各类微束分析技术在地学研究中的应用概况
微束痕量元素分析对矿物学、岩石学和地质学具有重大意义。人们力图通过研制离子探针来实现微区痕量元素的分析。由于离子探针本身的特点，尽管其检测痕量元素的灵敏可达 ng/g 量级，却很难获得令人满意的定量分析结果，矿物的痕量元素的离子探针分析仍一直局限于非常小的范围内。近年发展起来的同步辐射 X 射线荧光分析，因受设备的限制，分析微区较大，分析精度较差，也未能较好地进入实用阶段。X 射线荧光探针也有着与同步辐射相似的问题，即由于 X 射线光斑直径较大，能量较小，定量分析方法尚不成熟，分析灵敏度也很有限，较好的情况下才能达到数十 μg/g。近年发展起来的激光共振谱仪曾被人喻为单原子探针，其实在实际使用中定量分析的难度较大; 更为致命的是，一次只能分析一个元素，速度慢，操作复杂。电子束激发的 X 荧光分析探测极限可以降到几十个 μg/g，但定量分析的准确度较差，微区也较大，缺乏实际利用价值。与上述分析方法相比较，尽管质子探针痕量元素的分析只在世界上极少数实验室可以实现，但其分析的微区大小和定量准确度比较而言较满意一些，具有一定的实用价值和开发前景。近年来国内外少数实验室正在探索的电子探针痕量元素分析，以其准确度好，分析方法简便等特点，受到人们的重视。激光-等离子体质谱技术的检测限可达 ng/g 级，测定元素多，速度快，是近年来微区分析领域的热点。近年来，新一代电子探针、离子探针和激光等离子体质谱的发展引人注目，极大地促进了许多相关的地学研究。这几种仪器在微区化学成分分析方面也都有着各自的特点和优越性，如离子探针在分析稀土元素方面有较好的功能，激光等离子质谱分析元素的范围更宽。但是，这两种分析方法灵敏度虽然都较高，可空间分辨率尚不太理想，对试样有一定的破坏。
各类微束分析技术各有其特点，在元素分析方面的比较见表88.2。
表88.2 常见微区分析技术性能比较
下面简介在地学研究领域较为重要的部分微束分析技术。
1)电子探针分析技术。它是微束分析技术中最早和最成熟的分析技术，其特点是定量效果最佳、不破坏样品。以原位微区、微粒微量、快速简便，以及能同时进行成分、形态、结构、物性等多方面的分析，受到人们普遍地关注;尤其是在成分分析方面，其优越性更为显著，在地学领域中应用最为广泛。详见第一分册第二篇有关章节和本篇第89章的介绍。
2)高分辨率、高灵敏度离子微探针。该分析技术近年来在地球科学中发挥了引人注目的作用，已成为材料科学、地球科学(包括环境科学)研究领域中的一种重要分析工具。其重要应用为:
原位同位素分析———在锆石同位素地质年代学研究中发挥了极为重要的作用，可精确测定锆石晶体(一般为数十至数百微米大小)不同部位的年龄;还能够测定地球物质和太阳系物质的硫、铅、钛、铪、镁等具有成因示踪意义的同位素等。
元素含量分析———如对矿物中稀土元素及其他微量元素的测定;半导体材料中痕量超痕量成分分析(对半导体材料中硼、磷、砷杂质的检测灵敏度可达10-10原子/cm3);针对微小试样的微区分析(可分析2～8μm油烟粒子中20多种元素浓度，尤其是H、Li、B、C、O等超轻元素)等。
空间分布分析———试样表面组成及其在平面方向的分布的面分析，以及由固体表层自浅而深逐层测定元素浓度分布的纵深分析。有时，需要将面分析与纵深分析相结合，以便得到更多的信息。
3)激光烧蚀-电感耦合等离子体质谱分析技术。具有极高的测定灵敏度，分析方便快速，在岩石矿物的原位微区元素和同位素分析方面极具潜力的新技术，近年来迅速发展，是十分活跃的研究热点。详细介绍见本篇第90章。
4)扫描电子显微镜和透射电子显微镜。扫描电镜分辨率为3～6nm，在地质试样微区形态研究中得到应用:
古生物学研究———有孔虫、硅藻、介形虫、孢粉、古植物等微体化石及化石的微细结构的研究，对种、属的划分提供了进一步的依据。
