《半导体工艺基础 第三章——透射电子显微镜》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体工艺基础 第三章——透射电子显微镜（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章 透射电子显微镜【教学内容】【教学内容】 电镜照片实例电镜照片实例 电镜发展历程与现状电镜发展历程与现状 透射电子显微镜的结构与成像原理透射电子显微镜的结构与成像原理 主要部件的结构与工作原理主要部件的结构与工作原理 透射电子显微镜的分辨率和放大倍数的测定透射电子显微镜的分辨率和放大倍数的测定透射电子显微镜透射电子显微镜4 了解透射电子显微镜的结构与成像原理；了解透射电子显微镜的结构与成像原理； 了解透射电子显微镜主要部件的结构与工作原理；了解透射电子显微镜主要部件的结构与工作原理； 了解透射电子显微镜的分辨率和放大倍数的测定。了解透射电子显微镜的分辨率和放大倍数的测定。【重点掌握内容】
2、【教学难点】透射电子显微镜的工作原理透射电子显微镜的工作原理透射电子显微镜透射电子显微镜 电镜照片实例电镜照片实例 电镜发展历程与现状电镜发展历程与现状 透射电子显微镜的结构与成像原理透射电子显微镜的结构与成像原理 主要部件的结构与工作原理主要部件的结构与工作原理 透射电子显微镜的分辨率和放大倍数的测定透射电子显微镜的分辨率和放大倍数的测定电子显微镜通常可分为电子显微镜通常可分为扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（Scanning electron microscopy，SEM）和和透射电子显微镜（透射电子显微镜（Transmission electron microscopy，TEM）两类，是材
3、料微观分析的重要工具之一， 被广泛应用于材料、化工、医学、生物等各个领域。例如两类，是材料微观分析的重要工具之一， 被广泛应用于材料、化工、医学、生物等各个领域。例如 透射电子显微镜透射电子显微镜照片实例照片实例透射电镜扫描电镜透射电镜扫描电镜（a) 恐龙蛋数码图片(b）恐龙蛋扫描电镜图片（a) 恐龙蛋数码图片(b）恐龙蛋扫描电镜图片 图 恐龙蛋壳的微观形貌例1：恐龙蛋化石的表面分析图 恐龙蛋壳的微观形貌例1：恐龙蛋化石的表面分析透射电子显微镜透射电子显微镜照片实例照片实例2008 年，江西赣州发现 15 枚罕见恐龙蛋化石。在肉眼下，恐龙蛋壳表面光滑，但在扫描电镜下，其表面却并不光滑，而是呈凹
4、凸不平状。2008 年，江西赣州发现 15 枚罕见恐龙蛋化石。在肉眼下，恐龙蛋壳表面光滑，但在扫描电镜下，其表面却并不光滑，而是呈凹凸不平状。例2：“泰坦尼克号”铆钉断面形貌例2：“泰坦尼克号”铆钉断面形貌（a）“泰坦尼克号”油轮（b）铆钉断面的扫描电镜形貌（a）“泰坦尼克号”油轮（b）铆钉断面的扫描电镜形貌 图图 “泰坦尼克号”油轮铆钉的断面分析泰坦尼克号”油轮铆钉的断面分析透射电子显微镜透射电子显微镜照片实例照片实例“泰坦尼克号” 油轮曾号称“永不沉没之船”， 然而，在泰坦尼克号” 油轮曾号称“永不沉没之船”， 然而，在1912 年年4月月15日该船的首航过程即因为与冰山碰撞而永沉北大西洋
5、海底。有科学家通过扫描电镜发现，在该油轮所用的日该船的首航过程即因为与冰山碰撞而永沉北大西洋海底。有科学家通过扫描电镜发现，在该油轮所用的铆钉断面处含有较高比例的有机成份铆钉断面处含有较高比例的有机成份，推测认为这是导致，推测认为这是导致铆钉在冰冷的海水中发脆铆钉在冰冷的海水中发脆，进而导致沉船事故发生的原因。，进而导致沉船事故发生的原因。例3 ：“非典”病毒例3 ：“非典”病毒（a）非典型病毒示意图（b）非典型病毒的透射电镜图（a）非典型病毒示意图（b）非典型病毒的透射电镜图 图非典型病毒的透射电镜图片图非典型病毒的透射电镜图片透射电子显微镜透射电子显微镜照片实例照片实例2003年春流行的非
