扫描电镜及透射电镜.pdf

材料研究方法-电镜应用

随着科学技术的发展进步，人们不断需要从更高的微观层次观

察、认识周围的物质世界。细胞、微生物等微米尺度的物体直接用肉

眼观察不到，显微镜的发明解决了这个问题。目前，纳米科技成为研

究热点，集成电路工艺加工的特征尺度进人深亚微米，所有这些更加

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微小的物体光学显微镜也观察不到，必须使用电子显微镜。电子

显微镜可分为扫描电子显微镜简称扫描电镜(SEM)和透射电子显微

镜简称透射电镜(TEM)两大类。

1.扫描电镜

扫描电镜用电子束在样品表面扫描，同时，阴极射线管内的电子

束与样品表面的电子束同步扫描，将电子束在样品上激发的各种信号

用探测器接收，并用它来调制显像管中扫描电子束的强度，在阴极射

线管的屏幕上就得到了相应衬度的扫描电子显微像。电子束在样品表

面扫描，与样品发生各种不同的相互作用，产生不同信号，获得的相

应的显微像的意义也不一样。最主要的有以下几种。

1.1二次电子

扫描电镜最基本，最有代表意义，也是分析检测用得最多的就是

它的二次电子(SE)衬度像。二次电子是样品中原子的核外电子在人射

电子的激发下离开该原子而形成的，它的能量比较小(一般小于

50ev)，因而在样品中的平均自由程也小，只有在近表面(约十纳米量

级)，二次电子才能逸出表面被接收器接收并用于成像。电子束与样

品相互作用涉及的范围成“梨”形。在近表面区域，人射电子与样品

的相互作用才刚刚开始，束斑直径还来不及扩展，与原人射电子束直

径比，变化还不大，相互作用发射二次电子的范围小，有利于得到比

较高的分辨率。目前，商品扫描电镜的分辨率已经达到一纳米。加上

扫描电镜的的景深大，因而可以获得高倍率的、立体感强的、直观的

显微图像。这是扫描电镜获得广泛应用的最主要原因。射二次电子的

范围小，有利于得到比较高的分辨率。目前，商品扫描电镜的分辨率

已经达到一纳米。加上扫描电镜的的景深大，因而可以获得高倍率的、

立体感强的、直观的显微图像。这是扫描电镜获得广泛应用的最主要

原因。

二次电子的产额与样品表面的形状有关，它对应的像类同于人们

日常对物体形貌的观察，所以常常叫做形貌衬度像。二次电子的产额

比较高，有利于提高成像的信噪比。二次电子信号的上述特点决定了

它对应的显微像的种种优越特性，使它得到广泛的应用。另一方面，

二次电子信号的上述种种特点，也给分析检测带来一些问题:二次电

子形貌衬度不同于普通的光学成像的衬度。有时，光学显微镜看得到

的，日常经验认为可能看得到的，在二次电子形貌衬度像上却看不到。

以集成电路芯片的观察为例。芯片表面的钝化层是光学透明的，透过

钝化层，金属连线与介质层的颜色及对光线的反射能力差别都很大，

所以用光学显微镜观察时，它们都能一一清晰成像。二次电子衬度则

不同，它的信息深度小，透不了钝化层，只在浅表面，获得的像只反

映钝化层表面的高低起伏。即使通过刻蚀，去除了钝化层再观察，二

次电子衬度反映的也不是颜色及光反射能力的差别，而只是高低不平

的形貌差别。如果进一步要分析检测芯片的剖面多层结构，通过直接

观察研磨、抛光获得的剖面样品，看到的主要是剖面加工损伤形貌，

真正的多层结构看不到，只有通过选择性腐蚀，将多层结构转化为形

貌差别才能实现所需的分析检测。研磨、抛光获得的剖面样品，看到

的主要是剖面加工损伤形貌，真正的多层结构看不到，只有通过选择

性腐蚀，将多层结构转化为形貌差别才能实现所需的分析检测。

1.2特征X射线

当入射电子与样品相互作用时，把样品中原子的内层电子激发出

来，变成二次电子，原子中的外层电子有比较高的能量，外层电子通

过跃迁填补内层电子的空缺，把多余的能量用电磁波的形式发射出

来，形成带有原子特征信息的特征X射线。扫描电镜中，在形貌观

察的同时，利用特征X射线可以方便地进行微区成分分析。具体分

析方法有两种。常用的是能量分散谱简称能谱(EDS)，另一种是波长

分散谱简称波谱(WDS)。

能谱指X射线强度为纵坐标，能量为横坐标的谱图。谱峰峰位

通过特征能量对应样品中成分的种类，谱峰峰高通过强度汁数对应成

分含量。做能谱分析时，人射电