第4講 掃描電子顯微鏡課件

第4講掃描電子顯微鏡中南大學物理與電子學院先進材料超微結(jié)構與超快過程研究所2015-5-5

主講：周聰華CompanyLogo內(nèi)容提要一、概述二、SEM結(jié)構2.1電子束與固體相互作用2.2SEM結(jié)構2.3SEM主要性能2.4SEM樣品制備三、SEM應用3.1表面形貌襯度3.2能譜儀（EDS）四、參考文獻與課后習題CompanyLogo包括：用透射電子顯微鏡進行的透射電子顯微分析用掃描電子顯微鏡進行的掃描電子顯微分析用電子探針儀進行的X射線顯微分析

電子顯微分析是利用聚焦電子束與試樣物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種物理信號，分析試樣物質(zhì)的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構和化學組成。一、概述1.1電子顯微鏡CompanyLogo電鏡的分類透射電鏡（TEM）掃描電鏡（SEM）掃描透射電鏡（STEM）一、概述1.1電子顯微鏡CompanyLogoFEINova400場發(fā)射掃描電子顯微鏡TESCANVEGAII可變真空鎢燈絲掃描電鏡CompanyLogoAgNWs的SEM表面形貌圖【尚未發(fā)表】石墨CompanyLogo儀器分辨本領較高。二次電子像分辨本領可達1.0nm(場發(fā)射),3.0nm(鎢燈絲)；新式掃描電子顯微鏡的二次電子像的分辨率已達到1nm，放大倍數(shù)可從數(shù)倍原位放大到20萬倍左右。圖像景深大，富有立體感?？芍苯佑^察起伏較大的粗糙表面（如金屬和陶瓷的斷口等）；試樣制備簡單。塊狀或粉末的、導電的或不導電的試樣不加處理或稍加處理，就可直接放到SEM中進行觀察。因此，SEM的制樣過程比透射電子顯微鏡（TEM）簡單，對樣品的要求低；且可使圖像更近于試樣的真實狀態(tài)。一、概述1.2SEM特點CompanyLogo可做綜合分析。SEM裝上波長色散X射線譜儀（WDX）（簡稱波譜儀）或能量色散X射線譜儀（EDX）（簡稱能譜儀）后，在觀察掃描形貌圖像的同時，可對試樣微區(qū)進行元素分析。裝上半導體樣品座附件，可以直接觀察晶體管或集成電路的p-n結(jié)及器件失效部位的情況。裝上不同類型的試樣臺和檢測器可以直接觀察處于不同環(huán)境（加熱、冷卻、拉伸等）中的試樣顯微結(jié)構形態(tài)的動態(tài)變化過程（動態(tài)觀察）。一、概述1.2SEM特點CompanyLogo電子束與固體樣品相互作用2.1電子束與固體相互作用二、SEMCompanyLogo一、背散射電子（backscatteringelectron）

背散射電于是指被固體樣品中的原子核反彈回來的一部分入射電子。其中包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。彈性背散射電子是指被樣品中原子核反彈回來的散射角大于90的那些入射電子，其能量基本上沒有變化。彈性背散射電子的能量為數(shù)千到數(shù)萬電子伏。非彈性背散射電子是入射電子和核外電子撞擊后產(chǎn)生非彈性散射而造成的，不僅能量變化，方向也發(fā)生變化。如果有些電子經(jīng)多次散射后仍能反彈出樣品表面，這就形成非彈性背散射電子。2.1電子束與固體相互作用二、SEMCompanyLogo非彈性背散射電子的能量分布范圍很寬，從數(shù)十電子伏到數(shù)千電子伏。從數(shù)量上看，彈性背散射電子遠比非彈性背散射電子所占的份額多。背散射電子的產(chǎn)生范圍在樣品表面以下100~1000nm深度的范圍。背散射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)增加而增加，所以，利用背散射電子作為成像信號不僅能分析形貌特征，也可用來顯示原子序數(shù)襯度，定性地進行成分分析。2.1電子束與固體相互作用二、SEMCompanyLogo二、二次電子

