掃描電鏡的綜述及發(fā)展

1、掃描電鏡的綜述及發(fā)展1 掃描電鏡的原理 掃描電鏡（Scanning Electron Microscope,簡寫為SEM）是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，濃縮了電子光學(xué)技術(shù)、真空技術(shù)、精細機械結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)代計算機控制技術(shù)。成像是采用二次電子或背散射電子等工作方式，隨著掃描電鏡的發(fā)展和應(yīng)用的拓展，相繼發(fā)展了宏觀斷口學(xué)和顯微斷口學(xué)。掃描電鏡是在加速高壓作用下將電子槍發(fā)射的電子經(jīng)過多級電磁透鏡匯集成細?。ㄖ睆揭话銥?5nm）的電子束（相應(yīng)束流為10-1110-12A）。在末級透鏡上方掃描線圈的作用下，使電子束在試樣表面做光柵掃描（行掃+幀掃）。入射電子與試樣相互作用會產(chǎn)生二次電子、背散射電子、X射線等各種信息。這些

2、信息的二維強度分布隨著試樣表面的特征而變（這些特征有表面形貌、成分、晶體取向、電磁特性等等），將各種探測器收集到的信息按順序、成比率地轉(zhuǎn)換成視頻信號，再傳送到同步掃描的顯像管并調(diào)制其亮度，就可以得到一個反應(yīng)試樣表面狀況的掃描圖像1。如果將探測器接收到的信號進行數(shù)字化處理即轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，就可以由計算機做進一步的處理和存儲。掃描電鏡主要是針對具有高低差較大、粗糙不平的厚塊試樣進行觀察，因而在設(shè)計上突出了景深效果，一般用來分析斷口以及未經(jīng)人工處理的自然表面。機構(gòu)組成掃描電子顯微鏡由三大部分組成：真空系統(tǒng)，電子束系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)。真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)主要包括真空泵和真空柱兩部分。真空柱是一個密封的柱形容

3、器。真空泵用來在真空柱內(nèi)產(chǎn)生真空。有機械泵、油擴散泵以及渦輪分子泵三大類，機械泵加油擴散泵的組合可以滿足配置鎢槍的SEM的真空要求，但對于裝置了場致發(fā)射槍或六硼化鑭槍的SEM，則需要機械泵加渦輪分子泵的組合。成像系統(tǒng)和電子束系統(tǒng)均內(nèi)置在真空柱中。真空柱底端即為右圖所示的密封室，用于放置樣品。之所以要用真空，主要基于以下兩點原因：電子束系統(tǒng)中的燈絲在普通大氣中會迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM時需要用真空以外，平時還需要以純氮氣或惰性氣體充滿整個真空柱。為了增大電子的平均自由程，從而使得用于成像的電子更多。電子束系統(tǒng)電子束系統(tǒng)由電子槍和電磁透鏡兩部分組成，主要用于產(chǎn)生一束能量分布極窄的、電子

4、能量確定的電子束用以掃描成像。電子槍電子槍用于產(chǎn)生電子，主要有兩大類，共三種。一類是利用場致發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生電子，稱為場致發(fā)射電子槍。這種電子槍極其昂貴，在十萬美元以上，且需要小于10-10torr的極高真空。但它具有至少1000小時以上的壽命，且不需要電磁透鏡系統(tǒng)。另一類則是利用熱發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生電子，有鎢槍和六硼化鑭槍兩種。鎢槍壽命在30100小時之間，價格便宜，但成像不如其他兩種明亮，常作為廉價或標準SEM配置。六硼化鑭槍壽命介于場致發(fā)射電子槍與鎢槍之間，為2001000小時，價格約為鎢槍的十倍，圖像比鎢槍明亮510倍，需要略高于鎢槍的真空，一般在10-7torr以上；但比鎢槍容易產(chǎn)生過度飽和和

5、熱激發(fā)問題。電磁透鏡熱發(fā)射電子需要電磁透鏡來成束，所以在用熱發(fā)射電子槍的SEM上，電磁透鏡必不可少。通常會裝配兩組：匯聚透鏡：顧名思義，匯聚透鏡用匯聚電子束，裝配在真空柱中，位于電子槍之下。通常不止一個，并有一組匯聚光圈與之相配。但匯聚透鏡僅僅用于匯聚電子束，與成像會焦無關(guān)。物鏡：物鏡為真空柱中最下方的一個電磁透鏡，它負責將電子束的焦點匯聚到樣品表面。成像系統(tǒng)電子經(jīng)過一系列電磁透鏡成束后，打到樣品上與樣品相互作用，會產(chǎn)生次級電子、背散射電子、歐革電子以及X射線等一系列信號。所以需要不同的探測器譬如次級電子探測器、X射線能譜分析儀等來區(qū)分這些信號以獲得所需要的信息。雖然X射線信號不能用于成像，但

