電子顯微分析3課件

掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡的發(fā)展

利用電子束與樣品的相互作用來獲得樣品表面高分辨率的圖像這種想法在20年代末產(chǎn)生。1929年斯蒂青(H．Stintzing)從理論上描述了掃描電子顯微鏡的工作原理。1935年克諾爾(Knoll)用實驗演示了這一設(shè)想。1938年，馮·阿登(vonArdenne)把掃描線圈裝入透射電子顯微鏡中，試制出第一臺掃描透射電子顯微鏡并對該儀器的理論基礎(chǔ)和實際方面進(jìn)行了較詳細(xì)的描述。他在23kV，8000倍的操作條件下，拍攝到ZnO晶體薄膜的第一張掃描透射電子顯微鏡照片，其分辨率約在50一100nm。1942年，茨瓦(Zworykin)等人首先描述了用于觀察厚樣品的掃描電子顯微鏡。他們認(rèn)識到二次電子發(fā)射也許會產(chǎn)生形貌襯度，因此設(shè)計出相應(yīng)的儀器結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，檢測器上接相對于樣品的50V正偏壓，被收集到檢測器上的二次電子通過一個電阻產(chǎn)生電壓降。這一電壓降被送至電視裝置產(chǎn)生圖像。其圖像的分辨率只有1微米，比光學(xué)顯微鏡(200nm)還差。為了提高圖像分辨率，Zworykin等人從減小束斑尺寸、改善訊噪比等方面進(jìn)行理論和實際二方面的探索，為現(xiàn)代掃描電子顯微鏡的誕生作出了重要的貢獻(xiàn)。他們詳細(xì)地分析了透鏡像差、電子槍亮度和束斑尺寸之間的關(guān)系，從而探知獲得最小束斑尺寸的方法；他們嘗試用場發(fā)射冷陰極源代替鎢燈絲熱發(fā)射陰極源，雖然沒能解決它的不穩(wěn)定性，但獲得了高放大倍率和高分辯的圖像。他們的另一貢獻(xiàn)是利用電子倍增器作為來自樣品的二次電子發(fā)射電流的預(yù)放大器。他們在1942年著手研制的一臺分辨率優(yōu)于50nm的掃描電子顯微鏡，可惜由于第二次世界大戰(zhàn)而使之中途夭折。自1965年以來，掃描電子顯微鏡仍在不斷地改進(jìn)和完善，新型LaB6(六硼化鑭)陰極電子槍的問世和場發(fā)射電子槍的改進(jìn)，極大地提高了掃描電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)。目前，商品掃描電子顯微鏡，采用常規(guī)的鎢燈絲電子槍觀察時的二次電子像分辨率3.5nm；采用LaB6電子槍觀察時分辨率為2.5nm；采用場發(fā)射電子槍觀察時分辨率為1.5—0.8nm。另一重大進(jìn)展是實現(xiàn)了電子計算機(jī)的全面控制掃描電子顯微操作，并把數(shù)字化信息的幀儲存技術(shù)應(yīng)用到掃描電子顯微鏡的成像系統(tǒng)中，研究成功—種全數(shù)字化微處理器控制的掃描電子顯微鏡。掃描電子顯微統(tǒng)幾乎廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域：材料、冶金、礦物、半導(dǎo)體，生物醫(yī)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科，其原因是它具有下列主要特點(diǎn)：(1)分辨本領(lǐng)高，二次電子像的分辨率達(dá)3.5nm（鎢燈絲）0.5nm(TitachiS5200)。(2)放大倍率可以方便地在20倍至20萬倍左右的范圍連續(xù)變化得到高亮度的清晰圖像。(3)景深長，視野大，成像富有立體感，可以直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)。(4)試樣制備簡單。金屬等導(dǎo)電的試樣可以直接放入掃描電子顯微鏡中觀察。對非導(dǎo)電的試樣，可以在真空中將表面噴涂一層金屬薄膜，或在較低的加速電壓下直接觀察。日前的掃描電子顯微鏡都配有X射線能譜儀裝置，還可裝有電子背散射衍射裝置（EBSD），這樣可以同時進(jìn)行顯微組織形貌的觀察、微區(qū)成分分析以及晶體結(jié)構(gòu)分析。因此，它像透射電子顯微鏡一樣，是當(dāng)今十分有用的科學(xué)研究儀器之一．場致發(fā)射掃描電子顯微鏡JSM-6500F場致發(fā)射掃描電子顯微鏡FEINovaNanoSEMWorldsOnlyTrueUHRLowVacuumSEM!固體樣品受入射電子激發(fā)產(chǎn)生的

