（凝聚态物理专业论文）环境扫描电镜环境研究及原位观察分析.pdf

摘要 本文研究环境扫描电镜( e s e m ) 的电子散射及电荷环境等基础问题，e s e m 原位动态观察技术的应用。 首先研究了电子一气体一样品的相互作用，从计算、模拟及测试三个方面研 究了电子的散射。计算了在不同压力和温度下的电子散射率及散射半径；给出电 子与气体相互作用过程的m o n t ec a r l o 模拟方法及模拟程序，做出了电子散射分 布图表：采用异质界面的x 射线统计计数的实验方法，测试了电子的散射范围。 其中，电子散射率和散射半径的计算值与模拟结果符合较好，模拟与实验结果基 本吻合。研究结果表明，在e s e m l 3 0 0 0 p a 的低真空范围内，电子的散射半径 在5 0 1 0 0 t t m 之间，电子散射的作用范围在1 0 0 0 i _ t m 以内。 利用法拉第杯和微小电流测试仪( p a 表) ，结合绝缘体( a 1 2 0 3 ) 、导体( c u - z n 合金) 和半导体( 单晶s i ) 三种类型的样品，测量和评价了e s e m 样品室内的 电荷环境。在1 3 0 7 0 0 p a 的真空范围内，法拉第杯及三种样品的样品电流i s p 均 为正值，表明在较高压力下，样品室内的电荷环境主要为电子与气体碰撞电离所 产生的离子流所控制。l s e 峰值反映出气体离子化的饱和程度。此外研究了环境 离子流与不同导电性能样品二次电子产额和背散射电子发射系数( 玎+ 6 ) 的关系。 设计并制造了e s e m 的加热及加电装置，集成气体微注入装置，实现了对样 品原位施加热、电、力场。调节样品室内的压力、气氛、湿度、温度等环境参数， 创建了一个原位反应和动态观测的环境组合条件。以此为实验基础，在以下三个 方面进行了纳米至微米材料的原位动态实验。 综合利用气体微注入和加热装置，原位生长了z n o 纳米线。优化样品室内 的环境参数，使样品在3 0 0 1 2 、1x1 0 - 2 p a 的局部富氧环境条件下，生长出直径为 6 0 - - 8 0 n m ，形态较均匀的z n o 纳米线。z n o 晶体的形态与样品室压力，气相过 饱和度及衬底温度密切相关。在低温和低压环境采用e t d 二次电子探头在高真 空下成像，有利于得到z n o 纳米线的清晰、高信噪比的图像。 利用加电装置，采用电迁徙加速失效方法，原位观察了三极管朋金属化系 统电迁徙失效的过程。在互连线电流密度j = 1 6 x 1 0 6 a t i n 2 ，1 2 0 0 m i n 的条件下， 观察到发射极上生长小丘和晶须，基极上生长空洞的动态过程。原位监测单根 北京工业大学理学硕上学位论文 朋晶须在6 0 0 r a i n 中的生长过程，计算了晶须的生长速率为v = 3 3 7 n m m i n ，电迁 徙离子流密度为，= 1 5 3 x 1 0 刁g e m 2 s e c ，及电迁徙扩散系数为d e f t = 2 5 x1 0 d ? 锄2 s 。 利用e s e m 加热装置及微小电流测试装置，研究了a 1 2 0 3 及y a g 陶瓷绝缘 样品加热消除荷电的新现象。多晶a 1 2 0 3 样品随着温度的升高，荷电现象逐渐减 弱。样品电流如完全变为正值，并趋于稳定，总电子发射系数( 玎+ j ) 逐渐增 大。在3 0 0 。c 下荷电效应完全消除，得到清晰的图像。加热消除荷电的现象与加 热提高绝缘体表面电导，以及在绝缘材料的宽禁带中引入的缺陷( 杂质) 能级密 切相关。 e s e m 配置综合外场实验装置，构成了原位和动态观测微型实验平台，实现 以微米一亚微米的分辨率，研究材料的原位生长和动态变化。 关键词原位分析；电荷环境；环境扫描电镜( e s e m ) a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，w ef o c u s e do nt h ee l e c t r o ns c a t t e - r i n ge f f e c ta n dc h a r g ee n v i r o n m e n t i nt h ee s e m s e v e r a la p p l i e dt e c h n o l o g i e sa b o u ti n - s i t ua n a l y z i n gi nt h ee s e mw e r e s t u d i e d ， t h ei n t e r a c t i o n sa m o n gt h ee l e c t r o n , g a sa n dt h es p e c i m e nw e r es t u d i e da tf i r s ti n t h i st h e s i s w es t u d i e dt h ee l e c t r o ns c a t t e r i n ge f f e c ti n t h ee s e mb ym e a n so f c o m p u t e rs i m u l a t i o n , c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o n 1 1 地c h a r g ee n v i r o n m e n to f e s e mc h a m b e rw a sm 删 e da l s o mp r o c e s so ft h ee l e c t r o ns c a t t e r i n gb yg a s m o l e c u l e sw a ss i m u l a t e d 1 km e t h o da n dp r o g r a mw e r eg i v e na sw e l la st h eg r a p h s o fe l e c t r o nd i s t r i b u t i o n 1 1 埔c a l c u l a t i o nr e v e a l e dt h a tt h es c a t t e rr a d i oa n dr a d i u so f e l e c t x o nb c c o m el a r g e rw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep r e s s u r e ，a n db e c o m es m a l l e ra th i 曲 t e m p e r a t u r e c a l c u l a t i o n , s i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o i n c i d ew i t he a c h o t h e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti nt h ec o m m o n l yu s e dp r e s s u r er a n g eo f1 3 0 3 0 0 p ai n e s e m ，e l e c t r o ns c a t t e r i n gi s i nar a d i u so fl o o t t m , a n dt h ee f f e c to fe l e c t r o n s c a t t e r i n gw i t h i nt h er a n g eo f1 0 0 0 1 1 m a m e a s u r i n gs y s t e mo fap a - m e t e rw i t hh i g hs e n s i t i v i t yw a sb u i l ti ne s e mt o m e a s r r et h es p e c i m e nc u r r e n t s ( i s p ) o f af a r a d a y - c u pa n dt h r e es p e c i m e n s ，i e ，c u - z n a l l o y , s ia n da 1 2 0 3s i n g l ec r y s t a l s i s e v a l u e si n d i c a t e de l m r g ee n v i r o n m e n t so f e s e m c h a m b e r , w h i c hw e r ec o n t r o l l e db yt h ee l e c t r o nc u r r e n ta n dt h ei o nf l o w i s p v a l u e so f t h ef a r a d a y - c u pi n d i c a t e dc h a r g ee n v i r o n m e n t sc o n t r o l l e db yt h ep r i m a r ye l e c t r o na n d t h ei o n , w h e r e a si s e v a l u e so f t b es p e c i m e n si n d i c a t e dc h a r g ee n v i r o n m e n t sc o n t r o l l e d b yt h ep r 缸a r ye l e c t r o n s ，s i g n a le l e c t r o n sa n dt h ei o n i o n i z a t i o ne f f i c i e n c ya n d s a t u r a t i o n , a sw e l la st h ee l e c t r o ns c a t t e r i n gb yg a sm o l e c u l e su n d e rv a r i o u so p e r a t i n g a n de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sc o u l db ed e t e r m i n e db yi s p v a l n c si