形貌分析-SEM.ppt
扫描电镜分析扫描电子显微镜扫描电镜分析n n扫描电子显微镜的基本知识与像差扫描电子显微镜的基本知识与像差n n电子束与固体样品作用和产生的信号电子束与固体样品作用和产生的信号n n扫描电子显微像的衬度扫描电子显微像的衬度n n扫描电子显微镜的构造和工作原理扫描电子显微镜的构造和工作原理n n扫描电子显微镜的样品制备扫描电子显微镜的样品制备电子束与固体样品作用和产生的信号电子束与固体样品作用和产生的信号 n n当高速电子照射到固体当高速电子照射到固体样品表面时，就可以发样品表面时，就可以发生相互作用，产生生相互作用，产生背散背散射电子射电子，二次电子二次电子，俄俄歇电子歇电子，特征特征X X射线射线等信等信息。息。n n这些信息与样品表面的这些信息与样品表面的几何形状以及化学成份几何形状以及化学成份等有很大的关系。等有很大的关系。n n通过这些信息的解析就通过这些信息的解析就可以获得表面形貌和化可以获得表面形貌和化学成份的目的。学成份的目的。（1）背散射电子背散射电子：指被固体样品的原子核指被固体样品的原子核反弹回来的一部分反弹回来的一部分反射电子反射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。它的能量较高，基本上不受电场的作用而直接进入检测器。它的能量较高，基本上不受电场的作用而直接进入检测器。散射强度取决于散射强度取决于原子序数原子序数和和试样的表面形貌试样的表面形貌。用于扫描电镜。用于扫描电镜的成像。的成像。（2）二次电子二次电子：入射电子撞击样品表面入射电子撞击样品表面原子的外层电子原子的外层电子，把它把它激发激发出来，就形成了低能量的二次电子；在电场的作出来，就形成了低能量的二次电子；在电场的作用下，二次电子呈曲线运动，翻越障碍进入检测器，因而用下，二次电子呈曲线运动，翻越障碍进入检测器，因而使表面凸凹的各部分都能清晰成像。二次电子的强度使表面凸凹的各部分都能清晰成像。二次电子的强度主要主要与样品表面形貌有关与样品表面形貌有关。二次电子和背散射电子共同用于扫。二次电子和背散射电子共同用于扫描电镜的成像。描电镜的成像。（3）吸收电子：入射电子进入样品之后，经过多次非弹性散射，使其能量）吸收电子：入射电子进入样品之后，经过多次非弹性散射，使其能量基本耗散，最后被样品吸收的电子基本耗散，最后被样品吸收的电子。吸收电子信号的强度与接收到的背散射及二次电子信号强度互补，若把吸收电子信号调制成图像，则它的衬度恰好和二次电子或背散电子相反。（4）透射电子）透射电子：如果被分析的样品很薄，那么就会有一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子。（5）特征特征X射线射线：入射电子把表面原子的内层电子撞出，被激发的空穴由：入射电子把表面原子的内层电子撞出，被激发的空穴由高能级电子填充时，能量以电磁辐射形式放出，就产生特征高能级电子填充时，能量以电磁辐射形式放出，就产生特征X射线，可用射线，可用于元素分析于元素分析.（6）俄歇电子：是由于）俄歇电子：是由于原子原子中的中的电子电子被激发而产生的次级电子被激发而产生的次级电子。当原子。当原子内壳层的电子被激发形成一个空洞时，电子从外壳层跃迁到内壳层的空洞内壳层的电子被激发形成一个空洞时，电子从外壳层跃迁到内壳层的空洞并释放出能量；这种能量可以被并释放出能量；这种能量可以被转移转移到另一个电子，导致其从原子激发出到另一个电子，导致其从原子激发出来。这个被激发的电子就是俄歇电子。这个过程被称为俄歇效应，以发现来。这个被激发的电子就是俄歇电子。这个过程被称为俄歇效应，以发现此过程的法国物理学家此过程的法国物理学家P.V.俄歇命名。俄歇命名。俄歇电子能量很低，但其具有特征能量，并且其产于表面下2nm范围内，可用于表面元素分析。