掃描電子顯微鏡的制造是依據電子與物質的相互作用。當一束高能的入射電子轟擊物質表面時,被激發的區域將產生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續譜X射線、背散射電子、透射電子,以及在可見、紫外、紅外光區域產生的電磁輻射。同時,也可產生電子-空穴對、晶格振動(聲子)、電子振蕩(等離子體)。原則上講,利用電子和物質的相互作用,可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質的信息,如形貌、組成、晶體結構、電子結構和內部電場或磁場等等。掃描電子顯微鏡正是根據上述不同信息產生的機理,采用不同的信息檢測器,使選擇檢測得以實現。如對二次電子、背散射電子的采集,可得到有關物質微觀形貌的信息;對X射線的采集,可得到物質化學成分的信息。

透射電鏡

根據德布羅意(De Broglie,20世紀法國科學家)提出的運動的微觀粒子具有波粒二象性的觀點,電子束流也具有波動性,而且電子波的波長比可見光要短得多(例如200千伏加速電壓下電子波波長為0.00251納米),顯然,如果用電子束作光源制成的顯微鏡將具有比光學顯微鏡高得多的分辨能力。更重要的是,由于電子在電場中會受到電場力運動,以及運動的電子在磁場中會受到洛倫茲力的作用而發生偏轉,這使得使用科學手段使電子束聚焦和成像成為可能。

二、結構

掃描電鏡  

1.鏡筒  

鏡筒包括電子槍、聚光鏡、物鏡及掃描系統。其作用是產生很細的電子束(直徑約幾個nm),并且使該電子束在樣品表面掃描,同時激發出各種信號。

2.電子信號的收集與處理系統  

在樣品室中,掃描電子束與樣品發生相互作用后產生多種信號,其中包括二次電子、背散射電子、X射線、吸收電子、俄歇(Auger)電子等。在上述信號中,最主要的是二次電子,它是被入射電子所激發出來的樣品原子中的外層電子,產生于樣品表面以下幾nm至幾十nm的區域,其產生率主要取決于樣品的形貌和成分。通常所說的掃描電鏡像指的就是二次電子像,它是研究樣品表面形貌的最有用的電子信號。檢測二次電子的檢測器的探頭是一個閃爍體,當電子打到閃爍體上時,就在其中產生光,這種光被光導管傳送到光電倍增管,光信號即被轉變成電流信號,再經前置放大及視頻放大,電流信號轉變成電壓信號,最后被送到顯像管的柵極。

3.電子信號的顯示與記錄系統  

掃描電鏡的圖象顯示在陰極射線管(顯像管)上,并由照相機拍照記錄。顯像管有兩個,一個用來觀察,分辨率較低,是長余輝的管子;另一個用來照相記錄,分辨率較高,是短余輝的管子

4.真空系統及電源系統  

掃描電鏡的真空系統由機械泵與油擴散泵組成,其作用是使鏡筒內達到10的真空度。

電源系統供給各部件所需的特定的電源。

透射電鏡

1.電子光學部分 

整個電子光學部分完全置于鏡筒之內,自上而下順序排列著電子槍、聚光鏡、樣品室、 物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏、照相機構等裝置。根據這些裝置的功能不同又可將電子光學部分分為照明系統、樣品室、成像系統及圖像觀察和記錄系統。

(1)照明系統 

照明系統由電子槍、聚光鏡和相應的平移對中及傾斜調節裝置組成。它的作用是為成像系統提供一束亮度高、相干性好的照明光源。為滿足暗場成像的需要照明電子束可在2-3度范圍內傾斜。 

①電子槍

它由陰極、柵極和陽極構成。在真空中通電加熱后使從陰極發射的電子獲得較高的動能形成定向高速電子流。 

②聚光鏡

聚光鏡的作用是會聚從電子槍發射出來的電子束,控制照明孔徑角、電流密度和光斑尺寸。

(2)樣品室 

樣品室中有樣品桿、樣品杯及樣品臺。 

(3)成像系統

成像系統一般由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。物鏡的分辨本領決定了電鏡的分辨本領,中間鏡和投影鏡的作用是將來自物鏡的圖像進一步放大。

