扫描电子显微镜原理及发展综述

扫描电子显微镜

扫描电子显微镜是一种强大的工具，它可以帮助科学家观察到物质的更小的细节和结构。本文将介绍扫描电子显微镜的原理、应用、发展历程以及未来发展趋势。

原理

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）是一种利用扫描电子束与物体相互作用而获得形貌和微区组织信息的显微分析仪器。扫描电子显微镜的工作原理是，将高能电子轰击样品表面，使其表面电子被激发，发射出大量的二次电子。这些二次电子被探测器接收并转换成负电荷信号，在特定条件下被扫描成像。

应用

扫描电子显微镜广泛应用于多个领域，包括材料科学、生命科学、化学和地质学等。以下是该技术在这些领域中的应用：

• 材料科学：用于获取材料的形貌、结构以及表面性质等信息。

• 生命科学：用于观察细胞、细胞器、细胞表面的超微结构和蛋白质等生物分子的形态和结构。

• 化学：用于观察化学反应过程表面形貌、结构的变化以及材料结构的演化过程等。

• 地质学：用于研究各种矿物、岩石和地层等，以了解地质演化过程。

发展历程

1950年，发明了透射式电子显微镜，但它只能用于真空环境下的样品。1956年，Helmut Ruska和Max Knoll发明了扫描电子显微镜。该技术能够在空气中观察样品，并获得更高的象素分辨率。1965年， Hitachi公司普及了第一台商用扫描电子显微镜S-800。自此以后，扫描电子显微镜技术得到了快速的发展。

未来发展趋势

随着技术的发展，扫描电子显微镜的应用场景不断扩大。今后，该技术将越来越多地应用于纳米材料和微细加工领域。同时，随着计算机技术的发展，扫描电子显微镜将会实现更高的自动化和智能化，成为更加强大的工具。

结论

扫描电子显微镜是一款横跨多个领域应用的重要科学工具，其在材料科学、生命科学、化学和地质学等领域均有广泛的应用。虽然该技术已经发展多年，但随着技术和计算机技术的不断进步，扫描电子显微镜将会越来越强大，为人们探索科学世界提供更加强大的支持。

SECM基本原理及其在金属腐蚀中的应用

曹发和1*，夏妍1，刘文娟1，常林荣1，张鉴清1,2（1.浙江大学化学系，浙江杭州310027；2.中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室，辽宁沈阳110016）

摘要：扫描电化学显微镜（SECM）是一种具有较高空间分辨率的化学显微镜，在成像和动力学研究已经广泛应用.本文简要介绍SECM基本原理，综述2009年以来SECM在腐蚀方面的应用，包括扫描成像和异相电子转移化学活性的研究，并简要介绍了作者课题组在SECM方面的研究工作，展望SECM在腐蚀研究的应用.关键词：扫描电化学显微镜；金属；腐蚀中图分类号：O646.6文献标识码：A

自20世纪80年代末AllenBard教授提出扫描电化学显微镜（ScanningElectrochemistryMicro-scope，SECM）并进行了系列深入研究[1-2]后，20几年的发展使SECM在电化学的多个领域有着广泛的应用.因SECM较扫描参比电极技术（ScanningReferenceElectrodeTechnique，SRET）等电化学方法具有较高的空间分辨率和多种应用模式[3]，而腐蚀作为固液界面电荷转移，并具有高度局部化特征的一种典型电化学现象，SECM能有效提供局域化微区图像和电荷转移特征，因此在腐蚀领域也备受关注.自1999年，国内林昌健[4]、陈慎豪[5]和李晓刚[6-7]等就扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscope，SPM）技术在腐蚀，尤其在局部腐蚀的应用均有详细评述，2007年国外Wittstock[8]和Mirkin[9]分别发表综述性评述，详细地介绍了SECM的应用和展望.本文简要介绍SECM的基本原理及特点，并综述SECM在腐蚀领域应用的最新进展，特别是关于腐蚀动力学研究的最新进展，同时介绍本课题组在SECM腐蚀应用的部分工作，最后提出SECM在腐蚀领域应用的建议和展望.1扫描电化学显微镜基本原理及特点1.1基本原理扫描电化学显微镜的基础是超微电极（Ultra-microelectrodes，UME）[10].由超微电极作探针与样品置于电化学池中，溶液含电化学活性物质，如二茂铁甲醇等.采用双恒电位仪连接探针、基底样品、参比电极和辅助电极.超微电极（一般是Pt，Au，直径1~25μm）置于毛细玻璃管中，端面密封后，抽真空，加热玻璃管，固定Pt或者Au于玻璃管中，通过银树脂（SilverEpoxy）引出导线，最后打磨抛光端面和侧面至玻璃半径与Pt或Au半径一定比值（该比值记为RG，一般1.5~10，最小可以达到1.1）.当双恒电位仪施加在探针的电位足够负或足够正时（取决于溶液中的电活性物质性质，Ox氧化性电活性物质、Re还原性电活性物质），Ox在超微电极表面被还原为Re，并产生探针电流iT（如图1A）稳态的探针电流iT,∞：iT,∞=4nFCDa(1)式中，Pt或Au直径a、Ox浓度C以及扩散系数D、法拉第常数F和电子转移数n.当超微电极离基底电极足够远（大于几个探针半径），探针电流等于稳态极限电流（图1A）.当探针逼近基底，外测电流将不同于稳态极限电流.逼近绝缘体时，由于Ox扩散至超微电极部分受到阻止，iTiT,∞，称之为正反馈（PositiveFeedback，如图1C所示）.iT/iT,∞与基底电极的性质、探针与基底的距离d有关，属

