SEM工作原理，电镜和光镜的区别

 

前言

 

光学显微镜（以下简称光镜）分辨率有限，限制了人们对微观世界的探索。用电子替代光子，分辨率更高的电子显微镜应运而生。电子和光子相同处很多，所以相同术语很多，但两者的不同造成电镜和光镜不同的结构、不同的适用范围。本专栏将以世人接触更多的光和光镜入手，希望通过类比的方法，使读者初步了解电子和光子，扫描电镜的工作原理，电镜和光镜的异同。

 

1 扫描电镜的原理

 

电子和光子在微观上都是极微小的物质，都能用于成像。生活中的图像来自于光，手机相册的图片是光带来的，而电子显微镜的图像则是借助于电子。首先我们比较这两者的差别，详见表1。

 

表1 光子和电子的区别与应用

 

以上知识涉及较多物理和光学内容，为了避免烧脑，可以把光子和电子的差别简介如下：电子有质量，加速后的电子，其动量和动能都远高于光子，波长又远小于光子；电子有电荷，所以要考虑电荷间的相互作用，比如电子与电子的相互作用，电子与原子中原子核、电子与核外电子的相互作用。因此，与光学成像相比，利用电子成像具有理论分辨率更高、可激发信号更多等优点；缺点则是微观上可能对样品损伤更大，电镜结构也会更为复杂。

 

电子与光子的这些区别，使得电子显微镜在原理、结构与用途等方面均与光学显微镜存在较大差异。光学显微镜使用光学透镜来会聚光线，而电子显微镜则使用电场和磁场来加速/会聚电子束，所以我们要考虑电子在电场和磁场中的运动。与会聚光束的光学透镜对应，会聚电子束的静电极和电磁线圈也分别被称为静电透镜和电磁透镜（也简称为磁透镜）。同时，电子跟光子一样，具有波粒二象性：在有些情况下可被视为粒子，在考虑衍射时可被视作波。

 

下边简介一下扫描电镜是如何操纵电子来实现扫描成像的。

 

2 操控电子—扫描电镜是如何工作的

 

如前所述，用电子来成像有许多优点，但是技术实现上需要可行性。

 

首先是游离电子的产生。电子一般被束缚在原子或晶体中，要形成电子束需要将电子激发出来。常用的电子发射方式有三种：热发射、场发射和Schottky发射（也被称为热场发射），详见图2。不同的电子源形状和特性各不相同，它们在根本上影响了电镜的性能（后续再述及），所以电镜也被分成了热发射的扫描电镜（比如钨灯丝SEM），使用场发射的冷场发射电镜和使用热场发射的热场发射电镜，后两者也被统称为场发射电镜。

 

图1 不同电子源的形状

 

其次电子源发射出的电子需要被加速才能达到所需的速度和动能。这也易于实现：电子带负电荷，如果电极带正电，那么电子就会被加速。所以电子源下方会设置加速极（阳极），使电子束获得设定的动能。比如加速极设置为15 kV，那么电子束被加速后的动能则为15 keV。

 

再次，电子束也能被会聚，就如光镜会聚光线那样（图2）。中学物理告诉我们，电子束连透过薄纸片都困难，更何况光学透镜镜片。解决起来并不麻烦，静电场可以偏转电子束，但是通常使用电磁场来实现这一点：绕制的电磁线圈和软磁材料的结合制成的电磁透镜，它产生一种特殊分布的磁场，可以偏转电子但不加速它。见图3，运动电荷在磁场中的运动轨迹依据洛伦兹公式：在电磁透镜磁场的作用下，电子不仅沿光轴向下运行还逐渐缩小了旋转半径，这样就实现了电子束的会聚。

 

图2 光镜偏折光线并实现会聚

 

图3 电磁透镜偏折电子束并实现会聚

 

比较图2和图3，如果不考虑电子在磁场中的旋转，可以把它等效成光子在光镜中的会聚，焦距和焦点的概念也与光学定义一致。这也是为什么很多电镜示意图中，直接使用光学表示法的原因。而且作为显微镜，电镜中的许多术语也借鉴至光学，殊无二致。

