華慧高芯知識庫_淺析掃描電鏡的結構組成、工作原理及其應用

2020-11-27 華慧高芯網

掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，簡稱SEM），中文簡稱掃描電鏡，是介於透射電鏡和光學顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段。在材料領域中，掃描電鏡技術發揮著極其重要的作用，被廣泛應用於各種材料的形態結構、界面狀況、損傷機制及材料性能預測等方面的研究。

主要組成部分

掃描電鏡主要由電子光學系統、信號收集處理系統、真空系統、圖像處理顯示和記錄系統、樣品室樣品臺、電源系統和計算機控制系統等組成。

工作原理

掃描電鏡電子槍發射出來的電子束，在加速電壓的作用下，經過電磁透鏡系統匯聚，形成一個細的電子束斑聚焦在樣品表面，末級透鏡上裝有的掃描線圈可控制電子束在樣品表面掃描，同時高能電子束作用在樣品表面會激發出各種信號，主要包括：二次電子、背散射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極螢光和透射電子等，這些信號被相應的接收器接收，經放大後送到顯像管的柵極上，調製顯像管的亮度，電子束打到樣品上一點，在顯像管螢光屏上就出現一個亮點，掃描電鏡就是這樣採用逐點成像的方法，把樣品表面不同的特徵，按順序成比例地轉換為視頻信號，從而使我們在螢光屏上觀察到樣品表面的各種特徵圖像。

解析度及影響解析度的因素

在正常情況下，人眼能夠分辨的兩點之間的最小距離約為0.1nm。掃描電鏡能夠將樣品表面細節放大，其解析度是指掃描電鏡圖像中能肉眼分辨出的兩點之間的最小距離。影響掃描電鏡解析度的主要因素包括以下三個方面：

（1）電磁透鏡的色差、球差等像差導致解析度降低

色差由電磁透鏡對能量不同的電子匯聚能力不同引起，電子槍產生的電子經過加速後形成的高能電子束能量存在一定的擴展範圍，其中，能量大的電子聚焦在距透鏡中心較遠的位置，能量小的電子聚焦在距透鏡中心較近的位置，如圖2（a）所示。

球差由電磁透鏡中心和邊緣部分對入射電子的匯聚能力不同引起，其中遠軸電子比近軸電子經電磁透鏡折射更嚴重，如圖2（b）所示。

（2）入射電子束與樣品表面的相互作用

掃描電鏡的解析度很大程度上由產生成像信號的電子束同樣品的作用範圍決定，而作用範圍的大小受束斑直徑以及電子束在樣品內作用深度和橫向直徑決定。

（3）信噪比因素

在實際成像觀察中，為了得到一副清晰的掃描圖像，往往需要圖像有較高的信噪比。對於一些信噪比不好的情況，可以通過適當增加電壓來提升信噪比；若加速電壓因某些原因不能改變，可以通過其他方式來提升信噪比，如：增加束斑束流、選擇更大孔徑光闌、降低掃描速度、使用線積分或者面積累、減小工作距離、適當增加探測器的偏壓和傾轉試樣。

不同信號成像對比

電子束與樣品作用會產生各種信號，通過信號收集處理系統成像，對試樣進行特殊性能的觀察，下面就對掃描電鏡分析中常用的二次電子及背散射電子進行介紹。

（1）二次電子像

二次電子是在入射電子束作用下距樣品表層5~10 nm深度範圍內發射出的核外電子。它對樣品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效地顯示樣品的表面形貌，如圖4所示。

(2）背散射電子像

背散射電子是被樣品中的原子核反彈回來的一部分入射電子，來自樣品表層幾百納米深度範圍。由於它的產能隨樣品原子序數增大而增多，所以不僅能用作形貌分析，還可以顯示原子序數襯度，定性地用作成分分析。

華慧芯集團配備的蔡司GeminiSEM500掃描電鏡主要性能參數

1.電子源：肖特基熱場發射電子槍；

2.解析度：0.6nm @15kv;1.1nm @ 1kv(二次電子)；

3.加速電壓：0.02-30kV，以10V為步進連續可調;

