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1、现代理化分析读书报告------扫描电子显微镜在精密及超精密加工中的应用一、前言通过现代理化分析这门课，我学到了很多理论知识，受益匪浅。这些理论知识和我所在研究方向—精密及超密超精密加工有着紧密的联系，可以直接指导我今后的学习与研究，也就是能够做到很好的学以致用，以下我就结合现代理化分析中的扫描电镜在精密及超精密加工中的应用来总结一下学习感想。文章分为三个部分，首先是介绍扫描电子显微镜，其次是介绍精密与超精密加工，最后是介绍前者在后者中的具体应用。二、扫描电子显微镜1．扫描电子显微镜的工作原理 扫描电子显微镜（scanninge
2、lectronmicroscope）又简称SEM,是依靠电子与物质的相互作用成像，得到物体表面放大后的图像。扫描电镜工作时会用极狭窄的电子束去扫描样品，当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。2．扫描电子显微镜的组成部分扫描电子显微镜由三大部分组成：真空系统，电子束系
3、统以及成像系统。每个部分都有其相应的作用。1)真空系统真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。其中真空柱是一个密封的柱形容器，而真空泵用来在真空柱内产生真空。真空泵有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类，机械泵加油扩散泵的组合可以满足配置钨枪的SEM的真空要求，但对于装置了场致发射枪或六硼化镧枪的SEM,则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。成像系统和电子束系统均内置在真空柱中。真空柱底端即为密封室，用于放置样品。之所以要用真空，主要基于以下两点原因：电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM时需要用真空以外，
4、平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。 2）电子束系统电子束系统由电子枪和电磁透镜两部分组成，主要用于产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成像。电子枪用于产生电子，主要有两大类，共三种。一类是利用场致发射效应产生电子，称为场致发射电子枪。这种电子枪极其昂贵，在十万美元以上，且需要极高真空。另一类则是利用热发射效应产生电子，有钨枪和六硼化镧枪两种。 热发射电子需要电磁透镜来成束，所以在用热发射电子枪的SEM上，电磁透镜必不可少。通常会装配两组汇聚透镜：顾名思义，汇聚透镜用汇聚电子束，装配在真空柱中，位于电
5、子枪之下。通常不止一个，并有一组汇聚光圈与之相配。但汇聚透镜仅仅用于汇聚电子束，与成像会焦无关。物镜为真空柱中最下方的一个电磁透镜，它负责将电子束的焦点汇聚到样品表面。 3）成像系统 电子经过一系列电磁透镜成束后，打到样品上与样品相互作用，会产生次级电子、背散射电子、欧革电子以及X射线等一系列信号。所以需要不同的探测器譬如次级电子探测器、X射线能谱分析仪等来区分这些信号以获得所需要的信息。虽然X射线信号不能用于成像，但习惯上，仍然将X射线分析系统划分到成像系统中。3．扫描电子显微镜的优势与传统的光学显微镜相比，扫描电子显微镜
6、由于其全新的成像原理，从而拥有了传统光学显微镜所不具备的优势，主要有：1、能够直接观察大样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。对试样的形状没有任何限制,粗糙表面也能观察,这便免除了制备样品的麻烦,而且能真实观察试样本身物质成分不同的衬度。2、观察厚试样。其在观察厚试样时,能得到高的分辨率和最真实的形貌。扫描电子显微的分辨率介于光学显微镜和透射电子显微镜之间。样品制备过程简单，不用切成薄片。3、样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察。扫描电子显微镜由于工作距离大(可大
7、于20mm),焦深大(比透射电子显微镜大10倍),样品室的空间也大,因此,可以让试样在三度空间内有6个自由度运动(即三度空间平移,三度空间旋转),且可动范围大,这对观察不规则形状试样的各个区域细节带来极大的方便。4、景深大，图像富有立体感。扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。扫描电子显微镜的焦深比透射电子显微镜大10倍,比光学显微镜大几百倍。由于图象景深大,故所得扫描电子象富有立体感,具有三维形态,能够提供比其他显微镜多得多的信息,这个特点对使用者很有价值。5、图像的放大范围广，分辨率也比较高。可放大十几倍到
8、几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达3nm。6、电子束对样品的损伤与污染程度较小。7、在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。扫描电镜最初被应用于细胞生物学，随着扫描电
