[终稿]钨灯丝、冷场、热场扫描电镜的区别

[终稿]钨灯丝、冷场、热场扫描电镜的区别 钨灯丝、冷场、热场扫描电镜的区别 扫描式电子显微镜，其系统设计由上而下，由电子枪 (Electron Gun) 发射电子束，经过一组磁透镜聚焦 (Condenser Lens) 聚焦后，用遮蔽孔径 (Condenser Aperture) 选择电子束的尺寸(Beam Size)后，通过一组控制电子束的扫描线圈，再透过物镜 (Objective Lens) 聚焦，打在样品上，在样品的上侧装有讯号接收器，用以择取二次电子 (Secondary Electron) 或背向散射电子 (Backscattered Electron) 成像。 电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布 (Energy Spread) 要小，目前常用的种类计有三种，钨(W)灯丝、六硼化镧(LaB6)灯丝、场发射 (Field Emission)，不同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差异。 热游离方式电子枪有钨(W)灯丝及六硼化镧(LaB6)灯丝两种，它是利用高温 使电子具有足够的能量去克服电子枪材料的功函数 (work function)能障而逃离。对发射电流密度有重大影响的变量是温度和功函数，但因操作电子枪时均希望能以最低的温度来操作，以减少材料的挥发，所以在操作温度不提高的状况下，就需采用低功函数的材料来提高发射电流密度。 价钱最便宜使用最普遍的是钨灯丝，以热游离 (Thermionization) 式来发射电子，电子能量散布为 2 eV，钨的功函数约为 4.5eV， 钨灯丝系一直径约 100µm，弯曲成 V 形的细线，操作温度约 2700K，电流密度为 1.75A/cm2，在使用中灯丝的直径随着钨丝的蒸发变小，使用寿命约为 40~80 小时。 六硼化镧(LaB6)灯丝的功函数为 2.4eV，较钨丝为低，因此同样的电流密度，使用 LaB6 只要在 1500K 即可达到，而且亮度更高， 因此使用寿命便比钨丝高出许多，电子能量散布为 1 eV，比钨丝要好。但因 LaB6 在加热时活性很强，所以必须在较好的真空环境下操作，因此仪器的购置费用较高。 场发射式电子枪则比钨灯丝和六硼化镧灯丝的亮度又分别高出 10 - 100 倍，同时电子能量散布仅为 0.2 - 0.3 eV，所以目前市售的高分辨率扫描式电子显微镜都采用场发射式电子枪，其分辨率可高达 1nm 以下。 目前常见的场发射电子枪有两种:冷场发射式(cold field emission , FE)，热场发射式(thermal field emission ,TF) 当在真空中的金属表面受到 108V/cm 大小的电子加速电场时，会有可观数量的电子发射出来，此过程叫做场发射，其原理是高 电场使电子的电位障碍产生 Schottky 效应，亦即使能障宽度变窄，高度变低，因此电子可直接"穿隧"通过此狭窄能障并离开阴极。场发射电子系从很尖锐的阴极尖端所发射出来，因此可得极细而又具高电流密度的电子束，其亮度可达热游离电子枪的数百倍，或甚至千倍。 场发射电子枪所选用的阴极材料必需是高强度材料，以能承受高电场所加诸在阴极尖端的高机械应力，钨即因高强度而成为较佳的阴极材料。场发射枪通常以上下一组阳极来产生吸取电子、聚焦、及加速电子等功能。利用阳极的特殊外形所产生的静电场，能对电子产生聚焦效果，所以不再需要韦氏罩或栅极。第一(上)阳极主要是改变场发射的拔出电压(extraction voltage)，以控 制针尖场发射的电流强度，而第二(下)阳极主要是决定加速电压，以将电子加速至所需要的能量。 