主要物理信號俄歇電子高能入射電子束照射到固體樣品上，與樣品中原子相互作用，產(chǎn)生各種信號。在掃描電子顯微鏡中，用來成像的信號主要是二次電子，其次是背散射電子和吸收電子。用來分析成分的信號主要是x射線和俄歇電子，用這兩種信號的能量直接表征元素的性質(zhì)。其他一些信號如陰極熒光，電子束感生電效應(yīng)和透射電子，它們的應(yīng)用范圍不如上述信號來得廣。1．二次電子

入射電子與樣品內(nèi)原子核外層電子發(fā)生非彈性散射時，使一部分核外電子獲得能量逸出樣品表面，這些電子稱為二次電子。由于價電子結(jié)合能很小，對于金屬來說大致在10ev左右。因此二次電子能量比較低，一般小于50eV，大部分在2—3eV之間。在入射電子與樣品中原子的相互作用過程中，其他方式也能產(chǎn)生逸出表面的低能量電子，它們與二次電子是不能區(qū)分的，因此，習(xí)慣上把樣品上方檢測到的、能量小于50eV的自由電子都稱為二次電子（價電子電離占總數(shù)的90%）。

二次電子對試樣的表面狀態(tài)敏感，適合對表面形貌觀察。3．吸收電子

隨著入射電子與樣品中原子發(fā)生非彈性散射次數(shù)增多，其能量損失殆盡，不能再逸出表面，這部分就是吸收電子，如果樣品與地之間接上一個高靈敏的電流放大器，所檢測到的電流信號，就是吸收電子或稱樣品吸收電流信號。設(shè)入射電子流為Ii，總背散射電子流（二次電子與背散射電子之和）為Ib，則吸收電流為：

Ia=Ii–Ib

所以吸收電流象襯度與背散射電子、二次電子等象的襯度相反。可以顯示試樣元素分布和表面形貌，尤其是試樣裂縫內(nèi)部的微觀形貌。4．特征x射線

特征x射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后，在電子躍遷過程直接釋放出的一種具有特征能量和波長的電磁輻射波。當(dāng)入射電子照射到固體樣品上，若使樣品內(nèi)原子的內(nèi)層電子激發(fā)，這時原子由基態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定激發(fā)態(tài)，外層電子就要向內(nèi)層電子空位方向躍遷，在能級躍遷過程中可直接釋放出具有特征能量和波長的x射線。如果K內(nèi)層電子被激發(fā)，L2層(L層中的某一亞層)電子向K層躍遷，那么所釋放的x射線的特征能量就等于兩能級的能量差：E=EK-EL2。這樣的輻射稱為K2輻射。5．俄歇電子上述的L2層電子躍遷到K層后，釋放出的能量EK-EL2．除可以以x射線的形式釋放外，還能以另一種形式釋放，該能量可將核外另一電子打出，該電子脫離原子后成為具有特征能量的電子——俄歇電子。對于不同的元索有它自己特定的能量值。K

L2L2俄歇電子產(chǎn)生過程：入射電子使K層一個電子激發(fā)，L2層一個電子躍遷到K層，放出能量電子能量E，該能量又使另一個電子激發(fā)，并克服逸出功EW而逸出試樣表面。所以K

