扫描电镜测试手册

RD-PS-WI01S1A兴森快捷-技术中心□绝密□机密□秘密■内部公开

1.0 目的

本标准规定了与电子探针和扫描电镜联用的X射线能谱仪的定量分析方法的技术要求和规范，适用于电子探针和扫描电镜X射线能谱仪对块状试样的定量分析。

2.0 应用文献

GB/T 17359-1998 电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析方法通则

3.0 试样及标准样品

3.1试样

3.1.1将试样制成适于装入所用仪器样品座内的尺寸，并将试样分析表面磨平、抛光；

3.1.2试样表面要作净化处理，如用无水乙醇或丙酮溶液清洗，或用超声波清洗装置进行清洗，去掉一切外来的污染物；

3.1.3对不允许磨光的样品，应在显微镜下观察和挑选出较为平坦的表面，以备分析用；

3.1.4不导电的样品要喷镀碳膜或其他导电膜，并保证与试样座有良好的导电通路。

3.2标准样品

3.2.1首先选用国家标准化行政主管部门批准颁发的国家标准样品，尚无合适的国标时，可选用相应机构认可的研究标样；

3.2.2应尽量选择成分和结构与被分析试样相近的标准样品；

3.2.3应检查标准样品的有效期、表面质量（清洁度、无损伤划痕）和导电性。

4.0设备

4.1电子探针仪或扫描电镜的电子枪灯丝充分预热，使发射电流稳定；

4.2对电子光学系统进行合轴调整

4.2.1在扫描电镜中，用扫描图像法精确测定电子束聚焦点的最佳X、Y、Z的坐标位置；

4.2.2坐标位置一旦确定，电子光学合轴系统，包括物镜电流等参数，在定量分析情况下不得再调整。

4.3 X射线能谱仪

4.3.1 X射线能谱仪应预热30min，使其工作稳定；

4.3.2在使用有可变窗口光阑的探测器时，应选择合适的窗口直径，对计数率低的样品选用大直径的窗口光阑，对计数率高且谱峰容易重叠的样品选用小直径的窗口光阑；

4.3.3在定量分析时选择最佳的X射线探测器的几何条件（探头里样品的距离），在分析同一样品时，应保持该几何条件不变。

4.4 经常检查X射线探测器的窗口污染程度

4.4.1检查时可应用某一纯元素样品的高、低能量的X射线峰值强度比值来估算（如Cu的Kα与Lα谱峰之比值）；4.4.2要经常保持探测器窗口清洁,当污染严重影响X射线的强度时应及时清洁窗口；

4.4.3当污染影响X射线的强度不太严重时，可通过增加X射线探测器的窗口厚度值参数进行修正。

4.5 X射线能谱仪的系统检查

4.5.1校验多道分析器的峰位漂移，利用能谱仪中的零位调节系统，使峰位漂移小于1道；

4.5.2校验分析器的能量刻度；

4.5.3检查多道分析器的检出效率；

4.5.4加盐脉冲处理器的状态，调节增益，并使噪音信号尽可能减小；

4.5.5定量分析时，应校验半导体探测器的分辨能力，对Be窗探测器，检查可用纯Cu、Co、Mn等标样进行，对超薄窗探测器还应用含F标样检查低能端的分辨本领；

4.5.6检查所得结果，动手或自动输入到计算机中，备定量时调用。

4.6运行相应的X射线能谱定量分析程序

5.0测试步骤

5.1 测试条件

5.1.1加速电压的选择应是样品中主要元素的特征X射线的临界激发电压的2~3倍以上，在定量分析时，推荐使用如下的加速电压值：

⑴常见金属和合金：25kV

⑵硫化物：20 kV

⑶硅酸盐和氧化物：15 kV

⑷超轻元素（

5.1.2调节电子束入射束流的大小，通常为1×10-9～1×10-10A，使X射线总计数率在2000~3000cps范围内（生物样品可在800pcs左右），并使死时间小于30%，在定量分析过程中，电子束流应保持稳定。

