SEM扫描电子显微镜知识要点

扫描电子显微镜知识A—Z / SEM的构造
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope：SEM）是观察样品表面的装
置。

用很细的电子束（称为电子探针）照射样品时，从样品表面会激发二次电子，在电子探针进行二维扫描时，通过检测二次电子形成一幅图像，就能够观察样品的表面形貌。

SEM的构造
装置的结构
SEM由形成电子探针的电子光学系
统、装载样品用的样品台、检测二次电
子的二次电子检测器、观察图像的显示
系统及进行各种操作的操作系统等构
成（图1），电子光学系统由用于形成电
子探针的电子枪、聚光镜、物镜和控制
电子探针进行扫描的扫描线圈等构成，
电子光学系统（镜筒内部）以及样品周
围的空间为真空状态。

图1 SEM的基本结构
图2 电子枪的构造图
电子枪
电子枪是电子束的产生系统，图2是热发射电子枪的构造图。

将细（0.1 mm左右）钨丝做成的灯丝（阴极）进行高温加热（2800K左右）后，会发射热电子，此时给相向设置的金属板（阳极）加以正高圧（1～30kV），热电子会汇集成电
子束流向阳极，若在阳极中央开一个孔，电子束会通过这个孔流出，在阴极和阳极之间，设置电极并加以负电圧，能够调整电子束的电流量，在这个电极（被称
为韦氏极）的作用下，电子束被细聚焦，最细之处被称为交叉点（Crossover)，成为实际的光源(电子源)，其直径为15～20μm。

以上说明的是最常用的热发射电子枪，此外还有场发射电子枪和肖特基发射电子枪等。

热发射电子枪的阴极除使用钨丝外，还使用单晶六硼化镧(LaB6)，LaB6由于活性很强，所以需要在高真空中工作。

透镜的构造
电子显微镜一般采用利用磁铁作用的磁透镜。

当
绕成线圈状的电线被通入直流电后，会产生旋转
对称的磁场，对电子束来说起着透镜的作用。

由
于制作强磁透镜（短焦距的透镜）需要增加磁力
线的密度，如图3所示，线圈的周围套有铁壳（轭
铁），磁力线从狭窄的开口中漏洩出来，开口处被
称作磁极片（极靴），经精度极高的机械加工而成。

磁透镜的强度能随通入线圈的电流改变而改变，
这是光学透镜所不具备的特长。

图3 磁透镜的构造
SEM的景深
在观察有纵深感的样品时，如果近处聚焦了，远处就离焦。

在这种情况下，远、
近图像模糊圈大，叫做景深大，如果远、近图像模糊圈小，叫做景深小。

图8
如所示，电子探针的平行度高（孔径角小），即使焦点变化很大，图像也保持聚
焦，如果电子探针有一定的角度（孔径角大），焦点即使变化很小，图像离焦也
很严重。

象光学显微镜不使用电子探针时，从样品方向看到的物镜角度（孔径角）
小景深则大，角度大景深则小。

另一方面，即便是图像模糊，在倍率低的时候
感觉不到，但在倍率增大的时候能够发现，也就是说，景深也随放大倍率的变
化而改变。

图9 SEM和光学显微镜的景深
图8 电子探针孔径角和景深
在图9的图表中显示了SEM和光学显微镜的不同景深，虽然光学显微镜中的实体显微镜获得的图像景深比较大，但用SEM获得的景深还要大很多，这是因为与光学显微镜的物镜孔径角相比，电子探针的孔径角要小很多的缘故。

