SEM基本结构及工作原理.pdfVIP

SEM基本结构及原理 1 电子束与样品表面的作用 弹性散射：电子束的能量不损失，只改变方向，如背散射电子。 非弹性散射：入射电子熟不进改变方向，也改变能量。包括二次电子，俄歇电子， 特征X 射线，荧光。 图1 电子束与样品的作用深度示意图 1.1 二次电子Secondary electron 二次电子是指背入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电 子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能 的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样 品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真 空中的自由电子，即二次电子。二次电子来自表面 5-10nm 的区域，二次电 子的逃逸深度很小，在入射电子束处，约为5λ，金属λ=1nm ，非金属λ=10nm 。 图2 二次电子产量与逃逸深度关系 能量为 0-50eV 。 它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面 的微观形貌。由于它发自试样表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生 二次电子的面积与入射电子的照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨 率较高，一般可达到5-10nm 。扫描电镜的分辨率一般就是二次电子分辨率。 二次电子产额随原子序数的变化不大，它主要取决于表面形貌，呈以下 关系： δ(θ)= δ Secθ 0 图3 二次电子产量与样品倾斜角度关系 θ增大时δ增大，样品表面的起伏形貌与样品倾转原理一样，形成形貌衬度。 入射电子与样品核外电子碰撞，使样品表面的核外电子被激发出来的电 子，是作为SEM 的成像信号，代表样品表面的结构特点。 图4 二次电子的检测示意图 1.2 背散射电子back scattered electron 背散射电子是由样品反射出来的初次电子，是弹性散射返回来的电子， 其主要特点是： 能量很高，有相当部分接近入射电子能量，总能量约占入 射点子能量的30% ，在试样中产生的范围大，像的分辨率低。背散射电子发 射系数随原子序数增大而增大。作用体积随入射束能量增加而增大，但发射 系数变化不大。 背散射电子的原子序数衬度： 图5 背散射电子产量与原子序数关系 图6 背散射电子产量与入射束能量关系 背散射电子的形貌衬度：背散射电子同样也存在样品倾转是的形貌衬度效应，如 图所示,低角度变化不明显，高角度衬度较好。 图7 背散射电子产量与样品倾斜角度关系 背散射电子的空间分布：背散射电子在空间的分布满足一下关系，当入射束沿样 品表面法线方向入射时： η(φ)= η Cos(η) n 图8 背散射电子的空间分布示意图 当样品倾转时，则变成以下情况：空间分布变成椭圆形状，特别是大于80 度是 的倾转。 图9 样品倾转时背散射电子的空间分布 1.3 俄歇电子Auger electron 原子内层电子被激发产生空穴后，高能级的院子跃迁到这一能级，如果 原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以 X 射线的形式释放而 是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子叫 做俄歇电子。因每一种原子都由自己特定的壳层能量，所以它们的俄歇电子 能量也各有特征值，能量在 50-1500eV 范围内。 俄歇电子是由试样表面极 有限的几个原子层中发出的，这说明俄歇电子信号适用与表层化学成分分 析。 1.4 特征X射线 产生二次电子后留下的空穴引起高能级原子的跃迁，跃迁过程中释放的 能量以X 射线形势释放出来。 2 扫描电子显微镜的结构 扫描电镜的基本结构可分为电子光学系统、机械系统、