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一種新型的電子光學儀器,被廣泛地應用于化學、生物、醫學、冶金、材料、半導體制造、微電路檢查等各個研究領域和工業部門。如圖1所示,是掃描電子顯微鏡的外觀圖。掃描電子顯微鏡,是自上世紀60年代作為商用電鏡面世以來迅速發展起來的


特 點


制樣簡單、放大倍數可調范圍寬、圖像的分辨率高、景深大、保真度高、有真實的三維效應等,對于導電材料,可直接放入樣品室進行分析,對于導電性差或絕緣的樣品則需要噴鍍導電層。


基本結構


從結構上看,如圖2所示,掃描電鏡主要由七大系統組成,即電子光學系統、信號探測處理和顯示系統、圖像記錄系統、樣品室、真空系統、冷卻循環水系統、電源供給系統。


圖2:掃描電子顯微鏡結構圖(圖片來源:西南石油大學能源材料實驗教學中心)


其中最重要的三個系統是電子光學系統、信號探測處理和顯示系統以及真空系統。


1、電子光學系統


電子光學系統包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈、樣品室等,主要用于產生一束能量分布極窄的、電子能量確定的電子束用以掃描成象。


電子槍:用于產生電子,主要分類如下:


電磁透鏡:熱發射電子需要電磁透鏡來成束,所以在用熱發射電子槍的掃描電鏡上,電磁透鏡必不可少。通常會裝配兩組:匯聚透鏡和物鏡,匯聚透鏡僅僅用于匯聚電子束,與成象會焦無關;物鏡負責將電子束的焦點匯聚到樣品表面。


掃描線圈的作用是使電子束偏轉,并在樣品表面作有規則的掃動,電子束在樣品上的掃描動作和顯像管上的掃描動作保持嚴格同步,因為它們是由同一掃描發生器控制的。樣品室內除放置樣品外,還安置信號探測器。


2、信號探測處理和顯示系統


電子經過一系列電磁透鏡成束后,打到樣品上與樣品相互作用,會產生二次電子、背散射電子、俄歇電子以及X射線等一系列信號。所以需要不同的探測器譬如二次電子探測器、X射線能譜分析儀等來區分這些信號以獲得所需要的信息。雖然X射線信號不能用于成象,但習慣上,仍然將X射線分析系統劃分到成象系統中。


有些探測器造價昂貴,比如Robinsons式背散射電子探測器,這時,可以使用二次電子探測器代替,但需要設定一個偏壓電場以篩除二次電子。


3、真空系統


真空系統主要包括真空泵和真空柱兩部分。


真空柱是一個密封的柱形容器。真空泵用來在真空柱內產生真空。有機械泵、油擴散泵以及渦輪分子泵三大類,機械泵加油擴散泵的組合可以滿足配置鎢燈絲槍的掃描電鏡的真空要求,但對于裝置了場致發射槍或六硼化鑭及六硼化鈰槍的掃描電鏡,則需要機械泵加渦輪分子泵的組合。成象系統和電子束系統均內置在真空柱中。真空柱底端即為右圖所示的樣品室,用于放置樣品。


需要真空的原因包括:一是電子束系統中的燈絲在普通大氣中會迅速氧化而失效,所以需要抽真空。二是為了增大電子的平均自由程,從而使得用于成象的電子更多。


基本結構


掃描電子顯微鏡是利用材料表面微區的特征(如形貌、原子序數、化學成分、或晶體結構等)的差異,在電子束作用下通過試樣不同區域產生不同的亮度差異,從而獲得具有一定襯度的圖像。成像信號是二次電子、背散射電子或吸收電子,其中二次電子是最主要的成像信號[2]。圖3為其成像原理圖,高能電子束轟擊樣品表面,激發出樣品表面的各種物理信號,再利用不同的信號探測器接受物理信號轉換成圖像信息。



圖3:掃描電子顯微鏡成像原理圖(圖片來源:西南石油大學能源材料實驗教學中心)


