扫描电镜的成像过程ppt课件

1、三：电子束与样品的相互作用三：电子束与样品的相互作用SEM能显示各种图像的信息是由于电子束与样品的相互作用而产生的各种信号。选择参数适宜的电子束照射到样品上，构成图像的信息来源于样品上电子束照射的部位，理想情况是信息取样面积应该等于电子束的直径，但是实践上并非如此。.散射.相互作用区.背散射电子.二次电子.特征射线散射是由于电子束与样品的原子和电子相互作用而产生的电子束途径或能量的变化，或者两者同时发生。截面或散射事件的几率：/为单位体积中发生散射事件的数目为单位体积中靶位的数目为单位面积中的入射粒子数了解为一个原子在给定的相互作用中的有效面积电子在两个特定散射事件中穿行的平均自在程或平均间隔

2、：/o(cm) A为原子量No为阿伏伽德罗常数为截面散射可分为：弹性散射和非弹性散射.弹性散射：电子能量无损失，散射角比较大弹性散射截面可以用卢瑟福公式描画：在高原子序数和低电子能量的情况下易发生弹性散射。.非弹性散射：电子将能量交换给靶的电子和原子，一次散射角比较小。非弹性散射过程和扫描电镜有关的有：a.等离子激发 激发“自在电子气以波的方式出现b.二次电子 激发导带中松散结合的电子，出射能量为0-50evc.内壳层电离 激发内壳层电子，在激发过程中发出特征X射线d.韧致辐射 在靶的库伦场中减速，发出延续谱X射线e.声子激发 引起样品温度升高晶格振动单个过程的截面获得困难，可以用能量损失关系

3、来讨论低原子序数易发生非弹性散射2g1062.1Q0222200ctEZ相互作用区1.实验根据：由实验可得到相互作用区的轮廓，一种塑料聚异丁烯酸甲酯PMMA在电子束轰击后，经过腐蚀可以观察到相互作用的轮廓。2.蒙特卡罗计算：对于高原子序数的资料，用蒙特卡罗电子轨迹模拟法研讨相互作用区域特别有用。可以得出相互作用区在接近电子束轰击点处有一个密集的核，而且堆积的能量沿径向逐渐减小。 在PMMA中能量沉积是位置的函数，蒙特卡罗模拟计算和腐蚀法实验测定的结果如图 PMMA经电子轰击后腐蚀，随腐蚀时间显示的能量堆积轮廓的变化。相互作用区的线性体积a.随原子序数的添加而减小；b.随电子束能量的添加而添加；

4、c.电子束与样品的角度关系是倾斜角添加时，相互作用区变小对于电子在固体中的穿行间隔，即所谓的“电子范围有两种常用的模型来思索：1.Bethe范围该范围大于实践范围2.Kanaya-Okayama范围Rk-o=0.0276AE01.67/Z0.889m该范围与实践范围接近0E01RdXdE蒙特卡罗电子轨迹模拟图电子束激发的各种信号产生的区域背散射电子 70%的束电子在相互作用区耗费掉一切的能量，30%的电子那么从样品散射出来，这些重新出射的电子称为背散射电子。出射的背散射电子带有在某个深度范围上的样品的性质的信息。 背散射电子系数 定义为背散射电子数NBS除以入射到靶位上的电子数NB。 1.背散

5、射电子数随着原子序数的添加而添加2.背散射电子数随样品的倾斜角添加而添加3.背散射电子取样深度约为K-O范围的0.3倍信息深度 BBSBBSiinnBSE电子信号区域二次电子二次电子二次电子是指从样品中出射的能量小于二次电子是指从样品中出射的能量小于50ev的电子的电子二次电子系数二次电子系数1.范围和取样深度：取样深度较浅，计算出范围和取样深度：取样深度较浅，计算出最大发射深度最大发射深度约为约为5，横向分散也一样。，横向分散也一样。对金属约为对金属约为1nm，非金属约，非金属约为为10nm 二次电子的信息深度约为背散射二次电子的信息深度约为背散射电子的百分之一电子的百分之一2.与样品成分的