L2L2俄歇電子的能量：E

K

L2L2=EK-EL2-EL2-EW俄歇電子能量一般為50—1500eV。輕元素(如Be、O、N、C等)產(chǎn)生俄歇電子的幾率高于重元素，同時由于俄歇電子只有在距表層的幾個原子層范圍內(nèi)逸出才能維持其特征能量，因此俄歇電子信號適用于樣品表面層的成分分析，特別是輕元素。一個原子中至少要三個電子才能產(chǎn)生俄歇效應(yīng)，所以Be是產(chǎn)生俄歇效應(yīng)的最輕元素。

6．電子束感生電效應(yīng)

這是由半導(dǎo)體材料的特性而產(chǎn)生的。高能量的入射電子進(jìn)入半導(dǎo)體時，激勵電子穿過帶隙進(jìn)入空的導(dǎo)帶，其后在滿的價帶上留下空穴(具有正電荷電子的性質(zhì))，產(chǎn)生了電子—空穴對。如果在試樣上附加一偏加電場，由于電子和空穴分別攜帶著負(fù)、正電荷，在外電場的作用下向著相反的方向遷移，樣品中這種電荷的遷移使外部附加回路中產(chǎn)生電流，將電子束感生電流放大用于成像，就產(chǎn)生了一個新的十分有用的成像模式，反映了在電子束作用下半導(dǎo)體樣品導(dǎo)電性的變化。電子—空穴對移動時，遇到某種障礙（如位錯附近雜質(zhì)原子聚集的區(qū)域）將形成不同的電位，為束感應(yīng)電壓信號。

電子束感應(yīng)電效應(yīng)對半導(dǎo)體材料和完整的固體電路的研究很有用。7．陰極熒光

上述電子—空穴對復(fù)合時釋放的能量，其中一部分以可見光或電磁波中的紅外線從試樣中輻射出來，這種光發(fā)射稱作陰極發(fā)光。如同其它成像模式一樣，陰極發(fā)光也可以收集和放大用于成像，但陰極發(fā)光的光子產(chǎn)額很低，所以光信號很弱，必須采用最佳的光學(xué)收集系統(tǒng)。陰極發(fā)光的總的光強(qiáng)度隨著半導(dǎo)體中摻雜水平單值地變化在幾個數(shù)量級以上，為監(jiān)控半導(dǎo)體材料中的摻雜提供了精確、便利的工具。右圖是具有應(yīng)變誘發(fā)位錯的GaAs晶體陰極發(fā)光圖，在圖中應(yīng)變誘發(fā)位錯為暗線SECL對于輕元素樣品，由于輕元素原子對入射電子的散射能力較小，入射電子經(jīng)過許多次小角度散射，在尚未達(dá)到較大散射角之前已深入到樣品內(nèi)部的一定的深度，然后隨散射次數(shù)的增多，散射角增大。到達(dá)一定深度，電子在各個方向散射幾率相等，稱為漫散射。因此，電子束激發(fā)體積形狀像“梨形”。對于重元素，入射電子在樣品表面不很深的地方就達(dá)到漫散射的程度，則電子束激發(fā)體積形狀，呈“半球形”。入射電子束在它的整個樣品激發(fā)體積內(nèi)均有可能產(chǎn)生各種信號，但由于各種信號所具有的能量不同和樣品對信號的阻擋能力不同，決定了它們能逸出表面的深度和廣度。逸出深度直徑俄歇電子1nm基本無側(cè)向擴(kuò)展，直徑與掃描束斑相當(dāng)二次電子2~10nm背散射電子小于1m有相當(dāng)?shù)膫?cè)向擴(kuò)展，采樣體積大，50~200nm吸收電子、x射線等幾個m大于1m掃描電子顯微鏡的工作原理SEM同時采用兩個電子束，一電子束轟擊試驗的試樣，而另一束轟擊供操作者觀察的顯像管。入射電子轟擊試樣產(chǎn)生各種電子和光子發(fā)射，選擇一種信號經(jīng)收集、檢測和放大后，用來調(diào)制第二電子束的亮度。這樣，收集到一個強(qiáng)信號在顯像管上產(chǎn)生一個亮斑點(diǎn)，同時一個弱信號則產(chǎn)生一個暗斑點(diǎn)，兩個電子束的同步掃描使試樣上掃描到的每一個點(diǎn)在顯像管上有一個相應(yīng)的斑點(diǎn)。掃描電子顯微鏡的構(gòu)造1、電子光學(xué)系統(tǒng)(鏡筒)2、信號檢測放大系統(tǒng)3、圖像顯示和記錄系統(tǒng)4、電源系統(tǒng)5、真空系統(tǒng)1．電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍、聚光鏡、掃描線圈、光欄、樣品室等部件組成。用來獲得掃描電子束，作為使樣品產(chǎn)生各種物理信號的激發(fā)源。電子槍：鎢燈絲，LaB6，場發(fā)射。應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑聚光鏡：把電子槍發(fā)射的電子聚焦，在樣品上得到小于3nm甚至0.3nm的電子束斑。掃描線圈：提供入射電子束在樣品表面上及顯像管電子束在熒光屏上的同步掃描信號；改變?nèi)肷潆娮邮跇悠繁砻鎾呙枵穹@得所需放大倍率的掃描像。樣品室：主要部件之一是樣品臺。它除了能進(jìn)行三維空間的移動、傾斜和轉(zhuǎn)動外，樣品臺還可帶有多種附件，如加熱、冷卻，或拉伸等，可進(jìn)行動態(tài)觀察。光導(dǎo)管：對光無吸收，將閃爍體產(chǎn)生的可見光送到光電倍增器的光陰極。光電倍增器主要由光陰極和多個陽極構(gòu)成。