石英颗粒研究———石英表面形态、石英颗粒的来源及其经历的地质作用的研究，对其成岩和沉积作用环境等作出解释。
石油地质及工程地质学方面———对岩石的微孔隙与微裂隙的研究、对碎屑岩的胶结物的研究等，为油气的储存和运移以及地下水的运动等提供微观依据。
透射电镜放大倍数高(可达200万倍)、分辨率高(可达～1nm)，可把形貌观察、成分分析和结构分析三者有机地结合起来，成为近代地学研究中必不可缺少的重要测试手段，用于测定矿物的晶体形态、表面结构、晶格缺陷、位错、岩石的变形、长石的成分等。
5)激光拉曼光谱分析技术。显微激光拉曼光谱的激光束斑可缩小至1μm，可同时获得许多固态、液态包裹体的成分、结构、状态等多方面的信息，在地学中的应用主要为:
子矿物包裹体研究———如超高压岩石中高压矿物的准确鉴定。我国几个超高压带的研究中几乎没有例外地都把细微激光拉曼光谱的研究放在了最重要的位置，通过对常见矿物中超高压子矿物的分析鉴定，准确地确定了超高压的存在，并对高压带的演化提供了最直接的证据。激光拉曼光谱仪可以作为鉴定流体包裹体中未知子矿物的较为可靠手段之一。
流体包裹体的研究———主要应用在油(气)田的研究，以及金属矿床的成矿专属性、微细矿物的鉴定和识别、金矿中有机成矿流体以及包裹体盐度的测定等方面，为研究矿床成因、成矿物质来源、成矿演化过程、成矿规律等提供依据，研究成矿热液的地球化学环境等。
沉积岩中有机质或有机碳质的研究———用于推测源岩的埋藏历史、沉积环境以及综合评价其生油、气潜力，判别沉积岩中有机质的热成熟度，建立拉曼光谱碳质地温计(适合温度200～500℃)。随着矿床学研究的重点由固体地质向流体地质转移，拉曼光谱在石油地质和流体地质学研究方面必将发挥更大的作用。水溶液激光拉曼光谱上O-H展宽区(2800～3800cm-1)对盐浓度的改变非常敏感，通过计算显微激光拉曼光谱的偏移参数，可以确定包裹体溶液(室温)的盐度，准确度可达到±1%，是一种快速、简便、无损的盐度测定方法，将在矿产研究中有重要的应用前景。
宝(玉)石矿床的研究———主要用于对矿床成因的研究和宝(玉)石质量的评价。
微束分析是一个庞大的家族，是一个有待在地学中大显身手的分析技术领域。本篇着重介绍在地学领域中应用最为广泛的电子探针分析技术和近年来发展较快的激光烧蚀-电感耦合等离子体质谱技术。其他微区分析技术如激光拉曼光谱、二次离子质谱、电子显微镜等的介绍，可参见第一分册第二篇有关章节。
参考文献
周剑雄.1980.微区分析概论.北京:科学出版社
本章编写人:周剑雄(中国地质科学院矿产资源研究所)。
电子元器件失效分析方法知多少
典型电子元器件失效分析方法
1、微分析法
(1)肉眼观察是微分析技术的第一步，对电子元器件进行形貌观察线系及其定位失准等，必要时还可以借助仪器，例如：扫描电镜和透射电子显微镜等进行观察；
(2)其次，我们需要了解电子元器件制作所用的材料、成分的深度分布等信息。而AES、SIMS和XPS仪器都能帮助我们更好的了解以上信息。不过，在作AES测试时，电子束的焦斑要小，才能得到更高的横向分辨率；
(3)最后，了解电子元器件衬底的晶体取向，探测薄膜是单晶还是多晶等对其结构进行分析是一个很重要的方面，这些信息主要由XRD结构探测仪来获取。
2、光学显微镜分析法
进行光辐射显微分析技术的仪器主要有立体显微镜和金相显微镜。将其两者的技术特点结合使用，便可观测到器件的外观、以及失效部位的表面形状、结构、组织、尺寸等。亦可用来检测芯片击穿和烧毁的现象。此外我们还可以借助具有可提供明场、暗场、微干涉相衬和偏振等观察手段的显微镜辅助装置，
以适应各种电子元器件失效分析的需要。
3、红外显微分析法
