SEM-EDS扫描电镜和能谱仪ppt课件

1、 SEM/EDS構造與原理探討掃描式電子顯微鏡的構造與原理能量散射光譜儀的構造與原理1介紹大綱一.前言二.電子顯微鏡的發展三.電子顯微鏡的種類四.掃描式電子顯微鏡的原理五.掃描式電子顯微鏡的構造六.電子顯微鏡對試片的作用七.電子顯微鏡的應用範圍八.EDS硬體架構與處理方式介紹九.EDS功能介紹2一.前言什麼是顯微鏡:- 顯微鏡是一種用來將微小物體放大以便利觀察的器具。 3 1873 Abbe 和 Helmholfz 分 別 提 出 解 像 力 與 照 射 光 的 波 長 成 反 比 。 奠 定 了 顯 微 鏡 的 理 論 基 礎 。 1897 J.J. Thmson 發現電子 1924 Lou

2、is de Broglie （ 1929 年 諾 貝 爾 物 理 獎 得 主 ） 提 出 電 子 本 身 具 有 波 動 的 物 理 特 性 ， 進 一 步 提 供 電 子 顯 微 鏡 的 理 論 基 礎 。 1926 Busch 發 現 電 子 可 像 光 線 經 過 玻 璃 透 鏡 偏 折 一 般 ， 由 電 磁 場 的 改 變 而 偏 折 。 1931 德 國 物 理 學 家 Knoll 及 Ruska 首 先 發 展 出 穿透式電 子 顯 微 鏡 原 型 機 。 1937 首 部 商 業 原 型 機 製 造 成 功 （ Metropolitan Vickers 牌 ） 。 二.電子顯微

3、鏡發展4 二.電子顯微鏡發展1938 第 一 部 掃 描 電 子 顯 微 鏡 由 Von Ardenne 發 展 成 功 。 1938-39 穿 透 式 電 子 顯 微 鏡 正 式 上 市 （ 西 門 子 公 司, 50KV100KV, 解像力2030 ） 。 1940-41 RCA 公 司 推 出 美 國 第 一 部 穿 透 式 電 子 顯 微 鏡(解像力50 nm) 。 1941-63 解 像 力 提 昇 至 23 （ 穿 透 式 ） 及 100 （ 掃 描 式 ）1960 Everhart and Thornley 發明二次電子偵測器。1965 第一部商用SEM出現(Cambridge)

4、1966 JEOL (日本电子）發表第一部商用SEM(JSM-1)56789 肉眼可見物體的範圍: 0.1cm 光學顯微鏡可見的範圍: 1um 掃描式電子顯微鏡可見的範圍: 10nm 穿透式電子顯微鏡可見的範圍:0.1nm顯微鏡可見的範圍Tick:Any of numerous small bloodsucking parasitic arachnids of the family Ixodidae, many of which transmit febrile diseases, such as Rocky Mountain spotted fever and Lyme disease. 虱

5、类蜱总科的多种小型吸血寄生蛛形动物，其中许多可以传播洛矶山脉斑疹热和莱姆氏病等热病Marigold pollen万寿菊, 金盏草花粉Thermophilic streptococci嗜热链球菌10三.電子顯微鏡的種類(1)掃描式電子顯微鏡(SEM)有很大的景深，對粗糙的表面，例如凹凸不平的金屬斷面顯示得很清楚，而立體感很強。所以，掃描電鏡是研究固體試片表面形貌的有力工具掃描式電子顯微鏡將欲觀察的試片放在底部，電子束與試片作用產生二次電子的激發，在經收集放大，所以加速電壓與解析度沒有穿透式來的高，但試片更換與製作比較方便.11(2)穿透式電子顯為鏡(TEM)穿透式電子顯微鏡觀察試片之製作較繁複，

