第四章掃描電子顯微鏡

1、第四章 掃描電子顯微鏡 一.掃描電鏡的特點(diǎn) 它是近幾十年來(lái)獲得迅速發(fā)展的電子顯微分 析儀器，它即可用來(lái)直接觀察試樣的表面形貌， 又可以對(duì)試樣表面進(jìn)行成分分析。與反射式光 學(xué)顯微鏡比較，具有分辯率高，視野大，景深 長(zhǎng)，圖象實(shí)于立體感及放大倍數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，與 透射電鏡比較，個(gè)別樣非常簡(jiǎn)單，導(dǎo)電試樣可 直接觀察，可觀察大試樣，不破壞試樣表面， 分析簡(jiǎn)單。它是進(jìn)行試樣表面形貌分析的有效 工具，尤其適用于金屬斷口的形貌觀察及斷裂 原因分析。 二.掃描電鏡的工作原理 如書上圖5-1所示（P212),在高電壓作用下， 從電子槍射出來(lái)的電子束往聚光鏡和物鏡聚焦成 很細(xì)的高能電子束，在掃描線圈的作用下，在試 樣的

2、表面進(jìn)行幀掃描。電子束與試樣表面物質(zhì)相 互作用產(chǎn)生背散射電子，二次電子等各種信息， 探測(cè)器將這些信號(hào)接受，經(jīng)放大器放大去調(diào)節(jié)顯 像管的柵極，并在熒光屏上顯示出襯度。 信號(hào)收集極由接收極，熒光閃爍體，光導(dǎo)管， 光電倍增管及前置放大器組成。 三.放大倍數(shù)與分辨本領(lǐng) 如前說(shuō)述，掃描電鏡的成象原理是用細(xì)聚焦 電子束在樣品表面掃描時(shí)激發(fā)所產(chǎn)生的某些物 理信號(hào)來(lái)調(diào)制成象，由于采用鏡面電子束在試 樣表面掃描與顯象管掃描嚴(yán)格同步，因此，熒 光屏上的圖象應(yīng)與電子束掃過(guò)試樣表面一致， 其大小成比例，其比例關(guān)系即定義為掃描電鏡 的放大倍數(shù)。即： M=顯像管熒光屏面積/電子束掃過(guò)試樣表面面積 =S/A 由于S固定,因

3、此,改變鏡筒電子束掃描偏轉(zhuǎn)線圈 的電流,就可以改變電子束掃過(guò)試樣表面的面積 A,從而實(shí)現(xiàn)倍數(shù)M的調(diào)節(jié). 為了實(shí)現(xiàn)不同觀察及照相記錄的需要,幾乎所有 電鏡均設(shè)有幾種掃描速度以供選擇,即電視(T.V) 掃描,快掃描(0.50.8秒),中速掃描(幀幅時(shí)間 1.53.0秒),慢速掃描(710秒)及照相掃描 (5080秒). 所謂分辨本領(lǐng)就是能夠辯認(rèn)物體細(xì)節(jié)的本領(lǐng),以 能分清出兩點(diǎn)或兩細(xì)節(jié)間的最短距離來(lái)衡量.顯然, 這與細(xì)節(jié)的形狀及其相對(duì)與環(huán)境的反差有關(guān). 掃描電鏡的分辨本領(lǐng)約為30100,肉眼能分清 熒光屏上大小d=0.2mm的距離,那么掃描電鏡的有 效放大倍數(shù)M應(yīng)為: M= d/d=0.2mm/10

4、0 =2104 即放大2萬(wàn)倍. 影響分辨率的主要因素: 入射電子束斑的大小(入射斑點(diǎn)的直徑) 試樣對(duì)入射電子的散射 信號(hào)/噪音比 四.掃描電鏡圖象的景深 其一個(gè)重要的特點(diǎn)就是圖象的景深長(zhǎng),有明顯 的立體感,但在這里著重指出,掃描電鏡的景深 與第二章所述的電磁透射鏡的景深有完全不同 的概念,因?yàn)閽呙桦婄R的成象原理及其放大方法 與電磁透鏡成象的放大方法完全不同,掃描電鏡 純屬幾何放大. 掃描電鏡成象要依靠高能電子 束 激發(fā)試樣產(chǎn)生的二次電子或背散射電子,這些電 子是經(jīng)過(guò)雙聚光鏡及物鏡高度聚焦后才射到試 樣表面的.由于物鏡的焦深長(zhǎng),因此,在試樣表面 凹凸不平的位置上都能滿足聚焦條件而獲得清 晰的圖象

5、.從本質(zhì)上說(shuō),掃描電鏡的景深是來(lái)源 于物鏡的焦深.這是由于物鏡的焦深長(zhǎng),才能使 得粗糙不平的試樣表面上很寬的深度范圍都滿 足適焦條件使得圖象具有明顯的立體感. 它主要是利用試樣表面在高能電子束所激發(fā)出來(lái) 的二次電子或背散射電子信號(hào),通過(guò)接收放大在 熒光屏上顯示出來(lái).它的襯度首先取決于信號(hào)性 質(zhì)即二次電子或背散射電子,其次取決于試樣材 料本身的性質(zhì).特別是試樣表面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì).例 如凹凸不平情況,成分差別,晶體取向及表面電位 分布等.除此之外,掃描電鏡成象還涉及到電子光 學(xué)系統(tǒng).如電子束斑的大小和象散,因此,也將影響 到圖象的襯度.最后,成象不是直接由二次電子或 背散射電子顯象,而必須經(jīng)過(guò)一系列

6、的電子線路 將它們放大并在熒光屏上掃描顯示 五. 掃描電鏡的圖象襯度原理 因此,人為的對(duì)信號(hào)的處理,如灰度控制等(就象看 電視調(diào)節(jié))也將影響圖象的襯度. 當(dāng)然最重要的 還是電子信號(hào)和試樣本身的性質(zhì). 在掃描電鏡做形貌觀察時(shí),一般都采用二次電子 信號(hào),二次電子成象具有下列幾個(gè)特點(diǎn): 1.二次電子空間分辨率高:二次電子能量低 (250ev),一般從50100內(nèi)的表層逸出,面積 與入射電子的照射面積相近,所以分辨率高.它 有利于用來(lái)觀察極細(xì)小的細(xì)節(jié).如斷口的微區(qū)結(jié) 構(gòu),分析裂紋源的形成與發(fā)展. 2. 二次電子能量低,電子軌跡容易彎曲,二次電子 象不形成背影.在收集極上加上250伏電壓,低能 的二次電子在正電場(chǎng)作用下折向收集極,它不但 增強(qiáng)了有效收集立體角,提高二次電子所具有的 這種翻越障礙,是曲線進(jìn)入檢測(cè)器的能力,使得 試樣表面凹坑內(nèi)部的細(xì)節(jié)也能被清楚的顯示出 來(lái),使二次電子象具有整體的立體感. 3. 二次電子的產(chǎn)額(=Is/Ip, Is激發(fā)的二次電子 流, Ip入射電子流)強(qiáng)烈地依靠于入射電子束 與試樣表面法線間的夾角,對(duì)于光滑試樣表面 ,入射電子束能量大于1kev時(shí),二次電子產(chǎn)額與 關(guān)系為: 1/cos . 旋轉(zhuǎn)試樣,改變角,可測(cè)得 與的關(guān)系. 這是因?yàn)?增大,入射電子束在試樣內(nèi)運(yùn) 動(dòng)的總軌跡增長(zhǎng),電子增多; 增大,作用體積 接近表面層,因而作用體