一、分析信號

掃描電鏡

掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)，也可產(chǎn)生電子-空穴對、晶格振動（聲子）、電子振蕩（等離子體）。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場或磁場等等。掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機(jī)理，采用不同的信息檢測器，使選擇檢測得以實(shí)現(xiàn)。如對二次電子、背散射電子的采集，可得到有關(guān)物質(zhì)微觀形貌的信息；對X射線的采集，可得到物質(zhì)化學(xué)成分的信息。

透射電鏡

根據(jù)德布羅意（De Broglie,20世紀(jì)法國科學(xué)家）提出的運(yùn)動的微觀粒子具有波粒二象性的觀點(diǎn)，電子束流也具有波動性，而且電子波的波長比可見光要短得多（例如200千伏加速電壓下電子波波長為0.00251納米），顯然，如果用電子束作光源制成的顯微鏡將具有比光學(xué)顯微鏡高得多的分辨能力。更重要的是，由于電子在電場中會受到電場力運(yùn)動，以及運(yùn)動的電子在磁場中會受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這使得使用科學(xué)手段使電子束聚焦和成像成為可能。

二、結(jié)構(gòu)

掃描電鏡

1.鏡筒

鏡筒包括電子槍、聚光鏡、物鏡及掃描系統(tǒng)。其作用是產(chǎn)生很細(xì)的電子束（直徑約幾個(gè)nm），并且使該電子束在樣品表面掃描，同時(shí)激發(fā)出各種信號。

2.電子信號的收集與處理系統(tǒng)

在樣品室中，掃描電子束與樣品發(fā)生相互作用后產(chǎn)生多種信號，其中包括二次電子、背散射電子、X射線、吸收電子、俄歇（Auger）電子等。在上述信號中，最主要的是二次電子，它是被入射電子所激發(fā)出來的樣品原子中的外層電子，產(chǎn)生于樣品表面以下幾nm至幾十nm的區(qū)域，其產(chǎn)生率主要取決于樣品的形貌和成分。通常所說的掃描電鏡像指的就是二次電子像，它是研究樣品表面形貌的最有用的電子信號。檢測二次電子的檢測器的探頭是一個(gè)閃爍體，當(dāng)電子打到閃爍體上時(shí)，就在其中產(chǎn)生光，這種光被光導(dǎo)管傳送到光電倍增管，光信號即被轉(zhuǎn)變成電流信號，再經(jīng)前置放大及視頻放大，電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，最后被送到顯像管的柵極。

3.電子信號的顯示與記錄系統(tǒng)

掃描電鏡的圖象顯示在陰極射線管（顯像管）上，并由照相機(jī)拍照記錄。顯像管有兩個(gè)，一個(gè)用來觀察，分辨率較低，是長余輝的管子；另一個(gè)用來照相記錄，分辨率較高，是短余輝的管子

4.真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)

掃描電鏡的真空系統(tǒng)由機(jī)械泵與油擴(kuò)散泵組成，其作用是使鏡筒內(nèi)達(dá)到10的真空度。

電源系統(tǒng)供給各部件所需的特定的電源。

透射電鏡

1.電子光學(xué)部分 

整個(gè)電子光學(xué)部分完全置于鏡筒之內(nèi)，自上而下順序排列著電子槍、聚光鏡、樣品室、 物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏、照相機(jī)構(gòu)等裝置。根據(jù)這些裝置的功能不同又可將電子光學(xué)部分分為照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)及圖像觀察和記錄系統(tǒng)。

（1）照明系統(tǒng) 

照明系統(tǒng)由電子槍、聚光鏡和相應(yīng)的平移對中及傾斜調(diào)節(jié)裝置組成。它的作用是為成像系統(tǒng)提供一束亮度高、相干性好的照明光源。為滿足暗場成像的需要照明電子束可在2-3度范圍內(nèi)傾斜。 

