形貌分析-SEM.ppt

扫描电镜分析 扫描电子显微镜 扫描电镜分析 扫描电子显微镜的基本知识与像差电子束与固体样品作用和产生的信号扫描电子显微像的衬度扫描电子显微镜的构造和工作原理扫描电子显微镜的样品制备 电子束与固体样品作用和产生的信号 当高速电子照射到固体样品表面时 就可以发生相互作用 产生背散射电子 二次电子 俄歇电子 特征X射线等信息 这些信息与样品表面的几何形状以及化学成份等有很大的关系 通过这些信息的解析就可以获得表面形貌和化学成份的目的 1 背散射电子 指被固体样品的原子核反弹回来的一部分反射电子 其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子 它的能量较高 基本上不受电场的作用而直接进入检测器 散射强度取决于原子序数和试样的表面形貌 用于扫描电镜的成像 2 二次电子 入射电子撞击样品表面原子的外层电子 把它激发出来 就形成了低能量的二次电子 在电场的作用下 二次电子呈曲线运动 翻越障碍进入检测器 因而使表面凸凹的各部分都能清晰成像 二次电子的强度主要与样品表面形貌有关 二次电子和背散射电子共同用于扫描电镜的成像 3 吸收电子 入射电子进入样品之后 经过多次非弹性散射 使其能量基本耗散 最后被样品吸收的电子 吸收电子信号的强度与接收到的背散射及二次电子信号强度互补 若把吸收电子信号调制成图像 则它的衬度恰好和二次电子或背散电子相反 4 透射电子 如果被分析的样品很薄 那么就会有一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子 5 特征X射线 入射电子把表面原子的内层电子撞出 被激发的空穴由高能级电子填充时 能量以电磁辐射形式放出 就产生特征X射线 可用于元素分析 6 俄歇电子 是由于原子中的电子被激发而产生的次级电子 当原子内壳层的电子被激发形成一个空洞时 电子从外壳层跃迁到内壳层的空洞并释放出能量 这种能量可以被转移到另一个电子 导致其从原子激发出来 这个被激发的电子就是俄歇电子 这个过程被称为俄歇效应 以发现此过程的法国物理学家P V 俄歇命名 俄歇电子能量很低 但其具有特征能量 并且其产于表面下2nm范围内 可用于表面元素分析 透射电子 如果被分析的样品很薄 那么就会有一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子 这种透射电子是由直径很小的高能扫描电子束照射薄样品所产生的 因此透射电子信号是由微区的厚度 成分和晶体结构来决定 透射电子除了弹性散射电子外 还有各种不同能量损失的非弹性散射电子 其中有些遭受特征能量损失 E的非弹性散射电子 特征能量损失电子 因此 可以利用特征能量损失电子配合电子能量分析器进行微区成分分析 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 500nm X射线0 1 1 m 各种信息分辨率比较 二次电子电子象 在扫描电镜中主要利用二次电子的信息观察样品的表面形貌 二次电子的能量一般在50eV以下 并从样品表面5 10纳米左右的深度范围内产生 并向样品表面的各个方向发射出去 利用附加电压集电器就可以收集从样品表面发射出来的二次电子 被收集的二次电子经过加速 可以获得10keV左右的能量 可以通过闪烁器把电子激发为光子 最后再通过光电倍增管产生电信号 进行放大处理 获得与原始二次电子信号成正比的电流信号 二次电子象的分辨率 在扫描电镜中形貌象的信息主要来自二次电子象 一般来说 二次电子象的信息来自于样品表面下5 10纳米的深度范围 产生区域大小则是由辐照电子束的直径以及二次电子能发射到表面深度下电离化区域大小所决定 此外 由发射电子和X射线激发所产生的二次电子原则上也应该包括进去 因此 二次电子象的衬度信息来自与三个生成因素 图a为入射电子束直径和主二次电子的产生关系 b则为反射电子和X射线激发产生的二次电子区域说明图 c为主二次电子 反射电子和X射线激发产生的二次电子等三因素的分布状态图 d为发出的二次电子信息的分布图 从图d可见 虽然反射电子和X射线产生的二次电子信号也比较强 因为分布平坦 可以把它当做背底处理 这样二次电子束的直径就很小 使得二次电子象具有很高的分辨率 二次电子象的衬度 二次电子象的衬度是由样品中电子束的入射角 样品表面的化学成份以及样品和检测器的几何位置等因素所决定的 