(4)圖像觀察與記錄系統  

該系統由熒光屏、照相機、數據顯示等組成。 

2.真空系統 

真空系統由機械泵、油擴散泵、換向閥門、真空測量儀奉及真空管道組成。它的作用是排除鏡筒內氣體,使鏡筒真空度至少要在 托以上。如果真空度低的話,電子與氣體分子之間的碰撞引起散射而影響襯度,還會使電子柵極與陽極間高壓電離導致極間放電,殘余的氣體還會腐蝕燈絲,污染樣品。    

3.供電控制系統  

加速電壓和透鏡磁電流不穩定將會產生嚴重的色差及降低電鏡的分辨本領,所以加速電壓和透鏡電流的穩定度是衡量電鏡性能好壞的一個重要標準。 

透射電鏡的電路主要由高壓直流電源、透鏡勵磁電源、偏轉器線圈電源、電子槍燈絲加熱電源,以及真空系統控制電路、真空泵電源、照相驅動裝置及自動曝光電路等部分組成。另外,許多高性能的電鏡上還裝備有掃描附件、能譜議、電子能量損失譜等儀器 。  

三、功能

掃描電鏡

1、掃描電鏡追求固體物質高分辨的形貌,形態圖像(二次電子探測器SEI)-形貌分析(表面幾何形態,形狀,尺寸)

2、顯示化學成分的空間變化,基于化學成分的相鑒定---化學成分像分布,微區化學成分分析

1)用x射線能譜儀或波譜(EDS or WDS)采集特征X射線信號,生成與樣品形貌相對應的,元素面分布圖或者進行定點化學成分定性定量分析,相鑒定。 
    2)利用背散射電子(BSE)基于平均原子序數(一般和相對密度相關)反差,生成化學成分相的分布圖像;
    3)利用陰極熒光,基于某些痕量元素(如過渡金屬元素,稀土元素等)受電子束激發的光強反差,生成的痕量元素分布圖像。
    4)利用樣品電流,基于平均原子序數反差,生成的化學成分相的分布圖像,該圖像與背散射電子圖像亮暗相反。
    5)利用俄歇電子,對樣品物質表面1nm表層進行化學元素分布的定性定理分析。

3、在半導體器件(IC)研究中的特殊應用: 
    1)利用電子束感生電流EBIC進行成像,可以用來進行集成電路中pn結的定位和損傷研究 
   2)利用樣品電流成像,結果可顯示電路中金屬層的開、短路,因此電阻襯度像經常用來檢查金屬布線層、多晶連線層、金屬到硅的測試圖形和薄膜電阻的導電形式。
   3)利用二次電子電位反差像,反映了樣品表面的電位,從它上面可以看出樣品表面各處電位的高低及分布情況,特別是對于器件的隱開路或隱短路部位的確定尤為方便。

4、利用背散射電子衍射信號對樣品物質進行晶體結構(原子在晶體中的排列方式),晶體取向分布分析,基于晶體結構的相鑒定。

透射電鏡

早期的透射電子顯微鏡功能主要是觀察樣品形貌,后來發展到可以通過電子衍射原位分析樣品的晶體結構。具有能將形貌和晶體結構原位觀察的兩個功能是其它結構分析儀器(如光鏡和X射線衍射儀)所不具備的。

透射電子顯微鏡增加附件后,其功能可以從原來的樣品內部組織形貌觀察(TEM)、原位的電子衍射分析(Diff),發展到還可以進行原位的成分分析(能譜儀EDS、特征能量損失譜EELS)、表面形貌觀察(二次電子像SED、背散射電子像BED)和透射掃描像(STEM)。

