掃描電鏡簡(jiǎn)介

電子源發(fā)射的電子束經(jīng)過(guò)電磁透鏡的電子光學(xué)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(xué)鏡筒中的掃描線圈控制電子束，在樣品表面一定微小區(qū)域內(nèi)，逐點(diǎn)逐行掃描。電子束與樣品相互作用，從樣品中發(fā)射的具有成像反差的信號(hào)，由一個(gè)適當(dāng)?shù)膱D像探測(cè)器逐點(diǎn)收集，并將信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器和視頻放大器,用調(diào)制解調(diào)電路調(diào)制顯示器上相對(duì)應(yīng)顯示像素的亮度，形成我們?nèi)祟愑^察習(xí)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(jī)制圖像。由于圖像顯示器的像素尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dāng)于把樣品上相應(yīng)的微小區(qū)域進(jìn)行了放大。通過(guò)調(diào)節(jié)掃描線圈偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，可以控制電子束在樣品表面掃描區(qū)域的大小，理論上掃描區(qū)域可以無(wú)限小，但可以顯示的圖像有效放大倍數(shù)的限度是掃描電鏡分辨率的限度。
模擬圖像掃描系統(tǒng)：樣品上每個(gè)像素模擬信號(hào)直接調(diào)制陰極射線管對(duì)應(yīng)顯示像素的亮度，由于生成一幅高質(zhì)量圖像一般需要數(shù)秒或者數(shù)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(guī)程調(diào)整儀器參數(shù)，如圖像聚焦，移動(dòng)樣品臺(tái)搜索感興趣區(qū)域，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，亮度對(duì)比度，消象散等從而獲得最佳的圖像質(zhì)量。模擬圖像輸出采用高分辨照相管，用單反相機(jī)直接逐點(diǎn)記錄在膠片上，然后沖洗相片。自1985年以來(lái)，模擬圖像電鏡已經(jīng)被數(shù)字電鏡取代。
數(shù)字圖像掃描系統(tǒng)：樣品上每個(gè)像素發(fā)出的成像信號(hào)，被圖像探測(cè)器探測(cè)器后，經(jīng)過(guò)前置放大器，和視頻放大器放大，直接進(jìn)行信號(hào)數(shù)字化，然后存儲(chǔ)在圖像采集卡的幀存器，形成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)可被電鏡操作軟件讀取，操作者在圖形交互界面（GUI)上對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)整控制，并把調(diào)整好的數(shù)字圖像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中硬盤(pán)中。
模擬控制是控制信號(hào)不經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)軟件,直接由操作臺(tái)按鍵旋鈕等對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,屬于人工手動(dòng)控制,控制精度由操作者觀察儀表盤(pán)的變化決定.例如高壓電源,掃描線圈,探測(cè)器電源,電子槍控制，磁透鏡控制,樣品臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制等等。
數(shù)字控制是所有控制指令輸入到交互控制軟件,然后由計(jì)算機(jī)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出精確的數(shù)字指令.絕大部掃描電鏡參數(shù)可實(shí)現(xiàn)了軟件自動(dòng)調(diào)整，如自動(dòng)聚焦，亮度對(duì)比度，自動(dòng)消象散，自動(dòng)電子槍發(fā)射飽和，自動(dòng)電子槍對(duì)中，自動(dòng)物鏡光闌合軸等。如果掃描電鏡所檢測(cè)的是同一類形狀和材質(zhì)的樣品，那么程序自動(dòng)控制可以實(shí)現(xiàn)不需要操作人員的任何干預(yù)，從而獲得最佳圖像質(zhì)量，這在半導(dǎo)體芯片制造流水線早已普遍使用。由于實(shí)驗(yàn)室掃描電鏡所面臨的樣品形狀材質(zhì)種類較多，從成像機(jī)理上差別很大，程序控制往往不盡如人意，獲得好的圖像質(zhì)量，往往需要操作者對(duì)電鏡參數(shù)進(jìn)行調(diào)整干預(yù)，調(diào)整后的電鏡工作參數(shù)，可以保存成可執(zhí)行控制文件，隨時(shí)供今后分析同一類型樣品時(shí)調(diào)用。

 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化圖像，而且電鏡所有的功能都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制。現(xiàn)代掃描電鏡電器控制系統(tǒng)高度集成化， 掃描電鏡結(jié)構(gòu)越來(lái)越緊湊，自動(dòng)化功能越來(lái)越高，極大改善了人機(jī)操作環(huán)境。      