衬度 对比度 是得到图象的最基本要素 S为检测信号强度分别介绍如下 入射角关系 垂直于样品表面入射一次电子时 样品表面所产生的二次电子的量最小 随着倾斜度的增加 二次电子的产率逐渐增加 因此 二次电子的强度分布反映了样品表面的形貌信息 由于在样品表面存在很多的凹叠面 到处存在30 50度的倾斜角 因此 在电镜观察时不一定需要将样品倾斜起来 但在观察表面非常光滑的样品时 则必须把样品倾斜起来 在扫描电镜分析时 一般倾斜角不大于45度 过大的倾斜角会使样品的聚焦困难 并观察不到被阴影部分遮盖的部分 二次电子强度与入射角的关系 1 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 二次电子信号与角度关系 样品成份的差异 二次电子的产量与样品表面元素的原子序数有关 因此 虽然样品表面很平坦 但元素成份不同就可以产生二次电子象的衬度 因此 在观察绝缘样品时 在样品表面蒸发一层重金属比蒸发轻金属可获得更好的二次电子象 利用扫描电镜的景深大以及衬度与形貌的关系 可以通过多张照片观察样品的立体形貌 样品表面与检测器的位置关系 因为面对检测器表面的电子更容易被检测器检测 因此 直接面对检测器的样品表面的二次电子象总是比背着检测器的表面亮 如图所示 这也是显微镜形成象衬度的重要因素 此外 形成象衬度的主要因素还有样品表面电位分布的差异等 充电现象 当样品的导电性差时 在样品表面可以积累电荷 使表面产生电压降 入射电子的能量将发生变化 同时二次电子的产率也可以发生变化 充电过程可以在样品表面形成电场 不仅影响电子束的扫描过程 还会改变图像的亮度 对二次电子象产生严重影响 背散射电子 高能入射电子在样品表面受到弹性散射后可以被反射出来 该电子的能量保持不变 但方向发生了改变 该类电子称为背散射电子 入射电子数与发射电子数的比称为反射率 进入检测器的发射电子数目还与样品表面的倾斜角度有关 反射电子象具有样品表面的化学成份和形貌的综合信息 信息深度是0 1 1微米 背散射电子象 1 形貌衬度 倾角因素 背散射电子产额 Ib Ip 随倾角 增加而增加 但不精确满足正割关系 原子序数影响 表示了反射率与原子序数的关系 从图上可见 反射率随着原子序数的增加而增加 但不是线形关系 不同的元素同样可以提供背散射的衬度信息 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 86 10 4Z2 8 3 10 7Z3设有两平坦相邻区域 分别由Z1和Z2纯元素组成 且Z2 Z1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 背散射电子象 一般背散射电子象直接采用二次电子象的电子检测器 或使用p n结半导体器件检测器 由于反射电子具有很高的能量 因此在利用二次电子检测器进行检测时 不需要对电子实行再加速 背散射电子象信息 反射电子象中包含有元素的化学成分和表面形貌的信息 反射电子象与样品材料的原子序数有很大关系 由于重元素的反射率大 图像的亮度也高 反之轻元素的发射率小 图像也就暗 此外 反射电子象也与样品表面的形状有很大关系 突起的部分就亮 凹下去的部分则由于反射电子的数量少 呈暗影 原则上反射电子的强度越大 则反射电子象的分辨率将降低 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 250 500V 50V分辨率高较差无阴影有阴影信号大 信噪比好 SE SE BSE SE BSE Edgeeffect Charge up Compositeinformation 附件功能 X射线分析能谱分析当电子束辐照到样品表面时 可以产生荧光X射线 可以使用能谱分析和波谱分析来获得样品微区的化学成份信息 X射线的信息深度是0 5 5微米 能谱分析 由于不同元素发射出的荧光X射线的能量是不一样的 也就是说特定的元素会发射出波长确定的特征X射线 通过将X射线按能量分开就可以获得不同元素的特征X射线谱 这就是能谱分析的基本原理 在扫描电镜中 主要利用半导体硅探测器来检测特征X射线 通过多道分析器获得X射线能谱图 从中可以对元素的成份进行定性和定量分析 波谱分析 因为电子激发产生的荧光X射线也是一种波 因此可以通过晶体分光的方法把X射线按波长分离开 从而可以获得不同波长的特征X射线谱 