与金相显微镜的结构相似，不同的是红外显微镜是利用近红外光源，并采用红外变像管成像，利用此工作原理不用对芯片进行剖切也能观察到芯片内部的缺陷及焊接情况。 红外显微分析法是针对微小面积的电子元器件，在对不影响器件电学特性和工作情况下，利用红外显微技术进行高精度非接触测温方法，对电子元器件失效分析都具有重要的意义。
4、声学显微镜分析法
电子元器件主要是由金属、陶瓷和塑料等材料制成的，因此声学显微镜分析法就是基于超声波可在以上这些均质传播的特点，进行电子元器件失效分析。此外，声学显微镜分析法最大的特点就是，能观察到光学显微镜无法看到的电子元器件内部情况并且能提供高衬度的检测图像。
以上是几种比较常见的典型电子元器件失效分析方法，电子元器件失效直都是历久弥新的话题，而对电子元器件失效分析是确定其失效模式和失效机理的有效途径之一，对电子元器件的发展具有重要的意义。
微纳米分析技术有哪些
1、微纳米加工技术
超精密非球面(轴对称，非轴对称)磨削加工技术、超精密平面研磨技术、磨粒喷射微加工技术、非球面镜超精密切削加工、超高速磨削技术、超声波微加工技术。
2、微纳米检测技术
微纳米加工及检测系统设计、加工部件的状态监控技术、微纳米加工刀具的磨损检测、加工过程工件精度分析、表面质量在线监控。
3、精密仪器测试技术
智能仪器仪表技术、激光测量技术、现代传感技术、智能测试及信号处理技术、计算机自动控制技术、精密机械与自动化装置、无损检测与评价技术。
4、精密与特种加工技术
磨粒喷射微加工技术；超高速磨削技术；超声波微加工技术；微纳米级的测量技术；微纳米加工系统监控技术；刀具磨损、破损和磨具的修整状态、加工表面质量在线监控技术。
微束分析
1）离子探针
离子显微探针分析是二次离子质谱技术（SIMS）的一种形式。它的特点是能进行定点微区分析，成像功能高，灵敏度高，能测定周期表中所有元素和同位素。与常规的质谱方法相比，离子探针所消耗的试料很少（1ng），分辨率高（几μm），能对抛光薄片进行原位定点分析。与电子探针相比，离子探针的检测限低，不仅可用于元素分析，而且可用于同位素分析（陈华，1993）。
目前离子探针的应用范围主要有：
（1）轻元素分析。即原子序数小于10的元素，如Li,Be,B甚至H，填补了电子探针的空白。
（2）痕量元素包括稀土元素分析。其检测限比电子探针低1～3个数量级。
（3）同位素分析。其中成功的应用包括硫同位素研究，锆石U-Pb年代测定和陨石同位素异常的研究，还有不少人对H（D）、B、C、O、Re和Os等做了大量的工作。
（4）深度剖面和表面分析。
（5）扩散测量。
（6）成像。
2）激光探针
激光探针技术是在20世纪90年代初发展起来的。Z.D.Sharp首先报道了使用BrF。的CO2激光系统进行硅酸盐矿物的氧同位素分析技术。它可用于样品量少与1mg的单矿物粉末或全岩样品分析，其精度可与传统方法相比拟（0.1‰，1σ）。与此同时，单晶矿物原位（in situ）分析的空间分辨率达到＜100μm。激光探针技术在解决使用传统方法未能满意解决的难熔矿物分析方面亦取得满意结果。D.E.Crowe等人，S.A.Kelly和A.E.Fallick，以及D.Elsenheimer和J.M.Valley先后报道了使用激光探针进行硫和氧同位素分析的结果；P.C.Smalley等人和J.A.D.Dickson等人报道了碳同位素分析的激光探针技术。激光熔样所需样品极少，有时可低达0.1mg。激光氟化技术可达极高温度，估计可达2000K，能对难熔矿物进行氧同位素分析（肖益林、傅斌、郑永飞，1998）。
80年代中、后期出现了将激光熔蚀微区探针技术（LAM）与电感耦合等离子体质谱（ICP MS）结合用于固体样品分析的新技术。其基本原理是将激光束聚焦于样品微区，使之熔蚀气化，然后将样品微粒带入等离子体中电离，经质谱系统进行质量过滤，由接受器分别检测不同荷质比的离子。这一技术在单颗粒锆石U-Pb年代学研究、包裹体成分分析、生物壳体、骨骼和组织等微量元素分布测定、矿物微区成分分析、高温高压实验中元素在结晶相和熔融相的分配系数的测定，以及微区高精度同位素测量等方面具有很大的潜力（刘海臣，1998）。
