SEM的信號2，信號的區分和聯系

 

前言

 

前文介紹了背散射電子和二次電子等信號，有助于我們解讀SEM圖片中的信息。但是還有許多未解之謎：為什么場發射電鏡有那么多不同位置的探測器，不同測試條件的圖像為什么又不同。這需要我們對信號有更深入的認識。

 

本欄主要介紹背散射電子和二次電子更細化的分類，信號作用的范圍，以及更全面地總結各信號的機理和特點，文末有精彩案例。

 

1 以能量區分信號電子

 

若入射電子垂直入射到勻質樣品上并將信號電子全數收集，那么以電子的能量為橫坐標，電子數量為縱坐標，得到如圖1a所示的能量譜圖。由之前的內容可知：小于50 eV的是二次電子，大于50 eV而接近入射電子能量E0的為背散射電子。大部分二次電子的能量集中在幾個電子伏特的“峰”值處，而且它們來自于很淺（約10 nm）的表層，如圖b。對于背散射電子，能量比二次電子高且能量范圍更寬（50 eV~E₀），逃逸深度比二次電子更深，并且還可以進一步進行細分。

 

圖1 信號電子的能量分布和逃逸深度

 

2 背散射電子的細分

 

隨著入射電子在樣品中的行進，入射電子與樣品的彈性散射和非彈性散射作用伴隨著角度變化和能量損失，同時作用范圍也在逐漸擴大。從概率上說，入射電子與樣品相互作用的次數越多，非彈性散射的可能更大、次數更多，進入樣品的深度和寬度越大，損失的能量就越大，變成背散射電子后能量就越低。

 

上篇提及，很多背散射電子經歷多次散射和能量損失過程，造成它們分布在較寬的能量范圍，從較深處逃逸，這是大部分背散射電子所經歷的過程，如圖2a所示。

 

圖2 兩種背散射電子的形成機理

 

在圖1a右側有一個峰，峰值接近入射電子能量E₀，這部分背散射電子損失能量較少。像圖2b所示那樣，入射電子經歷一次或比較少次數的作用就被背散射，這些背散射電子大部分入射的深度較淺，能量損失小，對應峰值處的能量。這些電子被稱為低能量損失背散射電子（Low-loss BSE，本文簡稱LLBSE，有些文獻中根據不同的釋意會縮寫為LLE或者BSE₁）。

 

大部分LLBSE只來源于電子束與樣品表面作用的很小區域，能量高，但比例小。如果把這部分信號篩分出來可以反映作用區局部的信息，是潛在的高空間分辨率信號；同時它屬于背散射電子，也反映原子序數信息，而且強于普通的背散射電子；取向襯度和EBSD菊池花樣的背散射電子，也主要來自于這部分電子；因為能量高，荷電對它的干擾小于低能量電子。毋庸置疑，LLBSE是非常有用的信號電子。

 

我們通常所說的背散射電子包括LLBSE，但是LLBSE占的比例較少，以往篩分LLBSE信號存在較大困難。所以在信號探測上，不做特別說明，一般談及信號作用區和探測時，背散射電子的特征都是指普通背散射電子的特征。隨著掃描電鏡技術的發展，如今的場發射電鏡（比如配備了EsB、ICD或Topper等探測器），可以過濾出LLBSE。當涉及高分辨成像、關心表面成分并強調成分信息時，會使用LLBSE信號，這時要注意它與普通背散射電子的不同。

 

在探測時，不僅會根據能量區分背散射電子，還會根據其發射的角度來進行區分，比如分為高起飛角背散射電子和低起飛角度背散射電子。LLBSE分布在很寬的角度范圍，對于物鏡內探測器，從高起飛角背散射電子中抑制低能量成分，過濾出LLBSE是一種捷徑。不同的起飛角對樣品形貌、成分和取向特征有不同的反映，后續專欄會再次提及。

 

高能量的入射電子會激發出二次電子，那么高能量的背散射電子呢？

 

3 二次電子的細分

 

自然，當背散射電子離開樣品的表面時（它還尚有較多動能），也可以激發出二次電子。于是如圖3所示，二次電子按產生機理和區域可以繼續進行細分：入射電子進入樣品表層時直接激發的SE₁，背散射電子離開表面時激發的SE₂和離開后與電鏡部件作用產生的SE₃。

