表面分析技术：第三章扫描电子显微分析.pptVIP

第三章 扫描电子显微分析 电子束与固体样品作用时产生的信号 扫描电镜发展简史 扫描电镜工作原理及构造 形貌分析简介 形貌是表面分析的重要组成部分，主要分析表面几何形貌，颗粒度以及颗粒度的分布等方面。 扫描电子显微镜 透射电子显微镜 扫描隧道显微镜 原子力显微镜 Multilevel interconnections in an SRAMproduced in 0.35 μm technical 3.1 电子束与固体样品作用时产生的信号 散射 当一束聚焦电子沿一定方向射到样品上时，在样品物质原子的库仑电场作用下，入射电子方向将发生改变，称为散射。 原子对电子的散射还可以进一步分为弹性散射和非弹性散射。 在弹性散射中，电子只改变运动方向，基本上无能量变化。 在非弹性散射中，电子不但改变方向，能量也有不同程度的衰减，衰减部分转变为热、光、X射线、二次电子等。 可见原子序数越大，电子的能量越小，距核越近，则散射角越大。 一般说来，原子对电子的散射远较对X射线的散射为强，因此电子在物质内部的穿透深度要较X射线小得多。 电子束与固体样品作用时产生的信号 电子束与固体样品作用时产生的信号与应用 二次电子：外层价电子激发(SEM 表面形貌分析) 背散射电子：被反弹回来的一部分入射电子 (SEM表面形貌及成分衬度像（粗略) 吸收电子(SEM) 透射电子（TEM 微区的组织形貌、结构分析） 俄歇电子：内层电子激发(AES，表面层成分分析) 特征X射线：内层电子激发(EPMA，成分分析) 3.1.1二次电子 当入射电子与原子核外电子发生相互作用时，会使原子失掉电子而变成离子，这种现象称为电离，而这个脱离原子的电子称为二次电子。 二次电子的能量较低，不超过50eV。二次电子只能从样品表面层5-nm深度范围内被入射电子束激发出来，大于10nm时，虽然入射电子也能使核外电子脱离原子而变成自由电子，但因其能量较低以及平均自由程较短，不能逸出样品表面，最后只能被样品吸收。 特点： 对样品表面形貌敏感 空间分辨率高 信号收集效率高 当样品表面不平时，入射束相对于样品表面的入射角发生变化，使二次电子的强度相应改变，如果用检测器收集样品上方的二次电子并使其形成反映样品上各照射点信息强度的图像，则可将样品表面形貌特征反映出来，形成所谓“形貌衬度”图像。 通常入射电子束进入样品表面后，由于受到原子核及核外电子的散射，其作用范围有所扩展 ,入射束在样品内沿纵向及侧向扩展的具体尺寸范围取决于入射电子的能量及样品物质的原子序数。 由于能量很低，只有在接近表面大约10nm以内的二次电子才能逸出表面，成为可以接收的信号。 由于入射束尚无明显的侧向扩展，因而这种信号反映的是一个与人射束直径相当的、很小体积范围内的形貌特征，故具有较高的空间分辨率。 在入射电子束作用下，样品上被照射区产生的二次电子信号都是以照射点为中心向四面八方发射的(相当于点光源)，其中在样品表面以上的半个球体内的信号是可能被收集的。 二次电子由于本身能量很低，容易受电场的作用，只要在检测器上面加一个5-10kV的正电压，就可使样品上方的绝大部分二次电子都进入检测器，从而使样品表面上无论是凹坑还是突起物的背向检测器的部分显示出来。 3.1.2 背散射电子(BE) 在弹性和非弹性散射过程中，有些入射电子累计散射角超过90°，这些电子将重新从样品表面逸出，称为背散射电子。即被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。 背散射电子来自样品表层几百纳米的深度范围。 在电子显微分析仪器中利用背散射电子信号通常是指那些能量较高的电子，其中主要是能量等于或接近E0的电子。 背散射电子的特点 对样品物质的原子序数敏感 分辨率及信号收集率较低 3.1.3 其它信息 吸收电子 特征X射线及俄歇电子 透射电子 自由载流子形成的伴生效应 产生阴极发光 产生电子感生电导 入射电子和晶体中电子云相互作用 入射电子和晶格相互作用 周期脉冲电子入射的电声效应 碳纳米管 英特尔 下一代Penryn家族45nm工艺处理器 高-k栅介质和金属栅极晶体管的引入，将极大的降低45nm处理器漏电功率，并且有效提升性能 电子与材料作用产生的信号及由此发展的分析方法 3.2 扫描电镜的问世 1935年，Knoll提出扫描电镜的设计思想 1942年，Zworykin等人通过反复研究，设计了第一台用于观察厚试样的扫描电镜，并提出形貌反差主要是由二次电子发射所致，获得了50nm的分辨率。并且建立了现代扫描电镜的基本理论的。 第一台商品扫描电镜于1965年研制成功（英国剑桥科学公司MarkⅠ型）。 以后直到70年代末，美、英、法、荷兰、日、德等十多家厂商生产和出售了6000多台扫描电镜，这些公司积极发展新的改进型仪器，