透射电子透射电子 如果被分析的样品很薄，那么就会有一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子。这种透射电子是由直径很小的高能扫描电子束照射薄样品所产生的，因此透射电子信号是由微区的厚度、成分和晶体结构来决定。透射电子除了弹性散射电子外，还有各种不同能量损失的非弹性散射电子，其中有些遭受特征能量损失E的非弹性散射电子（特征能量损失电子）。因此，可以利用特征能量损失电子配合电子能量分析器进行微区成分分析。在扫描电镜中，由电子激发产生的主要信号的信息深度：俄歇电子 1 nm(0.5-2 nm)；二次电子 5-50 nm 背散射电子 50-500 nm；X射线 0.1-1m各种信息分辨率比较二次电子电子象n n在在扫扫描描电电镜镜中中主主要要利利用用二二次次电电子子的的信信息息观观察察样样品品的的表表面面形貌。形貌。n n二二次次电电子子的的能能量量一一般般在在50eV50eV以以下下，并并从从样样品品表表面面5 51010纳纳米米左左右右的的深深度度范范围围内内产产生生，并并向向样样品品表表面面的的各各个个方方向向发射出去。发射出去。n n利利用用附附加加电电压压集集电电器器就就可可以以收收集集从从样样品品表表面面发发射射出出来来的的二二次次电电子子。被被收收集集的的二二次次电电子子经经过过加加速速，可可以以获获得得10keV10keV左右的能量。左右的能量。n n可可以以通通过过闪闪烁烁器器把把电电子子激激发发为为光光子子，最最后后再再通通过过光光电电倍倍增增管管产产生生电电信信号号，进进行行放放大大处处理理，获获得得与与原原始始二二次次电电子子信号成正比的电流信号。信号成正比的电流信号。二次电子象的分辨率二次电子象的分辨率n n在在扫扫描描电电镜镜中中形形貌貌象象的的信信息息主主要要来来自自二二次次电电子子象象。一一般般来来说说，二二次次电电子子象象的的信信息息来来自自于于样样品品表表面面下下5 51010纳纳米的深度范围。米的深度范围。n n产产生生区区域域大大小小则则是是由由辐辐照照电电子子束束的的直直径径以以及及二二次次电电子子能发射到表面深度下电离化区域大小所决定。能发射到表面深度下电离化区域大小所决定。n n此此外外，由由发发射射电电子子和和X X射射线线激激发发所所产产生生的的二二次次电电子子原原则则上也应该包括进去。上也应该包括进去。n n因此，二次电子象的衬度信息来自与三个生成因素。因此，二次电子象的衬度信息来自与三个生成因素。1.图a为入射电子束直径和主二次电子的产生关系；2.b则为反射电子和X射线激发产生的二次电子区域说明图；3.c为主二次电子，反射电子和X射线激发产生的二次电子等三因素的分布状态图；4.d为发出的二次电子信息的分布图。5.从图d可见，虽然反射电子和X射线产生的二次电子信号也比较强，因为分布平坦，可以把它当做背底处理，这样二次电子束的直径就很小，使得二次电子象具有很高的分辨率。二次电子象的衬度二次电子象的衬度1.1.二二次次电电子子象象的的衬衬度度是是由由样样品品中中电电子子束束的的入入射射角角，样样品品表表面面的的化化学学成成份份以以及及样样品品和和检检测测器器的的几几何何位置等因素所决定的。位置等因素所决定的。2.2.衬度衬度：(对比度，是得到图象的最基本要素对比度，是得到图象的最基本要素)3.3.S S为检测信号强度为检测信号强度为检测信号强度为检测信号强度4.4.分别介绍如下。分别介绍如下。入射角关系入射角关系1.1.垂直垂直于样品表面入射一次电子时，样品表面所于样品表面入射一次电子时，样品表面所产生的二次电子的量产生的二次电子的量最小最小。随着倾斜度的增加，。随着倾斜度的增加，二次电子的产率逐渐增加。因此，二次电子的二次电子的产率逐渐增加。