SEM 非選擇性電極

1、SEM/EDXSEM/EDX原理及構造原理及構造制造技術課制技系制造技術課制技系第一部分第一部分 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡的簡稱為掃描電鏡，英掃描電子顯微鏡的簡稱為掃描電鏡，英文 縮 寫 為文 縮 寫 為 S E M ( S c a n n i n g E l e c t ro n Microscope)。 S E M 與 能 譜與 能 譜EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)組合，可以進行成分分析。組合，可以進行成分分析。引言引言1. 掃描電鏡的工作原理及特點掃描電鏡的工作原理及特點在硬幣或樹葉上覆蓋一張薄紙在硬幣或樹葉上覆蓋一

2、張薄紙、在上面一邊用鉛筆左在上面一邊用鉛筆左右右擦擦寫寫、從從上上面一點一點往下移動的話，紙上就會浮面一點一點往下移動的話，紙上就會浮現(xiàn)出硬幣或樹葉的形狀，這個是眾所周知的現(xiàn)出硬幣或樹葉的形狀，這個是眾所周知的。SEM的的原理原理也類似于此也類似于此。只是相當于鉛筆的是電子束只是相當于鉛筆的是電子束（電子線電子線）、）、用此電子束在用此電子束在試料試料的的表面左右表面左右晃動，一晃動，一邊從邊從上上往往下下掃描掃描（Scan）、）、把其把其表面表面的的凹凸凹凸轉變成轉變成畫像。畫像。掃描電鏡結構原理掃描電鏡結構原理2. 掃描電鏡的主要結構掃描電鏡的主要結構主要包括有電子光學系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號

3、檢主要包括有電子光學系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號檢測放大系統(tǒng)、圖象顯示和記錄系統(tǒng)、電源和真空測放大系統(tǒng)、圖象顯示和記錄系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)等。系統(tǒng)等。L燈絲燈絲陽極陽極Condenser lensGun shiftGun tiltMovable apertureDeffection coin xyImage shiftStigmaFocusW.DlSe detectorSEM SEM 結構圖結構圖Pre-ampFilament current SEM外觀外觀次次電子檢電子檢出器出器反射反射電子檢出電子檢出器器試試料臺料臺（ （桌面桌面） ）電子槍電子槍、偏向、偏向線圈線圈等等 真空系統(tǒng)是保證電子槍和試

4、樣室有較高的真真空系統(tǒng)是保證電子槍和試樣室有較高的真空度，高真空度能減少電子的能量損失和提高燈空度，高真空度能減少電子的能量損失和提高燈絲壽命，并減少了電子光路的污染。真空度一般絲壽命，并減少了電子光路的污染。真空度一般為為0.01Pa0.001Pa，S-3000NS-3000N用機械泵油擴散用機械泵油擴散泵抽真空。油擴散泵的殘余油蒸汽在電子束的轟泵抽真空。油擴散泵的殘余油蒸汽在電子束的轟擊下，會分解成碳的沉積物，影響超輕元素的定擊下，會分解成碳的沉積物，影響超輕元素的定量分析結果，特別是對碳的分析影響嚴重量分析結果，特別是對碳的分析影響嚴重, ,所以所以必須對油擴散泵充分冷卻。必須對油擴散泵

5、充分冷卻。COOLING WATERCOOLING WATERDP OILDP OILDP HEATERDP HEATERR.PR.P掃描電鏡成像示意圖3.3.電子與固體試樣的交互作用電子與固體試樣的交互作用一束細聚焦的電子束轟擊試樣表面時，入射一束細聚焦的電子束轟擊試樣表面時，入射電子與試樣的原子核和核外電子將產(chǎn)生彈性或非電子與試樣的原子核和核外電子將產(chǎn)生彈性或非彈性散射作用，并激發(fā)出反映試樣形貌、結構和彈性散射作用，并激發(fā)出反映試樣形貌、結構和組成的各種信息，有：二次電子、背散射電子、組成的各種信息，有：二次電子、背散射電子、特征特征X 射線、透射電子等。射線、透射電子等。樣品樣品入射電子

6、入射電子 AugerAuger電子電子 陰極發(fā)光陰極發(fā)光 背散射電子背散射電子二次電子二次電子X射線射線透射電子透射電子 各種信息的作用深度各種信息的作用深度 從圖中可以看出，俄從圖中可以看出，俄歇電子的穿透深度最歇電子的穿透深度最小，一般穿透深度小小，一般穿透深度小于于1nm，二次電子小二次電子小于于10nm。 q二次電子像二次電子像q背散射電子像背散射電子像掃描電鏡掃描電鏡 背散射電子背散射電子是指入射電子與樣品相互作用是指入射電子與樣品相互作用( (彈性和非彈性散射彈性和非彈性散射) )之后，再次逸出樣品表面的高能電子，其能量接近于入射電子能量之后，再次逸出樣品表面的高能電子，其能量接近

