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1、掃描式電子顯微鏡掃描式電子顯微鏡S Scanning canning E Electron lectron M Microscope,icroscope,SEMSEM 組 員：蔡坤助 賴瑞麒 陳彥孝 指導教授：吳坤憲 2006/4/19簡報大綱簡報大綱4.4.掃描式電子顯微鏡的成像掃描式電子顯微鏡的成像3.3.掃描式電子顯微鏡運作原理掃描式電子顯微鏡運作原理5.5.掃描式電子顯微鏡樣品之製作掃描式電子顯微鏡樣品之製作7.7.掃描式電子顯微鏡的應用範圍掃描式電子顯微鏡的應用範圍2.2.掃描式電子顯微鏡儀器設備掃描式電子顯微鏡儀器設備1.1.掃描式電子顯微鏡前言掃描式電子顯微鏡前言/發展沿革發展沿
2、革8.8.結論結論6.6.掃描式電子顯微鏡的優缺點掃描式電子顯微鏡的優缺點前言前言這樣的畫面真令人驚異：一隻微不足道的小蟲子，在放大一萬倍之後，化身為科幻片裡巨大的異形，有 著駭人的利爪，張著巨顎 ，隨時準備蹂躪世界。如 此引人入勝的效果，全都 是掃描式電子顯微（scanning electron microscope,SEM）的傑作。奈米世界引人入勝的效果，全是掃描式電子顯微鏡的傑作！奈米世界引人入勝的效果，全是掃描式電子顯微鏡的傑作！SEMSEM發展沿革發展沿革 1935年德國人Max Knoll首先提出SEM的理論 與構想(解像力100微米)。1938年第一部掃描電子顯微鏡由Von Ar
3、denne 發展成功。1946年布拉契（Brachet）提出SEM解像力應 可達到100的原理。1953年劍橋大學學生麥木倫（Dennis McMullan）設計出今日所使用的SEM雛型。1960年T.Evenhart和R.Thornley兩人發明二次電 子偵測器來偵測電子信號，因而大幅提升了 掃描影像性質。1965年英國Cambridge公司首先推行出商品化的 SEM問世(解像力250)。掃描式電子顯微鏡掃描式電子顯微鏡(SEM)(SEM)儀器設備儀器設備1 1電子槍電子槍電磁透鏡電磁透鏡掃描線圈掃描線圈偵測器偵測器樣品室樣品室真空系統真空系統產生電子來源的聚成極小電子探束的改變電子束偏折方
4、向的接收所產生訊號的一、主體二、顯示影像的顯像系統儀器結構儀器結構-電子槍電子槍2 24.4.結論結論熱離子發射方式 (Thermionic Emission):電子槍有鎢(W)燈絲及六硼化鑭(LaB6)燈絲兩種。以鎢絲線圈為電子槍之陰極，當外加負電壓時，燈絲因溫度上升而放出熱電子。在燈絲的周圍是柵極，加適當負偏壓，其功能主要可以聚焦成如右圖d0大小的交叉點，而所產生的熱電子，因而被陽極所吸引。部份為陽極所加速的熱電子會由陽極底端的開孔射出，此即 為電子束來源。電子槍包括燈絲(陰極，作為電子源)和加速電子用的正極(加速至3-40KeV)。儀器結構儀器結構-電子槍電子槍3 3第第1 1種種第第2
5、 2種種第第3 3種種冷場發射式冷場發射式 (Cold Field(Cold Field Emission,CFE)Emission,CFE)熱場發射式熱場發射式(Thermal Field(Thermal Field Emission,TF)Emission,TF)蕭基發射式蕭基發射式(SchottkySchottky Emission,SE)Emission,SE)場發射方式(Field Emission)：當真空中的金屬表面受到108V/cm大小的電子加速電場時，會有可觀數量的電子發射出來，此過程叫做場發射。場發射電子槍可細分成下列三種：回首頁儀器結構儀器結構-電磁透鏡電磁透鏡利用電磁鐵
