形貌分析-SEM.ppt

掃描電鏡分析 掃描電子顯微鏡 掃描電鏡分析 掃描電子顯微鏡的基本知識(shí)與像差電子束與固體樣品作用和產(chǎn)生的信號(hào)掃描電子顯微像的襯度掃描電子顯微鏡的構(gòu)造和工作原理掃描電子顯微鏡的樣品制備 電子束與固體樣品作用和產(chǎn)生的信號(hào) 當(dāng)高速電子照射到固體樣品表面時(shí) 就可以發(fā)生相互作用 產(chǎn)生背散射電子 二次電子 俄歇電子 特征X射線等信息 這些信息與樣品表面的幾何形狀以及化學(xué)成份等有很大的關(guān)系 通過(guò)這些信息的解析就可以獲得表面形貌和化學(xué)成份的目的 1 背散射電子 指被固體樣品的原子核反彈回來(lái)的一部分反射電子 其中包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子 它的能量較高 基本上不受電場(chǎng)的作用而直接進(jìn)入檢測(cè)器 散射強(qiáng)度取決于原子序數(shù)和試樣的表面形貌 用于掃描電鏡的成像 2 二次電子 入射電子撞擊樣品表面原子的外層電子 把它激發(fā)出來(lái) 就形成了低能量的二次電子 在電場(chǎng)的作用下 二次電子呈曲線運(yùn)動(dòng) 翻越障礙進(jìn)入檢測(cè)器 因而使表面凸凹的各部分都能清晰成像 二次電子的強(qiáng)度主要與樣品表面形貌有關(guān) 二次電子和背散射電子共同用于掃描電鏡的成像 3 吸收電子 入射電子進(jìn)入樣品之后 經(jīng)過(guò)多次非彈性散射 使其能量基本耗散 最后被樣品吸收的電子 吸收電子信號(hào)的強(qiáng)度與接收到的背散射及二次電子信號(hào)強(qiáng)度互補(bǔ) 若把吸收電子信號(hào)調(diào)制成圖像 則它的襯度恰好和二次電子或背散電子相反 4 透射電子 如果被分析的樣品很薄 那么就會(huì)有一部分入射電子穿過(guò)薄樣品而成為透射電子 5 特征X射線 入射電子把表面原子的內(nèi)層電子撞出 被激發(fā)的空穴由高能級(jí)電子填充時(shí) 能量以電磁輻射形式放出 就產(chǎn)生特征X射線 可用于元素分析 6 俄歇電子 是由于原子中的電子被激發(fā)而產(chǎn)生的次級(jí)電子 當(dāng)原子內(nèi)殼層的電子被激發(fā)形成一個(gè)空洞時(shí) 電子從外殼層躍遷到內(nèi)殼層的空洞并釋放出能量 這種能量可以被轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電子 導(dǎo)致其從原子激發(fā)出來(lái) 這個(gè)被激發(fā)的電子就是俄歇電子 這個(gè)過(guò)程被稱為俄歇效應(yīng) 以發(fā)現(xiàn)此過(guò)程的法國(guó)物理學(xué)家P V 俄歇命名 俄歇電子能量很低 但其具有特征能量 并且其產(chǎn)于表面下2nm范圍內(nèi) 可用于表面元素分析 透射電子 如果被分析的樣品很薄 那么就會(huì)有一部分入射電子穿過(guò)薄樣品而成為透射電子 這種透射電子是由直徑很小的高能掃描電子束照射薄樣品所產(chǎn)生的 因此透射電子信號(hào)是由微區(qū)的厚度 成分和晶體結(jié)構(gòu)來(lái)決定 透射電子除了彈性散射電子外 還有各種不同能量損失的非彈性散射電子 其中有些遭受特征能量損失 E的非彈性散射電子 特征能量損失電子 因此 可以利用特征能量損失電子配合電子能量分析器進(jìn)行微區(qū)成分分析 在掃描電鏡中 由電子激發(fā)產(chǎn)生的主要信號(hào)的信息深度 俄歇電子1nm 0 5 2nm 二次電子5 50nm背散射電子50 500nm X射線0 1 1 