①電子槍

它由陰極、柵極和陽極構(gòu)成。在真空中通電加熱后使從陰極發(fā)射的電子獲得較高的動能形成定向高速電子流。 

②聚光鏡

聚光鏡的作用是會聚從電子槍發(fā)射出來的電子束，控制照明孔徑角、電流密度和光斑尺寸。

（2）樣品室 

樣品室中有樣品桿、樣品杯及樣品臺。 

（3）成像系統(tǒng)

成像系統(tǒng)一般由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。物鏡的分辨本領(lǐng)決定了電鏡的分辨本領(lǐng)，中間鏡和投影鏡的作用是將來自物鏡的圖像進(jìn)一步放大。

（4）圖像觀察與記錄系統(tǒng)

該系統(tǒng)由熒光屏、照相機(jī)、數(shù)據(jù)顯示等組成。 

2.真空系統(tǒng) 

真空系統(tǒng)由機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵、換向閥門、真空測量儀奉及真空管道組成。它的作用是排除鏡筒內(nèi)氣體，使鏡筒真空度至少要在 托以上。如果真空度低的話，電子與氣體分子之間的碰撞引起散射而影響襯度，還會使電子?xùn)艠O與陽極間高壓電離導(dǎo)致極間放電，殘余的氣體還會腐蝕燈絲，污染樣品。

3.供電控制系統(tǒng)

加速電壓和透鏡磁電流不穩(wěn)定將會產(chǎn)生嚴(yán)重的色差及降低電鏡的分辨本領(lǐng)，所以加速電壓和透鏡電流的穩(wěn)定度是衡量電鏡性能好壞的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。 

透射電鏡的電路主要由高壓直流電源、透鏡勵(lì)磁電源、偏轉(zhuǎn)器線圈電源、電子槍燈絲加熱電源，以及真空系統(tǒng)控制電路、真空泵電源、照相驅(qū)動裝置及自動曝光電路等部分組成。另外，許多高性能的電鏡上還裝備有掃描附件、能譜議、電子能量損失譜等儀器 。

三、功能

掃描電鏡

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，生成與樣品形貌相對應(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、短路，因此電阻襯度像經(jīng)常用來檢查金屬布線層、多晶連線層、金屬到硅的測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，特別是對于器件的隱開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對樣品物質(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。

透射電鏡

早期的透射電子顯微鏡功能主要是觀察樣品形貌，后來發(fā)展到可以通過電子衍射原位分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)。具有能將形貌和晶體結(jié)構(gòu)原位觀察的兩個(gè)功能是其它結(jié)構(gòu)分析儀器（如光鏡和X射線衍射儀）所不具備的。

透射電子顯微鏡增加附件后，其功能可以從原來的樣品內(nèi)部組織形貌觀察（TEM）、原位的電子衍射分析（Diff），發(fā)展到還可以進(jìn)行原位的成分分析（能譜儀EDS、特征能量損失譜EELS）、表面形貌觀察（二次電子像SED、背散射電子像BED）和透射掃描像（STEM）。

結(jié)合樣品臺設(shè)計(jì)成高溫臺、低溫臺和拉伸臺，透射電子顯微鏡還可以在加熱狀態(tài)、低溫冷卻狀態(tài)和拉伸狀態(tài)下觀察樣品動態(tài)的組織結(jié)構(gòu)、成分的變化，使得透射電子顯微鏡的功能進(jìn)一步的拓寬。

透射電子顯微鏡功能的拓寬意味著一臺儀器在不更換樣品的情況下可以進(jìn)行多種分析，尤其是可以針對同一微區(qū)位置進(jìn)行形貌、晶體結(jié)構(gòu)、成分（價(jià)態(tài)）的全面分析。

