掃描電鏡簡介
電子源發射的電子束經過電磁透鏡的電子光學通路聚焦,電子源的直徑被縮小到納米尺度的電子束斑,與顯示器掃描同步的電子光學鏡筒中的掃描線圈控制電子束,在樣品表面一定微小區域內,逐點逐行掃描。電子束與樣品相互作用,從樣品中發射的具有成像反差的信號,由一個適當的圖像探測器逐點收集,并將信號經過前置放大器和視頻放大器,用調制解調電路調制顯示器上相對應顯示像素的亮度,形成我們人類觀察習慣的,反映樣品二維形貌的圖像或者其他可以理解的反差機制圖像。由于圖像顯示器的像素尺寸遠遠大于電子束斑尺寸,(0.1mm/1nm=100,000倍)而且顯示器的像素尺寸小于等于人類肉眼通常的分辨率,這樣顯示器上的圖像相當于把樣品上相應的微小區域進行了放大。通過調節掃描線圈偏轉磁場,可以控制電子束在樣品表面掃描區域的大小,理論上掃描區域可以無限小,但可以顯示的圖像有效放大倍數的限度是掃描電鏡分辨率的限度。
模擬圖像掃描系統:樣品上每個像素模擬信號直接調制陰極射線管對應顯示像素的亮度,由于生成一幅高質量圖像一般需要數秒或者數十秒/幀,所以模擬電鏡使用慢余輝顯像管終端顯示一幅活圖像,為了便于在顯像管上觀察圖像,需要暗室,操作者可按照一定規程調整儀器參數,如圖像聚焦,移動樣品臺搜索感興趣區域,調節放大倍數,亮度對比度,消象散等從而獲得最佳的圖像質量。模擬圖像輸出采用高分辨照相管,用單反相機直接逐點記錄在膠片上,然后沖洗相片。自1985年以來,模擬圖像電鏡已經被數字電鏡取代。
數字圖像掃描系統:樣品上每個像素發出的成像信號,被圖像探測器探測器后,經過前置放大器,和視頻放大器放大,直接進行信號數字化,然后存儲在圖像采集卡的幀存器,形成數字圖像數據,圖像數據可被電鏡操作軟件讀取,操作者在圖形交互界面(GUI)上對圖像進行調整控制,并把調整好的數字圖像存儲在計算機中硬盤中。
模擬控制是控制信號不經過計算機軟件,直接由操作臺按鍵旋鈕等對執行機構進行控制,屬于人工手動控制,控制精度由操作者觀察儀表盤的變化決定.例如高壓電源,掃描線圈,探測器電源,電子槍控制,磁透鏡控制,樣品臺的運動控制等等。
數字控制是所有控制指令輸入到交互控制軟件,然后由計算機對執行機構發出精確的數字指令.絕大部掃描電鏡參數可實現了軟件自動調整,如自動聚焦,亮度對比度,自動消象散,自動電子槍發射飽和,自動電子槍對中,自動物鏡光闌合軸等。如果掃描電鏡所檢測的是同一類形狀和材質的樣品,那么程序自動控制可以實現不需要操作人員的任何干預,從而獲得最佳圖像質量,這在半導體芯片制造流水線早已普遍使用。由于實驗室掃描電鏡所面臨的樣品形狀材質種類較多,從成像機理上差別很大,程序控制往往不盡如人意,獲得好的圖像質量,往往需要操作者對電鏡參數進行調整干預,調整后的電鏡工作參數,可以保存成可執行控制文件,隨時供今后分析同一類型樣品時調用。
隨著電子技術和計算機技術的發展,不僅實現了數字化圖像,而且電鏡所有的功能都已經實現了數字化控制。現代掃描電鏡電器控制系統高度集成化, 掃描電鏡結構越來越緊湊,自動化功能越來越高,極大改善了人機操作環境。
掃描電子顯微鏡用途簡述
最基本的功能是對各種固體樣品表面進行高分辨形貌觀察。大景深圖像是掃描電鏡觀察的特色,例如:生物學,植物學,地質學,冶金學等等。觀察可以是一個樣品的表面,也可以是一個切開的面,或是一個斷面。冶金學家已興奮地直接看到原始的或磨損的表面。可以很方便地研究氧化物表面,晶體的生長或腐蝕的缺陷。它一方面可更直接地檢查紙,紡織品,自然的或制備過的木頭的細微結構,生物學家可用它研究小的易碎樣品的結構。例如:花粉顆粒,硅藻和昆蟲。另一方面,它可以拍出與樣品表面相應的立體感強的照片。
在掃描電鏡應用中,很多集中在半導體器件和集成電路方面,它可以很詳細地檢查器件工作時局部表面電壓變化的實際情況,這是因為這種變化會帶來象的反差的變化。焊接開裂和腐蝕表面的細節或相互關系可以很容易地觀察到。利用束感生電流,可以觀測半導體P—N結內部缺陷。
電子束與樣品作用區內,還發射與樣品物質其他性質有關信號。例如:與樣品化學成分分布相關的,背散射電子,特征X射線,俄歇電子,陰極熒光,樣品吸收電流等;與樣品晶體結構相關的,背散射電子衍射現象的探測;與半導體材料電學性能相關的,二次電子信號、電子束感生電流信號;在觀察薄樣品時產生的透射電子信號等。目前分別有商品化的探測器和裝置可安裝在掃描電鏡樣品分析室,用于探測和定性定量分析樣品物質的相關信息。
掃描電子顯微鏡對于固體材料的研究應用非常廣泛,沒有任何一種儀器能夠和其相提并論。對于固體材料的全面特征的描述,掃描電子顯微鏡是至關重要的。
具體功能用途歸納如下:
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。
以上是掃描電子顯微鏡的主要功能。同時掃描電子顯微鏡還可以作為顯微操作平臺,可接配納米機械手、微機械探針、接配離子槍等裝置,進行離子切割加工,納米操作,微區尺度物理化學性質測量;為適應材料的動態觀察和材料所處環境,可配置特殊樣品臺,如機械拉伸臺、高溫樣品臺、低溫樣品臺,樣品分析室充入可與樣品發生物理化學反應的特殊氣體。