ne s e m 1 1 i n - s i t uh e a t i n gs t a g ea n de l e c t r i c a ld e v i c ew e r ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d , t o a t t a c ht h em i c r o - i n j e c t i o ns y s t e ma n dm i c r o - c u r r e n tm e a s u r i n gs y s t e mb a s e do nt h e e s e m s oc o m b i n e de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sf o ri ns i t ud y n a m i cr e a c t i o na n d o b s e r v a t i o nw a sb u i l tb yr e g u l a t i n gi n d o o re n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e ，h u m i d i t y , a n d o t h e rp a r a m e t e r so f t h ea t m o s p h e r e o nt h i sb a s i s ，t h i sp a p e r , t h r e ea p p l i c a t i o n so f t h e e s e ms i t ud y n a m i ca n a l y s i sw e l es t u d i e d c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no f g a s i n j e c t i o nd e v i c e sa n dh e a t i n gd e v i c e s ，o p t i i n i z m g t h ee s e mc h a m b e re n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s ，e n a b l e se s e mt ob e c o m ea n h i j j 重三些盔主罂：璺主耋垡鲨苎! ，! ! ! ! ! ! ，! ， e x p e r i m e n t a li n s t a l l a t i o no fi n s i t ug r o w t ho fz n on a n o w i r e s e x p e r i m e n t ss h o w t h a t t h em o r p h o l o g yo fz n oi sc l o s e l yl i n k e dw i t hg a ss u p e r s a t u r a t i o na n ds u b s t r a t e t e m p e r a t u r e u n i f o r ms i z ez n on a n o w i r e sc a l lg r o wa tl o wt e m p e r a t u r e ，l o w - p r e s s u r e e n v i r o n m e n ti nt h ee s e mb yu s i n gm i c r o 一蜘e c t e dd e v i c e s t h i ss i m u l t a n e o u s l y a l l o w se t d s e c o n d a r ye l e c t r o nd e t e c t o rc a l lw o r kn o r m a l l yi nh i g hv a c u u mm o d e a c l e a ro b s e r v a t i o no fi ns i t ug r o w t hp r o c e s sc a nb eo b t a i n e d e s e mb e e a ) m ead y n a m i c r e s e a r c hm i c r o - e x p e r i m e n tp l a t f o r mt os t u d yt h ei n - s i t ug r o w t ho f n a n o m a t e f i a l s i ns i t u o b s e r v i n ga n da n a l y z i n go ft h ea 1i n t e r c o n n e c f i o nl i n ee l e c t r o m i g r a t i o n f a i l u r ep r o c e s sc a l lb ed o n eb ym e r r l $ o fa c c e l e r a t e df a i l u r em e t h o di nl m n