要从极细的钨针尖场发射电子，金属表面必需完全干净，无任何外来材料的原子或分子在其表面，即使只有一个外来原子落在表面亦会降低电子的场发射，所以场发射电子枪必需保持超高真空度，来防止钨阴极表面累积原子。由于超高真空设备价格极为高昂，所以一般除非需要高分辨率 SEM，否则较少采用场发射电子枪。 冷场发射式最大的优点为电子束直径最小，亮度最高，因此影像分辨率最优。能量散布最小，故能改善在低电压操作的效果。为避免针尖被外来气体吸附，而降低场发射电流，并使发射电流不稳定，冷场发射式电子枪必需在 10-10 torr 的真空度下操作，虽然如此，还是需要定时短暂加热针尖至 2500K(此过程叫做 flashing)，以去除所吸附的气体原子。它的另一缺点是发射的总电流最小。 热场发式电子枪是在 1800K 温度下操作，避免了大部份的气体分子吸附在针尖表面，所以免除了针尖 flashing 的需要。热式能维持较佳的发射电流稳定度，并能在较差的真空度下(10-9 torr)操作。虽然亮度与冷式相类似，但其电子能量散布却比冷式大 3~5 倍，影像分辨率较差，通常较不常使用。 扫描电子显微镜之--电子枪结构原理及重要参数 SEM--基础 2010-06-21 14:10:42 阅读114 评论0 字号:大中小 订阅 DEMA 驰奔 编辑 欢迎浏览本博客，点击蓝色字体，链接本博客相关，转载请注明出处～ 电子枪是扫描电子显微镜电子光学系统主要部件之一，从电子枪阴极(灯丝)发射的电子，在加速电场(静电透镜)中汇聚形成的第一个最小光斑称作电子源，电子源是作为电磁透镜成像系统的“物”而存在，电子源可被电磁透镜放大和缩小(扫描电镜电磁透镜，按照高斯成像规则，对电子源进行缩小)，电子源的亮度和电子能量分散是电镜电子枪的两个重要性能指标。在一定加速电压下，决定电子源亮度和能量分 散的主要因素是电子枪阴极发射材料，发射方式和发射温度。 目前扫描电镜电子枪的发射材料主要有:钨、LaB6，YB6，TiC 或ZrC 等制造，其中W、LaB6应用 最多 发射方式主要为:热发射，场发射 发射温度: 常温300K(冷场发射)，1500K-1800K (热场发射、肖特基Schottky热发射)，1500K-2000K (LaB6热发射)，2700K( 发叉式钨丝热发射) 一、阴极发射基本原理简介: 电子枪提供一个稳定的电子源，以形成电子束，通常需要所谓的热发射过程从电子枪阴极获得这些电子。足够高的温度使得一定百分比的电子具有充分的能量E,以克服阴极材料的功函数Ew，而从阴极发射出。 Ef为费米能级。 金属中做着热运动的自由电子，其动能呈麦克斯韦分布。 1、随着温度升高，能量分散，即能量分布半高宽加宽 。E半高宽=2.45kT 不同电子枪灯丝工作能量分散最低值: 钨灯丝:3000K，1.014ev 六硼化镧:1500K 0.507 场 发射:300K 0.1014 2、随着温度升高，分布向高能端移动，有机会脱离金属材料的自由电子数量增加，就会有更多的电子具有 足以克服势垒的动能，只要方向合适，就会脱离金属出射。 自由电子金属热出射遵循李查德森规律:表面电流密度与温度和势垒(功函数)的关系。 A 为与电子发射材料有关的常数 T为阴极材料的绝对温度(K) 发射电流密度与金属温度T的平方和指数来体现，T在指数的影响更大。电流密度会随着温度提高急剧增 加。 功函数的影响在指数项的分母处，所以对发射也有决定性影响。每减小0.1ev的功函数，将使表面电流密 度提高1.5倍。 (一)、阴极热发射:选择阴极材料，要求功函数小，而且融点高。 最常用的阴极材料是钨丝, 融点是3650K，功函数4.5ev(功函数与晶体取向有关，单晶310为4.2ev)，2500-2800K有较强的的电流发射密度(1-2A/cm?)。钨丝阴极特点是稳定，制备工艺简单，应用十分广 泛。 六硼化镧:更为理想的阴极材料。