SEM基本结构及工作原理

SEM基本结构及原理

1 电子束与样品表面的作用

弹性散射：电子束的能量不损失，只改变方向，如背散射电子。

非弹性散射：入射电子熟不进改变方向，也改变能量。包括二次电子，俄歇电子，特征X射线，荧光。

图1 电子束与样品的作用深度示意图

1.1 二次电子Secondary electron

二次电子是指背入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。二次电子来自表面5-10nm的区域，二次电子的逃逸深度很小，在入射电子束处，约为5λ，金属λ=1nm，非金属λ=10nm。

图2 二次电子产量与逃逸深度关系

能量为0-50eV。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试样表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨率较高，一般可达到5-10nm。扫描电镜的分辨率一般就是二次电子分辨率。

二次电子产额随原子序数的变化不大，它主要取决于表面形貌，呈以下关系：

δ(θ)= δ0Secθ

图3二次电子产量与样品倾斜角度关系

θ增大时δ增大，样品表面的起伏形貌与样品倾转原理一样，形成形貌衬度。

入射电子与样品核外电子碰撞，使样品表面的核外电子被激发出来的电子，是作为SEM的成像信号，代表样品表面的结构特点。

图4 二次电子的检测示意图

1.2 背散射电子back scattered electron

背散射电子是由样品反射出来的初次电子，是弹性散射返回来的电子，其主要特点是：能量很高，有相当部分接近入射电子能量，总能量约占入射点子能量的30%，在试样中产生的范围大，像的分辨率低。背散射电子发射系数随原子序数增大而增大。作用体积随入射束能量增加而增大，但发射系数变化不大。

背散射电子的原子序数衬度：

图5背散射电子产量与原子序数关系

图6背散射电子产量与入射束能量关系

背散射电子的形貌衬度：背散射电子同样也存在样品倾转是的形貌衬度效应，如图所示,低角度变化不明显，高角度衬度较好。

图7背散射电子产量与样品倾斜角度关系

背散射电子的空间分布：背散射电子在空间的分布满足一下关系，当入射束沿样品表面法线方向入射时：

η(φ)= ηn Cos(η)

图8 背散射电子的空间分布示意图

当样品倾转时，则变成以下情况：空间分布变成椭圆形状，特别是大于80度是的倾转。

图9 样品倾转时背散射电子的空间分布

1.3俄歇电子Auger electron

原子内层电子被激发产生空穴后，高能级的院子跃迁到这一能级，如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以X射线的形式释放而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。因每一种原子都由自己特定的壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范围内。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原子层中发出的，这说明俄歇电子信号适用与表层化学成分分析。

1.4 特征X射线

产生二次电子后留下的空穴引起高能级原子的跃迁，跃迁过程中释放的能量以X射线形势释放出来。

2扫描电子显微镜的结构

扫描电镜的基本结构可分为电子光学系统、机械系统、真空系统、样品所产生的信号收集、处理和显示系统。

图10 扫描电子显微镜结构图

2.1 电子光学系统

这个系统包括电子枪、电磁聚光镜、扫描线圈和光阑组件。电子枪的作用是产生电子照明源，它的性能决定了扫描电镜的质量，商业生产扫描电镜的分辨率可以说是受电子枪亮度所限制。

电子枪及分类

根据朗谬尔方程，如果电子枪所发射电子束流的强度为I0，则它有如下关系存在：

I0＝β0π2G02α2 / 4

式中α－电子束的半开角；

G0－虚光源的尺寸；

β0－电子枪的亮度。

根据统计力学的理论可以证明，电子枪的亮度β0是由下式来确定：

β0＝J k（eV0 /πkT）①

式中J k－阴极发射电流密度；

V0－电子枪的加速电压；

k－玻尔兹曼常数；

T－阴极发射的绝对温度；

e－电子电荷。

在热电子发射时，阴极发射电流密度J k可以用如下公式来表示：

J k＝A0T exp（－eφ/ kT）②

式中A0－发射常数；

φ－阴极材料的逸出功。

从公式①和公式②可以看出，阴极发射的温度越高，阴极材料的电子逸出功越小，则所形成电子枪的亮度也越高。

电子枪的类型

为了获得较高的信号强度和扫描像，由电子枪发射的扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径，常用的电子枪有三种：普通热阴极三级电子枪（阴极材料是钨丝（直径大约0.1～0.15mm），制成发夹式或针尖式形状，并利用直接电阻加热来发射电子）六硼化镧阴极电子枪和场发射电子枪，前两种属于热发射电子枪，后一种属于冷发射电子枪，也叫场发射电子枪。场发射电子枪亮度最高，电子源直径最小，是高分辨本领扫描电镜的理想电子源，价格较昂贵。阴极材料是用（310）位向的钨单晶针尖，针尖的曲率半径大约为100nm。它是利用场致发射效应来发射电子的。

从电子枪构造示意图可以看到热电子发射型电子枪和热阴极场发射电子枪（FEG）的区别在于：热电子发射型电子枪在紧靠灯丝下面有一个韦氏极，在韦式极上加一个比灯丝更负的电压，这个电压称为偏压（bias voltage），这个偏压控制了电子束流和它的扩展状态；而对于热阴极场发射电子枪，不采用韦式极，

而是用吸出极和静电透镜。

图11 电子枪构造示意图

目前商业生产的扫描电镜大多是采用发夹式钨灯丝电子枪的。

影响电子枪发射性能的因素（依据于所发射电子束的强度J k）：

（1）灯丝阴极本身的热电子发射性质（如电子逸出功，几何形状等）；

（2）灯丝阴极的加热电流。试验表明，发射电流强度是随着阴极加热电流

的增加而增加的；