 

圖3 三種二次電子的形成機理

 

SE₁產生的范圍接近入射束，所以是潛在的高分辨信號。SE₂和SE₃實質上是背散射電子產生的，部分反映了背散射電子的信號特點。SE₃是背散射電子在遠離樣品時與電鏡的部件產生的，所以使用物鏡內探測器可以消除這種信號。

 

二次電子的這種細分可以解釋很多現象：在有些情形下，場發射電鏡中布置于樣品倉中的探測器（比如ETD，SE₂，Lower）收集的圖像不僅能反映形貌信息還能反映成分信息，在非常高倍率時分辨率不那么好，那是因為這種探測器會同時接受SE₁、SE₂和SE₃；而布置于鏡筒內的探測器（TLD、Upper或Inlens）收集的圖像較少有成分信息，在非常高倍率時分辨率比前者好，因為它幾乎沒有SE₃。當然探測器、設置參數、樣品特性跟圖像的關系都很大，不僅于此。而且，后續篇還會就信號電子的角度分布及其與圖像特征的關系會進行進一步的闡述。

 

背散射電子和二次電子間的區別與聯系使得信號接收和圖像解釋變得復雜。在實踐中，樣品的成分、形貌、結構和表面狀態，設置參數如加速電壓、傾斜角度等，以及探測器的位置和參數，都會影響背散射電子和二次電子信號的產生和接收。并不能簡單地認為二次電子單純反映表面和局域的信息。簡單視背散射電子為單純的彈性散射產生，或者視背散射電子為低分辨信號的兩種極端做法也值得商榷。

 

4 信號的作用區和逸出區

 

宏觀上一石激起千層浪，微觀上電子束與樣品的相互作用也會起波瀾。高能的入射電子進入樣品，不斷發生彈性散射和非彈性散射。直至喪失全部能量或者離開樣品，電子束的運行軌跡和能量釋放會分散在樣品內一定范圍內。一般考慮從電子束入射到損失95%能量的區域，這個三維區域一般被稱為作用區（Interaction volume）。背散射電子和二次電子作為最主要的成像信號，會在樣品一定的范圍內產生，這個范圍會影響到圖像的分辨率，所以要考量其能夠逃逸出樣品并被探測到的范圍（逸出區，也被稱為信息區）或深度（逸出深度）。

 

首先考慮電子束與樣品相互作用后作用區的大小。把作用區等效成以束斑為中心的一個半圓，其半徑被稱為電子射程（Electron range）R_k-o：

 

 

其中A為原子摩爾質量（單位g/mole)，Z為原子序數，E₀為電子束能量(單位是keV)，ρ為樣品密度（單位g/cm^-3）。這說明密度、原子序數和入射電子能量都會影響電子射程和作用區大小

 

當然文獻中也喜歡蒙特卡洛模擬的方法。圖4為不同電子束能量分別與輕重元素相互作用的情況。由圖可見，對于體材料：對于同一材料，電子束能量越大，作用區也越大，這說明電子束能量大可以采集更深處的信息，但容易使掃描時相鄰信號干擾，對圖像分辨率不利，電子束能量低則相反；并且電子束能量相同，輕元素的作用區顯著大于重元素。對于薄樣品：電子束能量高則容易穿透樣品，尤其是在原子序數小的時候，這就是為什么透射電鏡使用較高加速電壓以實現高分辨率的道理，SEM中的STEM、TKD（Transmission Kikuchi Diffraction）亦如此。

 

圖4 不同能量電子束分別與輕重元素的作用區

 

接下來考慮各種信號的逸出區和逃逸深度。對于背散射電子，圖4表明背散射電子的逸出深度約為電子射程的一半。圖5比較了各種信號的逸出區和逸出深度。

 

圖5 信號的逸出區和逸出深度

 

比較圖5中各種信號的逸出區，在深度分布和側向分布方向上，從小到大依次是二次電子SE₁、背散射電子、特征X-射線和熒光X射線。其中SE₁的逸出區深度一般小于10 nm，非常靠近表層，接近入射電子束的初始位置。背散射電子和特征X射線側向和深度范圍大約為幾百納米到微米級（隨加速電壓和元素變化，低加速電壓下會小于此范圍）。SE₂由背散射電子在表層處產生，它的逃逸深度同SE₁，但是在表層的側向分布上基本同背散射電子。同樣，背散射電子中的LLBSE，主要產生在表層，逸出區接近SE₁。

