现代材料分析测试技术 第08章 扫描电镜I.pdf

扫描电子显微分析 孔毅 2010年4月22日 Scanning Electron Microscopy SEM 历史回顾 扫描电镜的概念最早是由德国的Knoll在1935年提出 1938年Von Ardenne在透射电镜上加了个扫描线圈做 出了扫描透射显微镜 STEM 第一台 SEM是1942年由Hill制成 1955年扫描电镜的研究取得较显著的突破 成像质量 有明显提高 并在1959年制成了第一台分辨率为10纳 米的扫描电镜 第一台商业制造的扫描电镜是Cambridge Scientific Instruments公司在1965年制造的Mark I Steroscan 1978年做出了第一台具有可变压强的商业制造的扫描 电镜 现状 目前扫描电镜的发展方向是采用场发射枪的高分 辨扫描电镜和可变压强的环境扫描电镜 也称可 变压扫描电镜 目前的高分辨扫描电镜可以达到1 2纳米 部分 高端高分辨扫描电镜已具有0 4纳米的分辨率 还可以在扫描电镜里做STEM 现代的环境扫描 电镜可在气压为4000Pa时仍保持2纳米的分辨率 主要的SEM制造商 HITACHI JOEL FEI ZEISS 电子与物质相互作用 检测电子的能量分布 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1 nm 0 5 2 nm 二次电子5 50 nm 背散射电子50 500 nm X射线0 1 1 m 检测电子的能量分布 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1 nm 0 5 2 nm 二次电子5 50 nm 背散射电子50 500 nm X射线0 1 1 m SEM中主要的信号源 二次电子二次电子 Secondary electrons for topographic imaging 背散射电子背散射电子 Backscattered electrons for compositional imaging 特征特征X射线射线 Characteristic X ray for microanalysis EDS SEM Specimen chamber SEM TEMSEM TEM image of columnar grains in Al Ti multilayer system SEM image of a fracture surface of the Al Ti multilayer system TEM和SEM中获得显微象的方式 完全不同 TEM 提供了薄样品的内部结构信 息 TEM 使用的是透射电子 SEM则主要用来研究表面形貌 SEM使用的是 ejected 电子 Thin specimen Screen detector Incident beam Incident beam detector Thick specimen TEM SEM 与普通显微镜的差别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 电子波长 E为电子能量 单位 eV 当 E 30KeV 时 0 007nm 226 1 nm E 普通显微镜普通显微镜SEM 基本原理光折射成象同步扫描 入射束波长400 700 nm 能量为E的电子 放大倍数 1600 几十万 分辨率200 nm 1 5 nm 景深是普通显微镜的300倍 基本原理光折射成象同步扫描 入射束波长400 700 nm 能量为E的电子 放大倍数 1600 几十万 分辨率200 nm 1 5 nm 景深是普通显微镜的300倍 特点 特点 分辨率比较高 二次电子象 分辨率比较高 二次电子象 放大倍数连续可调 几十倍到二十万倍 放大倍数连续可调 几十倍到二十万倍 景深大 立体感强 景深大 立体感强 试样制备简单 试样制备简单 一机多用 一机多用 扫 描 电 子显 微 镜扫 描 电 子显 微 镜 第一节 扫描电子显微镜 工作原理及构造 第一节 扫描电子显微镜 工作原理及构造 扫描电子显微镜 工作原理示意图 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 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 样品 样品 B SEMe B e SE i SC i T i BS i RayX TE EDS LiSi 成份形貌信号 成份形貌信号 Secondary electron detector Schematic sectional view of a SEM 二 构造与主要性能二 构造与主要性能 扫描电子显微镜由 电子光学系统 镜筒 偏转系统 信号检测放大系统 图像显示和记录系统 电源系统 和真空系统等部分组成 1 电子光学系统 电子光学系统 由电子枪 电磁聚光镜 光栏 样品室等部件组成 作用 获得扫描电子束 作为使样品产生各种物理信号的 激发源 SEM与TEM的差别 扫描电镜的电子枪与透射电镜的电子枪相似 都 是为了提供电子源 但两者使用的电压是完全不 同的 透射电镜的分辨率与电子波长有关 