扫描电子显微技术

扫描电子显微技术

扫描电子显微镜[1-3]（scanning electron microscope—SEM）是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。扫描电子显微技术主要的应用就是扫描电镜，本文主要介绍扫描电镜的结构、原理及应用。

Knoll等人于年曾进行过扫描电子显微镜简称的实验, 而普通透射电子显微镜（简称CEM）是由Ruska等人于1933年创制,故可以说SEM和CEM诞生于同一时期。但是, 此后电子显微镜的研究主要致力于提高分辨率上, 而因SEM在电子线路技术上问题很多, 故把改进仪器的精力集中在发展CEM上了。然而, 1949年开始发展的射线显微分析仪, 在其研制中引进了SEM的技术, 1960年扫描型X射线显微分析仪才能成为商品在市场上出售, 随着它们的普及, 在制造厂中制造SEM的基础技术得以充实起来。当时又赶上电子线路技术全面大发展的时期, 因而导致1966年英国和日本的SEM在工业上得到了成功的应用。

1 扫描电子显微镜的基本组成

图1

扫描电子显微镜由三大部分组成：真空系统，电子束系统以及成像系统。如图1。

（1）真空系统

真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。真空柱是一个密封的柱形容器。真空泵用来在真空柱内产生真空。对于扫描电镜来说，通常要求真空度优于10-3～10-4Pa。任何真空度

的下降都会导致电子束散射加大，电子枪灯丝寿命缩短，产生虚假的二次电子效应，使透镜光阑和试样表面受碳氢化合物的污染加速等等，从而严重的影响成像的质量。因此，真空系统的质量是衡量扫描电镜质量的参考指标之一。

常用的高真空系统有如下三种：

○

1油扩散泵系统。这种真空系统可获得10-3～10-5Pa 的真空度，基本能满足扫描电镜的一般要求，其缺点是容易使试样和电子光学系统的内壁受污染。

○2涡轮分子泵系统。这种真空系统可以获得10-4Pa 以上的真空度，其优点是属于一种无油的真空系统，故污染问题不大，但缺点是噪音和振动较大，因而限制了它在扫描电镜中的应用。

○

3离子泵系统。这种真空系统可以获得10-7～10-8Pa 的极高真空度，可满足在扫描电镜中采用LaB 6 电子枪和场致发射电子枪对真空度的要求。

（2）电子束系统

电子束系统由电子枪和电磁透镜两部分组成，主要用于产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成象。

电子枪的作用是产生电子照明源，它的性能决定了扫描电镜的质量，商业生

产扫描电镜的分辨率可以说是受电子枪亮度所限制。根据朗谬尔方程，如果电子枪所发射电子束流的强度为I 0，则它有如下关系存在：

4220200?=G I πβ

式中α－电子束的半开角；G 0－虚光源的尺寸；β0－电子枪的亮度。

根据统计力学的理论可以证明，电子枪的亮度β0是由下式来确定：

)(00kT eV J k πβ= ①

式中 J k －阴极发射电流密度；V 0－电子枪的加速电压；k －玻尔兹曼常数；T －阴极发射的绝对温度；e －电子电荷。

在热电子发射时，阴极发射电流密度J k 可以用如下公式来表示：

)exp(0kT e T A J k φ-= ②

式中 A 0－发射常数；φ－阴极材料的逸出功。

从公式①和公式②可以看出，阴极发射的温度越高，阴极材料的电子逸出功越小，则所形成电子枪的亮度也越高。

电子枪主要有两大类，共三种。一类是利用场致发射效应产生电子，称为场致发射电子

枪。这种电子枪极其昂贵，在十万美元以上，且需要小于10-10torr的极高真空。但它具有至少1000小时以上的寿命，且不需要电磁透镜系统。另一类则是利用热发射效应产生电子，有钨枪和六硼化镧枪两种。钨枪寿命在30～100小时之间，价格便宜，但成象不如其他两种明亮，常作为廉价或标准SEM配置。六硼化镧枪寿命介于场致发射电子枪与钨枪之间，为200～1000小时，价格约为钨枪的十倍，图像比钨枪明亮5～10倍，需要略高于钨枪的真空，一般在10-7torr以上；但比钨枪容易产生过度饱和和热激发问题。