此外SEM 的景深根据观察条件而改变。

图10是用光学显微镜和SEM对螺丝断口进行观察的比较。

由于样品表面凹凸不平，用光学显微镜，表面只有一部分被聚焦，而使用大景深的SEM，整个观察表面都被清晰地聚焦。

聚光镜和物镜
在电子枪的后方设置透镜，能够调
节电子束的直径。

SEM需要很细
的电子束。

图4中，在电子枪的后
方设置了聚光镜和物镜的两级透
镜，从电子枪中发射出的电子束经
过两级透镜的聚焦形成电子探针。

图4 经透镜形成电子探针
● 聚光镜的作用
增强聚光镜的透镜作用，电子探针以b/a的比例变细，如果减弱的话，电子探针则变粗。

此外，在聚光镜与物镜之间，设置开了小孔的薄金属板即“光阑”。

通
过聚光镜的电子束撞到光阑后，有一部分的电子束能通过小孔到达物镜。

增大聚光镜的励磁电流，光阑上的电子束会大大地发散开来，只有一小部分的电子束能通过，所以到达物镜的电子数（包括探针电流）将会减少。

相反，减弱聚光镜的励磁电流，光阑上的电子束并不会发生很大的发散，大部分的电子束通过光阑，到达物镜的电子数很多。

也就是说，调节聚光镜的励磁电流可以改变电子探针的直径和探针电流。

那么增大聚光镜的励磁电流，电子探针的直径是否能无限地变细？很遗憾这是有极限的，请参见别处的说明。

●物镜的作用物镜用于聚焦，是决定最终电子探针直径的重要透镜。

物镜若有瑕疵，就无法形成很细的电子探针，之前的所有努力也都会前功尽弃。

因此，所有的电镜厂家都在努力制作性能优良的物镜。

样品台电子显微镜通常要在高倍率下观察样品，因此需要样品台既能稳定地承载样品又能灵活地移动。

SEM的样品台一般能进行五种移动：除了平面上的移动（X,Y方向）、垂直方向上的移动（Z）外，还能够倾斜（T）和旋转（R）样品，不仅能选择视野（X,Y移动），还能够通过Z向移动，改变分辨率及景深，图5为样品台的构造图。

图5 样品台的构造
倾斜样品时观察区域保持在视野范围内，在倾斜状态下移动观察视野时图像不离
焦，具有这样功能的样品台叫做全对中样品台（eucentric）。

除手动的样品台外，
现在用马达驱动样品台较多，也有很多使用的是电脑控制的样品台，这样的样品台，在观察画面的被选位置上点击鼠标就可以进行移动，还能够记忆和返回到曾经观察过的位置，具有更高的全对中样品台的功能。

二次电子检测器用于检测从样品中发射的二次电子，构造见图6所示。

检测器的前端喷
涂了闪烁体（荧光物质）并加载10kV左右的高圧，从样品中激发的二次电子受高圧吸
引，轰击闪烁体而放出光子，光子通过光导管传到光电倍增器，被变换成电子经放大之后成为电信号，闪烁体的前面设有被称为收集极的辅助电极，它被加以数百伏的电圧，
改变此电圧可以收集和挡掉很多二次电子，因为这种检测器的原型是Everhart和Thornley开发的，所以有时又称它为E-T检测器，很多SEM的样品室都安装了这种类型的检测器。

如果物镜是侧重分辨率类型的，则采用将二次电子检测器设置在物镜的上部，利用透镜磁场检测二次电子的方法。

这种检测器常常被称为TTL（Through The
Lens）检测器。

图6 二次电子检测器
图像的显示和记录二次电子检测器的输出信号被增益后送至显示系统，由于显示系统上的扫描与电子探针的扫描是同步的，显示系统的画面根据二次电子的数量呈现出亮度变
化，形成SEM图像。

显像管作为显示系统曾被使用了很长一段时间，近来被广泛使用
的是液晶显示器。

通常，电子探针的扫描速度有几档可以切换，观察时可使用极快的扫描速度，拍摄和保存图像时可使用较慢的扫描速度。

记录SEM图像，从前是用相机拍摄显像管上显示的SEM图像，现在是以数字格式（电子文件）的形式进行记录，一方面是由于高分辨的显像管很少，另一方面用电子文件进行各种图像处理和信息传输即简单又方便，现在一般使用的图像格式在100万像素左右。

扫描电子显微镜知识A—Z / 为什么能看见图像？
观察SEM图像就象是用肉眼看到了物体一样，有极易上手的感觉，但仔细观察会发现难以解释的像衬度，因此对为什么能看见SEM图像及为什么要这样进行观察等问题必须予以理解。

