第六章 扫描电子显微镜

中南大学

第六章 扫描电子显微镜材料科学与工程学院 艾 延 龄 E-mail: ylai@

第一节 电子束与固体样品相互作用背散射电子 俄歇电子 当高能电子束轰击 样品表面时，由于入 特征X射线 二次电子 射电子束与样品间的 阴极荧光 相互作用， 99 %以上 吸收电子 试样 的入射电子能量将转 变成热能，其余约 1 nA 束感生效应 %的入射电子能量， 将从样品中激发出各 透射电子 种有用的信息，它们 包括： 电子束与固体样品作用时产生 的信号

1、背散射电子

是指被固体样品原子反弹回来的一部分入 射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹 性背散射电子。它来自样品表层几百纳米 的深度范围，其能量很高，弹性背散射电 子能量近似于入射电子能量。背散射电子 产额随原子序数的增加而增加，不仅能用 作形貌分析，也可用来显示原子序数衬度， 定性地用作成份分析。

2、二次电子

二次电子是被入射电子轰击出来并离开样品表面 的核外电子，它来自于样品于距表面5~10nm深度 范围，能量为0~50eV(往往只有几个电子伏特)。 二次电子对样品表面形貌十分敏感，因此非常适 合于表面形貌分析。产额与原子序数之间没有明 显的依赖关系，所以不能用它来进行成分分析。

3、吸收电子

入射电子经多次非弹性散射能量损失殆尽，最后 残存在样品中。若在样品和地之间接入一个高灵 敏度的电流表，就可以测得样品对地的信号，这 个信号是由吸收电子提供的。

若逸出表面的背散射电子和二次电子数量越少， 则吸收电子信号越大，因此吸收电子成像的衬度 恰好与二次电子和背散射电子的图像衬度相反， 吸收电子能产生原子序数衬度。

4、透射电子

当样品足够薄时，那么就会有一部分入射电子透 过样品成为为透射电子，这种扫描透射操作模式 的透射电子中除了有能量和入射电子相当的弹性 散射电子外，还有各种不同能量损失的非弹性散 射电子，其中有些遭受特征能量损失△E的非弹性 散射电子(即特征能量损失电子)和分析区域的 成分有关，因此可用于微区成分分析。

5、特征X射线

样品中原子受入射电子激发后，在能级跃迁过程 中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波 辐射，即特征 X 射线，其发射深度可达几个微米 范围。特征X射线可用于微区元素分析。

6、俄歇电子

如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放的能量把 空位层内的另一个电子(或更外层电子)发射出去， 这个被电离出来的电子叫俄歇电子，其能量在 50~ 1500eV 之间。只有距样品表面 1nm 深度范围内的俄 歇电子才能逸出表面，

因此特别适用于表面化学成 分分析。KLL俄歇电子L2 L1

X射线 高能电子

K

7、阴极荧光

入射电子束轰击发光材料表面时，从样品中 激发出来的可见光或红外光。

8、感应电动势 入射电子束照射半导体器件的PN结时，将产生由

于电子束照射而引起的电动势。 扫描电子束与样品作用产生的各种信息，可以采用 不同的检测仪器，将其转变为放大的电信号，并在显 像管荧光屏上或 X- Y记录仪上显示出来，这就是扫描 电镜的功能。

第二节 扫描电镜的构造和工作原理

组成：电子光学系统， 信号收集处理、图像显 示和记录系统，真空系 统。

一、电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。

扫描线圈

SEM与TEM的主要区别

SEM电子光学部分只有起聚焦作用的会聚透镜，SEM 的末级 透镜 ( 习惯上 叫物镜 )不起 成像作 用 ，而 TEM 里有起成像放大作用的物镜、中间镜和投影镜。 SEM 的成像过程与 TEM 的成像原理是完全不同的。 TEM 是利用透射电子经电磁透镜成像； SEM 的成像 不需要成像透镜，它是采集电子束激发样品的信息 (主要是二次电子)和反弹回来的背散射电子，类 似于电视显像过程，其图像按一定时间空间顺序逐 点形成，并在镜体外显像管上显示。 SEM 图像一般只反应样品表面信息(形貌像和成份 像),TEM图像可反应样品的结构信息。

电磁透镜

在扫描电镜中，电子枪发射出来的电子束，一般经过 三个电磁透镜聚焦后，形成直径可达几个纳米的电子 束。末级透镜(也称物镜，但它不起放大作用，而是 为了产生较大的焦距)。

扫描线圈扫描线圈的作用是使电子束偏转，并在样品表面 作有规则的扫动，电子束在样品上的扫描动作和显像 管上的扫描动作保持严格同步，因为它们是由同一扫 描发生器控制的。

入射电子束

入射电子束

上偏转线圈下偏转线圈 末级透镜 (物镜)

试样表面 光栅扫描 角光栅扫描

电子束在样品表面的扫描方式

二、成像原理

试样在电子束作用下，激发出各种信号，信号的强 度取决于试样表面的形貌、受激区域的成份和晶体 取向，置于试样附近的探测器和试样接地之间的高 灵敏毫微安计把激发出来的电子信号接收下来，经 信号处理放大系统后，输送到显像管栅极以调制显 像管的亮度。

由于显像管中的电子束和镜筒中的电子束是同步 扫描的，显像管上各点的亮度是由试样上各点激 发出来的电子信号强度来调制的，即由试样上任 一点所收集来的信号强度与显像管荧光屏上相应 点亮度是一一对应的。通常所用的扫描电镜图像有二次电子像和背散射 电

子像。

样品室样品室内除放置样品外，还安置信号探测器，为了 使样品和最后一级聚光镜(物镜)之间有足够多的 空间安装各种探测器，物镜一般是弱透镜，具有较 长的焦距；样品台本身是一个复杂而精密的组件， 它应能夹持一定尺寸的样品，并能使样品作平移、 倾斜和转动等运动。

JSM-6700F扫描电镜

第三节 SEM的主要性能一、分辨率

扫描电镜的分辨本领有两重含义：

对于微区成份分析而言，它是指能分析的最小区域； 对于成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。

扫描电镜的分辨率与电子束束斑的直径有着非常密切的关 系，对于二次电子和俄歇电子来说，其本身的能量较低， 平均自由程很短，一般情况下能激发出俄歇电子的样品表 面 层 厚 度 约 为 0.5~2nm , 能 激 发 二 次 电 子 的 深 度 约 为 5~10nm.入射电子束在这样的深度还没有横向扩展开来，这 两种电子的分辨率就相当于束斑的直径。入射电子束进入 样品较深部位时，向横向扩展的范围变大(整个电子束与 样品的作用区为水滴状)。背散射电子的入射深度约为 300nm,特征X射线的入射深度约为1000nm,因此这两种信 号的成像分辨率要远低于二次电子和俄歇电子。

背散射电子

俄歇电子 <2nm

10nm

二次电子

特征X射线

300nm

1000nm当电子束射入重元素样品时，作用体积不呈滴 状，而是半球状。

各种信号成像的分辨率信号 二次电子 背散射电子 吸收电子 特征X射线 俄歇电子 分辨率(nm) <1nm 50~200 100~1000 100~1000 <1nm

以上数据仅作参考！!!

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