第八章电子显微镜

第八章扫描电子显微镜与电子探针显微分析日本电子JEOLTESCAN前言扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope)，是继透射电子显微镜后发展起来的一种电子显微镜。SEM成像原理与TEM和OM不同，它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过对电子与样品相互作用产生的各种信息进行收集、处理，从而获得微观形貌放大像。现代的SEM结合X射线光谱分析仪、电子探针以及其它技术而发展成为分析型扫描电子显微镜，分析精度不断提高、结构不断优化，应用功能不断扩展。目前已广泛应用在冶金矿产、生物医学、材料科学、物理化学等领域。前言SEM的主要特点：⑴仪器分辨本领较高。二次电子像分辨率达到7~10nm。⑵仪器放大倍数变化范围大（从几十倍到几十万倍），且连续可调。⑶图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大的粗糙表面（如金属和陶瓷断口等）。⑷试样制备简单。只要将块状或粉末状的、导电或不导电的试样不加处理或稍微处理就可以直接放到SEM中观察。比TEM制样简单且图像更接近于试样的真实状态。前言⑸可做综合分析。SEM上装有WDX或EDX后，在观察扫描形貌像的同时可以对微区进行元素分析。装上半导体样品座，可以直接观察晶体管或集成电路的p-n结及器件失效部位的情况。装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处于不同环境（加热、冷却、拉伸等）中的试样显微结构形态的动态变化过程。8.1电子束与固体样品相互作用高能电子束与固体样品相互作用如图示。8.1电子束与固体样品相互作用8.1.1背散射电子背散射电子——被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。⑴弹性背散射电子——被样品中原子反射回来的散射角大于90°的那些入射电子，即方向发生改变但能量基本不变。弹性背散射电子的能量为数千eV到数万eV。背散射电子BSE⑵非弹性背散射电子——进入固体样品后通过连续散射改变运动方向，最后又从样品表面发射出去的入射电子，不仅有运动方向的改变还有能量的变化。能量范围在数十eV到数千eV。弹性背散射电子数额比非弹性背散射电子要多。背散射电子BSEBSE产生范围在样品表面以下100nm~1μm。其产额随原子序数增加而增加。如图示。当Z↑时，产额η↑。因此，背散射电子可以用来显示原子序数衬度，定性地进行成分分析。产额η指一个入射电子产生能量大于50eV的背散射电子的几率。即η=IR/I0二次电子SE二次电子——被入射电子轰击出来的核外电子，通常为外层电子。二次电子信号主要来自样品表层5~10nm深度范围，能量较低(小于50eV)。二次电子产额对于样品的表面状态非常敏感，采用二次电子成像时能有效地显示试样表面的微观形貌。二次电子一个能量很高的入射电子射入样品时，可以产生很多的二次电子，其中绝大部分来源于价电子。二次电子分辨率很高，一般可达到5nm~10nm，SEM的分辨率通常就是二次电子分辨率。吸收电子8.1.3吸收电子吸收电子——经样品多次非弹性散射，能量损失殆尽，最后被样品吸收的那部分入射电子。若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表即可测得对地信号，这就是吸收电子提供的。透射电子8.1.4透射电子透射电子——当样品厚度小于电子有效穿透深度时，穿过样品而出的那些入射电子。在样品下方检测到的透射电子包括有能量与入射电子相当的弹性散射电子和各种不同能量损失的非弹性散射电子。有些特征能量损失ΔE的非弹性散射电子与分析区域的成分有关。因此，可以用特征能量损失电子进行微区成分分析——特征能量损失谱（EELS）特征X射线8.1.5特征X射线特征X射线——原子内层电子受到激发后，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。特征X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律：式中：Z—原子序数；K、σ为常数。