6、習(xí)慣上，仍然將X射線分析系統(tǒng)劃分到成像系統(tǒng)中。有些探測器造價昂貴，比如Robinsons式背散射電子探測器，這時，可以使用次級電子探測器代替，但需要設(shè)定一個偏壓電場以篩除次級電子。2 掃描電鏡的特點（1） 能夠直接觀察樣品表面的結(jié)構(gòu)，樣品的尺寸可大至120mm*80mm*50mm。（2） 樣品的制備過程簡單，不用切成薄片。（3） 樣品可以在樣品室中作三維空間的平移和旋轉(zhuǎn)，因此可以從各種角度對樣品進行觀察。（4） 景深大，圖像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細微結(jié)構(gòu)。掃描電鏡的景深較光學(xué)顯微鏡大幾百倍，比透射電鏡大幾十倍。（5） 圖像的放大范圍廣，分辨率也比較高?？煞糯笫畮妆兜綆资f

7、倍，它基本上包括了從放大鏡、光學(xué)顯微鏡直到透射電鏡的放大范圍。分辨率介于光學(xué)顯微鏡與透射電鏡之間，可達3nm。（6） 電子束對樣品的損傷與污染程度較小。（7） 能夠進行動態(tài)觀察（如動態(tài)拉伸、壓縮、彎曲、升降溫等）。（8） 在觀察形貌的同時，還可利用從樣品發(fā)出的其他信號做微區(qū)成分及晶體學(xué)分析。圖1 傳統(tǒng)掃描電鏡的主體結(jié)構(gòu)3 近代掃描顯微鏡的發(fā)展掃描電子顯微鏡早在1935年便已經(jīng)被提出來了。1942年，英國首先制成一臺實驗室用的掃描電鏡，但由于成像的分辨率很差，照相時間太長，所以實用價值不大。經(jīng)過各國科學(xué)工作者的 努力，尤其是隨著電子工業(yè)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，到1956年開始生產(chǎn)商品掃描電鏡?，F(xiàn)在掃

8、描電鏡已廣泛用于材料科學(xué)（金屬材料、非金屬材料、納米材料）、冶金、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體材料與器件、地質(zhì)勘探、病蟲害的防治、災(zāi)害（火災(zāi)、失效分析）鑒定、刑事偵察、寶石鑒定、工業(yè)生產(chǎn)中的產(chǎn)品質(zhì)量鑒定及生產(chǎn)工藝控制等。4 現(xiàn)代掃描電鏡的發(fā)展近代掃描電鏡的發(fā)展主要是在二次電子像分辨率上取得了較大的進展。但對不導(dǎo)電或?qū)щ娦阅懿惶玫臉悠愤€需噴金后才能達到理想的圖像分辨率。隨著材料科學(xué)的發(fā)展特別是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的需求,要盡量保持試樣的原始表面,在不做任何處理的條件下進行分析。早在20世紀80年代中期,便有廠家根據(jù)新材料(主要是半導(dǎo)體材料)發(fā)展的需要,提出了導(dǎo)電性不好的材料不經(jīng)過任何處理也能夠進行觀察分析的設(shè)想

9、,到90年代初期,這一設(shè)想就已有了實驗雛形,90年代末期,已變成比較成熟的技術(shù)。其工作方式便是現(xiàn)在已為大家所接受的低真空和低電壓,最近幾年又出現(xiàn)了模擬環(huán)境工作方式的掃描電鏡,這就是現(xiàn)代掃描電鏡領(lǐng)域出現(xiàn)的新名詞“環(huán)掃”,即環(huán)境掃描電鏡。4.1低電壓掃描電鏡在掃描電鏡中,低電壓是指電子束流加速電壓在1kV左右。此時,對未經(jīng)導(dǎo)電處理的非導(dǎo)體試樣其充電效應(yīng)可以減小,電子對試樣的輻照損傷小,且二次電子的信息產(chǎn)額高,成像信息對表面狀態(tài)更加敏感,邊沿效應(yīng)更加明顯,能夠適應(yīng)半導(dǎo)體和非導(dǎo)體分析工作的需要。但隨著加速電壓的降低,物鏡的球像差效應(yīng)增加,使得圖像的分辨率不能達到很高,這就是低電壓工作模式的局限性。4.

