扫描电子显微镜SEM

AlphaGo当前第1页\共有87页\编于星期四\18点Qusetions当前第2页\共有87页\编于星期四\18点为什么使用SEM？SEM的信号？SEM的原理？SEM的电子源的分类？EDS中分析方法有哪几种？当前第3页\共有87页\编于星期四\18点当前第4页\共有87页\编于星期四\18点当前第5页\共有87页\编于星期四\18点当前第6页\共有87页\编于星期四\18点你爱，或者不爱课就在这儿不多不少你来，或者不来教室就在这儿不喜不悲你听，或者不听我都在这儿不离不弃但愿，我的努力能让这门课走进你的心里默然相爱寂静欢喜我的课当前第7页\共有87页\编于星期四\18点简介扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英文缩写为SEM(ScanningElectronMicroscope)。SEM与电子探针（EPMA）的功能和结构基本相同，但SEM一般不带波谱仪（WDS）。它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。现在SEM都与能谱（EDS）组合，可以进行成分分析。所以，SEM也是显微结构分析的主要仪器，已广泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。当前第8页\共有87页\编于星期四\18点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VonArdenne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CambridgeScientificInstruments公司在1965年制造的MarkI“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当前第9页\共有87页\编于星期四\18点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当前第10页\共有87页\编于星期四\18点日立新发布SU9000场发射（FE）SEM扫描电镜，30kV加速电压下分辨率高达0.4nm分辨率，放大倍数300万。这被认为是目前分辨率最高市售的仪器。当前第11页\共有87页\编于星期四\18点问题几种信号？几种常用？几种有用的信号？电子与物质作用当前第12页\共有87页\编于星期四\18点电子与物质相互作用当前第13页\共有87页\编于星期四\18点电子与固体样品的相互作用相互作用的区域明显随原子序数改变，从低序数的“梨”形到高序数的“半球”形；电子束能量越大，穿过特定的长度后保持的能量越大，穿透的深度越大；根据Rutheford模型，电子在样品中的弹性散射面与其能量的平方成反比。当前第14页\共有87页\编于星期四\18点1nm5~50nm100~1000nm500~5000nm背散射电子空间分辨率X射线的分辨率背散射电子特征X射线二次电子俄歇电子连续X射线当前第15页\共有87页\编于星期四\18点背散射电子受固体样品散射反射回来的那部分电子，占入射电子的30%左右。由两部分组成，一部分为弹性背散射电子，另一部分为与原子核、核电子发生多次非弹性碰撞而形成的电子。其能量大于50eV，绝大多数背散射电子能量损失小于10%。电子产率η当前第16页\共有87页\编于星期四\18点当前第17页\共有87页\编于星期四\18点二次电子二次电子是指入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。其中价电子约占90%。

二次电子的出射深度：5-50nm，能量多为2-5eV。

当前第18页\共有87页\编于星期四\18点当前第19页\共有87页\编于星期四\18点吸收电子高能电子入射较厚的样品后，部分入射电子与样品中原子核或和核外电子发生多次非弹性散射，能量不断降低，直至耗尽，这部分电子既不能穿透样品，也无力溢出样品，只能留在样品内部，即称为吸收电子。I0=Ia+Ib+Is当前第20页\共有87页\编于星期四\18点俄歇电子原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量传递给核外另一电子并打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。因每一种原子都有自己特定的壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范围内。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原子层中发出的，这说明俄歇电子信号适用与表层化学成分分析。当前第21页\共有87页\编于星期四\18点最近十年中，固体表面分析方法获得了迅速的发展，它是目前分析化学领域中最活跃的分支之一。它的发展与催化研究、材料科学和微型电子器件研制等有关领域内迫切需要了解各种固体表面现象密切相关。各种表面分析方法的建立又为这些领域的研究创造了很有利的条件。当前第22页\共有87页\编于星期四\18点特征X射线是由高能电子束与原子内层电子发生非弹性散射，把内层电子激发到外层，这时内层电子空缺由外层电子补偿。外层电子跃迁到内层时释放特定能量，大部分这个特定能量以X-ray形式从样品发射出。一些特定能量被原子吸收，激发原子另外外层电子（俄歇电子）以额外的能量发射。当前第23页\共有87页\编于星期四\18点阴极荧光可以通过固体的电子能带理论来解释阴极发光现象。这些材料的特点是具有一个所有的电子能态都被占据满的价带和一个空的导带；价带和导带之间有一能量间隔为Egap的禁带。当高能束电子在这种材料中受到非弹性散射时，充满价带的电子可以提升到导带，使得价带留下空穴，而导带多出一个电子，形成电子-空穴对。当没有偏压使得电子-空穴分离，电子和空穴可能复合，与Egap相等的多余能量以光子的形式释放出来。由于带间隔是严格确定的，所以光子携带特征能量。