（secondaryelectron）

二次電子是指被入射電子轟擊出來的核外電子。由于原子核和外層價電子間的結(jié)合能很小，因此外層的電子比較容易和原子脫離。當原子的核外電子從入射電子獲得了大于體系結(jié)合能的能量后，可離開原子而變成自由電子。如果這種散射過程發(fā)生在比較接近樣品表層，那些能量大于材料逸出功的自由電子可從樣品表面逸出，變成真空中的自由電子，即二次電子。一個能量很高的入射電子射入樣品時，可以產(chǎn)生許多自由電子，而在樣品表面上方檢測到的二次電子絕大部分來自價電子。2.1電子束與固體相互作用二、SEMCompanyLogo二次電子來自表面5-50nm的區(qū)域，能量為0-50eV。它對試樣表面狀態(tài)非常敏感，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌。由于它發(fā)自試樣表面層，入射電子還沒有較多次散射，因此產(chǎn)生二次電子的面積與入射電子的照射面積沒多大區(qū)別。所以二次電子的分辨率較高，一般可達到5-10nm。掃描電子顯微鏡的分辨率通常就是二次電子分辨率。二次電于產(chǎn)額隨原于序數(shù)的變化不明顯，它主要決定于表面形貌。2.1電子束與固體相互作用二、SEMCompanyLogo三、吸收電子（absorptionelectron）

入射電子進入樣品后，經(jīng)多次非彈性散射，能量損失殆盡（假定樣品有足夠厚度，沒有透射電子產(chǎn)生），最后被樣品吸收。若在樣品和地之間接入一個高靈敏度的電流表，就可以測得樣品對地的信號，這個信號是由吸收電子提供的。入射電子束與樣品發(fā)生作用，若逸出表面的背散射電子或二次電子數(shù)量任一項增加，將會引起吸收電子相應減少，若把吸收電子信號作為調(diào)制圖像的信號，則其襯度與二次電子像和背散射電子像的反差是互補的。

2.1電子束與固體相互作用二、SEMCompanyLogo入射電子束射入一含有多元素的樣品時，由于二次電子產(chǎn)額不受原子序數(shù)影響，則產(chǎn)生背散射電子較多的部位其吸收電子的數(shù)量就較少。因此，吸收電流像可以反映原子序數(shù)襯度，同樣也可以用來進行定性的微區(qū)成分分析。2.1電子束與固體相互作用二、SEMCompanyLogo四、透射電子

（transmissionelectron）

如果樣品厚度小于入射電子的有效穿透深度，那么就會有相當數(shù)量的入射電子能夠穿過薄樣品而成為透射電子。一般金屬薄膜樣品的厚度在200~500nm

左右，在入射電子穿透樣品的過程中將與原子核或核外電子發(fā)生有限次數(shù)的彈性或非彈性散射。因此，樣品下方檢測到的透射電子信號中，除了有能量與入射電子相當?shù)膹椥陨⑸潆娮油?，還有各種不同能量損失的非彈性散射電子。其中有些待征能量損失E的非彈性散射電子和分析區(qū)域的成分有關，因此，可以用特征能量損失電子配合電子能量分析器來進行微區(qū)成分分析。2.1電子束與固體相互作用二、SEMCompanyLogo五、特征X射線

（characteristicX-ray）

特征X射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)以后，在能級躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長的一種電磁波輻射入射電子與核外電子作用，產(chǎn)生非彈性散射，外層電子脫離原子變成二次電子，使原于處于能量較高的激發(fā)狀態(tài)，它是一種不穩(wěn)定態(tài)。較外層的電子會迅速填補內(nèi)層電子空位，使原子降低能量，趨于較穩(wěn)定的狀態(tài)。具體說來，如在高能入射電子作用下使K層電子逸出。當一個L層電子填補K層空位后，體系由L態(tài)變成K態(tài)，能量從EL降為EK