6、关系：二次电子系数对样品与样品成分的关系：二次电子系数对样品成分的变化相成分的变化相当不敏感，但是发射的二次电子中含有背散当不敏感，但是发射的二次电子中含有背散射电子激发的射电子激发的二次电子，在特殊情况下也可以得到一点成二次电子，在特殊情况下也可以得到一点成分信息分信息 总总=B+BSBSEnn3.与样品倾斜的关系二次电子系数与电子束的入射方向有明显关系：入射方向与试样外表法线方向一致，图像亮度最小入射方向与试样外表法线方向成一定角度时，图像亮度增大 指电子束与样品外表 法线的夹角 试样外表有着不同程度的起伏，对应着电子束与样品外表法线不同的夹角，二次电子数量不同，荧光屏上的图像将呈现与试样

7、起伏程度相对应的亮度差别，得到试样的形貌衬度，是二次电子像最重要的衬度内容。cossec00）（二次电子信号X X射线射线1.X1.X射线的产生：在束电子发射非弹性散射的射线的产生：在束电子发射非弹性散射的过程中，可观过程中，可观察到能量正益处于察到能量正益处于X X射线电磁波的谱段内辐射，射线电磁波的谱段内辐射，X X射线以两种射线以两种不同的过程构成。不同的过程构成。a) a)束电子在原子实原子核与严密束缚的电子束电子在原子实原子核与严密束缚的电子组成的库伦组成的库伦场中减速构成能量延续的场中减速构成能量延续的X X射线谱韧致辐射射线谱韧致辐射b) b)束电子与内壳层电子相互作用，驱出束缚

8、电束电子与内壳层电子相互作用，驱出束缚电子，原子处于子，原子处于激发态，电子壳层留出一个空位，在随后的激发态，电子壳层留出一个空位，在随后的去激过程，某个去激过程，某个外层电子发生跃迁填充这个空位，这个跃迁外层电子发生跃迁填充这个空位，这个跃迁过程伴随着能量过程伴随着能量变化，原子以发射变化，原子以发射X X射线的方式释放能量。发射线的方式释放能量。发射的射的X X射线的能射线的能量与原子中确定能级间的能量有关。这种量与原子中确定能级间的能量有关。这种X X射射线称为特征线称为特征X X射射线。线。2.特征X射线 高能束电子与原子相互作用引起内壳层电子发射，在随后的去激发过程中产生特征X射线。

9、具有足够能量的束电子可驱出内层K、L、M的电子，使原子处于电离或激发态。原子在电离后约10-12s内复原到基态，在复原过程中，电子从某一壳层跃迁到另一壳层。这些跃迁导致某些能够的结果。激发态原子的多余能量将以电磁辐射光子的方式释放出来，该光子的能量等于在跃迁过程中有关壳层间的能量差。对于内层的电子的跃迁，该光子的能量正益处于X射线电磁波的谱段内。 由辐射跃迁而发射的X射线称为特征X射线。它的特定能量表示了某个被激发元素的特征，壳层的能级随原子序数不同而变化，即使相邻原子序数的原子其壳层间的能量也有显著的变化。 K层电离后，L层、M层电子都能产生跃迁去填补这个空位： K X射线是L层跃迁 K X

10、射线是M层跃迁 L层电离后M层、N层电子可产生跃迁 L _M层跃迁 L _N层跃迁K线系 L线系 样品的成分、加速电压都影响相互作用区，普通情况下，相互作用区比束斑大，每种信号从固体发出的空间范围，是决议扫描图像空间分辨才干的重要要素。小结四：扫描电镜的成像4-1 SEM的根本成像过程扫描作用图像的构成放大倍率象素景深扫描电镜成像扫描作用 SEM的成像是利用电子束和样品相互作用产生的信号来成像，信号是电子束在样品上光栅扫描时产生的。扫描光栅的区域就是成像的区域。在任何时辰电子束和样品上的一个点相互作用，当逐点进展扫描时，信号的强度在改动，这就反映出样品上各点的差别。输出信号的实现是经过信号调制

