扫描电镜SEM技术及检测方法PPT课件.ppt

1,一、简介二、基本物理概念三、主要参数四、工作模式与衬度原理五、主要部件六、应用举例七、电子探针,扫描电子显微镜与电子探针(ScanningElectronMicroscope简称SEMandElectronProbeMicro-analysis简称EPMA),2,一、简介,SEM是利用聚焦电子束在样品上扫描时激发的某种物理信号来调制一个同步扫描的显象管在相应位置的亮度而成象的显微镜。,3,与普通显微镜的差别：,电子波长E为电子能量，单位eV当E=30KeV时,0.007nm,普通显微镜SEM基本原理光折射成象同步扫描入射束波长400-700nm能量为E的电子放大倍数1600几十万分辨率200nm1.5nm景深是普通显微镜的300倍,4,学习的重要性：是形貌分析的重要手段二次电子象在其它分析仪器中的应用基本物理概念、仪器参数及基本单元的通用性,5,二、基本物理概念(一)电子与表面相互作用及与之相关的分析技术(二)信息深度(三)电子作为探束的分析技术特点,6,(一)电子与表面相互作用及与之相关的分析技术1信息种类及相应的分析技术：背散射：经弹性散射或一次非弹性散射后以90射出表面，EEp特征能量损失多次散射后射出形成本底在样品中停止，变为吸收电流从样品透射(TEM),7,二次电子：外层价电子激发(SEM)俄歇电子：内层电子激发(AES)特征X射线：内层电子激发(EPMA)连续X射线：轫致辐射(本底）对于半导体材料：阴极荧光电子束感生电流,8,2检测电子的能量分布,9,(二)信息深度非弹性散射平均自由程：具有一定能量的电子连续发生两次非弹性碰撞之间所经过的距离的平均值。衰减长度：I=Ioet/当电子穿过t=厚的覆盖层后，它的强度将衰减为原来的1/e,称为衰减长度。通常近似地把衰减长度当作电子的非弹性散射平均自由程，亦称为逸出深度。衰减长度和电子能量的关系：实验结果：经验公式：=(Ai/E2)+BiE1/2其中A、B对于不同的元素及化合物有不同的值.,10,信息深度：信号电子所携带的信息来自多厚的表面层？通常用出射电子的逃逸深度来估计。但是当出射电子以同表面垂直方向成角射出时，电子所反映的信息深度应该是：d=cos激发深度与信息深度：,11,在扫描电镜中，由电子激发产生的主要信号的信息深度：俄歇电子1nm(0.5-2nm)二次电子5-50nm背散射电子50-500nmX射线0.1-1m,12,产生大量二次电子，产生少量二次电子，信噪比差信噪比好,电子探束光子探束,(三)电子作为探束的特点,碰撞中EpE，碰撞中h=E，自身湮没损失部分能量后射出,可聚焦、偏转，获得不易聚焦，束斑大且强度低小束斑和高强度,电子束源价格低廉X光源复杂，价格较贵宜为外层价电子电离源宜为芯层电子电离源,13,1放大倍数荧光屏上的扫描振幅电子束在样品上的扫描振幅放大倍数与扫描面积的关系：(若荧光屏画面面积为1010cm2)放大倍数扫描面积10(1cm)2100(1mm)21,000(100m)210,000(10m)2100,000(1m)2,三、主要参数,14,2分辨率样品上可以分辨的两个邻近的质点或线条间的距离。如何测量：拍摄图象上，亮区间最小暗间隙宽度除以放大倍数。影响分辨率的主要因素：初级束斑：分辨率不可能小于初级束斑入射电子在样品中的散射效应对比度,15,3景深一般景深的定义：,16,17,四、工作模式与衬度原理(一)二次电子象(二)背散射电子象(三)二次电子象与背散射电子象的比较工作模式：依赖于用哪种物理量来调制显象管二次电子象模式背散射电子象模式衬度：(对比度，是得到图象的最基本要素)S为检测信号强度,18,(一)二次电子象1.形貌衬度二次电子产额=Is/Ip1/cos为入射电子束与样品法线的夹角,尖、棱、角处增加沟、槽、孔、穴处减小,19,20,21,22,2.成分衬度3.电位衬度,23,24,2.晶向衬度,25,3成分衬度背散射电子产额与原子序数关系:当Ep=20keV以下，则=-0.0254+0.016Z-1.86104Z2+8.3107Z3设有两平坦相邻区域，分别由Z1和Z2纯元素组成，且Z2Z1则衬度C=S为检测信号强度为背散射电子强度,当Z1、Z2原子序数相邻，则衬度很低当Z1、Z2原子序数相差远，则衬度很高,26,原子序数W:74Ti:22Si:14Al:13O:8N:7,27,如何排除表面不平坦因素？表面抛光采用双通道检测器及信号处理,28,(三)二次电子象与背散射电子象的比较信号检测系统-闪烁体计数器栅网+250-500V二次电子象-50V背散射电子象闪烁体6-10kV吸引、加速电子撞击闪烁体发光光导管光子倍增器,29,二次电子象与背散射电子象的比较二次电子象背散射象主要利用形貌衬度成分衬度收集极+250500V50V分辨率高较差无阴影有阴影信号大，信噪比好,30,五、主要部件电子光学系统扫描系统信号检测系统图象显示系统电源系统和真空系统电子光学系统：初级束要求：束斑尽可能小电流尽可能大取折衷(一)电子源(二)电子枪,31,(一)电子源1热发射源当温度超过一定值时，有较多的电子具有克服表面势垒(功函数)的动能而逃离金属射出。J=AT2exp(-/kT)J：阴极发射电流T：阴极温度A：与材料有关的常数对材料要求：功函数小，熔点高功函数工作温度特点W阴极4.5eV2500-2800稳定、制备简单BaB62.7eV1400-2000化学性质活泼要求104Pa以上真空特殊夹持材料,32,2场发射源冷场致发射当尖处电场强度105V/m时表面势垒宽度10nm量子隧道效应成为发射主导机制在室温下，大多数电子的能量还不足以克服已降低了的势垒，但仍有一部分电子能穿过势垒而发射。热场致发射,33,(二)电子枪1三级电子枪F：灯丝负高压发射电子A：阳极接地F、A间形成对电子的加速场W