m 各種信息分辨率比較 二次電子電子象 在掃描電鏡中主要利用二次電子的信息觀察樣品的表面形貌 二次電子的能量一般在50eV以下 并從樣品表面5 10納米左右的深度范圍內(nèi)產(chǎn)生 并向樣品表面的各個(gè)方向發(fā)射出去 利用附加電壓集電器就可以收集從樣品表面發(fā)射出來(lái)的二次電子 被收集的二次電子經(jīng)過(guò)加速 可以獲得10keV左右的能量 可以通過(guò)閃爍器把電子激發(fā)為光子 最后再通過(guò)光電倍增管產(chǎn)生電信號(hào) 進(jìn)行放大處理 獲得與原始二次電子信號(hào)成正比的電流信號(hào) 二次電子象的分辨率 在掃描電鏡中形貌象的信息主要來(lái)自二次電子象 一般來(lái)說(shuō) 二次電子象的信息來(lái)自于樣品表面下5 10納米的深度范圍 產(chǎn)生區(qū)域大小則是由輻照電子束的直徑以及二次電子能發(fā)射到表面深度下電離化區(qū)域大小所決定 此外 由發(fā)射電子和X射線激發(fā)所產(chǎn)生的二次電子原則上也應(yīng)該包括進(jìn)去 因此 二次電子象的襯度信息來(lái)自與三個(gè)生成因素 圖a為入射電子束直徑和主二次電子的產(chǎn)生關(guān)系 b則為反射電子和X射線激發(fā)產(chǎn)生的二次電子區(qū)域說(shuō)明圖 c為主二次電子 反射電子和X射線激發(fā)產(chǎn)生的二次電子等三因素的分布狀態(tài)圖 d為發(fā)出的二次電子信息的分布圖 從圖d可見 雖然反射電子和X射線產(chǎn)生的二次電子信號(hào)也比較強(qiáng) 因?yàn)榉植计教?可以把它當(dāng)做背底處理 這樣二次電子束的直徑就很小 使得二次電子象具有很高的分辨率 二次電子象的襯度 二次電子象的襯度是由樣品中電子束的入射角 樣品表面的化學(xué)成份以及樣品和檢測(cè)器的幾何位置等因素所決定的 襯度 對(duì)比度 是得到圖象的最基本要素 S為檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度分別介紹如下 入射角關(guān)系 垂直于樣品表面入射一次電子時(shí) 樣品表面所產(chǎn)生的二次電子的量最小 隨著傾斜度的增加 二次電子的產(chǎn)率逐漸增加 因此 二次電子的強(qiáng)度分布反映了樣品表面的形貌信息 由于在樣品表面存在很多的凹疊面 到處存在30 50度的傾斜角 因此 在電鏡觀察時(shí)不一定需要將樣品傾斜起來(lái) 但在觀察表面非常光滑的樣品時(shí) 則必須把樣品傾斜起來(lái) 在掃描電鏡分析時(shí) 一般傾斜角不大于45度 過(guò)大的傾斜角會(huì)使樣品的聚焦困難 并觀察不到被陰影部分遮蓋的部分 二次電子強(qiáng)度與入射角的關(guān)系 1 cos 為入射電子束與樣品法線的夾角 尖 棱 角處 增加溝 槽 孔 穴處 減小 二次電子信號(hào)與角度關(guān)系 樣品成份的差異 二次電子的產(chǎn)量與樣品表面元素的原子序數(shù)有關(guān) 因此 雖然樣品表面很平坦 但元素成份不同就可以產(chǎn)生二次電子象的襯度 因此 在觀察絕緣樣品時(shí) 在樣品表面蒸發(fā)一層重金屬比蒸發(fā)輕金屬可獲得更好的二次電子象 利用掃描電鏡的景深大以及襯度與形貌的關(guān)系 可以通過(guò)多張照片觀察樣品的立體形貌 樣品表面與檢測(cè)器的位置關(guān)系 因?yàn)槊鎸?duì)檢測(cè)器表面的電子更容易被檢測(cè)器檢測(cè) 因此 直接面對(duì)檢測(cè)器的樣品表面的二次電子象總是比背著檢測(cè)器的表面亮 如圖所示 這也是顯微鏡形成象襯度的重要因素 此外 