原子序数和特征能量之间存在对应关系，利用这种对应关系可以进行成分分析——若用X射线探测器测到了样品微区中存在某一特征波长，就可以判断该微区中存在相应元素。2)(ZK俄歇电子8.1.6俄歇电子俄歇电子——原子内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中释放出来的能量ΔE使得核外另一个电子电离并逸出样品表面，称为俄歇电子。每种原子都有特定的能级，因此，俄歇电子的能量也具有特征值，一般在50eV~1500eV范围内。俄歇电子来源于样品表面以下几个nm（小于2nm），因此只能进行表面化学成分分析。一个原子中至少要有3个以上电子才能产生俄歇效应，铍是产生俄歇电子的最轻元素。电子束与固体样品相互作用电子束在固体材料中的作用体积作用体积的大小与形状与入射电子束的加速电压以及材料的种类有关。加速电压越高，作用体积越大；原子序数越大，作用体积由“梨形”向半球形转变。电子束与固体相互作用不同信号来自于作用体积内不同部位二次：10nm×10nm背散射:1μm×1μmX-ray:整个作用体积8.2SEM结构和工作原理8.2.1SEM结构SEM由电子光学系统、信号收集及显示系统、真空系统及电源系统组成。⒈电子光学系统——由电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部件组成。其作用是获得扫描用电子束，作为使样品产生各种信号的激发源。扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径，以获得较高的信号强度和图像分辨率。电子光学系统ElectronGune-beam电子光学系统电子光学系统⑴电子枪——其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。SEM电子枪与TEM相似，只是加速电压比较低。下表为不同电子枪性能比较。类型电子源直径能量分散度/eV总束流/μA真空度/Pa寿命/h发夹形热钨丝LaB6热阴极场发射30μm5～10μm5～10nm310.310050501.33×10－22.66×10-41.33×10-41.33×10-8501001000＞2000电子光学系统⑵电磁透镜——其作用是把电子枪的束斑缩小，由原来直径约50μm缩小到数nm的细小束斑。SEM一般有3个聚光镜，前两个为强磁透镜，用来缩小电子束的束斑直径。电子光学系统第三透镜下方放置有样品，为避免磁场对二次电子运动轨迹的干扰，透镜采用上下极靴不同且孔径不对称的特殊结构，下极靴孔径减小可以降低样品表面的磁场强度，也称为物镜。电子光学系统⑶扫描线圈——其作用是提供入射电子束在样品表面以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。扫描线圈一般放置在最后两个透镜之间，也有放置在末级透镜的空间内，使电子束在进入末级透镜强磁场之前就发生偏转。SEM采用双偏转线圈以保证方向一致的电子束都能通过透镜中心射到样品表面上，当电子束进入上偏转线圈（x方向—行扫）时发生第一次折射，然后在进入下偏转线圈（y方向—帧扫）发生第二次折射。电子光学系统在电子束偏转同时进行逐行扫描，电子束在偏转线圈的作用下扫描出一个长方形，相应地在样品上画出一帧比例图像。如果扫描电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，而直接由末级透镜折射到入射点位置，称为角光栅式扫描或摇摆扫描。电子光学系统扫描线圈工作原理示意图电子光学系统4）样品室可放置φ20×10mm块状样品，近年来还开发了可放置φ125mm以上的大样品台。样品台可进行x、y、z三个方向的平移和在水平面内旋转或沿水平轴倾斜。样品室还安置各种信号检测器，信号收集率与检测器安放的位置有关。若安置不当可导致收集不到信号或信号很弱，从而影响分析精度。信号收集和显示系统2、信号收集和显示系统——包括各种信号检测器、前置放大器和显示器。用以检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，再经视频放大后作为显像系统的调制信号，在荧光屏上得到反映样品表面特征的扫描放大像。