掃描電子顯微鏡的發(fā)展及展望

掃描電子顯微鏡的開展及展望1、分析掃描電鏡和X射線能譜儀目前,使用最廣的常規(guī)鴇絲陰極掃描電鏡的分辨本領(lǐng)已達3.5nm左右,加速電壓范圍為0.2—30kM掃描電鏡配備X射線能譜儀EDS后開展成分析掃描電鏡,不僅比X射線波譜儀WDS分析速度快、靈敏度高、也可進行定性和無標樣定量分析.EDS開展十分迅速,已成為儀器的一個重要組成局部,甚至與其融為一體.但是,EDS也存在缺乏之處,如能量分辨率低,一般為12A155eV,以及Si(Li)晶體需在低溫下使用(液氮冷卻)等.X射線波譜儀分辨率那么高得多,通常為5-10eV,且可在室溫下工作.1972年起EDAX公司開展了一種ECON系列無窗口探測器,可滿足分析超輕元素時的一些特殊需求,但Si(Li)晶體易受污染.1987年Kevex公司開發(fā)了能承受一個大氣壓力差的ATW超薄窗,防止了上述缺點,可以探測到B,C,N,O等超輕元素,為大量應(yīng)用創(chuàng)造了條件.目前,美國Kevex公司的Quantifier,Noran公司的Extreme,Link公司的Ultracool,EDAX公司的Sapphire等Si(Li)探測器都屬于這種單窗口超輕元素探測器,分辨率為129eV,133eV等,探測范圍擴展到了5B-92U.為克服傳統(tǒng)Si(Li)探測器需使用液氮冷卻帶來的不便,1989年Kevex公司推出了可不用液氮的Superdry探測器,Noran公司也生產(chǎn)了用溫差電制冷的Freedom探測器(配有小型冷卻循環(huán)水機),和壓縮機制冷的Cryocooled探測器.這兩種探測器必須晝夜24小時通電,適合于無液氮供給的單位.現(xiàn)在使用的大多還是改良的液氮冷卻Si(Li)探測器,只需在實際工作時參加液氮冷卻,平時不必維持液氮的供給.最近開展起來的高純錯Ge探測器,不僅提升了分辨率,而且擴大了探測的能量范圍(從25keV擴展到100keV),特別適用于透射電鏡：如Link的GEM型的分辨率已優(yōu)于115eV(MnKa開口65eV(FKa)Noran的ExplorerGe探測器,探測范圍可達100keV等.1995年中國科學(xué)院上海原子核研究所研制成了Si(Li)探測器,能量分辨率為152eVo中國科學(xué)院北京科學(xué)儀器研制中央也生產(chǎn)了X射線能譜分析系統(tǒng)Finder-1000,硬件借鑒Noran公司的功能電路,配以該公司的探測器,采用Windows操作系統(tǒng),開發(fā)了自己的圖形化能譜分析系統(tǒng)程序.2、X射線波譜儀和電子探針儀現(xiàn)代SEM大多配置了EDS探測器以進行成分分析.當(dāng)需低含量、精確定量以及超輕元素分析時,那么可再增加1到4道X射線波譜儀WDS.Microspec公司的全聚焦WDX-400,WDX-600型分別配有4塊和6塊不同的衍射晶體,能檢測到5B(4Be)以上的各種元素.該譜儀可以傾斜方式裝在掃描電鏡試樣室上,以便對水平放置的試樣進行分析,而不必如垂直譜儀那樣需用光學(xué)顯微鏡來精確調(diào)整試樣離物鏡的工作距離.為滿足大量多元素試樣的超輕元素,低含量,高速定性、定量常規(guī)分析的需求,法國Cameca公司長期生產(chǎn)電子探針儀,SX50和SXmacro型配備4道WDS及1道EDS,物鏡內(nèi)裝有同軸光學(xué)顯微鏡可以隨時觀察分析區(qū)域.