SEM基础理论介绍

under focus
Before correction
in focus
over focus
After correction
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电子光学系统 Electron Optical System
1. 电子枪（Electron gun） 2. 电磁透镜 （Electro-magnetic lens） 3. 物镜光阑（Objective lens aperture） 4. 扫描线圈（Scanning coil）
肖特基场发射 氧化锆/钨(100) 1800 >2000 ≤1000 15 5300 200 1.107 200 0.35-0.7 1 <0.5 ≤1.10-8 低 无要求
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电子光学系统 Electron Optical System
1. 电子枪（Electron gun） 2. 电磁透镜 （Electro-magnetic lens） 3. 物镜光阑（Objective lens aperture） 4. 扫描线圈（Scanning coil）
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电磁透镜 Electro Magnetic Lens
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电磁透镜 Electro Magnetic Lens
电磁透镜的主要作用是将电子枪的束流逐 渐汇聚，使原来直径约为50μm的束斑缩 小成一个只有1nm左右的细小束斑。
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像差 Aberration
c) 像散（Astigmatism）：由于透镜的磁场轴向不对称所引起的 一种像差。
圆形电子束经透镜后 形成椭圆形光束。
可使用像散矫正装置 （Stigmator）消除。
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消像散 Astigmatism Correction
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扫描电镜的主要组成部分 The Main Components of SEM
电子光学系统
真空系统
信号探测系统
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计算机控制系统
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电子光学系统 Electron Optical System
1. 电子枪（Electron gun） 2. 电磁透镜 （Electro-magnetic lens） 3. 物镜光阑（Objective lens aperture） 4. 扫描线圈（Scanning coil）
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电子枪 Electron Gun
电子枪：
电子枪提供一个稳定的电子源 ，以形成成像所需的电子束，通常 需要所谓的发射过程从电子枪阴极 （灯丝）获得这些电子。足够高的 温度或电场使得一定百分比的电子 具有充分的能量E,以克服阴极材料 的功函数Ew，从而由阴极发射出来 。 Ef为费米能级。
扫描电镜基础理论培训
Yang Rui
Senior Application Specialist Carl Zeiss Shanghai Co.Ltd.
Agenda
1 扫描电子显微学基本概念 2 扫描电镜的主要组成部分及工作原理 3 影响扫描电镜图像质量的主要因素
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冷场发射 Cold Field Emission
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热场发射 Thermal Field Emission
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肖特基场发射电子源 Schottky Field Emitter
热灯丝 钨 2800 200 60000 15000 3 200 1.104 1000 1.5-2.5 1 0.1 ≤1.10-5 最小 无要求
热灯丝 六硼化镧 1900 >500 10000 5000 30 80 1.105 1000 1.3-2.5 1 0.2 ≤1.10-6 最小 无要求
冷场发射 钨(310) 300 >2000 ≤100 2.5 17000 5 2.107 5 0.3-0.7 5-10 5 ≤1.10-10 高 每6-8个小时PFra bibliotekle piece
Copper coils Reduced beam image
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聚光镜 Condenser Lens
聚光镜位于电子枪下方。
两级聚光镜由一块纯铁加工而成，保 证了合轴要求，省去了对中装置，使 用方便。
聚光镜为强透镜，用来缩小电子束光 斑尺寸。
聚光镜的强度决定了样品上束斑的大 小和入射电流的大小。
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扫描电子显微镜工作原理
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扫描电镜的特点 Why Using SEM？
高分辨率。 有较高的放大倍数。 景深长，视野大，成像富有立体感。 试样制备简单。 可扩展性强
配备EDS，EBSD，STEM等装置， 可以同时进行显微组织形貌的观察及 成分和晶体微观结构的分析。
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景深 Depth of Focus
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景深 Depth of Focus
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At some distance D/2 above and below the focus plane, the image will appear to be in acceptably sharp focus, and so this distance is called “the depth of focus”.
