電子顯微鏡介紹

光學(xué)顯微鏡以可見(jiàn)光為介質(zhì)，電子顯微鏡以電子束為介質(zhì)，由于電子束波長(zhǎng)遠(yuǎn)較可見(jiàn)光小，故電子顯微鏡區(qū)分率遠(yuǎn)比光學(xué)顯微鏡高。光學(xué)顯微鏡放大倍率最高只有約150010000倍以上。依據(jù)deBroglie波動(dòng)理論，電子的波長(zhǎng)僅與加速電壓有關(guān)：λe＝h/mv＝h/(2qmV)1/2＝12.2/(V)1/2(?)在10KV0.12?，遠(yuǎn)低于可見(jiàn)光的4000-7000?，所以電子顯微鏡區(qū)分率自然比光學(xué)顯微鏡優(yōu)越很多，但是掃描式電子顯微鏡的電子束50-100?之間，電子與原子核的彈性散射(ElasticScattering)與非彈性散射(InelasticScattering)的反響體積又會(huì)比原有的電子束直徑增大，因此一般穿透式電子顯微鏡的區(qū)分率比掃描式電子顯微鏡高。掃描式顯微鏡有一重要特色是具有超大的景深(depthoffield)，約為光學(xué)顯微鏡的300倍，使得掃描式顯微鏡比光學(xué)顯微鏡更適合觀看外表起伏程度較大的樣品。掃描式電子顯微鏡，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)由上而下，由電子槍(ElectronGun)放射電子束，經(jīng)過(guò)一組磁透鏡聚焦(CondenserLens)聚焦后，用遮擋孔徑(CondenserAperture)選擇電子束的尺寸(BeamSize)后，通過(guò)一組掌握電子束的掃描線圈，再透過(guò)物鏡(ObjectiveLens)聚焦，打在樣品上，在樣品的上側(cè)裝有訊號(hào)接收器，用以擇取二次電子(SecondaryElectron)或背向散射電子(BackscatteredElectron)成像。電子槍的必要特性是亮度要高、電子能量散布(EnergySpread)要小，目前常用的種類計(jì)有三種，鎢(W)燈絲、六硼化鑭(LaB6)燈絲、場(chǎng)放射(FieldEmission)，不同的燈絲在電子源大小、電流量、電流穩(wěn)定度及電子源壽命等均有差異。熱游離方式電子槍有鎢(W)燈絲及六硼化鑭(LaB6)燈絲兩種，它是利用高溫使電子具有足夠的能量去抑制電子槍材料的功函數(shù)(workfunction)能障而逃離。對(duì)放射電流密度有重大影響的變量是溫度和功函數(shù)，但因操作電子槍時(shí)均期望能以最低的溫度來(lái)操作，以削減材料的揮發(fā)，所以在操作溫度不提高的狀況下，就需承受低功函數(shù)的材料來(lái)提高放射電流密度。價(jià)錢最廉價(jià)使用最普遍的是鎢燈絲，以熱游離(Thermionization)式來(lái)放射電子，電子能量散布為2eV4.5eV100μm，彎曲成V2700K1.75A/cm2，在使用中燈絲的直徑隨著鎢40~80小時(shí)。六硼化鑭(LaB6)2.4eV，較鎢絲為低，因此同樣的電流密度，使用LaB61500K即可到達(dá)，而且亮度更高，因此使用壽命便比鎢絲高出很多，電子能量散布為1eVLaB6在加熱時(shí)活性很強(qiáng)，所以必需在較好的真空環(huán)境下操作，因此儀器的購(gòu)置費(fèi)用較高。場(chǎng)放射式電子槍則比鎢燈絲和六硼化鑭燈絲的亮度又分別高出10-100倍，同時(shí)電子能量散布僅為0.2-0.3eV，所以目前市售的高區(qū)分率掃描式電子顯微鏡都承受場(chǎng)放射式電子槍，其區(qū)分率可高達(dá)1nm以下。場(chǎng)放射電子槍可細(xì)分成三種:冷場(chǎng)放射式(coldfieldemission,FE)，熱場(chǎng)放射式(thermalfieldemission,TF)，及蕭基放射式(Schottkyemission,SE)當(dāng)在真空中的金屬外表受到108V/cm大小的電子加速電場(chǎng)時(shí)，會(huì)有可觀數(shù)量的電子放射出來(lái)，此過(guò)程叫做場(chǎng)放射，其原理是高電場(chǎng)使電子的電位障礙產(chǎn)生Schottky效應(yīng)，亦即使能障寬度變窄，高度變低，因此電子可直接“穿隧“通過(guò)此狹窄能障并離開(kāi)陰極。