島津公司最近生產(chǎn)的計算機限制EPMA-1600型電子探針,可配置2—5道WDS和1道EDS,試樣最大尺寸為100m由100m由50mm(厚),二次電子圖像分辨率為6nm.JEOL公司也生產(chǎn)了計算機限制的JXA-8800電子探針和JXA-8900系列WD/ED綜合顯微分析系統(tǒng)一超電子探針,可裝5道X射線光譜儀和1道X射線能譜儀,元素分析范圍為5B-92U,二次電子圖像分辨率為6nm.Noran公司下屬的Peak公司最近開展了一種嶄新的APeX全參數(shù)X射線光譜儀,與傳統(tǒng)的機械聯(lián)動機構(gòu)完全不同,由計算機限制6個獨立的伺服馬達分別調(diào)節(jié)分光晶體的位置和傾角以及X射線探測器的X、Y坐標和狹縫寬度.配有4塊標準的分光晶體可分析5B(4Be)以上的元素.羅蘭圓半徑隨分析元素而變,可分別為170,180,190和200mm,以獲得最高的計數(shù)率,提升了分析精度和靈活性.Noran公司還推出了稱為MAXray的X射線平行束光譜儀,將最新的X光學(xué)研究成果一一準平行束整體X光透鏡置于試樣上的X射線發(fā)射點和分析晶體之問,提升了接收X射線的立體角,比一般WDS的強度提升了50倍左右.可分析100eA1.8keV能量范圍內(nèi)的K、L、M線,特別有利于低電壓、低束流分析,對Be、B、C、N、.和F的分辨率可高達5-15eV,兼有WDS的高分辨率和EDS的高收集效率.這兩種新型X射線光譜儀可望得到廣泛的應(yīng)用.3、場發(fā)射槍掃描電鏡和低壓掃描電鏡場發(fā)射掃描電鏡得到了很大的開展.日立公司推出了冷場發(fā)射槍掃描電鏡,Amray公司那么生產(chǎn)熱場發(fā)射槍掃描電鏡,不僅提升了常規(guī)加速電壓時的分辨本領(lǐng),還顯著改善了低壓性能.低壓掃描電鏡LVSEM由于可以提升成像的反差,減少甚至消除試樣的充放電現(xiàn)象并減少輻照損傷,因此受到了人們的囑目.JEOL公司的JSM-6000F型場發(fā)射超高分辨SEM的分辨本領(lǐng)在加速電壓30kV時達0.6nm,已接近TEM的水平,但試樣必須浸沒入物鏡的強磁場中以減少球差的影響,所以尺寸受到限制,最大為23mrK6mrK3mm(厚).試樣半浸沒在物鏡磁場中的場發(fā)射JSM-6340F型可以觀察大試樣,加速電壓15kV時分辨本領(lǐng)為1.2nm,低壓1kV時為2.5nm.這兩種SEM由于試樣要處在磁場中所以不能觀察磁性材料.使用CF校正場小型物鏡可觀察大試樣的場發(fā)射JSM-6600F型分辨本領(lǐng)為2.5nm〔1kV時為8nm〕.日立公司也供給這幾類產(chǎn)品如S-5000,S-4500和S-4700型.4、超大試樣室掃描電鏡德國Vis計ec捷高公司的超大試樣室Mira型掃描電鏡.被檢物的最大尺寸可為直徑700mm,高600mm,長1400mm,最大重量可達300公斤,真空室長1400,寬1100和高1200mm.分辨本領(lǐng)4nm,加速電壓0.3kV—20kV.是一種新的計算機限制、非破壞性的檢查分析測試裝置,可用于工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn),質(zhì)量治理,微機加工和工藝品的檢查研究等.5、環(huán)境掃描電鏡80年代出現(xiàn)的環(huán)境掃描電鏡ESEM,根據(jù)需要試樣可處于壓力為1—2600Pa不同氣氛的高氣壓低真空環(huán)境中,開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域.與試樣室內(nèi)為10-3Pa的常規(guī)高真空SEM不同,所以也可稱為低真空掃描電鏡LV-SEM.