培訓(xùn)-電子顯微分析

1、掃描電子顯微分析掃描電子顯微統(tǒng)幾乎廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域：材料、冶金、礦物、半導(dǎo)體，生物醫(yī)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科，其原因是它具有下列主要特點： (1)分辨本領(lǐng)高，二次電子像的分辨率達3nm（鎢燈絲）0.5nm (Titachi S5200)。 (2)放大倍率可以方便地在20倍至20萬倍左右的范圍連續(xù)變化得到高亮度的清晰圖像。 (3)景深長，視野大，成像富有立體感，可以直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細微結(jié)構(gòu)。 (4)試樣制備簡單。金屬等導(dǎo)電的試樣可以直接放入掃描電子顯微鏡中觀察。對非導(dǎo)電的試樣，可以在真空中將表面噴涂一層金屬薄膜，或在較低的加速電壓下直接觀察。 日前的掃描電子顯微鏡都配有X射線能譜儀裝

2、置， 還可裝有電子背散射衍射裝置（EBSD），這樣可以同時進行顯微組織形貌的觀察、微區(qū)成分分析以及晶體結(jié)構(gòu)分析。因此，它像透射電子顯微鏡一樣，是當(dāng)今十分有用的科學(xué)研究儀器之一場發(fā)射掃描電子顯微鏡場發(fā)射掃描電子顯微鏡JSM-6500FFEI Nova NanoSEM ZEISS SUPRA55成像原理成像原理 聚細電子束(110nm)掃描樣品表面，激發(fā)產(chǎn)生多種電子和光子信號。信號被收集、檢測、放大，在CRT上調(diào)制成像。工作模式成像方式工作模式成像方式: 二次電子像（SE）、背散射電子像（BSE）、 吸收電子像（AE）、陰級熒光像（CL）、 電子束感生電流像（EBIC） 分析方式：分析方式： 元素

3、分析（EDS） 晶體學(xué)分析（EBSD）電子與樣品的相互作用 彈性散射彈性散射 入射電子受到試樣中單個孤立的原子核庫侖場的作用，由于電子的質(zhì)量比原子核小得多，一般只引起電子運動方向的改變，而無能量的損失。非彈性散射非彈性散射 入射電子與試樣中原子核外的一個孤立的電子發(fā)生碰撞時，由于兩者質(zhì)量相等，不僅引起入射電子運動方向的改變，而且引起能量的損失。損失的能量主要轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，還要引起核外電子的激發(fā)或電離、價電子云集體振蕩等物理效應(yīng)。固體樣品受入射電子激發(fā)產(chǎn)生的主要物理信號俄歇電子高能入射電子束照射到固體樣品上，與樣品中原子相互作用，產(chǎn)生各種信號。在掃描電子顯在掃描電子顯微鏡中，用來成像的信號主要微鏡中

4、，用來成像的信號主要是二次電子，其次是背散射電是二次電子，其次是背散射電子和吸收電子。用來分析成分子和吸收電子。用來分析成分的信號主要是的信號主要是x射線和俄歇電子射線和俄歇電子，用這兩種信號的能量直接表征元素的性質(zhì)。 1二次電子 入射電子與樣品內(nèi)原子核外層電子發(fā)生非彈性散射時，使一部分核外電子獲得能量逸出樣品表面，這些電子稱為二次電子。 由于價電子結(jié)合能很小，對于金屬來說大致在10ev左右。因此二次電子能量比較低，一般小于50eV，大部分在23eV之間。在入射電子與樣品中原子的相互作用過程中，其他方式也能產(chǎn)生逸出表面的低能量電子，它們與二次電子是不能區(qū)分的，因此，習(xí)慣上把樣品上方檢測到的、能

5、量小于50eV的自由電子都稱為二次電子（價電子電離占總數(shù)的90%）。 二次電子對試樣的表面狀態(tài)敏感，適合對表面形貌觀察。2背散射電子 入射電子在樣品中受原子核盧瑟福散射后，被原子反射出樣品表面的一部分電子，它們能量損失很小，其能量值接近入射電子。但相對于二次電子的劃分通常把能量大于50eV的電子通稱為背散射電子，包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。彈性背散射電子是只受原子核的一次或很少幾次大角度散射即被反射回來的電子，能量不變或變化很少。絕大多數(shù)背散射電子都是彈性背散射電子。 樣品的平均原子序數(shù)越高，背散射電子越多。所以可顯示試樣的元素分布和形貌原子序數(shù)襯度。3吸收電子 隨著入射電子與樣品中

