光学显微镜以可见光为介质,电子显微镜以电子束为介质,由于电子束波长远较可见光小,故电子显微镜分辨率远比光学显微镜高。光学显微镜放大倍率最高只有约1500倍,扫描式显微镜可放大到10000倍以上。
根据de Broglie波动理论,电子的波长仅与加速电压有关:
λe=h / mv= h / (2qmV)1/2=12.2 / (V)1/2 (Å)
在 10 KV 的加速电压之下,电子的波长仅为0.12Å,远低于可见光的4000 - 7000Å,所以电子显微镜分辨率自然比光学显微镜优越许多,但是扫描式电子显微镜的电子束直径大多在50-100Å之间,电子与原子核的弹性散射 (Elastic Scattering) 与非弹性散射 (Inelastic Scattering) 的反应体积又会比原有的电子束直径增大,因此一般穿透式电子显微镜的分辨率比扫描式电子显微镜高。
扫描式显微镜有一重要特色是具有超大的景深(depth of field),约为光学显微镜的300倍,使得扫描式显微镜比光学显微镜更适合观察表面起伏程度较大的样品。
价钱最便宜使用最普遍的是钨灯丝,以热游离 (Thermionization) 式来发射电子,电子能量散布为 2 eV,钨的功函数约为4.5eV,钨灯丝系一直径约100μm,弯曲成V形的细线,操作温度约2700K,电流密度为1.75A/cm2,在使用中灯丝的直径随着钨丝的蒸发变小,使用寿命约为40~80小时。
六硼化镧(LaB6)灯丝的功函数为2.4eV,较钨丝为低,因此同样的电流密度,使用LaB6只要在1500K即可达到,而且亮度更高,因此使用寿命便比钨丝高出许多,电子能量散布为 1 eV,比钨丝要好。但因LaB6在加热时活性很强,所以必须在较好的真空环境下操作,因此仪器的购置费用较高。
场发射放大倍率由25倍到650000倍,在使用加速电压15kV时,分辨率可达到1nm,加速电压1kV时,分辨率可达到2.2nm。一般钨丝型的扫描式电子显微镜仪器上的放大倍率可到200000倍,实际操作时,大部份均在20000倍时影像便不清楚了,但如果样品的表面形貌及导电度合适,最大倍率650000倍是可以达成的。
在电子显微镜中须考虑到的像差(aberration)包括:衍射像差(diffraction aberration)、球面像差(spherical aberration)、散光像差(astigmatism)及波长散布像差(即色散像差,chromatic aberration)。
面像差为物镜中主要缺陷,不易校正,因偏离透镜光轴之电子束偏折较大,其成像点较沿轴电子束成像之高斯成像平面(Gauss image plane)距透镜为近。
散光像差由透镜磁场不对称而来,使电子束在二互相垂直平面之聚焦落在不同点上。散光像差一般用散光像差补偿器(stigmator)产生与散光像差大小相同、方向相反的像差校正,目前电子显微镜其聚光镜及物镜各有一组散光像差补偿器。
光圈衍射像差(Aperture diffraction):由于电子束通过小光圈电子束产生衍射现象,使用大光圈可以改善。
色散像差(Chromatic aberration):因通过透镜电子束能量差异,使得电子束聚焦后并不在同一点上。
电子束和样品作用体积(interaction volume),作用体积约有数个微米(μm)深,其深度大过宽度而形状类似梨子。此形状乃源于弹性和非弹性碰撞的结果。低原子量的材料,非弹性碰撞较可能,电子较易穿进材料内部,较少向边侧碰撞,而形成梨子的颈部,当穿透的电子丧失能量变成较低能量时,弹性碰撞较可能,结果电子行进方向偏向侧边而形成较大的梨形区域。
在固定电子能量时,作用体积和原子序成反比,乃因弹性碰撞之截面积和原子序成正比,以致电子较易偏离原来途径而不能深入样品。
电子束能量越大,弹性碰撞截面积越小,电子行走路径倾向直线而可深入样品,作用体积变大。
电子束和样品的作用有两类,一为弹性碰撞,几乎没有损失能量,另一为非
弹性碰撞,入射电子束会将部份能量传给样品,而产生二次电子、背向散射电子、俄歇电子、X光、长波电磁放射、电子-空位对等。这些信号可供SEM运用者有二次电子、背向散射电子、X光、阴极发光、吸收电子及电子束引起电流(EBIC)等。
