第二章 扫描电子显微镜-2016-2017

反映样品微区成分特征（平均原子序数分布） 反映形貌特征（样品的倾斜角、背散射电子穿透深度）
定性反映
以BSE信号调制图像的衬度
二、电子与样品物质的交互作用（２）
B)二次电子（SE）
入射 电子束
SE 样品
二次电子的产生过程： 接近样品表层的原子 价电子被离化（90%） 自由电子 二次电子
一、扫描电子显微镜的发展历史（3）
发展历史
1931年，德国的克诺尔和鲁斯卡，用冷阴极放电电子源和三个电子透镜改装 了一台高压示波器，并获得了放大十几倍的图象，证实了电子显微镜放大成 像的可能性。 1932年，经过鲁斯卡的改进，电子显微镜的分辨能力达到了50纳米，约为当 时光学显微镜分辨本领的十倍，于是电子显微镜开始受到人们的重视。 上世纪60年代商业化
二、扫描电子显微镜的原理、结构和性能 (3)
3、扫描电镜的主要性能 A)分辨率 定义：在特定条件下拍摄的图像上两亮点（区）之间最小 暗间隙的宽度，再除以放大倍数。 主要影响因素 （1)扫描电子束斑直径
二、扫描电子显微镜的原理、结构和性能 (2)
（II）场发射电子枪 场致发射：曲率半径很 场致发射 曲率半径很小的阴极尖端附近的强电场使阴极尖端发射电子。 极尖端附 场使 极尖端 射 子
阴极（W单晶）
强电场107-108V/cm 尖端曲率半径100-500nm(发射截面)
冷发射 热发射
第一阳极 第 阳极
A)电子光学系统
组成：电子枪、电磁聚光镜、光阑、样品室、等等 作用：获得一束高能量细聚焦的电子束 充当产生所需信号的激发源
（1）电子枪 作用：电子源 电子束 要求：高亮度（大电流） 要求 高亮度（大电流） 信号的强度高 小束斑直径 图像的分辨率高 电子枪的类型（按产生电子的原理分） 热发射三极电子枪 场发射电子枪
入射电子 L K
透射电子产率： 样品厚度、成分、晶体结构、晶向
E)特征X射线
入射电子与原子内壳层电子发生非弹性碰撞 特征X射线的能量和波长仅与元素序数有关 微区成分分析
K 散射电子 出射电子 入射电子
F) )俄歇电子（Auger uge ）
所要释放的能量 > 其他电子的临界电离能 原子的再次电离，产生二次电子（俄歇电子） 微区表面化学成分分析(表层2-3个原子层,1nm以内)
入射 电子束 样品 BSE
弹性背散射电子： 被表面原子反射回来，E～E入射电子 非弹性背散射电子： 被内部原子多次散射，0< E< E入射电子
对原子序数十分敏感，产额 ～ 原子序数Z (Z较小时);
样品的倾斜角： 30o以下迅速增加； 以下迅速增加 ～ ； 基本与 E入射电子 无关。
电压3-5KV
发射电子流，向阳极加速
第二阳极
电压： 数十千伏 加速 会聚 加速、会聚
电子束直径10nm
高亮度(大电流密度):高于W丝3个数量级 0.5-2nm束斑，分辨率高：0.5nm
二、扫描电子显微镜的原理、结构和性能 (2)
A)电子光学系统 (2)电磁透镜
组成：第一聚光镜、第二聚光镜、末级聚光镜 作用 再聚焦压缩 获得细聚焦的电子束 （电子探针， 作用：再聚焦压缩 （电子探针 d=3.5 d 3 5 – 6 nm）
？
扫描电子显微镜的最大放 大倍率约为20万倍左右， 分辨率0.5nm左右。
一、扫描电子显微镜的发展历史 (2)
电子的波长
德布罗意波： 德布罗意波
= h/mV = h/p ; E = h ;
电子的能量：
静电场：加速电压U 1/2mV 1/2 V2 = eU U
= h(2emU)-1/2
末级聚光镜(物镜) 作用：聚焦于样品表面 要求：样品必须位于物镜焦点附近 减小相差，提高分辨率 减小相差 提高分辨率
有效收集二次电子 样品处于弱磁区
物镜光阑：
可动，孔径100um、 200um、 300um、 400um 提高束流强度或者增大景深；其他用途
二、扫描电子显微镜的原理、结构和性能 (3)
高电压下 引入相对论修正 高电压下，引入相对论修正：
U（kV) (nm) ( ) 20 50 100 0 0037 0.0037 200 1000 3000 0 00859 0.00536 0.00859 0 00536 0 00251 0.00087 0.00251 0 00087 0.00036 0 00036
优点：
不失真、频带宽、增益高108、噪音小
或者采用半导体探测器或罗宾逊探头。
二、扫描电子显微镜的原理、结构和性能 (3)
2、扫描电镜的结构 D)图像的显示与记录系统 把信号检测系统输出的调制信号转换为在CRT、液晶显示 器等可视媒体上的图像，或者可以记录的图像。
E)其他辅助系统 真空系统、电源系统。
