扫描电子显微技术

扫描电子显微技术报告人：宋文娟导师：熊祖洪教授SEM简介扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope，SEM）,SEM是利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产生各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。最常用来观察样品表面行貌（断口等）。它有如下优点：1.高的分辨率2.有较高的放大倍数3.有很大的景深4.试样制备简单5.配有X射线能谱仪装置舌头上的味蕾金颗粒样品场发射扫描照片分叉头发的扫描图1.SEM基本原理最上边电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息：二次电子、背散射电子、X射线、俄歇电子和透射电子等。这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应。SEM基本结构电子光学系统扫描系统信号检测放大系统图像显示和记录系统电源和真空系统2.(1)电子光学系统场发射电子枪电磁透镜光栅和样品室(2)真空系统机械泵扩散泵真空管道阀门（另外还有以液态氮冷却的冷阱，可以控制样品室的真空度）(3)电源系统高压电源透镜电流电子枪电源真空系统电源(4)扫描系统扫描线圈扫描信号发生器放大控制器相应电子线路(5)信号探测系统收集器闪烁体光电倍增管前置放大器(6)显示系统观察用（为了便于调焦，采用尽可能快的扫描速度）记录用（为了得到分辨率高的图像，采用慢的扫描速度）3.电子枪3.1热发射电子枪提供一个稳定的电子源，以形成电子束。通常依靠所谓热发射过程从电子源获得这些电子。在该过程中，足够高的温度使一定百分比的电子具有充分的能量以克服阴极材料的功函数而从电子源跑出。灯丝或阴极有一个半径约为5到100um的V型尖端。用钨或六硼化镧做的灯丝其功函数较低。下面将讨论几种特殊的灯丝。电子枪灯丝依靠热发射得到的热发射电流密度，用Richardson定律表示：式中为与材料有关的常数，为发射温度。由Langmuir指出，对于高电压来说，电子束亮度的极大值由下式给出：式中为阴极表面上的电流密度，为加速电压，e为电子电荷，k为波尔兹曼常数。cJ22exp(/)(/)CCWJATEkTAcmCA()TK0CJeEkTCJ0E3.1.1钨阴极钨阴极是一根直径约为0.01cm的钨丝，弯成发夹形，并有一个半径约为100um的V型尖端。钨灯丝以热游离式来发射电子。钨在典型工作温度2700K时，根据Richardson公式计算出，式中2260/CAAcmK4.5wEeV21.75/cJAcm由于钨的蒸发，灯丝直径会变小，因此达到工作温度和灯丝饱和所必须的灯丝电流也随灯丝的老化而减少。灯丝寿命也随温度提高而降低。钨灯丝平均寿命约为40～80h3.1.2六硼化镧阴极（1）六硼化镧的结构它是一种化合物，其中镧原子包含在硼原子所形成的晶格中。当六硼化镧被加热时，镧原子能够自由的扩散，通过硼的晶格空隙去填补表面因蒸发而失去的材料。镧的作用使六硼化镧有低的功函数。（2）六硼化镧的优点当时，已测量出多晶六硼化镧的功函数约为2.4eV。这意味着工作温度约为1500K时就能获得与普通钨灯丝相同的电流密度。因而它具有如下优点：（a）、蒸发速率下降，因此与寿命短的发夹式钨灯丝相比，可预期六硼化镧灯丝工作寿命长。（b）、从Langmuir公式可以看到这两种电子源如果阴极电流密度和加速电压相同，但分别工作在1500K和3000K下，那么，1500K的六硼化镧的亮度将是3000K的钨灯丝亮度的两倍。2240/cAAcmK（3）六硼化镧的缺点六硼化镧的化学活性很强，在加热时很容易与几乎所有的元素形成化合物，仅碳和铼除外。这种活性意味着阴极仅能在高真空中工作，因为在压力高于100uPa时，会形成一种特有的紫色氧化物，影响性能。另外，由于工业上只能提供六硼化镧的细小颗粒粉末。