6、原子發(fā)生非彈性散射次數(shù)增多，其能量損失殆盡，不能再逸出表面，這部分就是吸收電子，如果樣品與地之間接上一個高靈敏的電流放大器，所檢測到的電流信號，就是吸收電子或稱樣品吸收電流信號。 設(shè)入射電子流為Ii，總背散射電子流（二次電子與背散射電子之和）為Ib，則吸收電流為： Ia= Ii Ib 所以吸收電流象襯度與背散射電子、二次電子等象的襯度相反?？梢燥@示試樣元素分布和表面形貌，尤其是試樣裂縫內(nèi)部的微觀形貌。4特征x射線 特征x射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后，在電子躍遷過程直接釋放出的一種具有特征能量和波長的電磁輻射波。 當(dāng)入射電子照射到固體樣品上，若使樣品內(nèi)原子的內(nèi)層電子激發(fā)，這時原子由基態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)

7、定激發(fā)態(tài)，外層電子就要向內(nèi)層電子空位方向躍遷，在能級躍遷過程中可直接釋放出具有特征能量和波長的x射線。如果K內(nèi)層電子被激發(fā)，L2層(L層中的某一亞層)電子向K層躍遷，那么所釋放的x射線的特征能量就等于兩能級的能量差：E=EK-EL2。這樣的輻射稱為 K2 輻射。 此時x射線的波長 K2=hc/ E 式中，h普朗克常數(shù)，c光速 由于對一定的元素， E有確定的特征值，所以發(fā)射的x射線波長也有特征值，叫做特征x射線，這表明特征x射線的波長或光子能量E （E就是相應(yīng)躍遷過程始、終態(tài)的能量差E ）是不同元素的特征之一。5俄歇電子 上述的L2層電子躍遷到K層后，釋放出的能量EK-EL2除可以以x射線的形式

8、釋放外，還能以另一種形式釋放，該能量可將核外另一電子打出，該電子脫離原子后成為具有特征能量的電子俄歇電子。 對于不同的元索有它自己特定的能量值。 K L2 L2俄歇電子產(chǎn)生過程：入射電子使K層一個電子激發(fā)， L2層一個電子躍遷到K層，放出能量電子能量E，該能量又使另一個電子激發(fā)，并克服逸出功EW而逸出試樣表面。所以K L2 L2俄歇電子的能量： E K L2 L2 =EK-EL2-EL2-EW 俄歇電子能量一般為501500eV。輕元素(如Be、O、N、C等)產(chǎn)生俄歇電子的幾率高于重元素，同時由于俄歇電子只有在距表層的幾個原子層范圍內(nèi)逸出才能維持其特征能量，因此俄歇電俄歇電子信號適用于樣品表面

9、層的成分分析，特別是輕元素。子信號適用于樣品表面層的成分分析，特別是輕元素。 一個原子中至少要三個電子才能產(chǎn)生俄歇效應(yīng)，所以Be是產(chǎn)生俄歇效應(yīng)的最輕元素。 6 電子束感生電效應(yīng) 這是由半導(dǎo)體材料的特性而產(chǎn)生的。高能量的入射電子進入半導(dǎo)體時，激勵電子穿過帶隙進入空的導(dǎo)帶，其后在滿的價帶上留下空穴(具有正電荷電子的性質(zhì))，產(chǎn)生了電子空穴對。如果在試樣上附加一偏加電場，由于電子和空穴分別攜帶著負、正電荷，在外電場的作用下向著相反的方向遷移，樣品中這種電荷的遷移使外部附加回路中產(chǎn)生電流，將電子束感生電流放大用于成像，就產(chǎn)生了一個新的十分有用的成像模式，反映了在電子束作用下半導(dǎo)體樣品導(dǎo)電性的變化。電子空

10、穴對移動時，遇到某種障礙（如位錯附近雜質(zhì)原子聚集的區(qū)域）將形成不同的電位，為束感應(yīng)電壓信號。 電子束感應(yīng)電效應(yīng)對半導(dǎo)體材料和完整的固體電路的研究很有用。7陰極熒光 上述電子空穴對復(fù)合時釋放的能量，其中一部分以可見光或電磁波中的紅外線從試樣中輻射出來，這種光發(fā)射稱作陰極發(fā)光。如同其它成像模式一樣，陰極發(fā)光也可以收集和放大用于成像，但陰極發(fā)光的光子產(chǎn)額很低，所以光信號很弱，必須采用最佳的光學(xué)收集系統(tǒng)。陰極發(fā)光的總的光強度隨著半導(dǎo)體中摻雜水平單值地變化在幾個數(shù)量級以上，為監(jiān)控半導(dǎo)體材料中的摻雜提供了精確、便利的工具。右圖是具有應(yīng)變誘發(fā)位錯的GaAs晶體陰極發(fā)光圖，在圖中應(yīng)變誘發(fā)位錯為暗線SECL電子