掃描電鏡除能檢測二次電子圖像以外,還能檢測背散射電子、透射電子、特征x射線、陰極發光等信號圖像。其成像原理與二次電子像相同。在進行掃描電鏡觀察前,要對樣品作相應的處理。


對樣品的要求


1、不會被電子束分解

2、在電子束掃描下熱穩定性要好

3、能提供導電和導熱通道

4、大小與厚度要適于樣品臺的安裝

5、觀察面應該清潔,無污染物

6、進行微區成分分析的表面應平整

7、磁性試樣要預先去磁,以免觀察時電子束受到磁場的影響


45個知識點掃盲


  1. 光學顯微鏡以可見光為介質,電子顯微鏡以電子束為介質,由于電子束波長遠較可見光小,故電子顯微鏡分辨率遠比光學顯微鏡高。光學顯微鏡放大倍率最高只有約1500倍,掃描式顯微鏡可放大到10000倍以上。


  2. 根據de Broglie波動理論,電子的波長僅與加速電壓有關:

  λe=h / mv= h / (2qmV)1/2=12.2 / (V)1/2 (?)


  在 10 KV 的加速電壓之下,電子的波長僅為0.12?,遠低于可見光的4000 - 7000?,所以電子顯微鏡分辨率自然比光學顯微鏡優越許多,但是掃描式電子顯微鏡的電子束直徑大多在50-100?之間,電子與原子核的彈性散射 (Elastic Scattering) 與非彈性散射 (Inelastic Scattering) 的反應體積又會比原有的電子束直徑增大,因此一般穿透式電子顯微鏡的分辨率比掃描式電子顯微鏡高。


  3. 掃描式顯微鏡有一重要特色是具有超大的景深(depth of field),約為光學顯微鏡的300倍,使得掃描式顯微鏡比光學顯微鏡更適合觀察表面起伏程度較大的樣品。


  4. 掃描式電子顯微鏡,其系統設計由上而下,由電子槍 (Electron Gun) 發射電子束,經過一組磁透鏡聚焦 (Condenser Lens) 聚焦后,用遮蔽孔徑 (Condenser Aperture) 選擇電子束的尺寸(Beam Size)后,通過一組控制電子束的掃描線圈,再透過物鏡 (Objective Lens) 聚焦,打在樣品上,在樣品的上側裝有訊號接收器,用以擇取二次電子 (Secondary Electron) 或背向散射電子 (Backscattered Electron) 成像。


  5. 電子槍的必要特性是亮度要高、電子能量散布 (Energy Spread) 要小,目前常用的種類計有三種,鎢(W)燈絲、六硼化鑭(LaB6)燈絲、場發射 (Field Emission),不同的燈絲在電子源大小、電流量、電流穩定度及電子源壽命等均有差異。


  6. 熱游離方式電子槍有鎢(W)燈絲及六硼化鑭(LaB6)燈絲兩種,它是利用高溫使電子具有足夠的能量去克服電子槍材料的功函數(work function)能障而逃離。對發射電流密度有重大影響的變量是溫度和功函數,但因操作電子槍時均希望能以最低的溫度來操作,以減少材料的揮發,所以在操作溫度不提高的狀況下,就需采用低功函數的材料來提高發射電流密度。


  7. 價錢最便宜使用最普遍的是鎢燈絲,以熱游離 (Thermionization) 式來發射電子,電子能量散布為 2 eV,鎢的功函數約為4.5eV,鎢燈絲系一直徑約100μm,彎曲成V形的細線,操作溫度約2700K,電流密度為1.75A/cm2,在使用中燈絲的直徑隨著鎢絲的蒸發變小,使用壽命約為40~80小時。


  8. 六硼化鑭(LaB6)燈絲的功函數為2.4eV,較鎢絲為低,因此同樣的電流密度,使用LaB6只要在1500K即可達到,而且亮度更高,因此使用壽命便比鎢絲高出許多,電子能量散布為 1 eV,比鎢絲要好。但因LaB6在加熱時活性很強,所以必須在較好的真空環境下操作,因此儀器的購置費用較高。


