扫描电镜工作原理科普

1、4.3 扫描电镜扫描电镜 SEM4.3.1 SEM的特点和工作原理的特点和工作原理 1965年第一台商用年第一台商用SEM问世问世; EM能弥补透射电镜样品制备要求能弥补透射电镜样品制备要求 很高的缺点很高的缺点; 景深大景深大; 放大倍数连续调节范围大放大倍数连续调节范围大; 分辨本领比较高；分辨本领比较高； 样品制备非常方便样品制备非常方便 可直接观察大块试样可直接观察大块试样 固体材料样品表面和界面分析固体材料样品表面和界面分析 适合于观察比较粗糙的表面：适合于观察比较粗糙的表面： 材料断口和显微组织三维形态材料断口和显微组织三维形态扫描电镜能完成：扫描电镜能完成： 表（界）面形貌分析；

2、表（界）面形貌分析； 配置各种附件，做表面配置各种附件，做表面成分分析及表层晶体学位成分分析及表层晶体学位向分析等。向分析等。 扫描电镜的成像原理，和透扫描电镜的成像原理，和透射电镜大不相同，它不用什么射电镜大不相同，它不用什么透镜来进行放大成像，而是象透镜来进行放大成像，而是象闭路电视系统那样，逐点逐行闭路电视系统那样，逐点逐行扫描成像。扫描成像。 由三极电子枪发射出来的电子由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过束，在加速电压作用下，经过2-3个电子透镜聚焦后，在样品表面按个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如

3、二次电子、背散各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、射电子、吸收电子、X射线、俄歇射线、俄歇电子等。电子等。 这些物理信号的强度随样品表这些物理信号的强度随样品表面特征而变。它们分别被相应的面特征而变。它们分别被相应的收集器接受，经放大器按顺序、收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管。成比例地放大后，送到显像管。 供给电子光学系统使电子束偏向的供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也是供给阴极射线扫描线圈的电源也是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。子

4、束作同步扫描。 因此，样品上电子束的位置与显像因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对管荧光屏上电子束的位置是一一对应的。应的。4.3.2 4.3.2 扫描电镜成像的物理信号扫描电镜成像的物理信号 扫描电镜成像所用的物理信号是电扫描电镜成像所用的物理信号是电子束轰击固体样品而激发产生的。具子束轰击固体样品而激发产生的。具有一定能量的电子，当其入射固体样有一定能量的电子，当其入射固体样品时，将与样品内原子核和核外电子品时，将与样品内原子核和核外电子发生弹性和非弹性散射过程，激发固发生弹性和非弹性散射过程，激发固体样品产生多种物理信号。体样品产生多种物理信号。特征特征X射线射线

5、背散射电子背散射电子 它是被固体样品中原子反射回来的一部它是被固体样品中原子反射回来的一部分入射电子。又分弹性背散射电子和非弹分入射电子。又分弹性背散射电子和非弹性背散射电子，前者是指只受到原子核单性背散射电子，前者是指只受到原子核单次或很少几次大角度弹性散射后即被反射次或很少几次大角度弹性散射后即被反射回来的入射电子，能量没有发生变化；后回来的入射电子，能量没有发生变化；后者主要是指受样品原子核外电子多次非弹者主要是指受样品原子核外电子多次非弹性散射而反射回来的电子。性散射而反射回来的电子。二次电子二次电子它是被入射电子轰击出来的样品核外电它是被入射电子轰击出来的样品核外电子，又称为次级电子

6、。子，又称为次级电子。 在样品上方装一个电子检测器来检测不在样品上方装一个电子检测器来检测不同能量的电子，结果如图同能量的电子，结果如图4-574-57所示。二次所示。二次电子的能量比较低，一般小于电子的能量比较低，一般小于50eV50eV；背散；背散射电子的能量比较高，其约等于入射电子射电子的能量比较高，其约等于入射电子能量能量 E E0 0。电子能谱电子能谱吸收电子吸收电子它是被吸收电子是随着与样它是被吸收电子是随着与样品中原子核或核外电子发生非品中原子核或核外电子发生非弹性散射次数的增多，其能量弹性散射次数的增多，其能量和活动能力不断降低以致最后和活动能力不断降低以致最后被样品所吸收的入

7、射电子。被样品所吸收的入射电子。透射电子透射电子 它是入射束的电子透过样品而得到它是入射束的电子透过样品而得到的电子。它仅仅取决于样品微区的成的电子。它仅仅取决于样品微区的成分、厚度、晶体结构及位向等。分、厚度、晶体结构及位向等。图图4-584-58是电子在铜中的透射、吸收和是电子在铜中的透射、吸收和背散射系数的关系。背散射系数的关系。电子在铜中的透射、吸收和背散射系数的关系电子在铜中的透射、吸收和背散射系数的关系 由图知，样品质量厚度越大，则由图知，样品质量厚度越大，则透射系数越小，而吸收系数越大；透射系数越小，而吸收系数越大；样品背散射系数和二次电子发射系样品背散射系数和二次电子发射系数的

