掃描電子顯微鏡SEM的原理

    掃描電鏡（SEM）是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀性貌觀察手段，可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像。掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)是，①有較高的放大倍數(shù)，20-20萬倍之間連續(xù)可調(diào)；②有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；③試樣制備簡單。 目前的掃描電鏡都配有X射線能譜儀裝置，這樣可以同時(shí)進(jìn)行顯微組織性貌的觀察和微區(qū)成分分析，因此它是當(dāng)今十分有用的科學(xué)分析儀器。

                             電子束與固體樣品的相互作用

掃描電鏡從原理上講就是利用聚焦得非常細(xì)的高能電子束在試樣上掃描，激發(fā)出各種物理信息。通過對這些信息的接受、放大和顯示成像，獲得對是試樣表面性貌的觀察。

電子束和固體樣品表面作用時(shí)的物理現(xiàn)象

一、背射電子

背射電子是指被固體樣品原子反射回來的一部分入射電子，其中包括彈性背反射電子和非彈性背反射電子。

彈性背反射電子是指倍樣品中原子和反彈回來的，散射角大于90度的那些入射電子，其能量基本上沒有變化（能量為數(shù)千到數(shù)萬電子伏）。非彈性背反射電子是入射電子和核外電子撞擊后產(chǎn)生非彈性散射，不僅能量變化，而且方向也發(fā)生變化。非彈性背反射電子的能量范圍很寬，從數(shù)十電子伏到數(shù)千電子伏。

從數(shù)量上看，彈性背反射電子遠(yuǎn)比非彈性背反射電子所占的份額多。 背反射電子的產(chǎn)生范圍在100nm-1mm深度，如下圖所示。

電子束在試樣中的散射示意圖

背反射電子產(chǎn)額和二次電子產(chǎn)額與原子序束的關(guān)系背反射電子束成像分辨率一般為50-200nm（與電子束斑直徑相當(dāng)）。背反射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增加而增加（右圖），所以，利用背反射電子作為成像信號不僅能分析新貌特征，也可以用來顯示原子序數(shù)襯度，定性進(jìn)行成分分析。

二、 二次電子

二次電子是指背入射電子轟擊出來的核外電子。由于原子核和外層價(jià)電子間的結(jié)合能很小，當(dāng)原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應(yīng)的結(jié)合能的能量后，可脫離原子成為自由電子。如果這種散射過程發(fā)生在比較接近樣品表層處，那些能量大于材料逸出功的自由電子可從樣品表面逸出，變成真空中的自由電子，即二次電子。

二次電子來自表面5-10nm的區(qū)域，能量為0-50eV。它對試樣表面狀態(tài)非常敏感，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌。由于它發(fā)自試樣表層，入射電子還沒有被多次反射，因此產(chǎn)生二次電子的面積與入射電子的照射面積沒有多大區(qū)別，所以二次電子的分辨率較高，一般可達(dá)到5-10nm。掃描電鏡的分辨率一般就是二次電子分辨率。

二次電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的變化不大，它主要取決與表面形貌。

三、 特征X射線

特征X射線試原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)以后在能級躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長的一種電磁波輻射。 X射線一般在試樣的500nm-5m m深處發(fā)出。

四、 俄歇電子

如果原子內(nèi)層電子能級躍遷過程中釋放出來的能量不是以X射線的形式釋放而是用該能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)槎坞娮?，這種二次電子叫做俄歇電子。因每一種原子都由自己特定的殼層能量，所以它們的俄歇電子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范圍內(nèi)。 俄歇電子是由試樣表面極有限的幾個(gè)原子層中發(fā)出的，這說明俄歇電子信號適用與表層化學(xué)成分分析。

掃描電子顯微鏡的基本原理和結(jié)構(gòu)