  9. 場發射式電子槍則比鎢燈絲和六硼化鑭燈絲的亮度又分別高出 10 - 100 倍,同時電子能量散布僅為 0.2 - 0.3 eV,所以目前市售的高分辨率掃描式電子顯微鏡都采用場發射式電子槍,其分辨率可高達 1nm 以下。


  10. 場發射電子槍可細分成三種:冷場發射式(cold field emission , FE),熱場發射式(thermal field emission ,TF),及蕭基發射式(Schottky emission ,SE)


  11. 當在真空中的金屬表面受到108V/cm大小的電子加速電場時,會有可觀數量的電子發射出來,此過程叫做場發射,其原理是高電場使電子的電位障礙產生 Schottky效應,亦即使能障寬度變窄,高度變低,因此電子可直接"穿隧"通過此狹窄能障并離開陰極。場發射電子系從很尖銳的陰極尖端所發射出來,因此可得極細而又具高電流密度的電子束,其亮度可達熱游離電子槍的數百倍,或甚至千倍。


  12. 場發射電子槍所選用的陰極材料必需是高強度材料,以能承受高電場所加諸在陰極尖端的高機械應力,鎢即因高強度而成為較佳的陰極材料。場發射槍通常以上下一組陽極來產生吸取電子、聚焦、及加速電子等功能。利用陽極的特殊外形所產生的靜電場,能對電子產生聚焦效果,所以不再需要韋氏罩或柵極。第一(上)陽極主要是改變場發射的拔出電壓(extraction voltage),以控制針尖場發射的電流強度,而第二(下)陽極主要是決定加速電壓,以將電子加速至所需要的能量。


  13. 要從極細的鎢針尖場發射電子,金屬表面必需完全干凈,無任何外來材料的原子或分子在其表面,即使只有一個外來原子落在表面亦會降低電子的場發射,所以場發射電子槍必需保持超高真空度,來防止鎢陰極表面累積原子。由于超高真空設備價格極為高昂,所以一般除非需要高分辨率SEM,否則較少采用場發射電子槍。


  14. 冷場發射式最大的優點為電子束直徑最小,亮度最高,因此影像分辨率最優。能量散布最小,故能改善在低電壓操作的效果。為避免針尖被外來氣體吸附,而降低場發射電流,并使發射電流不穩定,冷場發射式電子槍必需在10-10 torr的真空度下操作,雖然如此,還是需要定時短暫加熱針尖至2500K(此過程叫做flashing),以去除所吸附的氣體原子。它的另一缺點是發射的總電流最小。


  15. 熱場發式電子槍是在1800K溫度下操作,避免了大部份的氣體分子吸附在針尖表面,所以免除了針尖flashing的需要。熱式能維持較佳的發射電流穩定度,并能在較差的真空度下(10-9 torr)操作。雖然亮度與冷式相類似,但其電子能量散布卻比冷式大3~5倍,影像分辨率較差,通常較不常使用。


  16. 蕭基發射式的操作溫度為1800K,它系在鎢(100)單晶上鍍ZrO覆蓋層,ZrO將功函數從純鎢的4.5eV降至2.8eV,而外加高電場更使電位障壁變窄變低,使得電子很容易以熱能的方式跳過能障(并非穿隧效應),逃出針尖表面,所需真空度約10-8~10-9torr。其發射電流穩定度佳,而且發射的總電流也大。而其電子能量散布很小,僅稍遜于冷場發射式電子槍。其電子源直徑比冷式大,所以影像分辨率也比冷場發射式稍差一點。


  17. 場發射放大倍率由25倍到650000倍,在使用加速電壓15kV時,分辨率可達到1nm,加速電壓1kV時,分辨率可達到2.2nm。一般鎢絲型的掃描式電子顯微鏡儀器上的放大倍率可到200000倍,實際操作時,大部份均在20000倍時影像便不清楚了,但如果樣品的表面形貌及導電度合適,最大倍率 650000倍是可以達成的。