电子和物质的相互作用
电子射入样品时，会散射于样品之
中，并慢慢失去能量最终被样品吸
收，见图11所示。

样品中电子扩散的
范围因电子的能量、样品的原子序
数、密度而不同，能量越高扩展的范
围越大，原子序数以及密度越大扩展
的范围越小，这个过程用蒙特卡罗法
模拟能有助于我们理解。

图11 样品中电子散射状态的蒙特卡罗模拟
图12是电子射入样品后，电子、光、
X射线等信号产生的示意图，利用这
些信号观察、分析样品表面（或浅表
面）的装置就是SEM，因此SEM不仅
是观察形貌的装置，而且还是具有微
区元素分析、状态分析等多种功能的
装置。

图12 从样品中产生的各种电子和电磁波
图13是从样品中产生的电子能量分
布图。

相对于能量在50eV以下的二
次电子，背散射电子在低于入射电子
能量以下的范围有着极广泛的能量
分布，其中小的谱峰是俄歇电子。

图13 从样品中发射的电子能量分布
二次电子
电子射入样品时，构成样品原子的价电子释放出来的是二次电子。

由于能量极小，在样品深处产生的马上就在样品中被吸收，只有在样品浅表面产生的才能逸出。

这意味着二次电子对样品表面很敏感。

此外，如图14所示，与电子束垂直入射样品相比，倾斜入射时二次电子产额较多。

图15的实例说明，晶体表面亮度的不同源于电子束入射角的不同。

因而，使用二次电子可观察表面形貌，由于能量小容易受到样品周围电位的影响，带电样品会产生异常的衬度，也常用于半导体器件的电位测试。

图14 电子探针的入射角和二次电子产额的关系
图15 氧化钨晶体的二次电子像
背散射电子
背散射电子是入射电子在样品内部散射的过程中向后方发生散射，又从样品表面中重新逸出的电子，也称为反射电子，它的能量高于二次电子，携带的样品内部的信息比较多，对样品的成分比较敏感，如图16所示，构成样品的物质原子序数越大，背散射电子的产额越大，含有重元素区域的图像越亮，因此背散射电子像适合观察成分的不同，图17的实例显示了背散射电子像，另一方面，在图18中，如果样品表面凹凸不平，背散射电子
在镜面反射的方向上具有很大的强度，因此也能用来观察表面形貌。

图16 背散射电子强度对原子序数的依赖关
系
图17 背散射电子成分像的实例样品：硬盘磁头
图18
电子探针入射角和背散射电子强度的关系
如图19所示，当电子射入成分均匀的晶体样品时，背散射电子的强度随晶体的方向而变化，利用这一特性可以作为图像观察晶体取向的差异，即所谓的电子通道衬度（Electron Channeling Contrast：ECC），如图20所示，稍微倾斜晶体样品，衬度就会发生变化是其一大特征。

图19 晶体取向和背散射电子强度的关系图20 电子通道衬度的实例样品：柔性板截面
边缘效应
象图21那样，若样品表面有台阶状的凹凸或尖细的突起物，凹凸的边缘部分不是锐利的线条而是有一定宽度的亮边，或整个突起物异常明亮，这种现象就叫做边缘效应。

图22是边缘效应的示意图，即使电子探针从远离边缘的位置照射，扩散在样品中的电子也能从边缘表面中发射二次电子。

图21 边缘效应的实例
样品：钢铁的腐蚀坑加速电压 25kV
图22 入射电子的扩散与边缘效应
加速电圧的影响
加速电圧改变了，入射电子的穿透深
度也会随之改变。

如果提高加速电
圧，样品内部中的信息成为背底，样
品表面的衬度降低。

如图23所示，由
于电子探针在样品内部会发生扩散，
如果样品内部有构造物存在，构造体
的图像模糊可能会与表面图像重叠。

此外，提高加速电圧，边缘效应也变
得明显，因此，为了观察表面使用低
加速电圧较好。

图23 内部构造物的信息与表面图像重叠
图24：在三种不同的加速电圧下观察到的氮化硼的板状晶体。

加速电圧在3kV时，原子序数小、薄晶体相互重叠，当加速电圧提高到10kV时，重叠在下面的晶体变得透明，看上去象是飘浮起来的晶体，其发亮的部分是因为从晶体背面发射的二次电子被检测了出来，发暗的部分可能是由于下面晶体重叠不能发射二次电子的原因。