形成象襯度的主要因素還有樣品表面電位分布的差異等 充電現(xiàn)象 當(dāng)樣品的導(dǎo)電性差時(shí) 在樣品表面可以積累電荷 使表面產(chǎn)生電壓降 入射電子的能量將發(fā)生變化 同時(shí)二次電子的產(chǎn)率也可以發(fā)生變化 充電過(guò)程可以在樣品表面形成電場(chǎng) 不僅影響電子束的掃描過(guò)程 還會(huì)改變圖像的亮度 對(duì)二次電子象產(chǎn)生嚴(yán)重影響 背散射電子 高能入射電子在樣品表面受到彈性散射后可以被反射出來(lái) 該電子的能量保持不變 但方向發(fā)生了改變 該類電子稱為背散射電子 入射電子數(shù)與發(fā)射電子數(shù)的比稱為反射率 進(jìn)入檢測(cè)器的發(fā)射電子數(shù)目還與樣品表面的傾斜角度有關(guān) 反射電子象具有樣品表面的化學(xué)成份和形貌的綜合信息 信息深度是0 1 1微米 背散射電子象 1 形貌襯度 傾角因素 背散射電子產(chǎn)額 Ib Ip 隨傾角 增加而增加 但不精確滿足正割關(guān)系 原子序數(shù)影響 表示了反射率與原子序數(shù)的關(guān)系 從圖上可見 反射率隨著原子序數(shù)的增加而增加 但不是線形關(guān)系 不同的元素同樣可以提供背散射的襯度信息 3 成分襯度背散射電子產(chǎn)額與原子序數(shù)關(guān)系 當(dāng)Ep 20keV以下 則 0 0254 0 016Z 1 86 10 4Z2 8 3 10 7Z3設(shè)有兩平坦相鄰區(qū)域 分別由Z1和Z2純?cè)亟M成 且Z2 Z1則襯度C S為檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度 為背散射電子強(qiáng)度 當(dāng)Z1 Z2原子序數(shù)相鄰 則襯度很低當(dāng)Z1 Z2原子序數(shù)相差遠(yuǎn) 則襯度很高 背散射電子象 一般背散射電子象直接采用二次電子象的電子檢測(cè)器 或使用p n結(jié)半導(dǎo)體器件檢測(cè)器 由于反射電子具有很高的能量 因此在利用二次電子檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)時(shí) 不需要對(duì)電子實(shí)行再加速 背散射電子象信息 反射電子象中包含有元素的化學(xué)成分和表面形貌的信息 反射電子象與樣品材料的原子序數(shù)有很大關(guān)系 由于重元素的反射率大 圖像的亮度也高 反之輕元素的發(fā)射率小 圖像也就暗 此外 反射電子象也與樣品表面的形狀有很大關(guān)系 突起的部分就亮 凹下去的部分則由于反射電子的數(shù)量少 呈暗影 原則上反射電子的強(qiáng)度越大 則反射電子象的分辨率將降低 二次電子象與背散射電子象的比較二次電子象背散射象主要利用形貌襯度成分襯度收集極 250 500V 50V分辨率高較差無(wú)陰影有陰影信號(hào)大 信噪比好 SE SE BSE SE BSE Edgeeffect Charge up Compositeinformation 附件功能 X射線分析能譜分析當(dāng)電子束輻照到樣品表面時(shí) 可以產(chǎn)生熒光X射線 可以使用能譜分析和波譜分析來(lái)獲得樣品微區(qū)的化學(xué)成份信息 X射線的信息深度是0 5 5微米 能譜分析 由于不同元素發(fā)射出的熒光X射線的能量是不一樣的 也就是說(shuō)特定的元素會(huì)發(fā)射出波長(zhǎng)確定的特征X射線 通過(guò)將X射線按能量分開就可以獲得不同元素的特征X射線譜 這就是能譜分析的基本原理 在掃描電鏡中 主要利用半導(dǎo)體硅探測(cè)器來(lái)檢測(cè)特征X射線 