通过正比计数器进行检测 其优点是光谱的分辨率高 高于5eV 信噪比大 并能分析原子序数为5以上的元素 其定量效果好 其缺点是不能同时分析 需要逐个元素进行分析 分析速度慢 电子能量损失谱分析 利用电子与元素相互作用发出的能量损失谱可以对元素进行定性和定量分析能量分辨率高 空间分辨率高适合于轻元素分析也可以进行元素线扫描和分布分析 仪器结构 扫描电镜电子枪 透镜系统 样品室 扫描系统真空系统组成电子光学系统 初级束要求 束斑尽可能小 电流尽可能大取折衷 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10 10cm2 放大倍数扫描面积10 1cm 2100 1mm 21 000 100 m 210 000 10 m 2100 000 1 m 2 主要参数 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 成像原理 扫描电镜的成像原理与光学显微镜不同 和透射电镜也不完全一样 利用扫描线圈使电子束在样品表面进行扫描 由于高能电子束与样品物质的相互作用 产生各种电子信息 二次电子 反射电子 吸收电子 X射线 俄歇电子等 这些信息收集后经过放大送到成像系统 样品表面扫描过程任意点发射的信息均可以记录下来 获得图像的信息 由样品表面上的电子束扫描幅度和显像管上电子束扫描幅度决定图像的放大倍数 电子枪 电子显微镜对电子枪的要求是 能够提供足够数目的电子 发射电子越多 成象越亮 发射电子的区域要小 电子束越细 象差越小 分辩本领越好 电子速度要大 动能越大 成像越亮 普通热阴极电子枪主要由发夹式钨丝组成 当加热到高温时 钨丝发射出电子 六硼化镧灯丝以及场发射灯丝 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10 4Pa以上真空特殊夹持材料 电子枪结构 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 栅极负偏压 相对于阴极 让电子只通过栅孔 聚焦透镜作用 在阳极附近形成交叉点 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 场发射枪 发射出来的电子在阴极尖后形成交叉虚象 直径100 高电流发射密度 小交叉点 比W阴极高1000倍的亮度 减小束斑 提高仪器分辨率 聚光镜 聚光镜主要可以起到增强电子束密度和将一次发散电子会聚起来的功能 一般分辩本领在2 5nm的电镜均采用单聚光镜 可以将来自电子枪的直径为100微米的电子束会聚成直径为50微米的电子束 而对于分辩本领在0 5nm的电镜均采用双聚光镜 可以得到一束直径为几个微米的电子束 使用双聚光镜可以使照射到样品表面的电子束截面减小 不易使试样过热 减少了照明孔径角 使电子束接近轴照明 电子束强度高 具有较强的亮度 减少荷电效应 衍射效果明显 透镜系统 电子与光子不同 是一种带电粒子 不能通过光学透镜的方式进行聚焦成像 但可以利用电场和磁场的作用使电子会聚成像 一般把利用静电场原理的透镜称为静电透镜 利用磁场原理的透镜称为磁透镜 静电透镜的基本原理图见图1 电子束通过两端的离轴作用力和中间的向轴作用力的作用 使得电子束产生会聚 其焦距由电场分布来控制 一般的单透镜的焦距为3 5mm 图2是运动电子在磁透镜中的会聚原理 透镜比较 磁透镜与静电透镜相比具有以下优点 磁场强度的改变要比电场强度的改变容易 在磁透镜中采用低电压 60 100V 不存在击穿的问题 而静电透镜需要上万伏的高压 磁透镜的象差较小 具有更好的分辨率 目前 在电镜中使用的主要是磁透镜 真空系统 为了保证电子运动 减少与空气分子的碰撞 因此所有装置必须在真空系统中 一般真空度为10 2 10 4Pa 一般采用机械泵和油扩散泵或分子泵联合系统现在一般采用机械泵和分子泵系统 真空度高 油污染小等优点 价格贵 样品制备 一般玻璃材料 纤维材料 高分子材料以及陶瓷材料几乎都是非导电性的物质 在利用扫描电镜进行直接观察时 会产生严重的荷电现象 影响对样品的观察 因此需要在样品表面蒸镀导电性能好的金等导电薄膜层 在样品表面镀金属层不仅可以防止荷电现象 换可以减轻由电子束引起的样品表面损伤 增加二次电子的产率 提高图像的清晰度 并可以掩盖基材信息 只获得表面信息 样品制备 一般金属层的厚