Hevi..."a .\ln:jeana d(, ¡'¡""H.'a 2.i (1975) F.-\1 ".i-F ..\23

SISTE.\L\ DEHIVADOH PAHA ESTUDIOS IlINA.IIICOS EN

El. IIICHOSCOPIO ELECTHONICO DE BAI{\~IDO

F. C,lhrera. l{. F~peiel y R, Tnca

F.\ 15

¡'Isliluto de rí5ica, L',Jit'L'r.,;;idadSaciOfla/ ;\ut,illoma de ,\iéxico

(Recibido: septil'mbrl' l.). 197,1)

A IISTIC\CT Wirh rhe- hc1p of micro{,I('ctronic componems, a sysu'O\ has been

~h'vised that renders mOT{" inforrnation from th!:.' images formed

(in any of rhe ob ...•ervation mode ...•) in a Scanning Elecuon

.\1icroscopc, The inforrnatiofl appear ...•dynamically and is mOfe

precise Ihan any other, ohrained with dr(ferent methods, The

system. chercfore. allnws a hetter analysis at the momeflt of

obsefvation, It is pertinent to roint out that t' sy stem dc-scribcJ in the anide is not sophisticated nor expeflsin' anJ

is e;lsily adaptcd to any ~E.\l.

1. [;\TROOlJCClü;";

En un mIcroscopio electrónico de b,lrrido (.\-tEB) la información se pre-."cnta en forma de contraste. () sea en diferentes r(lnll~ de ~ris('." y es produci-da por la intl'racción de los elenrones con la muestra esrudiada. De aquí.la importancia de poder diferenciar es(Os (Ono." de grises. En este tipo de mi-croscopio, la muestra es barrida o rastrl'ada por un fino haz de electrones yla ima~en rl~suhan{{' se forma gracías a una ti.cnica simi lar a la utilizada en

FAI!> Cabrera e[ al

la t('I('\'isión (fieC' 1). Existe, sin embar~o. una diferencia important<.. y ('S

que la \'('Iocidad de harrido (cflIrt' 2 y 1000 s(',cundos por cuadro) fl('cc.saria

para obtener una imagen es mucho lTlCIlOr que en una tclcyisión (O.O:r~ sc:.cun-dos por cuadro). Es[O se debe a la dificulLld de enfocar en un círculo de

100 ,~{de dúimerfo un número sufici('nt<.' de electrones. capaces dc ser ('01<:('-

tados p,Ha obteller información. Por esto. es preciso mantener el haz Ill,lyor

rielllj1l1 ..•ohre cada uno óel millón de purllos IIccesarios para formar lIll,' im;l-

].!:l'1I.sufiC'iellrl'IlH'flte clara y libre de ruido. Esto no quiere decir, sin t'lllb,lr-

f!.0. que uno no pueda utilizar n..locidadcs dt. ~);lrr¡d()mayores, incluso n ..lnci-<ladc." de rcle\-isiún para una inspecciúI1 previa, ,1 costa de la definiciún.

En función de las propiedades qUl' •..•e desean estudiar de una 11l1H:S-tra datLt. se han desarrollado dift:rt'lltt'S modos de ohservación: elHre ¿.... tosdehemos mencionar el modo de electrolles transmitidos, el de lo ... clenrulles

retrodisrnsados y el de los electrones absorbidos. El mejor apron:ch,IIllI(,Il-

CATO DO

GEN. DEBARRIDO

HAZ

T.R.C.

CONTROLDEAMPlIFICACION

OETPRET

LENTESMAGNE T1CASICOfrlOEfrlSAOOIlA¡

IOBJE TIVAI

AMPDE

VIDEOR- RefrOd!SperSOdOSA,- AbsorbidOST - Transmitidos

"1.':. l. El microscopio electrónico de barrido \"isto como uncircuito cerrado dl' tt']l'\'i .••ión.

Microscopio electrónico de barrido .• , FAti

pero era aplicado ex-E sto traía consigoser utilizada en imáge-

to dt., la información obtenida en estos modos depemk, en gran medida, de lacapacidad de detectar variaciones pequeñas de tonos de gflses. Esto es fac-tible si se fotografta la imagt.'n con película apropiada y ésta es analizadacon un dcnsirómetro, acoplado a un microscopio óptico. Como inconvenien-tes de esta técnica resaltan la gran precisión requerida en el procesamientoy l'! larp.:o tiempo empleado para obtener la información; por lo que el rendi.miento, o sea la razón entre la información y el tiempo empleado en obtent.'r.la. es muy pobre.