通過(guò)多道分析器獲得X射線能譜圖 從中可以對(duì)元素的成份進(jìn)行定性和定量分析 波譜分析 因?yàn)殡娮蛹ぐl(fā)產(chǎn)生的熒光X射線也是一種波 因此可以通過(guò)晶體分光的方法把X射線按波長(zhǎng)分離開 從而可以獲得不同波長(zhǎng)的特征X射線譜 通過(guò)正比計(jì)數(shù)器進(jìn)行檢測(cè) 其優(yōu)點(diǎn)是光譜的分辨率高 高于5eV 信噪比大 并能分析原子序數(shù)為5以上的元素 其定量效果好 其缺點(diǎn)是不能同時(shí)分析 需要逐個(gè)元素進(jìn)行分析 分析速度慢 電子能量損失譜分析 利用電子與元素相互作用發(fā)出的能量損失譜可以對(duì)元素進(jìn)行定性和定量分析能量分辨率高 空間分辨率高適合于輕元素分析也可以進(jìn)行元素線掃描和分布分析 儀器結(jié)構(gòu) 掃描電鏡電子槍 透鏡系統(tǒng) 樣品室 掃描系統(tǒng)真空系統(tǒng)組成電子光學(xué)系統(tǒng) 初級(jí)束要求 束斑盡可能小 電流盡可能大取折衷 1 放大倍數(shù)熒光屏上的掃描振幅電子束在樣品上的掃描振幅放大倍數(shù)與掃描面積的關(guān)系 若熒光屏畫面面積為10 10cm2 放大倍數(shù)掃描面積10 1cm 2100 1mm 21 000 100 m 210 000 10 m 2100 000 1 m 2 主要參數(shù) 2 分辨率 樣品上可以分辨的兩個(gè)鄰近的質(zhì)點(diǎn)或線條間的距離 如何測(cè)量 拍攝圖象上 亮區(qū)間最小暗間隙寬度除以放大倍數(shù) 影響分辨率的主要因素 初級(jí)束斑 分辨率不可能小于初級(jí)束斑 入射電子在樣品中的散射效應(yīng) 對(duì)比度 成像原理 掃描電鏡的成像原理與光學(xué)顯微鏡不同 和透射電鏡也不完全一樣 利用掃描線圈使電子束在樣品表面進(jìn)行掃描 由于高能電子束與樣品物質(zhì)的相互作用 產(chǎn)生各種電子信息 二次電子 反射電子 吸收電子 X射線 俄歇電子等 這些信息收集后經(jīng)過(guò)放大送到成像系統(tǒng) 樣品表面掃描過(guò)程任意點(diǎn)發(fā)射的信息均可以記錄下來(lái) 獲得圖像的信息 由樣品表面上的電子束掃描幅度和顯像管上電子束掃描幅度決定圖像的放大倍數(shù) 電子槍 電子顯微鏡對(duì)電子槍的要求是 能夠提供足夠數(shù)目的電子 發(fā)射電子越多 成象越亮 發(fā)射電子的區(qū)域要小 電子束越細(xì) 象差越小 分辯本領(lǐng)越好 電子速度要大 動(dòng)能越大 成像越亮 普通熱陰極電子槍主要由發(fā)夾式鎢絲組成 當(dāng)加熱到高溫時(shí) 鎢絲發(fā)射出電子 六硼化鑭燈絲以及場(chǎng)發(fā)射燈絲 熱發(fā)射源當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí) 有較多的電子具有克服表面勢(shì)壘 功函數(shù) 的動(dòng)能而逃離金屬射出 J AT2exp kT J 陰極發(fā)射電流T 陰極溫度A 與材料有關(guān)的常數(shù)對(duì)材料要求 功函數(shù)小 熔點(diǎn)高功函數(shù)工作溫度特點(diǎn)W陰極4 5eV2500 2800穩(wěn)定 制備簡(jiǎn)單BaB62 7eV1400 2000化學(xué)性質(zhì)活潑要求10 4Pa以上真空特殊夾持材料 電子槍結(jié)構(gòu) 三級(jí)電子槍F 燈絲負(fù)高壓發(fā)射電子A 陽(yáng)極接地F A間形成對(duì)電子的加速場(chǎng)W 柵極負(fù)偏壓 