因此，为了制成一个有用的阴极组件，需要大量加工处理。3.2场发射电子枪3.2.1场发射电子枪工作原理当在真空中的金属表面受到108V/cm大小的电子加速电场时，会有可观数量的电子发射出来，此过程叫做场发射。其原理是高压电场使电子的电位障碍产生Schottky效应，亦即使能障宽度变窄，高度变低，致使电子可直接“穿隧”通过此狭窄能障并离开阴极。3.2.2场发射电子枪的分类阴极材料通常由单晶钨制成，场发射电子枪可分为三种：（1）冷场发射式（coldfieldemission，CFE）（2）热场发射式（heatfieldemission，HFE）（3）肖特基发射式（schottkyemission，SE）电子枪分类工作条件优点缺点CFEPa2500K电子束直径最小、亮度最高、持续时间非常长，因此影像分辨率最优。能量散布最小、需要很高的真空度、易污染、需要频闪、电流稳定性差HFE1800K不需要针尖频闪，不易污染，具有较大能量扩散电子能量散布比冷式大3到5倍，影像分辨率差，通常不常使用SE（在钨单晶上镀ZrO覆盖层）Pa1800K发射电流大、较大的发射面、小的能量扩散、较高的电流密度、良好的电流稳定性，不易污染，寿命长。电子源直径比冷式大，影像分辨率比冷式稍差8106710103.2.3场发射扫描电子显微镜的特点（1）具有超高分辨扫描图像观察能力（可达1.5nm），是传统SEM的3~6倍。（2）图像质量较好，并能即时打印和存盘输出。（3）是纳米材料粒径测试和形貌观察最有效的仪器。（4）广泛用于生物学、医学、金属材料、高分子材料、化工原料、地质矿物、商品检验、产品生产质量控制、宝石鉴定、考古和文物鉴定、公安刑侦物证分析等。4.电子束聚焦系统电磁透镜其作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小，使原来直径约为50um的束斑缩小成一个只有数nm的细小束斑。扫描电镜一般有三个聚光镜，前两个透镜是强透镜，用来缩小电子束光斑尺寸。第三个聚光镜是弱透镜，具有较长的焦距，在该透镜下方放置样品可避免磁场对二次电子轨迹的干扰。4.1磁透镜的一般性质(1)聚光镜系统由一个或几个透镜组成，它决定了入射到样品上束流的大小。末级探针形成透镜也成为物镜，它决定了电子束最终束斑的大小。(2)依靠透镜的电磁场与运动的电子相互作用使电子束聚焦。速度为V的电子在强度为B的磁场中受力为F，则：()FeVB4.2电磁透镜聚焦原理如图，当速度为V的平行电子束进入透镜的磁场时，位于M点的电子将受到分量Br的作用。根据右手法则，电子所受的切向力Ft的方向如图（b）所示，使电子获得一个切向速度Vt。Vt随即和分量Bz叉乘，形成另一个向主轴靠近的径向力Fr使电子向主轴偏转（聚焦）。当电子穿过线圈走到N点时，Br的方向改变了180度，Ft也随之反向，但是Ft的反向只能使Vt变小，而不能改变Vt的方向，因此穿过线圈的电子仍然趋向于主轴靠近。结果使电子做如图（c）那样的圆锥螺旋近轴运动。一束平行于主轴的入射电子束通过电磁透镜时将被聚焦在轴线上一点（d），这与光学玻璃凸透镜对平行于轴线入射的平行光的聚焦作用十分相似（e）5.最小束斑尺寸的获得0iMSS0iddM0iM若透镜厚度与和相比可被忽略，则可把薄透镜高斯公式应用到扫描电镜的透镜系统。即：当聚光镜系统的电流I增加时，透镜强度增加，而焦距减小。根据上式，是常数，因此就减小。同样，缩小倍率就增加。上式可分别用于每个透镜，因而总缩小倍率是每个透镜缩小倍率的乘积。0SiS/0111iSSf/f0SiSM样品表面最终形成一个直径为、孔径角为的束斑。末级透镜的缩小倍率为。样品上最终束斑尺寸等于电子枪交叉斑尺寸除以电子光学系统中每个透镜缩小倍率的乘积。d/MSSd0dM因此，可通过以下方法缩小束斑尺寸：（1）增加聚光镜系统的电流I（2）减小工作距离6.电子束与固体样品作用时产生的信号6.1弹性散射和非弹性散射6.2电子显微镜常用的信号6.3各种信号的深度和区域大小6.1弹性散射和非弹性散射当一束聚焦电子束沿一定方向入射到试样内时，由于受到固体物质中晶格位场和原子库仑场的作用，其入射方向会发生改变，这种现象称为散射。