四、襯度原理

掃描電鏡

1、質(zhì)厚襯度 

質(zhì)厚襯度是非晶體樣品襯度的主要來源。樣品不同微區(qū)存在原子序數(shù)和厚度的差異形成的。來源于電子的非相干散射，Z越高，產(chǎn)生散射的比例越大；d增加，將發(fā)生更多的散射。不同微區(qū)Z和d的差異，使進(jìn)入物鏡光闌并聚焦于像平面的散射電子I有差別，形成像的襯度。Z較高、樣品較厚區(qū)域在屏上顯示為較暗區(qū)域。圖像上的襯度變化反映了樣品相應(yīng)區(qū)域的原子序數(shù)和厚度的變化。質(zhì)厚襯度受物鏡光闌孔徑和加速V的影響。選擇大孔徑（較多散射電子參與成像），圖像亮度增加，散射與非散射區(qū)域間的襯度降低。選擇低電壓（較多電子散射到光闌孔徑外），襯度提高，亮度降低。支持膜法和萃取復(fù)型，質(zhì)厚襯度圖像比較直觀。 

2、衍射襯度 

衍射襯度是來源于晶體試樣各部分滿足布拉格反射條件不同和結(jié)構(gòu)振幅的差異。例如電壓一定時(shí)，入射束強(qiáng)度是一定的，假為L，衍射束強(qiáng)度為ID。在忽略吸收的情況下，透射束為L-ID。這樣如果只讓透射束通過物鏡光闌成像，那么就會由于樣品中各晶面或強(qiáng)衍射或弱衍射或不衍射，導(dǎo)致透射束相應(yīng)強(qiáng)度的變化，從而在熒光屏上形成襯度。形成襯度的過程中，起決定作用的是晶體對電子束的衍射。

（2）透射電鏡

晶體結(jié)構(gòu)可以通過高分辨率透射電子顯微鏡來研究，這種技術(shù)也被稱為相襯顯微技術(shù)。當(dāng)使用場發(fā)射電子源的時(shí)候，觀測圖像通過由電子與樣品相互作用導(dǎo)致的電子波相位的差別重構(gòu)得出。然而由于圖像還依賴于射在屏幕上的電子的數(shù)量，對相襯圖像的識別更加復(fù)雜。

非晶樣品透射電子顯微圖象襯度是由于樣品不同微區(qū)間存在的原子序數(shù)或厚度的差異而形成的，即質(zhì)量厚度襯度（質(zhì)量厚度定義為試樣下表面單位面積以上柱體中的質(zhì)量），也叫質(zhì)厚襯度。質(zhì)厚襯度適用于對復(fù)型膜試樣電子圖象作出解釋。質(zhì)量厚度數(shù)值較大的，對電子的吸收散射作用強(qiáng)，使電子散射到光欄以外的要多，對應(yīng)較安的襯度。質(zhì)量厚度數(shù)值小的，對應(yīng)較亮的襯度。

五、對樣品要求

掃描電鏡

SEM制樣對樣品的厚度沒有特殊要求，可以采用切、磨、拋光或解理等方法將特定剖面呈現(xiàn)出來，從而轉(zhuǎn)化為可以觀察的表面。這樣的表面如果直接觀察，看到的只有表面加工損傷，一般要利用不同的化學(xué)溶液進(jìn)行擇優(yōu)腐蝕，才能產(chǎn)生有利于觀察的襯度。不過腐蝕會使樣品失去原結(jié)構(gòu)的部分真實(shí)情況，同時(shí)引入部分人為的干擾，對樣品中厚度極小的薄層來說，造成的誤差更大。

透射電鏡

由于TEM得到的顯微圖像的質(zhì)量強(qiáng)烈依賴于樣品的厚度，因此樣品觀測部位要非常的薄，例如存儲器器件的TEM樣品一般只能有10～100nm的厚度，這給TEM制樣帶來很大的難度。初學(xué)者在制樣過程中用手工或者機(jī)械控制磨制的成品率不高，一旦過度削磨則使該樣品報(bào)廢。TEM制樣的另一個(gè)問題是觀測點(diǎn)的定位，一般的制樣只能獲得10mm量級的薄的觀測范圍，這在需要精確定位分析的時(shí)候，目標(biāo)往往落在觀測范圍之外。目前比較理想的解決方法是通過聚焦離子束刻蝕（FIB）來進(jìn)行精細(xì)加工。