当前第24页\共有87页\编于星期四\18点是一种无损的分析方法，结合扫描电镜可提供与形貌相关的高空间分辨率光谱结果，是纳米结构和体材料的独特分析工具。利用阴极荧光谱，可以在进行表面形貌分析的同时，研究半导体材料的发光特性，尤其适合于各种半导体量子肼、量子线、量子点等纳米结构的发光性能的研究。阴极荧光谱通常作为扫描电子显微镜的一个附件。比如场发射扫描电子显微镜，通常会配备一套阴极荧光探头，以充分扩展仪器功能。当前第25页\共有87页\编于星期四\18点扫描电镜中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0.1-1μm当前第26页\共有87页\编于星期四\18点入射电子束和物质作用，可以激发出原子的内层电子。外层电子向内层跃迁过程中所释放的能量，可能以X光的形式放出，即产生特征X射线，也可能又使核外另一电子激发成为自由电子，这种自由电子就是俄歇电子[1]。对于一个原子来说,激发态原子在释放能量时只能进行一种发射：特征X射线或俄歇电子。原子序数大的元素，特征X射线的发射几率较大，原子序数小的元素，俄歇电子发射几率较大，当原子序数为33时，两种发射几率大致相等。因此，俄歇电子能谱适用于轻元素的分析。当前第27页\共有87页\编于星期四\18点当前第28页\共有87页\编于星期四\18点当前第29页\共有87页\编于星期四\18点扫描电子显微镜特点分辨率比较高，二次电子像放大倍数连续可调，几十倍到二十万倍景深大，立体感强试样制备简单一机多用当前第30页\共有87页\编于星期四\18点与普通显微镜的差别当前第31页\共有87页\编于星期四\18点问题扫描电子显微镜主要的组成部分有哪些？每部分的作用？使用SEM时，哪些参数最关键？当前第32页\共有87页\编于星期四\18点扫描电子显微镜工作原理及构造当前第33页\共有87页\编于星期四\18点当前第34页\共有87页\编于星期四\18点扫描电子显微镜构造电子光学系统(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当前第35页\共有87页\编于星期四\18点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。当前第36页\共有87页\编于星期四\18点当前第37页\共有87页\编于星期四\18点电子源当前第38页\共有87页\编于星期四\18点当前第39页\共有87页\编于星期四\18点电子枪是电子束的产生系统，图2是热发射电子枪的构造图。将细（0.1mm左右）钨丝做成的灯丝（阴极）进行高温加热（2800K左右）后，会发射热电子，此时给相向设置的金属板（阳极）加以正高圧（1～30kV），热电子会汇集成电子束流向阳极，若在阳极中央开一个孔，电子束会通过这个孔流出，在阴极和阳极之间，设置电极并加以负电圧，能够调整电子束的电流量，在这个电极（被称为韦氏极）的作用下，电子束被细聚焦，最细之处被称为交叉点（Crossover)，成为实际的光源(电子源)，其直径为15～20μm。

