扫描电子显微镜的应用范围

       简介： 

       电子束曝光技术（Electron Beam Lithography）指使用电子束在表面上制造图样的工艺，是光刻技术的延伸应用。 光刻技术的精度受到光子在波长尺度上的散射影响。使用的光波长越短，光刻能够达到的精度越高。根据德布罗意的物质波理论， 电子是一种波长极短的波。这样，电子束曝光的精度可以达到纳米量级，从而为制作纳米线提供了很有用的工具。电子束曝光技术在半导体工业中被广泛使用于研究下一代超大规模集成电路。

图形发生器及PC机（中科院电工所 DY-2000A）

       电子束曝光的设备实现电子束曝光技术有专门的仪器—电子束曝光机。也可以利用扫描电子显微镜作为平台，配置图形发生器软/ 硬件和工作站，按照提前设计好的图形，通过控制扫描电子显微镜的扫描线圈，使电子束按照一定顺序在光刻胶上完成曝光动作。

       日本电子（JEOL）JSM系列热场发射扫描电镜在EBL技术应用中的优势： 

       1.浸没式肖特基场发射电子枪，寿命长，Z大束流可达500nA。 

       2.束流稳定度高。 

       3.ACL（Z优角孔径控制镜），可在大束流下已经保持小电子束斑直径。 这三者结合，在保证刻蚀精度和刻蚀尺度的情况下，实现了GX率。

自1965年第 一台商品扫描电镜问世以来，经过50多年的不断改进，扫描电镜的分辨率已经大大提高，而且大多数扫描电镜都能与X射线能谱仪等附件或探测器组合，成为一种多功能的电子显微仪器。在材料领域中，扫描电镜发挥着极其重要的作用，可广泛应用于各种材料的形态结构、界面状况、损伤机制及材料性能预测等方面的研究，如图1所示的纳克微束FE-1050系列场发射扫描电镜。

图1 纳克微束FE-1050系列场发射扫描电镜

场发射扫描电镜组成结构可分为镜体和电源电路系统两部分，镜体部分由电子光学系统、信号收集和显示系统以及真空系统组成，电源电路系统为单一结构组成。

1.1 电子光学系统

由电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部件组成。其作用是用来获得扫描电子束，作为信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。

1.2 信号收集

检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。1.3 真空系统

真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染，一般情况下要求保持10-4~10-5Torr的真空度。

1.4 电源电路系统

电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。

图3为扫描电镜工作原理示意图，具体如下：由电子枪发出的电子束在加速电压（通常200V～30kV）的作用下，经过两三个电磁透镜组成的电子光学系统，电子束被聚成纳米尺度的束斑聚焦到试样表面。与显示器扫描同步的电子光学镜筒中的扫描线圈控制电子束，在试样表面的微小区域内进行逐点逐行扫描。由于高能电子束与试样相互作用，从试样中发射出各种信号（如二次电子、背散射电子、X射线、俄歇电子、阴极荧光、吸收电子等）。

图3 扫描电镜的工作原理示意图

这些信号被相应的探测器接收，经过放大器、调制解调器处理后，在显示器相应位置显示不同的亮度，形成符合人类观察习惯的二维形貌图像或者其他可以理解的反差机制图像。

由于图像显示器的像素尺寸远大于电子束斑尺寸，且显示器的像素尺寸小于等于人类肉眼通常的分辨率，显示器上的图像相当于把试样上相应的微小区域进行了放大，而显示图像有效放大倍数的限度取决于扫描电镜分辨率的水平。

早期输出模拟图像主要采用高分辨照相管，用单反相机直接逐点记录在胶片上，然后冲洗相片。随着电子技术和计算机技术的发展，如今扫描电镜的成像实现了数字化图像，模拟图像电镜已经被数字电镜取代。

扫描电镜是科技领域应用最多的微观组织和表面形貌观察设备，了解扫描电镜的工作原理及其应用方法，有助于在科学研究中利用好扫描电镜这个工具，对样品进行全面细致的研究。

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