目前商业生产的扫描电镜大多是采用发夹式钨灯丝电子枪的。影响电子枪发射性能的因素（依据于所发射电子束的强度J k）：

○1灯丝阴极本身的热电子发射性质（如电子逸出功，几何形状等）；

○2灯丝阴极的加热电流。试验表明，发射电流强度是随着阴极加热电流的增加而增加的；

○3灯丝尖端到栅极孔的距离h。一般来说α角越大，故可以获得较大的电子束强度，但灯丝的寿命却越短；

○4阳极的加速电压V0。因为灯丝的亮度是同加速电压V0成正比的，故高的加速电压可以获得较大的发射电流强度。

电磁透镜：热发射电子需要电磁透镜来成束，所以在用热发射电子枪的SEM上，电磁透镜必不可少。通常会装配两组：汇聚透镜：顾名思义，汇聚透镜用汇聚电子束，装配在真空柱中，位于电子枪之下。通常不止一个，并有一组汇聚光圈与之相配。但汇聚透镜仅仅用于汇聚电子束，与成象会焦无关。物镜：物镜为真空柱中最下方的一个电磁透镜，它负责将电子束的焦点汇聚到样品表面。

（3）成像系统

电子经过一系列电磁透镜成束后，打到样品上与样品相互作用，会产生次级电子、背散射电子、欧革电子以及X射线等一系列信号。所以需要不同的探测器譬如次级电子探测器、X射线能谱分析仪等来区分这些信号以获得所需要的信息。虽然X射线信号不能用于成象，但习惯上，仍然将X射线分析系统划分到成象系统中。有些探测器造价昂贵，比如Robinsons 式背散射电子探测器，这时，可以使用次级电子探测器代替，但需要设定一个偏压电场以筛除次级电子。

目前扫描电镜的透镜系统有三种结构：（a）双透镜系统；（b）双级励磁的三级透镜系统；（c）三级励磁的三级透镜系统。其中以三级励磁透镜系统具有较多优点，其理由如下：（1）多一级透镜的效果是使电子束的收缩能力更强，对原始光源的尺寸要求不高，仍可以获得小

于5nm的电子束斑；（2）电子光学系统具有较大的灵活性，便于形成各种扫描式的光路，特别是要形成单偏转摇摆扫描式的光路（这是一种获得选区电子通道花样的光路），只有用三个独立可调的透镜系统才有可能做到。

在扫描电镜中，前级透镜的作用是聚光镜，把从电子枪所发射出的电子束聚成足够细的束斑，而末级透镜的作用是物镜，末级透镜的像差直接影响成像的分辨率，因此，在末级透镜的设计上，如何降低其球像差是主要任务。装在末级透镜中的像散校正装置是采用八极式电磁消像散器，其用途是消除由于透镜污染（其效果是导致像场的畸变）所产生的像散。在扫描电镜中，从下极件到试样上表面的距离（沿光轴方向量）习惯称为工作距离。经验表明，工作距离对扫描电子像的像差有很大影响。末级透镜光阑的作用是控制电子束的开角，从而控制图像的景深（它与电子束开角的大小成反比）。如果观察图像时所采用的工作距离为D，光阑孔径为a，则电子束的开角2α由下式来确定：

?2

=

a

D

扫描电镜的工作距离越大，2α越小，相应焦深越大。由于扫描电镜的焦深大，故所得图像最富有立体感，特别宜于观察高低不平表面。

2 扫描电子显微镜的原理

所谓扫描是指在图象上从左到右、从上到下依次对图象象元扫描的工作过程。它与电视一样是由控制电子束偏转的电子系统来完成的，只是在结构和部件上稍有差异而已。在电子扫描中，把电子束从左到右方向的扫描运动叫做行扫描或称作水平扫描，把电子束从上到下方向的扫描运动叫做帧扫描或称作垂直扫描。两者的扫描速度完全不同，行扫描的速度比帧扫描的速度快，对于1000条线的扫描图象来说，速度比为1000。电子显微镜的工作是进入微观世界的工作。我们平常所说的微乎其微或微不足道的东西，在微观世界中，这个微也就不称其微，我们提出用纳米作为显微技术中的常用度量单位，即1nm=10-6mm。

扫描电镜成像过程与电视成像过程有很多相似之处，而与透射电镜的成像原理完全不同。透射电镜是利用成像电磁透镜一次成像，而扫描电镜的成像则不需要成象透镜，其图象是按一定时间、空间顺序逐点形成并在镜体外显像管上显示。

图2 扫描电子显微镜成像原理图

二次电子成象是使用扫描电镜所获得的各种图象中应用最广泛，分辨本领最高的一种图象。我们以二次电子成象为例来说明扫描电镜成象的原理。由电子枪发射的电子束最高可达30keV，经会聚透镜、物镜缩小和聚焦，在样品表面形成一个具有一定能量、强度、斑点直径的电子束。在扫描线圈的磁场作用下，入射电子束在样品表面上按照一定的空间和时间顺序做光栅式逐点扫描。由于入射电子与样品之间的相互作用，将从样品中激发出二次电子。由于二次电子收集极的作用，可将各个方向发射的二级电子汇集起来，再将加速极加速射到闪烁体上，转变成光信号，经过光导管到达光电倍增管，使光信号再转变成电信号。这个电信号又经视频放大器放大并将其输送至显像管的栅极，调制显像管的亮度。因而，再荧光屏上呈现一幅亮暗程度不同的、反映样品表面形貌的二次电子象。在扫描电镜中，入射电子束在样品上的扫描和显像管中电子束在荧光屏上的扫描是用一个共同的扫描发生器控制的。这样就保证了入射电子束的扫描和显像管中电子束的扫描完全同步，保证了样品上的“物点”与荧光屏上的“象点”在时间和空间上一一对应，称其为“同步扫描”。一般扫描图象是由近100万个与物点一一对应的图象单元构成的，正因为如此，才使得扫描电镜除能显示一般的形貌外，还能将样品局部范围内的化学元素、光、电、磁等性质的差异以二维图象形式显示。