6、產生磁場，電子受磁場作用，其行進路線為螺旋狀。進而控制電子束的路徑，使之聚成極小的電子探束後，照射於試片表面上。回首頁4 4 儀器結構儀器結構-掃描線圈掃描線圈 這當中被電磁透鏡聚集的電子束，經由掃描線圈來偏折電子束，使其規則在試片表面做來回移動掃描，掃描的範圍與速度均可控制，電子束在試片表面的掃描動作，與顯示器的掃描動作同步。掃描影像的放大倍率，等於顯示器螢幕的邊長除以試片掃描區域的邊長，所以可以藉著改變試片掃描區域的大小，來控制SEM影像的放大倍率。回首頁5 5儀器結構儀器結構-偵測器偵測器偵測器偵測器二次電子偵測器X-光偵測器背向散射電子偵測器6 6儀器結構儀器結構-二次電子偵測器二次電
7、子偵測器 二次電子偵測器:為掃描式電子顯微鏡主要成像之裝置，主要構造為一閃爍器(Scintillator)，可將撞擊其上的電子所產生的光子經由光電管(Photomultiplier)增強放大，而在陰極射線管(CRT)上呈現二次電子影像(Secondary Electron Image，SEI)。4.4.結論結論B:背向散射電子、SE:二次電子、F:法拉第籠、S:閃爍數器、LG:光導管、PM:光放大器回首頁7 7儀器結構儀器結構-背向散射電子偵測器背向散射電子偵測器背向散射電子偵測器:與二次電子偵測器類似，但由於背向散射電子之行徑呈放射狀，故其偵測器需在其反射途徑上接收信號，由於該電子由樣品中較
8、深層部位釋出，故其影像較二次電子影像更具明顯之立體感。回首頁8 8儀器結構儀器結構 -X-X光偵測器光偵測器 X-光偵測器(X-ray Detector):X-光微量分析光譜儀有兩種，一為能量光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS),一為波長光譜儀(Wavelenth Dispersive Spectrometer,WDS)。電顯所裝置均以能量光譜儀(EDS)為主，利用電顯所產生之電子束，照射於試樣以產生X-光子，再以偵測器收集訊號，並配合分析X光之光譜儀，可分析試樣內之元素。回首頁回首頁9 9二次電子(Secondary Electrons,SE)：電子
9、束進入試件後，激發產生的電子，由於是低能量電子(50eV)，所以只有在距離試片表面約50500深度範圍內產生的二次電子，才有機會逃離試片表面而被偵測到。由於二次電子產生的數量，會受到試片表面起伏狀況影響，所以二次電子影像可觀察出試片表面之形貌特徵。二次電子二次電子(Secondary Electrons)(Secondary Electrons)回首頁1010背向散射電子背向散射電子(Backscattered Electrons)(Backscattered Electrons)背向散射電子(Backscattered Electrons,BE)又稱反射電子：入射電子與試片子發生彈性碰撞，而
10、逃離試片表面的高能量電子，其動能等於或略小於入射電子的能量。由於背向散射電子產生於距試片表面約5000的深度範圍內，故其影像較二次電子影像更具明顯之立體感。回首頁1111X X光光(X-ray)(X-ray)X光(X-ray):當入射電子將原子核的內層電子擊出，此時外層電子會躍遷跳入內層軌道，當一個電子由能量不安定的外層跳入能量安定的內層，勢必產生能量差，而此能量差即以X光的形式放出。回首頁1212影像的呈現影像的呈現電腦將表面掃描所產生的各種 訊號，逐點轉換成陰極射線管 中對應的影像。標本表面的高 點在螢幕上呈現白色，低點則 呈深色。如果表面上的點朝向偵測器傾斜，則 看起來稍亮；如果傾斜方向
11、為遠離偵測器，看 起來較為灰暗（圖為紅血球）。1313掃描式電子顯微鏡掃描式電子顯微鏡(SEM)(SEM)運作原理運作原理利用電子源發射出電子後，經2至3個電磁透鏡匯聚成nm之電子束，再經由掃描線圈，使電子束於試片室內對試件表面作掃描，再透過物鏡聚焦。當電子束作用於試件表面時會激發出電子訊號，由偵測器偵測其訊號後經數位放大，在螢幕上顯像。1414能量分散式光譜儀能量分散式光譜儀(EDS)(EDS)EDS EDS 硬體架構圖硬體架構圖1515能量分散式光譜儀能量分散式光譜儀(EDS)(EDS)EDS是電子顯微鏡中使用最為實用、普遍的元素分析儀，目前在功能上除了基本的定性、定量、線掃描及圖映外，還