  18. 由于對真空的要求較高,有些儀器在電子槍及磁透鏡部份配備了3組離子泵(ion pump),在樣品室中,配置了2組擴散泵(diffusion pump),在機體外,以1組機械泵負責粗抽,所以有6組大小不同的真空泵來達成超高真空的要求,另外在樣品另有以液態氮冷卻的冷阱(cold trap),協助保持樣品室的真空度。


  19. 平時操作,若要將樣品室真空亦保持在10-8pa(10-10torr),則抽真空的時間將變長而降低儀器的便利性,更增加儀器購置成本,因此一些儀器設計了階段式真空(step vacuum),亦即使電子槍、磁透鏡及樣品室的真空度依序降低,并分成三個部份來讀取真空計讀數,如此可將樣品保持在真空度10-5pa的環境下即可操作。平時待機或更換樣品時,為防止電子槍污染,皆使用真空閥(gun valve)將電子槍及磁透鏡部份與樣品室隔離,實際觀察時再打開使電子束通過而打擊到樣品。


  20. 場發射式電子槍的電子產生率與真空度有密切的關系,其使用壽命也隨真空度變差而急劇縮短,因此在樣品制備上必須非常注意水氣,或固定用的碳膠或銀膠是否烤干,以免在觀察的過程中,真空陡然變差而影響燈絲壽命,甚至系統當機。


  21. 在電子顯微鏡中須考慮到的像差(aberration)包括:衍射像差(diffraction aberration)、球面像差(spherical aberration)、散光像差(astigmatism)及波長散布像差(即色散像差,chromatic aberration)。


  22. 面像差為物鏡中主要缺陷,不易校正,因偏離透鏡光軸之電子束偏折較大,其成像點較沿軸電子束成像之高斯成像平面(Gauss image plane)距透鏡為近。


  23. 散光像差由透鏡磁場不對稱而來,使電子束在二互相垂直平面之聚焦落在不同點上。散光像差一般用散光像差補償器(stigmator)產生與散光像差大小相同、方向相反的像差校正,目前電子顯微鏡其聚光鏡及物鏡各有一組散光像差補償器。


  24. 光圈衍射像差(Aperture diffraction):由于電子束通過小光圈電子束產生衍射現象,使用大光圈可以改善。


  25. 色散像差(Chromatic aberration):因通過透鏡電子束能量差異,使得電子束聚焦后并不在同一點上。


  26. 電子束和樣品作用體積(interaction volume),作用體積約有數個微米(μm)深,其深度大過寬度而形狀類似梨子。此形狀乃源于彈性和非彈性碰撞的結果。低原子量的材料,非彈性碰撞較可能,電子較易穿進材料內部,較少向邊側碰撞,而形成梨子的頸部,當穿透的電子喪失能量變成較低能量時,彈性碰撞較可能,結果電子行進方向偏向側邊而形成較大的梨形區域。


  27. 在固定電子能量時,作用體積和原子序成反比,乃因彈性碰撞之截面積和原子序成正比,以致電子較易偏離原來途徑而不能深入樣品。


  28. 電子束能量越大,彈性碰撞截面積越小,電子行走路徑傾向直線而可深入樣品,作用體積變大。


  29. 電子束和樣品的作用有兩類,一為彈性碰撞,幾乎沒有損失能量,另一為非彈性碰撞,入射電子束會將部份能量傳給樣品,而產生二次電子、背向散射電子、俄歇電子、X光、長波電磁放射、電子-空位對等。這些信號可供SEM運用者有二次電子、背向散射電子、X光、陰極發光、吸收電子及電子束引起電流(EBIC) 等。


  30. 二次電子(Secondary Electrons):電子束和樣品作用,可將傳導能帶(conduction band)的電子擊出,此即為二次電子,其能量約 < 50eV。由于是低能量電子,所以只有在距離樣品表面約50~500?深度范圍內所產生之二次電子,才有機會逃離樣品表面而被偵測到。由于二次電子產生的數量,會受到樣品表面起伏狀況影響,所以二次電子影像可以觀察出樣品表面之形貌特征。