，這時就有

E＝(EL-EK)

的能量釋放出來。

2.1電子束與固體相互作用二、SEMCompanyLogo若這一能量以X射線形式放出，這就是該元素的K輻射，此時X射線的波長為：

對于每一元素，EK、EL都有確定的特征值，所以發(fā)射的X射線波長也有特征值，這種X射線稱為特征X射線。X射線的波長和原子序數(shù)之間服從莫塞萊定律：

式中，Z為原子序數(shù)，K、為常數(shù)。利用這一對應關系可以進行成分分析。如果用X射線探測器測到了樣品微區(qū)中存在某一特征波長，就可以判定該微區(qū)中存在的相應元素。2.1電子束與固體相互作用二、SEMCompanyLogo六、俄歇電子（Augerelectron）

如果原子內(nèi)層電子能級躍遷過程中釋放出來的能量E不以X射線的形式釋放，而是用該能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)槎坞娮?，這種二次電子叫做俄歇電子。因每一種原子都有自己特定的殼層能量，所以它們的俄歇電子能量也各有特征值，一般在50-1500eV范圍之內(nèi)。俄歇電子是由試樣表面極有限的幾個原子層中發(fā)出的，這說明俄歇電子信號適用于表層化學成分分析。顯然，一個原子中至少要有三個以上的電子才能產(chǎn)生俄歇效應，鈹是產(chǎn)生俄歇效應的最輕元素。2.1電子束與固體相互作用二、SEMCompanyLogo其它物理信號除了上述六種信號外，固體樣品中還會產(chǎn)生例如陰極熒光、電子束感生效應和電動勢等信號，這些信號經(jīng)過調(diào)制后也可以用于專門的分析。2.1電子束與固體相互作用二、SEMCompanyLogoX射線1.散射(相干,非相干)2.光電效應(俄歇,二次熒光,光電子)3.透射電子束1.背散射;2.二次電子3.透射電子;4.吸收電子5.俄歇電子;6.特征X射線2.1電子束與固體相互作用二、SEMX-ray、電子與固體作用對比CompanyLogo電子光學系統(tǒng)、信號收集及顯示系統(tǒng)真空系統(tǒng)與電源系統(tǒng)2.2SEM結(jié)構二、SEMCompanyLogo1．電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)由電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室等部件組成。作用：產(chǎn)生掃描電子束，作為使樣品產(chǎn)生各種物理信號的激發(fā)源。要求：為獲得較高的信號強度和圖像分辨率，掃描電子束應具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。2.2SEM結(jié)構二、SEMCompanyLogo1．電子光學系統(tǒng)2.2SEM結(jié)構二、SEMCompanyLogo(1)電子槍（electrongun）

其作用是利用陰極與陽極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束。掃描電子顯微鏡電子槍與透射電子顯微鏡的電子槍相似，只是加速電壓比透射電子顯微鏡的低。2.2SEM結(jié)構–1電子光學系統(tǒng)二、SEMCompanyLogo(2)電磁透鏡（electromagneticlens）

其作用是把電子槍的束斑逐漸聚焦縮小，使原來直徑約50m的束斑縮小成一個只有數(shù)nm的細小束斑。掃描電子顯微鏡一般由三個聚光鏡，前兩個聚光鏡是強透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。第三個聚光鏡是弱透鏡，具有較長的焦距，該透鏡下方放置祥品，為避免磁場對二次電子軌跡的干擾，該透鏡采用上下極靴不同且孔徑不對稱的特殊結(jié)構，這樣可以大大減小下極靴的圓孔直徑，從而減小了試樣表面的磁場強度。2.2SEM結(jié)構–1電子光學系統(tǒng)二、SEMCompanyLogo(2)電磁透鏡2.2SEM結(jié)構–1電子光學系統(tǒng)二、SEMCompanyLogo(3)掃描線圈(scanningsectioncoil)