En un ~fEB la señal pasa primero por un transductor de electrones avoltaje (centelleador y fotomultiplicador) y estos voltajes son procesadospor un amplificador lineal, para finalmente pasar a un tubo de rayos catódi-cos (THe). encargado de transformar estos voltajes en imagen óptica. Deesta forma, una diferencia d(, voltaje es directamente proporcional a una di-ferencia en el tono de gris. E.'.;[onos da la posibilidad de procesar dichosvoltajes antes de convertirlos t:fl imagen óptica, lo qU(' nos permite obteneruna mayor información en un menor tiempo, hasta el punto de poder realizaresrudios dinámicos in situ.

Entre los diferentes proce.'ios posihles, tenemos principalmente eluso de la imagen formada de la dif('renciación d(, esos voltajes con respec-to al tiempo, o sea:

= dV Idlenl

Este proceso fue descrito en 1970 por Heinrich et al1

clusivamente en imágenes de electrones secundarios,grandes limitaciones para su aplicación, por no podernes de electrones absorbidos ni transmitidos.

La importancia d<: esta técnica estriba en la posihilidad de distinguirpequeñas variaciones de Contraste en zonas cercanas al blanco o al negro.Además proporciona un método rápido y eficaz <:n la determinación del diáme.tro efectivo del haz2 y de la distancia entre dos puntos de la muestra3•

Sin embargo, la señal derivada no es capaz de distinguir dos nivelesde gris que sean constantes, por lo que se hace indispensahle emplear unanueva señal, formada por la suma de la señal normal y de la derivada; de es-[a form•• se obtiene una mayor información. de la mut.'S[fa. Para lograr estoes necesario variar la razón entre la señal normal y su derivada, con el fin deresaltar aquellas caracterísricas de mayor interés.

De lo antes expuesto se deduce, que para el m('jor aprovechamientodel microscopio, debe contarse Con un dispositivo capaz de proporcionarnosJa señal normal, su derivada y la suma de ambas, en todos los modos de ope-ración con que se cuenta en el MEB.

FA IR

ENTRADAS

Cabrera el al

SI

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DIFERENCIAOOR '-"

MEZCLADOR

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//

VERSOR

SALIDAS

", "I~[,]"," " II .,r---------. " :::1::

/ /" 1, "

I " " "; ~; ,;;; '4

ACOPLADOR

Fi~. 2. Diagram.) d(" bloques del sistema diferenciador.

11. DESCRIPCION DEL SISTDIA

Para entcnder con mayor facilidad el funcionamienw del ...•istcma pro.puesto, analizaremos el siguiente diagrama de bloques (fig. 2),

2.1 El Dijere1lciador

Est<, es el himple fundamellra! del sistema y permite deri"',lr 1;1 .1I11pli-(ud de la señal normal respecto al tiempo. Está capacitado para [(,lbajar enun intervalo de 200 a 50,000 IIz. en cuaIrO pasos fijos, ("on ('1 fin de di ...•crimi.llar o acentuar ciertas .•.•('(1:1les. E,'HO permitc distinguir. en el peor ca •...ll ••.. e-ñaic<.; escalón espaciadas O.H mm ('n la panralla con tiempo..; de harridll mayo.

res que O.) seg para 25,000 punros por cuadro y de .2 S('[!. para I.OUO.UUO pun.tos por cuadro. lo que corr('sponde a las caracrerísticas del microscopio dcbarrido. :\ la salida del difcrenciador se cuenta con la npciún de paS,ir pllrel mezclador o bicn ir direcramente a un amplificador de ',.'ide(}.

.'tt icro!'ocopio d.,clró"ico dI' barrido .••

2.2. El mctciador.

FAI?

Para nhtener una sellal más detallada. es necesario que la señal dc.riyada y la normal sean sumadas, pero dándok distinto peso a cada una. Es.to s(' r~'aliza ('n cl mezclador. que consta de un sumador con di"isorcs de "'01-raJe <:namba ...•entradas.

2.3. 1:"/inv£'Tsor.

La scñal de entrada provienc o bien del preamplificador del modo declectroncs retrodispcrsados o bien. de otro preamplificador del modo de e!cc.trOlH'S absorbidos. D(.bido a que la imagen en el modo dc electrones ahsor ...hidos cs inversa a la de ('Iectrones retrodispcrsados, es descable para hacerun análisis comparativo dirccw, contar con un invcrsor de la scñal.