11、CRT的栅极，而CRT的扫描和电子束的光栅扫描同步，由扫描线圈同时控制。图像的构成SEM的信息：1.X-Y空间的扫描位置 2.对应的电子-样品相互作用的强度。线扫描：电子束在样品上沿着某一条线进展扫描，接纳的信号又被用于CRT的扫描成像。面扫描：电子束在样品上作X-Y栅格扫描，CRT上也以一样的X-Y方式扫描，构成我们所熟习的图像。放大倍率 SEM图像的放大倍率是经过调整样品与CRT上图像的比例来实现的。 样品空间长度l的直线上的信息被成像到CRT空间的长度L上线性放大倍率M=L/l CRT长度L是固定的，减少样品上扫描面积的边长l就能添加放大倍率。样品上取样面积的大小是放大倍率的函数。 扫描

12、电镜的放大倍率仅与扫描线圈的鼓励有关，与物镜的鼓励无关，后者用来确定电子束的聚焦。象素 “象素或“象元尺寸是扫描电镜中与放大倍率有关的一个重要概念。象素是电子束在样品上获得信息的区域，从这个区域产生的信息被传送给CRT上的某个光点成像。象素的面积越小，图像的分辨率越高，可提供的信息越丰富。象素与放大倍率有关。在供照相用的高分辨率CRT上，最小的光点直径通常是0.1mm。在样品上相应的象素直径与放大倍率有关，可以用下面的公式计算： 象素直径 r0 =0.1mm/M 当入射电子的取样面积小于象素尺寸时，图像才算是真正的聚焦。否那么会产生象素重叠，当产生到两个以上的象素重叠，会导致图像模糊。景深 由

13、于构成聚焦电子束的射线的角度发散，使得电子束在最正确焦点的上部和下部变宽。样品粗糙的情况下，其某些特征处于不同的任务间隔，电子束照射到样品上其电子束尺寸是不同的，取决于任务间隔的远近。为了计算景深，必需知道在最正确焦点的上、下方多少间隔内电子束变宽到致使重叠上足够的象素，从而产生离焦。RWDMmmM2 . 0mm2 . 0DM为放大倍率，为任务间隔，为末级光阑半径 a=R/WD 4-2 探测器1.电子探测器从样品出射的电子可以分为两大类：a.二次电子 平均能量为3-5evb.背散射电子从样品出射时有一个能量分布，0EE0E0为入射电子束能量，对中高原子序数的资料，背散射电子能量分布的峰值在08

14、-0.9 E0处。E-T探测器：该探测器由Everhart-Thornley于1960年研制胜利。任务方式：一个高能电子轰击闪烁体资料，这一电子产生许多光子，经过一个光管将它们导入光电倍增管中。由于该信号是光信号，所以它可以经过一个石英窗进入与扫描电镜的真空一直隔绝的光电倍增管，可产生一个增益为105-106的输出脉冲，且噪音小、频带宽。闪烁体上覆盖着一层铝，偏置+10v电压，用于加速搜集的二次电子。E-T探测器的特点：1.电子信号可以放的很大，引入的噪音小、频带宽，和电视扫描频率兼容。2.二次电子和背散射电子都可以检测。3.在搜集二次电子时也包含有背散射电子。二次电子的搜集效率为50%；背散