其作用是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上的同步掃描信號。掃描線圈是掃描電子顯微鏡的一個重要組件，它一般放在最后二透鏡之間，也有的放在末級透鏡的空間內(nèi)，使電子束進入末級透鏡強磁場區(qū)前就發(fā)生偏轉(zhuǎn)，為保證方向一致的電子束都能通過末級透鏡的中心射到樣品表面；掃描電子顯微鏡采用雙偏轉(zhuǎn)掃描線圈。當電子束進入上偏轉(zhuǎn)線圈時，方向發(fā)生轉(zhuǎn)折，隨后又由下偏轉(zhuǎn)線圈使它的方向發(fā)生第二次轉(zhuǎn)折。在電子束偏轉(zhuǎn)的同時還進行逐行掃描，電子束在上下偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，掃描出一個長方形，相應地在樣品上畫出一幀比例圖像。如果電子束經(jīng)上偏轉(zhuǎn)線圈轉(zhuǎn)折后未經(jīng)下偏轉(zhuǎn)線圈改變方向，而直接由末級透鏡折射到入射點位置，這種掃描方式稱為角光柵掃描或搖擺掃描。2.2SEM結(jié)構–1電子光學系統(tǒng)二、SEMCompanyLogo(4)樣品室（samplechamber）

掃描電子顯微鏡的樣品室空間較大，一般可放置20×10mm的塊狀樣品。為適應斷口實物等大零件的需要，近年來還開發(fā)了可放置尺寸在125mm以上的大樣品臺。觀察時，樣品臺可根據(jù)需要沿X、Y及Z三個方向平移，在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)或沿水平軸傾斜。樣品室內(nèi)除放置樣品外，還安置備種信號檢測器。信號的收集效率和相應檢測器的安放位置有很大關系，如果安置不當，則有可能收不到信號或收到的信號很弱，從而影響分析精度，新型掃描電子顯微鏡的樣品室內(nèi)還配有多種附件，可使樣品在樣品臺上能進行加熱、冷卻、拉伸等試驗，以便研究材料的動態(tài)組織及性能。2.2SEM結(jié)構–1電子光學系統(tǒng)二、SEMCompanyLogo(4)樣品室2.2SEM結(jié)構–1電子光學系統(tǒng)二、SEMCompanyLogo信號收集和顯示系統(tǒng)包括各種信號檢測器，前置放大器和顯示裝置，其作用是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，作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號，最后在熒光屏上得到反映樣品表面特征的掃描圖像。檢測二次電子、背散射電子和透射電子信號時可以用閃爍計數(shù)器來進行檢測，隨檢測信號不同，閃爍計數(shù)器的安裝位置不同。閃爍計數(shù)器由閃爍體、光導管和光電倍增器所組成。當信號電子進入閃爍體時，產(chǎn)生出光子，光子將沿著沒有吸收的光導管傳送到光電倍增器進行放大，后又轉(zhuǎn)化成電流信號輸出，電流信號經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號。2.2SEM結(jié)構–2信號收集和顯示系統(tǒng)二、SEM信號收集和顯示系統(tǒng)CompanyLogo信號收集2.2SEM結(jié)構–2信號收集和顯示系統(tǒng)二、SEMCompanyLogo2．信號收集和顯示系統(tǒng)由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描，熒光屏上的亮度是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來的信號強度來調(diào)制的，而由檢測器接收的信號強度隨樣品表面狀態(tài)不同而變化，從而，由信號檢測系統(tǒng)輸出的反映樣品表面狀態(tài)特征的調(diào)制信號在圖像顯示和記錄系統(tǒng)中就轉(zhuǎn)換成一幅與樣品表面特征一致的放大的掃描像。2.2SEM結(jié)構–2信號收集和顯示系統(tǒng)二、SEMCompanyLogo3．真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染提供高的真空度，一般10-2-10-3