因此，二次电子的强度分布反映了样品表面的形貌信息。强度分布反映了样品表面的形貌信息。2.2.由于在样品表面存在很多的凹叠面，到处存在由于在样品表面存在很多的凹叠面，到处存在30305050度的倾斜角，因此，在电镜观察时不一度的倾斜角，因此，在电镜观察时不一定需要将样品倾斜起来。但在定需要将样品倾斜起来。但在观察表面非常光观察表面非常光滑的样品时，则必须把样品倾斜起来滑的样品时，则必须把样品倾斜起来。3.3.在扫描电镜分析时，一般倾斜角不大于在扫描电镜分析时，一般倾斜角不大于4545度，度，过大的倾斜角会使样品的聚焦困难，并观察不过大的倾斜角会使样品的聚焦困难，并观察不到被阴影部分遮盖的部分。到被阴影部分遮盖的部分。二次电子强度与入射角的关系二次电子强度与入射角的关系 1/cos 为入射电子束与样品法线的夹角 尖、棱、角处增加 沟、槽、孔、穴处减小二次电子信号与角度关系样品成份的差异样品成份的差异n n 二次电子的产量与样品表面二次电子的产量与样品表面元素的原子序数有关。元素的原子序数有关。n n因此，虽然样品表面很平坦，因此，虽然样品表面很平坦，但元素成份不同就可以产生二但元素成份不同就可以产生二次电子象的衬度。次电子象的衬度。n n因此，在观察绝缘样品时，在因此，在观察绝缘样品时，在样品表面蒸发一层重金属比蒸样品表面蒸发一层重金属比蒸发轻金属可获得更好的二次电发轻金属可获得更好的二次电子象。子象。n n利用扫描电镜的景深大以及衬利用扫描电镜的景深大以及衬度与形貌的关系，可以通过多度与形貌的关系，可以通过多张照片观察样品的立体形貌。张照片观察样品的立体形貌。样品表面与检测器的位置关系样品表面与检测器的位置关系1.1.因为面对检测器表面的因为面对检测器表面的电子更容易被检测器检测，电子更容易被检测器检测，因此，直接面对检测器的因此，直接面对检测器的样品表面的二次电子象总样品表面的二次电子象总是比背着检测器的表面亮。是比背着检测器的表面亮。2.2.如图所示。这也是显微镜如图所示。这也是显微镜形成象衬度的重要因素。形成象衬度的重要因素。3.3.此外，形成象衬度的主要此外，形成象衬度的主要因素还有样品表面电位分因素还有样品表面电位分布的差异等。布的差异等。充电现象1.1.当样品的导电性差时，在当样品的导电性差时，在样品表面可以积累电荷，样品表面可以积累电荷，使表面产生电压降，入射使表面产生电压降，入射电子的能量将发生变化，电子的能量将发生变化，同时二次电子的产率也可同时二次电子的产率也可以发生变化。以发生变化。2.2.充电过程可以在样品表面充电过程可以在样品表面形成电场，不仅影响电子形成电场，不仅影响电子束的扫描过程，还会改变束的扫描过程，还会改变图像的亮度，对二次电子图像的亮度，对二次电子象产生严重影响。象产生严重影响。背散射电子n n高能入射电子在样品表面受到弹性散射后可以高能入射电子在样品表面受到弹性散射后可以被反射出来，该电子的能量保持不变，但方向被反射出来，该电子的能量保持不变，但方向发生了改变，该类电子称为发生了改变，该类电子称为背散射电子背散射电子。n n入射电子数与发射电子数的比称为入射电子数与发射电子数的比称为反射率反射率。n n进入检测器的发射电子数目还与样品表面的倾进入检测器的发射电子数目还与样品表面的倾斜角度有关。斜角度有关。n n反射电子象具有样品表面的反射电子象具有样品表面的化学成份化学成份和和形貌形貌的的综合信息。信息深度是综合信息。信息深度是0.10.11 1微米。微米。背散射电子象n n1形貌衬度n n 倾角因素：n n 背散射电子产额=Ib/Ipn n 随倾角增加而增加，但不精确满足正割关系原子序数影响n n表示了反射率与原子序表示了反射率与原子序数的关系。数的关系。n n从图上可见，反射率随从图上可见，反射率随着原子序数的增加而增着原子序数的增加而增加，但不是线形关系。加，但不是线形关系。