掃描電鏡的結(jié)構(gòu)和工作原理

1、掃描電子顯微鏡的工作原理掃描電鏡(Seanning Electron Microscope)是用聚焦電子束在試樣表面逐點掃描成像。試樣為塊狀或粉末顆 粒，成像信號可以是二次電子、背散射電子或吸收電子。其中二次 電子是最主要 的成像信號。由電子槍發(fā)射的能量為535keV的電子，以其交 叉斑作為電子源，經(jīng)二級聚光鏡及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強度和束斑直徑的微細電子束，在掃描線圈驅(qū)動下，于試樣表面按一定時間、空間順序作柵網(wǎng)式掃描。聚焦電子束與試樣相互作用，產(chǎn)生二次電子發(fā)射(以及其它物理信號)，二次電子發(fā)射量隨試樣表面形貌而變化。二次電子信號被探測器收集轉(zhuǎn)換成電訊號，經(jīng)視頻放大后輸入到顯像

2、管柵極，調(diào)制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映試樣表面形貌的二次電子像、掃描電鏡具有以下的特點(1) 可以觀察直徑為030mm的大塊試樣(在半導(dǎo)體工業(yè)可以觀察更大直徑)，制樣方 法簡單。(2) 場深大、三百倍于光學(xué)顯微鏡，適用于粗糙表面和斷口的分析觀察；圖像富有立體 感、真實感、易于識別和解釋。(3) 放大倍數(shù)變化范圍大， 一般為15200000倍，對于多相、多組成的非均勻材料 便于低倍下的普查和高倍下的觀察分析。(4) 具有相當高的分辨率，一般為3.56nm。(5) 可以通過電子學(xué)方法有效地控制和改善圖像的質(zhì)量，如通過調(diào)制可改善圖像反差的 寬容度，使圖像各部分亮暗適中。采用雙放大倍數(shù)

3、裝置或圖像選擇器，可在熒光屏上同 時觀察不同放大倍數(shù)的圖像或不同形式的圖像。(6) 可進行多種功能的分析。與X射線譜儀配接，可在觀察形貌的同時進行微區(qū)成分分析；配有光學(xué)顯微鏡和單色儀等附件時，可觀察陰極熒光圖像和進行陰極熒光光譜分 析等。| 可使用加熱、冷卻和拉伸等樣品臺進行動態(tài)試驗，觀察在不同環(huán)境條件下的相變及 形態(tài)變化等。三、掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)1電子光學(xué)系統(tǒng)：電子槍；聚光鏡(第一、第二聚光鏡和物鏡)；物鏡光闌。2掃描系統(tǒng)：掃描信號發(fā)生器；掃描放大控制器；掃描偏轉(zhuǎn)線圈。3信號探測放大系統(tǒng)：探測二次電子、背散射電子等電子信號。4圖象顯示和記錄系統(tǒng)： 早期SEM采用顯象管、照相機等。數(shù)字式SEM

4、采用電腦系統(tǒng) 進行圖象顯示和記錄管理。5真空系統(tǒng)：真空度高于 10 -4 Torr。常用：機械真空泵、擴散泵、渦輪分子泵6電源系統(tǒng)：高壓發(fā)生裝置、高壓油箱。四、掃描電鏡主要指標 1放大倍數(shù)M=L/I 2分辨率(本領(lǐng))影響分辨本領(lǐng)的主要因素：入射電子束斑的大小，成像信號(二次電子、背散射電子等)3掃描電鏡的場深掃描電鏡的場深是指電子束在試樣上掃描時，可獲得清晰圖像的深度范圍。 當一束微細的電子束照射在表面粗糙的試樣上時，由于電子束有一定發(fā)散度，除了焦平面處，電子 束將展寬，場深與放大倍數(shù)及孔徑光闌有關(guān)。五、試樣制備 1 對試樣的要求：試樣可以是塊狀或粉末顆粒，在真空中能保持穩(wěn)定，含有水分的試 樣

5、應(yīng)先烘干除去水分，或使用臨界點干燥設(shè)備進行處理。表面受到污染的試樣，要在不 破壞試樣表面結(jié)構(gòu)的前提下進行適當清洗，然后烘干。新斷開的斷口或斷面，一般不需要進行處理，以免破壞斷口或表面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。有些試樣的表面、斷口需要進行適當?shù)?侵 蝕，才能暴露某些結(jié)構(gòu)細節(jié)，則在侵蝕后應(yīng)將表面或斷口清洗干凈，然后烘干。對 磁性試樣要預(yù)先去磁， 以免觀察時電子束受到磁場的影響。試樣大小要適合儀器專用樣 品座的尺寸，不能過大，樣品座尺寸各儀器不均相同，一般小的樣品座為35mm,大的樣品座為 3050mm，以分別用來放置不同大小的試樣，樣品的高度也有一定的 限制，一般在510mm左右。2 掃描電鏡的塊狀試樣制備是比

6、較簡便的。對于塊狀導(dǎo)電材料，除了大小要適合儀器 樣品座尺寸外，基本上不需進行什么制備，用導(dǎo)電膠把試樣粘結(jié)在樣品座上，即可放在 掃描電鏡中觀察。對于塊狀的非導(dǎo)電或?qū)щ娦暂^差的材料，要先進行鍍膜處理，在材料 表面形成一層導(dǎo)電膜。以避免電荷積累，影響圖象質(zhì)量。并可防止試樣的熱損傷。3、粉末試樣的制備：先將導(dǎo)電膠或雙面膠紙粘結(jié)在樣品座上，再均勻地把粉末樣撒在 上面，用洗耳球吹去未粘住的粉末，再鍍上一層導(dǎo)電膜，即可上電鏡觀察。4、鍍膜：鍍膜的方法有兩種，一是真空鍍膜，另一種是離子濺射鍍膜。離子濺射鍍膜 的原理是：在低氣壓系統(tǒng)中，氣體分子在相隔一定距離的陽極和陰極之間的強電場作用 下電離成正離子和電子，正離子飛向陰極，電子飛向陽極，二電極間形成輝光放電，在 輝光放電過程中，具有一定動量的正離子撞擊陰極，使陰極表面的原子被逐出，稱為濺 射，如果陰極表面為用來鍍膜的材料（靶材），需要鍍膜的樣品放在作為陽極的樣品臺上，則被正離子轟擊而濺射出來的靶材原子沉積在試樣上，形成一定厚度的鍍膜層。 離子濺射時常用的氣體為惰性氣體氬，要求不高時，也可以用空氣，氣壓約為5 X 10 -2Torr。離子濺射鍍膜與真空鍍膜相比，其主要優(yōu)點是：（1 ）裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用方便