综合评述2023年第43卷 第1期

过焦扫描光学显微测量技术综述

石俊凯1，李冠楠1，霍树春1，姜行健1，陈晓梅1，周维虎1，2

（1.中国科学院微电子研究所，北京100094；

2.中国科学院大学，北京100049）

摘 要：随着半导体产业的发展和器件性能的不断提升，半导体器件的特征尺寸越来越小，器件结构越来越复杂，对检测仪器的性能提出了更高的要求。首先介绍过焦扫描光学显微法（Through-focus Scanning Optical Microscope，TSOM）的测量装置及测量原理，该方法可实现三维几何参数的无损测量，

因其具有精度高、速度快、成本低等优点，可以满足在线测量的需求；然后从TSOM图构建和待测参数提取两个方面对TSOM方法的研究进展进行了梳理和归纳；最后对TSOM方法未来的研究重点和发展方向进行了展望。该方法有望为我国半导体制造产业提供新的检测手段，为优化和提升我国半导体制造工艺提供重要的技术支撑。关键词：光学微纳测量；过焦扫描光学显微法；深度学习；无损测量中图分类号：TB9 文献标识码：A 文章编号：1674-5795（2023）01-0018-12

Review of through-focus scanning optical microscopy

SHI Junkai1, LI Guannan1, HUO Shuchun1, JIANG Xingjian1, CHEN Xiaomei1, ZHOU Weihu1,2(1. Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China； 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract: As the semiconductor industry develops and the device performance improves continuously, the feature size of semi‑conductor devices is becoming smaller and smaller, and the device structure is becoming more and more complex. Therefore, it ur‑gently demands for the high performance of metrological instruments. This paper first introduces the measurement principle and the setup of through-focus scanning optical microscope (TSOM) method. This method can realize the nondestructive measurement of 3D geometric parameters, and has the advantages of high precision, fast speed, low cost, etc. It can meet the requirements of on‑line applications. Then the paper introduces the research progress of TSOM method from two aspects: the construction of TSOM im‑age and the extraction of structural parameters. Finally, it prospects the future research focus and development direction of TSOM method. This method is hopefully a new metrology method for China's semiconductor manufacturing industry, and provide impor‑tant technical support for optimizing and upgrading China's semiconductor manufacturing process.

扫描电镜简述

1

J

I A N G S U U N I V E R S I T Y

冶金工程专业硕士研究生结课论文

论文题目： 扫描电镜SEM分析技术综述

课程名称： Modern Material Analytic Technology

专业班级： 2015级硕士研究生

2 学生姓名

学 号： 2211505072

学院名称： 材料科学与工程学院

学 期： 2015-2016第一学期

完成时间： 2015年11月 30 日

扫描电镜SEM分析技术综述

摘要

扫描电子显微镜（如下图所示），简称为扫描电镜，英文缩写为SEM(Scanning

Electron Microscope)。它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。现在SEM都与能谱（EDS）组合，可以进行成分分析。所以，SEM也是显微结构分析的主要仪器，已广泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。

本文主要对扫描电镜SEM进行简单介绍，分别从扫描电镜发展的历史沿革；工作原理；设备构造及功能；在冶金及金属材料分析中的应用情况；未来发展方向等几个方面来对扫描电镜分析技术进行综述。

3 关键词: 扫描电子显微镜 二次电子 背散射电子 EDS 成分分析

扫描电子显微镜

目录

一 扫描电镜 ........................................................ 4

1.1 近代扫描电镜的发展 .............................................. 4