SEM工作原理,電鏡和光鏡的區別
前言
光學顯微鏡(以下簡稱光鏡)分辨率有限,限制了人們對微觀世界的探索。用電子替代光子,分辨率更高的電子顯微鏡應運而生。電子和光子相同處很多,所以相同術語很多,但兩者的不同造成電鏡和光鏡不同的結構、不同的適用范圍。本專欄將以世人接觸更多的光和光鏡入手,希望通過類比的方法,使讀者初步了解電子和光子,掃描電鏡的工作原理,電鏡和光鏡的異同。
1 掃描電鏡的原理
電子和光子在微觀上都是極微小的物質,都能用于成像。生活中的圖像來自于光,手機相冊的圖片是光帶來的,而電子顯微鏡的圖像則是借助于電子。首先我們比較這兩者的差別,詳見表1。
表1 光子和電子的區別與應用
以上知識涉及較多物理和光學內容,為了避免燒腦,可以把光子和電子的差別簡介如下:電子有質量,加速后的電子,其動量和動能都遠高于光子,波長又遠小于光子;電子有電荷,所以要考慮電荷間的相互作用,比如電子與電子的相互作用,電子與原子中原子核、電子與核外電子的相互作用。因此,與光學成像相比,利用電子成像具有理論分辨率更高、可激發信號更多等優點;缺點則是微觀上可能對樣品損傷更大,電鏡結構也會更為復雜。
電子與光子的這些區別,使得電子顯微鏡在原理、結構與用途等方面均與光學顯微鏡存在較大差異。光學顯微鏡使用光學透鏡來會聚光線,而電子顯微鏡則使用電場和磁場來加速/會聚電子束,所以我們要考慮電子在電場和磁場中的運動。與會聚光束的光學透鏡對應,會聚電子束的靜電極和電磁線圈也分別被稱為靜電透鏡和電磁透鏡(也簡稱為磁透鏡)。同時,電子跟光子一樣,具有波粒二象性:在有些情況下可被視為粒子,在考慮衍射時可被視作波。
下邊簡介一下掃描電鏡是如何操縱電子來實現掃描成像的。
2 操控電子—掃描電鏡是如何工作的
如前所述,用電子來成像有許多優點,但是技術實現上需要可行性。
首先是游離電子的產生。電子一般被束縛在原子或晶體中,要形成電子束需要將電子激發出來。常用的電子發射方式有三種:熱發射、場發射和Schottky發射(也被稱為熱場發射),詳見圖2。不同的電子源形狀和特性各不相同,它們在根本上影響了電鏡的性能(后續再述及),所以電鏡也被分成了熱發射的掃描電鏡(比如鎢燈絲SEM),使用場發射的冷場發射電鏡和使用熱場發射的熱場發射電鏡,后兩者也被統稱為場發射電鏡。
圖1 不同電子源的形狀
其次電子源發射出的電子需要被加速才能達到所需的速度和動能。這也易于實現:電子帶負電荷,如果電極帶正電,那么電子就會被加速。所以電子源下方會設置加速極(陽極),使電子束獲得設定的動能。比如加速極設置為15 kV,那么電子束被加速后的動能則為15 keV。
再次,電子束也能被會聚,就如光鏡會聚光線那樣(圖2)。中學物理告訴我們,電子束連透過薄紙片都困難,更何況光學透鏡鏡片。解決起來并不麻煩,靜電場可以偏轉電子束,但是通常使用電磁場來實現這一點:繞制的電磁線圈和軟磁材料的結合制成的電磁透鏡,它產生一種特殊分布的磁場,可以偏轉電子但不加速它。見圖3,運動電荷在磁場中的運動軌跡依據洛倫茲公式:在電磁透鏡磁場的作用下,電子不僅沿光軸向下運行還逐漸縮小了旋轉半徑,這樣就實現了電子束的會聚。
圖2 光鏡偏折光線并實現會聚
圖3 電磁透鏡偏折電子束并實現會聚
比較圖2和圖3,如果不考慮電子在磁場中的旋轉,可以把它等效成光子在光鏡中的會聚,焦距和焦點的概念也與光學定義一致。這也是為什么很多電鏡示意圖中,直接使用光學表示法的原因。而且作為顯微鏡,電鏡中的許多術語也借鑒至光學,殊無二致。
還需考慮電子束的偏轉,偏轉才能實現掃描的功能。靜電場和電磁場都能偏轉電子束。在實際電鏡中,較常使用一種特殊的電磁線圈,也被稱為掃描線圈。它被繞成鞍狀,不像電磁透鏡那樣會聚電子束,只是偏轉電子束。
還有許多考慮的技術問題,比如怎樣控制電子束的電流大小、會聚角的大小,減少成像缺陷等,所以電鏡也存在光闌,見圖4所示。
圖4 光闌的實物和作用
以上說明,我們可以很好地操控電子束來制作掃描電鏡。掃描電鏡的工作原理大體如圖5所示:電子源發射電子束,然后被加速極加速;加速后的電子被聚光鏡和光闌系統調節,然后被物鏡最終會聚到樣品表面;在最終會聚的同時,在掃描線圈的作用下,電子束按需偏轉到不同的點,探測器把收集的信號同步顯示在顯示器上。
圖5 掃描電鏡的工作原理
3 光鏡和電鏡的異同與利弊
如前所述,電子和光子相同處很多,所以相同術語很多,兩者的不同造成電鏡和光鏡不同的結構和用途。在工作中,我們也會用到光鏡,且很多測試要先經過光鏡再上電鏡,再加上掃描電鏡和透射電鏡也經常被用到,所以從表征的目的考慮,了解光鏡和電鏡的異同和適用范圍也非常有意義。圖6簡易比較了幾種成像在圖像上的差別,從光鏡到掃描電鏡再到透射電鏡,總體上是放大倍數越來越大。
圖6 幾種成像方式在圖像上的差別
圖7比較了掃描電鏡和普通光鏡在成像上的差別,前者成像倍數更大、清晰度更好且景深更大。
圖7 掃描電鏡和光鏡在成像上的實例
表2全面比較和總結了三者的異同、優勢和劣勢。
表2 三種電鏡的區別與應用
光鏡的優缺點是因為光子帶來的:我們的眼睛就善于用光去捕捉世間的微妙,可惜衍射極限限制了看清更小的物體。然后人們用電子束去突破光的衍射極限,能看得更小更清,但是電鏡的優缺點也是電子帶來的:電子需要在真空中運行,它具有更高的能量也具有更大的破壞性,對樣品也提出了更高的要求,尤其是透射電鏡,為了看得更輕樣品需要更薄。
除了用途外,在分析測試中人們還關注幾個指標,如分辨率、費用、功能等,圖 8 的雷達圖綜合比較了三種顯微鏡。
圖8 三種顯微鏡的比較
綜合表2和圖8可見,在三種顯微鏡中,掃描電鏡稍顯中庸,卻是六邊形戰士,它在各個科學領域的應用日益增多、銷量日益突破也是必然。當然,沒有完美的技術,只有技術的互補和擇優選用。
4 光鏡和電鏡處理實際問題
通過光鏡可以看到器件上的許多麻點,但是麻點為何物?成分如何?如何形成?僅通過光鏡是不行的,我們可以借助掃描電鏡繼續放大麻點,可知一些麻點為凸起,一些麻點為凹坑,一些點為有機殘留。經FIB切割后,可剖析凹凸的成因,并找出解決策略。
圖9 美信檢測案例
參考文獻
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