在這種低真空環(huán)境中,絕緣試樣即使在高加速電壓下也不會因出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象而無法觀察；潮濕的試樣那么可保持其原來的含水自然狀態(tài)而不產(chǎn)生形變.因此,ESEM可直接觀察塑料、陶瓷、紙張、巖石、泥土,以及疏松而會排放氣體的材料和含水的生物試樣,無需先噴涂導(dǎo)電層或冷凍枯燥處理.1990年美國ElectroScan公司首先推出了商品ESEM.為了保證試樣室內(nèi)的高氣壓低真空環(huán)境,LV-SEM的真空系統(tǒng)須予以特殊考慮.目前,Amray,Hitachi,JEOL和LEO等公司都有這種產(chǎn)品.試樣室為6—270Pa時,JSM-5600LV-SEM的分辨本領(lǐng)已達5.0nm,自動切換到高真空狀態(tài)后便如常規(guī)掃描電鏡一樣,分辨本領(lǐng)達3.5nm.中國科學(xué)院北京科學(xué)儀器研制中央與化工冶金研究所合作,開展KYKY-1500高溫環(huán)境掃描電子顯微鏡,試樣最高溫度可達1200C,最高氣壓為2600Pa；800c時分辨率為60nm,觀察了室溫下的濕玉米淀粉顆粒斷面、食鹽的結(jié)晶粒子,以及在50Pa,900c時鐵礦中的針形Fe\-2O\-3等試樣.6、掃描電聲顯微鏡80年代初問世的掃描電聲顯微鏡SEAM,采用了一種新的成像方式：其強度受頻閃調(diào)制的電子束在試樣外表掃描,用壓電傳感器接收試樣熱、彈性微觀性質(zhì)變化的電聲信號,經(jīng)視頻放大后成像.能對試樣的亞外表實現(xiàn)非破壞性的剖面成像.可應(yīng)用于半導(dǎo)體、金屬和陶瓷材料,電子器件及生物學(xué)等領(lǐng)域.中國科學(xué)院北京科學(xué)儀器研制中央也開展了這種掃描電聲顯微鏡,空間分辨本領(lǐng)為0.2—0.3小固最近,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所采用數(shù)字掃描發(fā)生器限制電子束掃描等技術(shù),提升了信噪比,使SEAM的圖像質(zhì)量得到了很大的改良.7、測長/缺陷檢測掃描電鏡SEM不但在科學(xué)研究而且在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用,特別是電子計算機產(chǎn)業(yè)的興起使其得到了很大的開展.目前半導(dǎo)體超大規(guī)模集成電路每條線的制造寬度正由0.25^rn向0.18小題進.作為半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)線上Si片的常規(guī)檢測工具,美國Amray公司推出了一種缺陷檢測3800型DRT掃描電鏡,采用了加熱到1800K的ZrO/W陰極肖脫基熱場發(fā)射電子槍,具有良好的低加速電壓性能：1kV時分辨本領(lǐng)達4nm,而且電子束流白^穩(wěn)定度優(yōu)于1%/h、可長期連續(xù)工作,對直徑為100,125,150,200mm的Si片,每小時可檢測100個缺陷.日立公司為了克服以往在室溫下工作的冷場發(fā)射槍測長掃描電鏡〔CD-SEM〕因需要進行閃爍處理以去除發(fā)射尖上所吸附的氣體分子而經(jīng)常中斷工作、影響在生產(chǎn)線上應(yīng)用的缺點,最近也推出了這種ZrO/W陰極熱場發(fā)射電子槍的S-8000系列CD-SEM.