6、典型肺炎由年春流行的非典型肺炎由 Sars病毒引起，属管状病毒。 在透射电镜下，病毒引起，属管状病毒。 在透射电镜下，“非典”病毒呈不规则形状，直径约“非典”病毒呈不规则形状，直径约 60-220 nm。病毒粒子外包着脂肪膜。病毒粒子外包着脂肪膜，膜表面有三种糖蛋白：刺突糖 蛋白、小包膜糖蛋白、膜糖蛋白。，膜表面有三种糖蛋白：刺突糖 蛋白、小包膜糖蛋白、膜糖蛋白。例4 ：甲型H1N1流感病毒例4 ：甲型H1N1流感病毒透射电子显微镜透射电子显微镜照片实例照片实例2009年开始，甲型年开始，甲型H1N1流感在全球范围内大规模流行。典型病毒颗粒呈球状，直径为流感在全球范围内大规模流行。典型病毒颗粒
7、呈球状，直径为80nm-120nm，有囊膜。，有囊膜。囊膜上有许多放射状排列的突起糖蛋白囊膜上有许多放射状排列的突起糖蛋白，分别是红细胞血凝素，分别是红细胞血凝素(HA)、神经氨酸酶、神经氨酸酶(NA)和基质蛋白和基质蛋白M2。病毒颗粒内为核衣壳，呈螺旋状对称，直径为。病毒颗粒内为核衣壳，呈螺旋状对称，直径为10nm。（a）一位加州患者的TEM图（b）负染色体技术拍摄的H1N1的TEM图（a）一位加州患者的TEM图（b）负染色体技术拍摄的H1N1的TEM图 图甲型H1N1病毒的透射电镜图片图甲型H1N1病毒的透射电镜图片例5 ：单晶硅与多晶硅例5 ：单晶硅与多晶硅（a）单晶硅（b）多晶硅（a）
8、单晶硅（b）多晶硅 图 单晶硅与多晶硅的高倍率透射电镜形貌图 单晶硅与多晶硅的高倍率透射电镜形貌硅是集成电路产业的基础，半导体硅工业产品包括单晶硅、多晶硅、 外延片和非晶硅等，其中单晶硅具有完整的点阵晶体结构，不同的方向具 有不同的性质，是一种良好的半导材料，其纯度要求达到 99.9999% 以上 才能满足各类应用要求。利用高分辨率透射电镜可以硅是集成电路产业的基础，半导体硅工业产品包括单晶硅、多晶硅、 外延片和非晶硅等，其中单晶硅具有完整的点阵晶体结构，不同的方向具 有不同的性质，是一种良好的半导材料，其纯度要求达到 99.9999% 以上 才能满足各类应用要求。利用高分辨率透射电镜可以监测
9、单晶硅是否具有 完善的晶体结构监测单晶硅是否具有 完善的晶体结构。透射电子显微镜透射电子显微镜照片实例照片实例由以上五个通俗的例子可以发现，扫描电镜和透射电镜作为两类最基本的电子显微镜技术，已经渗透于人类生活的各个领域，是由以上五个通俗的例子可以发现，扫描电镜和透射电镜作为两类最基本的电子显微镜技术，已经渗透于人类生活的各个领域，是人类探索微观世界的有力工具之一人类探索微观世界的有力工具之一。在此，首先有必要对电镜的发展历史与现状作一初步的了解。在此，首先有必要对电镜的发展历史与现状作一初步的了解。透射电子显微镜透射电子显微镜照片实例照片实例 电镜照片实例电镜照片实例 电镜发展历程与现状电镜发
10、展历程与现状 透射电子显微镜的结构与成像原理透射电子显微镜的结构与成像原理 主要部件的结构与工作原理主要部件的结构与工作原理 透射电子显微镜的分辨率和放大倍数的测定透射电子显微镜的分辨率和放大倍数的测定透射电子显微镜透射电子显微镜发展历程与现状发展历程与现状 1878 年，年，Abbe 指出光学显微镜分辨 本领受到光波衍射的限制，指出光学显微镜分辨 本领受到光波衍射的限制，给出了表 示光学显微镜分辨本领极限的公式给出了表 示光学显微镜分辨本领极限的公式。一、发展历程一、发展历程 1897 年，年，J.J. Thomson 证实了电子的 存在证实了电子的 存在，1924 年，德布罗意提出年，德布
11、罗意提出微观粒 子的波粒二重性原理微观粒 子的波粒二重性原理，计算表明电子 波长比可见光波短得多；从而为电子 显微镜能够获得更高的，计算表明电子 波长比可见光波短得多；从而为电子 显微镜能够获得更高的分辨本领提供 了理论依据分辨本领提供 了理论依据。路易路易 德布罗意 （德布罗意 （1892-1989） 法国物理学家恩斯特） 法国物理学家恩斯特卡爾卡爾阿贝（阿贝（18401905） 德国物理学家、光学家、企业家） 德国物理学家、光学家、企业家 磁透镜聚焦理论的提出 。磁透镜聚焦理论的提出 。1926 年，年， Busch 建立了几何电子光学理论建立了几何电子光学理论。 他指出：。 他指出：具有