15、射电子搜集效率为1%10%。TTL探测器 二次电子在透镜磁场中做螺旋运动经过透镜到达探测器，根本排除了背散射电子，搜集到的是束电子产生的二次电子和背散射电子激发的二次电子，大大提高了分辨率。2.固体探测器 利用高能电子在半导体中产生的电子空穴对研制出的固体探测器。固体探测器主要特点：1固体探测器普通为平整的薄片，尺寸各异。2可以接近样品放置，提供高效几何效率。3对高能背散射电子灵敏，对二次电子不灵敏。3. 3.其他探测器其他探测器样品电流探测器阴极荧光探测器样品电流探测器、阴极荧光探测器、CCD相机、EBSD采集等等4-3 反差反差定义为：C=Smax-Smin/Smax Smax、Smin代

16、表扫描光栅中恣意两点上被检测到的信号。C为正数 0C1 反差代表与样品性质有关信号中的信息，这些性质是我们要测定的。在电子束与样品的相互作用过程中，样品的形貌、成分、晶体取向、导电等性质，产生的信号强度不同，电子图像上出现不同的亮度差别，这就是图像的反差衬度。1.成分反差背散射电子信号 利用背散射电子信号可以得到样品中不同区域内平均原子序数的相对差别，这种反差称为“成分反差。检测信号S 212212SSSCa.随Z化合物时为平均原子序数单调添加，所以样品中平均原子序数高的区域比原子序数低的区域亮b.原子序数相差小的两元素产生的反差低，原子序数差别较大的两元素的反差要大得多。如AL和Si的反差为

17、0.067，Al和Au的反差为0.69c.对元素周期表中的各相邻两元素来说，当原子序数添加时，原子序数反差减少，这是由于和Z的关系曲线的斜率随Z的添加而下降所致。如AL Si的反差为0.067， Au和Pt的反差那么降低到0.041。 二次电子信号成分反差不明显，因二次电子系数不随原子序数而显著变化。BSE电子图像BSE电子图像二次电子图像背散射电子象中成分象和形貌象的分别COMPO象-成分象TOP象-形貌象2.形貌反差 背散射电子和二次电子的产生与电子束和样品之间的入射角有关，入射角因样品外表的形貌起伏而变化，这就构成了样品的形貌反差。在普通的扫描电子显微技术中形貌反差是最重要的反差。对形貌

18、反差有奉献的几种效应：a.总的背散射系数，随样品的倾斜成单调函数添加b.背散射电子的角度分布于样品的倾斜角有关。在垂直入射=00时，分布遵照余弦定律，而在00时，这个分布在向前散射的方向上趋于一个明显的峰。c.总的二次电子系数随外表的倾斜角而变化，近似为 sec=0/cos,因此倾斜外表产生的二次电子比垂直电子束外表的多。1.反差阈 SEM成像过程本质上是离散事件的计数取样过程的时间内，随机分布先后到达的二次电子等信号就是离散事件探测器检测到的信号S就是对这些离散事件的计数n。有人研究了噪音对图像的影响，导出了一个公式： 阈值公式：b410-12/c2tf ib是束流是接纳效率;c是样品衬度;

19、tf是帧扫时间 从阈值公式我们可以看出，在规定的帧扫描和搜集效率下，检测图像中两点的反差值C，可算出必需利用的最低束流。假设规定了某个束流这个公式也可以计算出成像的最低反差值。假设视场中物体构成不了这个反差值，就不能够将物体与随机起伏的背景区分开。亮度公式：B=4/2d22A/cm2sr阈值电流公式：b410-12/c2tf 这两个公式是研讨获得最正确扫描电镜图像的根底. 阈值公式: 阐明了样品电子束探测系统的主要性质即反差和搜集效率与电镜参数的(束流和帧时间的关系。 亮度公式: 建立了这个束流与可以得到的最小探测尺寸和孔径角的关系。影响分辨率的几个要素： 分辨率是扫描电镜的重要目的，通常定义为可分辨开的两个最近物点的间隔。MbRmin1.电子光学限制高斯直径：dk=(/B2tf：100s :0.25 E0:20KV B:510-4 : 510-3rad (100m 10mm)实践束斑直径：dP=(dk2+dS2+dC2+dd2) ds是球差、dc是色差、dd是衍射差2.样品