SEM圖像模糊的原因

 

前言

 

圖像模糊是頻發的現象，尤其是高放大倍率、參數設置不合適等情形。有些模糊是可以克服的，比如選擇合適的參數，比如更好地合軸和消像散；有些這是難以克服的，比如作用區較大導致的信號重疊等。探析圖像模糊的原因，可以讓我們找到應對策略，或者觸碰理論的界限。

 

1 圖像模糊的原因探析

 

探析前先回顧一下掃描成像的原理：電子束形成比較細的探針，然后逐點掃描。在理想情況下如圖1a所示：1. 準確地將探針定位到所需的位置，而不讓它跑到其他地方；2. 每個像素最好充分代表了本像素內的信息，并不與臨近的信號發生重疊；3. 電子束在每個像素停留足夠時間以收集足夠的信號量。

 

但是，實際情況總有例外，想象以下情形：束斑、束流太小導致信號量太小，如圖1b所示；作用點（束斑）太大或者激發的信號區域太大，大出了本區域而作用到臨近的位置，相鄰區域的信號發生了混合，見圖1c；又或者束斑非圓形，而呈橢圓形，如圖1d所示；樣品移動或者電子束移動，見圖1e。

 

圖1 圖像模糊的成因

 

在圖1a所示的理想情況下，束斑或信號逸出區應該與樣品像素/掃描步進尺寸相仿，一方面不會采集臨近區域的信號而導致信號干擾，一方面也充分激發了信號保證圖像信噪比。然而，圖1b有時也會出現，比如使用了很小的光闌導致束流很小，圖像信噪比較差，圖像因信噪比較差而顯得模糊；圖1c在高倍成像或聚焦不良時較常見，束斑或信號逸出區顯著超出了樣品像素；圖1d則會出現在合軸和消像散不良等情況，圖像會呈現往一個方向的拉伸；圖1e會在樣品荷電或漂移的時候出現，圖像會出現斷層或者水平方向的扭曲。

 

下邊分類進行更具體的分析。

 

2 信號區域導致的模糊

 

在圖2a中，束斑小于樣品像素。但是前者小于后者未必就能保證成像清晰，還要考慮信號逸出區的大小跟樣品像素的比較，所以圖b和c比較了逸出區跟像素大小。在圖2b中，對于高分辨信號，比如SE₁跟束斑相仿，也不存在信號干擾，使用純SE₁的信號，則圖像可能在高倍率下仍舊清晰；在c中，對于低分辨信號，比如BSE信號或SE₂和SE₃的混合信號，則可能因其信號逸出區太大，臨近信號干擾導致圖片模糊。當然，如果臨近信號的干擾不嚴重，圖片的模糊也不嚴重，干擾嚴重時圖片自然也就比較模糊。

 

圖2 信號逸出區對圖像的影響

 

圖像清晰與信號區重疊的關系，可以類比成犯罪調查。假設警察審訊數位犯罪嫌疑人以還原案件原委。在理想情況下，應對每個人進行隔離調查，對每個人錄口供；如果嫌疑人之間串供則增加了審訊的困難，使案情更為撲朔迷離。

 

圖3為實例：a圖中物鏡內探測器以SE_1,2為主，逸出區較小，所以反映表面信息（表面的小黑點）比較清晰；b圖的倉內探測器信號比較多，存在逸出區較大的信號SE₃和BSE，所以僅就反映表面信息而言，圖像比較模糊；c圖的BSE探測器以BSE為信號，來自較大的逸出區，僅就表面信息而言幾乎看不到表面的有機物殘留。當然，c圖也可以反過來利用逸出區大的特點，專門利用BSE反映的取向信息來看到晶粒，或者忽略表面的污染。

 

圖3 信號逸出區影響的實例

 

3 束斑與放大倍數的匹配

 

根據放大倍數的公式（見專欄6），隨放大倍數增加，掃描步進（樣品像素）變小。

 

