失效分析人士的阅读材料
扫描电子显微镜
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第三章 扫描电子显微镜1. 扫描电镜的优点 2. 电子束与固体样品作用时产生的信号 3. 扫描电镜的工作原理 4. 扫描电镜的构造 5. 扫描电镜衬度像 二次电子像 背散射电子像 6. 扫描电镜的主要性能 7. 样品制备 8. 应用举例
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1. 扫描电镜的优点
高的分辨率。由于超高真空技术的发展，场发射电子 枪的应用得到普及，现代先进的扫描电镜的分辨率已 经达到1纳米左右。 有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调； 有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观 察各种试样凹凸不平表面的细微结构 试样制备简单。 配有X射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织 性貌的观察和微区成分分析。
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Optical Microscope VS SEM
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2. 电子束与固体样品作用时产生的信号
2.1 弹性散射和非弹性散射 2.2 电子显微镜常用的信号 2.3 各种信号的深度和区域大小
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2.1 弹性散射和非弹性散射当一束聚焦电子束沿一定方向入射到试样内时，由于受到固 体物质中晶格位场和原子库仑场的作用，其入射方向会发 生改变，这种现象称为散射。 (1)弹性散射。如果在散射过程中入射电子只改变方向， 但其总动能基本上无变化，则这种散射称为弹性散射。弹 性散射的电子符合布拉格定律，携带有晶体结构、对称性、 取向和样品厚度等信息，在电子显微镜中用于分析材料的 结构。 (2)非弹性散射。如果在散射过程中入射电子的方向和动 能都发生改变，则这种散射称为非弹性散射。在非弹性散 射情况下，入射电子会损失一部分能量，并伴有各种信息 的产生。非弹性散射电子：损失了部分能量，方向也有微 小变化。用于电子能量损失谱，提供成分和化学信息。也 能用于特殊成像或衍射模式。
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SEM中的三种主要信号
背散射电子：入射电子在样品中经散射后再从 上表面射出来的电子。反映样品表面不同取向、 不同平均原子量的区域差别。 二次电子：由样品中原子外壳层释放出来，在 扫描电子显微术中反映样品上表面的形貌特征。 X射线：入射电子在样品原子激发内层电子后 外层电子跃迁至内层时发出的光子。
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SEM中的三种主要信号
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其他信号
俄歇电子：入射电子在样品原子激发内层电子后外层 电子跃迁至内层时，多余能量转移给外层电子，使外 层电子挣脱原子核的束缚，成为俄歇电子。详细的介
绍见本书第三篇第十三章俄歇电子能谱部分。
透射电子 :电子穿透样品的部分。这些电子携带着被 样品吸收、衍射的信息，用于透射电镜的明场像和透 射扫描电镜的扫描图像, 以揭示样品内部微观结构的
形貌特征。详细的介绍见本书第二篇第九章电子
衍射和显微技术部分。
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2.3 各种信号的深度和区域大小可以产生信号的区域称为有效作 用区，有效作用区的最深处为电子有 效作用深度。 但在有效作用区内的信号并不一定 都能逸出材料表面、成为有效的可供 采集的信号。这是因为各种信号的能 量不同，样品对不同信号的吸收和散 射也不同。 随着信号的有效作用深度增加， 作用区的范围增加，信号产生的空间 范围也增加，这对于信号的空间分辨 率是不利的。
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3. 扫描电镜的工作原理
扫描电镜的工作原理 可以简单地归纳为 “光栅扫描，逐点成 像”。 扫描电镜图像的放大 倍数定义为 M=L/lL显象管的荧光屏尺寸；l电 子束在试样上扫描距离。
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4. 扫描电子显微镜的构造
电子光学系统 信号收集及显示系统 真空系统和电源系统
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电子光学系统
由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。 其作用是用来获得扫描电子束，作为信号的激发源。为了获得较高的信号强 度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径
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真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作，防 止样品污染提供高的真空度，一般情况下要求保持104-10-5Torr的真空度。 电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路所组成， 其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。
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5. 扫描电镜衬度像
二次电子像 背散射电子像 x射线元素分布图。
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5.1 二次电子像
二次电子产额δ与二次电子束与试样表面法向夹角有关，δ∝1/cosθ。 因为随着θ角增大，入射电子束作用体积更靠近表面层，作用体积内产生的大 量自由电子离开表层的机会增多；其次随θ角的增加，总轨迹增长，引起价电 子电离的机会增多。