SEM电子显微镜与电子探针.ppt

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1、一、简介一、简介二、基本物理概念二、基本物理概念三、主要参数三、主要参数四、工作模式与衬度原理四、工作模式与衬度原理五、主要部件五、主要部件六、应用举例六、应用举例七七、电子探针电子探针扫描电子显微镜与电子探针扫描电子显微镜与电子探针(Scanning Electron Microscope 简称简称SEMand Electron Probe Micro-analysis 简称简称EPMA)一、简介一、简介 SEM是利用聚焦电子束在样品上扫描时激发的某种物理是利用聚焦电子束在样品上扫描时激发的某种物理信号来调制一个同步扫描的显象管在相应位置的亮度而成信号来调制一个同步扫描的显象管在相应位置的亮

2、度而成象的显微镜。象的显微镜。与普通显微镜的差别与普通显微镜的差别：电子波长电子波长 E E为电子能量，单位为电子能量，单位 eV eV 当当 E=30KeV E=30KeV 时时,0.007nm 0.007nm 普通显微镜普通显微镜 SEM 基本原理基本原理 光折射成象光折射成象 同步扫描同步扫描 入射束波长入射束波长 400-700 nm 400-700 nm 能量为能量为E E的电子的电子 放大倍数放大倍数 1600 1600 几十万几十万 分辨率分辨率 200 nm nm 200 nm nm 景深景深 是普通显微镜的是普通显微镜的300300倍倍学习的重要性学习的重要性：是形貌分析的重

3、要手段是形貌分析的重要手段 二次电子象在其它分析仪器中的应用二次电子象在其它分析仪器中的应用 基本物理概念、仪器参数及基本单元的通用性基本物理概念、仪器参数及基本单元的通用性 二、二、基本物理概念基本物理概念(一一)电子与表面相互作用及与之相关的分析技术电子与表面相互作用及与之相关的分析技术(二二)信息深度信息深度(三三)电子作为探束的分析技术特点电子作为探束的分析技术特点(一一)电子与表面相互作用及与之相关的分析技术电子与表面相互作用及与之相关的分析技术 1 1信息种类及相应的分析技术：信息种类及相应的分析技术：背散射：经弹性散射或一次非弹性散射后背散射：经弹性散射或一次非弹性散射后 以以

4、90 90射出表面，射出表面，E E E Ep p 特征能量损失特征能量损失 多次散射后射出形成本底多次散射后射出形成本底 在样品中停止，变为吸收电流在样品中停止，变为吸收电流 从样品透射从样品透射 (TEM)二次电子：外层价电子激发二次电子：外层价电子激发 (SEM)俄歇电子：内层电子激发俄歇电子：内层电子激发 (AES)特征特征X X射线：内层电子激发射线：内层电子激发 (EPMA)连续连续X X射线：轫致辐射射线：轫致辐射(本底）本底）对于半导体材料：对于半导体材料：阴极荧光阴极荧光 电子束感生电流电子束感生电流 2 2检测电子的能量分布检测电子的能量分布(二二)信息深度信息深度 非弹性

5、散射平均自由程：非弹性散射平均自由程：具有一定能量的电子连续发生两次非弹性碰撞具有一定能量的电子连续发生两次非弹性碰撞 之间所经过的距离的平均值。之间所经过的距离的平均值。衰减长度：衰减长度：I=II=Io oe et/t/当电子穿过当电子穿过t=t=厚的覆盖层后，它的强度厚的覆盖层后，它的强度 将衰减为原来的将衰减为原来的1/e,1/e,称称为衰减长度。为衰减长度。通常近似地把衰减长度通常近似地把衰减长度当作电子的非弹性散射平均当作电子的非弹性散射平均 自由程，亦称为逸出深度。自由程，亦称为逸出深度。衰减长度和电子能量的关系：衰减长度和电子能量的关系：实验结果：实验结果：经验公式：经验公式：

6、=(A=(Ai i/E/E2 2)+B)+Bi iE E1/21/2 其中其中A A、B B对于不同的元素及化合物对于不同的元素及化合物 有不同的值有不同的值.信息深度：信息深度：信号电子所携带的信息来自多厚的表面层信号电子所携带的信息来自多厚的表面层？通常用出射电子的逃逸深度来估计。通常用出射电子的逃逸深度来估计。但是当出射电子以同表面垂直方向成但是当出射电子以同表面垂直方向成角射出角射出时，电子所反映的信息深度应该是：时，电子所反映的信息深度应该是：d=cos d=cos 激发深度与信息深度激发深度与信息深度：在扫描电镜中，由电子激发产生的主要信号的信息深度：在扫描电镜中，由电子激发产生的

7、主要信号的信息深度：俄歇电子俄歇电子 1 nm nm)1 nm nm)二次电子二次电子 5-50 nm 5-50 nm 背散射电子背散射电子 50-500 nm 50-500 nm Xm Xm 产生大量二次电子，产生大量二次电子，产生少量二次电子，产生少量二次电子，信噪比差信噪比差 信噪比好信噪比好 电子探束电子探束 光子探束光子探束(三三)电子作为探束的特点电子作为探束的特点碰撞中碰撞中E Ep p E E，碰撞中碰撞中h=Eh=E，自身湮没，自身湮没损失部分能量后射出损失部分能量后射出 可聚焦、偏转，获得可聚焦、偏转，获得 不易聚焦，束斑大且强度低不易聚焦，束斑大且强度低 小束斑和高强度小