11、束作用體積和激發(fā)信號深度高能入射電子束 進入樣品底與樣品中的原子相互作用后可產(chǎn)生各種物理信號，利用這些信號可以獲得關(guān)于樣品的某些信息。各種信號在樣品中約分布情況，即信息源的大小是各不相同的，定性地了解這一點，對正確利用各種信號是極為重要的。經(jīng)聚焦的高能入射電子受到樣品中原子多次(幾十，幾百次)散射后，由于散射的累加，使電子偏離原入射方向，即入射電子束在樣品中會擴展。（1）入射電子束在樣）入射電子束在樣品中穿透的深度正比于它們的能量和反比于樣品原子品中穿透的深度正比于它們的能量和反比于樣品原子序數(shù)。（序數(shù)。（2）入射電子在樣品中擴展后的形狀僅取決于）入射電子在樣品中擴展后的形狀僅取決于樣品的原子

12、序數(shù)，（樣品的原子序數(shù)，（3）其本身的能量）其本身的能量(與加速電壓有與加速電壓有關(guān)關(guān))僅改變擴展的大小。僅改變擴展的大小。入射電子束在樣品中的擴展入射電子束在樣品中的擴展5 5mm5 5mm100100nmnm7070nmnm3535nmnm2020nmnm塊狀樣品薄膜樣品對于輕元素樣品，由于輕元素原子對入射電子的散射能力較小，入射電子經(jīng)過許多次小角度散射，在尚未達到較大散射角之前已深入到樣品內(nèi)部的一定的深度，然后隨散射次數(shù)的增多，散射角增大。到達一定深度，電子在各個方向散射幾率相等，稱為漫散射。因此，電子束激發(fā)體積形狀像“梨形”。對于重元素，入射電子在樣品表面不很深的地方就達到漫散射的程度

13、，則電子束激發(fā)體積形狀，呈“半球形”。入射電子束在它的整個樣品激發(fā)體積內(nèi)均有可能產(chǎn)生各種信號，但由于各種信號所具有的能量不同和樣品對信號的阻擋能力不同，決定了它們能逸出表面的深度和廣度。逸出深度直徑俄歇電子1nm基本無側(cè)向擴展，直徑與掃描束斑相當(dāng)二次電子210nm背散射電子小于1m有相當(dāng)?shù)膫?cè)向擴展，采樣體積大，50200nm吸收電子、x射線等幾個m大于1m掃描電子顯微鏡的工作原理 SEM同時采用兩個電子束，一電子束轟擊試驗的試樣，而另一束轟擊供操作者觀察的顯像管。入射電子轟擊試樣產(chǎn)生各種電子和光子發(fā)射，選擇一種信號經(jīng)收集、檢測和放大后，用來調(diào)制第二電子束的亮度。 這樣，收集到一個強信號在顯像管

14、上產(chǎn)生一個亮斑點，同時一個弱信號則產(chǎn)生一個暗斑點，兩個電子束的同步掃描使試樣上掃描到的每一個點在顯像管上有一個相應(yīng)的斑點。 如果顯像管上顯示區(qū)的大小是AA試樣上掃描區(qū)的大小是BB，則放大倍率為A/B。無需任何成像透鏡就產(chǎn)生了試樣的一個放大圖像，放大倍率連續(xù)可調(diào)，而且很容易。掃描電子顯微鏡的構(gòu)造1、電子光學(xué)系統(tǒng)(鏡筒)2、信號檢測放大系統(tǒng)3、圖像顯示和記錄系統(tǒng)4、電源系統(tǒng)5、真空系統(tǒng)1電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng) 電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍、聚光鏡、掃描線圈、光欄、樣品室等部件組成。用來獲得掃描電子束，作為使樣品產(chǎn)生各種物理信號的激發(fā)源。電子槍電子槍：鎢燈絲，LaB6，場發(fā)射。應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的

15、束斑直徑聚光鏡聚光鏡：把電子槍發(fā)射的電子聚焦，在樣品上得到小于3nm甚至0.3nm的電子束斑。掃描線圈掃描線圈：提供入射電子束在樣品表面上及顯像管電子束在熒光屏上的同步掃描同步掃描信號；改變?nèi)肷潆娮邮跇悠繁砻鎾呙枵穹?，獲得所需放大倍率的掃描像。樣品室樣品室：主要部件之一是樣品臺。它除了能進行三維空間的移動、傾斜和轉(zhuǎn)動外， 樣品臺還可帶有多種附件，如加熱、冷卻，或拉伸等，可進行動態(tài)觀察。l 鎢燈絲鎢燈絲 (W Filament)l LaB6 (LaB6)l 場發(fā)射場發(fā)射 (FE) - 冷場發(fā)射冷場發(fā)射(Cold-FE) - 熱場發(fā)射熱場發(fā)射(Thermal-FE)Resolution (nm)

