电子显微分析3课件

扫描电子显微镜扫描电子显微镜的发展

利用电子束与样品的相互作用来获得样品表面高分辨率的图像这种想法在20年代末产生。1929年斯蒂青(H．Stintzing)从理论上描述了扫描电子显微镜的工作原理。1935年克诺尔(Knoll)用实验演示了这一设想。1938年，冯·阿登(vonArdenne)把扫描线圈装入透射电子显微镜中，试制出第一台扫描透射电子显微镜并对该仪器的理论基础和实际方面进行了较详细的描述。他在23kV，8000倍的操作条件下，拍摄到ZnO晶体薄膜的第一张扫描透射电子显微镜照片，其分辨率约在50一100nm。1942年，茨瓦(Zworykin)等人首先描述了用于观察厚样品的扫描电子显微镜。他们认识到二次电子发射也许会产生形貌衬度，因此设计出相应的仪器结构。在该结构中，检测器上接相对于样品的50V正偏压，被收集到检测器上的二次电子通过一个电阻产生电压降。这一电压降被送至电视装置产生图像。其图像的分辨率只有1微米，比光学显微镜(200nm)还差。为了提高图像分辨率，Zworykin等人从减小束斑尺寸、改善讯噪比等方面进行理论和实际二方面的探索，为现代扫描电子显微镜的诞生作出了重要的贡献。他们详细地分析了透镜像差、电子枪亮度和束斑尺寸之间的关系，从而探知获得最小束斑尺寸的方法；他们尝试用场发射冷阴极源代替钨灯丝热发射阴极源，虽然没能解决它的不稳定性，但获得了高放大倍率和高分辩的图像。他们的另一贡献是利用电子倍增器作为来自样品的二次电子发射电流的预放大器。他们在1942年着手研制的一台分辨率优于50nm的扫描电子显微镜，可惜由于第二次世界大战而使之中途夭折。自1965年以来，扫描电子显微镜仍在不断地改进和完善，新型LaB6(六硼化镧)阴极电子枪的问世和场发射电子枪的改进，极大地提高了扫描电子显微镜的分辨本领。目前，商品扫描电子显微镜，采用常规的钨灯丝电子枪观察时的二次电子像分辨率3.5nm；采用LaB6电子枪观察时分辨率为2.5nm；采用场发射电子枪观察时分辨率为1.5—0.8nm。另一重大进展是实现了电子计算机的全面控制扫描电子显微操作，并把数字化信息的帧储存技术应用到扫描电子显微镜的成像系统中，研究成功—种全数字化微处理器控制的扫描电子显微镜。扫描电子显微统几乎广泛应用于各个领域：材料、冶金、矿物、半导体，生物医学、物理、化学等学科，其原因是它具有下列主要特点：(1)分辨本领高，二次电子像的分辨率达3.5nm（钨灯丝）0.5nm(TitachiS5200)。(2)放大倍率可以方便地在20倍至20万倍左右的范围连续变化得到高亮度的清晰图像。(3)景深长，视野大，成像富有立体感，可以直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构。(4)试样制备简单。金属等导电的试样可以直接放入扫描电子显微镜中观察。对非导电的试样，可以在真空中将表面喷涂一层金属薄膜，或在较低的加速电压下直接观察。日前的扫描电子显微镜都配有X射线能谱仪装置，还可装有电子背散射衍射装置（EBSD），这样可以同时进行显微组织形貌的观察、微区成分分析以及晶体结构分析。因此，它像透射电子显微镜一样，是当今十分有用的科学研究仪器之一．场致发射扫描电子显微镜JSM-6500F场致发射扫描电子显微镜FEINovaNanoSEMWorldsOnlyTrueUHRLowVacuumSEM!固体样品受入射电子激发产生的

主要物理信号俄歇电子高能入射电子束照射到固体样品上，与样品中原子相互作用，产生各种信号。在扫描电子显微镜中，用来成像的信号主要是二次电子，其次是背散射电子和吸收电子。用来分析成分的信号主要是x射线和俄歇电子，用这两种信号的能量直接表征元素的性质。其他一些信号如阴极荧光，电子束感生电效应和透射电子，它们的应用范围不如上述信号来得广。1．二次电子