12、有試片漂移補償系統，相分析，光譜模擬，光譜重建等新功能，而許多自動化分析功能將讓許多費時工作變得簡單如自動特徵分析，槍彈殘留分析，鋼鐵介在物分析。1616波長分散式光譜儀波長分散式光譜儀(WDS)(WDS)WDS WDS 硬體架構圖硬體架構圖1717波長分散式光譜儀波長分散式光譜儀(WDS)(WDS)相較於其它電子顯微鏡上的元素分析儀器，WDS具有其它儀器所不能取代的高解析度與高偵測極限特性，為了便利研究單位使用，Oxford推出EDS與WDS結合系統，可同一時間內同時輕昜取得WDS及EDS訊號，配合人性化的INCA電腦操作介面，讓初學者也能容昜上手。隨著選擇晶體的不同，在輕元素分析上最低可到
13、Be元素。1818EDSEDS與與WDSWDS之之比較比較X-ray的收集效率低,其收集角度較小(Solid Angle 大約 0.001)較高,其收集角度較大(Solid Angle 大約 0.005到0.1)電子束電流需求大小解析力較佳,可分辨能量510eV較差,約133eV偵測極限0.01%0.10.5%分析速度慢快定量分析較簡單及精確,背景值較小較複雜,背景值大,誤差較大EDSWDS1919電子束與試片的作用原理電子束與試片的作用原理 電子束和試片的作用分為兩類，一種是彈性碰撞，幾乎沒有能量損失。另一種為非彈性碰撞，入射的電子束會將部分的能量傳遞給試片，即產生二次電子、背向散射電子、歐
14、傑電子、與X光等等。其作用如下圖所示。2020掃描式電子顯微鏡的成像掃描式電子顯微鏡的成像1.掃描:電子束會沿著試片上的一條線掃描，並同時對應到螢幕的一條水平線，他們之間是一對一的對應關係，電子光束掃瞄的速度非常快，所以螢光幕上由點成線，由線成面，而肉眼由於視覺暫留的作用，所看到的卻是一幅完整的畫面。2121掃描式電子顯微鏡的成像掃描式電子顯微鏡的成像2.放大:電子顯微鏡的放大原理和一般光學不同，電子顯微鏡是縮短掃描長度來達到放大效果，例如螢幕掃瞄線的長度固定為10公分，當放大的倍率愈高時，僅試片上的掃描長度變小而已。放大倍率=L/l 3.影像元素:電子束的大小必須小於影像元素，其影像才會清晰
15、，例如觀察的顆粒大小直徑為100奈米，則電子束必須小於100奈米，愈小愈清晰，相對如果電子束大小超過100奈米，則影像必定模糊。2222加速電壓對試片之影響加速電壓對試片之影響ACCV=5 kVACCV=25 kV(1)高加速電壓對試片景深有較明顯之顯像(2)低加速電壓對試片表面之凹凸起伏較明顯2323電子束電流對試片之影響電子束電流對試片之影響(1)高電子束電流由於電子束密度高，所產生二次電子數 目較多，影像品質較細緻。(2)低電子束電流由於電子束密度低，所產生二次電子數 目較少，影像品質較粗糙。10pA1000pA2424如何提高解析度如何提高解析度vSEM藉由電磁透鏡來偏折電子束，進而產
16、生聚焦或放大的效果，而聚束鏡(condenser lens)用來把電子槍射出來的電子束(直徑約為5-10 m)縮小10-10000倍，但卻無可避免的會大幅減弱電子束的電流。v我們定義工作距離是由物鏡底部到試片表面的距離，一般值常在5-40mm間，我們可經由增加聚束鏡強度或減少工作距離來縮小電子束大小，以提高解析度。2525SEMSEM樣品之製作樣品之製作v標本含水份 需要經過固定、脫水等步驟，且為了避免在去除水份時發生表面微細構造的變形，乾燥成為掃描式電子顯微鏡在樣品處理技術中極為重要的過程。v標本無法導電傳熱 (1)必須在其表面上覆蓋一層金屬薄膜，以利觀察，此步驟稱 為覆膜。否則電子束在掃描