4.電子束流：5pA – 20nA，束流穩定性優於0.2%/h；

5.電磁透鏡和靜電透鏡複合的Nano-twin物鏡系統，物鏡錐角為80°；

6.工作距離範圍：0.1mm-50mm；

7.放大倍數：20-2.000.000x，具備粗調和細調兩種模式，連續可調；

8.快速進樣過渡倉，實現1min快速進樣。

最後通過一組圖來了解天津華慧芯科技集團有限公司配備的蔡司GeminiSEM500掃描電鏡對不同樣品表徵的應用實例。

華慧高芯網-高端光電晶片創新中心，等你來撩！晶片測試、表徵、微納加工！

相關焦點

  • 華慧高芯知識庫_PECVD等離子體增強化學氣相沉積淺析
    Part 1.PECVD技術的原理物質普遍存在的形態與一定數量級的結合能基本上是一一對應的。我們一般會把固態稱之為物質的第一態，當分子中的動能超過其在晶體中的結合能時，晶體的固有結構就會被破壞，進而轉化為液體（物質的第二態）；當在第二態下的分子動能超過範德華力鍵結合能時，液態會轉化為氣態（物質的第三態）；其中氣體在特殊條件下受到高能激發，產生了電離，導致氣體中的部分外層電子脫離了原子核，變成由電子、正離子以及中性粒子組成的一種混合集合體形態，該形態我們稱為物質的第四態——等離子體。
  • 華慧高芯知識庫_你不知道的事之蝴蝶篇,掃描電鏡下不一樣的世界
    圖一掃描電鏡帶你走進不一樣的蝴蝶世界接下來，小編分別選取綠帶翠鳳蝶和尖鉤粉蝶翅膀上部分鱗片在ZEISS Gemini 500 SEM下觀察，由於蝴蝶翅膀不導電，先對其進行噴金處理，用到的設備為Gatan PECS 685.C（精密
  • 華慧高芯知識庫_淺談RIE反應離子刻蝕機,晶片工藝人不可錯過!
    工作原理：在低氣壓及放電管兩極電場的作用下，電子和正離子分別向陽極、陰極運動，並堆積在兩極附近形成空間電荷區，但正離子的漂移速度遠小於電子，所以正離子空間電荷區的電荷密度比電子空間電荷區大得多，使得整個極間電壓幾乎全部集中在陰極附近的狹窄區域內，此時會產生一種現象--輝光放電。
  • 華慧高芯知識庫_淺談掃描電鏡的荷電效應及解決方法
    掃描電鏡中的入射電子束和導電性差的樣品作用後，會在樣品表面產生過多的電子或者空穴，相應地在樣品表面形成不穩定電場，從而在掃描電鏡圖像中出現白色或者黑色的條紋、區域，這種現象通常被稱為荷電效應。下面詳細介紹一下荷電效應的產生原因、影響和解決方法。
  • 華慧高芯知識庫_淺談SEM-EDS聯用技術在表徵科學中的應用
    表面分析技術是一種統稱，指的是利用電子、光子、離子等與材料表面進行相互作用，分辨範圍從微米級到納米級，測量從表面散射或發射出來的各種離子、電子和光子的質譜、能譜、光譜等，對材料表面的化學組成、結構和性質進行分析的各種技術。
  • 華慧高芯知識庫_材料的表徵方法下
    形貌、成分和結構的表徵是材料的生長、鑑別、加工、研究和應用等過程中很重要的一個步驟。材料的表徵方法按照實驗數據類型可以分為圖像類和譜圖類兩類，其中圖像類有SEM、FIB-SEM、AFM和TEM等；譜圖類有XPS、XRD、Raman、FT-IR、UV-vis、NMR、XAS以及配合電鏡使用的EELS和EDS等。
  • 華慧高芯知識庫|淺談氦離子顯微鏡與ZEISS多離子束顯微鏡
    電子顯微表徵是材料結構表徵中一種十分重要的手段，隨著表徵要求的提高和擴展，電子顯微技術也在不斷發展。氦離子顯微鏡（HIM）就是一種新型的表徵手段，首臺商用HIM是ZEISS旗下ALIS公司設計製造的。1.氦離子顯微鏡的原理圖1.
  • 華慧高芯知識庫_簡析在實際應用中,影響ICP刻蝕效果的因素
    在感應耦合等離子體刻蝕的工藝中，影響刻蝕形貌的因素很多，如：工藝參數裡有源功率、RF功率、流量比、工作壓力、He壓、內壁溫度。另外，chiller到溫時間、掩模形貌，甚至反應室的內壁清潔度都會影響到刻蝕的效果。今天我們簡單分析一下影響ICP刻蝕效果的因素。
  • 華慧高芯知識庫_材料的表徵方法——雷射共聚焦原子力顯微鏡
    聚合物劃痕三維形貌雷射共聚焦顯微鏡是在普通光學顯微鏡的基礎上對成像原理作了改進，加裝了雷射掃描裝置，同時利用計算機成像處理技術提高成像解析度。如圖4所示，雷射共聚焦顯微鏡是使雷射掃描束通過光柵孔形成點光源，在焦平面上逐點掃描，採集點的光信號通過探測針孔到達光電倍增管，經過信號處理形成圖像。
  • 掃描電鏡原理
