扫描电子显微镜(SEM)的原理及应用

09月,03,2022 | 浏览次数:749

扫描电子显微镜(SEM)的原理

扫描电子显微镜(SEM)是进行材料分析的一种大型的电子显微镜成像系统,其工作原理是利用阴极发射的电子束经阳极加速,磁透镜聚焦后,轰击到样品表面,激发出多种物理信息,经过收集放大在显示屏上得到相应的图形。

扫描电子显微镜(SEM)的原理及应用

细聚焦高能电子束轰击样品表面时,被激发的区域可以产生二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征X射线、透射电子,以及在可见光、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。

电子与固体作用图
电子与固体作用

二次电子:在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品原子的核外电子叫做二次电子。二次电子一般都是在表层5~10nm深度范围内发射出来的,它对样品的表面形貌十分敏感,因此,能非常有效的显示样品的表面形貌。

二次电子的产额和原子序数之间没有明显的依赖关系,所以不能用它来进行成分分析。二次电子的能量较低,一般不超过50eV。大多数二次电子只带有几个电子伏的能量。


背散射电子:散射电子是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。数量上看,弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占的份额多。背散射电子的产生范围在100-1000nm深度,随着物质原子序数的不同而发射不同特征的背散射电子,因此背散射电子图像具有形貌特征和原子序数判别的能力,背散射电子图像可反映化学元素成分的分布。

特征X射线:特征X射线是原子的内层电子受到激发以后在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。X射线一般在试样的500nm-5m m深处发出。

俄歇电子:如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以X射线的形式释放而是用该能量将核外另一电子打出,脱离原子变为二次电子,这种二次电子叫做俄歇电子。因每一种原子都由自己特定的壳层能量,所以它们的俄歇电子能量也各有特征值,能量在50-1500eV范围内。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原子层中发出的,这说明俄歇电子信号适用与表层化学成分分析。

扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理,采用不同的信息检测器,使选择检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集,可得到有关物质微观形貌的信息;对X射线的采集,可得到物质化学成分的信息。正因如此,根据不同需求,可制造出功能配置不同的扫描电子显微镜。现在的扫描电子显微镜的功能已经很强大,任何精细结构或者表面特征均可放大到几十万倍进行观察与分析。
扫描电子显微镜(SEM)的结构
扫描电镜结构

扫描电子显微镜(SEM)的应用:

(1)在焊点或互连失效分析方面,SEM主要用来做失效机理的分析,具体说来就是观察焊点金相组织,测量金属间化合物,进行断口分析。可焊性镀层分析以及锡须分析测量。


(2)金属断口分析,金属断口可提供材料断裂原因及过程等信息。

金属断口分析图

(3)显微结构分析,原始材料及其制品的显微形貌、孔隙大小等将决定其最后的性能。扫描电子显微镜可以清楚地反映和记录这些微观特征,是观察分析样品微观结构方便、易行的有效方法,样品无需制备,只需直接放入样品室内即可放大观察。
显微结构分析图

注意
为了获得无损、真实、清晰的表面形貌结构,在扫描电子显微镜样品制备过程中一定要非常仔细,下面是几个SEM样品制备的过程中需要注意的问题:
(1)样品制备过程中,观察表面应充分暴露,同事需确保观察表面无污染、无收缩、无明显人为损伤和附加结构。
(2)当不导电材料表面涂覆重金属(金、铂、钯等)时,涂层的“厚度”大于或等于入射电子束进入样品的扩散深度,不能覆盖样品本身的凹凸形貌。比如Au膜,一般在10万次左右就可以看到金颗粒,所以Au膜的厚度尽量控制在10 nm以下,如果10 nm的导电膜的导电性仍然没有改善,继续镀膜是没有意义的。
(3)一般情况下,我们都选择镀Au膜,但样品需要经过严格的EDS定量分析,而金属膜不能镀,因为金属膜对X射线有很强的吸收性,对定量分析结果影响较大。
(4)粉末样品的厚度应均匀,用量不宜过多,否则容易造成喷金样品底部导电性差。