下圖為掃描電子顯微鏡的原理結(jié)構(gòu)示意圖。由三極電子槍發(fā)出的電子束經(jīng)柵極靜電聚焦后成為直徑為50mm的電光源。在2-30KV的加速電壓下，經(jīng)過2-3個(gè)電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會(huì)聚成孔徑角較小，束斑為5-10m m的電子束，并在試樣表面聚焦。 末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下，電子束在試樣表面掃描。高能電子束與樣品物質(zhì)相互作用產(chǎn)生二次電子，背反射電子，X射線等信號。這些信號分別被不同的接收器接收，經(jīng)放大后用來調(diào)制熒光屏的亮度。由于經(jīng)過掃描線圈上的電流與顯象管相應(yīng)偏轉(zhuǎn)線圈上的電流同步，因此，試樣表面任意點(diǎn)發(fā)射的信號與顯象管熒光屏上相應(yīng)的亮點(diǎn)一一對應(yīng)。也就是說，電子束打到試樣上一點(diǎn)時(shí)，在熒光屏上就有一亮點(diǎn)與之對應(yīng)，其亮度與激發(fā)后的電子能量成正比。換言之，掃描電鏡是采用逐點(diǎn)成像的圖像分解法進(jìn)行的。光點(diǎn)成像的順序是從左上方開始到右下方，直到最後一行右下方的像元掃描完畢就算完成一幀圖像。這種掃描方式叫做光柵掃描。

掃描電鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)，信號收集及顯示系統(tǒng)，真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。

1 電子光學(xué)系統(tǒng)

電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來獲得掃描電子束，作為產(chǎn)生物理信號的激發(fā)源。為了獲得較高的信號強(qiáng)度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。

<1>電子槍：

其作用是利用陰極與陽極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束。目前大多數(shù)掃描電鏡采用熱陰極電子槍。其優(yōu)點(diǎn)是燈絲價(jià)格較便宜，對真空度要求不高，缺點(diǎn)是鎢絲熱電子發(fā)射效率低，發(fā)射源直徑較大，即使經(jīng)過二級或三級聚光鏡，在樣品表面上的電子束斑直徑也在5-7nm，因此儀器分辨率受到限制?，F(xiàn)在，高等級掃描電鏡采用六硼化鑭（LaB6）或場發(fā)射電子槍，使二次電子像的分辨率達(dá)到2nm。但這種電子槍要求很高的真空度。

掃描電子顯微鏡的原理和結(jié)構(gòu)示意圖

<2>電磁透鏡

其作用主要是把電子槍的束斑逐漸縮小，是原來直徑約為50m m的束斑縮小成一個(gè)只有數(shù)nm的細(xì)小束斑。其工作原理與透射電鏡中的電磁透鏡相同。 掃描電鏡一般有三個(gè)聚光鏡，前兩個(gè)透鏡是強(qiáng)透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。第三個(gè)聚光鏡是弱透鏡，具有較長的焦距，在該透鏡下方放置樣品可避免磁場對二次電子軌跡的干擾。

<3>掃描線圈

其作用是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上的同步掃描信號。改變?nèi)肷潆娮邮跇悠繁砻鎾呙枵穹?，以獲得所需放大倍率的掃描像。掃描線圈試掃描點(diǎn)晶的一個(gè)重要組件，它一般放在最后二透鏡之間，也有的放在末級透鏡的空間內(nèi)。

<4>樣品室

樣品室中主要部件是樣品臺(tái)。它出能進(jìn)行三維空間的移動(dòng)，還能傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)，樣品臺(tái)移動(dòng)范圍一般可達(dá)40毫米，傾斜范圍至少在50度左右，轉(zhuǎn)動(dòng)360度。 樣品室中還要安置各種型號檢測器。信號的收集效率和相應(yīng)檢測器的安放位置有很大關(guān)系。樣品臺(tái)還可以帶有多種附件，例如樣品在樣品臺(tái)上加熱，冷卻或拉伸，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察。近年來，為適應(yīng)斷口實(shí)物等大零件的需要，還開發(fā)了可放置尺寸在Φ125mm以上的大樣品臺(tái)。

2 信號檢測放大系統(tǒng)

其作用是檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號，然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號。不同的物理信號需要不同類型的檢測系統(tǒng)，大致可分為三類：電子檢測器，應(yīng)急熒光檢測器和X射線檢測器。 在掃描電子顯微鏡中使用的是電子檢測器，它由閃爍體，光導(dǎo)管和光電倍增器所組成（見下圖）。