10、2低真空掃描電鏡低真空為是為了解決不導(dǎo)電試樣分析的另一種工作模式。其關(guān)鍵技術(shù)是采用了一級壓差光欄,實現(xiàn)了兩級真空。發(fā)射電子束的電子室和使電子束聚焦的鏡筒必須置于清潔的高真空狀態(tài),一般用1個機械泵和擴散泵來滿足之。而樣品室不一定要太高的真空,可用另一個機械泵來實現(xiàn)樣品室的低真空狀態(tài)。當聚焦的電子束進進低真空樣品室后,與殘余的空氣分子碰撞并將其電離,這些離化帶有正電的氣體分子在一個附加電場的作用下向充電的樣品表面運動,與樣品表面充電的電子中和,這樣就消除了非導(dǎo)體表面的充電現(xiàn)象,從而實現(xiàn)了對非導(dǎo)體樣品自然狀態(tài)的直接觀察,在半導(dǎo)體、冶金、化工、礦產(chǎn)、陶瓷、生物等材料的分析工作方面有著比較突出的作用。4

11、.3環(huán)境掃描電鏡(ESEM)上述低真空掃描電鏡樣品室最高低真空壓力為400Pa,現(xiàn)在有廠家使用專利技術(shù),可使樣品室的低真空壓力達到2600Pa,也就是樣品室可容納分子更多,在這種狀態(tài)下,可配置水瓶向樣品室輸送水蒸氣或輸送混合氣體,若跟高溫或低溫樣品臺聯(lián)合使用則可模擬樣品的四周環(huán)境,結(jié)合掃描電鏡觀察,可得到環(huán)境條件下試樣的變化情況。環(huán)掃實現(xiàn)較高的低真空,其核心技術(shù)就是采用兩級壓差光柵和氣體二次電子探測器,還有一些其它相關(guān)技術(shù)也相繼得到完善。它是使用1個分子泵和2個機械泵,2個壓差(壓力限制)光柵將主體分成3個抽氣區(qū),鏡筒處于高真空,樣品四周為環(huán)境狀態(tài),樣品室和鏡筒之間存在一個緩沖過渡狀態(tài)。使用時

12、,高真空、低真空和環(huán)境3個模式可根據(jù)情況任意選擇,并且在3種情況下都配有二次電子探測器,都能達到3.5nm的二次電子圖像分辨率3。ESEM的特點是:(1)非導(dǎo)電材料不需噴鍍導(dǎo)電膜,可直接觀察,分析簡便迅速,不破壞原始形貌;(2)可保證樣品在100%濕度下觀察,即可進行含油含水樣品的觀察,能夠觀察液體在樣品表面的蒸發(fā)和凝聚以及化學(xué)腐蝕行為;(3)可進行樣品熱模擬及力學(xué)模擬的動態(tài)變化實驗研究,也可以研究微注進液體與樣品的相互作用等。由于這些過程中有大量氣體開釋,只能在環(huán)掃狀態(tài)下進行觀察。環(huán)境掃描電鏡技術(shù)拓展了電子顯微學(xué)的研究領(lǐng)域,是掃描電子顯微鏡領(lǐng)域的一次重大技術(shù)革命,是研究材料熱模擬、力學(xué)模擬、

13、氧化腐蝕等過程的有力工具,受到了國內(nèi)廣大科研工作者的廣泛關(guān)注,具有廣闊的應(yīng)用遠景。5 高溫樣品臺及動態(tài)拉伸裝置的功能5.1高溫樣品臺的功能利用高溫臺在環(huán)境模式下對樣品進行加熱并采集二次電子信號可進行適時動態(tài)觀察。而在普通高真空掃描電鏡和低真空掃描電鏡中,只能對極少數(shù)特殊樣品在高溫狀態(tài)下進行觀察,并要求在加熱過程中不能產(chǎn)生氣體、不能發(fā)出可見光和紅外輻射,否則,會破壞電鏡的真空,并且二次電子圖像噪音嚴重,乃至根本無法成像。高溫臺配有專用陶瓷GSED(氣體二次電子探頭),可在環(huán)境模式下,在高達1500溫度下正常觀察樣品的二次電子像。加熱溫度范圍從室溫到1500,升溫速度每分鐘1300。環(huán)境掃描電鏡的