 

还需考虑电子束的偏转，偏转才能实现扫描的功能。静电场和电磁场都能偏转电子束。在实际电镜中，较常使用一种特殊的电磁线圈，也被称为扫描线圈。它被绕成鞍状，不像电磁透镜那样会聚电子束，只是偏转电子束。

 

还有许多考虑的技术问题，比如怎样控制电子束的电流大小、会聚角的大小，减少成像缺陷等，所以电镜也存在光阑，见图4所示。

 

图4 光阑的实物和作用

 

以上说明，我们可以很好地操控电子束来制作扫描电镜。扫描电镜的工作原理大体如图5所示：电子源发射电子束，然后被加速极加速；加速后的电子被聚光镜和光阑系统调节，然后被物镜最终会聚到样品表面；在最终会聚的同时，在扫描线圈的作用下，电子束按需偏转到不同的点，探测器把收集的信号同步显示在显示器上。

 

图5 扫描电镜的工作原理

 

3 光镜和电镜的异同与利弊

 

如前所述，电子和光子相同处很多，所以相同术语很多，两者的不同造成电镜和光镜不同的结构和用途。在工作中，我们也会用到光镜，且很多测试要先经过光镜再上电镜，再加上扫描电镜和透射电镜也经常被用到，所以从表征的目的考虑，了解光镜和电镜的异同和适用范围也非常有意义。图6简易比较了几种成像在图像上的差别，从光镜到扫描电镜再到透射电镜，总体上是放大倍数越来越大。

 

图6 几种成像方式在图像上的差别

 

图7比较了扫描电镜和普通光镜在成像上的差别，前者成像倍数更大、清晰度更好且景深更大。

 

图7 扫描电镜和光镜在成像上的实例

 

表2全面比较和总结了三者的异同、优势和劣势。

 

表2 三种电镜的区别与应用

 

光镜的优缺点是因为光子带来的：我们的眼睛就善于用光去捕捉世间的微妙，可惜衍射极限限制了看清更小的物体。然后人们用电子束去突破光的衍射极限，能看得更小更清，但是电镜的优缺点也是电子带来的：电子需要在真空中运行，它具有更高的能量也具有更大的破坏性，对样品也提出了更高的要求，尤其是透射电镜，为了看得更轻样品需要更薄。

 

除了用途外，在分析测试中人们还关注几个指标，如分辨率、费用、功能等，图 8 的雷达图综合比较了三种显微镜。

 

图8 三种显微镜的比较

 

综合表2和图8可见，在三种显微镜中，扫描电镜稍显中庸，却是六边形战士，它在各个科学领域的应用日益增多、销量日益突破也是必然。当然，没有完美的技术，只有技术的互补和择优选用。

 

4 光镜和电镜处理实际问题

 

通过光镜可以看到器件上的许多麻点，但是麻点为何物？成分如何？如何形成？仅通过光镜是不行的，我们可以借助扫描电镜继续放大麻点，可知一些麻点为凸起，一些麻点为凹坑，一些点为有机残留。经FIB切割后，可剖析凹凸的成因，并找出解决策略。

 

图9 美信检测案例

 

参考文献

 

(1) 施明哲. 扫描电镜和能谱仪的原理与实用分析技术[M]. 电子工业出版社, 2015.

(2) 张大同. 扫描电镜与能谱仪分析技术[M]. 华南理工大学出版社, 2009.

(3) 高尚，杨振英，马清，等. 扫描电镜与显微分析的原理、技术及进展[M]. 广州: 华南理工大学出版社，2021.

(4) Reimer L. Scanning Electron Microscopy — Physics of Image Formation and Microanalysis, 2nd [M]. Springer, 1998.

(5) Goldstein J, Newbury, D E, et al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, 3rd[M]. Springer, 2003.

(6) Goldstein J, Newbury, D E, et al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, 4th[M]. Springer, 2018.

(7) Ul-Hamid, A. A beginners' guide to scanning electron microscopy[M]. Springer, 2018.

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