当前第40页\共有87页\编于星期四\18点当前第41页\共有87页\编于星期四\18点当前第42页\共有87页\编于星期四\18点当前第43页\共有87页\编于星期四\18点当前第44页\共有87页\编于星期四\18点高分辨率SEM使用的电子枪是场发射电子枪（FieldEmissionElectronGun：FE电子枪）。它利用的是在金属表面加以强电场时所产生的场发射现象，实际的结构见图，阴极用细钨丝制成，在钨丝上焊接相同的单晶钨，其尖端曲率半径为100nm左右，被称为发射体，在发射体对面设置的金属板（引出电极）上施加数kV的正电圧时，由于隧道效应，从发射体中就会发射电子，如果在金属板（引出电极）的中央处开一小孔，电子束会从孔中流出，因此在其下方设置的电极（加速电极）上加以电圧，就能够获得一定能量的电子束，为了产生场发射现象，发射体的尖端必须保持清洁，需要设置在10-８Pa左右的超高真空中。当前第45页\共有87页\编于星期四\18点当前第46页\共有87页\编于星期四\18点3肖特基发射电子枪当前第47页\共有87页\编于星期四\18点当前第48页\共有87页\编于星期四\18点是利用在加热的金属表面外加高电场产生的肖特基（Schottkyemission）效应的电子枪，结构如图所示，阴极（发射体）是ZrO/W，采用尖端曲率半径为几百nm的钨单晶体，并镀上了ZrO覆盖层，ZrO覆盖层大大地降低了功函数，因而在1800K左右较低阴极温度下能发射很大的电流，如图31所示，为了屏蔽从发射体中发射出热电子，在被叫做抑制电极的电极上加负电圧。由于肖特基发射电子枪部分设置在10-7Pa左右的超高真空中，发射体能保持高温，不吸附气体，因此具有电子束流稳定度高的特点。

与场发射电子枪相比，肖特基发射电子枪的电子束能量发散度稍大，但能获取大的探针电流，这一特点适合于在观察形貌的同时进行各种分析，这种电子枪有时也因为方便被称作热阴极场发射电子枪或热场发射电子枪。当前第49页\共有87页\编于星期四\18点电子枪性能比较当前第50页\共有87页\编于星期四\18点电磁透镜在电子枪的后方设置透镜，能够调节电子束的直径。SEM需要很细的电子束。图中，在电子枪的后方设置了聚光镜和物镜的两级透镜，从电子枪中发射出的电子束经过两级透镜的聚焦形成电子探针。增强聚光镜的透镜作用，电子探针以b/a的比例变细，如果减弱的话，电子探针则变粗。此外，在聚光镜与物镜之间，设置开了小孔的薄金属板即“光阑”。通过聚光镜的电子束撞到光阑后，有一部分的电子束能通过小孔到达物镜。增大聚光镜的励磁电流，光阑上的电子束会大大地发散开来，只有一小部分的电子束能通过，所以到达物镜的电子数（包括探针电流）将会减少。相反，减弱聚光镜的励磁电流，光阑上的电子束并不会发生很大的发散，大部分的电子束通过光阑，到达物镜的电子数很多。也就是说，调节聚光镜的励磁电流可以改变电子探针的直径和探针电流。当前第51页\共有87页\编于星期四\18点当前第52页\共有87页\编于星期四\18点电子在磁场中运动，当电子运动方向与磁感应强度方向不平行时，将产生一个与运动方向垂直的力（洛仑兹力）使电子运动方向发生偏转。下图是一个电磁线圈。当电子沿线圈轴线运动时，电子运动方向与磁感应强度方向一致，电子不受力，以直线运动通过线圈；当电子运动偏离轴线时，电子受磁场力的作用，运动方向发生偏转，最后会聚在轴线上的一点。电子运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。

短线圈磁场中的电子运动显示了电磁透镜聚焦成像的基本原理。实际电磁透镜中为了增强磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低碳钢）制成的具有内环形间隙的壳子里。

电子在磁场中运动，当电子运动方向与磁感应强度方向不平行时，将产生一个与运动方向垂直的力（洛仑兹力）使电子运动方向发生偏转。下图是一个电磁线圈。当电子沿线圈轴线运动时，电子运动方向与磁感应强度方向一致，电子不受力，以直线运动通过线圈；当电子运动偏离轴线时，电子受磁场力的作用，运动方向发生偏转，最后会聚在轴线上的一点。电子运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。

