SEM電子顯微鏡與電子探針

一、簡(jiǎn)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(ScanningElectronMicroscope簡(jiǎn)稱SEMandElectronProbeMicro-analysis簡(jiǎn)稱EPMA)1編輯ppt一、簡(jiǎn)介掃描電子顯微鏡與電子探針1編輯ppt一、簡(jiǎn)介

SEM是利用聚焦電子束在樣品上掃描時(shí)激發(fā)的某種物理信號(hào)來調(diào)制一個(gè)同步掃描的顯象管在相應(yīng)位置的亮度而成象的顯微鏡。2編輯ppt一、簡(jiǎn)介SEM是利用聚焦電子束在樣品上掃描時(shí)激發(fā)的某種物與普通顯微鏡的差別：電子波長(zhǎng)E為電子能量，單位eV當(dāng)E=30KeV時(shí),λ≈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(zhǎng)400-700nm能量為E的電子放大倍數(shù)～1600幾十萬(wàn)分辨率200nm1.5nm景深是普通顯微鏡的300倍3編輯ppt與普通顯微鏡的差別：普通顯微鏡學(xué)習(xí)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4編輯ppt學(xué)習(xí)的重要性：4編輯ppt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(diǎn)5編輯ppt二、基本物理概念5編輯ppt(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θ>90°射出表面，E～Ep△特征能量損失△多次散射后射出－形成本底△在樣品中停止，變?yōu)槲针娏鳌鲝臉悠吠干?TEM)6編輯ppt(一)電子與表面相互作用及與之相關(guān)的分析技術(shù)6編輯ppt△二次電子：外層價(jià)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(duì)于半導(dǎo)體材料：△陰極熒光△電子束感生電流

7編輯ppt△二次電子：外層價(jià)電子激發(fā)7編輯ppt2．檢測(cè)電子的能量分布8編輯ppt2．檢測(cè)電子的能量分布8編輯ppt(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?！魉p長(zhǎng)度：I=Ioe－t/λ當(dāng)電子穿過t=λ厚的覆蓋層后，它的強(qiáng)度將衰減為原來的1/e,稱λ為衰減長(zhǎng)度。△通常近似地把衰減長(zhǎng)度λ當(dāng)作電子的非彈性散射平均自由程，亦稱為逸出深度。△衰減長(zhǎng)度和電子能量的關(guān)系：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：經(jīng)驗(yàn)公式：λ=(Ai/E2)+BiE1/2其中A、B對(duì)于不同的元素及化合物有不同的值.9編輯ppt(二)信息深度9編輯ppt△信息深度：信號(hào)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(jì)。但是當(dāng)出射電子以同表面垂直方向成θ角射出時(shí)，電子所反映的信息深度應(yīng)該是：d=λcosθ△激發(fā)深度與信息深度：10編輯ppt△信息深度：信號(hào)電子所攜帶的信息來自多厚的表面層？10在掃描電鏡中，由電子激發(fā)產(chǎn)生的主要信號(hào)的信息深度：俄歇電子1nm(0.5-2nm)二次電子5-50nm背散射電子50-500nmX射線0.1-1μm11編輯ppt在掃描電鏡中，由電子激發(fā)產(chǎn)生的主要信號(hào)的信息深度：11編輯p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

電子探束光子探束(三)電子作為探束的特點(diǎn)碰撞中Ep>ΔE，碰撞中hγ=ΔE，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(qiáng)度低小束斑和高強(qiáng)度電子束源價(jià)格低廉 X光源復(fù)雜，價(jià)格較貴 宜為外層價(jià)電子電離源宜為芯層電子電離源12編輯ppt產(chǎn)生大量二次電子，產(chǎn)生少量二次電子，電子探束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10×10cm2)放大倍數(shù)掃描面積10×(1cm)2100×(1mm)21,000×(100μm)210,000×(10μm)2100,000×(1μm)2三、主要參數(shù)13編輯ppt三、主要參數(shù)13編輯ppt2．分辨率