Las salida ...•del d{'rivador. el mezclador y el inversor deben de ser ca-paces de excitar al amplificador de ,-ideo; esto se lo~ra utilizando un acopla ...dor de impedancias, el cual será descrito posteriormente.

1II. CRITERIOS DE DISEÑO

Refiriéndose al diagrama de la fig. 3. v("mos que consta de cuatro sec-Ciones activas y la fuente de alimentación.

3.1. HI di/eren ciador.

El diferenciador, como podemos ver en el dia~rama e ...•(IU(.lllél,t1CO.pU(....de dividirse en dos secciones, el sistema diferenciador propiamellt(' dicho,formado por el circuito CR y un amplificador operacional, el cual nos da unaseñal quc es la derivada invertida de la normal, y un inversor al que ...•e le su ...ma un nivcl de en para lo~rar que la señal derivada no ten,ga componentes ne-gativas, las cuales no puedcn ser expresadas en (onos ~riscs.

En dicho diferenciador tenemos: la red CR d('rivadora. ("fl la que e ('S

variable para cubrir {,I ancho de handa necesario «(1 a C,1 y R2). Como am-plificador operacional asociado a la red diferenciadora ....•(. esco¡dó al popular741 por su confiabilidad, alta ganancia, adecuado rechazo a modo común yrango d(, frecuencia (m¡ís amplio que el requerido). El condensador (5, la .••resist('ncias Rl y R2 v la reactancia de la capacidad de e[ltrada. forman un cn-cuito integrador para altas frecuencias (ruido). Con el ohjeto d(. obte[l{'r a la

FA20 Cabrera el al

ENTRADAS@-----

~"f:::::.

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53

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- "7 SALIDAS//_:_---~,

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- 1-lO.

14 "6 '" '3

Fig. 3. Dja~rama esquemático del sistema.Lista de partes.R~sis(encias fijasR I (S60) ; R 2, 3, S, 10, 16 (I Ok) ; R6, 13. IS, 21, 28 (4. 7k) ; R 17 (S .6k) ;RI8,19, 22 (I2k); R24 (6_8k); R2S,27 (Ik); R26 (82); R30 (22k)_Resistencias preajustablesR4.7,9.12,20.23 (IOk); R29 (20k).Controles linealesR8 (IOk); RII,I4 (SOk).CondensadoresCI(.47); C2(.I); C3(.022); C4(.0033); CS(820); C6(S60); C7(680);C8 (330) .Circuitos integradosC.I.I,2.3.4(MC7741).Diodos - DI 01'134).Transistores - QI (ACI88); Q2 (ACI87).

,\f.icro~copio electrónico df' barrido ... FA2I

salida ulla señal derivada libre de ruido, que sin darnos información h,lcen

difusa la señal útil. Los demás compOlll'ntes asociados a ('stc circuito intc"

,l:Lldo (e/l), sirven para polarizarlll y fijar su:,,>condiciones de funcionamicn.

to.

El e/2, tamhii'll un 7-11. adem¡l.:"> dl' su funcionalllicnttl primordial de

inn'nir la selial y proporcionar el nin'l de en. como ya se mencionó. ml'J0.

rOl la relación seijal ruido mediante la red integradora formad,. por eG, R S Y

Ji! U.El po[enciómetro de Ili\'cl I~H e alimellta ,1 Han."s de las resistencias

preajll.o,;;{ablcs R7 y I~l); de eo,;;{a fortll.t e fij.11l Ins límites lTI;l.ximo y mln1mo

de lo", \.•.tlorcs de voll.lie .tdecuados para el ,lI11plific.llillr de ,'¡dl'o.

\.2. El mere/ador.

Esta s(,cclon consta de dos divisores de voltaje (1~II.y RI4), que

permitell vari,lf continuamente el ni\'cl (k las señales de ('!lIrada (normal y

deriva(!.l respectiv,ulH'nte). El sumador estú formado por las resistencias

UI~. RIS y RI9 Y el amplificador operacional (J3, O[ro 7'11. el cual es usa.

do como seguidor de ,lira impedanci.t de entr.tda. Esta e[apa cons[a [ambién

de una pnHccción contra el ruido de alta frl'cllellcia. l,l condensador e7.

~")' El inversor.

El inversor está constituído h,lsicamen[c por un amplificador opera .•

cional con ganancia -l. al cual se le suma un yoltajl' de <:n. Dc esta formaS(' obtiene un cono hlanco en la pantalla al no haber señal y uno negro con la

máxima señal. Obteniéndose así un "nq.:ativo" (en el sentido fotográfico) dl'la señal en esta etapa.

