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場發射顯微鏡是什麼?不可不知的新一代奈米技術研究新寵兒!

勀傑科技 整理

引言

SEM掃描式電子顯微鏡已經在各大產業中嶄露頭角,成為材料分析表面分析的多用途工具。然而隨著科學和工程的不斷進步,對成像品質要求越加嚴格 (即要求更高的信噪比和解析度) 。當我們需要應對更加嚴苛的應用時,例如觀察極小尺寸的材料結構或處理電子束敏感的樣品,就需要倚賴場發射掃描式電子顯微鏡(Field-Emission Scanning Electron Microscope,FE-SEM)。

本文將介紹場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)與一般掃描式電子顯微鏡(SEM)的不同之處,以及它在當今的學術界和產業界中的重要性。

什麼是場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)?

掃描式電子顯微鏡常用的燈絲源為熱游離式 (如:鎢燈絲、LaB6燈絲、CeB6燈絲),並可進行元素分析、表面觀測以及細微結構成像,這種多功能性使其成為當今研究和產業界的寶貴工具,幫助科學家和工程師突破技術的瓶頸,開拓新的領域。

場發射掃描式電子顯微鏡則使用FEG燈絲源,能產生更高亮度電子束,因此能獲得更高解析的成像,在奈米尺度、材料科學、生物學觀察及半導體製造等領域,都展現出無可比擬的優勢。

場發射掃描式電子顯微鏡如何成像

FE-SEM與一般掃描式電子顯微鏡同樣都是以電子束來成像,運作要點大致如下:

●   電子源:FE-SEM使用的電子源是場發射電子源,通常由金屬尖端或碳奈米管構成。這些尖端非常尖銳,能夠在極低的電場下釋放出電子。

●   電子聚焦:一旦電子被釋放,會形成一個非常細小的電子束,由於FEG(奈米)的發射面積比熱游離燈絲源(微米)的要小得多,因此輝度遠大於熱游離式燈絲源(產生的亮度更高)。

●   與樣品交互作用:電子與樣品間會有不同的交互作用,並且產生各種信號,每種信號又提供樣品不同面向的資訊。

●   信號檢測:FE-SEM使用者可以根據需求選擇合適的偵測器,最常見的電子放射信號檢測類型為以下兩種:

○   二次電子(SE):電子束與樣品發生非彈性碰撞後,樣品內的電子獲得能量後溢出的結果。二次電子來自樣品淺層區域,可應用於觀看表面形貌的高低起伏。

○   背散射電子(BSE):電子束與樣品發生彈性碰撞後,反彈而離開樣品表面的結果。背散射電子來自樣品較深層的區域,可從成像亮度來區別不同元素的對比。

●   影像生成:根據檢測到的信號,FE-SEM會生成高解析度的影像。

BSE成像(左圖)與SE成像(右圖)

場發射掃描式電子顯微鏡 vs. 掃描式電子顯微鏡 (FE SEM vs. SEM)

掃描式電子顯微鏡與場發射掃描式電子顯微鏡最大的差別在於其使用的燈絲源不同,造成兩者產生的亮度(輝度)差異及同樣設定條件下成像解析度的落差。FE-SEM可以在較低的加速電壓下運作,這種特性特別適合觀察對電子束敏感的樣品,並有助於減少樣品損傷。

FE SEM vs. SEM
圖說:電子束敏感材料需使用較低加速電壓以避免傷害樣品,FE-SEM可在低電壓下運作。左圖為在1kv下成像無損壞;右圖為在5kv下成像有損壞。

場發射掃描式電子顯微鏡 (FE-SEM) vs. 掃描式電子顯微鏡 (SEM) 比較表

 FE-SEMSEM
燈絲源場發射燈絲源 (FEG)熱游離燈絲源 (W,CeB6,LaB6)
燈絲壽命一般操作下,場發射>晶體燈絲>鎢絲燈
低電壓成像(電子束敏感樣品)適用通常操作有限
技術訓練需求市面上多為落地款,培訓需求較高依桌上型/落地款而有區別

FE SEM與SEM燈絲源比較

燈絲源比較

一般燈絲源可分為熱游離式(鎢燈絲,CeB6燈絲,LaB6燈絲)和場發射式,請見以下各種燈絲源的優缺點:

熱游離式

1.鎢燈絲源

掃描式電子顯微鏡常用的燈絲源之一。

●   優點:

相較於其它燈絲材質,鎢燈絲售價較便宜,在維護上也更方便,使用者通常能透過教學自行更換燈絲。

●   缺點:鎢燈絲是所有燈絲源中壽命最短的,壽命約60-100小時,且燈絲在壞掉之前無明顯徵兆,當燈絲壽命到盡頭時,可能會突然在成像或分析過程破裂,進而造成真空柱等地方污染。此外,鎢燈絲在成像品質上相較於CeB6或FEG燈絲源都較差。

