电子显微术PPT课件

1、第六章第六章 扫描电子显微书扫描电子显微书 Lettuce Field(16M DRAM) 1. Resolution Improvement 30kV 1kV 0.6 nm0.6 nm0.5 nm 2.5 nm3.5 nm1.8 nm S-5200S-5000H S-5000 Development of a new UHR Obj. Lens New S-4800 FE-SEM Resolution: 1.0nm 15kV 1.4nm 1kV Objective Movable Aperture Model S-3000N Specimen Stage CRT Electron Gun S

2、E Detector Specimen Chamber O MT E MS E M Voltage High Voltage 25300kV High Voltage 0.530kV Illumination Source LightElectronElectron ObservationIn AirIn VacuumIn Vacuum LensGlassPole PiecePole Piece Resolution5 0.1 m0.5 0.1 nm7 0.6 nm Focus Depth (X500) Shallow (23m)Deep (500m)Deep (0.11mm) x-rays

3、AnalysisNot possiblePossiblePossible ColorColorBlack and WhiteBlack and White Magnification1K1000K800K Field of ViewLargeSmallLarge Specimen Preparation EasyComplicatedEasy Specimen SizeLargeSmallLarge Metal coatingNot necessaryNot necessaryNecessary Image Transmitted Image or Surface Image Transmit

4、ted ImageSurface Image H a r d w a r e S o f t w a r e P e r f o r m a n c e Type Characteristic 第一节结构原理 扫描电镜基本上是由电子光学系统、信号接收系统、 供电系统、真空系统等四部分组成。 在扫描电镜中，电子枪发射出来的电子束，经三个电 磁透镜聚焦后，成直径20微米25的电子束。置于末 级透镜上部的扫描线圈能使电子束在试样表面上做光 栅状扫描。试样在电子束作用下，激发出各种信号， 信号的强度取决于试样表面的形貌、受激区域的成分 和晶体取向。 值得强调的是，入射电子束在试样表面上是逐点扫描 的，

5、像是逐点记录的，因此试样各点所激发出来的各 种信号都可记录下来。给试样的综合分析带来极大的 方便。 SE Detector Specimen CRT Camera Amplifier Image Signal High Voltage Deflection Coils Deflection Amplifier Vacuum Pump Filament Wehnelt Electron Gun Anode Condenser Lens Deflection Coils Objective Lens Specimen Chamber Scanning Electron Beam Mag. Cont

6、rol PG1 PG2 Filament Condenser Lens aperture Orifice NV Vacuum Gauge Vacuum controller (Real-time) Vacuum condition preset RP1RP2 DP Low Vacuum Condition BSE detector V8 V6 V9 V3 V4 V1 Specimen V5 V7 High Vacuum Condition V2 Image Sample Objective Lens (Illumination Source) Lump O M Condenser Lens P

7、rojection Lens Screen Image Image Sample Sample Objective Lens Electron Source Condenser Lens Deflection Coils SE Detector C R T T E MS E M Fluorescent screen Scanning FE TipTungsten Filament 750m Electron Source Type of Emission Operating Vacum (Pa) Brightness (A/cm2 str) Source Size (m) Energy Spr

8、ed (eV) Life Time (h) Tungsten Filament Thermonic Field Emission Cold FE 10-510-8 5x105108 300.01 2.00.2 502000 V= 2eV Tungsten Filament V= 0.2eV FE Tip Wehnelt Anode Electron Beam V0 Electron Beam V0 1st Anode 2nd Anode Flashing Voltage V1 V0:Accelerating voltage V1: Extraction voltage Bias Voltage

9、 Control ( 6.5kV) Filament Current Control Filament In-Lens Type (S-5200)In-Lens Type (S-5200) Primary BeamPrimary Beam Lens SE DetectorSE Detector SpecimenSpecimen Out Lens Type (W-SEM, S-4300)Out Lens Type (W-SEM, S-4300) Primary BeamPrimary Beam Lens Specimen SE Detector Snorkel Type (S-4700 & S-

10、4800)Snorkel Type (S-4700 & S-4800) SE DetectorSE Detector ( Upper )( Upper ) Specimen LensLens Primary beamPrimary beam SE detectorSE detector ( Lower)( Lower) Focal Length Objective Lens Objective Movable Aperture Specimen Working Distance Electron Source Electron Beam LensLens Primary beamPrimary

11、 beamUpper High Resolution Lower Topographic Image Non Conductive Samples Select Upper andSelect Upper andLower DetectorsLower Detectors Primarybeam Lens SEDetector Specimen )In-lens type Primarybeam SEDetector Lens Specimen )Conventional type(Out-Lens) SEDetector (Upper) Specimen Lens Primarybeam )

12、Snokel type SEDetector (Lower) Hi-SEM S-4300 S-4700 S-5200 Primary Electron Beam e e Objective Lens BSE Detector Residual Gas High Pressure (1.0Pa270Pa） ） Non Conductive Specimen P Pr re es ss su ur re eMMe ea an n F Fr re ee e P Pa at th h 1 10 0- -3 3P Pa a1 10 00 0mmmm 1 13 3P Pa a1 10 0mmmm 2 27