入射电子与样品内原子核外层电子发生非弹性散射时，使一部分核外电子获得能量逸出样品表面，这些电子称为二次电子。由于价电子结合能很小，对于金属来说大致在10ev左右。因此二次电子能量比较低，一般小于50eV，大部分在2—3eV之间。在入射电子与样品中原子的相互作用过程中，其他方式也能产生逸出表面的低能量电子，它们与二次电子是不能区分的，因此，习惯上把样品上方检测到的、能量小于50eV的自由电子都称为二次电子（价电子电离占总数的90%）。

二次电子对试样的表面状态敏感，适合对表面形貌观察。3．吸收电子

随着入射电子与样品中原子发生非弹性散射次数增多，其能量损失殆尽，不能再逸出表面，这部分就是吸收电子，如果样品与地之间接上一个高灵敏的电流放大器，所检测到的电流信号，就是吸收电子或称样品吸收电流信号。设入射电子流为Ii，总背散射电子流（二次电子与背散射电子之和）为Ib，则吸收电流为：

Ia=Ii–Ib

所以吸收电流象衬度与背散射电子、二次电子等象的衬度相反。可以显示试样元素分布和表面形貌，尤其是试样裂缝内部的微观形貌。4．特征x射线

特征x射线是原子的内层电子受到激发后，在电子跃迁过程直接释放出的一种具有特征能量和波长的电磁辐射波。当入射电子照射到固体样品上，若使样品内原子的内层电子激发，这时原子由基态变为不稳定激发态，外层电子就要向内层电子空位方向跃迁，在能级跃迁过程中可直接释放出具有特征能量和波长的x射线。如果K内层电子被激发，L2层(L层中的某一亚层)电子向K层跃迁，那么所释放的x射线的特征能量就等于两能级的能量差：E=EK-EL2。这样的辐射称为K2辐射。5．俄歇电子上述的L2层电子跃迁到K层后，释放出的能量EK-EL2．除可以以x射线的形式释放外，还能以另一种形式释放，该能量可将核外另一电子打出，该电子脱离原子后成为具有特征能量的电子——俄歇电子。对于不同的元索有它自己特定的能量值。K

L2L2俄歇电子产生过程：入射电子使K层一个电子激发，L2层一个电子跃迁到K层，放出能量电子能量E，该能量又使另一个电子激发，并克服逸出功EW而逸出试样表面。所以K

L2L2俄歇电子的能量：E

K

L2L2=EK-EL2-EL2-EW俄歇电子能量一般为50—1500eV。轻元素(如Be、O、N、C等)产生俄歇电子的几率高于重元素，同时由于俄歇电子只有在距表层的几个原子层范围内逸出才能维持其特征能量，因此俄歇电子信号适用于样品表面层的成分分析，特别是轻元素。一个原子中至少要三个电子才能产生俄歇效应，所以Be是产生俄歇效应的最轻元素。

6．电子束感生电效应

这是由半导体材料的特性而产生的。高能量的入射电子进入半导体时，激励电子穿过带隙进入空的导带，其后在满的价带上留下空穴(具有正电荷电子的性质)，产生了电子—空穴对。如果在试样上附加一偏加电场，由于电子和空穴分别携带着负、正电荷，在外电场的作用下向着相反的方向迁移，样品中这种电荷的迁移使外部附加回路中产生电流，将电子束感生电流放大用于成像，就产生了一个新的十分有用的成像模式，反映了在电子束作用下半导体样品导电性的变化。电子—空穴对移动时，遇到某种障碍（如位错附近杂质原子聚集的区域）将形成不同的电位，为束感应电压信号。