不同检测器探头安放的位置不同。EDS探头二次（背散射）探头信号收集和显示系统由于镜筒中的电子束和显像管电子束是同步扫描，荧光屏亮度是根据样品上被激发的信号强度来调制的，而信号强度又随样品表面形貌特征的不同而变化，从而信号检测器系统输出的反映样品表面形貌状态的调制信号在图像显示和记录系统中转换为一幅与样品表面特征一致的放大像。真空系统和电源系统3、真空系统和电源系统真空系统——为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染提供高真空度。一般，要求保持10－2～10－3Pa。电源系统——由稳压、稳流及相应安全保护电路组成，提供扫描电镜各部分所需电源。beame-PPDetectorAmplifier10cmc-lengthofCRTscanx-lengthofe-beamscanSEM工作原理——逐点成像SEM主要性能8.2.3SEM主要性能⒈放大倍数若电子束在样品表面扫描振幅为As，在荧光屏上阴极射线管同步扫描幅度为Ac，则SEM放大倍数为由于SEM荧光屏尺寸固定不变，因此放大倍数的改变是通过改变电子束在样品表面的扫描振幅实现。通常，Ac＝100mm，若As＝5mm，则M＝20；若减小扫描线圈电流使As=0.05mm，则M=2000目前SEM放大倍数可以从20倍连续调节到20万倍。SCAAM放大倍数beame-PDetectorAmplifier10cmM=AC/ASASACP放大倍数球形石墨颗粒的SEM像分辨率⒉分辨率对微区成分分析而言，分辨率指能分析的最小区域；对成像而言，指能分辨的两点之间的最小距离。⑴影响因素①束斑直径束斑直径越小，可能的分辨率越高，但分辨率不直接等于入射电子束直径。分辨率②调制成像信号——不同信号源自作用体积内不同区域，成像单元的体积大小不同，分辨率各不相同a、俄歇电子和二次电子——来源于样品浅表层（俄歇电子:0.5~2nm，二次电子：5~10nm），入射电子束尚未发生明显横向扩展，可以认为俄歇电子和二次电子主要来源于直径与束斑直径相当的圆柱体内。由于束斑直径就是一个成像检测单元，因此，这种信号的分辨率相当于束斑直径。通常，SEM分辨率即指二次电子分辨率，约5~10nm。分辨率b、背散射电子——来源于样品较深部位，此时入射电子束已经发生明显横向扩展。因此，背散射电子像的分辨率比二次电子低，约50～200nm。c、X射线——来源的深度和广度比背散射更大，成像分辨率更低。③其它因素a、原子序数——Z越大，电子束横向扩展越明显，分辨率下降。SEM分辨率分辨率b、噪声干扰、磁场和机械振动等也会降低成像质量，使分辨率下降。SEM分辨率可通过测定图像中两颗粒或区域间最小距离来确定，即最小距离/放大倍数＝分辨率。目前，SEM的分辨率可以达到1nm。上述分辨率为SEM极限分辨率，是在SEM处于最佳工作状态下的性能，通常情况下很难达到。信号二次电子俄歇电子背散射电子吸收电子特征X射线分辨率/nm5～105～1050～200100～1000100～1000景深3、景深透镜对高低不平的试样各部位同时聚焦成像的能力范围，用一段距离表示。如图示，SEM束斑最小截面圆（P点）经过透镜聚焦后成像于A点，试样即放大成像于A点所处像平面内。景深即试样沿透镜轴在A点前后移动仍然聚焦的一段最大距离。设1点和2点是在保持图像清晰的前提下，试样表面移动的两个极限位置，其间距离即景深Ds。景深实际上电子束在1点和2点得到的是一个以ΔR0为半径的漫散圆斑，即SEM的分辨率——表示样品表面上两间距为ΔR0的点刚能被SEM鉴别。由此可见，只要样品表面高低起伏（如断口试样）范围不超过Ds，在荧光屏上都能成清晰的像。－电子束孔径角，002tan2RRDs景深β是控制SEM景深的主要因素，它取决于末级透镜的光阑直径和工作距离。一般，SEM的末级透镜焦距很长，β很小，因此Ds很大，比一般OM大100～500倍，比TEM大10倍。由于Ds很大，SEM图像的立体感强，形态逼真。用SEM观察断口试样具有其它分析仪器无法比拟的优点。样品制备8.2.4样品制备SEM制样简单：①金属、陶瓷等块状样品，只需切割成合适尺寸粘在样品座上即可。②颗粒及细丝状样品