掃描電子顯微鏡概覽

 

 

掃描式電子顯微鏡的電子束不穿過樣品，僅在樣品表面掃描激發(fā)出次級電子。放在樣品旁的閃爍晶體接收這些次級電子，通過放大后調制顯像管的電子束強度，從而改變顯像管熒光屏上的亮度。顯像管的偏轉線圈與樣品表面上的電子束保持同步掃描，這樣顯像管的熒光屏就顯示出樣品表面的形貌圖像，這與工業(yè)電視機的工作原 理相類似。

掃描式電子顯微鏡的分辨率主要決定于樣品表面上電子束的直徑。放大倍數是顯像管上掃描幅度與樣品上掃描幅度之比，可從幾十 倍連續(xù)地變化到幾十萬倍。掃描式電子顯微鏡不需要很薄的樣品；圖像有很強的立體感；能利用電子束與物質相互作用而產生的次級電子、吸收電子和 X射線等信息分析物質成分。

掃描式電子顯微鏡的電子槍和聚光鏡與透射式電子顯微鏡的大致相同，但是為了使電子束更細，在聚光鏡下又增加了物鏡和消像散器，在物鏡內部還裝有兩組互相垂直的掃描線圈。物鏡下面的樣品室內裝有可以移動、轉動和傾斜的樣品臺。

 

 

掃描電鏡是用聚焦電子束在試樣表面逐點掃描成像。試樣為塊狀或粉末顆 粒，成像信號可以是二次電子、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。由電子槍發(fā)射的能量為 5 ～ 35keV 的電子，以其交 叉斑作為電子源，經二級聚光鏡及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強度和束斑直徑的微細電子束，在掃描線圈驅動下，于試樣表面按一定時間、空間順序作柵網式掃描。聚焦電子束與試樣相互作用，產生二次電子發(fā)射（以及其它物理信號），二次電子發(fā)射量隨試樣表面形貌而變化。二次電子信號被探測器收集 轉換成電訊號，經視頻放大后輸入到顯像管柵極，調制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映試樣表面形貌的二次電子像。

 

 

掃描電子顯微鏡由三大部分組成：真空系統(tǒng)，電子束系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)。

 

 

真空系統(tǒng)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槍的SEM的真空要求，但對于裝置了場致發(fā)射槍或六硼化鑭槍的SEM,則需要機械泵加渦輪分子泵的組合。

成象系統(tǒng)和電子束系統(tǒng)均內置在真空柱中。真空柱底端即為右圖所示的密封室，用于放置樣品。

之所以要用真空，主要基于以下兩點原因：

電子束系統(tǒng)中的燈絲在普通大氣中會迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM時需要用真空以外，平時還需要以純氮氣或惰性氣體充滿整個真空柱。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。

電子束系統(tǒng)

電子束系統(tǒng)由電子槍和電磁透鏡兩部分組成，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，主要有兩大類，共三種。

一類是利用場致發(fā)射效應產生電子，稱為場致發(fā)射電子槍。這種電子槍極其昂貴，在十萬美元以上，且需要小于10-10torr的極高真空。但它具有至少1000小時以上的壽命，且不需要電磁透鏡系統(tǒng)。

另一類則是利用熱發(fā)射效應產生電子，有鎢槍和六硼化鑭槍兩種。鎢槍壽命在30～100小時之間，價格便宜，但成象不如其他兩種明亮，常作為廉價或標準SEM 配置。六硼化鑭槍壽命介于場致發(fā)射電子槍與鎢槍之間，為200～1000小時，價格約為鎢槍的十倍，圖像比鎢槍明亮5～10倍，需要略高于鎢槍的真空，一 般在10-7torr以上；但比鎢槍容易產生過度飽和和熱激發(fā)問題。

熱發(fā)射電子需要電磁透鏡來成束，所以在用熱發(fā)射電子槍的SEM上，電磁透鏡必不可少。通常會裝配兩組：
匯聚透鏡：顧名思義，匯聚透鏡用匯聚電子束，裝配在真空柱中，位于電子槍之下。通常不止一個，并有一組匯聚光圈與之相配。但匯聚透鏡僅僅用于匯聚電子束，與成象會焦無關。

物鏡：物鏡為真空柱中最下方的一個電磁透鏡，它負責將電子束的焦點匯聚到樣品表面。

成像系統(tǒng)

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，會產生次級電子、背散射電子、歐革電子以及X射線等一系列信號。所以需要不同的探測器譬如次級電子探測器、X射線能譜分析儀等來區(qū)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(tǒng)劃分到成象系統(tǒng)中。
有些探測器造價昂貴，比如Robinsons式背散射電子探測器，這時，可以使用次級電子探測器代替，但需要設定一個偏壓電場以篩除次級電子。

 

 

(1)  可以觀察直徑為 ‘ 0 ～ 30mm 的大塊試樣(在半導體工業(yè)可以觀察更大直徑)，制樣方法簡單。

 

(2) 場深大、三百倍于光學顯微鏡，適用于粗糙表面和斷口的分析觀 察；圖像富有立體感、真實感、易于識別和解釋。

(3) 放大倍數變化范圍大，一般為 15 ～ 200000 倍，最大可達 10 ～ 1000000 倍，對于多相、多組成的非均勻材料便于低倍下的普查和高倍下的觀察分析。

(4) 具有相當的分辨率，一般為 2 ～ 6nm ，最高可達0.5nm 。

(5) 可以通過電子學方法有效地控制和改善圖像的質量，如通過，調制 可改善圖像反差的寬容度，使圖像各部分亮暗適中。采用雙放大倍數裝 置或圖像選擇器，可在熒光屏上同時觀察不同放大倍數的圖像或不同形式的圖像。

(6) 可進行多種功能的分析。與 X 射線譜儀配接，可在觀察形貌的同時 進行微區(qū)成分分析；配有光學顯微鏡和單色儀等附件時，可觀察陰極熒光圖像和進行陰極熒光光譜分析等。

(7) 可使用加熱、冷卻和拉伸等樣品臺進行動態(tài)試驗，觀察在不同環(huán)境 條件下的相變及形態(tài)變化等。