电子显微镜.doc

扫描电子显微镜 (SEM) Zeiss EVO LS-15 发表日期：2009年5月31日 【编辑录入：admin】 仪器简介：原理：扫描电子显微镜是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态的一种现代分析仪器，即用极狭窄的电子束扫描样品，通过电子束与样品之间的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，进而获得样品自身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电镜主要用于观察材料表面的微细形貌、断口及内部组织，并对材料表面微区成分进行定性和定量分析，主要用途如下：l 无机或有机固体材料断口、表面形貌、变形层等的观察和机理研究l 金属材料的相分析、成分分析和夹杂物形态成分的鉴定l 观察陶瓷、混凝土、生物、高分子、矿物、纤维等无机或有机固体材料表面的形貌l 微型加工的表征和分析集成电路图形及断面尺寸，PN结位置，结区缺陷l金属镀层厚度及各种固体材料膜层厚度的测定l 研究晶体的生长过程、相变、缺陷、无机或有机固体材料的粒度观察和分析l进行材料表面微区成分的定性和定量分析，在材料表面做元素的面、线、点分布分析 电子探针所分析的元素范围一般从硼(B)铀()，因为电子探针成份分析是利用元素的特征X 射线，而氢和氦原子只有K 层电子，不能产生特征X 射线，所以无法进行电子探针成分分析。锂(Li)和铍(Be)虽然能产生X 射线，但产生的特征X 射线波长太长，通常无法进行检测，少数电子探针用大面间距的皂化膜作为衍射晶体已经可以检测Be元素。能谱仪的元素分析范围现在也和波谱相同，分析元素范围从硼(B)铀()扫描电子显微镜知识AZ / 元素分析的基础元素分析的基础X射线的产生图49 特征X射线的产生原理如前所述，当电子射入物质后，从物质表面会发射出各种电子、光子及X射线等电磁波。如图49所示，由于入射电子的作用，内层电子处于激发态，外层电子向内跃迁填补有空位的轨道时，会产生等同于能量差的X射线，这就是特征X射线。由于X射线具有元素特有的能量（波长），通过对X射线的检测，能够进行元素分析。K层的电子被激发释放出的特征X射线被称为K线系，L层、M层被分别称为L线系、M线系。越是重元素特征X射线的能量越大，这是因为激发时需要高能入射电子。另一方面，入射电子被原子核减速时产生的X射线被称为连续X射线或者轫致辐射X射线。X射线分光谱仪 EDS的分光原理能谱仪（Energy Dispersive X-ray Spectrometer：EDS）是通过测试X射线的能量分析特征X射线谱的装置。如图50所示X射线进入半导体检测器后，会产生一定数目的、相当于X射线能量的电子空穴对，测试其数量（电流）就可以知道X射线的能量，为了减少检测器的电气噪音，需用液氮等进行冷却，从的X射线能够同时测试是EDS的特征。图51是通过EDS获得的谱图，横轴为X射线的能量值，纵轴为X射线的计数率。图50 EDS半导体检测器的结构图51 EDS谱图实例WDS的分光原理图52 WDS的分光原理波谱仪(Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer ：WDS)是通过测试X射线的波长分析特征X射线谱的装置。如图52所示那样，通过分光晶体利用X射线的衍射现象来测试波长，在被称为罗兰圆的一定半径的圆上移动分光晶体和检测器，为了覆盖全波长范围，需要配备若干多个分光晶体和驱动机构，因此获取X射线谱图的时间较长。 EDS与WDS的不同EDS和WDS的不同见表2所示。EDS的特长是用很小的探针电流就可以测试，在比较短的时间内能获得谱图，而WDS具有能量分辨率（波长分辨率）高，能够检测痕量元素的特点。