6、必需有熟練之技巧，同時，試片之實體感也會降低。穿透式電子顯微鏡將欲觀察的試片放在電子槍內，使觀察的解析度比掃描式高.但因為電子束須穿透試片，所以所需的加速電壓相對比掃描式電子顯微鏡來的高. 三.電子顯微鏡的種類12SEM/TEM/OM的構造比較表三.電子顯微鏡的種類13SEM/TEM/OM的影像比較樣品:鼠腎球體三.電子顯微鏡的種類14四.掃描式電子顯微鏡的原理由電子源發射出電子後，在真空電子槍內下，經由掃瞄線圈，使電子束於試片室內對試片表面作掃瞄，掃瞄之區域愈大則顯示於螢幕上之倍率愈小，反之則愈大. 當電子束作用於試片表面時會激發出電子訊號，由試片室內之偵測器，偵測其訊號後經數位放大後在螢幕

7、上顯像.15五.掃描式電子顯微鏡的構造-照明系统电子枪、聚光镜 为成像系统提供一个亮度高、尺寸小的照明光点電子槍的種類: (1)FEG(field Emission Gun单晶鎢) (2)Lab6(六硼化鑭) (3)W filament(鎢陰極)16五.掃描式電子顯微鏡的構造-電子槍17五.掃描式電子顯微鏡的構造-電子槍18Field emission 電子槍的動作原理Accelerating voltage circuitFlash circuit+Extracting voltage circuitElectron source: 5nmEmitterExtracting electrod

8、eAccelerating electrode五.掃描式電子顯微鏡的構造-電子槍19五.掃描式電子顯微鏡的構造-電子槍電子源 Electron source size 20KV 之亮度（A/cm2Sr） Life Time （hr） 操作溫度（oC） 所需真空（Torr） 發射電流（A） 特性 鎢絲 20m 5x104 50100 2800 10-5 10 穩定，大電流 LaB6 10m 3x105 300500 1800 10-6 50 高解析時具大電流 FEG (cold) 510nm 107 1 year RT 10-8 50100 高解析 (二).各種電子槍特性比較表:20五.掃描式電

9、子顯微鏡的構造-電磁透鏡(一)電磁透鏡(condenser Lens)如同光學顯微鏡之玻璃透鏡一樣，在電子顯微鏡上是利用磁場作透鏡，但磁場必須在電子束的方向形成局部軸向對稱磁場，則電子通過時宛如光線通過玻璃透鏡一般，唯一區別為電子受磁場作用，其行進路線為螺旋狀。可利用弗來明右手定則可確定其旋轉方向。此種電子顯微鏡專用的電磁透鏡，常見的缺陷如下：(1)球面像差（Spherical Aberration）(2)散光像差（Astigmatism）(3)散色像差（Chromatic Aberration）等。 21五.掃描式電子顯微鏡的構造-電磁透鏡球面像差 CsSpherical aberratio

10、n通過透鏡中心或邊緣差異色散像差 CcChromatic aberration通過透鏡電子能量差異散光像差Astigmatism通過透鏡至同直徑不同平面差異因電磁透鏡缺陷產生的像差的種類:22五.掃描式電子顯微鏡的構造-電磁透鏡像差影像比較圖23五.掃描式電子顯微鏡的構造-遮蔽孔鏡遮蔽孔徑 (Condenser Aperture) : -主要是選擇電子束的尺寸(Beam Size)24Mag =1TargetMag=2Mag=4Fixing point(EDS)掃描線圈與倍率的關係五.掃描式電子顯微鏡的構造-掃描線圈25五.掃描式電子顯微鏡的構造-接物透鏡Pole pieceYokeCoilS

11、pecimenWorking distance (WD)接物透鏡(Objective Lens) -主要是功能是改變電子束對試片之間的距離. -在影像上是對聚焦(focus)的改變26六.電子顯微鏡對試片的作用電子束對試片所產生的能量27二次電子與背向電子之區別 六.電子顯微鏡對試片的作用28Incident probeSpecimenCollectorScintillatorLight guidePhoto multiplier (PMT)AmplifierBrightness controlDisplay二次電子偵測器六.電子顯微鏡對試片的作用閃爍器上含Eu,將電轉成光光電倍增管將光轉成電