s i s t o r i n e x p e r i m e n t s ，t h eg r o w t hs t a t eo fh i l l sp r o v e dt h a tt h ee f f e c t so fr e t u r n a c c o r d i n gt o t h ei ns i t ug r o w t ht i m ea n ds i z eo fs i n g l ew h i s k e r ，c a l c u l a t i n gt h eg r o w t hr a d i ov 2 3 3 7 n m m i n ，t h ea c t u r lti o nf l u xd e n s i t y ，= 1 5 3 1 0 。g c m 2 s e c ，a n dt h ed f l h i o n c o e f f i c i e n t 侥矿= 2 5 1 0 1 1 0 c m 2 s e c u s i n ge s e mh e a t i n gd e v i c ea n dm i c r o c u r r e n tm e a s u r i n gs y s t e m ，w es t u d i e da n e wp h e n o m e n o n 一- t h ec h a r g i n ge f f e c to ft h et y p eo fc e r a m i cs a m p l e s ( a 1 2 0 3a n d y a g ) c a nb ee l i m i n a t e dw h e nt h e yw e r eh e a t e d f o rp e l y c r y s t a l l i n ea l u m i n as a m p l e ， w i t l lt h er i s eo ft e m p e r a t u r e t h ec h a r g i n gp h e n o m e n o nw e a k e n e dg r a d u a l l y s a m p l e c u r r e m s eb e c o m e sp o s i t i v et o t a l l ya n dt e n d e dt os t a b i l i z e ，t h ec o r r e s p o n d i n g e l e c t r o ne m i s s i o nc o e f f i c i e n t ( r + 回i sg r a d u u l l yi n c r e a s i n g t h ec h a r g i n ge f f e c ti s e l i m i n a t e dc o m p l e t e l ya t3 0 0 c t h ep h e n o m e n o nt h a tt h ec h a r g i n ge f f e c tc a l lb e e l i m i n a t e di sc l o s e l yc o r r e l a t e dw i t ht h er a i s eo f i n s u l a t o rs u r f a c ec o n d u c t i v i t yw h e ni t i sh e a t e d ，a n di n t r o d u c t i o no ft h ed e f e c t ( i m p u r i t y ) e n e r g yl e v e li nt h ew i d e - b a n d i n s u l a t i o nm a t e r i a l se n e r g yl e v e l am i c r o - e x p e r i m e n tp l a t f o r mo fd y n a m i ca n di n - s i t uo b s e r v m i o nc a nb eb u i l t , w i t h t h ee s e me q u i p p e de x p e r i m e n t a ld e v i c e so ft h ei n t e g r a t e df i e l d ，t os t u d yi ns i v a g r o w t ha n dd y n a m i cc h a n g eo ft h em a t e r i a l 、丽t h t h er e s o l u t i o no fm i c r o n - m i c r o n r c s o l u t i o n k e yw o r d si ns i t ua n a l y z i n g ；c h a r g ee n v i r o n m e n t ；e n v i r o n m e n t a ls c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( e s e m ) i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：! 