功函数2.0-2.7ev，平均为2.4ev，(和晶体取向有关，110面为最佳取向2.0ev)在1500-2000K时能够工作。1500K的六硼化镧表面电流密度与钨灯丝3000K表面电流密度相 当。2000K六硼化镧表面电流密度为100A/cm?。 优点，1)、蒸发速率下降，可以获得更长的寿命 2)、从电子束亮度极大值Langmuir公式可以看出，当表面电流密度和加速电压相同的时候， 那么1500K六硼化镧的亮度是3000K钨灯丝亮度的两倍。 缺点:六硼化镧的化学活性很强，在加热时很容易和几乎所有元素形成化合物，这种情况发生，阴极会“中毒”，发射效率急剧下降。因此对真空要求比钨丝高，需要溅射离子泵。在较低真空中，表面会形成 紫色氧化物，影响性能。制造工艺复杂。以上两种可以克服的缺点提高了扫描电镜造价。 六硼化镧细小颗粒粉末(约为5μm)，热压烧结成杆，发射端磨成半径只有几个μm的尖端，一般只一个颗粒，工作时这个颗粒温度最高，因蒸发逐渐被侵蚀，相邻的一个颗粒则变成发射体。六硼化镧的功函数与反射体的结晶取向有关，尖端的这种随机变化，将引起电子枪周期性波动。 在发射的时候，由于有高偏压，六硼化镧电子枪也存在肖特基效应，但效应较低，有实验测量使得功 函数降低至多0.1ev。 六硼化镧的加热方式:1)、旁热电阻丝加热，前端加热，后端冷却。专用的电子枪。2)、直热式，用石墨片夹持，由于需要的六硼化镧很小，采用单晶六硼化镧，这样只要更换一个栅极帽，就可以和钨灯 丝栅极帽互换使用。 六硼化镧没有明显的饱和点，第一次安装，要自我激活。 交叉斑的电流密度分布为高斯分布 (二)、阴极场发射原理, 以及由此演化的三种不同类型的电子枪。 肖特基热发射、冷场发射、热场发射 肖特基效应: 发射体前电子的势能曲线 V(z)， 外加电场 -e I E I z，电子的势能曲线。实际增加外电场的主要途径是减小阴极的曲率半径，发叉式钨丝阴极为100微米， 六硼化镧阴极约为5微米，肖特基热场发射阴极(单 晶六硼化镧或者ZrO/W)为小于1微米，冷场发射阴极小于100nm。 1)、外电场可以忽略不计，曲线A，例如 发叉式钨灯丝阴极。 2)、外电场增加，如曲线B,表现为势垒高度降低，因而能够提高发射电流密度，就是所谓的肖特基效应。 只有外电场增加到10五次方V/cm以上，肖特基效应才明显。 例如:六硼化镧热发射阴极， 肖特基热 场发射阴极(单晶六硼化镧材料，表面覆氧化锆单晶钨扩展的肖特基场发射阴极) 3)、进一步增加外电场强度，如曲线C，不仅势垒高度进一步降低，而且势垒的宽度显著变窄，当势垒宽度小于10nm，量子隧道效应成为发射的主导机制。 这时处于室温，大多数电子的动能不足以克服已经降低了的势垒，但可以穿透势垒。由于在费米能级处有大量的自由电子，结果发射电流密度很大--所谓的冷 场发射，发射本质是量子隧道效应。 量子隧道效应发射电流密度服从 Fowler-Nordheim定律。 当外电场I E I 超过10九次方 V/m时， 发射电流密度 10000-1000000A/cm?。 冷场阴极曲率半径小于 100nm，发射面积很小，一般总的发射电流1-10微安 冷场发射阴极尖的气体吸附会影响功函数，并引起发射电流波动。提高电子枪室的真空度，10的负8Pa，可以降低气体的吸附速率，但无法避免，对发射尖端进行瞬间加热到2000?以上(flash)，将会有效的脱 气。低于10负8Pa，针尖很快损坏。 下图是日本日立冷场发射扫描电镜电子枪阴极操作说明。 8-12小时必需进行Flash脱气恢复，然后需要等待30分钟，发射束流才会相对稳定。 冷场发射电子枪阴极，采用310单晶钨，功函数4.2ev，腐蚀成冷场发射阴极针尖，曲率半径小于100nm 4)、基于冷场发射，总的发射束流小，稳定度差，气体吸附需要超高真空和每天Flash的一些缺点，采用折中方法的是热场发射，发射体加热到1500K,这要求阴极尖端直径较粗，但比肖特基阴极针尖曲率半径小，从而使得外电场强度略低于冷场发射。