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1、一、簡介 二、基本物理概念 三、主要參數(shù) 四、工作模式與襯度原理 五、主要部件 六、應(yīng)用舉例 七、電子探針,掃描電子顯微鏡與電子探針 (Scanning Electron Microscope 簡稱SEM and Electron Probe Micro-analysis 簡稱EPMA ),一、簡介,SEM是利用聚焦電子束在樣品上掃描時激發(fā)的某種物理信號來調(diào)制一個同步掃描的顯象管在相應(yīng)位置的亮度而成象的顯微鏡。,與普通顯微鏡的差別：,電子波長 E為電子能量，單位 eV 當 E = 30KeV 時, 0.007nm,普通顯微鏡 SEM 基本原理 光折射成象 同步掃描 入射束波長 400
2、 - 700 nm 能量為E的電子 放大倍數(shù) 1600 幾十萬 分辨率 200 nm 1.5 nm 景深 是普通顯微鏡的300倍,學習的重要性： 是形貌分析的重要手段 二次電子象在其它分析儀器中的應(yīng)用 基本物理概念、儀器參數(shù)及基本單元的通用性,二、基本物理概念 (一) 電子與表面相互作用及與之相關(guān)的分析技術(shù) (二) 信息深度 (三) 電子作為探束的分析技術(shù)特點,(一)電子與表面相互作用及與之相關(guān)的分析技術(shù) 1信息種類及相應(yīng)的分析技術(shù)： 背散射：經(jīng)彈性散射或一次非彈性散射后 以 90射出表面， EEp 特征能量損失 多次散射后射出形成本底 在樣品中停止，變?yōu)?/p>
3、吸收電流 從樣品透射 (TEM), 二次電子：外層價電子激發(fā) (SEM) 俄歇電子：內(nèi)層電子激發(fā) (AES) 特征X射線：內(nèi)層電子激發(fā) (EPMA) 連續(xù)X射線：軔致輻射(本底） 對于半導體材料： 陰極熒光 電子束感生電流,2檢測電子的能量分布,(二) 信息深度 非彈性散射平均自由程： 具有一定能量的電子連續(xù)發(fā)生兩次非彈性碰撞 之間所經(jīng)過的距離的平均值。 衰減長度：I = Ioet/ 當電子穿過t = 厚的覆蓋層后，它的強度 將衰減為原來的1/e,稱為衰減長度。 通常近似地把衰減長度當作電子的非彈性散射平均 自由程，亦稱為逸出深度。 衰減長度和
4、電子能量的關(guān)系： 實驗結(jié)果： 經(jīng)驗公式：= (Ai/E2)+BiE1/2 其中A、B對于不同的元素及化合物 有不同的值., 信息深度：信號電子所攜帶的信息來自多厚的表面層？ 通常用出射電子的逃逸深度來估計。 但是當出射電子以同表面垂直方向成角射出時，電子所反映的信息深度應(yīng)該是： d =cos 激發(fā)深度與信息深度：,在掃描電鏡中，由電子激發(fā)產(chǎn)生的主要信號的信息深度： 俄歇電子 1 nm (0.5-2 nm) 二次電子 5-50 nm 背散射電子 50-500 nm X射線 0.1-1m,產(chǎn)生大量二次電子， 產(chǎn)生少量二次電子， 信噪比差 信噪比好,電子探束 光
5、子探束,(三) 電子作為探束的特點,碰撞中Ep E， 碰撞中h=E，自身湮沒 損失部分能量后射出,可聚焦、偏轉(zhuǎn)，獲得 不易聚焦，束斑大且強度低 小束斑和高強度,電子束源價格低廉 X光源復雜，價格較貴 宜為外層價電子電離源 宜為芯層電子電離源,1放大倍數(shù) 熒光屏上的掃描振幅 電子束在樣品上的掃描振幅 放大倍數(shù)與掃描面積的關(guān)系： (若熒光屏畫面面積為1010cm2) 放大倍數(shù) 掃描面積 10 (1cm)2 100 (1mm)2 1,000 (100m)2 10,000 (10m)2 100,000