光陰極：由銫銻合金制成，可見光打上后，可發(fā)射電子，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。電信號強(qiáng)度與光信號強(qiáng)度成正比。

陽極：把光陰極進(jìn)來的電信號放大，最后輸出電壓脈沖信號。陽極有多個，電位比光陰極高，且依次增高。一個電子打在上面就會產(chǎn)生二個，二個變四個，……陽極數(shù)目越多，最后得到的電子數(shù)目就越多，輸出的電壓脈沖信號越強(qiáng)。輸出的電信號經(jīng)視頻放大器放大后作為調(diào)制信號，最后在顯示器上顯示。3．圖像顯示和記錄系統(tǒng)

該系統(tǒng)的作用是把信號檢測系統(tǒng)輸出的調(diào)制信號，轉(zhuǎn)換為在顯像管熒光屏上顯示樣品某種特征的放大像，供觀察和照相記錄。掃描電子顯微鏡的掃描速度可以變化，從數(shù)十秒的慢速掃描變到快速的電視掃描，其間分成幾檔，供不同操作目的使用。顯示裝置一般有兩個顯示通路：一個用來觀察，另一個供照相記錄。前者采用長余輝顯像管，便于觀察，后者則為高分辨率的短余輝管子。觀察時為便于調(diào)焦，采用相對快的掃描速度，而拍照時為了得到分辨高的圖像，要求采用盡可能慢的掃描速度。掃描電子顯微鏡的分辨率在特定條件下拍攝的圖像上測量二亮區(qū)之間的暗間隙的寬度再除以總放大倍數(shù)，其最小值即為圖像分辨率。影響分辨率的因素：1、掃描電子束斑直徑2、入射電子束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)3、操作方式及所用的調(diào)制信號4、信號噪音比5、雜散磁場6、機(jī)械震動FEGSEM的二次電子圖像分辨率可達(dá)到1.5nm日立S-5200的分辨率達(dá)到0.5nm掃描電子顯微鏡的景深景深是指在保持像清晰度，即不降低分辨率的前提下，樣品在物平面上下沿光軸可移動的最大距離。掃描電子顯微鏡有一個顯著特點(diǎn)就是景深很大。這是由于掃描電子束發(fā)射度很小所致。d。是掃描像分辨率,Ff是景深：表給出了在不同放大倍率下，掃描電子顯微鏡分辨率和相應(yīng)的景深值(＝110-3rad)。為了便于比較，也給出了相應(yīng)放大倍率下光學(xué)顯微鏡的景深值。表中的分辨率d。被定義為d