環(huán)境掃描電子顯微鏡的研制

環(huán)境掃描電子顯微鏡的研制

1電子束的作用機(jī)理sem是20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)的一種sem掃描電子顯微鏡（sem）。由于分辨率高、深度大、多樣性大，已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工程實(shí)踐。SEM主要由電子光學(xué)系統(tǒng)(包括電子槍、鏡筒、樣品室)、電源、真空系統(tǒng)及信號(hào)檢測(cè)、處理系統(tǒng)所組成。由電子槍發(fā)射的電子經(jīng)靜電場(chǎng)引出,沿鏡筒加速,在鏡筒中電磁透鏡和光闌作用下,電子被聚焦成電子束并射向樣品。鏡筒底部的掃描線圈控制電子束在樣品表面掃描,形成光柵,使樣品表面各點(diǎn)順序激發(fā),產(chǎn)生各種物理信號(hào),其強(qiáng)度隨樣品表面構(gòu)造、成分而變化。信號(hào)探頭收集相應(yīng)的信號(hào),經(jīng)視頻放大、處理后,同步調(diào)制陰極射線管(CRT)中電子束電流強(qiáng)度,即可在CRT顯示屏上顯現(xiàn)出樣品表面各點(diǎn)圖像。電子束與樣品相互作用所產(chǎn)生的各種物理信號(hào)中,對(duì)SEM成像有影響的主要有:二次電子是初始束電子作用于樣品,在樣品表面原子中激發(fā)出來(lái)的電子。它們能量很低(小于50eV),只能從樣品表面很淺的區(qū)域逸出,成像分辨率最好。其圖像襯度主要取決樣品表面形貌。樣品表面凸起處原子相對(duì)于凹下處更容易被激發(fā),逸出的二次電子數(shù)更多,因而凸起處成像明亮,凹下處黑暗。二次電子信號(hào)是SEM的主要成像信號(hào)。與樣品原子核發(fā)生彈性碰撞而散射出的初始電子束電子。這部分電子能量很高,從50eV直至電子束加速電壓。由于背散射電子源區(qū)范圍大,其成像分辨率不高。圖像襯度主要取決于樣品所含原子的原子序數(shù),可提供有關(guān)樣品成分的重要信息。在高能電子束作用下,樣品原子各能級(jí)間出現(xiàn)電子躍遷而產(chǎn)生。其成像分辨率最差,通常被用作定性分析,目的是確定樣品中元素的存在與否。2高真空環(huán)境下sem使用范圍常規(guī)SEM主要靠二次電子信號(hào)成像。為保證有足夠的二次電子信號(hào)強(qiáng)度,必須保證在打到樣品表面以前,初始電子在加速過(guò)程中不被氣體分子散射。為此初始電子經(jīng)過(guò)的整個(gè)路徑需處于高真空狀態(tài)(p<10-3Pa),以減少氣體分子數(shù)。但高真空環(huán)境的引入使SEM的使用范圍受到極大限制。這些限制主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:①常規(guī)SEM不能在自然狀態(tài)下觀察潮濕的、表面受污染的或微生物樣品。②常規(guī)SEM觀察絕緣樣品時(shí),必須對(duì)樣品進(jìn)行金屬化涂層處理。這不但使樣品的準(zhǔn)備工作變得十分繁瑣、復(fù)雜,而且經(jīng)涂層處理后SEM觀察到的圖像已不再是樣品表面圖像,而是涂層表面圖像,沒人能肯定這兩者完全相同。3電子束在氣體初始設(shè)置上的新應(yīng)用針對(duì)常規(guī)SEM在使用過(guò)程中所暴露出來(lái)的缺陷,各種改進(jìn)措施應(yīng)運(yùn)而生,其中最成功的是環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。它所采用的關(guān)鍵性技術(shù)措施主要有:(1)在鏡筒與樣品室之間加裝狹縫以使兩者之間出現(xiàn)壓力差,從而在保證電子槍、鏡筒內(nèi)部高真空度的同時(shí),大幅度降低樣品室內(nèi)的真空度。