相對(duì)于陰極 讓電子只通過(guò)柵孔 聚焦透鏡作用 在陽(yáng)極附近形成交叉點(diǎn) 場(chǎng)發(fā)射源 冷場(chǎng)致發(fā)射 當(dāng)尖處電場(chǎng)強(qiáng)度 105V m時(shí) 表面勢(shì)壘寬度 10nm 量子隧道效應(yīng)成為發(fā)射主導(dǎo)機(jī)制 在室溫下 大多數(shù)電子的能量還不足以克服已降低了的勢(shì)壘 但仍有一部分電子能穿過(guò)勢(shì)壘而發(fā)射 熱場(chǎng)致發(fā)射 場(chǎng)發(fā)射槍 發(fā)射出來(lái)的電子在陰極尖后形成交叉虛象 直徑100 高電流發(fā)射密度 小交叉點(diǎn) 比W陰極高1000倍的亮度 減小束斑 提高儀器分辨率 聚光鏡 聚光鏡主要可以起到增強(qiáng)電子束密度和將一次發(fā)散電子會(huì)聚起來(lái)的功能 一般分辯本領(lǐng)在2 5nm的電鏡均采用單聚光鏡 可以將來(lái)自電子槍的直徑為100微米的電子束會(huì)聚成直徑為50微米的電子束 而對(duì)于分辯本領(lǐng)在0 5nm的電鏡均采用雙聚光鏡 可以得到一束直徑為幾個(gè)微米的電子束 使用雙聚光鏡可以使照射到樣品表面的電子束截面減小 不易使試樣過(guò)熱 減少了照明孔徑角 使電子束接近軸照明 電子束強(qiáng)度高 具有較強(qiáng)的亮度 減少荷電效應(yīng) 衍射效果明顯 透鏡系統(tǒng) 電子與光子不同 是一種帶電粒子 不能通過(guò)光學(xué)透鏡的方式進(jìn)行聚焦成像 但可以利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用使電子會(huì)聚成像 一般把利用靜電場(chǎng)原理的透鏡稱為靜電透鏡 利用磁場(chǎng)原理的透鏡稱為磁透鏡 靜電透鏡的基本原理圖見圖1 電子束通過(guò)兩端的離軸作用力和中間的向軸作用力的作用 使得電子束產(chǎn)生會(huì)聚 其焦距由電場(chǎng)分布來(lái)控制 一般的單透鏡的焦距為3 5mm 圖2是運(yùn)動(dòng)電子在磁透鏡中的會(huì)聚原理 透鏡比較 磁透鏡與靜電透鏡相比具有以下優(yōu)點(diǎn) 磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變要比電場(chǎng)強(qiáng)度的改變?nèi)菀?在磁透鏡中采用低電壓 60 100V 不存在擊穿的問(wèn)題 而靜電透鏡需要上萬(wàn)伏的高壓 磁透鏡的象差較小 具有更好的分辨率 目前 在電鏡中使用的主要是磁透鏡 真空系統(tǒng) 為了保證電子運(yùn)動(dòng) 減少與空氣分子的碰撞 因此所有裝置必須在真空系統(tǒng)中 一般真空度為10 2 10 4Pa 一般采用機(jī)械泵和油擴(kuò)散泵或分子泵聯(lián)合系統(tǒng)現(xiàn)在一般采用機(jī)械泵和分子泵系統(tǒng) 真空度高 油污染小等優(yōu)點(diǎn) 價(jià)格貴 樣品制備 一般玻璃材料 纖維材料 高分子材料以及陶瓷材料幾乎都是非導(dǎo)電性的物質(zhì) 在利用掃描電鏡進(jìn)行直接觀察時(shí) 會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的荷電現(xiàn)象 影響對(duì)樣品的觀察 因此需要在樣品表面蒸鍍導(dǎo)電性能好的金等導(dǎo)電薄膜層 在樣品表面鍍金屬層不僅可以防止荷電現(xiàn)象 換可以減輕由電子束引起的樣品表面損傷 增加二次電子的產(chǎn)率 提高圖像的清晰度 并可以掩蓋基材信息 只獲得表面信息 樣品制備 一般金屬層的厚