当前第53页\共有87页\编于星期四\18点物镜用于聚焦，是决定最终电子探针直径的重要透镜。物镜若有瑕疵，就无法形成很细的电子探针，之前的所有努力也都会前功尽弃。因此，所有的电镜厂家都在努力制作性能优良的物镜。当前第54页\共有87页\编于星期四\18点扫描线圈其作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。改变入射电子束在样品表面扫描振幅，以获得所需放大倍率的扫描像。扫描线圈是扫描点晶的一个重要组件，它一般放在最后二透镜之间，也有的放在末级透镜的空间内。当前第55页\共有87页\编于星期四\18点样品室样品室中最主要部件之一是样品台，它应该能够容纳大的试样（>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。当前第56页\共有87页\编于星期四\18点电子显微镜通常要在高倍率下观察样品，因此需要样品台既能稳定地承载样品又能灵活地移动。SEM的样品台一般能进行五种移动：除了平面上的移动（X,Y方向）、垂直方向上的移动（Z）外，还能够倾斜（T）和旋转（R）样品，不仅能选择视野（X,Y移动），还能够通过Z向移动，改变分辨率及景深，图5为样品台的构造图。当前第57页\共有87页\编于星期四\18点二次电子检测器用于检测从样品中发射的二次电子，构造见图所示。检测器的前端喷涂了闪烁体（荧光物质）并加载10kV左右的高圧，从样品中激发的二次电子受高压吸引，轰击闪烁体而放出光子，光子通过光导管传到光电倍增器，被变换成电子经放大之后成为电信号，闪烁体的前面设有被称为收集极的辅助电极，它被加以数百伏的电圧，改变此电圧可以收集和挡掉很多二次电子，因为这种检测器的原型是Everhart和Thornley开发的，所以有时又称它为E-T检测器，很多SEM的样品室都安装了这种类型的检测器。如果物镜是侧重分辨率类型的，则采用将二次电子检测器设置在物镜的上部，利用透镜磁场检测二次电子的方法。这种检测器常常被称为TTL（ThroughTheLens）检测器。当前第58页\共有87页\编于星期四\18点当前第59页\共有87页\编于星期四\18点SEM分辨率影响因素电子束斑直径入射电子束在样品中的扩散效应成像所用信号种类此外，信噪比、磁场条件、机械振动引起的束流漂移影响分辨率。当前第60页\共有87页\编于星期四\18点聚光镜电流的选择

聚光镜电流的大小将直接影响到电子束的亮度和光斑直径的大小，也影响成像的分辨率和反差。

在保证足够的观察条件、拍摄的亮度和反差的需要下，应尽量使聚光镜电流稍为大一些，以获取较小的电子束流探针直径，得到较高分辨率；但聚光镜电流又不可太大，太大则使电子束流能量太低，信号与噪声的强度比（信噪比）下降，影像也会平淡无力,缺少立体感。故聚光镜电流的调节应和亮度与反差相配合。

当前第61页\共有87页\编于星期四\18点加速电压的选择加速电压的提高，纵然可以增大电子束的能量，提高信噪比和反差，这只是一个单方面的因素，从另一方面考虑，也会增加背散射电子的数目和电子束的穿透力,这样影像中物体边缘的锐利度会降低，也将使分辨力下降。

通常可以根据影像质量和拍摄需要进行选择。

当前第62页\共有87页\编于星期四\18点SEM景深样品上高低不同部位同时聚焦的能力。用距离表示。图如所示，电子探针的平行度高（孔径角小），即使焦点变化很大，图像也保持聚焦，如果电子探针有一定的角度（孔径角大），焦点即使变化很小，图像离焦也很严重。象光学显微镜不使用电子探针时，从样品方向看到的物镜角度（孔径角）小景深则大，角度大景深则小。另一方面，即便是图像模糊，在倍率低的时候感觉不到，但在倍率增大的时候能够发现，也就是说，景深也随放大倍率的变化而改变。当前第63页\共有87页\编于星期四\18点当前第64页\共有87页\编于星期四\18点SEM放大倍数当入射电子束作光栅扫描时，若电子束在样品表面扫描的幅度为As，在荧光屏阴极射线同步扫描的幅度为Ac，则扫描电镜的放大倍数为:

由于扫描电镜的荧光屏尺寸是固定不变的，因此，放大倍率的变化是通过改变电子束在试样表面的扫描幅度来实现的。如果荧光屏的宽度s=100mm，当As=5mm时，放大倍数为20倍，如果减少扫描线圈的电流，电子束在试样上的扫描幅度见效为Ac=0.05mm，放大倍数可达2000倍。可见改变扫描电镜的放大倍数十分方便。目前商品化的扫描电镜放大倍数可以从20倍调节到20万倍左右。当前第65页\共有87页\编于星期四\18点扫描电镜衬度像二次电子像