場(chǎng)放射電子系從很鋒利的陰極尖端所放射出來(lái)，因此可得極細(xì)而又具高電流密度的電子束，其亮度可達(dá)熱游離電子槍的數(shù)百倍，或甚至千倍。場(chǎng)放射電子槍所選用的陰極材料必需是高強(qiáng)度材料，以能承受高電場(chǎng)所加諸在陰極尖端的高機(jī)械應(yīng)力，鎢即因高強(qiáng)度而成為較佳的陰極材料。場(chǎng)放射槍通常以上下一組陽(yáng)極來(lái)產(chǎn)生吸取電子、聚焦、及加速電子等功能。利用陽(yáng)極的特別外形所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)，能對(duì)電子產(chǎn)生聚焦效果，所以不再需要韋氏罩或柵極。第一(上)陽(yáng)極主要是轉(zhuǎn)變場(chǎng)放射的拔出電壓(extractionvoltage)，以掌握針尖場(chǎng)放射的電流強(qiáng)度，而其次(下)陽(yáng)極主要是打算加速電壓，以將電子加速至所需要的能量。要從極細(xì)的鎢針尖場(chǎng)放射電子，金屬外表必需完全干凈，無(wú)任何外來(lái)材料的原子或分子在其外表，即使只有一個(gè)外來(lái)原子落在外表亦會(huì)降低電子的場(chǎng)放射，所以場(chǎng)放射電子槍必需保持超高真空度，來(lái)防止鎢陰極外表累積原子。由于超高真空設(shè)備價(jià)格SEM，否則較少承受場(chǎng)放射電子槍。冷場(chǎng)放射式最大的優(yōu)點(diǎn)為電子束直徑最小，亮度最高，因此影像區(qū)分率最優(yōu)。能量散布最小，故能改善在低電壓操作的效果。為避開(kāi)針尖被外來(lái)氣體吸附，而降低場(chǎng)放射電流，并使放射電流不穩(wěn)定，冷場(chǎng)放射式電子槍10-10torr的真空度下操作，雖然如此，還是需要定時(shí)短暫加熱針尖至2500K(flashing)，以去除所吸附的氣體原子。它的另一缺點(diǎn)是放射的總電流最小。熱場(chǎng)發(fā)式電子槍1800K溫度下操作，避開(kāi)了大部份的氣體分子吸附在針尖外表，所以免除了針尖flashing的需要。熱式能維持較佳的放射電流穩(wěn)定度，并能在較差的真空度下(10-9torr)操作。雖然亮度與冷式相類似，但其電子能量散布卻比冷3~5倍，影像區(qū)分率較差，通常較不常使用。1800K，它系在鎢(100)ZrO掩蓋層，ZrO將功函4.5eV2.8eV，而外加高電場(chǎng)更使電位障壁變窄變低，使得電子很簡(jiǎn)潔以熱能的方式跳過(guò)能障(并非穿隧效應(yīng))10-8~10-9torr。其放射電流穩(wěn)定度佳，而且放射的總電流也大。而其電子能量散布很小，僅稍遜于冷場(chǎng)放射式電子槍。其電子源直徑比冷式大，所以影像區(qū)分率也比冷場(chǎng)放射式稍差一點(diǎn)。2565000015kV1nm1kV2.2nm。一般鎢絲型的掃描式電子顯微鏡儀器上的放20230020230倍時(shí)影像便不清楚了，但假設(shè)650000倍是可以達(dá)成的。由于對(duì)真空的要求較高，有些儀器在電子槍3組離子泵(ionpump)2組集中泵(diffusionpump)1組機(jī)械泵負(fù)責(zé)粗抽，所以有6組大小不同的真空泵來(lái)達(dá)成超高真空的要求，另外在樣品另有以液態(tài)氮冷卻的冷阱(coldtrap)，幫助保持樣品室的真空度。尋常操作，假設(shè)要將樣品室真空亦保持在10-8pa(10-10torr)，則抽真空的時(shí)間將變長(zhǎng)而降低儀器的便利性，更增加儀器購(gòu)置本錢，因此一些儀器設(shè)計(jì)了階段式真空(stepvacuum)，亦即使電子槍、磁透鏡及樣品室的真空度依序降低，并分成三個(gè)部份來(lái)讀取真空計(jì)讀數(shù)，如此可將樣品保持在真空度10-5pa的環(huán)境下即可操作。