第四章 實驗
4.2 製程儀器與技術
4.2.1 掃描式電子顯微鏡
掃描式電子顯微鏡（如圖 4.2）主體是由電子鏡柱（包含有電子槍（electron gun）、電磁透鏡（electromagnetic lens））、樣品室（specimen chamber）、電子成 像與控制系統及真空幫浦系統所組成。
圖 4.2 掃描式電子顯微鏡 JSM-6380 結構示意圖 [5]。
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電子源依照放射方式可分為以下兩種 [4]〆 A. 熱游離發射（Thermionic Emission）
利用電流直接加熱電子槍材料產生高溫，使電子獲得高動能，克服電子 槍材料的功函數（work function），超越表面電位之能障而游離，較常見 之電子槍燈絲（filament）材料有以下四種〆
1. 鎢絲（W, Tungsten）電子槍〆
鎢的功函數約為 4.30-5.25 eV ，是其晶體結構而定，常見的多晶 鎢為 4.5 eV 。真空度要求較低（10-5-10-6 torr），但是電流亮度低，
約 105 A/（cm2str），加熱至 2700 K 即有大量電子克服功函數而 釋出。其優點為熔點高、蒸氣壓低々缺點為功函數過高、加熱至 2000 K 以上即生成晶粒（grain），晶粒邊界沿鎢絲成長，使材質 變脆，強度降低々本實驗室之 JSM-6380 即為此種類型（如圖 4.2）
[5]。
2. 釷化處理鎢絲（Thoriated Tungsten）〆
釷化即是在鎢絲表面濺鍍單層釷（Th），釷的功函數為 3.4 eV，
釷化後（W+Th）為 2.6 eV，且於高溫下生成氧化釷（ThO2）， 可抑制鎢晶粒成長，改善純鎢絲的缺點。
3. 六硼化鑭（LaB6）電子槍〆
以單晶或複晶之 LaB6為電子源。單晶功函數約 2.0 eV，複晶約 2.4 eV，加熱溫度約 1800 K。其電流量鍍較鎢高約 10 倍々真空 度要求較高，壽命較長，故目前廣為使用。LaB6晶體常焊接於 鎢絲，從鎢絲獲得熱能，可得較穩定之電子流。
4. 金屬鉭（Ta）〆
直徑約 1 公分之單晶鉭薄片。單晶功函數 4.0~4.25 eV。
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B. 場發射（Field emission）
場發射電子槍主要是以極強電場強度（~108 V/cm），降低針狀金屬或 合金的功函數，表面原子的電子因為穿隧效應，脫離表面發射出來，不 需要加熱。場發射較熱游離之電流亮度高，真空度要求亦較高（10-9-10-10 torr），壽命亦長。並利用電場拘束電子束的截面積。場發射較常見之種 類有〆
1. 冷（Cold）〆
電子槍材料為鎢絲，功函數 4.5 eV，極強電場下室溫作用，電流 亮度 10-8-10-9 A/（cm2str）。
2. 熱（Thermal）〆
電子槍材料與功函數同冷場，於高溫 1800 K 下操作，電流亮度 為 10-8 A/（cm2str）々本實驗室之 JSM-7000F 即為此種類型。
此外，本實驗室之 JSM-6380 燈絲外圍，通常具有一威氏罩或柵極（Wehnelt or grid cap），當大量電子自燈絲尖端釋出時，同時提供燈絲約-60 kV 至-100 kV 之加速電壓加速電子，並使威氏罩相較燈絲偏壓更負 100-500 V，以便讓電子能 形成一電子束交叉（gun crossover），並從威氏罩上之小孔穿過陽極進入聚光鏡（如 圖 4.3）[6]。
圖 4.3 電子槍與威氏罩示意圖 [6]。
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電子顯微鏡上之電磁透鏡，通常採用多重聚光鏡裝置，可隨意調整電子束聚 集後之光點大小（spot size），以便達到適當範圍的照明區域，減少對樣品破壞的 程度。聚光鏡上並有一可選擇不同孔徑大小之可變孔徑（movable aperture）以及 用來校正聚光鏡磁場對稱性的像散校正器（stigmator）。
成像原理主要是當電子經過電磁透鏡聚焦形成一極小電子探束（electron probe）投射於樣品上 [7]，樣品通常放置於一可前後左右移動並可作水平旋轉與 高角度傾斜的樣品座（specimen stage）上，利用探束在樣品上做來回掃描。由於 探束具備高能量因此會深入樣品表面形成一作用體積（interaction volume），並在 不同層面上釋出歐傑電子（Auger electron）、二次電子、背向散射電子及 X 射線
（如圖 4.4）[8]。歐傑電子能量最弱，僅能於樣品表面偵測得到，二次電子次之，
產生的量也最大，背向散射電子具有較高能量，故可自較深層中產生。電子束撞 擊樣品後所產生之訊號藉由偵測器（detector）接收，並經過轉換放大後顯示於 螢光幕（CRT）上，可觀察樣品表面立體結構，X 射線則可作為分析樣品中成分 元素之種類與定量之依據。
圖 4.4 電子束與試片作用原理示意圖 [8]。
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此偵測器主要構造為一閃爍器（scintillator），可將撞擊其上的電子所產生的 光子經由光導管（light pipe）傳至光放大器（photomultiplier）加以放大增強，為 了能夠接收更多的二次電子訊號或選擇接收背向散射電子，通常在閃爍器外圍另 有一金屬罩，稱為法拉弟籠，可提供-50 V 至+300 V 左右的電壓。由於二次電子 所具有的能量較低，因此在金屬罩為正電壓時會被吸引進入偵測器，若將金屬罩 改為負電壓時，則二次電子會被排斥而僅有能量較大的特定角度背向散射電子有 機會進入偵測器。由於樣品上產生的訊號以二次電子為最多，故通常掃描電子顯 微鏡多以二次電子影像（Secondary Electron Image, SEI）來觀察樣品（如圖 4.5）
[8]，當然亦可選擇只接收背向散射電子而來呈現背向散射電子影像
（Backscattered electron image, BEI）。
圖 4.5 電子偵測器示意圖（B:背向散射電子、SE:二次電子、F:法拉第籠、S:閃爍 計數器、LG:光導管、PM:光放大器）[8]。
由於背向散射電子於樣品中較深層部位中釋出，且僅有特定角度方可進入偵 測器，因此其影像相較二次電子影像更具有明顯之立體感。然而影像之放大倍率 決定於電子束於樣品上掃描之範圍與螢光幕的比值，掃描範圍越小，所觀察到的 影像放大倍率越大（如圖 4.6）[8]。而影像解析度則視所聚成的電子束直徑大小
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決定，通常探束直徑越小，解析度越高々至於真空系統則是負責維持鏡柱中的高 度真空，避免燈絲高溫下氧化燒毀。
圖 4.6 掃描式電子顯微鏡放大倍率示意圖 [8]。