對于圖4而言，如果選擇小光闌，在其他條件相同時，會獲得較小的束斑，對應較小的束流。在中低倍時，樣品像素遠大于束斑，可能圖像的信噪比會稍差，可能一些較弱的特征難以被一眼識別。當然，當采集圖片時，駐留時間比觀察時長，圖像依然清晰。但是，在高倍時（比如100 k），樣品像素跟束斑相當，仍能獲得清晰的圖像。

 

圖4 信號逸出區影響的實例

 

相反，若選擇大光闌，在其他條件相同時，會獲得較大的束斑，對應較大的束流。在中低倍時，樣品像素跟束斑相當，束流較大使得圖像的信噪比較好，一些較弱的特征可能在觀察模式下被識別到。然而，在高倍時，束斑遠大于樣品像素，這樣難以避免臨近信號之間的干擾，圖片變得模糊。

 

4 移動導致的錯位

 

在對電子束敏感樣品、絕緣樣品或固定不牢樣品成像時，偶見圖像中錯位模糊，見圖5所示。一種是樣品未動、電子束的位置發生偏移：樣品附近或表面的電場可能會干擾電子束的定位，導致一些錯行。另一種是樣品發生了漂移，比如受熱、損傷或單純的機械移動。

 

圖5 圖像錯位的原因

 

此外，如果環境存在振動或電磁干擾，導致電子束的定位錯誤也會導致類似的現象。

 

5 駐留時間太短

 

在觀察時需要移動樣品，為防止圖像拖影，通常選擇較快的掃描速度，每個像素上的駐留時間很短，信號量不足導致信噪比稍差。相反，在拍攝時，通常選擇稍慢的掃描速度，以獲得高信噪比的圖像。

 

然而，荷電、樣品漂移都會使得拍攝時的圖像發生錯位，見圖6左圖。可使用很快的速度抓拍圖像，可能消除錯位但是模糊依然存在，見圖6中圖。

 

圖6 駐留時間和降噪模式對圖像質量的影響

 

可以針對移動的原因進行消解，比如改變加速電壓或降低束流等。如圖6右圖所示，此時采用漂移矯正也是一種便捷的方法，它通過比較多幀圖像來識別漂移再進行疊加補償（見專欄6）。

 

6 束斑形狀變化

 

在專欄7中，束斑被等效成圓形，但是有些情況下束斑未必為圓形。當存在明顯的像散時，束斑形狀會類似橢圓形，而且會斜跨多個像素，見圖7和圖1d所示。

 

圖7 有無像散對成像的影響

 

當存在像散的時候，在正焦時束斑大于無像散時，圖像模糊但是無方向性畸變；當欠焦和過焦時，束斑呈橢圓狀且畸變方向相反。

 

此外，鏡筒和物鏡的成像缺陷（即像差）也會帶來成像時的畸變，如合軸不良使得在聚焦時樣品出現橫向位移，魚眼模式下周邊圖像的模糊等。

 

7 遠離正焦

 

在正焦狀態下，若焦斑小于樣品像素，沒有像素之間信號的干擾，成像清晰；在過焦和欠焦狀態下，若會聚截面遠超樣品像素，則會存在臨近間信號干擾，會導致成像模糊（專欄6）。對于形貌起伏較大的樣品，電子束不能在在每個區域被聚焦，在正焦區域外的區域必然出現過焦或欠焦的狀態，超出嚴重也會使得圖片模糊。

 

如圖8所示的晶須，高處可能處于欠焦狀態，低處可能處于過焦狀態，并且會聚截面遠超樣品像素，則必然在圖片上表現出模糊。僅在正焦的一定垂直范圍內，會聚截面跟樣品像素相當，在圖片中較為清晰。

 

圖8 樣品高度的影響

 

像圖8這樣既有清晰的區域又有模糊的區域，而且樣品是高低起伏較大的樣品，涉及到景深概念，下欄我們將討論景深，敬請期待。

 

參考文獻

 

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