（1）弹性散射。如果在散射过程中入射电子只改变方向，但其总动能基本上无变化，则这种散射称为弹性散射。弹性散射的电子符合布拉格定律，携带有晶体结构、对称性、取向和样品厚度等信息,在电子显微镜中用于分析材料的结构。（2）非弹性散射。如果在散射过程中入射电子的方向和动能都发生改变，则这种散射称为非弹性散射。在非弹性散射情况下，入射电子会损失一部分能量，并伴有各种信息的产生。非弹性散射电子：损失了部分能量，方向也有微小变化。用于电子能量损失谱，提供成分和化学信息。也能用于特殊成像或衍射模式。6.2SEM中的三种主要信号背散射电子：入射电子在样品中经散射后再从上表面射出来的电子。反映样品表面不同取向、不同平均原子量的区域差别。二次电子：由样品中原子外壳层释放出来，在扫描电子显微术中反映样品上表面的形貌特征。X射线：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时发出的光子。SEM中的三种主要信号其他信号俄歇电子：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时，多余能量转移给外层电子，使外层电子挣脱原子核的束缚，成为俄歇电子。透射电子:电子穿透样品的部分。这些电子携带着被样品吸收、衍射的信息，用于透射电镜的明场像和透射扫描电镜的扫描图像,以揭示样品内部微观结构的形貌特征。6.3各种信号的深度和区域大小可以产生信号的区域称为有效作用区，有效作用区的最深处为电子有效作用深度。但在有效作用区内的信号并不一定都能逸出材料表面、成为有效的可供采集的信号。这是因为各种信号的能量不同，样品对不同信号的吸收和散射也不同。随着信号的有效作用深度增加，作用区的范围增加，信号产生的空间范围也增加，这对于信号的空间分辨率是不利的。7.扫描电子显微镜的主要性能分辨率景深放大倍数7.1分辨率对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。（1）入射电子束束斑直径入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本领的极限。◇如束斑为10nm，那么分辨本领最高也是10nm◇一般配备热阴极电子枪的扫描电镜的最小束斑直径可缩小到6nm，相应的仪器最高分辨本领也就在6nm左右。◇利用场发射电子枪可使束斑直径小于3nm，相应的仪器最高分辨本领也就可达3nm。（2）入射束在样品中的扩展效应影响分辨本领的因素还有信噪比、杂散电磁场和机械震动等7.2景深景深是指图像清晰度保持不变的情况下样品平面沿光轴方向前后可移动的距离。通常用Df表示。景深与放大倍数密切相关，放大倍数越大则景深越小。7.3放大倍数扫描电镜的放大倍数M定义为：电子束在荧光屏上最大扫描距离和镜筒中电子束在试样上最大扫描距离的比值。式中，l为荧光屏长度；L为电子束在试样上扫过的长度。这个比值是通过调节扫描线圈上的电流来改变的。MlL8.样品制备扫描电镜的最大优点是样品制备方法简单，对金属和陶瓷等块状样品，只需将它们切割成大小合适的尺寸，用导电胶将其粘接在电镜的样品座上即可直接进行观察。对于非导电样品如塑料、矿物等，在电子束作用下会产生电荷堆积，影响入射电子束斑和样品发射的二次电子运动轨迹，使图像质量下降。因此这类试样在观察前要喷镀导电层进行处理，通常采用二次电子发射系数较高的金银或碳膜做导电层，膜厚控制在20nm左右。9.扫描电镜应用实例断口形貌分析纳米材料形貌分析在微电子工业方面的应用9.1断口形貌分析1018号钢在不同温度下的断口形貌9.2纳米材料形貌分析多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌（a）低倍像（b）高倍像ZnO纳米线的二次电子图像9.3在微电子工业方面的应用（a）芯片导线的表面形貌图，（b）CCD相机的光电二极管剖面图。