蔓墨二坠日期：盘! i ：! ：! f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：4 刍墨盘导师签名： 第1 章绪论 1 1 环境扫描电镜( e s e m ) 的发展 早在1 9 3 5 年，德国的k n o l l 就提出了扫描电镜( s e m ) 的工作原理。到1 9 4 2 年，z w o r y k i n h i l l 制成了第一台实验室用s e m 。1 9 6 5 年英国剑桥科学仪器有限公 司生产出第一台商品化的s e m 。此后荷兰、美国、西德也相继研制出s e m 。日本 二战后在美国的支持下生产s e m ，中国则在2 0 世纪7 0 年代生产出自己的s e m 镜 ( 以北京科仪厂的d x - 3 为代表) 1 1 。近2 0 年s e m 主要在提高分辨率方面取得了较 大进展，8 0 年代末s e m 分辨率已达4 5 衄。目前，采用钨灯丝电子枪s e m 分辨率 达到3 0 r i m ，场发射电子枪s e m 可达0 6 r i m ( 如日立公司的s 5 0 0 0 型) 。2 0 世纪9 0 年代中期，各厂家又相继采用计算机技术，实现了计算机控制和信息处理【2 】。 随着材料科学技术的发展，大量的环境友好材料、电子材料、纳米及功能陶 瓷、光学及激光材料，铁电压电材料、生物医用材料等新型功能材料的出现， 使得s e m 的功能拓展方面得到很大发展。环境扫描电镜( e s e m ) 和低真空扫 描电镜( 【，v _ s e m ) 的发明，为绝缘材料的荷电补偿、原位和动态观察分析提供 了条件，使s e m 显示出其特殊的优势。 1 1 1e s e m 工作原理及构造 2 0 世纪8 0 年代d a n i l a t o s p 6 3 等学者研制成功环境扫描电子显微镜( e s d 旧， 能有效减小和消除绝缘材料、含水、含油等材料荷电效应。e s e m 样品室可为不 同气氛的高气压低真空环境。因此，它不但克服了常规s e m 无法直接观察绝缘 样品及含水、含油等“湿”样品，而且还能用来对材料微观表面反应或变化进行 动态观察，为反应机理的研究提供了有利的工具。 e s e m 的荷电补偿及成像原理见图卜1 。在样品室内通入气体，当电子的动 能超过气体电离能就会发生电离碰撞，使气体分子产生正离子和电子。正离子与 样品表面的电子中和，消除样品表面堆积的电荷。同时，气体分子与信号电子碰 撞，产生级联效应一气体离子的雪崩 7 1 ，形成了大量的环境s e ，被气体s e 探头 提供的偏压圪( 一般为+ 3 0 0 v + 6 0 0 v ) 加速和吸引。若样品到电极的距离为d ， 则：初始电流放大倍率为g = e x p ( a d ) ，为汤森电离系数，与外加电场强度有关。 北京工业大学理学硕士学位论文 g u o u g p o s i t i v e 图1 - 1 环境扫描电镜荷电补偿原理示意图 f i g u r ei - 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f c h a r g i n gc o m p e n s a t i o ni nt h ee s e m e s e m 的电子光学构造与常规s e m 相同，由电子枪、聚光镜、扫描系统、 探测和成像系统组成【8 】。e s e m 与常规s e m 的显著区别是它的真空系统和探测 系统。e s e m 样品室内的压力可高达2 6 0 0 p a 。而电子枪必须在优于1 0 4p a 的高 真空环境下工作，因此必须采用分级泵形成真空梯度。此外，需要配合两级压差 光阑( p l a l 和p l a 2 ) ，保证电子枪部分的真空度优于l o 。p a ( 钨灯丝电子枪) 。 q u a n t a2 0 0e s e m 的p l a l 和p l a 2 的直径分别为5 0 0 p m 和2 0 0 p m 。 e s e m 的探测系统包括：( 1 ) 在高真空模式( h v ) 中采用普通s e m 中的 e t d 二次电子探头( e v e r h a r t - t h o r r d e yd e t e c t o r ，e t d ) ；( 2 ) 在低真空模式( l v ) 中采用大视野气体二次电子探头( l a r g ef i e l d g a s e o u ss e c o n d a r ye l e c t r o n d e t e c t o r ，l f d ) ，如图1 2a ) 所示；( 3 ) 在环境真空模式( e s e m ) 中采用环状 气体二次电子探头( g a s e o u ss e c o n d a r ye l c c 扛o nd e t e c t o r ，g s e d ) ，如图1 - 2b ) 所示。b s e 探头在h v 和l v 模式中都可以使用。 