當(dāng)信號電子進(jìn)入閃爍體時(shí)將引起電離；當(dāng)離子與自由電子復(fù)合時(shí)產(chǎn)生可見光。光子沿著沒有吸收的光導(dǎo)管傳送到光電倍增器進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)變成電流信號輸出，電流信號經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號。這種檢測系統(tǒng)的特點(diǎn)是在很寬的信號范圍內(nèi)具有正比與原始信號的輸出，具有很寬的頻帶（10Hz-1MHz）和高的增益(105-106),而且噪音很小。由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描，熒光屏上的亮度是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來的信號強(qiáng)度來調(diào)制的，而由檢測器接收的信號強(qiáng)度隨樣品表面狀況不同而變化，那么由信號監(jiān)測系統(tǒng)輸出的反營養(yǎng)品表面狀態(tài)的調(diào)制信號在圖像顯示和記錄系統(tǒng)中就轉(zhuǎn)換成一幅與樣品表面特征一致的放大的掃描像。

3 真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)

真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染提供高的真空度，一般情況下要求保持10-4-10-5mmHg的真空度。 電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路所組成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。

掃描電子顯微鏡的幾種電子像分析

掃描電子顯微鏡的主要性能

一 放大倍數(shù)

當(dāng)入射電子束作光柵掃描時(shí)，若電子束在樣品表面掃描的幅度為As，在熒光屏陰極射線同步掃描的幅度為Ac，則掃描電鏡的放大倍數(shù)為:

由于掃描電鏡的熒光屏尺寸是固定不變的，因此，放大倍率的變化是通過改變電子束在試樣表面的掃描幅度來實(shí)現(xiàn)的。如果熒光屏的寬度As=100mm，當(dāng)As=5mm時(shí)，放大倍數(shù)為20倍，如果減少掃描線圈的電流，電子束在試樣上的掃描幅度見效為Ac=0.05mm，放大倍數(shù)可達(dá)2000倍?？梢姼淖儝呙桦婄R的放大倍數(shù)十分方便。目前商品化的掃描電鏡放大倍數(shù)可以從20倍調(diào)節(jié)到20萬倍左右。

二 分辨率

分辨率是掃描電鏡的主要性能指標(biāo)。對微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的最小區(qū)域；對成像而言，它是指能分辨兩點(diǎn)之間的最小距離。分辨率大小由入射電子束直徑和調(diào)制信號類型共同決定。電子束直徑越小，分辨率越高。但由于用于成像的物理信號不同，例如二次電子和背反射電子，在樣品表面的發(fā)射范圍也不相同，從而影響其分辨率。一般二次電子像的分辨率約為5-10nm，背反射電子像的分辨率約為50-200nm。

X射線也可以用來調(diào)制成像，但其深度和廣度都遠(yuǎn)較背反射電子的發(fā)射范圍大，所以X射線圖像的分辨率遠(yuǎn)低于二次電子像和背反射電子像。

三 景深

景深是指一個(gè)透鏡對高低不平的試樣各部位能同時(shí)聚焦成像的一個(gè)能力范圍。

與透射電鏡景深分析一樣，掃描電鏡的景深也可表達(dá)為Df ? 2Δγ0 /α，，式中α為電子束孔徑角?？梢?，電子束孔徑角是決定掃描電鏡景深的主要因素，它取決于末級透鏡的光柵直徑和工作距離。

掃描電鏡的末級透鏡采用小孔徑角，長焦距，所以可以獲得很大的景深，它比一般光學(xué)顯微鏡景深大100-500倍，比透射電鏡的景深大10 倍。由于景深大，掃描電鏡圖像的立體感強(qiáng)，形態(tài)逼真。對于表面粗糙的端口試樣來講，光學(xué)顯微鏡因景深小無能為力，透射電鏡對樣品要求苛刻，即使用復(fù)型樣品也難免出現(xiàn)假像，且景深也較掃描電鏡為小，因此用掃描電鏡觀察分析斷口試樣具有其它分析儀器優(yōu)點(diǎn)。

掃描電子顯微鏡的幾種電子像分析

我們在電子束于固體樣品的相互作用一節(jié)中曾介紹過，具有高能量的入射電子束與固體樣品的原子核及核外電子發(fā)生作用后，可產(chǎn)生多種物理信號：二次電子，背射電子，吸收電子，俄歇電子，特征X射線。

下面分別介紹利用這些物理信號進(jìn)行電子成像的問題。

一、二次電子像

1、二次電子產(chǎn)額

由于二次電子信號主要來自樣品表層5-10nm深度范圍，因此，只有當(dāng)其具有足夠的能量克服材料表面的勢壘才能使二次電子從樣品中發(fā)射出來。下圖示出了二次電子產(chǎn)額與入射電子能量的關(guān)系。