7、于入射電子能量( E( E。) )。背射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以背散背射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以背散射電子信號的強度與射電子信號的強度與樣品的化學組成樣品的化學組成有關，即與組成樣品的各元素有關，即與組成樣品的各元素平均原子序數(shù)平均原子序數(shù)有關。有關。 入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價帶入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價帶或導帶電子）電離產(chǎn)生的電子，稱二次電子或導帶電子）電離產(chǎn)生的電子，稱二次電子。二次電子能量比較低，。二次電子能量比較低，習慣上把習慣上把能量小于能量小于50eV電子統(tǒng)稱為二次電子，電子統(tǒng)稱為二次電子，僅在樣

8、品表面僅在樣品表面5nm10nm的深度的深度內才能逸出表面，這是二次電子分辨率高的重要原內才能逸出表面，這是二次電子分辨率高的重要原因之一。因之一。背散射電子與二次電子的信號強度與數(shù)量的關系背散射電子與二次電子的信號強度與數(shù)量的關系Quantity of Electrons背散射電子與二次電子背散射電子與二次電子的信號強度與的信號強度與Z Z的關系的關系結論結論二次電子信號在原序數(shù)二次電子信號在原序數(shù)Z20Z20后，后，其信號強度隨其信號強度隨Z Z變化很小。變化很小。背背射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以背散射電子信增大而增加，所以背散射電子信號的強度與

9、號的強度與樣品的化學組成樣品的化學組成有關，有關，即與組成樣品的各元素即與組成樣品的各元素平均原子平均原子序數(shù)序數(shù)有關。有關。 用背散射電子像可用背散射電子像可以觀察未腐蝕樣品的拋光面元素以觀察未腐蝕樣品的拋光面元素分布或相分布分布或相分布( (合金層等合金層等) )，并可，并可確定元素定性、定量分析點確定元素定性、定量分析點。1二次電子象二次電子象。因為二次電子信號主要來處樣品表層。因為二次電子信號主要來處樣品表層510nm的深度范圍，它的強度與原子序數(shù)沒有明的深度范圍，它的強度與原子序數(shù)沒有明確的關系，確的關系，便對微區(qū)表面相對于入射電子束的方向便對微區(qū)表面相對于入射電子束的方向卻十分敏感

10、卻十分敏感，二次電子像分辨率比較高，所以適用，二次電子像分辨率比較高，所以適用于顯示形貌情報。于顯示形貌情報。凸凹不平的樣品表面所產(chǎn)生的二次電凸凹不平的樣品表面所產(chǎn)生的二次電子，用二次電子探測器很容易全部被收集，子，用二次電子探測器很容易全部被收集，所以二次電子圖像無陰影效應，二次電子所以二次電子圖像無陰影效應，二次電子易受樣品電場和磁場影響。二次電子的產(chǎn)易受樣品電場和磁場影響。二次電子的產(chǎn)額額 K/cosK為常數(shù)，為常數(shù)，為入射電子與樣品表面法為入射電子與樣品表面法線之間的夾角，線之間的夾角，角越大，二次電子產(chǎn)額越高，這表明角越大，二次電子產(chǎn)額越高，這表明二次電子對樣品表面狀態(tài)非常敏感二次電

11、子對樣品表面狀態(tài)非常敏感。樣品入射電子法線二次電子觀察例二次電子觀察例2.背散射電子像背散射電子像背反射電子背反射電子5000倍觀察合金層倍觀察合金層 亮度最暗的亮度最暗的Cu,Cu,最亮的是最亮的是Sn,Sn,中間灰暗帶是中間灰暗帶是CuCu和和SnSn的合金層的合金層背反射電子觀察例背反射電子觀察例二次電子和背反射電子成象對照二次電子和背反射電子成象對照二次電子反饋表面形貌二次電子反饋表面形貌 背反射電子反饋物質組份背反射電子反饋物質組份 放大倍率高放大倍率高分辨率高分辨率高景深大景深大保真度好保真度好樣品制備簡單樣品制備簡單O MT E MLightElectron S E MElect

