【专家技术贴】扫描电子显微镜结构原理和功能用途

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扫描电镜简介

电子源发射的电子束经过电磁透镜的电子光学通路聚焦，电子源的直径被缩小到纳米尺度的电子束斑，与显示器扫描同步的电子光学镜筒中的扫描线圈控制电子束，在样品表面一定微小区域内，逐点逐行扫描。电子束与样品相互作用，从样品中发射的具有成像反差的信号，由一个适当的图像探测器逐点收集，并将信号经过前置放大器和视频放大器,用调制解调电路调制显示器上相对应显示像素的亮度，形成我们人类观察习惯的，反映样品二维形貌的图像或者其他可以理解的反差机制图像。由于图像显示器的像素尺寸远远大于电子束斑尺寸，(0.1mm/1nm=100,000倍)而且显示器的像素尺寸小于等于人类肉眼通常的分辨率，这样显示器上的图像相当于把样品上相应的微小区域进行了放大。通过调节扫描线圈偏转磁场，可以控制电子束在样品表面扫描区域的大小，理论上扫描区域可以无限小，但可以显示的图像有效放大倍数的限度是扫描电镜分辨率的限度。

模拟图像扫描系统：样品上每个像素模拟信号直接调制阴极射线管对应显示像素的亮度，由于生成一幅高质量图像一般需要数秒或者数十秒/帧，所以模拟电镜使用慢余辉显像管终端显示一幅活图像，为了便于在显像管上观察图像，需要暗室，操作者可按照一定规程调整仪器参数，如图像聚焦，移动样品台搜索感兴趣区域，调节放大倍数，亮度对比度，消象散等从而获得最佳的图像质量。模拟图像输出采用高分辨照相管，用单反相机直接逐点记录在胶片上，然后冲洗相片。自1985年以来，模拟图像电镜已经被数字电镜取代。

数字图像扫描系统：样品上每个像素发出的成像信号，被图像探测器探测器后，经过前置放大器，和视频放大器放大，直接进行信号数字化，然后存储在图像采集卡的帧存器，形成数字图像数据，图像数据可被电镜操作软件读取，操作者在图形交互界面(GUI)上对图像进行调整控制，并把调整好的数字图像存储在计算机中硬盘中。

模拟控制是控制信号不经过计算机软件,直接由操作台按键旋钮等对执行机构进行控制,属于人工手动控制,控制精度由操作者观察仪表盘的变化决定.例如高压电源,扫描线圈,探测器电源,电子枪控制，磁透镜控制,样品台的运动控制等等。

数字控制是所有控制指令输入到交互控制软件,然后由计算机对执行机构发出精确的数字指令.绝大部扫描电镜参数可实现了软件自动调整，如自动聚焦，亮度对比度，自动消象散，自动电子枪发射饱和，自动电子枪对中，自动物镜光阑合轴等。如果扫描电镜所检测的是同一类形状和材质的样品，那么程序自动控制可以实现不需要操作人员的任何干预，从而获得最佳图像质量，这在半导体芯片制造流水线早已普遍使用。由于实验室扫描电镜所面临的样品形状材质种类较多，从成像机理上差别很大，程序控制往往不尽如人意，获得好的图像质量，往往需要操作者对电镜参数进行调整干预，调整后的电镜工作参数，可以保存成可执行控制文件，随时供今后分析同一类型样品时调用。

随着电子技术和计算机技术的发展，不仅实现了数字化图像，而且电镜所有的功能都已经实现了数字化控制。现代扫描电镜电器控制系统高度集成化，扫描电镜结构越来越紧凑，自动化功能越来越高，极大改善了人机操作环境。

扫描电子显微镜用途简述

最基本的功能是对各种固体样品表面进行高分辨形貌观察。大景深图像是扫描电镜观察的特色，例如：生物学，植物学，地质学，冶金学等等。观察可以是一个样品的表面，也可以是一个切开的面，或是一个断面。冶金学家已兴奋地直接看到原始的或磨损的表面。可以很方便地研究氧化物表面，晶体的生长或腐蚀的缺陷。它一方面可更直接地检查纸，纺织品，自然的或制备过的木头的细微结构，生物学家可用它研究小的易碎样品的结构。例如：花粉颗粒，硅藻和昆虫。另一方面，它可以拍出与样品表面相应的立体感强的照片。