波长越短 对应的电压越高 分辨率越高 故透射电镜 的电压一般都使用100 300kV 甚至400kV 1000kV 而扫描电镜的分辨率与电子波长无关 与电子在 试样上的最小扫描范围有关 电子束斑越小 电 子在试样上的最小扫描范围就越小 分辨率就越 高 但还必须保证在使用足够小的电子束斑时 电子束还具有足够的强度 故通常扫描电镜的工 作电压在1 30kV 电子光学系统示意图 一一 电子源电子源 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 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 功函数 的动能而逃离金属射出 的动能而逃离金属射出 J AT2exp kT J 阴极发射电流 阴极发射电流 T 阴极温度 阴极温度 A 与材料有关的常数 对材料要求 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 功函数小 熔点高 功函数工作温 度特点 W阴极阴极4 5eV2500 2800 稳定 制备简单稳定 制备简单 BaB62 7eV 1400 2000 化学性质活泼 要求 化学性质活泼 要求10 4Pa以上真空 特殊夹持材料 以上真空 特殊夹持材料 2 场发射源 冷场致发射 当尖处电场强度 10 场发射源 冷场致发射 当尖处电场强度 105 5 V 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 V m 时 表面势垒宽度 100mm 还要能 进行三维空间的移动 倾斜 90 100度 和转动 360度 活动范围很大 又要精 度高 振动小 样品台的运动可以用手动 操作 也可用计算机控制 目前样品台在 三维空间的移动精度已达到1微米 2 偏转系统 偏转系统 作用 使电子束产生横向偏转 包括用于形成光栅状扫描 的扫描系统 以及使样品上的电子束间断性消隐或截断的 偏转系统 偏转系统可以采用横向静电场 也可采用横向磁场 右图给出了电子束 在样品表面进行扫 描的两种方式 进 行形貌分析时都采 用光栅扫描方式 图 a 当电子束进入 上偏转线圈时 方 向发生转折 随后 又由下偏转线圈使 它的方向发生第二 次转折 发生二次 偏转的电子束通过 末级透镜射到试样 表面 3 信号检测放大系统 信号检测放大系统 作用 收集 探测 样品在入射电子束作用下产生的各种物 理信号 并进行放大 不同的物理信号 要用不同类型的收集系统 闪烁计数器是最常用的一种信号检测器 它由闪烁体 光 导管 光电倍增管组成 具有低噪声 宽频带 10Hz 1MHz 高增益 106 等特点 可用来检测二次电 子 背散射电子等信号 X射线探测器 吸收电子探测器 4 图像显示和记录系统 图像显示和记录系统 作用 将信号检测放大系统输出的调制信号转换为能显示 在阴极射线管荧光屏上的图像 供观察或记录 5 电源系统 电源系统 作用 为扫描电子显微镜各部分提供所需的电源 由稳压 稳流及相应的安全保护电路组成 6 真空系统 真空系统 作用 确保电子光学系统正常工作 防止样品污染 保证 灯丝的工作寿命等 三三 SEM的主要性能的主要性能 1 放大倍数 SEM的放大倍数 M l L 其中l为荧光屏长度 它是固定的 L为电子 束在试样上扫过的长度 放大倍数M是由调节扫描线圈的电流来改变 的 电流小 电子束偏转小 在试样上移动 的距离小 L小 M就大 反之 M就小 可从20倍到20万倍连续调节 扫描电镜的放大倍数可从10倍到几十万倍连续可 调 而光学显微镜和透射电镜的放大倍数都不是 连续可调的 扫描电镜既可工作在低倍又可工作 在高倍 而光学显微镜只能在低倍下工作 透射 电镜只能在高倍下工作 在实际工作中 经常希 望有一个从宏观到微观 从低倍到高倍的观察过 程 例如 对断口的分析 往往在低倍下先观察 断口的全貌 寻找断裂缝 对断裂过程有一个粗 略且全面的了解 然后再在高倍下观察感兴趣的 细节特征 2 分辨率 影响SEM图像分辨率的主要因素有 扫描电子束斑直径 入射电子束在样品中的扩展效应 操作方式及其所用的调制信号 信号噪音比 杂散磁场 机械振动将引起束斑漂流等 使分辨率下降 2 分辨率 在扫描电镜的各种信号中 二次电子像具有最高 的分辨率 一般扫描电镜的分辨率就是指二次电 子像的分辨率 使用热钨丝发射电子枪的扫描电 镜的分辨率目前一般是30 60 采用场发射枪 的扫描电镜的分辨率一般在10 20 顶级的超 高分辨率扫描电镜的分辨率为4 6 2005年场 发射超高分辨率扫描显微镜的分辨率已达4 已 接近透射电镜的水平 1 3 扫描电镜的分 辨率大大优于普通光学显微镜的分辨率的极限水 平 2000 3 景深 SEM 二次电子像 的景深比光学显微镜 的大 成像富有立体感 扫描电镜的末级透镜 物镜 采用小孔视 角 长焦距 所以可获得很大的景深 扫 描电镜的景深比一般光学显微镜大100 500倍 比透射电镜大10倍左右 景 深 在进行拍摄时 调节相机镜头 使距离相 机一定距离的景物清晰成像的过程 叫做 对焦 那个景物所在的点 称为对焦点 因为 清晰 并不是一种绝对的概念 所以 对焦点前 靠近相机 后一定距离内的 