為了克服熱場發(fā)射比冷場發(fā)射槍電子能量分散大的缺點,設(shè)計了阻滯場電磁物鏡,并改良了二次電子探測器,在加速電壓為800V時分辨本領(lǐng)為5nm,可以每小時20片,每片5個檢測點的速度連續(xù)檢測125—200mm直徑的Si.8、晶體學(xué)取向成像掃描電子顯微術(shù)SEM的另一個新開展方向是以背散射電子衍射圖樣〔EBSP〕為根底的晶體學(xué)取向成像電子顯微術(shù)〔OIM〕.在SEM上增加一個可將試樣傾動約70度的裝置,CCD探測器和數(shù)據(jù)處理計算機系統(tǒng),掃描并接收記錄塊狀試樣外表的背散射電子衍射把戲〔背散射菊池把戲〕,按試樣各部分不同的晶體取向分類成像來獲得有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的信息,可顯示晶粒組織、晶界和裂紋等,也可用于測定織構(gòu)和晶體取向.可望開展成SEM的一個標準附件.1996年美國TSL〔TexSemLaboratoriesInc.〕公司推出了TSLOIM系統(tǒng),空間分辨本領(lǐng)已優(yōu)于0.2比原理相似的電子通道圖樣〔ECP〕提升了一個量級,在0.4秒鐘內(nèi)即能完成一張衍射圖樣的自動定標工作.英國牛津集團顯微分析儀器Link-OPAL公司的EBSD結(jié)晶學(xué)分析系統(tǒng),目前已用于Si片上Al連線的取向分析,以判斷其質(zhì)量的優(yōu)劣及可行性.9、計算機限制掃描電鏡90年代初,飛利浦公司推出了XL系列掃描電鏡.在保持重要功能的同時,減少了操作的復(fù)雜性.儀器完全由計算機軟件限制操作.許多參量〔焦距、像散校正和試樣臺移動速度等〕和調(diào)節(jié)靈敏度都會根據(jù)顯微鏡的工作狀態(tài)作自適應(yīng)變化和耦合,可迅速而準確地改變電鏡的主要參數(shù).EDS完全與XL系統(tǒng)實現(xiàn)了一體化.該公司1995年生產(chǎn)了XL40FEG等場發(fā)射掃描電鏡.日立,JEOL等也先后推出了計算機限制的掃描電鏡.場發(fā)射掃描電鏡的分辨本領(lǐng)最高已到達0.6nm,接近了透射電鏡的水平,并得到了廣泛的應(yīng)用,但尚不能分辨原子.如何進一步提升掃描電鏡的圖像質(zhì)量和分辨本領(lǐng)是人們十分關(guān)注的問題.JoyDC指出：由于分辨本領(lǐng)受到試樣外表二次電子SE擴散區(qū)大小的根本限制,采取適當(dāng)舉措如噴鍍一超薄金屬層或布洛赫波隧穿效應(yīng)〔BlochWaveChanneling污來BM制SE擴散區(qū)的尺寸,二次電子分辨本領(lǐng)可望到達0.2—0.3nm,并進而觀察原子像.現(xiàn)代SEM電子束探針的半高寬FWHM已達0.3nm,場發(fā)射電子槍也已具有足夠高的亮度.因此在電子光學(xué)方面目前并不構(gòu)成對SE分辨本領(lǐng)的根本限制.然而,對SEM的機械設(shè)計如試樣臺的漂移和震動等尚未給予足夠的、如對掃描隧道顯微鏡那樣的重視、二次電子探測器的信噪比和反差還不夠理想,也影響了分辨本領(lǐng).止匕外,SE分辨本領(lǐng)的定義和測定方法,SEM圖像處理等也不如透射電子顯微鏡那么嚴格和完善.這些問題的解決必將進一步提升SEM的圖像質(zhì)量和分辨本領(lǐng).金相顯微鏡及掃描電鏡均只能觀察物質(zhì)外表的微觀形貌,它無法獲得物質(zhì)內(nèi)部的信息.而透射電鏡由于入射電子透射試樣后,將與試樣內(nèi)部原子發(fā)生相互作用,從而改變其能量及運動