二次電子產(chǎn)額與入射電子能量的關(guān)系上圖說明了入射電子能量E較低時(shí)，隨束能增加二次電子產(chǎn)額δ增加，而在高束能區(qū)，δ隨E增加而逐漸降低。這是因?yàn)楫?dāng)電子能量開始增加時(shí)，激發(fā)出來的二次電子數(shù)量自然要增加，同時(shí)，電子進(jìn)入到試樣內(nèi)部的深度增加，深部區(qū)域產(chǎn)生的低能二次電子在像表面運(yùn)動(dòng)過程中被吸收。由于這兩種因素的影響入射電子能量與δ之間的曲線上出現(xiàn)極大值，這就是說，在低能區(qū)，電子能量的增加主要提供更多的二次電子激發(fā)，高能區(qū)主要是增加入射電子的穿透深度。對于金屬材料，Emax=100-800eV,δmax=0.35-1.6, 而絕緣體的Emax=300-2000eV,δmax=1-10。

除了與入射能量有關(guān)外，δ還與二次電子束與試樣表面法向夾角有關(guān)，三者之間滿足以下關(guān)系：δ∝1/cosθ?？梢姡肷潆娮邮c試樣夾角越大，二次電子產(chǎn)額也越大。這是因?yàn)殡Sθ角的增加入射電子束在樣品表層范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的總軌跡增長，引起價(jià)電子電離的機(jī)會(huì)增多，產(chǎn)生二次電子數(shù)量就增加；其次，是隨著θ角增大，入射電子束作用體積更靠近表面層，作用體積內(nèi)產(chǎn)生的大量自由電子離開表層的機(jī)會(huì)增多，從而二次電子的產(chǎn)額增大。

2. 二次電子像襯度

電子像的明暗程度取決于電子束的強(qiáng)弱，當(dāng)兩個(gè)區(qū)域中的電子強(qiáng)度不同時(shí)將出現(xiàn)圖像的明暗差異，這種差異就是襯度。

影響二次電子像襯度的因素較多，有表面凹凸引起的形貌襯度（質(zhì)量襯度），原子序數(shù)差別引起的成分襯度，電位差引起的電壓襯度。由于二次電子對原子序數(shù)的變化不敏感，均勻性材料的電位差別不大，在此主要討論形貌襯度。

在掃描電鏡中，二次電子檢測器一般裝在與入射電子束軸線垂直的方向上。如將一待測平面樣品逐漸傾斜，使其法線方向與入射電子束之間的夾角從零逐漸增大（上圖），在右邊的二次電子檢測器連續(xù)地測量樣品在不同傾斜情況下發(fā)射的電子信號。結(jié)果正如δ∝1/cosθ式所示，對給定的入射電子束強(qiáng)度，二次電子信號強(qiáng)度隨樣品傾斜角增大二增大。

根據(jù)這一原理可知，因?yàn)閷?shí)際樣品表面并非光滑的， 對于同一入射電子束，與不同部位的法線夾角是不同的，這樣就會(huì)產(chǎn)生二次電子強(qiáng)度的差異。

右圖樣品由三個(gè)小刻面組成，其中θC＞θA＞θB。按照以上規(guī)則，會(huì)有δC＞δA＞δB，結(jié)果在熒光屏上可以看到，C小刻面的像比A和B都亮，B刻面最暗。

此外，由于二次電子探測器的位置固定，樣品表面不同部位相對于探測器的方位角不同，從而被檢測到的二次電子信號強(qiáng)弱不同。

例如，在樣品上的一個(gè)小山峰的兩側(cè)，背向檢測器一側(cè)區(qū)域所發(fā)射的二次電子有可能達(dá)不到檢測器，從而就可能成為陰影。為了解決這個(gè)問題，在電子檢測器上加一正偏壓（200-500V）,吸引低能二次電子，使背向檢測器的那些區(qū)域產(chǎn)生的二次電子仍有相當(dāng)一部分可以通過彎曲軌跡到達(dá)檢測器，從而可減小陰影對形貌顯示的不利影響。