加速电圧降低到1kV时，晶体表面的台阶状结构反差良好，能够被清晰地观察到。

图24二次电子像的衬度取决于加速电压的不同
样品：氮化硼的板状晶体
二次电子检测器的照明效果
电子探针与样品表面垂直时，二次
电子像发暗，倾斜变大时图像变亮，
实际上SEM图像的衬度还受二次电
子检测器的位置的影响。

图25显示
二次电子进入二次电子检测器的轨
迹。

二次电子被施加在二次电子检
测器前端的高圧加速后进入检测
器，检测器反方向产生的二次电子
也因为能量低被检测器吸引进去，
被检测出的电子轨道意味着照明方
向，起着无影灯照射样品一样的照
图25 二次电子检测器的照明效果明效果，另一方面，能量比较高的
部分背散射电子也进入检测器，起
着具有方向性的照明效果，两者结
合的结果，是能够获得类似来自检
测器方向的柔和光源照射样品的图
像，二次电子的轨道对于样品来说
相当于照明方向，实际上SEM图像
可以解释为在二次电子检测器处设
置光源照射样品，从电子探针的方
向进行观察。

图26 TTL检测器的照明效果扫描电子显微镜知识A—Z / 元素分析的基础
元素分析的基础
X射线的产生
图49 特征X射线的产生原理
如前所述，当电子射入物质后，从物质表面会发射出各种电子、光子及X射线等电磁波。

如图49所示，由于入射电子的作用，内层电子处于激发态，外层电子向内跃迁填补有空位的轨道时，会产生等同于能量差的X射线，这就是特征X射线。

由于X射线具有元素特有的能量（波长），通过对X射线的检测，能够进行元素分析。

K层的电子被激发释放出的特征X射线被称为K线系，L层、M层被分别称为L线系、M线系。

越是重元素特征X射线的能量越大，这是因为激发时需要高能入射电子。

另一方面，入射电子被原子核减速时产生的X射线被称为连续X 射线或者轫致辐射X射线。

X射线分光谱仪
● EDS的分光原理
能谱仪（Energy Dispersive X-ray Spectrometer：EDS）是通过测试X射线的能量分析特征X射线谱的装置。

如图50所示X射线进入半导体检测器后，会产生一定数目的、相当于X射线能量的电子－空穴对，测试其数量（电流）就可以知道X射线的能量，为了减少检测器的电气噪音，需用液氮等进行冷却，从Ｂ～Ｕ的X射线能够同时测试是EDS的特征。

图51是通过EDS获得的谱图，横轴为X 射线的能量值，纵轴为X射线的计数率。

图50 EDS半导体检测器的结构图51 EDS谱图实例
●WDS的分光原理
图52 WDS的分光原理
波谱仪(Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer ：WDS)是通过测试X射线的波长分析特征X射线谱的装置。

如图52所示那样，通过分光晶体利用X射线的衍射现象来测试波长，在被称为罗兰圆的一定半径的圆上移动分光晶体和检测器，为了覆盖全波长范围，需要配备若干多个分光晶体和驱动机构，因此获取X 射线谱图的时间较长。

● EDS与WDS的不同
EDS和WDS的不同见表2所示。

EDS的特长是用很小的探针电流就可以测试，在比较短的时间内能获得谱图，而WDS具有能量分辨率（波长分辨率）高，能够检测痕量元素的特点。

SEM大多都装有EDS，而WDS一般作为以元素分析主要目的的电子探针显微分析仪（Electron Probe Microanalyzer：EPMA）的分光器而被使用。