2.CeB6 & LaB6燈絲源

CeB6(六硼化鈰)和LaB6(六硼化鑭)燈絲源都是常見的電子顯微鏡陰極發射體,它們在電子顯微鏡中的應用有著各自的優點和缺點:

●   優點:

六硼化物(CeB6或LaB6) 陰極提供的亮度是鎢的10倍,這使得六硼化物有兩個優勢超越鎢。第一,在相同的聚焦點上可以提供更多電流,換句話說,在同一個大小的點上,訊號雜訊比更佳。第二,在同一個訊號雜訊比為前提下,六硼化物的聚焦點能夠更小,這表示能呈現更好的解析度。

圖說:使用CeB6燈絲(左)與使用鎢絲燈(右)拍攝相同粉末成像的差異

CeB6燈絲源生命週期相較於鎢燈絲長,其使用壽命約為鎢燈絲的15倍以上。當CeB6燈絲老化可見跡象 (比如:要獲得與過往同品質成像時,會發現需要調整亮度或對比等),因此不會在使用中突然破裂,而能提早安排時程更換。

●   缺點:

六硼化物燈絲相較於鎢絲燈價格較高,但同時擁有更長的工作壽命、較低的更換次數及降低汙染的風險。

場發射式

場發射燈絲源

場發射燈絲源(FEG)透過高能電場作用於鎢絲尖端,使電子穿隧離開陰極得以釋放。

●   優點:

FEG燈絲源由於發射面積極小,因而能產生卓越的亮度,有助於提高成像品質。並且 FEG燈絲源壽命相對較長,通常可以持續一年以上無需更換。

●   缺點:

由於場發射燈絲源需要超高真空環境運作,因而成本相對較高。而且維持高真空會增加使用和維護的複雜性,進一步提高了整體操作難度。

不同燈絲源的成像差異
圖說:不同燈絲源的成像差異

場發射電子顯微鏡種類 – 熱場發射 & 冷場發射

場發射掃描式電子顯微鏡可分為熱場發射掃描式電子顯微鏡 (TFEG) 與冷場發射掃描式電子顯微鏡 (CFEG)。

熱場發射掃描式電子顯微鏡 (TFEG):

TFEG透過在加熱燈絲源時促進電子的熱游離發射來完成。TEFG壽命比CFEG短,但在較低電壓下,其能量散佈更大。

冷場發射掃描式電子顯微鏡 (CFEG):

CFEG使用冷場發射電子源,以相對較低的溫度發射高亮度的電子束。

不同燈絲源差異整理

項目/燈絲源Tungsten (W)CeB6FEG
Brightness (A/cm2 )10010005000
Source emitting tip sizeElliptical 50 by 100 µm25 µm100 nm
Life time (hours)~ 1001500+10.000+
Vacuum (mBar)10-1  ~ 10-5~ 10-7~ 10-9
Resolution 30kV~ 4 nm< 3 nm< 2nm
Resolution 1kV~ 50nm< 25 nm< 5 nm
Energy spread2.5-3eV1-1.5eV0.3-0.5eV

如上所述,場發射掃描式電子顯微鏡能擁有較高解析的成像,但由於操作門檻高,使用者必須經過專業的訓練課程以熟悉操作,否則容易因操作不當而導致機器損壞。因此,如無技術人員可自行操作,一般會透過委外檢測以取得相關資料或報告。

全球獨家桌上型場發射電子顯微鏡Phenom Pharos G2

市面上場發射電子顯微鏡多為落地款,而Phenom Pharos G2為全世界第一台桌上型FE-SEM,擁有能產出超高解析成像的FEG燈絲源,同時免去落地式電子顯微鏡其繁瑣複雜的高門檻操作程序。優點如下:

•使用熱場發射燈絲源成像,影像解析度優於2nm

•僅一台電腦桌機大小,不需提供專門的實驗室來放置

•設有防呆系統,降低人為因素導致機台異常

•SEM及EDS系統整合,使用者可在同一畫面做分析•擁有高、中、低真空模式

桌上型場發射掃描式電子顯微鏡FE-SEM  (Phenom Pharos G2)
燈絲源熱場發射燈絲源 (Schottky)
燈絲壽命10000hr
加速電壓1kV – 20kV,適用於電子束敏感樣品
技術訓練需求低 (30分鐘輕鬆入門)

資料來源:

1.Research Microscopy Solutions

2.FE-SEM分析技術在PCB板級檢測中的應用拓展

3.SEM的基本原理及應用

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