(a) 二次電子像 (b)背射電子像

當(dāng)樣品中存在凸起小顆粒或尖角時(shí)對二次電子像襯度會(huì)有很大影響，其原因是，在這些部位處電子離開表層的機(jī)會(huì)增多，即在電子束作用下產(chǎn)生比其余部位高的多的二次電子信號強(qiáng)度，所以在掃描像上可以有異常亮的襯度。

樣品形貌對入射電子束激發(fā)區(qū)域的影響

實(shí)際樣品表面形貌要比上面所列舉的要復(fù)雜的多，但不外呼是由具有不同傾斜角的大小刻面、曲面、尖棱、粒子、溝槽等組成。掌握了上述形貌襯度基本原理，在根據(jù)有關(guān)專業(yè)知識，就不難理解復(fù)雜形貌的掃描圖像特征。

二 背射電子像

背射電子信號既可以用來顯示形貌襯度，也可以用來顯示成分襯度。

1. 形貌襯度

用背反射信號進(jìn)行形貌分析時(shí)，其分辨率元比二次電子低。因?yàn)楸撤瓷潆娮訒r(shí)來自一個(gè)較大的作用體積。此外，背反射電子能量較高，它們以直線軌跡逸出樣品表面，對于背向檢測器的樣品表面，因檢測器無法收集到背反射電子二編程一片陰影，因此在圖像上會(huì)顯示出較強(qiáng)的襯度，而掩蓋了許多有用的細(xì)節(jié)。

2. 成分襯度

成分襯度也成為原子序數(shù)襯度，背反射電子信號隨原子序數(shù)Z的變化比二次電子的變化顯著的多，因此圖像應(yīng)有較好的成分襯度。樣品中原子序數(shù)較高的區(qū)域中由于收集到的電子束亮較多，故熒光屏上的圖像較亮。因此，利用原子序數(shù)造成的襯度變化可以對各種合金進(jìn)行定性分析。樣品中重元素區(qū)域在圖像上是亮區(qū)，而輕元素在圖像上是暗區(qū)。

由于背反射電子離開樣品表面后沿著直線運(yùn)動(dòng)，檢測到的背反射電子信號強(qiáng)度要比二次電子低的多，所以粗糙表面的原子序數(shù)襯度往往被形貌襯度所掩蓋。為了避免形貌襯度對原子襯度的干擾，被分析的樣品只需拋光不必進(jìn)行腐蝕。

對有些既要進(jìn)行形貌觀察又要進(jìn)行成分分析的樣品，可采用一種新型的背散射電子檢測器。它由一對硅半導(dǎo)體組成，以對稱于入射束的方位裝在樣品上方。將左右兩個(gè)檢測器各自得到的電信號進(jìn)行電路上的加減處理，便能得到單一信息。對于原子序數(shù)信息來說，進(jìn)入左右兩個(gè)檢測器的信號，其大小和極性相同，而對于形貌信息，兩個(gè)檢測器得到的信號絕對之相同，其極性恰恰相反。根據(jù)這種關(guān)系，如果將亮各檢測器得到的信號相加，便能得到反映樣品原子序數(shù)的信息；如果相減便能得到形貌信息。

硅半導(dǎo)體對檢測器工作原理

(a)成分有差別，形貌無差別 (b) 形貌有差別，成分無差別 (c)成分形貌都有差別

鋁合金拋光表面的背反射電子像 (a) 成分像 (b) 形貌像

圖(a)試采用A+B方式獲得的成分像，而圖(b)則是采用A-B獲得的形貌像。

三 吸收電子像

吸收電子也是對樣品中原子序數(shù)敏感的一種物理信號。由入射電子束于樣品的相互作用可知：i_I =i_B+i_A+i_T+i_S式中，i_I 是入射電子流，i_B，i_T和i_S分別代表背散射電子，透射電子于二次電子的電流，而i_A為吸收電子電流。對于樣品厚度足夠大時(shí)，入射電子不能穿透樣品，所以透射電子電流為零，這時(shí)的入射電子電流可表示為：i_I =i_B+i_A +i_S由于二次電子信號與原子序數(shù)（Z>20時(shí)）無關(guān)（可設(shè)i_S=C），則吸收電子電流為：i_A = (i_I -C) - i_B在一定條件下，入射電子束電流是一定的，所以吸收電流與背散射電流存在互補(bǔ)關(guān)系。