12、轴对称的磁场对电子 束具有聚焦作用具有轴对称的磁场对电子 束具有聚焦作用。这为电子显微镜 的发明提供了重要的。这为电子显微镜 的发明提供了重要的理论依据理论依据。 正是由于有了物理学和电子光学的 这些最基本的理论和发现才导致正是由于有了物理学和电子光学的 这些最基本的理论和发现才导致M. Knoll 和和 E. Ruska 于于 1932 年发明 了第一台电子显微镜年发明 了第一台电子显微镜。证明可用电 子束和磁透镜进行成像。证明可用电 子束和磁透镜进行成像。电子束在磁场中聚焦示意图电子束在磁场中聚焦示意图放大12倍铜网电子图像放大12倍铜网电子图像透射电子显微镜透射电子显微镜发展历程与现状发
13、展历程与现状透射电子显微镜透射电子显微镜发展历程与现状发展历程与现状 第一台透射电镜的诞生第一台透射电镜的诞生 1931 -1934 年 。年 。德国学者鲁斯卡等研制成功世界 上第一台透射电子显微镜德国学者鲁斯卡等研制成功世界 上第一台透射电子显微镜，至，至1934年其 分辨率达到了年其 分辨率达到了500 埃。鲁斯卡因为在电 镜光学基础研究及以上贡献获得了埃。鲁斯卡因为在电 镜光学基础研究及以上贡献获得了1986 年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。鲁斯卡（1906-1988）德国物 理学家鲁斯卡（1906-1988）德国物 理学家德国西门子公司总部德国西门子公司总部 第一台商品透射电镜的问世第
14、一台商品透射电镜的问世 1939年。年。 西门子公司于西门子公司于1939年研制成功世界上第 一台商品透射电镜年研制成功世界上第 一台商品透射电镜，分辨率优于，分辨率优于 100埃；埃； 1954年进一步研制成功年进一步研制成功Elmiskop I型透 射电镜，分辨率优于型透 射电镜，分辨率优于10埃。埃。（6） 现代透射电镜的发展水平（6） 现代透射电镜的发展水平 目前世界上生产透射电镜的厂家主要有：目前世界上生产透射电镜的厂家主要有： 日本电子、日立和美国菲利普公司日本电子、日立和美国菲利普公司。所产的 透射电镜可粗略分为：。所产的 透射电镜可粗略分为： 常规透射电镜：加速电压 100-2
15、00 kV;常规透射电镜：加速电压 100-200 kV; 中压透射电镜：加速电压 300-400 kV；中压透射电镜：加速电压 300-400 kV； 高压透射电镜：加速电压 1000 kV。高压透射电镜：加速电压 1000 kV。 随着20世纪90年代纳米科技的发展，有力推动了透射电镜的进一步发展，目前透射电镜晶格分辨率最高达0.1nm，放大倍率150万倍。随着20世纪90年代纳米科技的发展，有力推动了透射电镜的进一步发展，目前透射电镜晶格分辨率最高达0.1nm，放大倍率150万倍。 加速电压可达2000 kv的超 高压透射电镜加速电压可达2000 kv的超 高压透射电镜透射电子显微镜透射
16、电子显微镜发展历程与现状发展历程与现状我国透射电镜发展状况我国透射电镜发展状况 我国在透射电镜的研制方面力量薄弱，我国在透射电镜的研制方面力量薄弱，至今尚未有商品化至今尚未有商品化的 国产透射电子显微镜。的 国产透射电子显微镜。 我国各科研院所和大专院校的现有电镜设备，我国各科研院所和大专院校的现有电镜设备，基本上是直接 购买国外先进的电镜或者在原有电镜的基础上改造升级基本上是直接 购买国外先进的电镜或者在原有电镜的基础上改造升级。清 华大学材料工程学院所购日本电子的。清 华大学材料工程学院所购日本电子的 JEM-2010F 和和JEM- 200CX 实现了图像的实时采集和数字化，具有良好的图像质 量，但价格昂贵，每套图像处理系统报价在实现了图像的实时采集和数字化，具有良好的图像质 量，但价格昂贵，每套图像处理系统报价在 6-8 万美元。万美元。 北京有色金属研究院在原