掃描電子顯微鏡用途簡(jiǎn)述

最基本的功能是對(duì)各種固體樣品表面進(jìn)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(xué)，植物學(xué)，地質(zhì)學(xué)，冶金學(xué)等等。觀察可以是一個(gè)樣品的表面，也可以是一個(gè)切開(kāi)的面，或是一個(gè)斷面。冶金學(xué)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(zhǎng)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(guò)的木頭的細(xì)微結(jié)構(gòu)，生物學(xué)家可用它研究小的易碎樣品的結(jié)構(gòu)。例如：花粉顆粒，硅藻和昆蟲(chóng)。另一方面，它可以拍出與樣品表面相應(yīng)的立體感強(qiáng)的照片。

 在掃描電鏡應(yīng)用中，很多集中在半導(dǎo)體器件和集成電路方面，它可以很詳細(xì)地檢查器件工作時(shí)局部表面電壓變化的實(shí)際情況，這是因?yàn)檫@種變化會(huì)帶來(lái)象的反差的變化。焊接開(kāi)裂和腐蝕表面的細(xì)節(jié)或相互關(guān)系可以很容易地觀察到。利用束感生電流，可以觀測(cè)半導(dǎo)體P—N結(jié)內(nèi)部缺陷。

電子束與樣品作用區(qū)內(nèi)，還發(fā)射與樣品物質(zhì)其他性質(zhì)有關(guān)信號(hào)。例如：與樣品化學(xué)成分分布相關(guān)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(jié)構(gòu)相關(guān)的，背散射電子衍射現(xiàn)象的探測(cè)；與半導(dǎo)體材料電學(xué)性能相關(guān)的，二次電子信號(hào)、電子束感生電流信號(hào)；在觀察薄樣品時(shí)產(chǎn)生的透射電子信號(hào)等。目前分別有商品化的探測(cè)器和裝置可安裝在掃描電鏡樣品分析室，用于探測(cè)和定性定量分析樣品物質(zhì)的相關(guān)信息。
掃描電子顯微鏡對(duì)于固體材料的研究應(yīng)用非常廣泛，沒(méi)有任何一種儀器能夠和其相提并論。對(duì)于固體材料的全面特征的描述，掃描電子顯微鏡是至關(guān)重要的。
 
具體功能用途歸納如下：

1、掃描電鏡追求固體物質(zhì)高分辨的形貌，形態(tài)圖像（二次電子探測(cè)器SEI)-形貌分析(表面幾何形態(tài)，形狀，尺寸）

2、顯示化學(xué)成分的空間變化，基于化學(xué)成分的相鑒定---化學(xué)成分像分布，微區(qū)化學(xué)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(hào)，生成與樣品形貌相對(duì)應(yīng)的，元素面分布圖或者進(jìn)行定點(diǎn)化學(xué)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(shù)(一般和相對(duì)密度相關(guān)）反差，生成化學(xué)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(guò)渡金屬元素，稀土元素等）受電子束激發(fā)的光強(qiáng)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(shù)反差，生成的化學(xué)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(duì)樣品物質(zhì)表面1nm表層進(jìn)行化學(xué)元素分布的定性定理分析，

3、在半導(dǎo)體器件（IC)研究中的特殊應(yīng)用：
1）利用電子束感生電流EBIC進(jìn)行成像，可以用來(lái)進(jìn)行集成電路中pn結(jié)的定位和損傷研究
2）利用樣品電流成像，結(jié)果可顯示電路中金屬層的開(kāi)、短路，因此電阻襯度像經(jīng)常用來(lái)檢查金屬布線層、多晶連線層、金屬到硅的測(cè)試圖形和薄膜電阻的導(dǎo)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(duì)于器件的隱開(kāi)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(hào)對(duì)樣品物質(zhì)進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)（原子在晶體中的排列方式），晶體取向分布分析，基于晶體結(jié)構(gòu)的相鑒定。

以上是掃描電子顯微鏡的主要功能。同時(shí)掃描電子顯微鏡還可以作為顯微操作平臺(tái)，可接配納米機(jī)械手、微機(jī)械探針、接配離子槍等裝置，進(jìn)行離子切割加工，納米操作，微區(qū)尺度物理化學(xué)性質(zhì)測(cè)量；為適應(yīng)材料的動(dòng)態(tài)觀察和材料所處環(huán)境，可配置特殊樣品臺(tái)，如機(jī)械拉伸臺(tái)、高溫樣品臺(tái)、低溫樣品臺(tái)，樣品分析室充入可與樣品發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的特殊氣體。