发射机制是隧道电流效应+热发射，集合了部分冷场场发射的优点，同时避免气体吸附效应，因而可在较差的高真空条件下工作。ZrO/w在1800K和10负7次方Pa真空条件下,发射性能和冷场不相上下。发射束流更高，更稳定。分辨率稍微有一点点差，但作为多功能 的使用价值远远高于冷场发射。 二、电子枪的电子源: 第一交叉斑直径do 从电子枪阴极发射的电子束，在静电透镜中聚焦形成的“第一交叉斑”，常常被称作电子源。其直径为do，一般为20μm~100μm，和加速电压形成的静电场强大小有关。电子源是电磁透镜(聚光镜，物镜)进行聚焦成像的“物”而存在，经过三级电磁透镜缩小，成为具有纳米尺度的微小电子束斑，用于揭示微小区 域物质信息。 1、热发射电子枪电子源 1)、发叉式钨灯丝电子枪 电子源do=50μm--钨灯丝电子枪结构原理示意图(直接通入灯丝电流加热) 2)、六硼化镧热发射电子枪: (旁热式:用加热线圈加热，被淘汰) 现在普遍采用直接加热，可以与钨灯丝互换。 六硼化镧电子枪结构示意图 原理和发叉式钨灯丝相同。电子源 Crossover 直径为10微米-20微米。 3)、肖特基热发射电子枪 肖特基热发射电子枪结构原理图 电子源为虚源，由于能量热分散，直径为50-100nm 2、场发射电子源 六硼化镧热发射阴极和热场发射阴极 场发射阴极焊接在发叉式钨丝上，给热场阴极ZrO/W加热，到1800K，热场发射阴极曲率半径约为300nm， 可以给冷场阴极W单晶，Flash。 1)、热场发射电子源(虚源) 直径 20nm 2)、冷场发射电子源(虚源) 直径为5nm 肖特基热发射和场发射(冷场、热场)，电子枪结构相同，只是发射机理油差异，因此有很多共性。 束流和束斑直径的关系，传统热发射电子束流和直径的8/3次方成正比，肖特基热发射和场发射电子束流和束斑直径的2/3次方成正比。100nm以下的束斑尺寸或者10nA以下的束流，场发射具有比热发射好的亮度，如果进一步加大束斑尺寸，场发射亮度将不如普通热发射。由于场发射SEM电子探针电流在nA-pA之间，当束流保持在nA级别时，束斑直径就已经非常小，因此非常适合在低加速电压条件下获得优越的 分辨。 三、电子源的亮度。 电子束几何光柱示意图。 电子源的平均电流密度为: 电子源的孔径角为a， 单位立体角中的电流密度是电子枪最重要的性能参数，被称为电子束的亮度: 好的电子源胜过好的电磁透镜系统。 β=(电流)/【(面积)*(立体角)】 Langmuir(1937年)指出，对于高电压来说，电子束亮度的极大值为 βo,Jk(eVo /πkT) Jk,阴极发射电流密度; Vo,电子枪的加速电压; k,玻尔兹曼常数; T,阴极发射的绝对温度; e,电子电荷。 由电磁透镜组成的电子光学系统中，电子束的斑直径可以放大和缩小，束的张角也可以变化，但只要电子的能量不变，电子束的亮度总保持恒定。在电子光学系统中，任何位置电子束斑的电流密度J为。 结论: 1、对于热发射，阴极材料的功函数越低，电子枪阴极的温度越高，电子枪的加速电压越高，电子源的亮 度越高。 2、对于场发射，除了与热发射具有共性以外，外加电场越高，亮度越高，主要赖于阴极针尖曲率半径， 电子枪的像差等。 参数粗略比较: 没有给出热场发射扫描电镜参数。 以下给出的肖特基FE数据完全是热发射， 四、自给偏压发叉式钨灯丝电子枪可调节参数: 在预定加速电压下，影响主要参数有:灯丝温度T，栅极偏压Vg，灯丝高度h和栅极孔直径d，总的电子 束电流Ib。 目的是选择参数T Vg h d,使得束流在尽量小的情况下达到电子枪的最大亮度。 1、灯丝温度Tc:由于灯丝的发射电流密度随温度的提高而急剧增长，所以提高灯丝温度是提高亮度的最简单直接的方法。