镓离子束 + 电子束
镓离子束 + 氦 离子束 + 氖离
子束
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扫描电子显微镜分类
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扫描电子显微镜 Scanning Electron Microscope（SEM）
扫描电子显微镜（SEM）： 是一种利用高能聚焦电子束扫描样品表面从而获得样品信息 的电子显微镜。 使用电子束为照明源 应用电子光学原理 利用电子和物质作用所产生的信息进行成像 电子束在样品表面进行扫描
热发射式 场发射式 (W/LaB6) (热场/冷场)
透射电子显微镜 双束显微镜 多束显微镜
Transmission Electron Focused Ion Beam Multibeam Ion
Microscope (TEM)
(FIB)-SEM
Microscope
热发射式 (W/LaB6)
场发射式 (热场/冷场)
聚焦旋钮就是用来调节物镜电流的。
Electron beam Exciting coils
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Objective lens pole-piece
f WD Virtual lens Sample
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像差 Aberration
a) 球差（Spherical aberration）：由于电磁透镜中心区域和边 缘区域对电子汇聚能力不同而造成的。
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电子枪 Electron Gun
I. Thermionic Emission Electron Gun (热发射式电子枪): 1. Tungsten Wire – 钨丝 2. LaB6 (Lanthanum Hexaboride) - 六硼化镧
W
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电子源性能比较（Electron Source Performance Comparison）
发射器类型 阴极材料 工作温度[K] 阴极寿命 [h] 阴极半径[nm] 有效半径[nm] 发射电流密度[A/cm2] 总发射电流 [μA] 正常亮度[A/cm2.sr.kV] 最大探针电流[nA] 枪口能量扩展度[eV] 束流噪音[%] 发射电流漂移 [%/h] 工作真空[hPa] 对外界影响敏感度 阴极除气
The depth of focus is determined by the aperture diameter A, and the working distance W.
������������
∝
������������ ������������
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1 扫描电子显微学基本概念 2 扫描电镜的主要组成部分及工作原理 3 影响扫描电镜图像质量的主要因素
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1 扫描电子显微学基本概念 2 扫描电镜的主要组成部分及工作原理 3 影响扫描电镜图像质量的主要因素
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带电粒子束显微镜分类
带电粒子束显微镜
电子显微镜 Electron Microscope
离子显微镜 Ion Microscope
扫描电子显微镜
Scanning Electron Microscope (SEM)
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物镜光阑 Objective Lens Aperture
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聚光镜 Condenser Lens
聚光镜的强度决定 样品上束斑的大小 入射电流的大小
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物镜 Objective Lens
物镜位于镜筒最下方，用来将电子束 汇聚在样品上。
物镜为弱透镜，具有较长的焦距，以 适应工作距离的变化，同时避免磁场 对二次电子轨迹的干扰。
远轴电子通过透镜时 被折射得比近轴电子 厉害。
由磁场强度在极靴间 不均匀造成。
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像差 Aberration
b) 色差（Chromatic aberration）：由于成像电子的能量不同而引 起的一种像差。
能量大的电子聚焦在 距透镜中心比较远的 地点，而能量较低的 电子聚焦在距透镜中 心比较近的地点。
������������ : 波长； ������������ : 折射率； α : 孔径半角
LM SEM TEM
������������
实际分辨率
400nm
200nm
0.007nm
1.0nm
0.0025nm
0.2nm
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Zeiss 测量分辨率
边缘尺度法（Edge criterion method）：
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分辨率 Resolution
The smallest distance between two points that can be distinguished.
0.61 ������������ ������������ = ������������������������������������������������α
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热发射 Thermionic Emission
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热发射电子枪 Thermionic Emission Gun
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电子枪 Electron Gun
II. Field Emission Electron Gun (场发射式电子枪): 1. Cold Field Emission (CFE) - 冷场发射 2. Thermal Field Emission (TFE) – 热场（肖特基Schottky式）发射
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放大倍数 Magnification
LM
LS
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������������������������������������ =
������������������������ ������������������������
电磁透镜由极靴（pole piece）和铜线圈 （copper coil）两部分组成。通过改变流 过铜线圈的电流大小来改变透镜汇聚电子 束的能力。
电磁透镜只改变电子束运动的方向，不改 变电子束运动的速度（能量）。
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Optical axis
Beam image