14、專利探測器可保證在足夠的成像電子采集時抑制熱信號噪音,并對樣品在高溫加熱時產(chǎn)生的光信號不敏感。而這些信號足以使其它型號掃描電鏡中使用的普通二次電子探頭和背散射電子探頭無法正常工作。5.2動態(tài)拉伸裝置的功能最新的動態(tài)拉伸裝置配有內(nèi)部馬達驅(qū)動器、旋轉(zhuǎn)譯碼器、線性位移傳感器,由計算機進行控制和數(shù)據(jù)采集,配合視頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可實現(xiàn)動態(tài)觀察和記錄?？蓮牟牧媳砻嬗^察在動態(tài)拉伸條件下材料的滑移、塑性形變、起裂、裂紋擴展(路徑和方向)直至斷裂的全過程等。該裝置還可附帶3點彎曲和4點彎曲裝置,具有彎曲功能,從而可以研究板材在彎曲狀態(tài)下的形變、開裂直至斷裂的情況。最大拉伸力為2000N,3點彎曲最大壓力為660

15、N。動態(tài)拉伸裝置可配合多種掃描電鏡工作4。6 掃描電鏡的主要應(yīng)用領(lǐng)域6.1 掃描電鏡在材料和冶金行業(yè)中的應(yīng)用場發(fā)射掃面電鏡采用場致發(fā)射電子槍代替普通鎢燈絲電子槍，可得到很高的二次電子像分辨率。采用場發(fā)射電子槍需要很高的真空度，在高真空度下由于電子束的散射更小，其分辨率進一步得到提高。同時，采用磁懸浮技術(shù)，噪音振動大為降低，燈絲壽命也有增加。場發(fā)射掃描電鏡的特點是二次電子像分辨率很高，如果采用低加速電壓技術(shù)，在TV狀態(tài)下背散射電子（BSE）成像良好，對于未噴涂非導(dǎo)電樣品也可得到高倍像。所以，場發(fā)射掃描電鏡對半導(dǎo)體器件、精密陶瓷材料、氧化物材料等的發(fā)展起到很大作用。掃描電鏡配備能譜儀，主要能分析材

16、料表面微區(qū)的成分，分析方式有定點定性分析、定點定量分析、元素的線分布、元素的面分布。例如夾雜物的成分分析。兩個相中元素的擴散深度、多相顆粒元素的分布情況。掃描電鏡配備EBSD附件，主要做單晶體的物相分析，同時提供花樣質(zhì)量、置信度指數(shù)、彩色晶粒圖，可做單晶體的空間位向測定、兩顆單晶體之間夾角的測定，可做特選取向圖、共格晶界圖、特殊晶界圖，同時提供不同晶界類型的絕對數(shù)量和相對比例，還可做晶粒的尺寸分布圖，將多顆單晶的空間取向投影到極圖或反極圖上，可做二維或三維織構(gòu)分析5。掃描電鏡配備波譜儀（即X射線波長色散譜儀），用作成分分析。成分分析的原理可用公式表示。是電子束激發(fā)試樣時產(chǎn)生的X射線波長，跟元素

17、有關(guān)；d是分光晶體的面間距，為已知數(shù)；R是波譜儀聚焦圓的半徑，為已知數(shù)；L是X射線發(fā)射源與分光晶體之間的距離。對于不同的L則有不同的X射線波長，根據(jù)X射線波長就可得知是什么元素。掃描電子顯微鏡可以對浸出渣、鐵的水解產(chǎn)物、轉(zhuǎn)爐渣等物質(zhì)進行成分分析、形貌觀察，可以對連鑄坯的帶狀偏析及夾雜物進行分析。同時，也可以用于冶金輔材的顯微組織及形貌分析與測量。如：冶金高爐塔垢顯微組織分析，冶金燒結(jié)礦顯微組織分析，保護渣渣皮形貌及渣皮厚度測量等。掃描電鏡結(jié)合上述各種附件，其應(yīng)用范圍很廣，包括斷裂失效分析、產(chǎn)品缺陷原因分析、鍍層結(jié)構(gòu)和厚度分析、涂料層次與厚度分析、材料表面磨損和腐蝕分析、耐火材料的結(jié)構(gòu)與蝕損分析