n n不同的元素同样可以提不同的元素同样可以提供背散射的衬度信息供背散射的衬度信息3成分衬度 背散射电子产额与原子序数关系:当Ep=20keV以下，则 =-0.0254+0.016Z-1.86104Z2+8.3107Z3 设有两平坦相邻区域，分别由Z1 和Z2 纯元素组成，且 Z2 Z1 则衬度 C=S 为检测信号强度 为背散射电子强度 当Z1、Z2原子序数相邻，则衬度很低 当Z1、Z2原子序数相差远，则衬度很高背散射电子象n n一般背散射电子象直一般背散射电子象直接采用二次电子象的接采用二次电子象的电子检测器，或使用电子检测器，或使用p pn n结半导体器件检测结半导体器件检测器。器。n n由于反射电子具有很由于反射电子具有很高的能量，因此在利高的能量，因此在利用二次电子检测器进用二次电子检测器进行检测时，不需要对行检测时，不需要对电子实行再加速。电子实行再加速。背散射电子象信息n n反射电子象中包含有元素的化学成分和表面形反射电子象中包含有元素的化学成分和表面形貌的信息。貌的信息。n n反射电子象与样品材料的原子序数有很大关系。反射电子象与样品材料的原子序数有很大关系。由于重元素的反射率大，图像的亮度也高，反由于重元素的反射率大，图像的亮度也高，反之轻元素的发射率小，图像也就暗。之轻元素的发射率小，图像也就暗。n n此外，反射电子象也与样品表面的形状有很大此外，反射电子象也与样品表面的形状有很大关系。突起的部分就亮，凹下去的部分则由于关系。突起的部分就亮，凹下去的部分则由于反射电子的数量少，呈暗影。原则上反射电子反射电子的数量少，呈暗影。原则上反射电子的强度越大，则反射电子象的分辨率将降低。的强度越大，则反射电子象的分辨率将降低。二次电子象与背散射电子象的比较二次电子象与背散射电子象的比较 二次电子象 背散射象主要利用 形貌衬度 成分衬度 收集极 +250500V 50V 分辨率 高 较差 无阴影 有阴影 信号大，信噪比好 SESESE+BSESE+BSESE+BSESE+BSEEdge effectCharge-upComposite information附件功能n nX射线分析能谱分析n n当电子束辐照到样品表面时，可以产生荧光X射线，可以使用能谱分析和波谱分析来获得样品微区的化学成份信息。n nX射线的信息深度是0.55微米 能谱分析n n 由于不同元素发射出的荧光由于不同元素发射出的荧光X X射线的能量是不射线的能量是不一样的，也就是说特定的元素会发射出波长确一样的，也就是说特定的元素会发射出波长确定的特征定的特征X X射线。射线。n n通过将通过将X X射线按能量分开就可以获得不同元素的射线按能量分开就可以获得不同元素的特征特征X X射线谱，这就是能谱分析的基本原理。射线谱，这就是能谱分析的基本原理。n n在扫描电镜中，主要利用半导体硅探测器来检在扫描电镜中，主要利用半导体硅探测器来检测特征测特征X X射线，通过多道分析器获得射线，通过多道分析器获得X X射线能谱射线能谱图。从中可以对元素的成份进行定性和定量分图。从中可以对元素的成份进行定性和定量分析。析。波谱分析n n因为电子激发产生的荧光因为电子激发产生的荧光X X射线也是一种波，射线也是一种波，因此可以通过晶体分光的方法把因此可以通过晶体分光的方法把X X射线按波长射线按波长分离开，从而可以获得不同波长的特征分离开，从而可以获得不同波长的特征X X射线射线谱。谱。n n通过正比计数器进行检测。其优点是光谱的分通过正比计数器进行检测。其优点是光谱的分辨率高（高于辨率高（高于5eV5eV），），信噪比大，并能分析原信噪比大，并能分析原子序数为子序数为5 5以上的元素，其定量效果好。以上的元素，其定量效果好。n n其缺点是不能同时分析，需要逐个元素进行分其缺点是不能同时分析，需要逐个元素进行分析，分析速度慢。析，分析速度慢。