环境扫描电子显微镜的研制

环境扫描电子显微镜的研制

1电子束的作用机理sem是20世纪60年代中期出现的一种sem扫描电子显微镜（sem）。由于分辨率高、深度大、多样性大，已被广泛应用于科学研究和工程实践。SEM主要由电子光学系统(包括电子枪、镜筒、样品室)、电源、真空系统及信号检测、处理系统所组成。由电子枪发射的电子经静电场引出,沿镜筒加速,在镜筒中电磁透镜和光阑作用下,电子被聚焦成电子束并射向样品。镜筒底部的扫描线圈控制电子束在样品表面扫描,形成光栅,使样品表面各点顺序激发,产生各种物理信号,其强度随样品表面构造、成分而变化。信号探头收集相应的信号,经视频放大、处理后,同步调制阴极射线管(CRT)中电子束电流强度,即可在CRT显示屏上显现出样品表面各点图像。电子束与样品相互作用所产生的各种物理信号中,对SEM成像有影响的主要有:二次电子是初始束电子作用于样品,在样品表面原子中激发出来的电子。它们能量很低(小于50eV),只能从样品表面很浅的区域逸出,成像分辨率最好。其图像衬度主要取决样品表面形貌。样品表面凸起处原子相对于凹下处更容易被激发,逸出的二次电子数更多,因而凸起处成像明亮,凹下处黑暗。二次电子信号是SEM的主要成像信号。与样品原子核发生弹性碰撞而散射出的初始电子束电子。这部分电子能量很高,从50eV直至电子束加速电压。由于背散射电子源区范围大,其成像分辨率不高。图像衬度主要取决于样品所含原子的原子序数,可提供有关样品成分的重要信息。在高能电子束作用下,样品原子各能级间出现电子跃迁而产生。其成像分辨率最差,通常被用作定性分析,目的是确定样品中元素的存在与否。2高真空环境下sem使用范围常规SEM主要靠二次电子信号成像。为保证有足够的二次电子信号强度,必须保证在打到样品表面以前,初始电子在加速过程中不被气体分子散射。为此初始电子经过的整个路径需处于高真空状态(p<10-3Pa),以减少气体分子数。但高真空环境的引入使SEM的使用范围受到极大限制。这些限制主要表现在以下两个方面:①常规SEM不能在自然状态下观察潮湿的、表面受污染的或微生物样品。②常规SEM观察绝缘样品时,必须对样品进行金属化涂层处理。这不但使样品的准备工作变得十分繁琐、复杂,而且经涂层处理后SEM观察到的图像已不再是样品表面图像,而是涂层表面图像,没人能肯定这两者完全相同。3电子束在气体初始设置上的新应用针对常规SEM在使用过程中所暴露出来的缺陷,各种改进措施应运而生,其中最成功的是环境扫描电子显微镜(ESEM)的开发和实现。它所采用的关键性技术措施主要有:(1)在镜筒与样品室之间加装狭缝以使两者之间出现压力差,从而在保证电子枪、镜筒内部高真空度的同时,大幅度降低样品室内的真空度。流体流经小孔时,会在孔的两侧产生压降。根据流体力学这一基本原理,可在镜筒与样品室之间加装狭缝,靠狭缝将镜筒内高真空与样品室内的低真空隔离。ESEM出现之前,曾尝试用单个狭缝将样品室与镜筒分开。经单级狭缝改造后的SEM称低真空常规扫描电子显微镜(LV-CSEM),其样品室内压强可从原来的小于10-3Pa提高至300Pa左右。但改造后的效果不尽人意。原因是从限制气体流动方面考虑,狭缝越窄,样品室与镜筒间所能维持的压差越大,这意味着在保证镜筒内高真空的同时,样品室内压强提高得越多;但过窄的狭缝会极大限制通过狭缝的电子数,严重削弱作为激发成像信号的初始电子束强度,从而严重影响仪器的成像性能。多重狭缝的采用使这一矛盾得以化解。它在加大狭缝尺寸、减少各狭缝两侧的压强差的同时,仍能在镜筒和样品室之间获得很大的总压差。由于各狭缝相距很近,减少了电子束通过高压强段的距离。经多级限压狭缝改造后的SEM称ESEM。图1给出了ESEM上所用多重限压狭缝结构示意图,其中最具特色的结构是与镜筒内最后一组电磁透镜合为一体的两个相距很近的狭缝。在上、中、下三个空间分别抽气,从而获得一个压强逐渐变化的真空:镜筒及电子枪中真空度可达10-5Pa量级,而样品室内压强最高可达5000Pa。图2给出了ESEM的结构示意图。显然,多重狭缝的引入使仪器的真空系统变得大为复杂。从图中可见,两狭缝之间真空的获得主要由前级泵2和扩散泵2完成。