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1、会计学1扫描扫描(somio)电子显微镜与电子探针电子显微镜与电子探针第一页，共38页。与普通与普通(ptng)(ptng)显微镜的差别：显微镜的差别：电子波长电子波长 E E为电子能量，单位为电子能量，单位 eVeV 当当 E=30KeV E=30KeV 时时,0.007nm 0.007nm 普通显微镜普通显微镜 SEM SEM 基本原理基本原理 光折射光折射(zhsh)(zhsh)成象成象 同步扫描同步扫描 入射束波长入射束波长 400-700 nm 400-700 nm 能量为能量为E E的电子的电子 放大倍数放大倍数 1600 1600 几十万几十万 分辨率分辨率 200 nm 1.5
2、 nm 200 nm 1.5 nm 景深景深 是普通显微镜的是普通显微镜的300300倍倍第1页/共38页第二页，共38页。学习的重要性：学习的重要性：是形貌是形貌(xn mo)(xn mo)分析的重要手段分析的重要手段 二次电子象在其它分析仪器中的应用二次电子象在其它分析仪器中的应用 基本物理概念、仪器参数及基本单元的通用性基本物理概念、仪器参数及基本单元的通用性 第2页/共38页第三页，共38页。二、基本物理概念二、基本物理概念(一一)电子与表面相互作用及与之相关的分析电子与表面相互作用及与之相关的分析(fnx)(fnx)技术技术(二二)信息深度信息深度(三三)电子作为探束的分析电子作为探
3、束的分析(fnx)(fnx)技术特点技术特点第3页/共38页第四页，共38页。(一一)电子与表面相互作用及与之相关的分析技术电子与表面相互作用及与之相关的分析技术 1 1信息种类及相应的分析技术：信息种类及相应的分析技术：背散射：经弹性散射或一次非弹性散射后背散射：经弹性散射或一次非弹性散射后 以以 90 90射出表面，射出表面，E E E Ep p 特征能量损失特征能量损失 多次散射后射出形成本底多次散射后射出形成本底 在样品中停止，变为吸收电流在样品中停止，变为吸收电流 从样品透射从样品透射 (TEM)第4页/共38页第五页，共38页。二次电子：外层价电子激发二次电子：外层价电子激发 (S
4、EM)俄歇电子：内层电子激发俄歇电子：内层电子激发 (AES)特征特征X X射线：内层电子激发射线：内层电子激发 (EPMA)连续连续X X射线：轫致辐射射线：轫致辐射(本底）本底）对于半导体材料：对于半导体材料：阴极荧光阴极荧光 电子束感生电流电子束感生电流 第5页/共38页第六页，共38页。2 2检测检测(jin c)(jin c)电子的能量分布电子的能量分布第6页/共38页第七页，共38页。(二二)信息深度信息深度 非弹性散射平均自由程：非弹性散射平均自由程：具有一定能量的电子连续发生两次非弹性碰撞具有一定能量的电子连续发生两次非弹性碰撞 之间所经过的距离的平均值。之间所经过的距离的平均
5、值。衰减长度：衰减长度：I=IoeI=Ioet/t/当电子穿过当电子穿过t=t=厚的覆盖层后，它的强度厚的覆盖层后，它的强度 将衰减为原来的将衰减为原来的1/e,1/e,称称为衰减长度。为衰减长度。通常近似地把衰减长度通常近似地把衰减长度当作电子的非弹性散射平均当作电子的非弹性散射平均 自由程，自由程，亦称为逸出深度。亦称为逸出深度。衰减长度和电子能量的关系衰减长度和电子能量的关系(gun x)(gun x)：实验结果：实验结果：经验公式：经验公式：=(Ai/E2)+BiE1/2=(Ai/E2)+BiE1/2 其中其中A A、B B对于不同的元素及化合物对于不同的元素及化合物 有不同的值有不同
6、的值.第7页/共38页第八页，共38页。信息深度：信号电子信息深度：信号电子(dinz)(dinz)所携带的信息来自多厚的表面层？所携带的信息来自多厚的表面层？通常用出射电子通常用出射电子(dinz)(dinz)的逃逸深度来估计。的逃逸深度来估计。但是当出射电子但是当出射电子(dinz)(dinz)以同表面垂直方向成以同表面垂直方向成角射出时，电子角射出时，电子(dinz)(dinz)所反映的信息深度应该是：所反映的信息深度应该是：d=cos d=cos 激发深度与信息深度：激发深度与信息深度：第8页/共38页第九页，共38页。在扫描电镜中，由电子激发产生在扫描电镜中，由电子激发产生(chns