3.4. El acoplador.

Por último, tl'IH'mos un acoplador de impedancias, capaz de dar unvohaje de salida entre cero y cuatro vohs. sohre carga.'" que pueden \.,uiar d('

100 a 10,000 ohms. Esta sección está formada por dos uall .••istores de gl'flTla"

nio (QI y Q2) del [ipo ACI87 y ACI8H (con el fin de minimizar los prohlemasde polarización y dis(t;rsión de cruce): Como seguidores de l'misor. en unaconfiguración de simc[ría complementaria. La resistencia R2.í impide que <:1

acoplador presente una impedancia d('masiado baja a la salida de C12, C/3 oC/4. Las resistencias R25 y R26 sinen para polarizar a QI y Q2 Y evitar ladistorsión de ucrucc", el diodo D 1. ramhii'n de germanio. compensa los posi-

F:\22

ble" cambio" dere"¡"teflCI<l 1(2-dor.

Cabrera e[ al

característica de los transiswres con la remperatura y la

fija la carF:a mínima sobre la que puede tr.lbaj.lr el .lcopla.

Esta fucnte rq ..:ulada está compuesta por dos microcircuito ... del tiPll725 el1 UIl.I cOllfi,guracil)1l ripicI ..... ll~(>fida por los fabricantes del rnicrocircui.to.

EII r{'SUlTlcn. el ....i ...•lcllla descrito, acepta scjlales de entrada COlllpr<'Il-

<Iidas elltrl' cero y Cl¡.ltrtl vlllts con ulla impedancia dc c!ltr,lda suficicntemcn-

tc F:Llnde pau 110 al!crar el funcionamicnto de los preamplifica<iores de losdiferentes Illodo ... d{, npn;lción del ~1EB. Tiene Ufl<l frecucncia máxima de

)0 kllz suficiellte p.lra dar detalles de O.H mm cn la palltalla d{,1 TI\(. ¡\de-

m,Ís pr('sellta ulla impedancia dc salida menor de 100 nlulls lo que F:arantiza

que puede {'xcitar cualquiera de las entradas del amplificador de video.

,

I~L\-

A

r--

- -- f--

t- i-e

I-- ....•._-

. ,-I,

- ~ 1-

IB

I ~

r L+--I I

oFi,g. 4. Hl'pr('~{'ntación gráfica del procesamiento ('O el sistema d"rj\.a,lor

de una señal cuadrada.a) Seii.al oormal (10) hl Señal derivada (11)

Señal formada de la suma de a y b coo diferentes razon" ..•.e) a<b. ().j) d) a>b. (17)

F A2)

El proceSami('flW de la señal de entrada consis({' en: Uig .. l)

,l) derivar (la amplitud respecto al tiempo),

h) ,sumar (la señal original con la deri\'ada en razones variablesy cOlltiflUam('IHl' ajustables).

y por úlrimo

e) invl'r(ir (cualquiera de las señales antes descrilas. si se (h.•sca) .

¡\(;J{,\DEClMI U,TOS

:\gradecl'lIlo.s al Sr. \LHgariro Fefegrillo .su colahoraciiln en Lt cons-(fucciún del Prototipo.

J{EFERE:\Cl.\S

l. K. F.J. lleinrich. (. F¡ori .1£1d \1. Yakowilz. Sciellct'. lú7 (IY70) 112Y.2. E. Cabrera .llld n.). Din¡dey. SE~f: Sysrcms and ;\pplic;ltions. (IYij) 28.

). E. (abrera and \1. José Yacamán. Jap. J. Appl. Phys. l.j (1Y75) ().

J{ESU~I E:\

.\kdiallll' el uso de compOllelltes de microelectrónica. se ha lo~rado

un siSU.'llI,l p.lf<1 ohtener mayor información de las imá,gell('s fOflll;'H!,I,o.;,('n 10.0.;difercJlres Illlldos de observación en el '\-fEB. Esta información apar('ce <.'11forma din,llllica y mil."; precisa que con otros método.o.;, lo cual da la po.o.;ibili.d.ld de re,llizar an,ílisi.o.; al mOlllento de observación. S(, hace llorar que el sis-{('ma .lfue ...•descrilO no es sofisricado, ni caro y es de Lí.ci I adaptación a cual-quier.\1EB.