SEM扫描电子显微镜知识要点

扫描电子显微镜知识A—Z / SEM的构造

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope：SEM）是观察样品表面的装

置。用很细的电子束（称为电子探针）照射样品时，从样品表面会激发二次电子，在电子探针进行二维扫描时，通过检测二次电子形成一幅图像，就能够观察样品的表面形貌。

SEM的构造

装置的结构

SEM由形成电子探针的电子光学系

统、装载样品用的样品台、检测二次电

子的二次电子检测器、观察图像的显示

系统及进行各种操作的操作系统等构

成（图1），电子光学系统由用于形成电

子探针的电子枪、聚光镜、物镜和控制

电子探针进行扫描的扫描线圈等构成，

电子光学系统（镜筒内部）以及样品周

围的空间为真空状态。

图1 SEM的基本结构

图2 电子枪的构造图

电子枪

电子枪是电子束的产生系统，图2是热发射电子枪的构造图。将细（0.1 mm左右）钨丝做成的灯丝（阴极）进行高温加热（2800K左右）后，会发射热电子，此时给相向设置的金属板（阳极）加以正高圧（1～30kV），热电子会汇集成电

子束流向阳极，若在阳极中央开一个孔，电子束会通过这个孔流出，在阴极和阳极之间，设置电极并加以负电圧，能够调整电子束的电流量，在这个电极（被称

为韦氏极）的作用下，电子束被细聚焦，最细之处被称为交叉点（Crossover)，成为实际的光源(电子源)，其直径为15～20μm。

以上说明的是最常用的热发射电子枪，此外还有场发射电子枪和肖特基发射电子枪等。热发射电子枪的阴极除使用钨丝外，还使用单晶六硼化镧(LaB6)，LaB6由于活性很强，所以需要在高真空中工作。

透镜的构造

电子显微镜一般采用利用磁铁作用的磁透镜。当

绕成线圈状的电线被通入直流电后，会产生旋转

对称的磁场，对电子束来说起着透镜的作用。由

于制作强磁透镜（短焦距的透镜）需要增加磁力

线的密度，如图3所示，线圈的周围套有铁壳（轭

铁），磁力线从狭窄的开口中漏洩出来，开口处被

称作磁极片（极靴），经精度极高的机械加工而成。

磁透镜的强度能随通入线圈的电流改变而改变，

这是光学透镜所不具备的特长。

图3 磁透镜的构造

SEM的景深

在观察有纵深感的样品时，如果近处聚焦了，远处就离焦。在这种情况下，远、

近图像模糊圈大，叫做景深大，如果远、近图像模糊圈小，叫做景深小。图8

如所示，电子探针的平行度高（孔径角小），即使焦点变化很大，图像也保持聚

焦，如果电子探针有一定的角度（孔径角大），焦点即使变化很小，图像离焦也

很严重。象光学显微镜不使用电子探针时，从样品方向看到的物镜角度（孔径角）

小景深则大，角度大景深则小。另一方面，即便是图像模糊，在倍率低的时候

感觉不到，但在倍率增大的时候能够发现，也就是说，景深也随放大倍率的变

化而改变。

图9 SEM和光学显微镜的景深

图8 电子探针孔径角和景深

在图9的图表中显示了SEM和光学显微镜的不同景深，虽然光学显微镜中的实体显微镜获得的图像景深比较大，但用SEM获得的景深还要大很多，这是因为与光学显微镜的物镜孔径角相比，电子探针的孔径角要小很多的缘故。此外SEM 的景深根据观察条件而改变。

图10是用光学显微镜和SEM对螺丝断口进行观察的比较。由于样品表面凹凸不平，用光学显微镜，表面只有一部分被聚焦，而使用大景深的SEM，整个观察表面都被清晰地聚焦。