A）原子序数的影响 原子序数的影响 弹性散射截面Q： Z2 (原子序数） 低原子序数：“梨”型 低原子序数 梨 型 加速 电压低 B）入射电子束能量的影响 射 子束能 的影响 作用区尺寸正比于入射电子束能量 弹性散射截面与电子能量的平方成反比 （在样品表面轨迹直） 穿透深度更大 C）样品倾斜角 电子在散射过程中具有向前散射的趋势 高原子序数：“半球”型 高原子序数： 半球 型 加速 电压低 斜入射 作用距离浅 垂直入射(倾斜为0o) 作用距离深 浅
2.1 扫描电子显微镜
一、扫描电子显微பைடு நூலகம்的发展历史 (1)
发展的原动力
人眼的分辨本领 0.1 人眼的分辨本领： 0 1 mm
光学显微镜
放大镜：几十倍 绿光=550nm NA=1.4 d = / 2NA = /2 n Sin 光学显微镜的最大放大倍 率约为2000倍，分辨率约 为200nm。
最适合研究样品表面的形貌
二、电子与样品物质的交互作用（２）
SE的数量与cos成反比： 倾斜角越大 SE发射率越高
样品的尖锐部、凸出部的SE产率比平坦部分SE产率高 不同的形貌与SE数量具有一一对应关系
二、电子与样品物质的交互作用（２）
C) 吸收电子（AE）
多次非弹性散射 能量耗尽 电子不能穿透样品，也无力溢出样品，只能留在样品内部
包括弹性散射、布拉格散射（衍射）、非弹性散射
前弹性散射角越大，非相干的程度就越大。
能量损失 ~ E0 Sin2 / A （小于几个eV）
背散射：散射角大于900
非弹性散射总是非相干的。
二、电子与样品物质的交互作用（１）
1、电子与固体样品的相互作用区的大小及形状
定义： 在散射过程中，电子在样品中穿透的深度和侧向扩散的范围； 因此也称为电子在固体样品中的扩散区。
二、扫描电子显微镜的原理、结构和性能 (2)
（I）：热发射三极电子枪
阴极（灯丝） 极 灯
2000K以上
接负高压，W丝，V型， 尖端曲率半径100um（发射截面）
发射电子流，向阳极加速
栅极（Wennelt 帽）
负偏压 防止电子束发散，聚焦 防止电子束发散 聚焦
直径为20-50um的交叉斑，电子源
电流：电子束亮度 5-10nm束斑
特点
制样简单、放大倍数可调范围宽、图像分辨率高、景深大 复合化：扫描、透射、微区成分分析、电子背散射衍射、表面形貌、微区
成分、晶体结构分析
二、电子与样品物质的交互作用
基础知识
散射： 电子束沿一定的方向入射到试样，在原子库仑电场的作用下， 电子束沿 定的方向入射到试样，在原子库仑电场的作用下， 入射电子改变其运动方向、损失其能量的现象，称为散射。 弹性散射： 电子改变其运动方向，但能量不发生变化； 电子改变其运动方向 但能量不发生变化； 非弹性散射：电子改变其运动方向、能量发生损失，转变为热、光、X 射线及二次电子发射等。
第二章 扫描电子显微镜与电子探针
Scanning Electron Microscopy＆ Electron Probe 2.1 扫描电子显微镜 2 2 电子图像分析 2.2 2.3 电子探针的工作原理与结构 2 4 电子探针的分析方法及应用 2.4
李晶泽
电子科技大学 微电子与固体电子学院
颜色变化：结构 vs. 粒径
假设没有透射电子：
Io = Ib + Is + Ia
电流： 入射 电子 背散射 二次 电子 电子 吸收 电子
Io 固定，则 固定 则 Is 固定 。
Ib 、Is 成互补关系 。 吸收电子的产额与样 品的原子序数相关。
二、电子与样品物质的交互作用（２）
D)透射电子（TE）
样品厚度 < 入射电子的有效深度 透射电子
Auger SE 俄歇电子（Auger, Z<10Å） 二次电子（SE, Z<100Å） 背散射电子 (BSE)
试样
特征X射线 荧光X射线
试样下表面
透射电子(TE)：TEM、能量损失电子ELS
二、电子与样品物质的交互作用（2）
A)背散射电子（BSE）
指受到固体样品原子的散射之后又被反射回来的部分 入射电子，约占入射电子总数的30%。
电子检测器：闪烁体计数器 组成：闪烁体 + 光电倍增管
检测SE：
栅网250-500V正偏压 栅 偏 纳米铝膜：10KV正偏压 超短余晖的荧光粉：电子 光子 光导管 光电倍增管放大：光电流 光导管、光电倍增管放大：光 前置放大、视屏放大：电压信号
电压
电流
光电倍增管
光子
电子
检测BSE：
栅网加50V负偏压屏蔽SE信号
2、扫描电镜的结构
JEOL JSM-5600LV 热电子发射扫描电镜外观图
A) 电子光学系统 B) 扫描系统 C) 信号的检测及放大系统 D) 图像的显示与记录系统 E) 真空系统和电源系统 F) 附件系统