Pa的真空度。電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓、穩(wěn)流及相應的安全保護電路所組成，其作用是提供掃描電子顯微鏡各部分所需要的電源。2.2SEM結(jié)構–3真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)二、SEMCompanyLogoTEM與SEM的成像原理對比2.2SEM結(jié)構二、SEMCompanyLogo1．放大倍數(shù)（magnification）2．分辨率（resolution）3．景深（depthoffield/depthoffocus）2.3SEM主要性能二、SEMCompanyLogo1．放大倍數(shù)（magnification）當入射電子束作光柵掃描時，若電子束在樣品表面掃描的幅度為AS，在熒光屏上陰極射線同步掃描的幅度為AC，則掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)為：由于掃描電子顯微鏡的熒光屏尺寸是固定不變的，因此，放大倍率的變化是通過改變電子束在試樣表面的掃描幅度AS來實現(xiàn)的。2.3SEM主要性能二、SEMCompanyLogo2．分辨率（resolution）分辨率是掃描電子顯微鏡主要性能指標。對微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的最小區(qū)域；對成像而言，它是指能分辨兩點之間的最小距離。這兩者主要取決于入射電子束直徑，電子束直徑愈小，分辨率愈高。但分辨率并不直接等于電子束直徑，因為入射電子束與試樣相互作用會使入射電子束在試樣內(nèi)的有效激發(fā)范圍大大超過入射束的直徑。2.3SEM主要性能二、SEMCompanyLogo2．分辨率（resolution）在高能入射電子作用下，試樣表面激發(fā)產(chǎn)生各種物理信號，用來調(diào)制熒光屏亮度的信號不同，則分辨串就不同。電子進入樣品后,作用區(qū)是一梨形區(qū),激發(fā)的信號產(chǎn)生與不同深度

2.3SEM主要性能二、SEMCompanyLogo2．分辨率（resolution）俄歇電子和二次電子因其本身能量較低以及平均自由程很短，只能在樣品的淺層表面內(nèi)逸出。入射電子束進入淺層表面時，尚未向橫向擴展開來，可以認為在樣品上方檢測到的俄歇電子和二次電子主要來自直徑與掃描束斑相當?shù)膱A柱體內(nèi)。

2.3SEM主要性能二、SEMCompanyLogo2．分辨率（resolution）入射電子進入樣品較深部位時，已經(jīng)有了相當寬度的橫向擴展，從這個范圍中激發(fā)出來的背散射電子能量較高，它們可以從樣品的較探部位處彈射出表面，橫向擴展后的作用體積大小就是背散射電子的成像單元，所以，背散射電子像分辨率要比二次電子像低，一般為500-2000?。2.3SEM主要性能二、SEMCompanyLogo掃描電子顯微鏡的分辨率除受電子束直徑和調(diào)制信號的類型影響外，還受樣品原于序數(shù)、信噪比、雜散磁場、機械振動等因素影響。樣品原子序數(shù)愈大，電子束進入樣品表面的橫向擴展愈大，分辨率愈低。噪音干擾造成圖像模糊；磁場的存在改變了二次電子運動軌跡，降低圖像質(zhì)量；機械振動引起電子束斑漂移，這些因素的影響都降低了圖像分辨率。2．分辨率（resolution）2.3SEM主要性能二、SEMCompanyLogo3．景深（depthoffield/depthoffocus）景深是指透鏡對高低不平的試樣各部位能同時聚焦成像的一個能力范圍，這個范圍用一段距離來表示。如下圖所示為電子束孔徑角?？梢?，電子束孔徑角是控制掃描電子顯微鏡景深的主要因素，它取決于末級透鏡的光闌直徑和工作距離。角很小（約10-3rad），所以它的景深很大。它比一般光學顯微鏡景深大100-500倍，比透射電子顯微鏡的景深大10倍。2.3SEM主要性能二、SEMCompanyLogo2.4SEM樣品制備二、SEM樣品類型：金屬、陶瓷、聚合物等樣品尺寸：根據(jù)導電托盤不同，1*1cm2樣品要求：導電，如樣品本身不導電，可以通過噴金、鉑來處理表面。再用導電膠將其與導電托盤連接。樣品清洗：丙酮、酒精進行超聲清洗，或表面拋光CompanyLogo3.1表面形貌襯度表面形貌襯度是由于試樣表面形貌差別而形成的襯度。利用對試樣表面形貌變化敏感的物理信號作為顯像管的調(diào)制信號，可以得到形貌襯度圖像。形貌襯度的形成：二次電子、背散射電子等信號強度是試樣表面傾角的函數(shù)，而試樣表面微區(qū)形貌差別實際上就是各微區(qū)表面相對于入射電子束的傾角不同，因此電子束在試樣上掃描時任何兩點的形貌差別，表現(xiàn)為信號強度的差別，從而在圖像中形成顯示形貌的襯度。二次電子像的襯度是最典型的形貌襯度。二、SEM應用CompanyLogo由于二次電子信號主要來自樣品表層5-l0nm深度范圍，它的強度與原子序數(shù)沒有明確的關系，而僅對微區(qū)表面相對于入射電子束的角度十分敏感，且二次電子像分辨率比較高，所以特別適用于顯示形貌襯度。入射電子束與試樣表面法線間夾角愈大，二次電子產(chǎn)額愈大3.1表面形貌襯度二、SEM應用CompanyLogo探測效果3.1表面形貌襯度二、SEM應用CompanyLogo表面形貌襯度的應用

