电子显微镜在精密及超精密加工中的应用

现代理化分析读书报告------扫描电子显微镜在精密及超精密加工中的应用一、前言通过现代理化分析这门课，我学到了很多理论知识，受益匪浅。这些理论知识和我所在研究方向—精密及超密超精密加工有着紧密的联系，可以直接指导我今后的学习与研究，也就是能够做到很好的学以致用，以下我就结合现代理化分析中的扫描电镜在精密及超精密加工中的应用来总结一下学习感想。文章分为三个部分，首先是介绍扫描电子显微镜，其次是介绍精密与超精密加工，最后是介绍前者在后者中的具体应用。二、扫描电子显微镜1．扫描电子显微镜的工作原理扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope）又简称SEM,是依靠电子与物质的相互作用成像，得到物体表面放大后的图像。扫描电镜工作时会用极狭窄的电子束去扫描样品，当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。2．扫描电子显微镜的组成部分扫描电子显微镜由三大部分组成：真空系统，电子束系统以及成像系统。每个部分都有其相应的作用。1)真空系统真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。其中真空柱是一个密封的柱形容器，而真空泵用来在真空柱内产生真空。真空泵有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类，机械泵加油扩散泵的组合可以满足配置钨枪的SEM的真空要求，但对于装置了场致发射枪或六硼化镧枪的SEM,则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。成像系统和电子束系统均内置在真空柱中。真空柱底端即为密封室，用于放置样品。之所以要用真空，主要基于以下两点原因：电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM时需要用真空以外，平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。2）电子束系统电子束系统由电子枪和电磁透镜两部分组成，主要用于产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成像。电子枪用于产生电子，主要有两大类，共三种。一类是利用场致发射效应产生电子，称为场致发射电子枪。这种电子枪极其昂贵，在十万美元以上，且需要极高真空。另一类则是利用热发射效应产生电子，有钨枪和六硼化镧枪两种。热发射电子需要电磁透镜来成束，所以在用热发射电子枪的SEM上，电磁透镜必不可少。通常会装配两组汇聚透镜：顾名思义，汇聚透镜用汇聚电子束，装配在真空柱中，位于电子枪之下。通常不止一个，并有一组汇聚光圈与之相配。但汇聚透镜仅仅用于汇聚电子束，与成像会焦无关。物镜为真空柱中最下方的一个电磁透镜，它负责将电子束的焦点汇聚到样品表面。3）成像系统电子经过一系列电磁透镜成束后，打到样品上与样品相互作用，会产生次级电子、背散射电子、欧革电子以及X射线等一系列信号。所以需要不同的探测器譬如次级电子探测器、X射线能谱分析仪等来区分这些信号以获得所需要的信息。虽然X射线信号不能用于成像，但习惯上，仍然将X射线分析系统划分到成像系统中。3．扫描电子显微镜的优势与传统的光学显微镜相比，扫描电子显微镜由于其全新的成像原理，从而拥有了传统光学显微镜所不具备的优势，主要有：1、能够直接观察大样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。对试样的形状没有任何限制,粗糙表面也能观察,这便免除了制备样品的麻烦,而且能真实观察试样本身物质成分不同的衬度。2、观察厚试样。其在观察厚试样时,能得到高的分辨率和最真实的形貌。扫描电子显微的分辨率介于光学显微镜和透射电子显微镜之间。样品制备过程简单，不用切成薄片。3、样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察。扫描电子显微镜由于工作距离大(可大于20mm),焦深大(比透射电子显微镜大10倍),样品室的空间也大,因此,可以让试样在三度空间内有6个自由度运动(即三度空间平移,三度空间旋转),且可动范围大,这对观察不规则形状试样的各个区域细节带来极大的方便。