电子能量损失谱分析n n利用电子与元素相互作用发出的能量损失谱可以对元素进行定性和定量分析n n能量分辨率高；n n空间分辨率高n n适合于轻元素分析n n也可以进行元素线扫描和分布分析仪器结构仪器结构扫描电镜扫描电镜电子枪；电子枪；n n透镜系统；透镜系统；n n样品室；样品室；n n扫描系统扫描系统n n真空系统组成真空系统组成n n电子光学系统电子光学系统电子光学系统电子光学系统：初级束要求：束斑初级束要求：束斑尽可能小尽可能小 ；电流尽电流尽可能大可能大 取折衷取折衷 1放大倍数放大倍数 荧光屏上的扫描振幅荧光屏上的扫描振幅 电子束在样品上的扫描振幅电子束在样品上的扫描振幅 放大倍数与扫描面积的关系：放大倍数与扫描面积的关系：(若荧光屏画面面积为若荧光屏画面面积为1010cm2)放大倍数放大倍数 扫描面积扫描面积 10 (1cm)(1cm)2 2 100 (1mm)(1mm)2 2 1,000 (100m)(100m)2 2 10,000 (10m)(10m)2 2 100,000 (1m)(1m)2 2主要参数2分辨率分辨率 样品上可以分辨的两个邻近的质点或线条间的距离。如何测量：拍摄图象上，亮区间最小暗间隙宽度 除以放大倍数。影响分辨率的主要因素：初级束斑：分辨率不可能小于初级束斑 入射电子在样品中的散射效应 对比度3 SEM的景深：对于SEM，虽没有实际的成象透镜，但景深的意义是相同的。在D深度范围内，中心处为最佳聚焦当dp 105 V/m 105 V/m 时；表面势垒宽度时；表面势垒宽度 10nm 10nm，量子隧道效应成为发射，量子隧道效应成为发射主导机制。主导机制。在室温下，大在室温下，大多数电子的能量还不足以多数电子的能量还不足以克服已降低了的势垒，但克服已降低了的势垒，但仍有一部分电子能穿过势仍有一部分电子能穿过势垒而发射。垒而发射。n n热场致发射热场致发射场发射枪1.1.发射出来的电子在阴发射出来的电子在阴极尖后形成交叉虚象，极尖后形成交叉虚象，直径直径100 100。2.2.高电流发射密度高电流发射密度+小小交叉点；交叉点；3.3.比比WW阴极高阴极高10001000倍的倍的亮度；亮度；4.4.减小束斑，减小束斑，提高仪提高仪器分辨率器分辨率聚光镜聚光镜n n聚聚光光镜镜主主要要可可以以起起到到增增强强电电子子束束密密度度和和将将一一次次发散电子会聚起来的功能。发散电子会聚起来的功能。n n一一般般分分辩辩本本领领在在2-5nm2-5nm的的电电镜镜均均采采用用单单聚聚光光镜镜，可可以以将将来来自自电电子子枪枪的的直直径径为为100100微微米米的的电电子子束束会聚成直径为会聚成直径为5050微米的电子束。微米的电子束。n n而而对对于于分分辩辩本本领领在在0.5nm0.5nm的的电电镜镜均均采采用用双双聚聚光光镜，可以得到一束直径为几个微米的电子束。镜，可以得到一束直径为几个微米的电子束。n n使使用用双双聚聚光光镜镜可可以以使使照照射射到到样样品品表表面面的的电电子子束束截截面面减减小小，不不易易使使试试样样过过热热；减减少少了了照照明明孔孔径径角角，使使电电子子束束接接近近轴轴照照明明；电电子子束束强强度度高高，具具有较强的亮度；减少荷电效应；衍射效果明显。有较强的亮度；减少荷电效应；衍射效果明显。透镜系统透镜系统n n电电子子与与光光子子不不同同，是是一一种种带带电电粒粒子子，不不能能通通过过光光学学透透镜镜的的方方式式进进行行聚聚焦焦成成像像。但但可可以以利利用用电电场和磁场的作用使电子会聚成像。场和磁场的作用使电子会聚成像。n n一一般般把把利利用用静静电电场场原原理理的的透透镜镜称称为为静静电电透透镜镜；利用磁场原理的透镜称为磁透镜。利用磁场原理的透镜称为磁透镜。n n静静电电透透镜镜的的基基本本原原理理图图见见图图1 1。