SEM得基本参数有：○1放大率—与普通光学显微镜不同，在SEM中，是通过控制扫描区域的大小来控制放大率的。如果需要更高的放大率，只需要扫描更小的一块面积就可以了。放大率由屏幕/照片面积除以扫描面积得到。所以，SEM中，透镜与放大率无关。○2场深—

在SEM中，位于焦平面上下的一小层区域内的样品点都可以得到良好的会焦而成象。这一小层的厚度称为场深，通常为几纳米厚，所以，SEM可以用于纳米级样品的三维成像。○3作用体积—电子束不仅仅与样品表层原子发生作用，它实际上与一定厚度范围内的样品原子发生作用，所以存在一个作用“体积”。作用体积的厚度因信号的不同而不同：欧革电子：0.5～2纳米。次级电子：5λ，对于导体，λ=1纳米；对于绝缘体，λ=10纳米。背散射电子：10倍于次级电子。特征X射线：微米级。X射线连续谱：略大于特征X射线，也在微米级。○4工作距离—工作距离指从物镜到样品最高点的垂直距离。如果增加工作距离，可以在其他条件不变的情况下获得更大的场深。如果减少工作距离，则可以在其他条件不变的情况下获得更高的分辨率。通常使用的工作距离在5毫米到10毫米之间。○5成象—次级电子和背散射电子可以用于成象，但后者不如前者，所以通常使用次级电子。○6表面分析—欧革电子、特征X射线、背散射电子的产生过程均与样品原子性质有关，所以可以用于成分分析。但由于电子束只能穿透样品表面很浅的一层（参见作用体积），所以只能用于表面分析。表面分析以特征X射线分析最常用，所用到的探测器有两种：能谱分析仪与波谱分析仪。前者速度快但精度不高，后者非常精确，可以检测到“痕迹元素”的存在但耗时太长。

3扫描电子显微镜成象特点

扫描电镜虽然是显微镜家族中的后起之秀，但由于其本身具有许多独特的优点，发展速度是很快的。

（1）仪器分辨率较高，通过二次电子象能够观察试样表面6nm 左右的细节，采用LaB6 电子枪，可以进一步提高到3nm。

（2）仪器放大倍数变化范围大，且能连续可调。因此可以根据需要选择大小不同的视场进行观察，同时在高放大倍数下也可获得一般透射电镜较难达到的高亮度的清晰图像。（3）观察样品的景深大，视场大，图像富有立体感，可直接观察起伏较大的粗糙表面和试样凹凸不平的金属断口象等，使人具有亲临微观世界现场之感。

（4）样品制备简单，只要将块状或粉末状的样品稍加处理或不处理，就可直接放到扫描电镜中进行观察，因而更接近于物质的自然状态。

（5）可以通过电子学方法有效地控制和改善图像质量，如亮度及反差自动保持，试样倾斜角度校正，图象旋转，或通过Y 调制改善图象反差的宽容度，以及图象各部分亮暗适中。采用双放大倍数装置或图象选择器，可在荧光屏上同时观察放大倍数不同的图象。

（6）可进行综合分析。装上波长色散X 射线谱仪（WDX）或能量色散X 射线谱仪(EDX),使具有电子探针的功能，也能检测样品发出的反射电子、X 射线、阴极荧光、透射电子、

俄歇电子等。把扫描电镜扩大应用到各种显微的和微区的分析方式，显示出了扫描电镜的多功能。另外，还可以在观察形貌图象的同时，对样品任选微区进行分析；装上半导体试样座附件，通过电动势象放大器可以直接观察晶体管或集成电路中的PN结和微观缺陷。由于不少扫描电镜电子探针实现了电子计算机自动和半自动控制，因而大大提高了定量分析的速度。

4扫描电子显微镜在材料中的应用

○1材料的组织形貌观察

材料剖面的特征、零件内部的结构及损伤的形貌,都可以借助扫描电镜来判断和分析。反射式的光学显微镜直接观察大块试样很方便,但其分辨率、放大倍数和景深都比较低。而扫描电子显微镜的样品制备简单,可以实现试样从低倍到高倍的定位分析,在样品室中的试样不仅可以沿三维空间移动,还能够根据观察需要进行空间转动,以利于使用者对感兴趣的部位进行连续、系统的观察分析;扫描电子显微图像因真实、清晰,并富有立体感,在金属断口和显微组织三维形态的观察研究方面获得了广泛地应用[4-8]。

