二、SEM工作原理,电镜和光镜的区别
来源:电子制造资讯站 发布时间:2023-03-13 分享至微信

SEM工作原理,

电镜和光镜的区别




前言

光学显微镜(以下简称光镜)分辨率有限,限制了人们对微观世界的探索。用电子替代光子,分辨率更高的电子显微镜应运而生。电子和光子相同处很多,所以相同术语很多,但两者的不同造成电镜和光镜不同的结构、不同的适用范围。本专栏将以世人接触更多的光和光镜入手,希望通过类比的方法,使读者初步了解电子和光子,扫描电镜的工作原理,电镜和光镜的异同。

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光子与电子

电子和光子在微观上都是极微小的物质,都能用于成像。生活中的图像来自于光,手机相册的图片是光带来的,而电子显微镜的图像则是借助于电子。首先我们比较这两者的差别,详见表1。

表 1 光子和电子的区别与应用

以上知识涉及较多物理和光学内容,为了避免烧脑,可以把光子和电子的差别简介如下:电子有质量,加速后的电子,其动量和动能都远高于光子,波长又远小于光子;电子有电荷,所以要考虑电荷间的相互作用,比如电子与电子的相互作用,电子与原子中原子核、电子与核外电子的相互作用。因此,与光学成像相比,利用电子成像具有理论分辨率更高、可激发信号更多等优点;缺点则是微观上可能对样品损伤更大,电镜结构也会更为复杂。

电子与光子的这些区别,使得电子显微镜在原理、结构与用途等方面均与光学显微镜存在较大差异。光学显微镜使用光学透镜来会聚光线,而电子显微镜则使用电场和磁场来加速/会聚电子束,所以我们要考虑电子在电场和磁场中的运动。与会聚光束的光学透镜对应,会聚电子束的静电极和电磁线圈也分别被称为静电透镜和电磁透镜(也简称为磁透镜)。同时,电子跟光子一样,具有波粒二象性:在有些情况下可被视为粒子,在考虑衍射时可被视作波。

下边简介一下扫描电镜是如何操纵电子来实现扫描成像的。

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操控电子—扫描电镜是如何工作的

如前所述,用电子来成像有许多优点,但是技术实现上需要可行性。

首先是游离电子的产生。电子一般被束缚在原子或晶体中,要形成电子束需要将电子激发出来。常用的电子发射方式有三种:热发射、场发射和Schottky发射(也被称为热场发射),详见图2。不同的电子源形状和特性各不相同,它们在根本上影响了电镜的性能(后续再述及),所以电镜也被分成了热发射的扫描电镜(比如钨灯丝SEM),使用场发射的冷场发射电镜和使用热场发射的热场发射电镜,后两者也被统称为场发射电镜。

图 1 不同电子源的形状

其次电子源发射出的电子需要被加速才能达到所需的速度和动能。这也易于实现:电子带负电荷,如果电极带正电,那么电子就会被加速。所以电子源下方会设置加速极(阳极),使电子束获得设定的动能。比如加速极设置为15 kV,那么电子束被加速后的动能则为15 keV。

再次,电子束也能被会聚,就如光镜会聚光线那样(图2)。中学物理告诉我们,电子束连透过薄纸片都困难,更何况光学透镜镜片。解决起来并不麻烦,静电场可以偏转电子束,但是通常使用电磁场来实现这一点:绕制的电磁线圈和软磁材料的结合制成的电磁透镜,它产生一种特殊分布的磁场,可以偏转电子但不加速它。见图3,运动电荷在磁场中的运动轨迹依据洛伦兹公式:在电磁透镜磁场的作用下,电子不仅沿光轴向下运行还逐渐缩小了旋转半径,这样就实现了电子束的会聚。

图 2 光镜偏折光线并实现会聚


图 3 电磁透镜偏折电子束并实现会聚

比较图2和图3,如果不考虑电子在磁场中的旋转,可以把它等效成光子在光镜中的会聚,焦距和焦点的概念也与光学定义一致。这也是为什么很多电镜示意图中,直接使用光学表示法的原因。而且作为显微镜,电镜中的许多术语也借鉴至光学,殊无二致。

还需考虑电子束的偏转,偏转才能实现扫描的功能。静电场和电磁场都能偏转电子束。在实际电镜中,较常使用一种特殊的电磁线圈,也被称为扫描线圈。它被绕成鞍状,不像电磁透镜那样会聚电子束,只是偏转电子束。

还有许多考虑的技术问题,比如怎样控制电子束的电流大小、会聚角的大小,减少成像缺陷等,所以电镜也存在光阑,见图4所示。

图 4 光阑的实物和作用

以上说明,我们可以很好地操控电子束来制作扫描电镜。扫描电镜的工作原理大体如图5所示:电子源发射电子束,然后被加速极加速;加速后的电子被聚光镜和光阑系统调节,然后被物镜最终会聚到样品表面;在最终会聚的同时,在扫描线圈的作用下,电子束按需偏转到不同的点,探测器把收集的信号同步显示在显示器上。

图 5 扫描电镜的工作原理

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光镜和电镜的异同与利弊

如前所述,电子和光子相同处很多,所以相同术语很多,两者的不同造成电镜和光镜不同的结构和用途。在工作中,我们也会用到光镜,且很多测试要先经过光镜再上电镜,再加上扫描电镜和透射电镜也经常被用到,所以从表征的目的考虑,了解光镜和电镜的异同和适用范围也非常有意义。图6简易比较了几种成像在图像上的差别,从光镜到扫描电镜再到透射电镜,总体上是放大倍数越来越大。

图 6 几种成像方式在图像上的差别

图7比较了扫描电镜和普通光镜在成像上的差别,前者成像倍数更大、清晰度更好且景深更大。

图 7 扫描电镜和光镜在成像上的实例

表2全面比较和总结了三者的异同、优势和劣势。

表 2 三种电镜的区别与应用

光镜的优缺点是因为光子带来的:我们的眼睛就善于用光去捕捉世间的微妙,可惜衍射极限限制了看清更小的物体。然后人们用电子束去突破光的衍射极限,能看得更小更清,但是电镜的优缺点也是电子带来的:电子需要在真空中运行,它具有更高的能量也具有更大的破坏性,对样品也提出了更高的要求,尤其是透射电镜,为了看得更轻样品需要更薄。

除了用途外,在分析测试中人们还关注几个指标,如分辨率、费用、功能等,图 8 的雷达图综合比较了三种显微镜。

图 8 三种显微镜的比较


综合表2和图8可见,在三种显微镜中,扫描电镜稍显中庸,却是六边形战士,它在各个科学领域的应用日益增多、销量日益突破也是必然。当然,没有完美的技术,只有技术的互补和择优选用。


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光镜和电镜处理实际问题

通过光镜可以看到器件上的许多麻点,但是麻点为何物?成分如何?如何形成?仅通过光镜是不行的,我们可以借助扫描电镜继续放大麻点,可知一些麻点为凸起,一些麻点为凹坑,一些点为有机残留。经FIB切割后,可剖析凹凸的成因,并找出解决策略。

图 9 美信检测案例

参考文献

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