12、場(放大105106倍)29六.電子顯微鏡對試片的作用二次電子觀察表面凹凸影像(SEI)30六.電子顯微鏡對試片的作用加速電壓,電子束與試片三者之間的作用關係: 31六.電子顯微鏡對試片的作用加速電壓對試片之影響 ACCV=5 kVACCV=25 kV高加速電壓-對試片景深有較明顯之顯像.低加速電壓-對試片表面之凹凸起伏較明顯.32六.電子顯微鏡對試片的作用電子束電流對試片之影響 33ACCV=10kV10 pA1000pA六.電子顯微鏡對試片的作用电流强度的影响 高電子束電流-由於電子束密度高,所產生二次電子數目較多,影像品質較細緻低電子束電流-由於電子束密度低,所產生二次電子數目較少,影像

13、品質較粗糙.34工作距離(WD),物鏡孔片(OL Aperture)與景深三者關係六.電子顯微鏡對試片的作用35WD,OL Aperture與景深比較六.電子顯微鏡對試片的作用36背向電子偵測器電子撞擊產生電子電洞,加Bias得電流訊號強度與電子能量大致成線性增加六.電子顯微鏡對試片的作用37背向電子產生原子序對比影像(BEI)六.電子顯微鏡對試片的作用38六.電子顯微鏡對試片的作用JDCJDCSEI SEI vs vs BEIBEI二次電子與背相電子影像比較39七.電子顯微鏡的應用範圍掃描式電子顯微鏡應用範圍非常之廣泛,主要目的為將微小物體放大至能觀察之範圍,所觀察之種類包含以下幾種:生物：

14、種子、花粉、細菌醫學 ：血球、病毒動物 ：大腸、絨毛、細胞、纖維材料 ：陶磁、高分子、粉末、環氧樹脂化學、物理、地質、冶金、礦物、污泥 (桿菌) 、機械、電機及導電性樣品如半導體 (IC、線寬量測、斷面、結構觀察)電子材料等40(1)生物觀察:甘藍菜的花粉顆粒七.電子顯微鏡的應用範圍41(2)醫學觀察:紅血球外觀七.電子顯微鏡的應用範圍42(3)動物觀察:青黴菌外觀七.電子顯微鏡的應用範圍43(4)材料觀察:奈米碳管七.電子顯微鏡的應用範圍44(5)半導體觀察:光阻表面七.電子顯微鏡的應用範圍45EDS 硬體示意圖八.EDS (Energy Dispersive System)介紹46八.ED

15、S (Energy Dispersive System)介紹47八.EDS硬體架構與處理方式介紹EDS detector 構造與組成48試片產生的能量種類與EDS需收集的X-ray訊號八.EDS硬體架構與處理方式介紹49XrayEBSEBSEX-ray訊號產生的方式八.EDS硬體架構與處理方式介紹50EDS detector crystal的動作原理八.EDS硬體架構與處理方式介紹51八.EDS硬體架構與處理方式介紹EDS 訊號處理方式52EDS 訊號轉換顯示方式八.EDS硬體架構與處理方式介紹53EDS 解析度的判定(FWHM)八.EDS硬體架構與處理方式介紹54EDS Detector 收

16、集訊號的角度與距離八.EDS硬體架構與處理方式介紹55八.EDS分析方式点spot分析56八.EDS分析方式线分析57八.EDS分析方式面分析 Element Mapping58INCA Overview九.EDS功能介紹59Smart Spectrum Acquisition九.EDS功能介紹60Easy Element ID九.EDS功能介紹61Quant Presentation九.EDS功能介紹62Data Comparison九.EDS功能介紹63Smart MAP九.EDS功能介紹64Element Linescan九.EDS功能介紹65Automatic Data Collect

17、ion九.EDS功能介紹66Element Maps九.EDS功能介紹67Cameo+九.EDS功能介紹68十.SEM视频SEM视频from NNIN69The Cornell Nanoscale Facility at Cornell University The Stanford Nanofabrication Facility at Stanford University The Solid State Electronics Laboratory at the University of Michigan The Microelectronics Research Center at

18、the Georgia Institute of Technology The Center for Nanotechnology at the University of Washington The Penn State Nanofabrication Facility at the Pennsylvania State University Nanotech at the University of California at Santa Barbara The Minnesota Nanotechnology Cluster (MINTEC) at the University of Minnesota The Nanoscience at the University of New Mexico The Microelectronics Research Center at University of Texas a