5.1.3被分析特征X射线系的选择

一般原则：优先采用被分析元素的主要发射线系，若样品中含有其他元素对该特征线造成干扰，可按下列顺序选择其他线系：Kα、Lα、Mα、Kβ、Lβ、Mβ。

推荐采用的线系：

⑴被分析元素原子序数Z<32时，采用K线系；

⑵被分析元素原子序数32≤Z≤72时，采用L线系；

⑶被分析元素原子序数Z>72时，采用M线系；

⑷选择不受重叠峰、逃逸峰等干扰的谱线，在确定有干扰时应认真作谱峰剥离。

5.1.4计数时间设定应满足分析精密度的要求，一般为100s，或使全谱总计数量大于200000，在测量低含量元素并有精度要求时，应适当延长计数时间，使满足下式要求：

式中：N p——该元素谱峰处计数；

N b——本底处计数。

5.2测试

5.2.1 分析部位的确定

在扫描电镜中，可用扫描图像来寻找分析部位，先使电子束聚焦，并保持图像清晰，调整电子束束斑在观察荧光屏的中心位置上，在寻找标样和试样时只移动X、Y、Z轴，而不再调整电子光学系统（包括物镜聚焦），并使分析部位置于荧光屏的中心位置上。

5.2.2 定性分析

选用加速电压（25 kV）和计数时间（100s），检查试样中所含元素的种类和确定大致含量。

5.2.3建立标准样品数据库

根据定性分析结果，建立或调用相应的标准样品的数据文件，建立被分析样品的文件清单（元素、价态、线系、测量条件，处理模式）等。

5.2.3.1在完全一致的测量条件下（束流、加速电压、计数时间、放大器的增益、束斑大小）和X射线接收几何条件下

（检出角、工作距离）收集标准样品的X射线能谱，在有束流或Co计数监视的条件下有些参数允许略有变化，可根据不同类型样品建立不同类型标样数据库，建议建立：

⑴硅酸盐矿物数据库；

⑵硫化物矿物数据库；

⑶金属及合金数据库；

⑷其他材料数据库（临时数据库）。

5.2.3.2在正式定量前，调用相应程序测量有关标准样品，其分析结果的误差应小于允许误差，随着时间的推移，整个测量系统会产生变化（主要是效率降低、窗口污染等），需随时更新标样数据库中标样数据。

5.2.3.3对每个标准样品的X射线谱中选定的被测元素峰进行编辑。

5.2.3.4根据被分析试样的元素种类，挑选进行过编辑的标准样品的X射线谱，编辑并建立分析不同试样的标准样品数据文件。

5.2.4定量分析

5.2.4.1根据样品的特征，采用合适的测量条件及调入X射线能谱定量分析程序，调入或建立分析试样所需的标准样品数据文件；

5.2.4.2收集试样的定量分析用X射线能谱，选用与建立标样数据库完全一致的测量条件进行谱的收集；

5.2.4.3进行重叠谱峰剥离

选择多重性最小二乘拟合的方法或高斯拟合法进行重叠峰的剥离，必要时应使用成分相近的标样进行验证。

5.2.4.4扣除本底

⑴使用不同模型，如高帽数字滤波法等扣除本底；

⑵或用设置两个本底窗口的方法进行本底扣除，这时应将本底窗口设置在最感兴趣的元素谱峰的近侧，应尽可能将其分别设置在能谱的高、低能量段处；

⑶或延谱图本底用手动划线扣除本底。

5.2.4.5计算各元素的特征X射线相对强度比；

5.2.4.6进行修正计算。

6.0允许误差

以下规定使用于不包含超轻元素的样品：

⑴对平坦的无水分、致密、稳定和导电良好的样品，定量分析总量偏差小于±3%；

⑵对于不平坦样品，可用三点分析结果的平均值表示，或在总量偏差小于等于±5%的情况下，如确认没有遗漏元素时，允许使用归一化值作为定量分析结果，偏差大于±5%时，只能作半定量分析结果处理；