入射电子与样品相互作用后，使样品原子较外层电子（价带或导带电子）电离产生的电子，称二次电子。二次电子能量比较低，习惯上把能量小于50eV电子统称为二次电子，仅在样品表面5nm-10nm的深度内才能逸出表面，这是二次电子分辨率高的重要原因之一。二次电子产额δ与二次电子束与试样表面法向夹角有关，δ∝1/cosθ。因为随着θ角增大，入射电子束作用体积更靠近表面层，作用体积内产生的大量自由电子离开表层的机会增多；其次随θ角的增加，总轨迹增长，引起价电子电离的机会增多。当前第66页\共有87页\编于星期四\18点1．分辨出图像线条间的区别：即图像层次对景物质点的分辨率或细微层次质感的精细程度。其分辨率愈高，景物质点的分辨率或细微层次质感的精细程度越高，景物质点表现的愈细致，清晰度则愈高。2．衡量线条边缘轮廓是否清晰：即图像层次轮廓边界的虚实程度，常用锐度表示，其实质是指层次边界渐变密度的变化宽度，若变化宽度小，则边界清晰，反之变化宽度大则边界发虚。3．细小层次间的清晰程度：尤其是细小层次间的明暗对比或细微反差是否清晰。因此图像的清晰度也称为细微层次。???当前第67页\共有87页\编于星期四\18点当前第68页\共有87页\编于星期四\18点当前第69页\共有87页\编于星期四\18点背散射电子像1.形貌衬度用背反射信号进行形貌分析时，其分辨率比二次电子低。因为背反射电子时来自一个较大的作用体积。此外，背反射电子能量较高，它们以直线轨迹逸出样品表面，对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到背反射电子，而掩盖了许多有用的细节。2.成分衬度背散射电子发射系数可表示为样品中重元素区域在图像上是亮区，而轻元素在图像上是暗区。利用原子序数造成的衬度变化可以对各种合金进行定性分析。背反射电子信号强度要比二次电子低的多，所以粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。当前第70页\共有87页\编于星期四\18点硅半导体背散射电子探测器对有些既要进行形貌观察又要进行成分分析的样品，可采用一种新型的背散射电子检测器。它由一对硅半导体组成，以对称于入射束的方位装在样品上方。将左右两个检测器各自得到的电信号进行电路上的加减处理，便能得到单一信息。对于原子序数信息来说，进入左右两个检测器的信号，其大小和极性相同，而对于形貌信息，两个检测器得到的信号绝对之相同，其极性恰恰相反。根据这种关系，如果将亮各检测器得到的信号相加，便能得到反映样品原子序数的信息；如果相减便能得到形貌信息。当前第71页\共有87页\编于星期四\18点锡铅镀层的表面图像（a）二次电子图像（b）背散射电子图像当前第72页\共有87页\编于星期四\18点电子探针的工作原理当前第73页\共有87页\编于星期四\18点λ为波长，Z为原子序数，K、σ为常数，且σ=1.当前第74页\共有87页\编于星期四\18点当前第75页\共有87页\编于星期四\18点波谱仪能谱仪的优缺点能谱仪探测X射线的效率高。其灵敏度比波谱仪高约一个数量级。在同一时间对分析点内所有元素X射线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内可得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。

结构简单，稳定性和重现性都很好（因为无机械传动）

不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面分析。

具有以下缺点和不足：分辨率低：Si(Li)检测器分辨率约为160eV；波谱仪分辨率为5－10eV能谱仪只能分析原子序数大于11的元素；而波谱仪可测定原子序数从4到92间的所有元素。

能谱仪的Si(Li)探头必须保持在低温态，因此必须时时用液氮冷却。

当前第76页\共有87页\编于星期四\18点EDS定性分析谱图中的谱峰代表的是样品中存在的元素。定性分析是分析未知样品的第一步，即鉴别所含的元素。如果不能正确地鉴别样品的元素组成，最后定量分析的精度就毫无意义。通常能够可靠地鉴别出一个样品的主要成份，但对于确定次要或微量元素，只有认真地处理