16、0.51.02.03.0電子槍類型電子槍類型：電子槍 掃描像分辨率主要取決于電子束亮度 & 束斑尺寸 外加電場下金屬表面的勢能曲線外加電場下金屬表面的勢能曲線電子逸出金屬表面所要克服的勢壘形狀發(fā)生變化發(fā)射體尖電發(fā)射體尖電子勢能曲線子勢能曲線 發(fā)射尖材料發(fā)射尖材料及曲率半徑及曲率半徑 外電場外電場 V/cm勢壘高度勢壘高度 勢壘寬度勢壘寬度b電場強度電場強度 A發(fā)射機制發(fā)射機制 A 鎢絲發(fā)射鎢絲發(fā)射無熱效應(yīng)發(fā)射體加熱2100KB 熱場發(fā)射熱場發(fā)射(100)或(111) W單晶-ZrO2弱105減小逸出功2.7 eV減小50 100肖特基效應(yīng)發(fā)射體加熱1700KC 冷場發(fā)射冷場發(fā)射W單晶1

17、00200 nm 強109 減小 逸出功4.2 eV 10 nm510量子隧道效應(yīng)室溫 1.圖像分辨率高,低電壓下仍保持高的圖像分辨率，是理想電子源。2. 直接觀察非導(dǎo)體樣品(加速電壓樣品平衡態(tài)電壓時即可消除電荷效應(yīng))3. 場發(fā)射槍光源小，易受環(huán)境振動和雜散磁場影響，對環(huán)境要求嚴格。4. Schottky熱場發(fā)射源：束流大、亮度高、穩(wěn)定性高，更適于晶體學(xué)取向(EBSD)、元素分析(EDS)和陰極熒光成像(CL)。5. 冷場發(fā)射源：發(fā)散角小、束流相干性好，穩(wěn)定性較差，需要除氣（flash），更適于高分辨成像。信號檢測放大系統(tǒng)信號檢測放大系統(tǒng) 檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號，然后經(jīng)視頻放大

18、，作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號，不同的物理信號，要用不同類型的檢測系統(tǒng)。它大致可分為三類，即電子檢測器，陰極熒光檢測器和x射線檢測器。 電子檢測器(閃爍檢測器)由閃爍體，光導(dǎo)管和光電倍增器所組成。 陰極熒光檢測器由光譜儀、光導(dǎo)管和光電倍增器所組成。 x射線檢測器有能譜儀和波譜儀。 l SE-Detector for Secondary electron BSE-Detector for Backscattered electron EDS-Detector for X-rays EBSD-Detector for Backscattered diffraction electrons Various

19、 Detectors for different signals閃爍體閃爍體- -光電倍增管探測器：探測光電倍增管探測器：探測SESE、BESBES信號信號 SESE：+ 10 V; BSE+ 10 V; BSE：- 15 - 15 - 300 V - 300 V特點：低噪聲、寬頻帶（特點：低噪聲、寬頻帶（10Hz 10Hz 1MHz 1MHz）、高）、高增益（增益（10106 6） 在掃描電子顯微鏡中最普遍使用的電子檢測器是由閃爍體，法拉第罩柵網(wǎng)、光導(dǎo)管和光電倍增器所組成。閃爍體：由含磷光物質(zhì)的閃爍塑料制成。由于閃爍體只對能量為數(shù)千電子伏特的電子敏感，為了能探測能量小于50eV的二次電子。

20、必須在閃爍體上加上約10kV的正高壓來加速電子。因塑料閃爍不導(dǎo)電，故在其上面噴鍍幾十納米厚的鋁膜作為高壓電極，又可作為反光層阻擋雜散光的干擾。閃爍體上的正高壓會使入射束位移或引起像散，為此其外套著一個有柵網(wǎng)的法拉第罩，其電位接近零電壓。法拉第罩柵網(wǎng)上接+200V左右的正偏壓(相對樣品)可以進一步有效地吸收二次電子。若要排斥二次電子，則在法拉第罩上加50V負偏壓。法拉第罩柵網(wǎng)上施加這樣低的正負偏壓不會給入射電子束帶來明顯的不利影響。 當(dāng)信號電子撞擊并進入閃爍體時，將引起電離，當(dāng)當(dāng)信號電子撞擊并進入閃爍體時，將引起電離，當(dāng)離子與自由電子復(fù)合時產(chǎn)生離子與自由電子復(fù)合時產(chǎn)生可見光可見光。光導(dǎo)管：對光無吸收，將閃爍體產(chǎn)生的可見光送到光電倍增器的光陰極。光電倍增器主要由光陰極和多個陽極構(gòu)成。 光陰極：由銫銻合金制成，可見光打上后，可發(fā)射電子，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。電信號強度與光信號強度成正比。 陽極：把光陰極進來的電信號放大，最后輸出電壓脈沖信號。陽極有多個，電位比光陰極高，且依次增高。一個電子打在上面