温度的提高会遇到灯丝表面由于堆集而产生的空间电荷，会抑制发射的增加。高 亮度电子枪都必须采用尖状阴极以提高阴极表面的电位梯度，消除空间电荷。提高温度的最终限制是灯丝寿命。温度提高，增加了电子的热噪音，电子能量分散增加,增加了电子透镜的色差。 2、栅极偏压Vg:灯丝、栅极串联和阳极之间产生加速电场。加速电场只有通过栅极的小孔才能到达灯丝。但在灯丝和栅极之间加一个可变电阻，这样当电子发射后，在灯丝和栅极之间形成了偏压。这个偏压的存在，使得灯丝的电势比栅极的电势高，起到抑制灯丝电子发射的作用，引入了灯丝发射负反馈机制。随着灯丝温度升高，发射束流增加，偏压随之增加，灯丝和栅极之间的电场加大，灯丝尖端的电子束的发射面积减小，发射束流增幅降低，直到增加灯丝温度，束流发射不再增加，这时候实现灯丝发射饱和。 这时候的电子枪亮度是在这个条件下的最大值。 偏压Vg是靠偏压电阻，在束流发射条件下实现的，偏压Vg随电子枪发射电子束流的变化而改变。发射束流减小，偏压减小，灯丝发射面积增大，从而提高了束流发射;发射束流增大，偏压增大，灯丝发 射面积减小，束流随之减小。偏压起到稳定电子束流在一定小范围内自动调节的功能。 偏压电阻可调:在偏压电阻一定时，实现了电子枪饱和，再增加灯丝温度，灯丝发射束流基本不变。 亮度还可能会下降， 3、灯丝高度h 和栅极孔直径d:为了克服空间电荷，我们必须设法提高阴极表面电场强度，为了降低束流，我们必须同时减小发射面积。因此应使用尽量小的灯丝高度h，让灯丝尽量往外突，同时采用尽 量小的栅极孔径，或者尽量高的偏压. 降低灯丝到栅帽的距离h，减小栅极光阑直径，有利于电子枪实现更高的亮度，即是可以在更高的灯丝温度下实现接近理论值的最大亮度。而大的工作距离和大的栅极直径，却很难达到理论最大亮度。 亮度的提高，以牺牲灯丝寿命为代价，大多数扫描电镜h可调节; 栅极孔径过小，对中和灯丝变形难 度加大,一般d已经设计成最佳尺寸，操作者不可调节。 4、总电子束电流i-beam:Boersch效应:当较大的束流被压缩在一个小空间中，(例如三级电子枪中的电子束交叉点)，由于电子之间的距离较近，电子与电子之间的相互作用会加剧电子的能量分散。热发射的初速能量分散只有0.35ev，但Boersch效应使它增至1-2ev。束流越大能量分散也随之增大，所以在 要求低能量分散的场合，把电子强的总束流减小到一定程度，是有益的。 五、电子枪的对中: 电子源必需与电磁透镜系统严格同轴 不良同轴的后果: 1、直接后果,影响电子束流通过，电子源与透镜光轴偏离，大部分电子束会被光阑遮挡，到达样品的 初级电子束流受到很大影响。 2、会引入轴外电子成像聚焦，增大电磁透镜的像差。一般叫做电子枪引入的球差。 电子枪合轴:调节电子源与电磁透镜系统的同轴，成为电子枪合轴。分三个部分 1、 灯丝对中: 灯丝和栅极光阑孔对中。传统需要在显微镜下手工调节。栅极(韦氏帽)孔一般为 500μm，灯丝尖端直径约为100微米，调节对中靠人的眼镜，因此不同人的调节有较大误差。 目前普遍采用工厂预对中灯丝，由高精度零件机械定位，误差比手动调节的小。 2、电子枪整体的机械对中。主要是电子枪倾斜调整，这个步骤在老型号电镜上是必须的。随着组件精密度的提高，机械调整量很小。 如果电子枪有微小倾斜，都会损失大量的束流。因此调整是必要的 3、电磁对中调整: 当灯丝对中和机械对中调节到最佳后，使用一段时间，灯丝有少许的变形，使得电子源和透镜主 轴少许偏离，通过调节电磁对中，可以校正这种偏离。 由于最初的机械对中，在灯丝的温度和加速电压一定条件下校正的，当我们改变灯丝温度和加速电压时，灯丝会有少许变形，造成电子源偏离轴心;加速电压改变电子速度，经过原有的对中磁场时，电 子束将会相对原有正确方向有很大偏离。这时都需要进行电磁对中的调整。 参考资料:《电子显微镜与电子光学》