SEM電子顯微鏡與電子探針

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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 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 SEMand 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 制 一 個 同 步 掃 描 的 顯 象 管 在 相 應 位 置 的 亮 度 而 成 象 的

2、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 )( 226.1 nmE 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 - 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 用 基 本

3、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 的 分 析 技 術(二 ) 信 息 深 度(三 ) 電 子 作 為 探 束 的 分 析 技 術 特 點 (一 )電 子 與 表 面 相 互 作 用 及 與 之 相 關 的 分 析 技 術 1 信 息 種 類 及 相 應 的 分 析 技 術 ： 背 散 射 ： 經(jīng) 彈 性 散 射 或 一 次 非 彈 性 散 射 后 以 90 射 出 表 面 ， E Ep 特 征 能 量 損 失 多 次 散 射 后 射 出 形 成 本 底 在 樣

4、品 中 停 止 ， 變 為 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 層 電 子 激 發(fā) (AES) 特 征 X射 線 ： 內 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

5、 的 平 均 值 。 衰 減 長 度 ： I = Ioe t/ 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 電 子 能 量 的 關 系 ： 實 驗 結 果 ： 經(jīng) 驗 公 式 ： = (A i/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

6、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 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 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 0.1-1 m 產 生 大 量 二 次 電 子 ， 產 生 少 量

7、二 次 電 子 ， 信 噪 比 差 信 噪 比 好電 子 探 束 光 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 ， 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)

8、 與 掃 描 面 積 的 關 系 ： (若 熒 光 屏 畫 面 面 積 為 10 10cm2) 放 大 倍 數(shù) 掃 描 面 積 10 (1cm)2 100 (1mm)2 1,000 (100 m) 2 10,000 (10 m)2 100,000 (1 m)2AcAsK 三 、 主 要 參 數(shù) 2 分 辨 率 樣 品 上 可 以 分 辨 的 兩 個 鄰 近 的 質 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

9、能 小 于 初 級 束 斑 入 射 電 子 在 樣 品 中 的 散 射 效 應 對 比 度 3 景 深 一 般 景 深 的 定 義 ： SEM的 景 深 ：對 于 SEM， 雖 沒 有 實 際 的 成 象 透 鏡 ， 但 景 深 的 意 義是 相 同 的 。 在 D深 度 范 圍 內 ， 中 心 處 為 最 佳 聚 焦當 dp 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 Z 1、 Z2原 子 序 數(shù) 相 差遠 ， 則 襯 度 很 高2 12S SS 2 12 原 子 序 數(shù) W:

10、 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

11、要 利 用 形 貌 襯 度 成 分 襯 度 收 集 極 +250 500V 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

12、(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 的 常 數(shù)對 材 料 要 求 ： 功 函 數(shù) 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 BaB 6 2.7eV 1400-2000 化 學 性 質 活 潑 要 求 10 4Pa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

13、 子 隧 道 效 應 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