17、的過程中，標本將因高溫而遭 到破壞。(2)若樣品本身為乾燥堅硬之物體如頭髮、牙齒、指甲等，則 可不經過脫水或乾燥等過程，直接覆膜後即可置於SEM中 觀察。v非生物材料若本身已具導電性質，則不需經過任何處理即可觀察。2626常用顯微技術比較常用顯微技術比較光學顯微術(OM)掃描電子顯微術(SEM)穿透電子顯微術(TEM)掃描探針顯微術(SPM)橫向解析度300奈米1奈米原子級原子級縱向解析度20奈米10奈米無原子級成像範圍1毫米1毫米0.1毫米0.1毫米成像環境無限制真空真空無限制樣品準備無鍍導電膜手續煩複無成份分析有有有無2727SEMSEM優點優點J具有較光學顯微鏡佳的解析度。J具有較大的景
18、深，利於觀察樣品表面型態及尺度。J能提供具實體感的立體影像。J標本處理比其它顯微鏡簡單。2828SEMSEM缺點缺點LSEM是在樣品表面掃描，信號來自樣品表面，不能獲得樣品內比較深的部位的情況。L因不包含結構信號，即不能區分單晶、多晶、非晶，不能區分位錯、層錯、晶界。LEDS的分辨率為微米级，也不適合厚度在微米以下薄膜的分析。2929SEMSEM的應用範圍的應用範圍v生物:種子、花粉、細菌v醫學:血球、病毒v動物:大腸、絨毛、細胞、纖維v材料:陶磁、高分子、粉末、環氧脂v化學、物理、地質、冶金、礦物、污泥(桿菌)、機械、電機及導電性樣品如半導體(IC(IC、線寬量測、斷面、結構 觀察)電子材料
19、等。3030SEMSEM的應用範圍的應用範圍彈道分析 同把槍枝其在子彈上的擊發點，就算是擊發過數千次，也會相同產生相同的彈道刮痕。3131SEMSEM的應用範圍的應用範圍車輛事故 車輛事故中，通常會因為擦撞而殘留肇事車的烤漆殘渣在現場，漆渣縱斷面觀察做EDS元素Mapping。3232SEMSEM的應用範圍的應用範圍GE791 飛機飛機事故客艙窗戶斷面，由SEM觀察，明顯可見其凹窩組織的痕跡，破壞模式為過負荷斷裂。3333SEMSEM的應用範圍的應用範圍JumpingSpider3434SEMSEM的應用範圍的應用範圍AspergillusNiger曲黴3535SEMSEM的應用範圍的應用範圍
20、Jumping SpiderDeer Tick 鹿鹿蝨蝨3636SEMSEM的應用範圍的應用範圍68040 Computer Chip486 Microprocessor Chip3737SEMSEM的應用範圍的應用範圍Plygonum Pollen Grain 花粉粒花粉粒Pollen Mix3838SEMSEM的應用範圍的應用範圍Staphylococcus epidermidis葡萄球菌葡萄球菌表皮表皮Staphylococcus aureus 3939結論結論4.4.結論結論 SEM是研究生物結構的一項新工具。SEM在生物學方面的用途與光學顯微鏡和TEM比起來，還是比較特殊的。只有與其
21、他顯微鏡合併使用時，SEM才能充分發揮潛能，此外電子顯微鏡也無法觀察標本天然顏色，所以要完整的觀察一樣東西還有賴其他顯微鏡與週邊附屬儀器的配合，才能完整的分析一樣東西。1 14.4.結論結論電子顯微鏡到目前還不能像光學顯微鏡普遍，主要是體積太大，價錢又貴。如果能夠生產體積小而售價便宜的產品，將來我們可以看到每個實驗室裏都有電子顯微鏡，而不用跑到特定地方去看了。2 24040以下是補充資料以下是補充資料以下是補充資料以下是補充資料奈米粒徑分析技術比較奈米粒徑分析技術比較XRDSEMTEMDLSBETAFM測量結果X光繞射圖譜二次散射電子直射電子散射光波氣體壓力變化電壓變化實驗直接結果晶粒尺寸粉體
22、外觀分體外觀粉體分佈粉體表面積薄膜外觀真實粒徑精確度參考用(無法顯示粒子聚集情況)真實真實參考用(實驗結果受許多參數影響)參考用(假設形狀再經由公式換算)真實粒徑分佈數據無法得知區域性區域性整體性無法得知區域性景深景深v何謂景深？簡單的說就是當我們對焦完成後，景物在底片上呈現完全清楚的距離範圍，也就是焦點前後清楚的範圍。因此景深是一段距離，在這段距離內的物體都應該是清楚的。景深景深vSEM 的為光學顯微鏡的 300 倍，景深的關係是如下：v假設 CRT 光點大小為 0.1 mm 則v要增加景深須減少電子束的發散角a，要減小a可以使用較小的物鏡孔徑或增加工作距離來得到，也就是說最佳景深和最佳解析度無法同時兼得。