7、hng)(chnshng)的主要信号的信的主要信号的信息深度：息深度：俄歇电子俄歇电子 1 nm(0.5-2 nm)1 nm(0.5-2 nm)二次电子二次电子 5-50 nm 5-50 nm 背散射电子背散射电子 50-500 nm 50-500 nm X X射线射线 0.1-1m 0.1-1m第9页/共38页第十页，共38页。产生大量产生大量(dling)(dling)二次电子，二次电子，产生少量二次电子，产生少量二次电子，信噪比差信噪比差 信噪比好信噪比好 电子电子(dinz)(dinz)探束探束 光子探束光子探束(三三)电子作为电子作为(zuwi)(zuwi)探束的特点探束的特点碰撞中
8、碰撞中E Ep p E E，碰撞中碰撞中h=Eh=E，自身湮没，自身湮没损失部分能量后射出损失部分能量后射出 可聚焦、偏转，获得可聚焦、偏转，获得 不易聚焦，束斑大且强度低不易聚焦，束斑大且强度低 小束斑和高强度小束斑和高强度 电子束源价格低廉电子束源价格低廉 X X光源复杂，价格较贵光源复杂，价格较贵 宜为外层价电子电离源宜为外层价电子电离源 宜为芯层电子电离源宜为芯层电子电离源第10页/共38页第十一页，共38页。1放大倍数放大倍数 荧光屏上的扫描振幅荧光屏上的扫描振幅 电子束在样品上的扫描振幅电子束在样品上的扫描振幅 放大倍数与扫描面积的关系：放大倍数与扫描面积的关系：(若荧光屏画面面积
9、为若荧光屏画面面积为1010cm2)放大倍数放大倍数 扫描面积扫描面积 10 (1cm)(1cm)2 2 100 (1mm)(1mm)2 2 1,000 (100m)(100m)2 2 10,000 (10m)(10m)2 2 100,000 (1m)(1m)2 2三、三、主要参数主要参数第11页/共38页第十二页，共38页。2分辨率分辨率 样品上可以分辨的两个邻近的质点或线条间的距离。样品上可以分辨的两个邻近的质点或线条间的距离。如何测量：拍摄图象上，亮区间最小暗间隙如何测量：拍摄图象上，亮区间最小暗间隙(jin x)宽度宽度 除以放大倍数。除以放大倍数。影响分辨率的主要因素：影响分辨率的主
10、要因素：初级束斑：分辨率不可能小于初级束斑初级束斑：分辨率不可能小于初级束斑 入射电子在样品中的散射效应入射电子在样品中的散射效应 对比度对比度第12页/共38页第十三页，共38页。3景深景深(jngshn)一般景深一般景深(jngshn)的定义：的定义：第13页/共38页第十四页，共38页。SEM的景深：的景深：对于对于SEM，虽没有实际的成象透镜，但景深的意义是相同的。，虽没有实际的成象透镜，但景深的意义是相同的。在在D深度范围内，中心处为最佳聚焦深度范围内，中心处为最佳聚焦当当dp Z1 则衬度则衬度 C=S 为检测信号强度为检测信号强度 为背散射电子强度为背散射电子强度 当当Z1Z1、
11、Z2Z2原子序数原子序数(yunz xsh)(yunz xsh)相邻，则衬度很低相邻，则衬度很低 当当Z1Z1、Z2Z2原子序数原子序数(yunz xsh)(yunz xsh)相差远，则衬度很高相差远，则衬度很高第23页/共38页第二十四页，共38页。原子序数 W:74 Ti:22 Si:14 Al:13 O:8 N:7 第24页/共38页第二十五页，共38页。如何排除表面不平坦因素？如何排除表面不平坦因素？表面抛光表面抛光 采用双通道检测器及信号处理采用双通道检测器及信号处理第25页/共38页第二十六页，共38页。(三三)二次电子象与背散射电子象的比较二次电子象与背散射电子象的比较 信号检测