8、束斑和高强度 电子束源价格低廉电子束源价格低廉 X X光源复杂，价格较贵光源复杂，价格较贵 宜为外层价电子电离源宜为外层价电子电离源 宜为芯层电子电离源宜为芯层电子电离源 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

9、)(1m)2 2三、三、主要参数主要参数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。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。除以放大倍数。影响分辨率的主要因素：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入射电子在样品中的散射效应 对比度对比度3景深景深 一般景深的定义：一般景深的定义：SEM的景深：的景深：对于对于SEM，虽没有实际的成象透镜，但景深的意义，虽没有实际的成象透镜，但景深的意义是相同

10、的。是相同的。在在D深度范围内，中心处为最佳聚焦深度范围内，中心处为最佳聚焦当当dp Z Z1 1 则衬度则衬度 C=S C=S 为检测信号强度为检测信号强度 为背散射电子强度为背散射电子强度 当当Z Z1 1、Z Z2 2原子序数相邻，原子序数相邻，则衬度很低则衬度很低 当当Z Z1 1、Z Z2 2原子序数相差远原子序数相差远，则衬度很高，则衬度很高原子序数 W:74 Ti:22 Si:14 Al:13 O:8 N:7 如何排除表面不平坦因素？如何排除表面不平坦因素？表面抛光表面抛光 采用双通道检测器及信号处理采用双通道检测器及信号处理(三三)二次电子象与背散射电子象的比较二次电子象与背散

11、射电子象的比较 信号检测系统信号检测系统-闪烁体计数器闪烁体计数器 栅网栅网 +250-500V 二次电子象二次电子象 -50V 背散射电子象背散射电子象 闪烁体闪烁体 6-10kV 吸引、加速电子吸引、加速电子 撞击闪烁体发光撞击闪烁体发光 光导管光导管 光子倍增器光子倍增器 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 二次电子象二次电子象 背散射象背散射象主要利用主要利用 形貌衬度形貌衬度 成分衬度成分衬度 收集极收集极 +250500V 50V 分辨率分辨率 高高 较差较差 无阴影无阴影 有阴影有阴影 信号大，信噪比好信号大，信噪比好 五、主要部件五、主要部件 电子光学

12、系统电子光学系统 扫描系统扫描系统 信号检测系统信号检测系统 图象显示系统图象显示系统 电源系统和真空系统电源系统和真空系统 电子光学系统电子光学系统：初级束要求：束斑尽可能小初级束要求：束斑尽可能小 电流尽可能大电流尽可能大 取折衷取折衷 (一一)电子源电子源 (二二)电子枪电子枪 (一一)电子源电子源1热发射源热发射源 当温度超过一定值时，有较多的电子具有克服表面势垒当温度超过一定值时，有较多的电子具有克服表面势垒 (功函数功函数)的动能而逃离金属射出。的动能而逃离金属射出。J=AT2exp(-/kT)J：阴极发射电流：阴极发射电流 T：阴极温度：阴极温度 A：与材料有关的常数：与材料有关

13、的常数对材料要求对材料要求：功函数小，熔点高：功函数小，熔点高 功函数功函数 工作温工作温 度度 特点特点 WeV 2500-2800 稳定、制备简单稳定、制备简单 BaB6 2.7eV 1400-2000 化学性质活泼化学性质活泼 要求要求104Pa以上真空以上真空 特殊夹持材料特殊夹持材料2场发射源场发射源 冷场致发射冷场致发射 当尖处电场强度当尖处电场强度 10 105 5 V/m V/m 时时 表面势垒宽度表面势垒宽度 10nm 10nm 量子隧道效应成为发射主导机制量子隧道效应成为发射主导机制 在室温下，大多数电子的能量还不足以克服已在室温下，大多数电子的能量还不足以克服已 降低了的

14、势垒，但仍有一部分电子能穿过势垒而降低了的势垒，但仍有一部分电子能穿过势垒而 发射。发射。热场致发射热场致发射(二二)电子枪电子枪 1三级电子枪三级电子枪 F：灯丝：灯丝 负高压负高压 发射电子发射电子 A：阳极：阳极 接地接地 F、A间形成对电子的加速场间形成对电子的加速场 W：栅极：栅极 负偏压负偏压(相对于阴极相对于阴极)让电子只通过栅孔让电子只通过栅孔 聚焦透镜作用：在阳极附近形成交叉点聚焦透镜作用：在阳极附近形成交叉点2场发射枪场发射枪 发射出来的电子在阴极尖后形成交叉虚象，发射出来的电子在阴极尖后形成交叉虚象，直径直径100。高电流发射密度高电流发射密度+小交叉点小交叉点 比比W阴极高阴极高1000倍的亮度倍的亮度 减小束斑减小束斑 提高仪器分辨率提高仪器分辨率 W针尖的制备针尖的制备六、小结六、小结