4、景深大，图像富有立体感。扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。扫描电子显微镜的焦深比透射电子显微镜大10倍,比光学显微镜大几百倍。由于图象景深大,故所得扫描电子象富有立体感,具有三维形态,能够提供比其他显微镜多得多的信息,这个特点对使用者很有价值。5、图像的放大范围广，分辨率也比较高。可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达3nm。6、电子束对样品的损伤与污染程度较小。7、在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。扫描电镜最初被应用于细胞生物学，随着扫描电镜的不断发展，已被广泛应用于生物、医学、材料、机械等社会各个行业。三、精密及超精密加工精密及超精密加工并不特指某一种加工技术，它指的是达到一定精度标准的先进制造技术的总称，比如精密切削技术，精密研磨抛光技术等等。超精密加工技术是提高机电产品性能、质量、工作寿命和可靠性，以及节材节能的重要途径。比如提高汽缸和活塞的加工精度，就可提高汽车发动机的效率和马力，减少油耗；提高滚动轴承的滚动体和滚道的加工精度，就可提高轴承的转速，减少振动和噪声；提高磁盘加工的平面度，从而减少它与磁头间的间隙，就可大大提高磁盘的存储量；提高半导体器件的刻线精度（减少线宽，增加密度）就可提高微电子芯片的集成度。目前工业发达国家的一般工厂已能稳定掌握3μm的加工精度（我国为5μm）。精密及超精密加工的加工精度没有特定的衡量标准，通常称低于3μm精度的加工为普通精度加工，而高于3μm加工精度的加工则你之为高精度加工。精密、超精密技术在我国的应用已不再局限于国防尖端和航空航天等少数部门，它已扩展到了国民经济的许多领域，应用规模也有较大增长。美国、英国、日本、德国、荷兰等发达国家的精密、超精密加工技术居世界前列。这方面的技术不仅用于军事部门，也大量用于民品的生产。笔者所在课题组的具体研究方向是精密与超精密加工中的精密抛光。抛光是指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。在抛光过程中，利用柔性抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加工。抛光不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度，而是以得到光滑表面或镜面光泽为目的，有时也用以消除光泽。抛光主要分为化学抛光、机械抛光以及化学机械抛光（CMP）。顾名思义，化学抛光就是主要利用抛光液与工件本身的化学作用实现对工件表面的修整使其达到相应的粗糙度和去除量，机械抛光就是指主要利用抛光垫本身对于工件表面的物理去除实现对工件表面的修整，而CMP则是指抛光过程中包含了化学和机械两种作用形式。笔者所在课题组的研究方向为化学机械抛光。四、SEM在精密及超精密加工中的具体应用扫描电子显微镜是一种多功能的仪器,具有很多优越的性能,它可以对被测物体进行如下基本分析:1、三维形貌的观察和分析；2、在观察形貌的同时,进行微区的成分分析。由于SEM的这些特点，它被广泛应用与精密及超精密加工中。SEM在纳米材料加工中的应用。纳米材料就是指组成材料的颗粒或微晶尺寸在0.1～100nm范围内,在保持表面洁净的条件下加压成型而得到的固体材料。纳米材料具有许多与晶态、非晶态不同的、独特的物理化学性质，纳米材料有着广阔的发展前景,因而对纳米材料的加工也是精密及超精密加工的重点研究方向，SEM的一个重要特点就是具有很高的分辨率,被广泛用于观察纳米材料的结构和形状，所以在对于纳米材料的精密加工过程中，SEM被经常用到加工过程和检验过程中去。SEM在笔者所在课题组研究方向中的应用。本课题组精细研磨抛光具体方向为化学机械抛光（CMP），主要的研究就集中于自制的光固化亲水性固结磨料抛光垫性能的不断测试与改进，用于测试的工件为K9玻璃与硅片。为了考察抛光垫抛光性能，就必须获得K9玻璃与硅片在抛光后的表面图像，而这就必须通过SEM实现。具体以硅片为例，首先使试样的尺寸符合仪器规定，然后用双面胶带将硅片粘在载物盘上，再用导电银浆连通硅片与载物盘（以确保导电良好），等银浆干了之后就可放到扫描电镜中直接进行观察，获取硅片抛光后的表面图像，分析硅片的表面粗糙度和微结构，从而分析抛光垫性能。