尋常待機(jī)或更換樣品時(shí)，為防止電子槍污染，皆使用真空閥(gunvalve)將電子槍及磁透鏡部份與樣品室隔離，實(shí)際觀看時(shí)再翻開(kāi)使電子束通過(guò)而打擊到樣品。場(chǎng)放射式電子槍的電子產(chǎn)生率與真空度有親熱的關(guān)系，其使用壽命也隨真空度變差而急劇縮短，因此在樣品制備上必需格外留意水氣，或固定用的碳膠或銀膠是否烤干，以免在觀看的過(guò)程中，真空陡然變差而影響燈絲壽命，甚至系統(tǒng)當(dāng)機(jī)。在電子顯微鏡中須考慮到的像差(aberration)包括:衍射像差(diffractionaberration)、球面像差(sphericalaberration)、散光像差(astigmatism)及波長(zhǎng)散布像差(即色散像差，chromaticaberration)。面像差為物鏡中主要缺陷，不易校正，因偏離透鏡光軸之電子束偏折較大，其成像點(diǎn)較沿軸電子束成像之高斯成像平面(Gaussimageplane)距透鏡為近。散光像差由透鏡磁場(chǎng)不對(duì)稱而來(lái)，使電子束在二相互垂直平面之聚焦落在不同點(diǎn)上。散光像差一般用散光像差補(bǔ)償器(stigmator)產(chǎn)生與散光像差大小一樣、方向相反的像差校正，目前電子顯微鏡其聚光鏡及物鏡各有一組散光像差補(bǔ)償器。光圈衍射像差(Aperturediffraction):由于電子束通過(guò)小光圈電子束產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，使用大光圈可以改善。色散像差(Chromaticaberration):因通過(guò)透鏡電子束能量差異，使得電子束聚焦后并不在同一點(diǎn)上。電子束和樣品作用體積(interactionvolume，作用體積約有數(shù)個(gè)微米(μm深，其深度大過(guò)寬度而外形類似梨子。此外形乃源于彈性和非彈性碰撞的結(jié)果。低原子量的材料，非彈性碰撞較可能，電子較易穿進(jìn)材料內(nèi)部，較少向邊側(cè)碰撞，而形成梨子的頸部，當(dāng)穿透的電子喪失能量變成較低能量時(shí)，彈性碰撞較可能，結(jié)果電子行進(jìn)方向偏向側(cè)邊而形成較大的梨形區(qū)域。在固定電子能量時(shí)，作用體積和原子序成反比，乃因彈性碰撞之截面積和原子序成正比，以致電子較易偏離原來(lái)途徑而不能深入樣品。電子束能量越大，彈性碰撞截面積越小，電子行走路徑傾向直線而可深入樣品，作用體積變大。電子束和樣品的作用有兩類，一為彈性碰撞，幾乎沒(méi)有損失能量，另一為非彈性碰撞，入射電子束會(huì)將部份能量傳給樣品，而產(chǎn)生二次電子、背向散射電子、俄歇電子、X光、長(zhǎng)波電磁放射、電子-空位對(duì)等。這些信號(hào)可供SEM運(yùn)用者有二次電子、背向散射電子、X光、陰極發(fā)光、吸取電子及電子束引起電流(EBIC)等。二次電子(SecondaryElectrons)：電子束和樣品作用，可將傳導(dǎo)能帶(conductionband)的電子擊出，此即為二次電子，其能量約<50eV。由于是低能量電子，所以只有在距離樣品外表約50~500?深度范圍內(nèi)所產(chǎn)生之二次電子，才有時(shí)機(jī)逃離樣品外表而被偵測(cè)到。由于二次電子產(chǎn)生的數(shù)量，會(huì)受到樣品外表起伏狀況影響，所以二次電子影像可以觀看出樣品外表之形貌特征。背向散射電子(BackscatteredElectrons)：入射電子與樣品子發(fā)生彈性碰撞，而逃離樣品外表的高能量電子，其動(dòng)能等于或略小于入射電子的能量。背向散射電子產(chǎn)生的數(shù)量，會(huì)因樣品元素種類不同而有差異，樣品中平均原子序越高的區(qū)域，釋放出來(lái)的背向散射電子越多，背向散射電子影像也就越亮，因此背向散射電子影像有時(shí)又稱為原子序比照影像。由于背向散射電子產(chǎn)生于距樣品外表約5000?