掃描電子顯微鏡在精密及超精密加工中應用

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1、現(xiàn)代理化分析讀書報告------掃描電子顯微鏡在精密及超精密加工中的應用一、前言通過現(xiàn)代理化分析這門課，我學到了很多理論知識，受益匪淺。這些理論知識和我所在研究方向—精密及超密超精密加工有著緊密的聯(lián)系，可以直接指導我今后的學習與研究，也就是能夠做到很好的學以致用，以下我就結合現(xiàn)代理化分析中的掃描電鏡在精密及超精密加工中的應用來總結一下學習感想。文章分為三個部分，首先是介紹掃描電子顯微鏡，其次是介紹精密與超精密加工，最后是介紹前者在后者中的具體應用。二、掃描電子顯微鏡1．掃描電子顯微鏡的工作原理　掃描電子顯微鏡（scanninge

2、lectronmicroscope）又簡稱SEM,是依靠電子與物質的相互作用成像，得到物體表面放大后的圖像。掃描電鏡工作時會用極狹窄的電子束去掃描樣品，當一束高能的入射電子轟擊物質表面時，被激發(fā)的區(qū)域將產(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，其中主要是樣品的二次電子發(fā)射。二次電子能夠產(chǎn)生樣品表面放大的形貌像，這個像是在樣品被掃描時按時序建立起來的，即使用逐點成像的方法獲得放大像。2．掃描電子顯微鏡的組成部分掃描電子顯微鏡由三大部分組成：真空系統(tǒng)，電子束系

3、統(tǒng)以及成像系統(tǒng)。每個部分都有其相應的作用。1)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)主要包括真空泵和真空柱兩部分。其中真空柱是一個密封的柱形容器，而真空泵用來在真空柱內產(chǎn)生真空。真空泵有機械泵、油擴散泵以及渦輪分子泵三大類，機械泵加油擴散泵的組合可以滿足配置鎢槍的SEM的真空要求，但對于裝置了場致發(fā)射槍或六硼化鑭槍的SEM,則需要機械泵加渦輪分子泵的組合。成像系統(tǒng)和電子束系統(tǒng)均內置在真空柱中。真空柱底端即為密封室，用于放置樣品。之所以要用真空，主要基于以下兩點原因：電子束系統(tǒng)中的燈絲在普通大氣中會迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM時需要用真空以外，

4、平時還需要以純氮氣或惰性氣體充滿整個真空柱?！　?）電子束系統(tǒng)電子束系統(tǒng)由電子槍和電磁透鏡兩部分組成，主要用于產(chǎn)生一束能量分布極窄的、電子能量確定的電子束用以掃描成像。電子槍用于產(chǎn)生電子，主要有兩大類，共三種。一類是利用場致發(fā)射效應產(chǎn)生電子，稱為場致發(fā)射電子槍。這種電子槍極其昂貴，在十萬美元以上，且需要極高真空。另一類則是利用熱發(fā)射效應產(chǎn)生電子，有鎢槍和六硼化鑭槍兩種?！　岚l(fā)射電子需要電磁透鏡來成束，所以在用熱發(fā)射電子槍的SEM上，電磁透鏡必不可少。通常會裝配兩組匯聚透鏡：顧名思義，匯聚透鏡用匯聚電子束，裝配在真空柱中，位于電

5、子槍之下。通常不止一個，并有一組匯聚光圈與之相配。但匯聚透鏡僅僅用于匯聚電子束，與成像會焦無關。物鏡為真空柱中最下方的一個電磁透鏡，它負責將電子束的焦點匯聚到樣品表面?！　?）成像系統(tǒng)　　電子經(jīng)過一系列電磁透鏡成束后，打到樣品上與樣品相互作用，會產(chǎn)生次級電子、背散射電子、歐革電子以及X射線等一系列信號。所以需要不同的探測器譬如次級電子探測器、X射線能譜分析儀等來區(qū)分這些信號以獲得所需要的信息。雖然X射線信號不能用于成像，但習慣上，仍然將X射線分析系統(tǒng)劃分到成像系統(tǒng)中。3．掃描電子顯微鏡的優(yōu)勢與傳統(tǒng)的光學顯微鏡相比，掃描電子顯微鏡

6、由于其全新的成像原理，從而擁有了傳統(tǒng)光學顯微鏡所不具備的優(yōu)勢，主要有：1、能夠直接觀察大樣品表面的結構，樣品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。對試樣的形狀沒有任何限制,粗糙表面也能觀察,這便免除了制備樣品的麻煩,而且能真實觀察試樣本身物質成分不同的襯度。2、觀察厚試樣。其在觀察厚試樣時,能得到高的分辨率和最真實的形貌。掃描電子顯微的分辨率介于光學顯微鏡和透射電子顯微鏡之間。樣品制備過程簡單，不用切成薄片。3、樣品可以在樣品室中作三度空間的平移和旋轉，因此，可以從各種角度對樣品進行觀察。掃描電子顯微鏡由于工作距離大(可大

7、于20mm),焦深大(比透射電子顯微鏡大10倍),樣品室的空間也大,因此,可以讓試樣在三度空間內有6個自由度運動(即三度空間平移,三度空間旋轉),且可動范圍大,這對觀察不規(guī)則形狀試樣的各個區(qū)域細節(jié)帶來極大的方便。4、景深大，圖像富有立體感。掃描電鏡的景深較光學顯微鏡大幾百倍，比透射電鏡大幾十倍。掃描電子顯微鏡的焦深比透射電子顯微鏡大10倍,比光學顯微鏡大幾百倍。由于圖象景深大,故所得掃描電子象富有立體感,具有三維形態(tài),能夠提供比其他顯微鏡多得多的信息,這個特點對使用者很有價值。5、圖像的放大范圍廣，分辨率也比較高?？煞糯笫畮妆兜?/p>

8、幾十萬倍，它基本上包括了從放大鏡、光學顯微鏡直到透射電鏡的放大范圍。分辨率介于光學顯微鏡與透射電鏡之間，可達3nm。6、電子束對樣品的損傷與污染程度較小。7、在觀察形貌的同時，還可利用從樣品發(fā)出的其他信號作微區(qū)成分分析。掃描電鏡最初被應用于細胞生物學，隨著掃描電