12、ron(電電子束子束) Hardware Software&performanceSEM的性能指標的性能指標第二部分第二部分 EDX EDX能譜儀能譜儀 1 1、EDXEDX測測定原理定原理X線檢出器的構造線檢出器的構造真空瓶真空瓶冷凍通道冷凍通道輕元素用耐大氣壓輕元素用耐大氣壓X線窗口線窗口檢出元素和檢出元素和FET是為了是為了降低雜音，通過液態(tài)氮降低雜音，通過液態(tài)氮使之冷卻，在真空中保使之冷卻，在真空中保持。持。EDX外観外観X線検出器部線検出器部液體窒素注入部液體窒素注入部如果把如果把X射線看成由一些不連續(xù)的光子組成，射線看成由一些不連續(xù)的光子組成， 光子的能光子的能量為量為 E

13、，為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，為光子振動頻率。為光子振動頻率。不同不同元素發(fā)出的特征元素發(fā)出的特征X射線具有不同頻率，射線具有不同頻率， 即具有不同能量即具有不同能量，當，當不同能量的不同能量的X射線光子進入檢出器后，產(chǎn)生不同射線光子進入檢出器后，產(chǎn)生不同電壓脈沖信號，電壓脈沖信號，由于電壓脈沖信號非常小，為了降低噪音，檢出器用液氮冷卻由于電壓脈沖信號非常小，為了降低噪音，檢出器用液氮冷卻，然后用前置放大器對信號放大，放大后的信號進入多道脈沖高然后用前置放大器對信號放大，放大后的信號進入多道脈沖高度分析器，度分析器， 把不同能量的把不同能量的X射線光子分開來，并在輸出設備射線光子分開來，并在輸

14、出設備（如顯像管）上顯示出脈沖數(shù)（如顯像管）上顯示出脈沖數(shù)脈沖高度曲線，縱坐標是脈沖脈沖高度曲線，縱坐標是脈沖數(shù)，即入射數(shù)，即入射X 射線光子數(shù)，與所分析元素含量有關，橫坐標為射線光子數(shù)，與所分析元素含量有關，橫坐標為脈沖高度，與元素種類有關，這樣就可以測出脈沖高度，與元素種類有關，這樣就可以測出X 射線光子的能射線光子的能量和強度，從而得出所分析元素的種類和含量，這種譜儀稱能量和強度，從而得出所分析元素的種類和含量，這種譜儀稱能量色散譜儀量色散譜儀，簡稱能譜儀。簡稱能譜儀。EDX的測定原理的測定原理 譜儀分為二類譜儀分為二類:一類是波長色散譜儀一類是波長色散譜儀，一類是能一類是能量色散譜儀量

15、色散譜儀。 能譜有許多優(yōu)點，例如，元素分析時能譜是同能譜有許多優(yōu)點，例如，元素分析時能譜是同時測量所有元素，而波譜要一個一個元素測量，所時測量所有元素，而波譜要一個一個元素測量，所以分析速度遠比波譜快。能譜探頭緊靠試樣，使以分析速度遠比波譜快。能譜探頭緊靠試樣，使X 射線收集效率提高，這有利于試樣表面光潔度不好射線收集效率提高，這有利于試樣表面光潔度不好及粉體試樣的元素定性、定量分析。另外，能譜分及粉體試樣的元素定性、定量分析。另外，能譜分析時所需探針電流小，不易損傷試樣析時所需探針電流小，不易損傷試樣; ;但能譜也有但能譜也有缺點，如分辨率差，譜峰重疊嚴重，定量分析結果缺點，如分辨率差，譜峰

16、重疊嚴重，定量分析結果一般不如波譜等。一般不如波譜等。表為能譜和波譜主要性能的比較。表為能譜和波譜主要性能的比較。能譜和波譜主要性能的比較能譜和波譜主要性能的比較KHM-310/KWS-251排插脫落錫膏假冒品的誤使用（2005年5月）Ni：未檢出Bi：検出仕様外元素（Bi）検出BL機種發(fā)光面的變色（黒色化）（2006年3月）指指套中檢出套中檢出硫黃硫黃(S)(S)約約3. 3.常規(guī)分析常規(guī)分析：在試樣感興趣的點或區(qū)域上，進行定性或定量分析。該方法用于顯：在試樣感興趣的點或區(qū)域上，進行定性或定量分析。該方法用于顯微結構的成份分析微結構的成份分析MAPPING分析分析：和試樣形貌像：和試樣形貌像

17、(二次電子像或背散射電子像二次電子像或背散射電子像)對照分析對照分析,能直觀地獲得元能直觀地獲得元素在不同區(qū)域內的分布。素在不同區(qū)域內的分布。290排插變色排插變色第三部分第三部分 樣品制作樣品制作SEM/EDXSEM/EDX的試樣要求的試樣要求（a）試樣尺寸試樣尺寸所分析觀察的試樣應為塊狀或顆粒狀（液態(tài)是不行所分析觀察的試樣應為塊狀或顆粒狀（液態(tài)是不行的），其最大尺寸要根據(jù)不同儀器的試樣架大小而定的），其最大尺寸要根據(jù)不同儀器的試樣架大小而定(S-(S-3000N3000N最大為最大為150mm)150mm)。定量分析的試樣要均質，厚度通常應。定量分析的試樣要均質，厚度通常應大于大于5m。由