电子束感应电效应对半导体材料和完整的固体电路的研究很有用。7．阴极荧光

上述电子—空穴对复合时释放的能量，其中一部分以可见光或电磁波中的红外线从试样中辐射出来，这种光发射称作阴极发光。如同其它成像模式一样，阴极发光也可以收集和放大用于成像，但阴极发光的光子产额很低，所以光信号很弱，必须采用最佳的光学收集系统。阴极发光的总的光强度随着半导体中掺杂水平单值地变化在几个数量级以上，为监控半导体材料中的掺杂提供了精确、便利的工具。右图是具有应变诱发位错的GaAs晶体阴极发光图，在图中应变诱发位错为暗线SECL对于轻元素样品，由于轻元素原子对入射电子的散射能力较小，入射电子经过许多次小角度散射，在尚未达到较大散射角之前已深入到样品内部的一定的深度，然后随散射次数的增多，散射角增大。到达一定深度，电子在各个方向散射几率相等，称为漫散射。因此，电子束激发体积形状像“梨形”。对于重元素，入射电子在样品表面不很深的地方就达到漫散射的程度，则电子束激发体积形状，呈“半球形”。入射电子束在它的整个样品激发体积内均有可能产生各种信号，但由于各种信号所具有的能量不同和样品对信号的阻挡能力不同，决定了它们能逸出表面的深度和广度。逸出深度直径俄歇电子1nm基本无侧向扩展，直径与扫描束斑相当二次电子2~10nm背散射电子小于1m有相当的侧向扩展，采样体积大，50~200nm吸收电子、x射线等几个m大于1m扫描电子显微镜的工作原理SEM同时采用两个电子束，一电子束轰击试验的试样，而另一束轰击供操作者观察的显像管。入射电子轰击试样产生各种电子和光子发射，选择一种信号经收集、检测和放大后，用来调制第二电子束的亮度。这样，收集到一个强信号在显像管上产生一个亮斑点，同时一个弱信号则产生一个暗斑点，两个电子束的同步扫描使试样上扫描到的每一个点在显像管上有一个相应的斑点。扫描电子显微镜的构造1、电子光学系统(镜筒)2、信号检测放大系统3、图像显示和记录系统4、电源系统5、真空系统1．电子光学系统电子光学系统由电子枪、聚光镜、扫描线圈、光栏、样品室等部件组成。用来获得扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。电子枪：钨灯丝，LaB6，场发射。应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径聚光镜：把电子枪发射的电子聚焦，在样品上得到小于3nm甚至0.3nm的电子束斑。扫描线圈：提供入射电子束在样品表面上及显像管电子束在荧光屏上的同步扫描信号；改变入射电子束在样品表面扫描振幅，获得所需放大倍率的扫描像。样品室：主要部件之一是样品台。它除了能进行三维空间的移动、倾斜和转动外，样品台还可带有多种附件，如加热、冷却，或拉伸等，可进行动态观察。光导管：对光无吸收，将闪烁体产生的可见光送到光电倍增器的光阴极。光电倍增器主要由光阴极和多个阳极构成。

光阴极：由铯锑合金制成，可见光打上后，可发射电子，将光信号转换成电信号。电信号强度与光信号强度成正比。

阳极：把光阴极进来的电信号放大，最后输出电压脉冲信号。阳极有多个，电位比光阴极高，且依次增高。一个电子打在上面就会产生二个，二个变四个，……阳极数目越多，最后得到的电子数目就越多，输出的电压脉冲信号越强。输出的电信号经视频放大器放大后作为调制信号，最后在显示器上显示。3．图像显示和记录系统

该系统的作用是把信号检测系统输出的调制信号，转换为在显像管荧光屏上显示样品某种特征的放大像，供观察和照相记录。扫描电子显微镜的扫描速度可以变化，从数十秒的慢速扫描变到快速的电视扫描，其间分成几档，供不同操作目的使用。显示装置一般有两个显示通路：一个用来观察，另一个供照相记录。前者采用长余辉显像管，便于观察，后者则为高分辨率的短余辉管子。观察时为便于调焦，采用相对快的扫描速度，而拍照时为了得到分辨高的图像，要求采用尽可能慢的扫描速度。扫描电子显微镜的分辨率在特定条件下拍摄的图像上测量二亮区之间的暗间隙的宽度再除以总放大倍数，其最小值即为图像分辨率。影响分辨率的因素：1、扫描电子束斑直径2、入射电子束在样品中的扩展效应3、操作方式及所用的调制信号4、信号噪音比5、杂散磁场6、机械震动FEGSEM的二次电子图像分辨率可达到1.5nm日立S-5200的分辨率达到0.5nm扫描电子显微镜的景深景深是指在保持像清晰度，即不降低分辨率的前提下，样品在物平面上下沿光轴可移动的最大距离。扫描电子显微镜有一个显著特点就是景深很大。这是由于扫描电子束发射度很小所致。d。是扫描像分辨率,Ff是景深：表给出了在不同放大倍率下，扫描电子显微镜分辨率和相应的景深值(＝110-3rad)。为了便于比较，也给出了相应放大倍率下光学显微镜的景深值。表中的分辨率d。被定义为d