1、掃描電子顯微學基礎 掃描電子顯微學基本概念 掃描電鏡的結構和原理帶電粒子束顯微鏡分類帶電粒子束顯微鏡分類帶電粒子束顯微鏡電子顯微鏡Electron Microscope離子顯微鏡Ion Microscope掃描電子顯微鏡Scanning Electron Microscope (SEM)透射電子顯微鏡Transmission Electron Microscope (TEM)雙束顯微鏡Focused Ion Beam (FIB)-SEM多束顯微鏡Multibeam Ion Microscope熱發射式(W/LaB6)場發射式(熱場/冷場)熱發射式(W/LaB6)場發射式(熱場/冷場)鎵離子束

2、+ 電子束鎵離子束 + 氦離子束 + 氖離子束2掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡Scanning Electron Microscope（SEM）掃描電子顯微鏡（SEM）：是一種利用高能聚焦電子束掃描樣品表面從而獲得樣品信息的電子顯微鏡。使用電子束為照明源應用電子光學原理利用電子和物質作用所產生的信息進行成像電子束在樣品表面進行掃描3掃描電鏡的特點掃描電鏡的特點Why Using SEM？ 高分辨率。 有較高的放大倍數。 景深長，視野大，成像富有立體感。 試樣制備簡單。 配備EDS，EBSD，STEM等裝置，可以同時進行顯微組織形貌的觀察及成分和晶體微觀結構的分析。4分辨率分辨率Resolutio

3、nThe smallest distance between two points that can be distinguished.LM400nm200nmSEM0.007nm1.0nmTEM0.0025nm0.2nm5放大倍數放大倍數MagnificationLMLS6景深景深Depth of Focus7景深景深Depth of Focus At some distance D/2 above and below the focus plane, the image will appear to be in acceptably sharp focus, and so this dis

4、tance is called “the depth of focus”. The depth of focus is determined by the aperture diameter A, and the working distance W. 8掃描電鏡的主要組成部分掃描電鏡的主要組成部分The Main Components of SEM真空系統電子光學系統信號探測系統計算機控制系統9電子光學系統電子光學系統Electron Optical System1. 電子槍（Electron gun）2. 電磁透鏡 （Electro-magnetic lens）3. 物鏡光闌（Object

5、ive lens aperture）4. 掃描線圈（Scanning coil）1223410電子槍電子槍Electron GunI. Thermionic Emission Electron Gun (熱發射式電子槍):1. Tungsten Wire 鎢絲2. LaB6 (Lanthanum Hexaboride) - 六硼化鑭W11熱發射熱發射Thermionic Emission12熱發射電子槍熱發射電子槍Thermionic Emission Gun13II. Field Emission Electron Gun (場發射式電子槍):1. Cold Field Emission (

6、CFE) - 冷場發射2. Thermal Field Emission (TFE) 熱場（肖特基Schottky式）發射 電子槍電子槍Electron Gun14冷場發射冷場發射Cold Field Emission15熱場發射熱場發射Thermal Field Emission16肖特基場發射電子源肖特基場發射電子源Schottky Field Emitter17電子源性能比較（電子源性能比較（Electron Source Performance ComparisonElectron Source Performance Comparison） 發射器類型熱燈絲熱燈絲冷場發射肖特基場發射

7、陰極材料鎢六硼化鑭鎢(310) (310) 氧化鋯/ /鎢(100) (100) 工作溫度KK280028001900190030030018001800陰極壽命 hh2002005005002000200020002000陰極半徑nmnm60000600001000010000 100100 10001000有效半徑nmnm1500015000500050002.52.51515發射電流密度A/cmA/cm2 2 3 33030170001700053005300總發射電流 AA 20020080805 5200200正常亮度A/cmA/cm2 2.sr.kV.sr.kV1.101.104

8、41.101.105 52.102.107 71.101.107 7最大探針電流 nAnA 10001000100010005 5200200槍口能量擴展度 eVeV 1.5-2.51.5-2.51.3-2.51.3-2.50.3-0.70.3-0.70.35-0.70.35-0.7束流噪音%1 11 15-105-101 1發射電流漂移 %/h%/h0.25 50.50.5工作真空 hPahPa 1.101.10-5-5 1.101.10-6-6 1.101.10-10-10 1.101.10-8-8對外界影響敏感度最小最小高低陰極除氣無要求無要求每6-86-8個小時無要求

9、18電磁透鏡電磁透鏡Electro Magnetic Lens19電磁透鏡電磁透鏡Electro Magnetic Lens 電磁透鏡的主要作用是將電子槍的束流逐漸匯聚，使原來直徑約為50m的束斑縮小成一個只有1nm左右的細小束斑。 電磁透鏡由極靴（pole piece）和銅線圈（copper coil）兩部分組成。通過改變流過銅線圈的電流大小來改變透鏡匯聚電子束的能力。 電磁透鏡只改變電子束運動的方向，不改變電子束運動的速度（能量）。Optical axisBeam imageCopper coilsReduced beam imagePole piece20聚光鏡聚光鏡Condenser

10、Lens 聚光鏡位于電子槍下方。 兩級聚光鏡由一塊純鐵加工而成，保證了合軸要求，省去了對中裝置，使用方便。 聚光鏡為強透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。 聚光鏡的強度決定了樣品上束斑的大小和入射電流的大小。21聚光鏡聚光鏡Condenser Lens聚光鏡的強度決定樣品上束斑的大小入射電流的大小22物鏡物鏡Objective Lens 物鏡位于鏡筒最下方，用來將電子束匯聚在樣品上。 物鏡為弱透鏡，具有較長的焦距，以適應工作距離的變化，同時避免磁場對二次電子軌跡的干擾。 聚焦旋鈕就是用來調節物鏡電流的。Electron beamExciting coilsObjective lens pole-pi