 

X射線光子、背散射電子及來自背散射電子激發的SE_2,3(SE₂ 和SE₃)，在深度和側向方向上，遠離入射束的初始位置。此時作用點的信息已經不局限于局域的信息，已經部分地反映了周圍區域的信息，這種偏離也被稱為離位效應（Delocalization）。相反，SE₁和LLBSE橫向作用區基本等同于束斑范圍，可被視為高空間分辨信號。

 

信號的逸出區和逃逸深度對成像和顯微分析具有很強的指導意義。較高的加速電壓從電子光學考慮有利于高分辨成像，但會帶來較大的作用區和逃逸深度。這有利于探測更深處的信息，但是不利于表面細節的呈現。在高分辨成像時要提高信號中SE₁或LLBSE的比例，或采用其他措施保障成像質量。如果關注表面信息，可以使用低加速電壓，得到小的作用區和逃逸深度。對于能譜技術同樣如此，高電壓可以激發更多的線系，但在獲取面分布圖時低電壓條件空間分辨率更高。這些內容后續專欄都會涉及，敬請期待。

 

總結以上幾種信號的機理和特征，詳見表1。

 

表1 不同信號細化的來源、特征與應用

 

5 其他信號或副作用

 

入射電子和背散射電子具有較高的能量，與樣品相互作用，會激發出稍低能量的信號：除了用于分析的各種信號電子（如二次電子和俄歇電子）、用于元素分析的X射線，還會產生電流（如樣品電流和電子束感生電流EBIC），會激發光（比如陰極熒光）。

 

除產生熱量外，相互作用還會帶來荷電、電子束損傷、電子束致沉積（積碳）等副效應，惡化了圖像質量。

 

6 不同探測器，不同信號成像的案例

 

為了全面獲知樣品微觀特征，電鏡中不同的探測器/參數會收集不同類型的信號，比如伸入物鏡下方的背散射電子探測器（BSD）會接收BSE，物鏡內的探測器以SE₁和SE₂為主，鏡筒內探測器也可以接收LLBSE。以下為美信檢測分析案例。

 

圖6為金屬鍍層截面，樹脂鑲嵌后離子束研磨制取。BSD探測器可以清晰地看得元素不同的各層，順便也可以看得不同銅晶粒的取向。物鏡內探測器對邊緣和表面信息非常敏感。倉內探測器反映的樣品特征則類似以上兩種探測器圖像的混合，因為它接收BSE和SE₁、SE₂和SE₃信號，如示意圖所示。信號類型-探測器-樣品特征的關系其實非常復雜，本篇點到為止，以后會深入論述。

 

圖6 不同探測器、不同信號對金屬鍍膜截面成像

 

圖7為燃料電池的鉑催化劑顆粒，附著于碳材料上。在較高的放大倍率下，倉內探測器接收到的BSE、SE₃等信號使得分辨率下降，對顆粒細節和邊緣的展現不如物鏡內的探測器，后者以SE₁ 和SE₂信號為主。

 

圖7 不同探測器對鉑催化劑顆粒的高倍成像

 

圖8為納米馬達空腔（鎵）內表外表面貴金屬納米顆粒的圖像。在加速電壓為20 kV時，使用BSD探測器可以探知空腔內表面的納米顆粒。這些背散射電子來自上百納米范圍，反映了原子序數上的差別。在加速電壓為2 kV時，使用物鏡內探測器可以探知外表面，這些二次電子來自幾納米范圍。

 

圖8 不同信號反映不同深度信息

 

圖9為鏡筒內探測器通過改變偏壓接收不同信號的示例，樣品為氫氧化鎳，加速電壓為2 kV。將偏壓設置為0，則接收信號的能量范圍為0~2 kV。樣品不導電，一些能量較低的信號被荷電場所干擾，導致圖像上反常亮和暗的區域。將偏壓設置為1.5 kV，則接收信號的能量范圍約為1.5~2 kV，過濾掉了低能量、易受干擾的信號，從而得到清晰的圖像。

 

圖9 不同能量范圍信號對成像的影響

 

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