3）同步辐射X射线荧光探针
X射线荧光（XRF）作为常量和低含量元素的检测手段，其下限一般为10-6级。同步辐射（SR）源的使用使X射线荧光的检测限降低至10-12级。
同步辐射X射线荧光探针于1986年设计成功。与常规X射线荧光相比，同步辐射X射线荧光探针有具偏振光、高准直性和高亮度的优点，特别适合在小范围内进行痕量元素分析。同步辐射X射线荧光探针分析对于10-6以下痕量元素的分析其精度比常规技术如电子探针和原子吸收光谱等高，检测限低，能测量元素的表面分布和体积分布。现在已可在100μm2束斑范围内用同步辐射X射线荧光探针测定10-15g量级的特定元素。同步辐射X射线荧光探针的穿透深度比电子探针和离子探针大得多，可对单个流体包裹体进行非破坏性研究，能测定5～10μm大小的包裹体溶液中10-12g级的微量元素。
目前用同步辐射X射线荧光探针研究的地质材料主要有宇宙尘、月岩、陨石球粒和卡林型金矿等。
4）俄歇电子谱分析
俄歇电子来自固体的近表面区域（几个原子层），能反映近表面区域的化学组成，主要用于研究材料表面。其优点是：①可以分析原子序数≥3的元素；②侧向分辨率高（＜0.1μm），可用于研究表面微区组成；③结合离子溅射技术研究深度剖面，得到矿物近表面组成随深度的变化情况。因此，俄歇电子谱（AES）分析对于在原子尺度上理解矿物间的反应机制是很重要的（李一良、魏春生、郑永飞，1998）。
5）质子显微探针
质子显微探针（PMP）于20世纪70年代初问世，是一种能在无损样品的条件下，检测微米级微区物质中痕量元素含量和空间分布信息的方法。质子显微探针与其他核分析技术（如RBS、NRA等）相结合，能测定原子序数小于11的超轻元素。
中国微束分析技术的发展现状
中国是微束分析技术资源十分巨大的国家，多年来中国投入到微束分析技术领域的经费大约占据全国整个分析仪器总投资的 25% 以上，目前拥有的各类微束分析仪器的总数预计超过 4000 多台 (表88.1) 。微束分析技术已普及到全国的研究院所、大学和各种大型的工矿企业，并在各个科研研究领域、科技开发以及工农业生产领域内发挥重大的作用。微束分析的深远影响已远远超出人们的想像，尤其是在高科技研究和国民经济的一些重要部门，如电子工业、金属、非金属、特种材料、航天航空和军事科学、国家安全、生物医学、地学等部门，取得了引人注目的成果。
表88.1 我国各种微束分析仪器拥有量
中国是微束分析技术较为发达的国家。虽然中国在微束分析仪器的研制方面比较滞后，但微束分析仪器的广泛使用方面处于世界前列。中国拥有的微束分析仪器量巨大，以电子探针为例，目前国内拥有 100 多台，在地学领域内就有 20 多台，个别单位如中科院地质所甚至有三台。带 X 射线能谱仪的扫描电子显微镜全国约 1500 台，其中有不少是场发射扫描电子显微镜。透射电子显微镜的拥有量也在 1000 台以上，且半数装备有 X 射线能谱仪。其他微束分析类仪器，如共聚焦光学显微镜、拉曼显微探针、原子力显微镜、表面分析类仪器也都各有几百台之多。特别指出的是，中国拥有几台能进行同位素测年的高分辨率、高灵敏度离子微探针，这即使在有些西方发达国家也尚为空白。
中国拥有目前国际上极个别国家才拥有的同步辐射 X 射线荧光微分析仪，也拥有目前国际上只有极个别国家才拥有的场发射电子探针。近年来发展迅速的激光等离子质谱仪在中国的数量也急剧地增加，已达到几十台的规模。加上其他这类繁多的微束分析仪器，微束分析仪器的总额度达到 25%～30%，充分显示了微束分析仪器及微束分析技术的重要地位。