SEM电子显微镜与电子探针

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)1编辑ppt一、简介扫描电子显微镜与电子探针1编辑ppt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。2编辑ppt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,λ≈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3编辑ppt与普通显微镜的差别：普通显微镜学习的重要性：▲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4编辑ppt学习的重要性：4编辑ppt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5编辑ppt二、基本物理概念5编辑ppt(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θ>90°射出表面，E∼Ep△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)6编辑ppt(一)电子与表面相互作用及与之相关的分析技术6编辑ppt△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

7编辑ppt△二次电子：外层价电子激发7编辑ppt2．检测电子的能量分布8编辑ppt2．检测电子的能量分布8编辑ppt(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=Ioe－t/λ当电子穿过t=λ厚的覆盖层后，它的强度将衰减为原来的1/e,称λ为衰减长度。△通常近似地把衰减长度λ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：λ=(Ai/E2)+BiE1/2其中A、B对于不同的元素及化合物有不同的值.9编辑ppt(二)信息深度9编辑ppt△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θ角射出时，电子所反映的信息深度应该是：d=λcosθ△激发深度与信息深度：10编辑ppt△信息深度：信号电子所携带的信息来自多厚的表面层？10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0.1-1μm11编辑ppt在扫描电镜中，由电子激发产生的主要信号的信息深度：11编辑p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Ep>ΔE，碰撞中hγ=ΔE，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12编辑ppt产生大量二次电子，产生少量二次电子，电子探束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×(100μm)210,000×(10μm)2100,000×(1μm)2三、主要参数13编辑ppt三、主要参数13编辑ppt2．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14编辑ppt2．分辨率14编辑ppt3．景深△一般景深的定义：15编辑ppt3．景深15编辑ppt△SEM的景深：对于SEM，虽没有实际的成象透镜，但景深的意义是相同的。在D深度范围内，中心处为最佳聚焦当dp

<最小可分辨时，在D深度范围内均可清晰成象。dp/2=Dαo/2D=dp/αoαo一般为1mrad故：景深为最小可分辨的1000倍景深大适于观察粗糙样品16编辑ppt△SEM的景深：景深大16编辑ppt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17编辑ppt四、工作模式与衬度原理17编辑ppt(一)二次电子象1.形貌衬度二次电子产额δ=Is/Ip△δ∝1/cosθθ为入射电子束与样品法线的夹角△尖、棱、角处δ增加沟、槽、孔、穴处δ减小18编辑ppt18编辑ppt19编辑ppt19编辑ppt20编辑ppt20编辑ppt21编辑ppt21编辑ppt2.成分衬度3.电位衬度22编辑ppt2.成分衬度22编辑ppt

1．形貌衬度

△倾角因素：背散射电子产额η=Ib/Ipη随倾角θ增加而增加，但不精确满足正割关系

△方向因素：背散射电子在进入检测器之前方向不变入射束与背散射电子的方向关系(二)背散射电子象23编辑ppt23编辑ppt2.晶向衬度24编辑ppt2.晶向衬度24编辑ppt3．成分衬度背散射电子产额与原子序数关系:当Ep=20keV以下，则η=-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25编辑ppt3．成分衬度原子序数W:74Ti:22Si:14Al:13O:8N:726编辑ppt原子序数W:74Ti:2226编辑p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27编辑ppt如何排除表面不平坦因素？27编辑ppt(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28编辑ppt(三)二次电子象与背散射电子象的比较28编辑ppt

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

29编辑ppt二次电子象与背散射电子五、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

30编辑ppt五、主要部件30编辑ppt(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φ)的动能而逃离金属射出。J=AT2exp(-φ/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 4.5eV 2500-2800稳定、制备简单 BaB6 2.7eV1400-2000化学性质活泼要求10－4Pa以上真空