12、系统信号检测系统-闪烁体计数器闪烁体计数器 栅网栅网 +250-500V 二次电子象二次电子象 -50V 背散射电子象背散射电子象 闪烁体闪烁体 6-10kV 吸引、加速电子吸引、加速电子 撞击闪烁体发光撞击闪烁体发光 光导管光导管 光子倍增器光子倍增器 第26页/共38页第二十七页，共38页。二次电子二次电子(dinz)象与背散射电子象与背散射电子(dinz)象的比较象的比较 二次电子二次电子(dinz)象象 背散射象背散射象主要利用主要利用 形貌衬度形貌衬度 成分衬度成分衬度 收集极收集极 +250500V 50V 分辨率分辨率 高高 较差较差 无阴影无阴影 有阴影有阴影 信号大，信噪比好
13、信号大，信噪比好 第27页/共38页第二十八页，共38页。五、主要部件五、主要部件 电子光学系统电子光学系统 扫描系统扫描系统 信号检测信号检测(jin c)系统系统 图象显示系统图象显示系统 电源系统和真空系统电源系统和真空系统 电子光学系统：电子光学系统：初级束要求：束斑尽可能小初级束要求：束斑尽可能小 电流尽可能大电流尽可能大 取折衷取折衷 (一一)电子源电子源 (二二)电子枪电子枪 第28页/共38页第二十九页，共38页。(一一)电子源电子源1热发射源热发射源 当温度超过一定值时，有较多的电子具有克服表面势垒当温度超过一定值时，有较多的电子具有克服表面势垒 (功函数功函数)的动能而逃离
14、金属射出。的动能而逃离金属射出。J=AT2exp(-/kT)J：阴极发射电流：阴极发射电流 T：阴极温度：阴极温度 A：与材料有关的常数：与材料有关的常数对材料要求：功函数小，熔点高对材料要求：功函数小，熔点高 功函数功函数 工作工作(gngzu)温温 度度 特点特点 W阴极阴极 4.5eV 2500-2800 稳定、制备简单稳定、制备简单 BaB6 2.7eV 1400-2000 化学性质活泼化学性质活泼 要求要求104Pa以上真空以上真空 特殊夹持材料特殊夹持材料第29页/共38页第三十页，共38页。2场发射源场发射源 冷场致发射冷场致发射 当尖处电场强度当尖处电场强度 10 105 5
15、V/m V/m 时时 表面势垒宽度表面势垒宽度 10nm 10nm 量子隧道效应成为发射主导机制量子隧道效应成为发射主导机制 在室温下，大多数电子的能量还不足以克服已在室温下，大多数电子的能量还不足以克服已 降低了的势垒，但仍有一部分电子能穿过势垒而降低了的势垒，但仍有一部分电子能穿过势垒而 发射。发射。热场致发射热场致发射第30页/共38页第三十一页，共38页。(二二)电子枪电子枪 1三级电子枪三级电子枪 F：灯丝：灯丝 负高压负高压 发射电子发射电子 A：阳极：阳极 接地接地 F、A间形成对电子的加速场间形成对电子的加速场 W：栅极：栅极 负偏压负偏压(相对于阴极相对于阴极)让电子只通过栅
16、孔让电子只通过栅孔 聚焦透镜作用：在阳极附近形成交叉点聚焦透镜作用：在阳极附近形成交叉点第31页/共38页第三十二页，共38页。2场发射枪场发射枪 发射出来的电子在阴极尖后形成交叉虚象，发射出来的电子在阴极尖后形成交叉虚象，直径直径100。高电流发射密度高电流发射密度+小交叉点小交叉点 比比W阴极高阴极高1000 倍的亮度倍的亮度 减小束斑减小束斑 提高仪器分辨率提高仪器分辨率第32页/共38页第三十三页，共38页。W针尖针尖(zhn jin)的制备的制备第33页/共38页第三十四页，共38页。使用时，直接使用时，直接(zhji)删除删除本页！本页！精品课件，你值得精品课件，你值得(zh d)拥有！拥有！精品课件，你值得精品课件，你值得(zh d)拥有！拥有！第34页/共38页第三十五页，共38页。使用时，直接使用时，直接(zhji)删删除本页！除本页！精品课件，你值得精品课件，你值得(zh d)拥有！拥有！精品精品(jn pn)课件，你值课件，你值得拥有！得拥有！第35页/共38页第三十六页，共38页。使用时，直接使用时，直接(zhji)删除删除本页！本页！精品课件，你值得精品课件，你值得(zh d)拥有！拥有！精品精品(jn pn)课件，你值课件，你值得拥有！得拥有！第36页/共38页第三十七页，共38页。六、小结六、小结(xioji)第37页/共38页第三十八页，共38页。