⑶主元素（>20%wt）的允许的相对误差≤5%；

3%wt≤含量≤20%wt的元素，允许的相对误差≤10%；

1%wt≤含量≤3%wt的元素，允许的相对误差≤30%；

0.5%wt≤含量≤1%wt的元素，允许的相对误差＜50% 。

1.0 目的

本标准规定了用扫描电镜测量微米级长度的方法，适用于测量0.5μm~10μm的长度。

2.0 应用文献

GB/ T 16594—1996微米级长度的扫描电镜测量方法

3.0 测试样品及设备

标尺：应经过法定计量机构标定；

扫描电镜：分辨力优于0 .01μm；

比长仪：量程不小于60 m m，误差不超过士5μm；

光学显微镜：放大倍数不小于40倍。

4.0 测试步骤

4.1 样品的准备

4.1.1 将待测样品置于样品柱上，用光学显微镜观测，将样品的工作面调整到与样品柱垂直，然后用导电胶将样品固定；

4.1.2 若样品不导电，应在样品表面喷镀厚度大约为10nm的金；

4.1.3 将样品柱置于样品座上，并调整到标准高度；

4.1.4 按4.1.1-4.1.3方法，将标尺置于样品座上；

4.1.5 用光学显微镜观测，先将样品置于视场中，调节光学显微镜，使样品工作面正焦；

4.1.6 平移样品座，使标尺置于视场中，调节标尺高度，使标尺工作面正焦；

4.1.7 将样品座固定在扫描电镜的样品台上。

4.2 拍摄样品的二次电子像

4.2.1 将扫描电镜调整到最佳工作状态，样品台倾斜角度调整到零；

4-2.2 根据待测的长度选用合适的放大倍数，待测长度的二次电子像一般应不小于5mm；

4.2.3 将样品中待测部位调整到视场中心，选择最佳条件拍摄二次电子像。

4.3 拍摄标尺的二次电子像

4.3.1 扫描电镜处于与4.2相同的状态；

4.3.2 选取与待测长度接近的标尺分度，将其移到视场中心；

4.3.3 旋转祥品台，使标尺分度方向与样品中待测长度方向平行，聚焦后拍摄二次电子像。

4.4 底片的测量

4.4.1 测量底片上标尺图像的分度长度(A)；

4.4.1.1 将底片夹于两块平面玻璃之间，置于比长仪的测量台上；

4.4.1.2 调节比长仪的瞄准镜，使底片的像清晰。转动底片，使底片上标尺的分度方向平行于比长仪测量方向；

4.4.1.3 瞄准标尺像的一条分度线的中间位置读出坐标值，然后瞄准另一条分度线的中间位置，也读出坐标值，两次读出的坐标值之差为分度长度；

4.4.1.4 连续测量三次，取三次测得值的算术平均值为A；

4.4.2 测量底片上样品图像中待测长度(B)，测量方法与4.4.1相同。如果待测长度是物体的宽度，应该瞄准物体边界黑度的峰位和谷位的中间位置。

5.0 测试结果

样品中待测的实际长度(L)按下式计算： 式中：

A —长仪测量出底片上标尺图像的分度长度；

B —样品图像中待测的两个特征点之间的长度； h —标尺分度的标定值。 6.0测量误差

测量误差g 按下式计算：

式中: d —扫描电镜分辨力，μm ；

h —标尺分度的标定值，μm ； e —标尺分度的标定误差，μm ； L —样品中待测的实际长度，μm 。

1.0 目的

本标准规定了用扫描电镜测量纳米级长度的方法，适用于测量10nm—500nm的点或线的间距。

2.0 应用文献

GB/ T 20307—2006纳米级长度的扫描电镜测量方法通则

3.0 测试样品及设备

标准样品：首选国家级有证标准样品，其次选用省级或省级以上计量技术机构标定的样品；

扫描电镜：二次电子像分辨力优于2nm；

正置式金相显微镜：放大倍数不小于300倍；

可调样品柱：工作面的高度可以调节；