SEM大多都装有EDS，而WDS一般作为以元素分析主要目的的电子探针显微分析仪（Electron Probe Microanalyzer：EPMA）的分光器而被使用。表2 EDS和WDS的特征EDSWDS测试元素范围BUBU测试方法通过Si（Li）半导体检测器用能量色散谱方法通过分光晶体用波长色散谱方法分辨率E130140eVE20eV（能量换算）测试速度快慢多种元素同时测试可不可对样品的损伤、污染少多检出限15002000ppm10100ppm单位电流的X射线检测量多少定性分析根据X射线的谱图，能够进行确定电子束照射的区域中存在哪些元素的定性分析。分析模式有三种：获去电子束照射区域谱图的点分析，显示感兴趣元素在指定的线上如何分布的线分析，以及显示感兴趣元素的二维分布的面分析，面分析有时也称面分布。点分析是对样品上的一点（参照分析区域）进行定性分析，如果是对有一定范围的区域（不是一个点）进行分析时，定性分析是在电子探针在扫描这一区域（观察图像）的同时进行的，检出限（能检测出多少微量的元素）根据元素而不同，EDS一般为数千ppm。X射线面分析只关注特定能量的特征X射线，将电子探针在样品上扫描的分析为X射线面分析，它能够知道样品中元素的分布。但需要注意的是，如果P/B极低（与背底强度相比峰强度很小），X射线图显示的不是欲测元素的分布而是连续X射线的分布；此外当欲测元素的特征X射线的能量与其它元素很接近、它们的能量差等于分光谱仪的能量分辨率时，X射线图有时会显示其它元素的分布，图53是X射线面分析的实例，与二次电子、背散射电子相比，特征X射线的强度较弱，因此获取图像需花费较长的时间。图53 X射线面分析的实例样品：混凝土碎片如后面所述X射线面分析的分辨率取决于分析区域，如果样品表面附近局部存在着特定的元素时，即使颗粒小于分析区域，也能够识别。在样品上用电子探针进行扫描的同时，逐点进行定量分析的方法叫做定量面分析。这一方法与单纯的X射线面分布不同，即使P/B比较低也能够知道元素的准确分布。分析区域射入样品的电子在失去能量的同时在样品中发生扩散，在这个过程中会激发X射线。因此X射线的产生区域具有一定的范围，在正常的工作条件下为纳米 微米尺寸。需要注意的是，在SEM图像中想要分析数nm数十nm的颗粒，而实际的分析区域会变大很多。降低加速电圧虽然可以缩小X射线的产生区域，但加速电圧（电子能量）必须高于被激发的特征X射线能量，因此降低加速电圧是有极限的。要进一步缩小分析区域，可以采用制备薄膜样品的方法。例如，厚度为100nm左右的样品在30kV的电压下进行分析的话，很多元素可以获得100nm以下的分析区域。定量分析由于特征X射线的强度与对应元素的浓度成正比例，因而能够进行定量分析。只要将已知浓度的标准样品的X射线强度与未知样品的X射线强度进行比较就能够知道未知样品的元素浓度。但是，样品中产生的X射线在射入真空前有可能被样品吸收或激发其它元素，因此需要对其进行定量校正，现在使用的EDS和WDS能够简单地进行校正计算，但校正进行的前提必须是X射线产生区域中元素的分布是相同，样品表面是平坦的，电子探针是垂直入射的等。实际上SEM的样品很多都没有满足这一前提条件，因此，应该意识到实际上可能会有不小的误差。非导电性样品的分析与一般的SEM观察一样，分析非导电性样品需要进行金属镀膜，与SEM观察不同需要注意的是，不能镀制样品中可能含有的、相同元素的金属。此外，以检测轻元素为目的时，镀上重金属的厚膜可能会阻碍轻元素X射线的发射，因此镀膜必须尽量以薄为好。如果对非导电性样品不镀膜直接进行分析，由于荷电效应在低加速电圧下进行分析的话，会出现激发能高的特征X射线检测不出来，定量分析的精度下降等现象。此外进行线分析、X射线面分布时，有时还会发生电子探针位置漂移的问题。使用低真空SEM(Low Vacuum SEM，简称LV SEM)对不镀膜的非导电性样品能够分析，但由于LVSEM样品室中，电子束的通路上有残余气体分子存在，入射电子束会被散射开来，分析区域将变得很大，这也是值得