13、 70 0P Pa a0 0. .5 5mmmm Beam Diameter Before correction Objective Lens Electron Source Electron Beam X Y Electron Beam Electron Source Objective Lens Stigmator After correction Y X Stigmator Beam Diameter Photomultiplier Primary Electron Beam Specimen Photons Light Guide Signal CRT +10kV Secondary

14、Electron Phosphors Al Coating Layer Photo Multiplier Tube 第二节分辨率和放大倍数 一、分辨率 扫描电镜的分辨率有两重意义：对微区成分而言，它是 指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点 之间的最小距离。这两者主要决定入射电子束的直径， 但并不直接等于直径。二是由所接收信号的激发区域半 径决定。 二、放大倍数 扫描电镜的放大倍率M取决于显像管荧光屏尺寸S2和入 射束在试样表面扫描距离S1之比，即 1 2 S S M 三、入射电子在试样内的激发区域 入射电子在被散射或吸收之前，将在试样表面下的 某个距离R范围内运动，并激发各种射线。

15、这些射线 的能量或穿透能力各不相同，只有一定深度一定能 量的射线才能逸出表面，被检测到。对于一般元素 而言，电子束与试样作用，激发区域是一个梨形作 用区。对重金属而言，此激发区域是一个半球形区 域。不同的信号来自此激发区内不同的深度。 BackscatteredBackscattered ElectronElectronSecondary ElectronSecondary Electron VaccumVaccum Simons,et.alSimons,et.al SE Primary Electron Beam BSE Specimen 特征X射线 荧光X射线 俄歇电子d ZB ZX ZF

16、 RB RX RF 各种信号发生的深度（Z）和广度（R） Secondary Electrons Carrying Surface Information Of Specimen 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 Z Excitation Depth for Secondary Electron Emission 一 一 一 Secondary Electrons SE SE Secondary Electrons Carrying Inner Information Of Specimen Primary Electron Beam BSE Backscattere

17、d Electrons Specimen 1kV2kV3kV 10 20 30 40 50 (nm) BeamInvadingdepth Primary Electron Beam Secondary Electron Backscattered Electron Cathodeluminescence Specimen Current Transmitted Electron Electron Beam Induced Current Secondary Electron Detector 10nm (Excitation Volume for Secondary Electron Emis

18、sion) Transmitted Electron (Scattered) Characteristic X-Ray 第三节 电子束与试样相互作用激发的各 种信号及工作方式 一、发射方式-二次电子 二次电子能量大致在 030eV之间，多数来自表面层下部550深度之 间。二次电子信号对试样表面状态非常敏感。 二、反射方式-被反射电子 能量与入射电子能量相 当，来自表面层几个微米的深度范围。被反射 电子信号可以显示表面形貌，还可以显示元素 分布。 三、吸收方式-吸收电子 吸收电子成像衬度与二次 电子、被反射电子像衬度相反，可以显示元素 分布和表面形貌，尤其是裂缝内部微观形貌。 四、透射方式-透射

19、电子 透射电子中既有弹性散射 电子也有非弹性散射电子。其能量大小取决于试 样的性质和厚度。可以显示成分分布。 五、俄歇电子方式-俄歇电子 能量极低，具有元素 的特征能量，适合于做表层成分分析。 六、X射线方式-特征X射线 高能入射电子轰击固 体试样，就好像一只X射线管，试样是其中的靶。 特征X射线的波长因试样元素不同而不同，其相 对强度与元素含量有关。 七、阴极发光方式-可见光 有些物质在高能电子束 轰击下会发光，发光波长与杂质原子和基体物质 有关。对发光光谱做波长分析，可以鉴别出基体 物质和所含的杂质。用光电倍增管接收、成像就 可以显示杂质及晶体缺陷分布情况。 八、感应信号方式-感应电信号

20、半导体和绝缘 体在高速电子束的轰击下会在其中产生空穴-电 子对，感应信号就是以此作信号的一种工作方 式。这种方式可以显示半导体、绝缘体的表面 形貌、晶体缺陷、微等离子体和p-n结。 10010,0001 Energy of Electron (eV) Quantity of Electrons (Incident beam energy : 10,000eV) Secondary Electrons Backscattered Electrons Scanning(Y) Scanning (X) l Scanning Electron Probe Specimen Scanning Elect

21、ron Beam of CRT L Pixel C R T Magnification :( M)=L / l 第四节 形貌象解释 二次电子产额强烈依赖于入射束与试样表面法线间的夹 角，也就是说，如果试样表面是凸凹不平的话，法线 与入射束夹角大的面发射的二次电子多，反之则少。 其二是二次电子的实际收得率是呈角分布的。探测器愈 是垂直于试样表面，所收集到的二次电子数也就愈多。 (a) =0 50 R r1 (b) =45 50 R r2 50 R r3 (c) =65 r3r2r1 入射电子在试样表层下50深度内所经路程随面法线间夹角的变化 9090 60 30 0 30 60 试样020406

22、0 80 2 4 6 8 10 接收的二次电子 二次电子收得数角分布曲线 二次电子收得数与入射束-试 样面法线间夹角分布曲线 Focus Depth DeepFocus Depth Shallow Specimen : Si on Photo Resist Pattern After correction Before correction Specimen:Trachea of rat W filament SEM Out lens FE-SEM Snorkel lens FE-SEM In-Lens FE-SEM 0.5 1.0 10 30 0.5 1.0 10 20 Acc.(kV) Resolution (nm) High Acclerating