景物的成像都可以是清晰的 这个前后范 围的总和 就叫做景深景深 意思是只要在这 个范围之内的景物 都能清楚地拍摄到 第二节 像衬原理与应用第二节 像衬原理与应用 一 像衬原理 像的衬度就是像的各部分 即各像元 强度相对于 其平均强度的变化 SEM可以通过样品上方的电子检测器检测到具有 不同能量的信号电子有背散射电子 二次电子 吸收电子 俄歇电子等 扫描电镜像的衬度来源有三个方面 a 由试样本 身性质 表面凸凹不平 成分差别 位向差异表 面电位分布 b 信号本身性质 二次电子 背 散射电子 吸收电子 c 对信号的人工处理 1 二次电子像衬度及特点 二次电子像衬度及特点 二次电子信号主要来自样品表层5 10nm深度范围 能量 较低 小于50eV 影响二次电子产额的因素主要有 1 二次电子能谱特性 2 入射电子的能量 3 材料的原子序数 4 样品倾斜角 二次电子像的衬度可以分为以下几类 二次电子像的衬度可以分为以下几类 1 形貌衬度 2 成分衬度 3 电压衬度 4 荷电衬度 右图为形貌衬度原理 对扫描电镜而言 入射电子的方向是固定的 但由于试样表面有 凹凸 导致电子束对试样表面不同处的入射角的不同 如图 a 所 示 试样中A B两平面的入射角a是不同的 由二次电子的发射 规律知道 入射角a越大 二次电子产额 越高 在扫描电镜中 二 次电子探测器的位置是固定的 故试样表面不同取向的小平面相 对于探测器的收集角也不同 发射出的二次电子数量不同 图像 上的亮度也不同 例如 A区的入射角比B区大 发射的二次电 子要多 另外探测器相对于A区方位也比B区更有利 即A区的信 号比B区的信号大 所以图像上A区要比B区亮 形貌衬度 成分衬度 二次电子的产额随原子序数Z的变化不如背 散射电子产额随原子序数变化那样明显 当原子序数Z大于20时 二次电子的产额基 本上不随原子序数变化 只有Z小的元素的 二次电子产额与试样的组成成份有关 故 二次电子衬度像一般不用来观察试样成分 的变化 而被用来观察表面形貌的变化 电压衬度 试样表面若有电位分布的差异 会影响二次电子 的发射 二次电子在正电位区逸出较困难 而在 负电位区逸出就容易 故正电位区发射的二次电 子少 在图象上显得暗 而负电位区发射二次电 子多 在图象上就显得亮 这就形成了电压衬度 通常电位差为十分之几伏特时才能看出电压衬 度的变化 另外试样表面的几何形貌也会影响 电压衬度 如试样表面起伏太大 会减弱图像上 由于电位差引起的衬度变化 故观察电压衬度 试样表面要平整 荷电衬度 对导体而言 入射电子束感应产生的电荷将通过试样接地 而导走 故试样没有电荷的累积 charging 但非导体 结构上多余的电荷就不能导走 产生局部充电现象 使二 次电子像产生过强的衬度 即那些部位的像变得很亮 导电材料和非导电材料主要区别之一是它们的二次电子最 大产额 max是不同的 导电材料的 max为0 6 1 7 而 非导电材料的 max为1 20 且随电阻的增加产额也随 之增加 因此 为了消除荷电现象 要在非导电材料表面 喷涂一层导电物质 如碳 金等 涂层厚度一般为10 100nm 喷涂层要与试样台保持良好的电接触 以使在 非导电材料试样表面累积的电荷 能通过该导电层与试样 台上的地线接通 将电荷导走 消除荷电现象 导电涂层虽然可以去除充电现象 但它也掩盖了试样表面 的真实形貌 现在做扫描电镜工作 能够不喷涂就不做喷 涂 解决荷电的办法通常采用降低工作电压 二次电子像衬度的特点 二次电子像衬度的特点 1 分辨率高 2 景深大 立体感强 3 主要反应 形貌衬度 水泥浆体断口水泥浆体断口 Eye shadow 150 Lipstick 2000 Foundation 500 Precooked Chinese noodles 1000 Chocolate 500 2 背散射电子像衬度及特点 背散射电子像衬度及特点 影响背散射电子产额的因素有 1 原子序数Z 2 入射电子能量E0 3 样品倾斜角 背散射系数与原子序数的关系 背散射电子衬度有以下几类 背散射电子衬度有以下几类 1 成分衬度 2 形貌衬度 3 磁衬度 第二类 在原子序数Z小于40的范围内 背散射电子的产额对 原子序数十分敏感 故在进行分析时 从试样上原子 序数较高的区域中可得到比从原子序数较低区域更多 的背散射电子 也就是说原子序数较高的部位要比原 子序数较低的部位亮 这就是背散射电子的成分衬度 的原理 背散射电子像的衬度特点 背散射电子像的衬度特点 1 分辩率低 2 背散射电子检测效率低 衬度小 3 主要反应成分衬度 二次电子运动轨迹背散射电子运动轨迹 图 二次电子和背散射电子的运动轨迹 吸收电子衬度 扫描电镜中各种电流的关系可以写成 其中II是入射电子电流强度 IS是二次电子的电流强度 IB 是背散射电子的电流强度 IA是吸收电流强度 IT是透射 电子的强度 扫描电镜的试样一般是块状试样 即试样较 厚 这时透射电子的电流强度可忽略不计 IT 0 在一定 的实验条件下 入射电子的电流强度II是一定的 所以有 所以吸收电流IA的大小 决定于Is和IB Is IB大时 IA就 小 反之 IA就大 也就是说 吸收电子像是与二次电子 像和背散射电子像的衬度互补的 因此 背散射电子图像