的深度范圍內(nèi)，由于入射電子進(jìn)入樣品內(nèi)部較深，電子束已被散射開(kāi)來(lái)，因此背向散射電子影像區(qū)分率不及二次電子影像。X光：入射電子和樣品進(jìn)展非彈性碰撞可產(chǎn)生連續(xù)X光和特征X光，前者系入射電子減速所放出的連續(xù)光譜，形成背景打算最少分析之量，后者系特定能階間之能量差，可藉以分析成分元素。電子束引致電流(Electron-beaminducedCurrent,EBIC)p-n接面(Junction)經(jīng)電子束照耀后，會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的電子-空位對(duì)，這些載子集中時(shí)被p-n接面的電場(chǎng)收集，外加線路時(shí)即會(huì)產(chǎn)生電流。陰極發(fā)光(Cathodoluminescence)：當(dāng)電子束產(chǎn)生之電子-空位對(duì)再結(jié)合時(shí)，會(huì)放出各種波長(zhǎng)電磁波，此為陰極發(fā)光(CL)，不同材料發(fā)出不同顏色之光。樣品電流(SpecimenCurrent)：電子束射到樣品上時(shí)，一部份產(chǎn)生二次電子及背向散射電子，另一部份則留在樣品里，當(dāng)樣品接地時(shí)即產(chǎn)生樣品電流。電子偵測(cè)器有兩種，一種是閃耀計(jì)數(shù)器偵測(cè)器(Scintillator)，常用于偵測(cè)能量較低的二次電子，另一種是固態(tài)偵測(cè)器(solidstatedetector)，則用于偵測(cè)能量較高的反射電子。影響電子顯微鏡影像品質(zhì)的因素:電子槍的種類:使用場(chǎng)放射、LaB6或鎢絲的電子槍。電磁透鏡的完善度。電磁透鏡的型式:In-lens,semiin-lens,off-lens樣品室的干凈度:避開(kāi)粉塵、水氣、油氣等污染。操作條件:加速電壓、工作電流、儀器調(diào)整、樣品處理、真空度。環(huán)境因素:振動(dòng)、磁場(chǎng)、噪音、接地。如何做好SEM的影像，一般由樣品的種類和所要的結(jié)果來(lái)打算觀看條件，調(diào)整適當(dāng)?shù)募铀匐妷?、工作距離(WD)、適當(dāng)?shù)臉悠穬A斜，選擇適當(dāng)?shù)膫蓽y(cè)器、調(diào)整適宜的電子束電流。一般來(lái)說(shuō)，加速電壓提高，電子束波長(zhǎng)越短，理論上，只考慮電子束直徑的大小，加速電壓愈大，可得到愈小的聚焦電子束，因而提高區(qū)分率，然而提高加速電壓卻有一些不行無(wú)視的缺點(diǎn)：無(wú)法看到樣品外表的微細(xì)構(gòu)造。會(huì)消滅不尋常的邊緣效應(yīng)。電荷累積的可能性增高。樣品損傷的可能性增高。因此適當(dāng)?shù)募铀匐妷赫{(diào)整，才可獲得最清楚的影像。適當(dāng)?shù)墓ぷ骶嚯x的選擇，可以得到最好的影像。較短的工作距離，電子訊號(hào)接收較佳，可以得到較高的區(qū)分率，但是景深縮短。較長(zhǎng)的工作距離，區(qū)分率較差，但是影像景深較長(zhǎng)，外表起伏較大的樣品可得到較均勻清楚的影像。SEM樣品假設(shè)為金屬或?qū)щ娦粤己茫瑒t外表不需任何處理，可直接觀看。假設(shè)為非導(dǎo)體，則需鍍上一層金屬膜或碳膜幫助樣品導(dǎo)電，膜層應(yīng)均勻無(wú)明顯特征，以避開(kāi)干擾SEMAuAu-PdPt。X光微區(qū)分析，主要是由于碳的原子序低，可以削減X光吸取。SEM樣品制備一般原則為:顯露出所欲分析的位置。外表導(dǎo)電性良好，需能排解電荷。不得有松動(dòng)的粉末或碎屑(以避開(kāi)抽真空時(shí)粉末飛揚(yáng)污染鏡柱體)。需耐熱，不得有熔融蒸發(fā)的現(xiàn)象。不能含液狀或膠狀物質(zhì)，以免揮發(fā)。非導(dǎo)體外表需鍍金(影像觀看)或鍍碳(成份分析)。鍍導(dǎo)電膜的選擇，在放大倍率低于1000倍時(shí)，可以鍍一層較厚的Au，以提高導(dǎo)電度10000Au100000倍時(shí)PtAu-Pd100000