  31. 背向散射電子(Backscattered Electrons):入射電子與樣品子發生彈性碰撞,而逃離樣品表面的高能量電子,其動能等于或略小于入射電子的能量。背向散射電子產生的數量,會因樣品元素種類不同而有差異,樣品中平均原子序越高的區域,釋放出來的背向散射電子越多,背向散射電子影像也就越亮,因此背向散射電子影像有時又稱為原子序對比影像。由于背向散射電子產生于距樣品表面約5000?的深度范圍內,由于入射電子進入樣品內部較深,電子束已被散射開來,因此背向散射電子影像分辨率不及二次電子影像。


  32. X光:入射電子和樣品進行非彈性碰撞可產生連續X光和特征X光,前者系入射電子減速所放出的連續光譜,形成背景決定最少分析之量,后者系特定能階間之能量差,可藉以分析成分元素。


  33. 電子束引致電流(Electron-beam induced Current , EBIC):當一個p-n接面(Junction)經電子束照射后,會產生過多的電子-空位對,這些載子擴散時被p-n接面的電場收集,外加線路時即會產生電流。


  34. 陰極發光(Cathodoluminescence):當電子束產生之電子-空位對再結合時,會放出各種波長電磁波,此為陰極發光(CL),不同材料發出不同顏色之光。


  35. 樣品電流(Specimen Current):電子束射到樣品上時,一部份產生二次電子及背向散射電子,另一部份則留在樣品里,當樣品接地時即產生樣品電流。


  36. 電子偵測器有兩種,一種是閃爍計數器偵測器(Scintillator),常用于偵測能量較低的二次電子,另一種是固態偵測器(solid state detector),則用于偵測能量較高的反射電子。


  37. 影響電子顯微鏡影像品質的因素:

  A. 電子槍的種類:使用場發射、LaB6或鎢絲的電子槍。

  B. 電磁透鏡的完美度。

  C. 電磁透鏡的型式: In-lens ,semi in-lens, off-lens

  D. 樣品室的潔凈度: 避免粉塵、水氣、油氣等污染。

  E. 操作條件: 加速電壓、工作電流、儀器調整、樣品處理、真空度。

  F. 環境因素: 振動、磁場、噪音、接地。


  38. 如何做好SEM的影像,一般由樣品的種類和所要的結果來決定觀察條件,調整適當的加速電壓、工作距離 (WD)、適當的樣品傾斜,選擇適當的偵測器、調整合適的電子束電流。


  39. 一般來說,加速電壓提高,電子束波長越短,理論上,只考慮電子束直徑的大小,加速電壓愈大,可得到愈小的聚焦電子束,因而提高分辨率,然而提高加速電壓卻有一些不可忽視的缺點:

  A. 無法看到樣品表面的微細結構。

  B. 會出現不尋常的邊緣效應。

  C. 電荷累積的可能性增高。

  D. 樣品損傷的可能性增高。

  因此適當的加速電壓調整,才可獲得最清晰的影像。


  40. 適當的工作距離的選擇,可以得到最好的影像。較短的工作距離,電子訊號接收較佳,可以得到較高的分辨率,但是景深縮短。較長的工作距離,分辨率較差,但是影像景深較長,表面起伏較大的樣品可得到較均勻清晰的影像。


  41. SEM樣品若為金屬或導電性良好,則表面不需任何處理,可直接觀察。若為非導體,則需鍍上一層金屬膜或碳膜協助樣品導電,膜層應均勻無明顯特征,以避免干擾樣品表面。金屬膜較碳膜容易鍍,適用于SEM影像觀察,通常為Au或Au-Pd合金或Pt。而碳膜較適于X光微區分析,主要是因為碳的原子序低,可以減少X光吸收。


