扫描电镜的必威体育精装版发展--低电压扫描电镜(LVSEM)和扫描低能电镜(SLEEM).pdfVIP

扫描电镜的必威体育精装版发展——— 低电压扫描电镜（ LVSEM ）和扫描低能电镜（ SLEEM ） 陈文雄，徐 军，张会珍 （北京大学物理学院电镜实验室，北京 100871 ） 摘 要：本文从仪器和电子光学的观点评述了在扫描电镜上装备场发射枪以后，向低电压扫描电镜 和扫描低能电镜发展中的一些重要问题。讨论了低能和极低能时二次电子和背散射电子的特性，低 电压扫描电镜和扫描低能电镜能量段的划分，实现低电压扫描电镜和扫描低能电镜的困难，以及利用 阻滞场透镜的解决办法。讨论了低能情形下信号的探测，杂散电磁场的影响的估计和仪器的分辨率。 关键词：低电压扫描电镜，扫描低能电镜，阻滞场透镜 ! 扫描电镜上装备场发射枪后新的发展方向 场发射枪在扫描电镜上的广泛应用已有十几年的历史，它使扫描电镜的分辨率由传统的热 发射枪时的 6nm 提高到 1.5nm （传统物镜， 30kV ）。分辨率得以提高的原因是由于场发射枪高的 亮度（ ~ 10 8 A/cm 2 . sr ），当电子探针直径达到 ~ 1nm 时仍能保持很高的束流，使图像的信噪比得到 很大的改善。但是传统的物镜由于处于弱激励，球差和色差系数仍然很大（ ! s ! 20mm ， ! c ! 8mm ），成为进一步提高分辨率的主要障碍。因此日本的一些扫描电镜生产厂商把精力集中于新 的物镜的设计，先后提出了 In-lens 和 Semi-in-Lens 等新的物镜工作模式［1，2］，使物镜处于强激励状 态，其焦距 ，像差系数 ! s ， ! c 接近透射电镜物镜的参数，从而把分辨率进一步提高到 0.8 ~ 1nm （ 30kV ）。但这种扫描电镜在观察时样品处于物镜的磁场中，对某些磁性样品不适用；同时样品的 倾斜受到限制。而德国的科学家们则采取了另一种新型的电磁复合透镜来改进物镜［3］，可使 ! s 、 ! c 极大的降低，从而达到 1nm 的分辨率（ 30kV ），样品在物镜磁场之外。 上述提高分辨率的努力仅是 SEM 发展的一个方面。与此同时，一个新的发展方向也逐渐形 成，这就是发展低压和极低压（ Very low voltage ）扫描电镜。场发射枪的的应用除了在高压时带来 高的分辨率以外，同时也提供了低压时进行观察的可能性。 In-lens 和 Semi-in-lens-FESEM 在 1kV 时的分辨率可达到 2.5nm ~ 5nm ，不需喷涂导电膜低压时就可以观察绝缘样品或半导体样品，而 且在低压时会出现新的二次发射特性和新的衬度机制。低能电子束在观察样品的成分和结构时 有突出的优点。但尽管场发射扫描电镜的制造商都声明自己有低压模式，宣传自己的产品在低 压成像参数方面的优越性，他们都没有做到真正的低压，而只停留在低压的半途。这是因为电子 束在能量为 1kV ~ 0.5kV 时，继续减小物镜像差的能力已经枯竭，而我们需要的真正低压范围是 100V 以下，几十和几个伏特。在这个范围，利用所谓的低能电子显微镜（ LEEM ）在固体表面的研 究中取得了辉煌的成就，促使 SEM 朝这个低能方向发展。 #$ 低能和极低能时二次电子和背散射电子的发射特性 在传统的 SEM 中，形貌衬度主要由二次电子（ SE ）产生，这是由于小面（ Facet ）的取向和边缘 信息的增强；成分衬度主要由背散射电子（ BSE ）产生，可一直低到几个 kV ，但在 1kV 以下， BSE 信 号（ ! ），随原子序数（ Z ）单调上升的关系开始变坏。同时 SE 的边缘增强也开始减弱，小面衬度开 始下降，而由于电子和样品相互作用区域在低能时减小，小的突起物和脊（ ridge ）的可见性得到改 善，而且 SE 的产额（ ）逐渐增加。对大多数材料，特别是绝缘体， + ! 达到 1 以上，从而抑制了 样品带电现象，实际上这时可能带正电，而由于 SE 的能量低，它们可被样品的正电位重新捕获， 因此荷电容易平衡。同时由于部分散射波的相互干涉， BSE 的角度分布开始出现“结构”，这是电 852 电子显微学报 J. Chin. Electr . Microsc. Soc. 20 （ 4 ） 1 258 ~ 262 2001 年 子能量在 5kV ~ lkV 范围内的最大特征。 在几百 eV 范围，上述趋势继续：边缘增强消失；即使对大的 Z 差，成份衬度也可以改变符号； 总的发射系数（ ! + ）下降，在 l00eV ~ 300eV 之间降到 l ；开始出现新的衬度机制，例如多晶的 不同取向的晶粒之间，无定形和晶相之间的平面衬度，产生这些衬度的原因现在还没有完全搞清 楚。 在 50eV ~ l00eV 之间存在一个模糊的边界，这个边界对应于非弹性平均自由程（ IMFP ）与能 量依赖关系中的极小值。在这个极小值以下， IMFP