基于二次電子像（表面形貌襯度）的分辨率比較高且不易形成陰影等諸多優(yōu)點，使其成為掃描電鏡應用最廣的一種方式，尤其在失效工件的斷口檢測、磨損表面觀察以及各種材料形貌特征觀察上，已成為目前最方便、最有效的手段。3.1表面形貌襯度二、SEM應用CompanyLogo表面形態(tài)3.1表面形貌襯度二、SEM應用CompanyLogo斷口形貌3.1表面形貌襯度二、SEM應用CompanyLogo磨損表面形貌3.1表面形貌襯度二、SEM應用CompanyLogo納米材料3.1表面形貌襯度二、SEM應用CompanyLogo生物樣品3.1表面形貌襯度二、SEM應用CompanyLogoAgNWs的SEM表面形貌圖【尚未發(fā)表】CompanyLogo能譜儀的主要組成部分如圖所示，由探針器、前置放大器、脈沖信號處理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多道分析器、小型計算機及顯示記錄系統(tǒng)組成，它實際上是一套復雜的電子儀器。3.2能譜儀二、SEM應用結(jié)構CompanyLogo鋰漂移硅Si(Li)探測器能譜儀使用的是鋰漂移硅Si(Li)探測器Si(Li)是厚度為3-5mm、直徑為3-10mm的薄片，它是p型Si在嚴格的工藝條件下漂移進Li制成的。Si(Li)可分為三層，中間是活性區(qū)(1區(qū))，由于Li對p型半導體起了補償作用，是本征型半導體。I區(qū)的前面是一層0.1m的p型半導體(Si失效層)，在其外面鍍有20nm的金膜。I區(qū)后面是一層n型Si導體。Si(Li)探測器實際上是一個p-I-n型二級管，鍍金的p型Si接高壓負端，n型Si接高壓正端并和前置放大器的場效應管相連接。3.2能譜儀二、SEM應用結(jié)構CompanyLogo鋰漂移硅Si(Li)探測器3.2能譜儀二、SEM應用結(jié)構CompanyLogo鋰漂移硅Si(Li)探測器Si(Li)探測器處于真空系統(tǒng)內(nèi)，其前方有一個7-8m的鈹窗，整個探頭裝在與存有液氮的杜瓦瓶相連的冷指內(nèi)。漂移進去的Li原子在室溫很容易擴散，因此探頭必須一直保持在液氮溫度下。Be窗口使探頭密封在低溫真空環(huán)境之中，它還可以阻擋背散射電子以免探頭受到損傷。