闰1 _ 2 变压力真空模式真空及探测系统结构示意图 f i g u r e1 - 2s k e t c hm a p o f t h ev a g u t l l nc o n f i g u r a t i o na n dd e t e c t o 幅o f l v e s e mm o d e s 目前，利用e s e m 进行荷电补偿的研究，主要集中在改变样品室内的环境 条件，如压力、湿度、温度等1 1 们。e s e m 采用的气体主要是水蒸汽，也可采用 a r 、h e 等惰性气体及c 0 2 、0 2 等反应性气体。不同气体的电离能和散射截面不 同，对电子的散射作用和荷电补偿作用也不相同。gd d a n i l a t o s 通过实验和模 拟计算，给出了几种常用的环境气体总碰撞截面的经验及散射半径公式，为研究 气体与电子之间的相互作用提供了理论基础【1 1 ，1 2 ，1 3 1 。a k a d o l m 等人通过用 m o n t ec a r l o 模拟和实验，比较氦气、氩气、空气、氮气等的散射截面和散射半 径【1 4 j 。d c j o y 等人用m o n t ec a r l o 统计方法，模拟出了气体与电子相互作用的 过程及电子散射模型【1 5 7 1 。 图l - 3 所为g s e d 探测系统示意图。在样品和接收电极( 探头) 之间加一 个稳定电场。由入射电子、s e 、背散射电子( b s e ) 电离产生的气体电子和正离 子被电场分别吸引至极性相反的电极方向。当其中的电子在运动途中被电场加速 到足够高的能量时，会电离产生更多的气体分子。气体分子产生的电子又会继续 产生更多的电子，如此反复倍增现象被称作气体放大原理【1 蚰。气体放大效应与 气体电离能及极板上所施加的偏压相关。g s e d 除了能解决常规e t d 探头的高 压放电问题外，还具有对光不敏感，且能在较高温度下工作( 7 5 0 ) 的优点。 图l - 3 环境信号探测系统的示意图 f i g u r ei - 3s c h e m a i cd i a g r a mf o rg a s o u ss ed e t e c t o r ( o s e d ) 本论文实验在f e iq u a n t a 2 0 0 环境扫描电镜( e s e m ) 上进行。如图1 _ 4 所 示，f e iq u a n t a 2 0 0e s e m ：加速电压：l 3 0 k v ；e s e m 有三种真空模式及相应 的二次电子探测系统：高真空模式( 1 0 - 2 1 0 。s p a ) 及e t 探头，探头偏压为 1 5 6 - - + 3 0 0 v ；低真空模式( 1 3 1 3 3 p a ) 及l f 探头；环境真空模式( 1 3 - 2 6 0 0p a ) 及g s e 探头；e s e m 配有p e l t i e r 冷台：型号：o m e g ac n 8 5 0 0 ；调温范围：一5 + 5 0 。可以在较大的压力范围内选择荷电补偿效果好和成像质量高的成像条件 和环境参数。高真空条件下，分辨率为3 5 n m 。配置有e d a xg e n e s i s2 0 0 0 能 北京工业大学理学硕士学位论文 谱仪( e d s ) 参数设置：计记数率1 0 0 0 - 3 0 0 0 ：死时间3 0 。 图1 4f e i 公司q u a n t a2 0 0e s e m - e d a x 公司e d s f i g u r e1 - 4f e iq u a n t a 2 0 0e s e m e d a xg e n e s i s2 0 0 0e d s e s e m 是目前解决非导电样品，包括绝缘、含水及含油的最好的方法之一。 但也会因为补偿荷电而带来一些负面影响。如：过高环境压力加剧气体对电子的 散射，从而增加了图像的像散，降低了衬度及信噪比。电子散射效应还会给元素 分析带来误差。此外，过低的真空度还会污染样品表面。 1 2 1 e s e m 原位分析现状 e s e m 可以方便地调整样品室的环境参数：压力、气氛、湿度等。 y u r yg o g o t s i 等人用, z 醇和水蒸汽做补偿气氛，改变压力和温度，观察湿 态的碳纳米管圈；j a c m l o w 等通过改变水蒸汽压力和温度，观察海藻吸水和失 水的微观动态过程【2 3 】；s k i t h i n g 等人在水蒸汽中观察电子束对聚丙烯的损伤作 用。得出由于水分子与电子作用后产生的自由基导致了样品水解和氧化刚。a 订e n s 在安装了力学加载台的e s e m 中，研究蒸馏水中高强钢的应力腐蚀开裂( s c c ) 的 初始过程口5 1 。研究表明，施加应力加速了氧化膜的形成，对s c c 的萌生起重要作 用。f o i t z i k 等人把激光加热器和质谱仪引入e s e m ，配合形变样品台，研究材料 的高温力学行为和激光抛光、热冲击、高温分解、气体反应等现象。密悉根州 立大学的w i l s o n 和c a s e 观察到在相对湿度为8 、温度4 0 0 ( 2 时，硼硅玻璃裂纹愈 合过程叨，并将其归纳为裂纹退回和封闭两种愈合模式，观察到裂纹碎片阻碍了 裂纹愈合过程。