樣品上可以分辨的兩個(gè)鄰近的質(zhì)點(diǎn)或線條間的距離。如何測(cè)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(jí)束斑：分辨率不可能小于初級(jí)束斑△入射電子在樣品中的散射效應(yīng)△對(duì)比度14編輯ppt2．分辨率14編輯ppt3．景深△一般景深的定義：15編輯ppt3．景深15編輯ppt△SEM的景深：對(duì)于SEM，雖沒有實(shí)際的成象透鏡，但景深的意義是相同的。在D深度范圍內(nèi)，中心處為最佳聚焦當(dāng)dp

<最小可分辨時(shí)，在D深度范圍內(nèi)均可清晰成象。dp/2=Dαo/2D=dp/αoαo一般為1mrad故：景深為最小可分辨的1000倍景深大適于觀察粗糙樣品16編輯ppt△SEM的景深：景深大16編輯ppt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(duì)比度，是得到圖象的最基本要素)

S為檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度17編輯ppt四、工作模式與襯度原理17編輯ppt(一)二次電子象1.形貌襯度二次電子產(chǎn)額δ=Is/Ip△δ∝1/cosθθ為入射電子束與樣品法線的夾角△尖、棱、角處δ增加溝、槽、孔、穴處δ減小18編輯ppt18編輯ppt19編輯ppt19編輯ppt20編輯ppt20編輯ppt21編輯ppt21編輯ppt2.成分襯度3.電位襯度22編輯ppt2.成分襯度22編輯ppt

1．形貌襯度

△傾角因素：背散射電子產(chǎn)額η=Ib/Ipη隨傾角θ增加而增加，但不精確滿足正割關(guān)系

△方向因素：背散射電子在進(jìn)入檢測(cè)器之前方向不變?nèi)肷涫c背散射電子的方向關(guān)系(二)背散射電子象23編輯ppt23編輯ppt2.晶向襯度24編輯ppt2.晶向襯度24編輯ppt3．成分襯度背散射電子產(chǎn)額與原子序數(shù)關(guān)系:當(dāng)Ep=20keV以下，則η=-0.0254+0.016Z-1.86×10－4Z2+8.3×10－7Z3設(shè)有兩平坦相鄰區(qū)域，分別由Z1和Z2純?cè)亟M成，且Z2>Z1則襯度C==S為檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度

為背散射電子強(qiáng)度當(dāng)Z1、Z2原子序數(shù)相鄰，則襯度很低當(dāng)Z1、Z2原子序數(shù)相差遠(yuǎn)，則襯度很高25編輯ppt3．成分襯度原子序數(shù)W:74Ti:22Si:14Al:13O:8N:726編輯ppt原子序數(shù)W:74Ti:2226編輯p如何排除表面不平坦因素？△表面拋光△采用雙通道檢測(cè)器及信號(hào)處理27編輯ppt如何排除表面不平坦因素？27編輯ppt(三)二次電子象與背散射電子象的比較信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)---閃爍體計(jì)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(dǎo)管△光子倍增器28編輯ppt(三)二次電子象與背散射電子象的比較28編輯ppt

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+250－500V－50V分辨率高較差無(wú)陰影有陰影信號(hào)大，信噪比好

29編輯ppt二次電子象與背散射電子五、主要部件

電子光學(xué)系統(tǒng)掃描系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)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(xué)系統(tǒng)：初級(jí)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

30編輯ppt五、主要部件30編輯ppt(一)電子源1．熱發(fā)射源當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，有較多的電子具有克服表面勢(shì)壘(功函數(shù)φ)的動(dòng)能而逃離金屬射出。J=AT2exp(-φ/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(duì)材料要求：功函數(shù)小，熔點(diǎn)高 功函數(shù) 工作溫度特點(diǎn) W陰極 4.5eV 2500-2800穩(wěn)定、制備簡(jiǎn)單 BaB6 2.7eV1400-2000化學(xué)性質(zhì)活潑要求10－4Pa以上真空