流體流經(jīng)小孔時(shí),會(huì)在孔的兩側(cè)產(chǎn)生壓降。根據(jù)流體力學(xué)這一基本原理,可在鏡筒與樣品室之間加裝狹縫,靠狹縫將鏡筒內(nèi)高真空與樣品室內(nèi)的低真空隔離。ESEM出現(xiàn)之前,曾嘗試用單個(gè)狹縫將樣品室與鏡筒分開。經(jīng)單級(jí)狹縫改造后的SEM稱低真空常規(guī)掃描電子顯微鏡(LV-CSEM),其樣品室內(nèi)壓強(qiáng)可從原來(lái)的小于10-3Pa提高至300Pa左右。但改造后的效果不盡人意。原因是從限制氣體流動(dòng)方面考慮,狹縫越窄,樣品室與鏡筒間所能維持的壓差越大,這意味著在保證鏡筒內(nèi)高真空的同時(shí),樣品室內(nèi)壓強(qiáng)提高得越多;但過(guò)窄的狹縫會(huì)極大限制通過(guò)狹縫的電子數(shù),嚴(yán)重削弱作為激發(fā)成像信號(hào)的初始電子束強(qiáng)度,從而嚴(yán)重影響儀器的成像性能。多重狹縫的采用使這一矛盾得以化解。它在加大狹縫尺寸、減少各狹縫兩側(cè)的壓強(qiáng)差的同時(shí),仍能在鏡筒和樣品室之間獲得很大的總壓差。由于各狹縫相距很近,減少了電子束通過(guò)高壓強(qiáng)段的距離。經(jīng)多級(jí)限壓狹縫改造后的SEM稱ESEM。圖1給出了ESEM上所用多重限壓狹縫結(jié)構(gòu)示意圖,其中最具特色的結(jié)構(gòu)是與鏡筒內(nèi)最后一組電磁透鏡合為一體的兩個(gè)相距很近的狹縫。在上、中、下三個(gè)空間分別抽氣,從而獲得一個(gè)壓強(qiáng)逐漸變化的真空:鏡筒及電子槍中真空度可達(dá)10-5Pa量級(jí),而樣品室內(nèi)壓強(qiáng)最高可達(dá)5000Pa。圖2給出了ESEM的結(jié)構(gòu)示意圖。顯然,多重狹縫的引入使儀器的真空系統(tǒng)變得大為復(fù)雜。從圖中可見,兩狹縫之間真空的獲得主要由前級(jí)泵2和擴(kuò)散泵2完成。樣品室真空度降低后,在鏡筒底部至樣品表面這段距離內(nèi),初始電子將被此空間存在的大量氣體分子所散射。散射是一個(gè)離散的過(guò)程,單個(gè)電子只有在進(jìn)入氣體分子有效碰撞截面之后才會(huì)改變方向,否則會(huì)沿原來(lái)的路線行進(jìn)。在到達(dá)樣品表面之前,每個(gè)電子與氣體分子的碰撞次數(shù)是有限的且為整數(shù)。按照Poisson分布,結(jié)合理想氣體定律可推出一個(gè)電子完全不散射概率的方程為:式中k是一個(gè)與氣體種類有關(guān)的常數(shù);V為束電子能量;p為氣體壓強(qiáng);T為氣體溫;d為電子束在氣體中通過(guò)的距離,即鏡筒底部最后一個(gè)狹縫與樣品表面間距離。顯然,P(0)也可理解為未散射電子數(shù)與總電子數(shù)的比值(I(0)/Itotal)。由式(1)可見,若從結(jié)構(gòu)上使d減小,則樣品室壓強(qiáng)較高時(shí),仍有可能獲得較高的成像電流。典型ESEM中,一般d取2mm,電子槍電壓20kV。當(dāng)樣品室氣體為水蒸汽、室溫下操作時(shí),可計(jì)算出各種壓強(qiáng)條件下I(0)/Itotal的百分?jǐn)?shù)如表1所示。由表1可見,樣品室壓強(qiáng)p=665Pa時(shí),常規(guī)SEM早已無(wú)法成像,但ESEM中的成像電流比例仍高達(dá)69%,壓強(qiáng)進(jìn)一步升高,成像電流比例雖下降,但仍然比常規(guī)SEM高很多。其適用的最大壓強(qiáng)可達(dá)5000Pa。(2)ESEM所采用的另一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)措施是設(shè)計(jì)了一個(gè)在氣體壓強(qiáng)較高的環(huán)境中仍能正常工作的二次電子探頭。