8、和也越大，但达一定值时保持数的和也越大，但达一定值时保持定值。定值。样品本身要保持电平衡，这些电子信号样品本身要保持电平衡，这些电子信号必须满足以下关系：必须满足以下关系： ip=ib+is+ia+it (4-69)式中：ip 是入射电子强度； ib 是背散射电子强度； is 是二次电子强度； ia 是吸收电子强度； it 是透射电子强度。将上式两边同除以ip，得 +a+T=1 (4-70)式中：= ib/ip，为背散射系数； = is/ip，为二次电子发射系数； a = ia/ip，为吸收系数； T = it/ip，为透射系数。特征特征X X射线射线 特征X射线是原子的内层电子受到激发之后，

9、在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。俄歇电子俄歇电子 如果原子内层电子能级跃迁过程所如果原子内层电子能级跃迁过程所释放的能量，仍大于包括空位层在内释放的能量，仍大于包括空位层在内的邻近或较外层的电子临界电离激发的邻近或较外层的电子临界电离激发能，则有可能引起原子再一次电离，能，则有可能引起原子再一次电离，发射具有特征能量的俄歇电子。发射具有特征能量的俄歇电子。 4.3.3 4.3.3 扫描电镜的构造扫描电镜的构造扫描电镜由六个系统组成扫描电镜由六个系统组成(1) 电子光学系统（镜筒）电子光学系统（镜筒）(2) 扫描系统扫描系统(3) 信号收集系统信号收集系统(4) 图

10、像显示和记录系统图像显示和记录系统(5) 真空系统真空系统(6) 电源系统电源系统 (1)(1)电子光学系统（镜筒）电子光学系统（镜筒） 由电子枪、聚光镜、物镜和样品由电子枪、聚光镜、物镜和样品室等部件组成。它的作用是将来自电室等部件组成。它的作用是将来自电子枪的电子束聚焦成亮度高、直径小子枪的电子束聚焦成亮度高、直径小的入射束的入射束(直径一般为直径一般为10nm或更小或更小)来来轰击样品，使样品产生各种物理信号。轰击样品，使样品产生各种物理信号。 (2) (2) 扫描系统扫描系统 扫描系统是扫描电镜的特殊部件，扫描系统是扫描电镜的特殊部件，它由扫描发生器和扫描线圈组成。它它由扫描发生器和扫

11、描线圈组成。它的作用是：的作用是：1) 使入射电子束在样品表使入射电子束在样品表面扫描，并使阴极射线显像管电子束面扫描，并使阴极射线显像管电子束在荧光屏上作同步扫描；在荧光屏上作同步扫描；2) 改变入射改变入射束在样品表面的扫描振幅，从而改变束在样品表面的扫描振幅，从而改变扫描像的放大倍数。扫描像的放大倍数。 (3) (3) 信号收集系统信号收集系统 扫描电镜应用的物理信号可分为：扫描电镜应用的物理信号可分为：1) 电子信号，包括二次电子、背散射电子信号，包括二次电子、背散射电子、透射电子和吸收电子。吸收电电子、透射电子和吸收电子。吸收电子可直接用电流表测，其他电子信号子可直接用电流表测，其他

12、电子信号用电子收集器；用电子收集器；2) 特征特征X射线信号，射线信号，用用X射线谱仪检测；射线谱仪检测；3) 可见光讯号可见光讯号（阴极荧光），用可见光收集器。（阴极荧光），用可见光收集器。 常见的电子收集器是由闪烁体、光常见的电子收集器是由闪烁体、光导管和光电倍增管组成的部件。其作导管和光电倍增管组成的部件。其作用是将电子信号收集起来，然后成比用是将电子信号收集起来，然后成比例地转换成光信号，经放大后再转换例地转换成光信号，经放大后再转换成电信号输出成电信号输出(增益达增益达106)，这种信号，这种信号就用来作为扫描像的调制信号。就用来作为扫描像的调制信号。 收集二次电子时，为了提高收集有

