различных электродов при двух давлениях подаваемого воздуха. На всех изображениях показана часть центрального медного провода (E1), открытое стекловолокно (FG, посередине) и медь (часть E2) с небольшим количеством серебряной краски, используемой для крепления провода. Близкое сходство (а) с (б) при низком давлении и (в) с (г) при высоком давлении является проявлением принципа эквивалентности по индукции. Самое чистое изображение SE — (e), а самое чистое изображение BSE — (h). Изображение (f) имеет преобладающие характеристики SE, тогда как (g) имеет сопоставимый вклад как SE, так и BSE. На изображениях (a) и (b) преобладает SE с некоторым вкладом BSE, тогда как (c) и (d) имеют сопоставимый вклад как SE, так и BSE.

Очень яркие области на материале FG являются результатом действительно высокого выхода сигнала образца, а не неустойчивой зарядки или других артефактов, характерных для пластиков в вакуумном СЭМ. Высокий выход кромок, наклонное падение и т. д. впервые могут быть изучены на истинных поверхностях без препятствий в ESEM. Легкая загрузка, если она присутствует, может обеспечить стабильную контрастность свойств материала и может использоваться как средство изучения физики поверхностей. Изображения, представленные в этой серии, представляют собой репродукции с фотобумаги с ограниченной полосой пропускания, на которой попытка передать детали в темных областях приводит к насыщению светлых участков и наоборот, тогда как на негативной пленке обычно содержится гораздо больше информации. Электронное манипулирование сигналом вместе с современной компьютерной графикой может преодолеть некоторые старые ограничения изображения.

Пример работы ГДД при низком напряжении показан на четырех изображениях одного и того же поля зрения полированного минерала, содержащего алюминий, железо, кремний и некоторые неизвестные поверхностные примеси. Анодный электрод представляет собой одну тонкую проволоку, расположенную сбоку и под поверхностью образца на расстоянии нескольких мм от нее. Изображение (а) показывает преимущественно контраст SE при низком давлении, тогда как (b) показывает контраст материала BSE при более высоком давлении. Изображение (c) показывает катодолюминесценцию (CL) поверхности образца с использованием водяного пара (который не мерцает), тогда как (d) показывает дополнительный фотонный сигнал за счет замены газа на воздух, который мерцает сигнальными электронами, исходящими из образца. Последний, по-видимому, представляет собой смесь CL и SE, но он также может содержать дополнительную информацию о заряде поверхностного загрязнения в различной степени в зависимости от давления газа.

GDD при высоком напряжении имеет явные преимущества перед режимом низкого напряжения, но последний может легко использоваться в специальных приложениях, например, при очень высоких давлениях, когда BSE обеспечивает высокий коэффициент ионизации за счет своей собственной высокой энергии, или в случаях, когда электрический Поле требует формирования целенаправленных целей. В общем, детектор должен быть спроектирован так, чтобы работать как при высоких, так и при низких уровнях смещения, включая переменное отрицательное (замедляющее электроны) смещение. с важной генерацией контраста.

Предусмотрены дальнейшие усовершенствования, такие как использование специальных материалов электродов, газового состава и формирование траектории регистрации электронов специальными электрическими и магнитными полями (стр. 91).

Дальнейшие разработки

Вышеописанные принципы были дополнительно реализованы в ESEM с обнаружением вторичных и обратно рассеянных электронов для трехмерной визуализации с помощью многодетекторного метода Slowko et al. Фитцек и др. исправили некоторые недостатки доступного коммерческого ESEM путем оптимизации системы ограничения давления и обнаружения вторичных электронов, что привело к получению высококачественных изображений.

Коммерческие реализации

Первую коммерческую реализацию GDD осуществила корпорация ElectroScan. использование аббревиатуры ESD, означающей «вторичный детектор окружающей среды», за которым последовала улучшенная версия, получившая название «газообразный детектор вторичных электронов» (GSED). Использование магнитного поля объектива микроскопа включено в другой коммерческий патент. Компания LEO (ныне Carl Zeiss SMT ) использовал сцинтилляционный режим и режим ионизации (игольчатый) GDD на своих РЭМ окружающей среды в низком, а также в расширенном диапазоне давлений.