在扫描电镜应用中，很多集中在半导体器件和集成电路方面，它可以很详细地检查器件工作时局部表面电压变化的实际情况，这是因为这种变化会带来象的反差的变化。焊接开裂和腐蚀表面的细节或相互关系可以很容易地观察到。利用束感生电流，可以观测半导体P—N结内部缺陷。

电子束与样品作用区内，还发射与样品物质其他性质有关信号。例如：与样品化学成分分布相关的，背散射电子，特征X射线，俄歇电子，阴极荧光，样品吸收电流等；与样品晶体结构相关的，背散射电子衍射现象的探测；与半导体材料电学性能相关的，二次电子信号、电子束感生电流信号；在观察薄样品时产生的透射电子信号等。目前分别有商品化的探测器和装置可安装在扫描电镜样品分析室，用于探测和定性定量分析样品物质的相关信息。

扫描电子显微镜对于固体材料的研究应用非常广泛，没有任何一种仪器能够和其相提并论。对于固体材料的全面特征的描述，扫描电子显微镜是至关重要的。
具体功能用途归纳如下：

1、扫描电镜追求固体物质高分辨的形貌，形态图像(二次电子探测器SEI)-形貌分析(表面几何形态，形状，尺寸)。

2、显示化学成分的空间变化，基于化学成分的相鉴定---化学成分像分布，微区化学成分分析

1)用x射线能谱仪或波谱(EDSorWDS)采集特征x射线信号，生成与样品形貌相对应的，元素面分布图或者进行定点化学成分定性定量分析，相鉴定。

2)利用背散射电子BSE)基于平均原子序数(一般和相对密度相关)反差，生成化学成分相的分布图像；

3)利用阴极荧光，基于某些痕量元素(如过渡金属元素，稀土元素等)受电子束激发的光强反差，生成的痕量元素分布图像。

4)利用样品电流，基于平均原子序数反差，生成的化学成分相的分布图像，该图像与背散射电子图像亮暗相反。

5)利用俄歇电子，对样品物质表面1nm表层进行化学元素分布的定性定理分析。

3、在半导体器件(IC)研究中的特殊应用：

1)利用电子束感生电流EBIC进行成像，可以用来进行集成电路中pn结的定位和损伤研究。

2)利用样品电流成像，结果可显示电路中金属层的开、短路，因此电阻衬度像经常用来检查金属布线层、多晶连线层、金属到硅的测试图形和薄膜电阻的导电形式。      

3)利用二次电子电位反差像，反映了样品表面的电位，从它上面可以看出样品表面各处电位的高低及分布情况，特别是对于器件的隐开路或隐短路部位的确定尤为方便。

4、利用背散射电子衍射信号对样品物质进行晶体结构(原子在晶体中的排列方式)，晶体取向分布分析，基于晶体结构的相鉴定。

以上是扫描电子显微镜的主要功能。同时扫描电子显微镜还可以作为显微操作平台，可接配纳米机械手、微机械探针、接配离子枪等装置，进行离子切割加工，纳米操作，微区尺度物理化学性质测量；为适应材料的动态观察和材料所处环境，可配置特殊样品台，如机械拉伸台、高温样品台、低温样品台，样品分析室充入可与样品发生物理化学反应的特殊气体。

小结：   

扫描电镜通常至少有一个探测器(一般为二次电子探测器SEI)，很多都配有额外的探测器，如EDS,BSE,WDS,EBSD,CL等等，但特定仪器的特殊功能强烈依赖于合适的探测器，同时探测器的安装角度即样品分析室的专业设计，对于分析效果影响重大。深入了解各种功能机理，才能获得最佳的电子显微分析质量。

市场扫描电镜型号规格繁多，从经济角度考虑，并非所有型号都设计成全能分析型。用户须根据对样品的观察分析需要，选择合适的扫描电镜。