二次电子(Secondary Electrons):电子束和样品作用,可将传导能带(conduction band)的电子击出,此即为二次电子,其能量约 < 50eV。由于是低能量电子,所以只有在距离样品表面约50~500?深度范围内所产生之二次电子,才有机会逃离样品表面而被侦测到。由于二次电子产生的数量,会受到样品表面起伏状况影响,所以二次电子影像可以观察出样品表面之形貌特征。
背向散射电子(Backscattered Electrons):入射电子与样品子发生弹性碰撞,而逃离样品表面的高能量电子,其动能等于或略小于入射电子的能量。背向散射电子产生的数量,会因样品元素种类不同而有差异,样品中平均原子序越高的区域,释放出来的背向散射电子越多,背向散射电子影像也就越亮,因此背向散射电子影像有时又称为原子序对比影像。由于背向散射电子产生于距样品表面约5000?的深度范围内,由于入射电子进入样品内部较深,电子束已被散射开来,因此背向散射电子影像分辨率不及二次电子影像。
X光:入射电子和样品进行非弹性碰撞可产生连续X光和特征X光,前者系入射电子减速所放出的连续光谱,形成背景决定最少分析之量,后者系特定能阶间之能量差,可藉以分析成分元素。
电子束引致电流(Electron-beam induced Current , EBIC):当一个p-n接面(Junction )经电子束照射后,会产生过多的电子-空位对,这些载子扩散时被p-n接面的电场收集,外加线路时即会产生电流。
样品电流(Specimen Current):电子束射到样品上时,一部份产生二次电子及背向散射电子,另一部份则留在样品里,当样品接地时即产生样品电流。
电子侦测器有两种,一种是闪烁计数器侦测器(Scintillator),常用于侦测能量较低的二次电子,另一种是固态侦测器(solid state detector),则用于侦测能量较高的反射电子。
C. 电磁透镜的型式: In-lens ,semi in-lens, off-lens
D. 样品室的洁净度: 避免粉尘、水气、油气等污染。
E. 操作条件: 加速电压、工作电流、仪器调整、样品处理、真空度。
如何做好SEM的影像,一般由样品的种类和所要的结果来决定观察条件,调整适当的加速电压、工作距离 (WD)、适当的样品倾斜,选择适当的侦测器、调整合适的电子束电流。
一般来说,加速电压提高,电子束波长越短,理论上,只考虑电子束直径的大小,加速电压愈大,可得到愈小的聚焦电子束,因而提高分辨率,然而提高加速电压却有一些不可忽视的缺点:
适当的工作距离的选择,可以得到最好的影像。较短的工作距离,电子讯号接收较佳,可以得到较高的分辨率,但是景深缩短。较长的工作距离,分辨率较差,但是影像景深较长,表面起伏较大的样品可得到较均匀清晰的影像。
SEM样品若为金属或导电性良好,则表面不需任何处理,可直接观察。若为非导体,则需镀上一层金属膜或碳膜协助样品导电,膜层应均匀无明显特征,以避免干扰样品表面。金属膜较碳膜容易镀,适用于SEM影像观察,通常为Au或Au-Pd合金或Pt。
而碳膜较适于X光微区分析,主要是因为碳的原子序低,可以减少X光吸收。
C. 不得有松动的粉末或碎屑(以避免抽真空时粉末飞扬污染镜柱体)。
F. 非导体表面需镀金(影像观察)或镀碳(成份分析)。
镀导电膜的选择,在放大倍率低于1000倍时,可以镀一层较厚的Au,以提高导电度。放大倍率低于10000倍时,可以镀一层Au来增加导电度。放大倍率低于100000倍时,可以镀一层Pt或Au-Pd合金,在超过100000时,以镀一层超薄的Pt或Cr膜较佳。
电子束与样品作用,当内层电子被击出后,外层电子掉入原子内层电子轨道而放出X光,不同原子序,不同能阶电子所产生的X光各不相同,称为特征X光,分析特征X光,可分析样品元素成份。
分析特征X光的方式,可分析特征X光的能量分布,称为EDS,或分析特征X光的波长,称为WDS。X光能谱的分辨率,在EDS中约有100~200eV的分辨率,在WDS中则有5~ 10eV的分辨率。由于EDS的分辨率较WDS差,因此在能谱的解析上,较易产生重迭的情形。
由于电子束与样品作用的作用体积(interaction volume)的关系,特征X光的产生和作用体积的大小有关,因此在平面的样品中,EDS或WDS的空间分辨率,受限于作用体积的大小。