图像测量设备：量程不小于图像尺度，读数不确定度可以忽略不计。

4.0 测试步骤

4.1被测样品的确认

4.1.1被测长度方向的确认

4.1.1.1 对于有方向性的精确测量，要先确认被测的长度方向；

4.1.1.2 对于通过统计规律，可以消除倾斜误差和畸变误差的颗粒样品，可以不确认被测长度的方向；

4.1.1.3 对于被测长度方向处于被测平面上的样品，可以不确认被测长度的方向，直接进行下步操作。

4.1.2估计被测长度值

4.1.2.1将被测样品固定在高度可调的样品柱上；

4.1.2.2 用扫描电镜观察被测长度，根据扫描电镜的标称放大倍数（或图像上的标尺），粗略地估计被测长度值。

4.2选取标准样品

选取标准样品的原则如下：

⑴优先选取不确定度小的标准样品；

⑵优先选取分度值接近被测长度的标准样品；

⑶优先选取点间距（或线间距）的标准样品；

⑷优先选取标记敏锐的标准样品。

4.3 标准样品的确认

为了使用方便，扫描电镜的标准样品一般是固定在高度可调的圆柱体的顶面上，其标准长度垂直于柱体，而且可以方便地判断长度的方向，如图1所示。

4.4样品的初步调节

4.4.1 将标准样品置于正置立式金相显微镜的样品台上，调节金相显微镜，使标准样品的工作面正焦；

4.4.2 保持金相显微镜状态不变，从金相显微镜的样品台上取下标准样品柱，换上被测样品柱，然后调节被测样品柱的高度，使其工作面正焦；

4.5样品的安装

将标准样品和被测样品同时、同高度固定在扫描电镜的样品台。如果方便，应使标准样品和被测样品的长度方向接近平行。

4.6获取标准样品和被测样品的二次电子像

4.6.1 将扫描电镜调整到最佳工作状态，一般要求是：

⑴样品的安装要牢固；

⑵尽可能消除电子束的像散；

⑶选取合适的电子加速电压；

⑷选取合适的电子束的电流；

⑸选取合适的图像反差，使长度标记敏锐；

⑹使图像准确正焦。

4.6.2 将扫描电镜的样品台的倾斜角度，调整到零位。

4.6.3 选取合适的放大倍数

显示屏上样品的放大的图像中，被测的长度应尽可能大一些，但不要超过视场的五分之四，由像素产生的不确定度，应可以忽略不计。

4.6.4 平移样品台，使标准样品分度的图像处于视场的中部，通过调节透镜电流聚焦后，获取标准样品分度的图像。4.6.5 在不改变扫描电镜状态的其他参数的条件下，紧接着将被测样品长度图像平移到视场的中部，旋转并平移样品台，使视场中被测长度方向与标准样品的分度方向相同，且处于视场中部，获取被测样品长度的图像（如果由于透镜电流漂移而失焦，可以微调透镜电流聚焦）。

5 测量结果

长度实测值L（nm）按下式计算：

式中：

A—标准样品放大图像中长度的实测平均值，单位为毫米（mm）；

B—被测样品放大图像中长度的实测平均值，单位为毫米（mm）；

h—标准样品中长度的标定值，单位为纳米（nm）。

6 测量结果的不确定度

长度实测值的标准不确定度g（nm）按下式计算：

式中：

e—标准样品的标准不确定度，单位为纳米（nm）；

h—标准样品中长度标定值，单位为纳米（nm）；

d—扫描电镜的分辨力，单位为纳米（nm）；

n—标准样品和被测样品放大图像的测量次数，一般情况n取25。

1.0 目的

本标准规定了使用适当的参考物质对扫描电镜图像的放大倍率进行校准的方法。

2.0 应用文献

ISO 16700—2004微束分析-扫描电镜-图像放大倍率校准导则

3.0 参考物质

校准图像放大倍率时，应尽可能选择一个按照ISO导则34制备并按ISO导则35认证的有证参考物质（CRM）。若没有合适的有证参考物质（CRM），可使用按照ISO导则34制备的参考物质（RM）。

