掃描電鏡設備技術參數及測試注意事項-華普通用

發表日期：2021/08/27 瀏覽次數：

掃描電鏡（SEM）是介于透射電鏡和光學顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段，可直接利用樣品表面材料的物質性能進行微觀成像。

掃描電鏡的優點：

(1) 可以觀察直徑為0 ～ 30mm的大塊試樣(在半導體工業可以觀察更大直徑)，制樣方法簡單。因此它是當今十分重要的科學研究儀器之一。

(2) 場深大、三百倍于光學顯微鏡。適用于粗糙表面和斷口的分析觀察；圖像富有立體感、真實感、易于識別和解釋。

(3) 放大倍數變化范圍大。一般為 15 ～ 200000 倍，對于多相、多組成的非均勻材料便于低倍下的普查和高倍下的觀察分析。

(4) 具有相當高的分辨率，一般為 3.5 ～ 6nm。

(5) 可以通過電子學方法有效地控制和改善圖像的質量。如通過調制可改善圖像反差的寬容度，使圖像各部分亮暗適中。采用雙放大倍數裝置或圖像選擇器，可在熒光屏上同時觀察不同放大倍數的圖像或不同形式的圖像。

(6) 可進行多種功能的分析。與 X 射線譜儀配接，可在觀察形貌的同時進行微區成分分析；配有光學顯微鏡和單色儀等附件時，可觀察陰極熒光圖像和進行陰極熒光光譜分析等。

影響掃描電鏡的要素：

1、分辨率

影響掃描電鏡的分辨本領的主要因素有：

A. 入射電子束束斑直徑：為掃描電鏡分辨本領的極限。一般，熱陰極電子槍的最小束斑直徑可縮小到6nm，場發射電子槍可使束斑直徑小于3nm。

B. 入射電子束在樣品中的擴展效應：擴散程度取決于入射束電子能量和樣品原子序數的高低。入射束能量越高，樣品原子序數越小，則電子束作用體積越大，產生信號的區域隨電子束的擴散而增大，從而降低了分辨率。

C. 成像方式及所用的調制信號：當以二次電子為調制信號時，由于其能量低(小于50 eV)，平均自由程短（10~100 nm左右），只有在表層50～100 nm的深度范圍內的二次電子才能逸出樣品表面，發生散射次數很有限，基本未向側向擴展，因此，二次電子像分辨率約等于束斑直徑。

當以背散射電子為調制信號時，由于背散射電子能量比較高，穿透能力強，可從樣品中較深的區域逸出(約為有效作用深度的30％左右)。在此深度范圍，入射電子已有了相當寬的側向擴展，所以背散射電子像分辨率要比二次電子像低，一般在500～2000nm左右。

2、放大倍數

掃描電鏡的放大倍數可表示為

M =Ac/As

式中，Ac—熒光屏上圖像的邊長；As—電子束在樣品上的掃描振幅。一般地，Ac 是固定的(通常為100 mm)，則可通過改變As 來改變放大倍數。

目前，大多數掃描電鏡放大倍數為20～20,000倍，介于光學顯微鏡和透射電鏡之間，即掃描電鏡彌補了光學顯微鏡和透射電鏡放大倍數的空擋。

3、景深

景深是指焦點前后的一個距離范圍，該范圍內所有物點所成的圖像符合分辨率要求，可以成清晰的圖像；也即，景深是可以被看清的距離范圍。

掃描電子顯微鏡的景深比透射電子顯微鏡大10倍，比光學顯微鏡大幾百倍。由于圖像景深大，所得掃描電子像富有立體感。電子束的景深取決于臨界分辨本領d0和電子束入射半角αc。

其中，臨界分辨本領與放大倍數有關，因人眼的分辨本領約為0.2 mm, 放大后，要使人感覺物像清晰，必須使電子束的分辨率高于臨界分辨率d0 ：電子束的入射角可通過改變光闌尺寸和工作距離來調整，用小尺寸的光闌和大的工作距離可獲得小的入射電子角。

4、襯度

包括：表面形貌襯度和原子序數襯度。表面形貌襯度由試樣表面的不平整性引起。原子序數襯度指掃描電子束入射試祥時產生的背散射電子、吸收電子、X射線，對微區內原子序數的差異相當敏感。

原子序數越大，圖像越亮。二次電子受原子序數的影響較小。高分子中各組分之間的平均原子序數差別不大；所以只有—些特殊的高分子多相體系才能利用這種襯度成像。

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