圖3為最簡(jiǎn)單的環(huán)境二次探測(cè)頭(ESD)示意圖。它是一個(gè)直徑約1cm的錐形電極,頂端向下,與初始電子束同軸,處于樣品的正上方。探頭上施以數(shù)百伏的正電壓以吸引樣品原子發(fā)射出的二次電子。這些二次電子在探頭電場(chǎng)中被加速并碰撞氣體分子使其電離,產(chǎn)生額外的電子環(huán)境二次電子和正離子。這種加速、電離過(guò)程不斷重復(fù),使初始二次電子信號(hào)呈比例級(jí)數(shù)放大。探頭采集這些信號(hào)并將其直接傳送到電子放大器,最終在顯示屏上顯現(xiàn)出樣品表面圖像。由ESD的結(jié)構(gòu)及工作原理可見,信號(hào)的初始放大靠電離氣體分子進(jìn)行,不再需要光電倍增管,故ESD對(duì)光、熱不再敏感;探頭不含高壓元件,因此在低真空環(huán)境中能正常工作;更重要的是,此時(shí)樣品室內(nèi)適量的氣體對(duì)其工作性能不但沒有影響,反而有益。氣體越容易電離,所獲得的放大增益越高。改變探頭的偏置電壓即可調(diào)節(jié)增益或使其適應(yīng)于不同的工作氣體。實(shí)際使用中,由于水蒸汽沒有毒性,容易電離,而且獲取方便,因此成為ESEM最常用的工作氣體,其成像性能極佳。值得特別指出的是:用這種探頭觀察絕緣樣品時(shí),樣品表面不再存在由電子電荷沉積而形成的干擾電場(chǎng)。這是因?yàn)榇藭r(shí)樣品室內(nèi)有大量氣體分子被電離后形成的正離子,一旦干擾電場(chǎng)出現(xiàn),這些正離子會(huì)被吸引至樣品表面,將電子中和,從而從根本上解決了絕緣樣品在SEM下不能觀察的問題,使掃描電子顯微鏡的適用范圍大大擴(kuò)展并極大地簡(jiǎn)化了樣品準(zhǔn)備工作。ESD雖然極大地提高了SEM的性能,但其獨(dú)特的工作原理要求探頭距樣品很近且處于樣品正上方,因此它收集的背散射電子更多。背散射電子信號(hào)會(huì)降低圖像對(duì)比度和二次電子信號(hào)分辨率,因此須盡量剔除。同時(shí)由于背散射電子能量高,會(huì)從儀器其它零部件表面打出二次電子,這些二次電子信號(hào)顯然屬干擾信號(hào),也必須剔除。氣體二次電子探頭(GSED)的出現(xiàn)使ESD的性能更臻完善。圖4為GSED結(jié)構(gòu)示意圖,它在儀器中的位置與ESD相同,所不同的是多了一個(gè)抑制電極和一個(gè)探測(cè)環(huán)。探測(cè)環(huán)懸掛在抑制電極下方并與抑制電極平行。抑制電極和探測(cè)環(huán)都加正偏置電壓以形成一個(gè)探測(cè)電場(chǎng),電場(chǎng)形狀將影響低能二次電子行進(jìn)的路線,但對(duì)高能背散射電子影響不大。由于探測(cè)環(huán)距樣品較近,它產(chǎn)生的電場(chǎng)能吸引絕大部分產(chǎn)生于樣品表面的二次電子。同時(shí)由于探測(cè)環(huán)所占相對(duì)面積較小,收集到的高能背散射電子數(shù)額也少,因而在增強(qiáng)成像信號(hào)的同時(shí),有效地減少了背散射電子信號(hào)對(duì)成像信號(hào)的干擾。抑制電極也是正向偏置,其面積較探測(cè)環(huán)大得多且距樣品遠(yuǎn),作用主要是收集由背散射電子打出的非樣品表面產(chǎn)生的二次電子,阻止其逃到探測(cè)環(huán)上。抑制電極與探測(cè)環(huán)的采用提高了儀器的信噪比,使ESEM圖像質(zhì)量得以極大改善。4sem與gsedESEM的研制成功使常規(guī)掃描電子顯微鏡的適用范圍和成像性能實(shí)現(xiàn)了革命性的突破。利用氣體流經(jīng)狹縫在狹縫兩側(cè)產(chǎn)生壓降的原理,用多級(jí)狹縫將鏡筒與樣品室分離,在保持鏡筒內(nèi)高真空的同時(shí),有效地降低了對(duì)樣品