3.1 CRM的必要条件

必须保证所选择的CRM符合：

⑴在真空和电子束重复轰击下是稳定的；

⑵在SEM图像中有较好的对比度；

⑶具有导电性；

⑷可清洗除去正常使用过程中产生的污染物而不会引起机械性破坏或变形失真；

⑸具有相关有效校准证书。

3.2 CRM上的线距样式

CRM上的线距样式可以是以下形式中的任何一种或几种：

⑴正交的十字栅格；

⑵线条排列；

⑶点排列；

⑷正交的点排列。

必须保证所选择的CRM含有的线距样式至少有一个方向可供校准，而且线距样式的不确定度应与所需准确度相一致。注1：CRM可以含有x和y两个方向的线距样式，这样就可以在正交的两个方向上进行测量而不必机械旋CRM。CRM 还可以含有其他的结构以测试图像的变形和/或分辨力。

注2：所选择的CRM可以具有不同大小的线距样式以涵盖所有需要校准的放大倍率的范围。也可以用多个CRM来涵盖所需的放大倍率范围。

3.3 保存和装卸

3.3.1CRM需保存于干燥的柜子或真空容器中。

3.3.2认真检查CRM表面有无污染物和损坏，因为这会影响校准。请勿使用已破损或严重污染物的CRM。

3.3.3用清洁干燥的空气或氮气清除CRM上的灰尘、碎片或其他污染物，注意不要损坏CRM。

3.3.4定期地通过与其他CRM的对比来检查CRM的校准效果并记录检查结果。可以根据CRM的性质和使用情况来确定其检查频率。

3.3.5CRM只作校准之用。

注：为确保实际CRM的最小限度的装卸，可将其永久装置于基座之上。装卸CRM时需使用护指套、无尘手套或小镊子。

4.0校准程序

SEM的稳定性是决定校准周期长短的一个主要因素，开始时有必要经常进行校准以确定SEM的稳定性。

所获得的结果将可提供一个对实验室内部复现性的评估，还可以对显示器和自动附加于任何输出设备上的数据的固有偏差有一个估算。

CRM的选择决定于所使用的放大倍率和所需的准确度。在本标准中，要保证校准的准确度优于10％。

4.1 安装CRM

4.1.1安装样品时，应确保按3.3的子条款装卸CRM。

4.1.2在SEM和CRM的用法说明的指导下安装CRM。

4.1.3确定CRM和SEM的样品台之间导电性良好。

4.1.4检查CRM是否已经安全地固定在样品台上而不会松动，这可使振动引起的图像变形降到最低。

4.2 设置校准SEM的操作条件

4.2.1按SEM的用法说明，抽气以使样品室达到工作真空状态。

4.2.2按SEM用法说明，将电子束亮度和合轴调到最佳状态。

4.2.3在SEM用法说明的指导下，将倾斜角度调至0?，以使CRM的表面在操作过程中与电子束轴方向垂直。

4.2.4按以下程序检查CRM的倾斜角度：

⑴关闭倾斜角度校正、扫描旋转和放大倍率的缩放控制。

⑵选择图像模式（二次电子图像/或背散射电子图像）。

⑶使图像聚焦到图像中没有明显的像散变形。

⑷选择放大倍率使整个测量区域可见。

⑸在线距的测量值最大的区域确定倾斜位置。如果测量值之间没有发现差异，就可以认为倾斜角度为0?。在此位置下完成后面的图像记录。

注：若整个区域的图像都未能聚焦，则有必要重新安装CRM或重新调整SEM的机械合轴。

⑹选择执行校准所需的加速电压和工作距离，并使用样品台控制器将CRM置于正确位置。

⑺一直等到仪器完全稳定在符合SEM用法说明上要求的理想操作条件。

⑻聚焦并调整显示器上CRM的图像。

⑼在必要情况下，机械旋转CRM以使待测样式与显示器的x 和/或y方向平行。

⑽使用SEM样品台的x和/或y方向控制器移动CRM，以使被测的线距样式的末端标记跨越显示器长度和/或宽度的80％。

⑾在必要情况下，再次旋转CRM以使测量样式与显示器的x和/或y方向平行，并将CRM线距样式调至强聚焦。注：推荐屏幕上显示的线距实际数量约为10cm。例如：对于一个100mm的显示器屏幕，不同放大倍率下所推荐的线距值列于下表：