18、于電子探針是微區(qū)分析，定點分析區(qū)域是幾由于電子探針是微區(qū)分析，定點分析區(qū)域是幾個立方微米，電子束掃描分析和圖像觀察區(qū)域與放大倍數(shù)個立方微米，電子束掃描分析和圖像觀察區(qū)域與放大倍數(shù)有關，但最大也不會超過有關，但最大也不會超過5mm。所以均勻試樣沒有必要做所以均勻試樣沒有必要做得很大，有代表性即可。得很大，有代表性即可。如果試樣均勻，在可能的條件下，試樣應盡量小，特如果試樣均勻，在可能的條件下，試樣應盡量小，特別對分析不導電試樣時，小試樣能改善導電性和導熱性能。別對分析不導電試樣時，小試樣能改善導電性和導熱性能。（b）具有較好的電導和熱導性能具有較好的電導和熱導性能 金屬材料一般都有較好的導電和導

19、熱性能，而硅酸鹽材金屬材料一般都有較好的導電和導熱性能，而硅酸鹽材料和其它非金屬材料一般電導和熱導都較差。后者在入射電子料和其它非金屬材料一般電導和熱導都較差。后者在入射電子的轟擊下將產(chǎn)生電荷積累，造成電子束不穩(wěn)定，圖像模糊，并的轟擊下將產(chǎn)生電荷積累，造成電子束不穩(wěn)定，圖像模糊，并經(jīng)常放電使分析和圖像觀察無法進行。試樣導熱性差還會造成經(jīng)常放電使分析和圖像觀察無法進行。試樣導熱性差還會造成電子束轟擊點的溫度顯著升高，往往使試樣中某些低熔點組份電子束轟擊點的溫度顯著升高，往往使試樣中某些低熔點組份揮發(fā)而影響定量分析準確度度揮發(fā)而影響定量分析準確度度。電子束轟擊試樣時，只有電子束轟擊試樣時，只有0.

20、5%左右的能量轉變成左右的能量轉變成X 射線，射線， 其余能量大部份轉換成熱能，其余能量大部份轉換成熱能，熱能使試樣轟擊點溫度升高，熱能使試樣轟擊點溫度升高，因此因此, 對于硅酸鹽等非金屬材料對于硅酸鹽等非金屬材料必須在表面均勻噴鍍一層必須在表面均勻噴鍍一層20nm左右的碳膜或金膜等來增加試左右的碳膜或金膜等來增加試樣表面的導電和導熱性能。樣表面的導電和導熱性能。 EDXEDX成分分析時試樣表面盡量拋光，因為成分分析時試樣表面盡量拋光，因為X 射線是以一定的角度射線是以一定的角度( (約約3030度度) )從試樣表面從試樣表面射出，如果試樣表面凸凹不平，就可能使出射出，如果試樣表面凸凹不平，就

21、可能使出射射X 射線受到不規(guī)則的吸收，降低射線受到不規(guī)則的吸收，降低X 射線測射線測量強度，下圖表明試樣表面臺階引起的附加量強度，下圖表明試樣表面臺階引起的附加吸收。吸收。（試樣表面臺階引起的附加吸收試樣表面臺階引起的附加吸收（a）粉體試樣粉體試樣 粉體及粉體及微小的異物微小的異物可以直接撒在試樣可以直接撒在試樣座的雙面碳導電膠上，用表面平的物體，座的雙面碳導電膠上，用表面平的物體，例如玻璃板壓緊，然后用洗耳球吹去粘結例如玻璃板壓緊，然后用洗耳球吹去粘結不牢固的顆粒。但現(xiàn)行的條件下不牢固的顆粒。但現(xiàn)行的條件下, , 實際制實際制作比較困難作比較困難, ,所以所以建議不對粉體及微小異建議不對粉體及微小異物物進行觀察分析進行觀察分析.（b）塊狀試樣塊狀試樣 塊狀試樣，特別是測定合金層塊狀試樣，特別是測定合金層、鍍層、鍍層厚度、背散射電子觀察相分布等試樣，厚度、背散射電子觀察相分布等試樣，可可以用環(huán)氧樹脂等鑲嵌后，進行研磨和拋光以用環(huán)氧樹脂等鑲嵌后，進行研磨和拋光。較大的塊狀試樣也可以直接研磨和拋光，較大的塊狀試樣也可以直接研磨和拋光，但容易產(chǎn)生倒角，會