○2镀层表面形貌分析和深度检测

金属材料零件在使用过程中不可避免地会遭受环境的侵蚀,容易发生腐蚀现象。为保护母材,成品件,常常需要进行诸如磷化、达克罗等表面防腐处理。有时为利于机械加工,在工序之间也进行镀膜处理。由于镀膜的表面形貌和深度对使用性能具有重要影响,所以常常被作为研究的技术指标。镀膜的深度很薄,由于光学显微镜放大倍数的局限性,使用金相方法检测镀膜的深度和镀层与母材的结合情况比较困难,而扫描电镜却可以很容易完成。使用扫描电镜观察分析镀层表面形貌是方便、易行的最有效的方法,样品无需制备,只需直接放入样品室内即可放大观察。

○3微区化学成分分析

在样品的处理过程中,有时需要提供包括形貌、成分、晶体结构或位向在内的丰富资料,以便能够更全面、客观地进行判断分析. 为此,相继出现了扫描电子显微镜—电子探针多种分析功能的组合型仪器. 扫描电子显微镜如配有X射线能谱(EDS)和X射线波谱成分分析等电子探针附件,可分析样品微区的化学成分等信息. 材料内部的夹杂物等,由于它们的体积细小,因此,无法采用常规的化学方法进行定位鉴定. 扫描电镜可以提供重要的线索和数据. 工程材料失效分析常用的电子探针的基本工作方式为:

(1) 对样品表面选定微区作定点的全谱扫描定性;

(2) 电子束沿样品表面选定的直线轨迹作所含元素浓度的线扫描分析;

(3) 电子束在样品表面作面扫描,以特定元素的X射线讯号调制阴极射线管荧光屏亮度,给出该元素浓度分布的扫描图像.一般而言,常用的X射线能谱仪能检测到的成分含量下限为0.1 % (质量分数). 可以应用在判定合金中析出相或固溶体的组成、测定金属及合金中各种元素的偏析、研究电镀等工艺过程形成的异种金属的结合状态、研究摩擦和磨损过程中的金属转移现象以及失效件表面的析出物或腐蚀产物的鉴别等方面.

5扫描电子显微镜的缺陷

由于工作原理及结构上的一些限制, 使常规的使用性能和适用范围受到很大影响。归纳起来, 这些影响主要有：

（1）样品必须干净、干燥。肮脏、潮湿的样品会使仪器真空度下降, 并可能在镜筒内各狭缝、样品室壁上留下沉积物, 从而降低成像性能并给探头或电子枪

造成损害。此限制使得对各种各样的含水样品不能在自然状态下观察。同样

对挥发性样品也不能观察。

（2）样品必须有导电性。这是因为电子束在与样品相互作用时, 会在样品表面沉积相当可观的电荷。若样品不导电, 电荷累积所形成的电场会使作为SEM成

像信号的二次电子发射状况发生变化, 极端情况下甚至会使电子束改变方向

而使图像失真。因此观察绝缘样品时, 必须采取各种措施来消除所沉积的电

荷,如在样品表面做导电性涂层或进行低压电荷平衡。然而这些措施的采用,

对仪器本身提出更高要求, 并使样品预处理变得繁琐、复杂。而导电涂层又

带来了新问题涂层是否会显著地改变样品外貌涂层后的样品图像是涂层图像

而非样品图像, 这两者是否完全相同

（3）常规SEM信号探头使用光电倍增管放大原始成像信号, 它对光、热非常敏感, 因此不能观察发光或高温样品。成像过程中观察窗、照明器不能打开, 给观

察过程带来极大不便[9]。

参考文献

[1] 扫描电子显微镜简介. 上海农业科技, 1981(03).

[2] 常规扫描电子显微镜的特点和发展. 分析仪器, 2000(01).

[3] 扫描电子显微镜的基础. 兵器材料科学与工程, 1981(Z1).

[4] Booth MJ, Hell SW. Continuous wave excitation two photon fluorescence microscopy exemplified with the 647nm Arkrlaserline [ J ]. J Microsc, 1998, 90 ( 1 ) :298 - 304.

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[7] 张志琨,崔作林. 纳米技术与纳米材料[M ] 北京:国防工业出版社, 2000, 37 - 78.

[8] C. R. Books and B. L. Mcgill. The Application of Scan2ning Electron Microscopy to Fractography [ J ]. Microstructural Characterization, 1994, (33) : 195 - 243.

[9] 陆华等真空科学与技术,1993, (6)