聚光镜和物镜

在电子枪的后方设置透镜，能够调

节电子束的直径。SEM需要很细

的电子束。图4中，在电子枪的后

方设置了聚光镜和物镜的两级透

镜，从电子枪中发射出的电子束经

过两级透镜的聚焦形成电子探针。

图4 经透镜形成电子探针

● 聚光镜的作用

增强聚光镜的透镜作用，电子探针以b/a的比例变细，如果减弱的话，电子探针则变粗。此外，在聚光镜与物镜之间，设置开了小孔的薄金属板即“光阑”。通

过聚光镜的电子束撞到光阑后，有一部分的电子束能通过小孔到达物镜。增大聚光镜的励磁电流，光阑上的电子束会大大地发散开来，只有一小部分的电子束能通过，所以到达物镜的电子数（包括探针电流）将会减少。相反，减弱聚光镜的励磁电流，光阑上的电子束并不会发生很大的发散，大部分的电子束通过光阑，到达物镜的电子数很多。也就是说，调节聚光镜的励磁电流可以改变电子探针的直径和探针电流。

那么增大聚光镜的励磁电流，电子探针的直径是否能无限地变细？很遗憾这是有极限的，请参见别处的说明。

●物镜的作用物镜用于聚焦，是决定最终电子探针直径的重要透镜。物镜若有瑕疵，就无法形成很细的电子探针，之前的所有努力也都会前功尽弃。因此，所有的电镜厂家都在努力制作性能优良的物镜。

样品台电子显微镜通常要在高倍率下观察样品，因此需要样品台既能稳定地承载样品又能灵活地移动。SEM的样品台一般能进行五种移动：除了平面上的移动（X,Y方向）、垂直方向上的移动（Z）外，还能够倾斜（T）和旋转（R）样品，不仅能选择视野（X,Y移动），还能够通过Z向移动，改变分辨率及景深，图5为样品台的构造图。

图5 样品台的构造

倾斜样品时观察区域保持在视野范围内，在倾斜状态下移动观察视野时图像不离

焦，具有这样功能的样品台叫做全对中样品台（eucentric）。除手动的样品台外，

现在用马达驱动样品台较多，也有很多使用的是电脑控制的样品台，这样的样品台，在观察画面的被选位置上点击鼠标就可以进行移动，还能够记忆和返回到曾经观察过的位置，具有更高的全对中样品台的功能。

二次电子检测器用于检测从样品中发射的二次电子，构造见图6所示。检测器的前端喷

涂了闪烁体（荧光物质）并加载10kV左右的高圧，从样品中激发的二次电子受高圧吸

引，轰击闪烁体而放出光子，光子通过光导管传到光电倍增器，被变换成电子经放大之后成为电信号，闪烁体的前面设有被称为收集极的辅助电极，它被加以数百伏的电圧，

改变此电圧可以收集和挡掉很多二次电子，因为这种检测器的原型是Everhart和Thornley开发的，所以有时又称它为E-T检测器，很多SEM的样品室都安装了这种类型的检测器。如果物镜是侧重分辨率类型的，则采用将二次电子检测器设置在物镜的上部，利用透镜磁场检测二次电子的方法。这种检测器常常被称为TTL（Through The

Lens）检测器。图6 二次电子检测器

图像的显示和记录二次电子检测器的输出信号被增益后送至显示系统，由于显示系统上的扫描与电子探针的扫描是同步的，显示系统的画面根据二次电子的数量呈现出亮度变

化，形成SEM图像。显像管作为显示系统曾被使用了很长一段时间，近来被广泛使用

的是液晶显示器。通常，电子探针的扫描速度有几档可以切换，观察时可使用极快的扫描速度，拍摄和保存图像时可使用较慢的扫描速度。

记录SEM图像，从前是用相机拍摄显像管上显示的SEM图像，现在是以数字格式（电子文件）的形式进行记录，一方面是由于高分辨的显像管很少，另一方面用电子文件进行各种图像处理和信息传输即简单又方便，现在一般使用的图像格式在100万像素左右。