掃描電子顯微鏡是一種電子光學(xué)儀器，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物、醫(yī)藥、冶金、材料、半導(dǎo)體制造、微電路檢測等領(lǐng)域。自20世紀(jì)60年代以來，掃描電子顯微鏡一直被用作一種工具。商用電子顯微鏡問世以來，發(fā)展迅速。

特點

制樣簡單、放大倍率可調(diào)范圍寬、圖像分辨率高、景深大、高保真度、真實的三維效果等特點。對于導(dǎo)電材料，它們可以直接放入樣品室進(jìn)行分析。對于導(dǎo)電性差或絕緣性差的樣品，需噴涂導(dǎo)電層。

基本結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)上看，掃描電鏡主要由七大系統(tǒng)組成，即電子光學(xué)系統(tǒng)、信號探測處理和顯示系統(tǒng)、圖像記錄系統(tǒng)、樣品室、真空系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、電源供給系統(tǒng)。

其中最重要的三個系統(tǒng)是電子光學(xué)系統(tǒng)、信號探測處理和顯示系統(tǒng)以及真空系統(tǒng)。

1. 電子光學(xué)系統(tǒng)

電子光學(xué)系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈、樣品室等，主要用于產(chǎn)生能量分布極窄、電子能量確定的電子束進(jìn)行掃描成像。

電子槍：用來產(chǎn)生電子，主要有以下幾類：

電磁透鏡：熱發(fā)射電子需要一個電磁透鏡來形成光束，所以在使用熱發(fā)射電子槍的掃描電子顯微鏡上，電磁透鏡是必不可少的。通常組裝兩組透鏡：一組會聚透鏡和一組物鏡。聚光透鏡僅用于會聚電子束，與成像焦點無關(guān)。物鏡負(fù)責(zé)將電子束聚焦到樣品表面上。

掃描線圈的作用是偏轉(zhuǎn)電子束，在樣品表面進(jìn)行有規(guī)律的掃描。電子束對樣品的掃描作用和對顯像管的掃描作用是嚴(yán)格同步的，因為它們是由同一個掃描發(fā)生器控制的。

除了放置樣品，信號檢測器也放置在樣品室中

2. 信號檢測處理及顯示系統(tǒng)

電子束通過一系列電磁透鏡后，擊中樣品并與樣品相互作用，產(chǎn)生二次電子、背散射電子、俄歇電子和X射線等一系列信號。因此，需要不同的探測器如二次電子探測器、X射線能譜分析儀等來區(qū)分這些信號，以獲得所需的信息。雖然X射線信號不能用于成像，但習(xí)慣上將X射線分析系統(tǒng)分類為成像系統(tǒng)。

有些探測器價格昂貴，如羅賓遜背散射電子探測器。在這種情況下，可以用二次電子探測器代替，但需要設(shè)置偏置電場來屏蔽二次電子。

3. 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)主要由真空泵和真空柱兩部分組成

真空柱是一種密封的柱容器，真空泵用于在真空柱內(nèi)產(chǎn)生真空，有三類：機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵和渦輪分子泵。機(jī)械泵和油擴(kuò)散泵組合使用可以滿足掃描電子顯微鏡配備鎢絲槍的真空要求，但對于配備場發(fā)射槍或六硼化鑭和六硼化鈰槍的掃描電子顯微鏡則需要機(jī)械泵和渦輪分子泵組合使用。成像系統(tǒng)和電子束系統(tǒng)都內(nèi)置在真空柱中。真空柱的底端是右圖所示的樣品室，用于放置樣品。

需要真空的原因包括：首先，電子束系統(tǒng)中的燈絲在普通大氣中會很快氧化失效，所以需要真空。二是增加電子的平均自由程，從而允許更多的電子被用于成像。

基本結(jié)構(gòu)

掃描電子顯微鏡利用材料表面微區(qū)特性的差異(如形貌、原子序數(shù)、化學(xué)成分或晶體結(jié)構(gòu)等)，以在電子束的作用下通過樣品的不同區(qū)域產(chǎn)生不同的亮度差，從而獲得一定對比度的圖像。成像信號是二次電子、背散射電子或吸收電子，其中二次電子是最主要的成像信號[2]。圖3是成像原理圖。高能電子束轟擊樣品表面，激發(fā)樣品表面的各種物理信號。然后使用不同的信號檢測器來接收物理信號并將其轉(zhuǎn)換成圖像信息。

除了檢測二次電子圖像，掃描電子顯微鏡還可以檢測信號圖像，如背散射電子，透射電子，特征X射線，陰極發(fā)光。。其成像原理與二次電子像相同。在進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察之前，必須對樣品進(jìn)行相應(yīng)的處理。

樣品要求

1、不會被電子束分解
2、在電子束掃描下熱穩(wěn)定性要好
3、能提供導(dǎo)電和導(dǎo)熱通道
4、大小與厚度要適于樣品臺的安裝
5、觀察面應(yīng)該清潔，無污染物
6、進(jìn)行微區(qū)成分分析的表面應(yīng)平整

7. 磁性樣品必須事先退磁，以防止電子束在觀察過程中受到磁場的影響

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審核編輯 黃宇