18、等等。6.2 掃描電鏡在新型陶瓷材料顯微分析中的應(yīng)用顯微結(jié)構(gòu)的分析：在陶瓷的制備過程中,原始材料及其制品的顯微形貌、孔隙大小、晶界和團聚程度等將決定其最后的性能。掃描電子顯微鏡可以清楚地反映和記錄這些微觀特征,是觀察分析樣品微觀結(jié)構(gòu)方便、易行的有效方法,樣品無需制備,只需直接放入樣品室內(nèi)即可放大觀察;同時掃描電子顯微鏡可以實現(xiàn)試樣從低倍到高倍的定位分析,在樣品室中的試樣不僅可以沿三維空間移動,還能夠根據(jù)觀察需要進行空間轉(zhuǎn)動,以利于使用者對感興趣的部位進行連續(xù)、系統(tǒng)的觀察分析。掃描電子顯微鏡拍出的圖像真實、清晰,并富有立體感,在新型陶瓷材料的三維顯微組織形態(tài)的觀察研究方面獲得了廣泛地應(yīng)用納米尺寸

19、的研究：納米材料是納米科學(xué)技術(shù)最基本的組成部分,現(xiàn)在可以用物理、化學(xué)及生物學(xué)的方法制備出只有幾個納米的“顆粒”。納米材料的應(yīng)用非常廣泛,比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優(yōu)點,納米陶瓷在一定的程度上也可增加韌性、改善脆性等6,新型陶瓷納米材料如納米稱、納米天平等亦是重要的應(yīng)用領(lǐng)域。納米材料的一切獨特性主要源于它的納米尺寸,因此必須首先確切地知道其尺寸,否則對納米材料的研究及應(yīng)用便失去了基礎(chǔ)?？v觀當今國內(nèi)外的研究狀況和最新成果,目前該領(lǐng)域的檢測手段和表征方法可以使用透射電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等技術(shù),但高分辨率的掃描電子顯微鏡在納米級別材料的形貌觀察和尺寸檢測方面因具有簡

20、便、可操作性強的優(yōu)勢被大量采用。鐵電疇的觀測：掃描電子顯微鏡觀測電疇是通過對樣品表面預(yù)先進行化學(xué)腐蝕來實現(xiàn)的,由于不同極性的疇被腐蝕的程度不一樣,利用腐蝕劑可在鐵電體表面形成凹凸不平的區(qū)域從而可在顯微鏡中進行觀察。因此,可以將樣品表面預(yù)先進行化學(xué)腐蝕后,利用掃描電子顯微鏡圖像中的黑白襯度來判斷不同取向的電疇結(jié)構(gòu)。對不同的鐵電晶體選擇合適的腐蝕劑種類、濃度、腐蝕時間和溫度都能顯示良好的疇圖樣。6.3 掃描電子顯徽鏡在地質(zhì)工作中的應(yīng)用掃描電子顯微鏡主要通過對微體古生物、巖石、礦物的形態(tài)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征的研究，巖石、礦物的元素組成、變化規(guī)律及其賦存狀態(tài)的研究，解決地質(zhì)科研和生產(chǎn)中的各種問題。它直接或間接應(yīng)用于古生物學(xué)(主要是微體古生物)、礦物學(xué)、巖石學(xué)、隕石學(xué)、礦床學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、礦床綜合評價和礦產(chǎn)綜合利用等方面的研究7。6.4掃描電鏡在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)中的應(yīng)用隨著掃描電鏡分辨力溝不斷提高和樣品制備技術(shù)的逐步改善，它在醫(yī)學(xué)生物學(xué)的研究中發(fā)揮了巨大乍用，具有重要約實用價值。特別是近年來，由于冷凍割斷法、化學(xué)消化法以及樹脂鑄型法等新技術(shù)的創(chuàng)建，使人們在掃描電鏡下可以直接觀察組織細胞內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)的立體圖象，能夠顯示器官內(nèi)微血管和其他管道系統(tǒng)在組織內(nèi)的三維構(gòu)筑，為醫(yī)學(xué)生物學(xué)亞顯微領(lǐng)域的深入探討，提供了更為良好的條