11、eceSamplefWDVirtual lens23像差像差Aberrationa) 球差（Spherical aberration）：由于電磁透鏡中心區域和邊緣區域對電子會聚能力不同而造成的。遠軸電子通過透鏡時被折射得比近軸電子厲害。由磁場強度在極靴間不均勻造成。24像差像差Aberrationb) 色差（Chromatic aberration）：由于成像電子的能量不同而引起的一種像差。能量大的電子聚焦在距透鏡中心比較遠的地點，而能量較低的電子聚焦在距透鏡中心比較近的地點。25像差像差Aberrationc) 像散（Astigmatism）：由于透鏡的磁場軸向不對稱所引起的一種像差。圓形電

12、子束經透鏡后形成橢圓形光束。可使用像散矯正裝置（Stigmator）消除。26消像散消像散Astigmatism CorrectionBefore correctionAfter correctionunder focus in focus over focus27物鏡光闌物鏡光闌Objective Lens Aperture 用以選擇電子束的孔徑角 控制束流的大小 調節景深28光闌對中光闌對中Wobble（Aperture Alignment）Focus wobble（合軸）：電子束的軸心=光闌孔物理位置中心29光闌孔軸心電子束軸心Scanning Coil掃描線圈掃描線圈 產生偏轉磁場，控

13、制電子束掃描范圍。 決定圖像的放大倍數。Electron beamScanning coilsObjective lensSample30信號探測系統信號探測系統Signal Detection Systemq 電子束與樣品的相互作用q 二次電子探測器q 背散射電子探測器q 陰極熒光探測器q 掃描透射電子探測器q X射線能譜31電子束與樣品的相互作用電子束與樣品的相互作用Electron Beam - Specimen Interaction入射電子束二次電子電子束感生電流特征 X X 射線背散射電子陰極熒光試樣電流散射的透射電子透射電子32入射深度入射深度Penetration Depth3

14、3入射深度入射深度 VS 加速電壓加速電壓Penetration Depth VS Accelerating VoltageCASINO simulation resultsCasino can be download from http:/www.gel.usherbrooke.ca/casino/index.html25 kV15 kV5 kV34CarbonIronGoldCASINO simulation resultsCasino can be download from http:/www.gel.usherbrooke.ca/casino/index.html入射深度入射深度 V

15、S 試樣成分試樣成分Penetration Depth VS Specimen Composition35電子的散射電子的散射Electron Scattering 二次電子：能量在50V以下，由入射電子與試樣發生非彈性散射（inelastic scattering），試樣價電子逸出產生。 背散射電子：能量在1KV以上，由入射電子與試樣發生彈性散射（elastic scattering），以大角度逸出產生。36特征特征X射線射線Characteristic X-ray 入射電子轟擊原子內層電子； 原子內層電子被逐出，產生空位； 原子外層電子向內層空位躍遷，并發射X射線。 X射線的能量（波長）由

16、原子種類決定。37X射線能譜射線能譜Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS)38X射線能譜射線能譜Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS)39真空系統真空系統Vacuum SystemWhy do we need a vacuum？減少陰極發射電子和氣體分子碰撞幾率，得到符合要求的電子束；防止電子槍燈絲因迅速氧化，或者離子濺射作用，損害陰極燈絲，從而減少燈絲壽命；提高陰陽極之間的空氣絕緣性，使之能夠承受高電位差，而不至高壓擊穿短路，造成電器燒毀；減少空氣中的塵埃對電子槍，鏡筒和樣品的污染。40真空泵真空泵V

17、acuum Pumps41真空泵真空泵Vacuum Pumps42真空泵真空泵Vacuum Pumps43帶電粒子束顯微鏡分類帶電粒子束顯微鏡分類帶電粒子束顯微鏡電子顯微鏡Electron Microscope離子顯微鏡Ion Microscope掃描電子顯微鏡Scanning Electron Microscope (SEM)透射電子顯微鏡Transmission Electron Microscope (TEM)雙束顯微鏡Focused Ion Beam (FIB)-SEM多束顯微鏡Multibeam Ion Microscope熱發射式(W/LaB6)場發射式(熱場/冷場)熱發射式(W/

18、LaB6)場發射式(熱場/冷場)鎵離子束 + 電子束鎵離子束 + 氦離子束 + 氖離子束44放大倍數放大倍數MagnificationLMLS45熱發射電子槍熱發射電子槍Thermionic Emission Gun46肖特基場發射電子源肖特基場發射電子源Schottky Field Emitter47電磁透鏡電磁透鏡Electro Magnetic Lens 電磁透鏡的主要作用是將電子槍的束流逐漸匯聚，使原來直徑約為50m的束斑縮小成一個只有1nm左右的細小束斑。 電磁透鏡由極靴（pole piece）和銅線圈（copper coil）兩部分組成。通過改變流過銅線圈的電流大小來改變透鏡匯聚電子束的能力。 電磁透鏡只改變電子束運動的方向，不改變電子束運動的速度（能量）。Optical axisBeam imageCopper coilsReduced beam imagePole piece48物鏡物鏡Objective Le