SEM扫描电子显微镜知识要点.doc

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1、扫描电子显微镜知识A—Z/SEM的构造扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope：SEM）是观察样品表面的装置。用很细的电子束（称为电子探针）照射样品时，从样品表面会激发二次电子，在电子探针进行二维扫描时，通过检测二次电子形成一幅图像，就能够观察样品的表面形貌。SEM的构造装置的结构SEM由形成电子探针的电子光学系统、装载样品用的样品台、检测二次电子的二次电子检测器、观察图像的显示系统及进行各种操作的操作系统等构成（图1），电子光学系统由用于形成电子探针的电子枪、聚光镜、物镜和控制电子探针进行扫描的扫描线圈等构

2、成，电子光学系统（镜筒内部）以及样品周围的空间为真空状态。图1SEM的基本结构图2电子枪的构造图电子枪电子枪是电子束的产生系统，图2是热发射电子枪的构造图。将细（0.1mm左右）钨丝做成的灯丝（阴极）进行高温加热（2800K左右）后，会发射热电子，此时给相向设置的金属板（阳极）加以正高圧（1～30kV），热电子会汇集成电子束流向阳极，若在阳极中央开一个孔，电子束会通过这个孔流出，在阴极和阳极之间，设置电极并加以负电圧，能够调整电子束的电流量，在这个电极（被称为韦氏极）的作用下，电子束被细聚焦，最细之处被称为交叉点（Crossover)，

3、成为实际的光源(电子源)，其直径为15～20μm。以上说明的是最常用的热发射电子枪，此外还有场发射电子枪和肖特基发射电子枪等。热发射电子枪的阴极除使用钨丝外，还使用单晶六硼化镧(LaB6)，LaB6由于活性很强，所以需要在高真空中工作。透镜的构造电子显微镜一般采用利用磁铁作用的磁透镜。当绕成线圈状的电线被通入直流电后，会产生旋转对称的磁场，对电子束来说起着透镜的作用。由于制作强磁透镜（短焦距的透镜）需要增加磁力线的密度，如图3所示，线圈的周围套有铁壳（轭铁），磁力线从狭窄的开口中漏洩出来，开口处被称作磁极片（极靴），经精度极高的机械加工

4、而成。磁透镜的强度能随通入线圈的电流改变而改变，这是光学透镜所不具备的特长。图3磁透镜的构造SEM的景深在观察有纵深感的样品时，如果近处聚焦了，远处就离焦。在这种情况下，远、近图像模糊圈大，叫做景深大，如果远、近图像模糊圈小，叫做景深小。图8如所示，电子探针的平行度高（孔径角小），即使焦点变化很大，图像也保持聚焦，如果电子探针有一定的角度（孔径角大），焦点即使变化很小，图像离焦也很严重。象光学显微镜不使用电子探针时，从样品方向看到的物镜角度（孔径角）小景深则大，角度大景深则小。另一方面，即便是图像模糊，在倍率低的时候感觉不到，但在倍率增

5、大的时候能够发现，也就是说，景深也随放大倍率的变化而改变。图9SEM和光学显微镜的景深图8电子探针孔径角和景深在图9的图表中显示了SEM和光学显微镜的不同景深，虽然光学显微镜中的实体显微镜获得的图像景深比较大，但用SEM获得的景深还要大很多，这是因为与光学显微镜的物镜孔径角相比，电子探针的孔径角要小很多的缘故。此外SEM的景深根据观察条件而改变。图10是用光学显微镜和SEM对螺丝断口进行观察的比较。由于样品表面凹凸不平，用光学显微镜，表面只有一部分被聚焦，而使用大景深的SEM，整个观察表面都被清晰地聚焦。聚光镜和物镜在电子枪的后方设置透

6、镜，能够调节电子束的直径。SEM需要很细的电子束。图4中，在电子枪的后方设置了聚光镜和物镜的两级透镜，从电子枪中发射出的电子束经过两级透镜的聚焦形成电子探针。图4经透镜形成电子探针●聚光镜的作用增强聚光镜的透镜作用，电子探针以b/a的比例变细，如果减弱的话，电子探针则变粗。此外，在聚光镜与物镜之间，设置开了小孔的薄金属板即“光阑”。通过聚光镜的电子束撞到光阑后，有一部分的电子束能通过小孔到达物镜。增大聚光镜的励磁电流，光阑上的电子束会大大地发散开来，只有一小部分的电子束能通过，所以到达物镜的电子数（包括探针电流）将会减少。相反，减弱聚光

7、镜的励磁电流，光阑上的电子束并不会发生很大的发散，大部分的电子束通过光阑，到达物镜的电子数很多。也就是说，调节聚光镜的励磁电流可以改变电子探针的直径和探针电流。那么增大聚光镜的励磁电流，电子探针的直径是否能无限地变细？很遗憾这是有极限的，请参见别处的说明。●物镜的作用物镜用于聚焦，是决定最终电子探针直径的重要透镜。物镜若有瑕疵，就无法形成很细的电子探针，之前的所有努力也都会前功尽弃。因此，所有的电镜厂家都在努力制作性能优良的物镜。样品台电子显微镜通常要在高倍率下观察样品，因此需要样品台既能稳定地承载样品又能灵活地移动。SEM的样品台一般

8、能进行五种移动：除了平面上的移动（X,Y方向）、垂直方向上的移动（Z）外，还能够倾斜（T）和旋转（R）样品，不仅能选择视野（X,Y移动），还能够通过Z向移动，改变分辨率及景深，图5为样品台的构造图。图5样品