这个实验的意义在于模拟在很高温度下才能完成的陶瓷材料的相 应实验。俄亥俄州立大学的x u 和k a t o 用e s e m 原位观测了水蒸气条件下，氮化硅、 碳化硅和刚玉磨粒的团聚过型捌，认为磨粒团聚度与粘性能和电导率有关，粘性 能越大，电导率越小，磨粒直径越大。他们还研究了水蒸汽下的显微磨损机制例， 在滑动过程中实时观察了金刚石针尖与单晶硅样品接触点的磨损情况。通过改变 气压、接触压力和摩擦系数，观察到无损、羽毛状显微切削和起裂纹三种摩擦类 型。曼城技术学院利用e s e m 及加热附件，研究了不同金属与合金的高温氧化和 硫化，对高温腐蚀斑生长机理有了更深入的了解刚。密悉根大学的l i 等人在研究 智能树脂复合材料自愈合性能时，用中空玻璃纤维导入化学气氛，观察微裂纹的 愈合过程，探索气氛弹性模量一电信号转换及传感原理【3 1 1 。费城大学g e r g o v a 等人向e s e m 样品室通入不同气体，在线观察了无烟煤在加热活化后的表面孔隙 大小和孔隙率变化，在2 7 0 p a 、8 0 0 1 2 时获得最佳效果圈，总结出一步热分解法制 作分子筛的方法。徐福建，邵曼君用e s e m 研究纤维素酶的发酵过程吲。李素珍， 蒋阗研究砂岩储层的酸蚀 3 4 1 。李春平，姚诽利用自行开发微型加热台及温控器完 成了镍镀层的高温腐蚀过程的原位研究 3 5 1 。邵曼君等利用高温s e m 原位观察了 纯铁、镍氧化晶须动态生长，及纯铁氧化机理1 3 6 3 7 1 。 可以预期，探索e s e m 原位和动态观察的新方法及应用，模拟和创建丰富逼 真的各种实验环境，可使e s e m 在材料多外场作用下反应及变化微观机制分析等 方面发挥更大的作用。 1 2 本文研究内容 本文以环境扫描电镜( e s e m ) 中电子一气体一样品的相互作用为研究基础， 从计算机模拟、公式计算及实验验证三个方面研究电子在e s e m 样品室的散射， 测量评价e s e m 的电荷环境，调整和优化e s e m 样品室的压力、气氛、湿度等环 境参数，为材料原位分析及动态观察的最佳环境组合条件提供理论及实验支持。 设计并制造e s e m 原位加热和加电装置，并集成前期自行设计制造的气体微 注入装置和微小电流测试装置，创建一个可进行多种原位反应及动态观察的环境 组合条件。 利用e s e m 环境组合系统，原位观察z n o 纳米线的生长，探索z n o 纳米线 原位生长的最佳环境组合条件；采用原位电徙动加速实验，观察三极管a l 金属 化系统的a l 晶须的生长过程，初步探讨了舢金属化系统电迁徙的失效机制；对 绝缘陶瓷类样品( a 1 2 0 3 、y a g ) 加热减小荷电效应，探索消除或改善绝缘样品 荷电现象的新方法。 第2 章e s e m 原位实验平台的构建 第2 章e s e m 原位实验平台的构建 2 1 加热装置 2 1 1 第一种加热台的设计与制造 e s e m 加热装置包括加热台，加热电源真空连接板，直流电源等几部分组成。 加热台由加热台主体、陶瓷加热片、舢2 0 3 陶瓷绝热片、金属压片、调节螺栓组 成，如图2 1 所示。受到e s e m 样品室空间的限制，设计加热台的尺寸为高2 1 r a m 和直径2 5 r a m 的圆柱形。陶瓷加热片周围用a 1 2 0 3 陶瓷绝热片隔离，减小热作用 对e s e m 样品座的影响。样品台主体上的调节螺栓用来调整加热台的高度，以 适应不同尺寸的样品。加热片上的金属压片起到固定样品的作用，并解决样品良 好接地的问题。 参胜n hh ! 搏h抬扭片 卜塑l 一 图2 - 1 第一种加热台及其结构图 f i g u r e2 - 1t h ef a s tt y p eo f h e a t i n gs t a g ea n di t ss t n l c t u r es k m hm a p 陶瓷加热片的最高加热温度为5 0 0 ( 2 ，实验中设定在4 0 0 c 以下。对陶瓷加 热片的温度特性进行了校正，表2 1 为加热台的电压一温度特性表。 北京工业大学理学硕士学位论文 表2 1 加热台的电压一温度特性表 t a b l e2 - l1 1 ”p r o p e r t yo f t h et e m p e r a t u r ev e r s u st h ev o l t a g ef o rt h eh e a t i n gs _ t a g e 电压电流阻抗温度 ( v ) ( a ) ( q ) ( ) 5 0 10 0 4 9 31 0 1 6 2 2 73 3 5 6 9 80 0 6 5 5 1 0 6 5 6 4 9 4 0 8 8 9 90 0 8 0 81 1 1 2 6 2 45 6 0 1 2 9 7o 1 0 4 41 2 4 2 3 3 78 3 3 1 7 0 0o 1 2 3 8 1 3 7 3 1 8 3 1 0 8 8 1 9 9 7o 1 3 6 31 4 6 5 1 5 01 2 9 8 2 2 9 9o 1 4 7 31 5 6 0 7 6 01 4 3 o 2 7 o o0 1 6 0 41 6 8 3 2 9 21 9 l - 3 2 9 9 9o 1 6 9 41 7 7 0 3 6 62 1 5 8 3 2 9 80 1 7 7 81 8 5 4 8 9 32 4 5 3 3 6 9 90 1 8 6 21 9 8 6 5 7 42 8 2 1 3 9 9 8 0 1 9 3 7 2 0 6 4 0 1 7 3 0 3 3 4 2 9 8 0 2 0 0 12 1 4 。