  42. SEM樣品制備一般原則為:

  A. 顯露出所欲分析的位置。

  B. 表面導電性良好,需能排除電荷。

  C. 不得有松動的粉末或碎屑(以避免抽真空時粉末飛揚污染鏡柱體)。

  D. 需耐熱,不得有熔融蒸發的現象。

  E. 不能含液狀或膠狀物質,以免揮發。

  F. 非導體表面需鍍金(影像觀察)或鍍碳(成份分析)。


  43. 鍍導電膜的選擇,在放大倍率低于1000倍時,可以鍍一層較厚的Au,以提高導電度。放大倍率低于10000倍時,可以鍍一層Au來增加導電度。放大倍率低于100000倍時,可以鍍一層Pt或Au-Pd合金,在超過100000時,以鍍一層超薄的Pt或Cr膜較佳。


  44. 電子束與樣品作用,當內層電子被擊出后,外層電子掉入原子內層電子軌道而放出X光,不同原子序,不同能階電子所產生的X光各不相同,稱為特征X光,分析特征X光,可分析樣品元素成份。


  45. 分析特征X光的方式,可分析特征X光的能量分布,稱為EDS,或分析特征X光的波長,稱為WDS。X光能譜的分辨率,在EDS中約有100~200eV的分辨率,在WDS中則有5~10eV的分辨率。由于EDS的分辨率較WDS差,因此在能譜的解析上,較易產生重迭的情形。


  46. 由于電子束與樣品作用的作用體積(interaction volume)的關系,特征X光的產生和作用體積的大小有關,因此在平面的樣品中,EDS或WDS的空間分辨率,受限于作用體積的大小。


相關應用


掃描電鏡是一種多功能的儀器、具有很多優越的性能、是用途最為廣泛的一種儀器.它可以進行如下基本分析: 


1、觀察納米材料:其具有很高的分辨率,可以觀察組成材料的顆?;蛭⒕С叽缭?.1-100nm范圍內,在保持表面潔凈的條件下加壓成型而得到的固體材料。


2、材料斷口的分析:其景深大,圖象富立體感,具有三維形態,能夠從斷口形貌呈現材料斷裂的本質,在材料斷裂原因的分析、事故原因的分析以及工藝合理性的判定等方面是一個強有力的手段。 


3、直接觀察大試樣的原始表面:它能夠直接觀察直徑100mm,高50mm,或更大尺寸的試樣,對試樣的形狀沒有任何限制,粗糙表面也能觀察,這便免除了制備樣品的麻煩,而且能真實觀察試樣本身物質成分不同的襯度(背散射電子象)。                          


4、觀察厚試樣:其在觀察厚試樣時,能得到高的分辨率和最真實的形貌。


5、觀察試樣的各個區域的細節:試樣在樣品室中可動的范圍非常大,可以在三度空間內有6個自由度運動(即三度空間平移、三度空間旋轉),這對觀察不規則形狀試樣的各個區域帶來極大的方便。 


6、在大視場、低放大倍數下觀察樣品,用掃描電鏡觀察試樣的視場大:大視場、低倍數觀察樣品的形貌對有些領域是很必要的,如刑事偵察和考古。

 

7、進行從高倍到低倍的連續觀察:掃描電鏡的放大倍數范圍很寬(從5到20萬倍連續可調),且一次聚焦好后即可從高倍到低倍、從低倍到高倍連續觀察,不用重新聚焦,這對進行分析特別方便。 


8、觀察生物試樣:由于電子照射面發生試樣的損傷和污染程度很小,這一點對觀察一些生物試樣特別重要。 


9、進行動態觀察:如果在樣品室內裝有加熱、冷卻、彎曲、拉伸和離子刻蝕等附件,則可以觀察相變、斷烈等動態的變化過程。 


10、從試樣表面形貌獲得多方面資料:因為掃描電子象不是同時記錄的,它是分解為近百萬個逐次依此記錄構成的。使得掃描電鏡除了觀察表面形貌外還能進行成分和元素的分析,以及通過電子通道花樣進行結晶學分析,選區尺寸可以從10μm到3μm。 


現在掃描電鏡已廣泛用于材料科學(金屬材料、非金屬材料、納米材料)、冶金、生物學、醫學、半導體材料與器件、地質勘探、病蟲害的防治、災害(火災、失效分析)鑒定、刑事偵察、寶石鑒定、工業生產中的產品質量鑒定及生產工藝控制等。


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