样品室真空度降低后,在镜筒底部至样品表面这段距离内,初始电子将被此空间存在的大量气体分子所散射。散射是一个离散的过程,单个电子只有在进入气体分子有效碰撞截面之后才会改变方向,否则会沿原来的路线行进。在到达样品表面之前,每个电子与气体分子的碰撞次数是有限的且为整数。按照Poisson分布,结合理想气体定律可推出一个电子完全不散射概率的方程为:式中k是一个与气体种类有关的常数;V为束电子能量;p为气体压强;T为气体温;d为电子束在气体中通过的距离,即镜筒底部最后一个狭缝与样品表面间距离。显然,P(0)也可理解为未散射电子数与总电子数的比值(I(0)/Itotal)。由式(1)可见,若从结构上使d减小,则样品室压强较高时,仍有可能获得较高的成像电流。典型ESEM中,一般d取2mm,电子枪电压20kV。当样品室气体为水蒸汽、室温下操作时,可计算出各种压强条件下I(0)/Itotal的百分数如表1所示。由表1可见,样品室压强p=665Pa时,常规SEM早已无法成像,但ESEM中的成像电流比例仍高达69%,压强进一步升高,成像电流比例虽下降,但仍然比常规SEM高很多。其适用的最大压强可达5000Pa。(2)ESEM所采用的另一个关键性技术措施是设计了一个在气体压强较高的环境中仍能正常工作的二次电子探头。图3为最简单的环境二次探测头(ESD)示意图。它是一个直径约1cm的锥形电极,顶端向下,与初始电子束同轴,处于样品的正上方。探头上施以数百伏的正电压以吸引样品原子发射出的二次电子。这些二次电子在探头电场中被加速并碰撞气体分子使其电离,产生额外的电子环境二次电子和正离子。这种加速、电离过程不断重复,使初始二次电子信号呈比例级数放大。探头采集这些信号并将其直接传送到电子放大器,最终在显示屏上显现出样品表面图像。由ESD的结构及工作原理可见,信号的初始放大靠电离气体分子进行,不再需要光电倍增管,故ESD对光、热不再敏感;探头不含高压元件,因此在低真空环境中能正常工作;更重要的是,此时样品室内适量的气体对其工作性能不但没有影响,反而有益。气体越容易电离,所获得的放大增益越高。改变探头的偏置电压即可调节增益或使其适应于不同的工作气体。实际使用中,由于水蒸汽没有毒性,容易电离,而且获取方便,因此成为ESEM最常用的工作气体,其成像性能极佳。值得特别指出的是:用这种探头观察绝缘样品时,样品表面不再存在由电子电荷沉积而形成的干扰电场。这是因为此时样品室内有大量气体分子被电离后形成的正离子,一旦干扰电场出现,这些正离子会被吸引至样品表面,将电子中和,从而从根本上解决了绝缘样品在SEM下不能观察的问题,使扫描电子显微镜的适用范围大大扩展并极大地简化了样品准备工作。ESD虽然极大地提高了SEM的性能,但其独特的工作原理要求探头距样品很近且处于样品正上方,因此它收集的背散射电子更多。背散射电子信号会降低图像对比度和二次电子信号分辨率,因此须尽量剔除。同时由于背散射电子能量高,会从仪器其它零部件表面打出二次电子,这些二次电子信号显然属干扰信号,也必须剔除。气体二次电子探头(GSED)的出现使ESD的性能更臻完善。图4为GSED结构示意图,它在仪器中的位置与ESD相同,所不同的是多了一个抑制电极和一个探测环。探测环悬挂在抑制电极下方并与抑制电极平行。抑制电极和探测环都加正偏置电压以形成一个探测电场,电场形状将影响低能二次电子行进的路线,但对高能背散射电子影响不大。由于探测环距样品较近,它产生的电场能吸引绝大部分产生于样品表面的二次电子。同时由于探测环所占相对面积较小,收集到的高能背散射电子数额也少,因而在增强成像信号的同时,有效地减少了背散射电子信号对成像信号的干扰。抑制电极也是正向偏置,其面积较探测环大得多且距样品远,作用主要是收集由背散射电子打出的非样品表面产生的二次电子,阻止其逃到探测环上。抑制电极与探测环的采用提高了仪器的信噪比,使ESEM图像质量得以极大改善。4sem与gsedESEM的研制成功使常规扫描电子显微镜的适用范围和成像性能实现了革命性的突破。利用气体流经狭缝在狭缝两侧产生压降的原理,用多级狭缝将镜筒与样品室分离,在保持镜筒内高真空的同时,有效地降低了对样品