电电子子束束通通过过两两端端的的离离轴轴作作用用力力和和中中间间的的向向轴轴作作用用力力的的作作用用，使使得得电电子子束束产产生生会会聚聚。其其焦焦距距由由电电场场分分布布来来控控制，一般的单透镜的焦距为制，一般的单透镜的焦距为3 35mm5mm。n n图图2 2是运动电子在磁透镜中的会聚原理。是运动电子在磁透镜中的会聚原理。透镜比较磁透镜与静电透镜相比具有以下优点：1.1.磁场强度的改变要比电场强度的改变容易；2.2.在磁透镜中采用低电压（60100V），不存在击穿的问题，而静电透镜需要上万伏的高压；3.3.磁透镜的象差较小，具有更好的分辨率。4.4.目前，在电镜中使用的主要是磁透镜。真空系统n n为了保证电子运动，减少与空气分子的碰撞，因此所有装置必须在真空系统中，一般真空度为102104Pa。n n一般采用机械泵和油扩散泵或分子泵联合系统n n现在一般采用机械泵和分子泵系统；真空度高，油污染小等优点，价格贵；样品制备n n一般玻璃材料，纤维材料，高分子材料以及陶一般玻璃材料，纤维材料，高分子材料以及陶瓷材料几乎都是瓷材料几乎都是非导电性非导电性的物质。在利用扫描的物质。在利用扫描电镜进行直接观察时，会产生严重的电镜进行直接观察时，会产生严重的荷电现象荷电现象，影响对样品的观察，因此需要在样品表面蒸镀影响对样品的观察，因此需要在样品表面蒸镀导电性能好的金等导电薄膜层。导电性能好的金等导电薄膜层。n n在样品表面镀金属层不仅可以防止荷电现象，在样品表面镀金属层不仅可以防止荷电现象，换可以减轻由电子束引起的样品表面损伤；增换可以减轻由电子束引起的样品表面损伤；增加二次电子的产率，提高图像的清晰度；并可加二次电子的产率，提高图像的清晰度；并可以掩盖基材信息，只获得表面信息。以掩盖基材信息，只获得表面信息。样品制备n n一般金属层的厚度在10纳米以上，不能太厚。n n镀层太厚就可能会盖住样品表面的细微，得不到样品表面的真实信息。n n假如样品镀层太薄，对于样品表面粗糙的样品，不容易获得连续均匀的镀层，容易形成岛状结构，从而掩盖样品的真实表面。样品制备n n表面镀膜最常用的方法有表面镀膜最常用的方法有真空蒸发真空蒸发和和离子溅射离子溅射两两种方法。种方法。n n其中真空蒸发一般是在其中真空蒸发一般是在10105 510107 7PaPa左右的真空左右的真空中蒸发低熔点的金属。中蒸发低熔点的金属。n n一般经常采用的是蒸镀金属金薄膜，但当要求高一般经常采用的是蒸镀金属金薄膜，但当要求高放大倍数时，金属膜的厚度应该在放大倍数时，金属膜的厚度应该在10nm10nm以下，以下，一般可以蒸镀一般可以蒸镀Au-PdAu-Pd（6:46:4）合金。这样可以避免合金。这样可以避免岛状结构的形成。岛状结构的形成。n n从经验上看，先蒸发一层很薄的炭，然后再蒸镀从经验上看，先蒸发一层很薄的炭，然后再蒸镀金属层可以获得比较好的效果。金属层可以获得比较好的效果。样品制备n n离子溅射也是常用的表面镀膜方法，n n其溅射原理见图9。n n与真空蒸发相比，当金属薄膜的厚度相同时，利用离子溅射法形成的金属膜具有粒子形状小，岛状结构小的特点。样品制备n n对于其它导电性好的样品如金属，合金以及半导体材料，薄膜样品基本不需要进行样品处理，就可以直接观察。只要注意几何尺寸上的要求。但要求样品表面清洁，如果被污染容易产生荷电现象。n n对于需要进行元素组成分析的样品，一般在表面蒸发轻元素作为导电层如：金属铝和碳薄膜层。对于粉体样品可以直接固定在导电胶带上。扫描电子显微镜的应用扫描电子显微镜的应用纳米材料表面形貌观察断口观察剖面观察生物表面观察元素分布定性分析高分子纳米管合金材料断口形貌断面分析断面分析纳米线，纳米带分析纳米线，纳米带分析Pictures of SEM果蝇：果蝇：不同倍率的扫描电不同倍率的扫描电镜照片镜照片The ENDThanks