×50 000 0.2μm

×10 000 1μm

×1 000 10μm

4.3 图像记录

4.3.1确保线距样式在与SEM中的x和/或y对应的方向上整齐排列。

4.3.2确定图像扫描速度。

4.3.3一旦获得所需图像，不要改变SEM的其他参数。在照片上或胶片上或以数字格式记录下所显示的附带刻度标尺的CRM图像。

4.3.4在使用照相介质时，应留出足够的时间以使其在测量之前达到稳定。这将使得照相介质的尺寸变化的影响最小。注：当以数字格式记录的图像在纸上复制或显示器上重现时，图像的长度和高宽比可能会与原始图像的长度和高宽比不同。在这种情况下，推荐将原始图像的长度和高宽比记录在案。

4.4 图像的测量

4.4.1为完成一个校准报告，要对所记录图像的准确可靠的纸质复制品进行所有的测量。

4.4.2使用一个准确度已知的、可溯源的、已认证的、可测量小于1mm的标尺来测量所记录图像的长度。

4.4.3为使边缘畸变效应最小化，应避免在靠近图像边缘处测量。限定在图像区域的中部80％处测量。

4.4.4对所记录图像的x和y轴方向的线距进行测量。在上文说明的图像区域内，对相当于线距整数倍的两个标记之间的距离进行测量。

4.4.5所测量的距离应该比线距大约大十倍。

4.4.6在所记录图像上至少重复测量三次，每次测量需在图像上至少相隔3mm的不同位置进行。

注：线距的测量可以是CRM上相同特性之间的中心－中心或边部－边部的距离。

4.5放大倍率和刻度标尺的校准

4.5.1 放大倍率

放大倍率M可由下式得出：

d

D M =

式中：D 是在记录图像上测量的平均线距（距离）（见图2），

d 是与D 相对应的CRM 的实际线距（距离）（见图3）。 测得x 和y 方向的平均距离，就可计算得出每个方向的放大倍率值。如果x 和y 方向的放大倍率的差别超过用户所能接受的容限，检查CRM 的安装和SEM 中是否未对准。重新调整并重复进行校准。 4.5.2 刻度标尺

每次校准回合都要进行刻度标尺的校准。

通过下式计算出记录图像上对应于刻度标尺上的长度值ind f 的长度L ：

d

D f M f L ind ind ?

=?= 其中：

L 是所记录图像上的刻度标尺的计算长度， find 是所记录图像上的刻度标尺的显示值。

注：应尽可能将刻度标尺的长度调整到与校准的放大倍率相对应，若不能做到，应注意两者之间的差异。

图2 所记录图像 图3 样品（CRM ）

5.0 图像放大倍率和刻度标尺的准确度

5.1放大倍率的百分比准确度(Am )可以用下式通过计算差额(M Δ)而得出：

M Δ = d

D M M M ind ind -=-

m A =100?M

M Δ

其中ind M 是显示的放大倍率（见图2）

5.2刻度标尺的百分比准确度(As )可以用下式通过计算差额(L Δ)而得出：

L Δ =d

D

f L L L ind ind ind -=-

s A =100?L

ΔL

其中ind L 和ind f 分别是所记录图像上的刻度标尺的长度和显示值（见图2）。

D 10

ind L

d 10

ind M f ind

L的测量有很好的准确度（如使用测径器），最小测量误差也可达到±0.2 mm，因为这是人眼的注1：即使D和/或ind

分辨力极限。

L能被准确测量到± 1个象素并由此计算出准确度。在计算A m和A s时D和注2：在数字记录图像中，可假定D和ind

L可以用象素长度(mm)来表示。

ind

注3：应注意的是由SEM仪器的操作条件等因素所引起的不确定度和由CRM的任何不可避免的不均匀性所引起的统计误差都已包含在放大倍率校准的结果中。