前言

 

光學(xué)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(yīng)運而生。電子和光子相同處很多，所以相同術(shù)語很多，但兩者的不同造成電鏡和光鏡不同的結(jié)構(gòu)、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(zhì)，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(qū)別與應(yīng)用

 

以上知識涉及較多物理和光學(xué)內(nèi)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(zhì)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(xué)成像相比，利用電子成像具有理論分辨率更高、可激發(fā)信號更多等優(yōu)點；缺點則是微觀上可能對樣品損傷更大，電鏡結(jié)構(gòu)也會更為復(fù)雜。

 

電子與光子的這些區(qū)別，使得電子顯微鏡在原理、結(jié)構(gòu)與用途等方面均與光學(xué)顯微鏡存在較大差異。光學(xué)顯微鏡使用光學(xué)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(xué)透鏡對應(yīng)，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(xiàn)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(yōu)點，但是技術(shù)實現(xiàn)上需要可行性。

 

首先是游離電子的產(chǎn)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(fā)出來。常用的電子發(fā)射方式有三種：熱發(fā)射、場發(fā)射和Schottky發(fā)射（也被稱為熱場發(fā)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(xù)再述及），所以電鏡也被分成了熱發(fā)射的掃描電鏡（比如鎢燈絲SEM），使用場發(fā)射的冷場發(fā)射電鏡和使用熱場發(fā)射的熱場發(fā)射電鏡，后兩者也被統(tǒng)稱為場發(fā)射電鏡。

 

圖1 不同電子源的形狀

 

其次電子源發(fā)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(xiàn)：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(shè)置加速極（陽極），使電子束獲得設(shè)定的動能。比如加速極設(shè)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(xué)物理告訴我們，電子束連透過薄紙片都困難，更何況光學(xué)透鏡鏡片。解決起來并不麻煩，靜電場可以偏轉(zhuǎn)電子束，但是通常使用電磁場來實現(xiàn)這一點：繞制的電磁線圈和軟磁材料的結(jié)合制成的電磁透鏡，它產(chǎn)生一種特殊分布的磁場，可以偏轉(zhuǎn)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(jù)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(zhuǎn)半徑，這樣就實現(xiàn)了電子束的會聚。

 

圖2 光鏡偏折光線并實現(xiàn)會聚

 

圖3 電磁透鏡偏折電子束并實現(xiàn)會聚

 

比較圖2和圖3，如果不考慮電子在磁場中的旋轉(zhuǎn)，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(xué)定義一致。這也是為什么很多電鏡示意圖中，直接使用光學(xué)表示法的原因。而且作為顯微鏡，電鏡中的許多術(shù)語也借鑒至光學(xué)，殊無二致。

 

還需考慮電子束的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)才能實現(xiàn)掃描的功能。靜電場和電磁場都能偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)電子束。

 

還有許多考慮的技術(shù)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(fā)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(tǒng)調(diào)節(jié)，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(zhuǎn)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(shù)語很多，兩者的不同造成電鏡和光鏡不同的結(jié)構(gòu)和用途。在工作中，我們也會用到光鏡，且很多測試要先經(jīng)過光鏡再上電鏡，再加上掃描電鏡和透射電鏡也經(jīng)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(shù)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(shù)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(jié)了三者的異同、優(yōu)勢和劣勢。

 

表2 三種電鏡的區(qū)別與應(yīng)用

 

光鏡的優(yōu)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(yōu)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(guān)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(zhàn)士，它在各個科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多、銷量日益突破也是必然。當然，沒有完美的技術(shù)，只有技術(shù)的互補和擇優(yōu)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(xù)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(jīng)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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