表2 EDS和WDS的特征
EDS WDS 测试元素范围B～U B～U
测试方法通过Si（Li）半导体检测器
用能量色散谱方法
通过分光晶体
用波长色散谱方法
分辨率E≒130～140eV E≒20eV（能量换算）
测试速度快慢多种元素同时测试可不可
对样品的损伤、污染少多
检出限1500～2000ppm 10～100ppm
单位电流的
X射线检测量
多少
定性分析根据X射线的谱图，能够进行确定电子束照射的区域中存在哪些元素的定性分析。

分析模式有三种：获去电子束照射区域谱图的点分析，显示感兴趣元素在指定的线上如何分布的线分析，以及显示感兴趣元素的二维分布的面分析，面分析有时也称面分布。

点分析是对样品上的一点（参照分析区域）进行定性分析，如果是对有一定范围的区域（不是一个点）进行分析时，定性分析是在电子探针在扫描这一区域（观察图像）的同时进行的，检出限（能检测出多少微量的元素）根据元素而不同，EDS一般为数千ppm。

X射线面分析只关注特定能量的特征X射线，将电子探针在样品上扫描的分析为X射线面分析，它能够知道样品中元素的分布。

但需要注意的是，如果P/B极低（与背底强度相比峰强度很小），X射线图显示的不是欲测元素的分布而是连续X 射线的分布；此外当欲测元素的特征X射线的能量与其它元素很接近、它们的能量差等于分光谱仪的能量分辨率时，X射线图有时会显示其它元素的分布，图53是X射线面分析的实例，与二次电子、背散射电子相比，特征X射线的强度较弱，因此获取图像需花费较长的时间。

图53 X射线面分析的实例样品：混凝土碎片
如后面所述X射线面分析的分辨率取决于分析区域，如果样品表面附近局部存在着特定的元素时，即使颗粒小于分析区域，也能够识别。

在样品上用电子探针进行扫描的同时，逐点进行定量分析的方法叫做定量面分析。

这一方法与单纯的X射线面分布不同，即使P/B比较低也能够知道元素的准确分布。

分析区域射入样品的电子在失去能量的同时在样品中发生扩散，在这个过程中会激发X射线。

因此X射线的产生区域具有一定的范围，在正常的工作条件下为纳米微米尺寸。

需要注意的是，在SEM图像中想要分析数nm～数十nm的颗粒，而实际的分析区域会变大很多。

降低加速电圧虽然可以缩小X射线的产生区域，但加速电圧（电子能量）必须高于被激发的特征X射线能量，因此降低加速电圧是有极限的。

要进一步缩小分析区域，可以采用制备薄膜样品的方法。

例如，厚度为100nm左右的样品在30kV的电压下进行分析的话，很多元素可以获得100nm 以下的分析区域。

定量分析由于特征X射线的强度与对应元素的浓度成正比例，因而能够进行定量分析。

只要将已知浓度的标准样品的X射线强度与未知样品的X射线强度进行比较就能够知道未知样品的元素浓度。

但是，样品中产生的X射线在射入真空前有可能被样品吸收或激发其它元素，因此需要对其进行定量校正，现在使用的EDS 和WDS能够简单地进行校正计算，但校正进行的前提必须是X射线产生区域中元素的分布是相同，样品表面是平坦的，电子探针是垂直入射的等。

实际上SEM 的样品很多都没有满足这一前提条件，因此，应该意识到实际上可能会有不小的误差。

非导电性样品的分析与一般的SEM观察一样，分析非导电性样品需要进行金属镀膜，与SEM观察不同需要注意的是，不能镀制样品中可能含有的、相同元素的金属。

此外，以检测轻元素为目的时，镀上重金属的厚膜可能会阻碍轻元素X射线的发射，因此镀膜必须尽量以薄为好。

如果对非导电性样品不镀膜直接进行分析，由于荷电效应在低加速电圧下进行分析的话，会出现激发能高的特征X射线检测不出来，定量分析的精度下降等现象。

此外进行线分析、X射线面分布时，有时还会发生电子探针位置漂移的问题。

使用低真空SEM(Low Vacuum SEM，简称LV SEM)对不镀膜的非导电性样品能够分析，但由于LVSEM样品室中，电子束的通路上有残余气体分子存在，入射电子束会被散射开来，分析区域将变得很大，这也是值得注意的。