    掃描電鏡是一種新型的電子光學儀器，主要是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產生各種效應，其中主要是樣品的二次電子發射。　　2、電子束系統：由電子槍和電磁透鏡兩部分組成，主要用於產生一束能量分布極窄的、電子能量確定的電子束用以掃描成象。　　3、成像系統：電子經過一系列電磁透鏡成束後，打到樣品上與樣品相互作用，會產生次級電子、背散射電子、歐革電子以及X射線等一系列信號。
  • 從原理、功能到結構，細數掃描電鏡和透射電鏡的區別
    現如今，具有高解析度的透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)在材料分析研究中的應用日趨廣泛，已經成為現代實驗室中一種不可或缺的研究晶體結構和化學成分的綜合儀器。透射電子顯微鏡常用於觀察普通顯微鏡不能分辨的細微物質結構，掃描電子顯微鏡主要用於觀察固體表面的形貌。有時，將兩者有機結合可以得到比較全面的材料分析結果。下面將從多方面比較，細數掃描電鏡和透射電鏡的區別。
  • SEM掃描電鏡在地質研究方面應用
    掃描電鏡粘土礦物中的應用由於粘土礦物在石油生成、運移、聚集及油氣勘探開發研究中的重要作用。（1）利用掃描電鏡研究儲層巖石學特徵，從微觀形態及微區成分上對儲層巖石進行巖石礦物成分及結構分析，膠結特徵及充填作用分析，孔隙及喉道連通性分析等，並預測儲層敏感性； （2）儲層敏感性掃描電鏡分析，通過酸、水、速、鹼、鹽及溫度敏感性試驗，利用掃描電鏡分析儲層樣品敏感性試驗前後的變化，分析儲層樣品的粘上礦物的變化，膠結物及儲層格架的變化，孔隙及喉道的變化，確定儲層敏感性發生的類型和程度
  • iCEM2017聚焦掃描電子顯微學技術及其最新進展
    儘管EDS已經廣泛應用，而且其工作原理也相對簡單，但很多人僅僅把其作為元素定性或者半定量分析的簡單工具。在本次會議中，曾毅主要針對大家在實際應用中存在的一些共性問題進行了詳細講述。例如： EDS到底是半定量分析手段還是定量分析手段？能譜譜峰的背底是什麼？它對定量結果和檢出限的影響如何？為什麼在譜峰的低能端背底更強？等等。
  • 掃描電子顯微鏡原理和應用
    掃描電子顯微鏡原理和應用2.4.1 掃描電鏡的特點與光學顯微鏡及透射電鏡相比，掃描電鏡具有以下特點： (一) 能夠直接觀察樣品表面的結構，樣品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。
  • 金屬科研「神器」:掃描電子顯微鏡原理及應用
    掃描電子顯微鏡是我們金屬科研工作中應用最廣泛的「神器」，可以說幾乎伴隨著每一位研究生度過自己最重要的科研經歷，時常「愛也掃描」「恨也掃描」，今天就系統地為新老同學們和需要應用掃描的科技工作者介紹一下掃描電鏡的原理及應用
  • 蘭州理工大學舉辦雙束聚焦離子束髮射掃描電鏡應用交流會
    為掌握納米表徵技術發展動態，促進學校納米材料和技術的發展，應蘭州理工大學邀請，近日，美國FEI公司、日本電子公司、德國蔡司公司的5位專家於該校重點實驗室學術會議室與師生進行了雙束聚焦離子束場發射掃描電鏡技術應用方面的交流。
  • 【視頻分享】聽專家們講掃描電鏡技術與應用
    為了滿足儀器信息網用戶對掃描電鏡技術的知識需求，解決學習及工作中的問題，本文特整理了儀器信息網的絡講堂欄目中掃描電鏡技術相關會議報告，專家們講解精準專業，歡迎感興趣的用戶保存下載觀看學習。
  • 環境掃描電子顯微鏡的工作原理及應用範圍
    環境掃描電子顯微鏡，是指掃描電子顯微鏡的一個重要分支，環境掃描電子顯微鏡除了像普通掃描電鏡的樣品室和鏡筒內設為高真空，檢驗導電導熱或經導電處理的乾燥固體樣品以外，還可以作為低真空掃描電鏡直接檢測非導電導熱樣品，無需進行處理，但是低真空狀態下只能獲得背散射電子像。
  • 電鏡學堂丨掃描電子顯微鏡的基本原理(一)
    自本月起TESCAN電鏡學堂將為大家連載《掃描電子顯微鏡及微區分析技術》(本書簡介請至文末查看)，幫助廣大電鏡工作者深入了解電鏡相關技術的原理、結構以及最新發展狀況，將電鏡在材料研究中發揮出更加優秀的性能！
  • 透射電鏡原理
    1.透射電鏡原理--簡介　　透射電鏡，即透射電子顯微鏡，通常稱作電子顯微鏡或電鏡，是使用最為廣泛的一類電鏡。透射電鏡是一種高解析度、高放大倍數的顯微鏡，是材料科學研究的重要手段，能提供極微細材料的組織結構、晶體結構和化學成分等方面的信息，它具有較高分辨本領和放大倍數，是觀察和研究物質微觀結構的重要工具。