結合樣品臺設計成高溫臺、低溫臺和拉伸臺,透射電子顯微鏡還可以在加熱狀態、低溫冷卻狀態和拉伸狀態下觀察樣品動態的組織結構、成分的變化,使得透射電子顯微鏡的功能進一步的拓寬。

透射電子顯微鏡功能的拓寬意味著一臺儀器在不更換樣品的情況下可以進行多種分析,尤其是可以針對同一微區位置進行形貌、晶體結構、成分(價態)的全面分析。

四、襯度原理

掃描電鏡

1、質厚襯度 

質厚襯度是非晶體樣品襯度的主要來源。樣品不同微區存在原子序數和厚度的差異形成的。來源于電子的非相干散射,Z越高,產生散射的比例越大;d增加,將發生更多的散射。不同微區Z和d的差異,使進入物鏡光闌并聚焦于像平面的散射電子I有差別,形成像的襯度。Z較高、樣品較厚區域在屏上顯示為較暗區域。圖像上的襯度變化反映了樣品相應區域的原子序數和厚度的變化。質厚襯度受物鏡光闌孔徑和加速V的影響。選擇大孔徑(較多散射電子參與成像),圖像亮度增加,散射與非散射區域間的襯度降低。選擇低電壓(較多電子散射到光闌孔徑外),襯度提高,亮度降低。支持膜法和萃取復型,質厚襯度圖像比較直觀。 

2、衍射襯度 

衍射襯度是來源于晶體試樣各部分滿足布拉格反射條件不同和結構振幅的差異。例如電壓一定時,入射束強度是一定的,假為L,衍射束強度為ID。在忽略吸收的情況下,透射束為L-ID。這樣如果只讓透射束通過物鏡光闌成像,那么就會由于樣品中各晶面或強衍射或弱衍射或不衍射,導致透射束相應強度的變化,從而在熒光屏上形成襯度。形成襯度的過程中,起決定作用的是晶體對電子束的衍射。

  (2)透射電鏡

晶體結構可以通過高分辨率透射電子顯微鏡來研究,這種技術也被稱為相襯顯微技術。當使用場發射電子源的時候,觀測圖像通過由電子與樣品相互作用導致的電子波相位的差別重構得出。然而由于圖像還依賴于射在屏幕上的電子的數量,對相襯圖像的識別更加復雜。

非晶樣品透射電子顯微圖象襯度是由于樣品不同微區間存在的原子序數或厚度的差異而形成的,即質量厚度襯度(質量厚度定義為試樣下表面單位面積以上柱體中的質量),也叫質厚襯度。質厚襯度適用于對復型膜試樣電子圖象作出解釋。質量厚度數值較大的,對電子的吸收散射作用強,使電子散射到光欄以外的要多,對應較安的襯度。質量厚度數值小的,對應較亮的襯度。

五、對樣品要求

掃描電鏡

SEM制樣對樣品的厚度沒有特殊要求,可以采用切、磨、拋光或解理等方法將特定剖面呈現出來,從而轉化為可以觀察的表面。這樣的表面如果直接觀察,看到的只有表面加工損傷,一般要利用不同的化學溶液進行擇優腐蝕,才能產生有利于觀察的襯度。不過腐蝕會使樣品失去原結構的部分真實情況,同時引入部分人為的干擾,對樣品中厚度極小的薄層來說,造成的誤差更大。  

透射電鏡

由于TEM得到的顯微圖像的質量強烈依賴于樣品的厚度,因此樣品觀測部位要非常的薄,例如存儲器器件的TEM樣品一般只能有10～100nm的厚度,這給TEM制樣帶來很大的難度。初學者在制樣過程中用手工或者機械控制磨制的成品率不高,一旦過度削磨則使該樣品報廢。TEM制樣的另一個問題是觀測點的定位,一般的制樣只能獲得10mm量級的薄的觀測范圍,這在需要精確定位分析的時候,目標往往落在觀測范圍之外。目前比較理想的解決方法是通過聚焦離子束刻蝕(FIB)來進行精細加工。