7 9 2 63 2 7 6 4 6 9 80 2 0 8 22 2 5 6 4 8 43 5 5 1 5 0 0 10 2 1 3 42 3 4 3 4 8 63 8 1 3 2 1 2 第二种加热台的改装设计 为提高加热台的可控性与精确性，将配置在日立公司$ 4 5 0 扫描电镜上的加 热台( 雕h s 2 ) 进行了改造和加工，制成第二种加热台，如图2 2 所示。加热 台由加热线圈、热电偶、样品托、连接底座及固定螺栓组成。此加热台配有直流 电源和毫伏计，直流电源连接加热线圈，电流输出范围为o 也a ，最大输出功率 4 4 0 w 。毫伏计连接热电偶，测量范围0 1 0 m v ，对应温度值0 9 0 0 c ，实现精 确控温。热电偶的电压一温度曲线如图2 3 所示。 样m 花 图2 - 2 第二种加热台及其结构图 f i g t w e2 - 2t h es e c o n dt y p eo f h e a t i n gs t a g ea n di t ss t r u c t u r es k e t c hm a p 釜：耋：兰坚簦塞譬：盆塑塑垡 5 v 砻 ， ， 012345 。 电压( m v ) 图2 3 热电偶的电压温度特性曲线 f i g u r e2 - 3t h ep r o p e r t yo f t h et e m p e r a t u r ev e r s u st h ev o l t a g ef o rt h et h e r m o c o u p l e 2 2 加电装置 加电装置包括：真空连接板及直流电源两部分，真空连接板，装有连接线， 如图2 - 4 所示，用以连接直流电压及加电器件。直流电源选用h p 公司的6 6 3 4 b ， 电压范围：0 1 0 0 v ，电流范围：o 1 a ，额定功率为1 0 0 w ，输出精度为0 0 0 1 v 。 2 3 气体微注入装置 图2 - 4 加电装置 f i g u r e2 - 4t h ee l e c t r i c a ld e v i c e 气体微注入装置如图2 5 所示。由减压阀、针阀、真空连接板及固定在真空 连接板上的内径约为o 6 m m 的金属细管组成。为保证真空连接板良好密封，采 用了两级密封件：连接板上装有真空密封圈，保证其与样品室之间良好密封：连 接板与金属细管之间采用碳密封碗，保证其与样品室外的针阀出气端和样品室内 的金属细管密封连接。为能够在样品周围造成局域的富氧环境的条件下，仍保证 样品室维持在2 x 1 0 - 3 _ l x l 0 - 2 p a 的高真空环境，样品室内的压力由潘宁规监测。 韧 图2 - 5 气体微注入装置 f i g u r e2 - 5t h eg a sm i c r o i n j e c t o rd e v i c e 入射电子 图2 - 6 微注入技术装置示意图 f i g u r e2 - 6t h es k e t c hm a po f m i c r o i n j e c t o rt e s t i n gs e t t i n g 图2 7 所示为安装微注入装置的连接板在未通入氧气时e s e m 样品室内的真 空度曲线，以及安装原连接盲板的真空度曲线的比较。由图可知，安装微注入装 置后，样品室真空度基本未受影响，1 5 r a i n 以后两者相同。 051 01 52 02 53 0 t i m e | r a i n 图2 7 样品室真空度曲线 f i g u r e2 - 7t h ev a c u u mc l l l n eo f s a m p l ec h a m b e r 度 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 对山b【p基2“ 第2 章e s e m 原位实验平台的构建 e s e m 实验中，采取两种方式气体输入方式。一种是利用自行设计的气体微 注入系统，另一种是利用e s e m 仪器样品室底部的辅助气体口，向样品室内注 入气体( 以下称为整体注入方式) 。如图2 8 所示，通过微注入方式，气体被引 到样品表面，在样品周围造成一个局部的富气环境，而样品室内的真空度还可以 维持在高真空环境。气体微注入的特点是：( i ) 减少了对入射电子束的散射作用， 因此可以使用通常在高真空中成像的s e 探头，有利于提高图像衬度和信噪比。 ( i i ) 在样品周围形成的局部高气压环境，有利于材料的原位生长和反应。气体 整体注入的特点是有利于在样品室内形成均匀和较高的压力环境，有利于荷电补 偿，但高气压对电子的散射作用大，使图像衬度和信噪比降低。因此，针对不同 的样品和实验需求，可选择合适的注入方式，以达到最好的观察和分析效果。