13、效收集二次电子时，为了提高收集有效立体角，常在收集器前端栅网上加上立体角，常在收集器前端栅网上加上+250V偏压，使离开样品的二次电子走偏压，使离开样品的二次电子走弯曲轨道，到达收集器。这样就提高了弯曲轨道，到达收集器。这样就提高了收集效率，而且，即使是在十分粗糙的收集效率，而且，即使是在十分粗糙的表面上，包括凹坑底部或突起外的背面表面上，包括凹坑底部或突起外的背面部分，都能得到清晰的图像。图部分，都能得到清晰的图像。图4.62。(a) 加偏压前加偏压前 (b) 加偏压后加偏压后图图4.62 加偏压前后的二次电子收集情况加偏压前后的二次电子收集情况 当收集背散射电子时，由于当收集背散射电子时，

14、由于背散射电子能量比较高，离开背散射电子能量比较高，离开样品后，受栅网上偏压的影响样品后，受栅网上偏压的影响比较小，仍沿出射直线方向运比较小，仍沿出射直线方向运动。收集器只能收集直接沿直动。收集器只能收集直接沿直线到达栅网上的那些电子。线到达栅网上的那些电子。 同时，为了挡住二次电子进入同时，为了挡住二次电子进入收集器，在栅网上加上收集器，在栅网上加上-250V的偏的偏压。现在一般用同一部收集器收压。现在一般用同一部收集器收集二次电子和背散射电子，这通集二次电子和背散射电子，这通过改变栅网上的偏压来实现。将过改变栅网上的偏压来实现。将收集器装在样品的下方，就可收收集器装在样品的下方，就可收集透

15、射电子。集透射电子。(4)(4)图像显示和记录系统图像显示和记录系统 这一系统的作用是将信号收集器这一系统的作用是将信号收集器输出的信号成比例地转换为阴极射输出的信号成比例地转换为阴极射线显像管电子束强度的变化，这样线显像管电子束强度的变化，这样就在荧光屏上得到一幅与样品扫描就在荧光屏上得到一幅与样品扫描点产生的某一种物理讯号成正比例点产生的某一种物理讯号成正比例的亮度变化的扫描像，同时用照相的亮度变化的扫描像，同时用照相方式记录下来，或用数字化形式存方式记录下来，或用数字化形式存储于计算机中。储于计算机中。(5)(5)真空系统真空系统( (6)6)电源系统电源系统 扫描电镜的真空系统和电源扫

16、描电镜的真空系统和电源系统的作用与透射电镜的相同。系统的作用与透射电镜的相同。4.3.4 4.3.4 扫描电镜的主要性能扫描电镜的主要性能(1)(1)放大倍数放大倍数 扫描电镜的放大倍数可用表达式扫描电镜的放大倍数可用表达式 M=AC/AS式中式中AC是荧光屏上图像的边长，是荧光屏上图像的边长， AS是电子是电子束在样品上的扫描振幅。束在样品上的扫描振幅。 目前大多数商品扫描电镜放大倍数为目前大多数商品扫描电镜放大倍数为20-20000倍，介于光学显微镜和透射电镜之倍，介于光学显微镜和透射电镜之间。间。(2) (2) 分辨本领分辨本领 SEM的分辨本领与以下因素有关：的分辨本领与以下因素有关：

17、 1) 1) 入射电子束束斑直径入射电子束束斑直径 入射电子束束斑直径是扫描电镜入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本领的极限。热阴极电子枪的分辨本领的极限。热阴极电子枪的最小束斑直径最小束斑直径6nm，场发射电子枪，场发射电子枪可使束斑直径小于可使束斑直径小于3nm。 2) 2) 入射束在样品中的扩展效应入射束在样品中的扩展效应 电子束打到样品上，会发生散射，扩散电子束打到样品上，会发生散射，扩散范围如同梨状或半球状。入射束能量越大，范围如同梨状或半球状。入射束能量越大，样品原子序数越小，则电子束作用体积越样品原子序数越小，则电子束作用体积越大。由图可以看出，只有在离样品表面深大。由图可以看出，

18、只有在离样品表面深度度0.3L2区产生的背散射电子有可能逸出样区产生的背散射电子有可能逸出样品表面，二次电子信号在品表面，二次电子信号在5-10nm深处的逸深处的逸出，吸收电子信号、一次出，吸收电子信号、一次X射线来自整个射线来自整个作用体积。这就是说，不同的物理信号来作用体积。这就是说，不同的物理信号来自不同的深度和广度。自不同的深度和广度。 入射束有效束斑直径随物理信号不同入射束有效束斑直径随物理信号不同而异，分别等于或大于入射斑的尺寸。而异，分别等于或大于入射斑的尺寸。因此，用不同的物理信号调制的扫描象因此，用不同的物理信号调制的扫描象有不同的分辨本领。二次电子扫描象的有不同的分辨本领。二次电子扫描象的分辨本领最高，约等于入射电子束直径，分辨本