6、 (1m)2,三、主要參數(shù),2分辨率 樣品上可以分辨的兩個鄰近的質(zhì)點或線條間的距離。 如何測量：拍攝圖象上，亮區(qū)間最小暗間隙寬度 除以放大倍數(shù)。 影響分辨率的主要因素： 初級束斑：分辨率不可能小于初級束斑 入射電子在樣品中的散射效應(yīng) 對比度,3景深 一般景深的定義：,四、工作模式與襯度原理 (一)二次電子象 (二)背散射電子象 (三)二次電子象與背散射電子象的比較 工作模式：依賴于用哪種物理量來調(diào)制顯象管 二次電子象模式 背散射電子象模式 襯度： (對比度，是得到圖象的最基本要素) S為檢測信號強度,(一) 二次電子象 1. 形貌
7、襯度 二次電子產(chǎn)額 = Is/Ip 1 / cos 為入射電子束與樣品法線的夾角, 尖、棱、角處增加 溝、槽、孔、穴處減小,,,2. 成分襯度 3. 電位襯度,2. 晶向襯度,3成分襯度 背散射電子產(chǎn)額與原子序數(shù)關(guān)系: 當Ep = 20keV以下，則 = -0.0254 + 0.016Z -1.86104Z2+8.3107Z3 設(shè)有兩平坦相鄰區(qū)域，分別由Z1 和Z2 純元素組成， 且 Z2 Z1 則襯度 C = = S 為檢測信號強度 為背散射電子強度,當Z1、Z2原子序數(shù)相鄰，則襯度很低 當Z1、Z2原子序數(shù)相差遠，則襯度
8、很高,原子序數(shù) W: 74 Ti: 22 Si: 14 Al: 13 O: 8 N: 7,如何排除表面不平坦因素？ 表面拋光 采用雙通道檢測器及信號處理,(三)二次電子象與背散射電子象的比較 信號檢測系統(tǒng)--- 閃爍體計數(shù)器 柵網(wǎng) +250-500V 二次電子象 -50V 背散射電子象 閃爍體 6-10kV 吸引、加速電子 撞擊閃爍體發(fā)光 光導管 光子倍增器,二次電子象與背散射電子象的比較 二次電子象 背散射象 主要利用 形貌襯度 成分襯度 收集極 +250500V
9、50V 分辨率 高 較差 無陰影 有陰影 信號大，信噪比好,五、主要部件 電子光學系統(tǒng) 掃描系統(tǒng) 信號檢測系統(tǒng) 圖象顯示系統(tǒng) 電源系統(tǒng)和真空系統(tǒng) 電子光學系統(tǒng)： 初級束要求：束斑盡可能小 電流盡可能大 取折衷 (一)電子源 (二)電子槍,(一) 電子源 1熱發(fā)射源 當溫度超過一定值時，有較多的電子具有克服表面勢壘 (功函數(shù)) 的動能而逃離金屬射出。 J = AT2exp(-/kT) J：陰極發(fā)射電流 T：陰極溫度 A：與材料有關(guān)的常數(shù) 對材料要求：功函數(shù)
10、小，熔點高 功函數(shù) 工作溫 度 特點 W陰極 4.5eV 2500-2800 穩(wěn)定、制備簡單 BaB6 2.7eV 1400-2000 化學性質(zhì)活潑 要求104Pa以上真空 特殊夾持材料,,2場發(fā)射源 冷場致發(fā)射 當尖處電場強度 105 V/m 時 表面勢壘寬度 < 10nm 量子隧道效應(yīng)成為發(fā)射主導機制 在室溫下，大多數(shù)電子的能量還不足以克服已 降低了的勢壘，但仍有一部分電子能穿過勢壘而 發(fā)射。 熱場致發(fā)射,(二) 電子槍 1三級電子槍 F：燈絲 負高壓 發(fā)射電子 A：陽極 接地 F、A間形成對電子的加速場 W：柵極 負偏壓 (相對于陰極) 讓電子只通過柵孔 聚焦透鏡作用：在陽極附近形成交叉點,2場發(fā)射槍 發(fā)射出來的電子在陰極尖后形成交叉虛象， 直徑100 。 高電流發(fā)射密度+小交叉點 比W陰極高1000倍的亮度 減小束斑 提高儀器分辨率,,,W針尖的制備,六、小結(jié),
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