泽攸科普——扫描电子显微镜(SEM)像衬度形成原理


发布时间:

2024-02-22

扫描电镜通过电子束在样品表面进行周而复始的扫描运动,同时实时监测各种信号图像的产生,然后根据产生的信号多少来调制图像。

扫描电镜通过电子束在样品表面进行周而复始的扫描运动,同时实时监测各种信号图像的产生,然后根据产生的信号多少来调制图像。

引起各种信号产生的扫描电镜图像衬度的来源有三个方面:

1. 试样本身性质:包括表面的凹凸不平、成分的差异、取向的差异以及表面电位的差别等因素。

2. 信号本身的性质:主要包括二次电子和背散射电子等。

3. 对信号的人工处理。

一、形貌衬度

形貌衬度指的是样品不同位置的倾斜角度差异。

A.二次电子产额 δ 和入射电子束角度 α 的关系

当能量相同的电子束轰击样品的不同形貌区域时,产生的二次电子的深度是相同的。然而,二次电子产生后,它们必须能够逃离样品表面才能被接收到。假设 α 表示入射电子束与试样表面法线的夹角。对于光滑的试样表面,二次电子产额 δ ∝ 1/cosα。随着 α 的增大,入射电子越靠近试样表面层。如图1所示,当 α2 > α1 时,入射电子束②的路径比入射电子束①更接近试样的表面,因此有更多的二次电子逃逸出样品表面。为了获得强的二次电子信号,通常需要倾斜试样台,即改变入射电子束的角度(改变 α),以促使更多的二次电子激发出来。

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图1   倾斜角和SE产额的关系

B.入射电子方向对背散射电子产额 η 的影响

背散射电子产额 η 表示一个初始电子能量大于50eV而小于初始能量的电子产生的几率。当电子束垂直入射时,背散射电子的分布接近余弦定律,发射方向是随机的(见图2);然而,当电子束倾斜入射时,背散射电子的角分布呈现一个向前的棒形(见图2)。随着入射角 α 的增加,背散射电子更靠近试样表面,其产额也相应增加。当入射角接近掠射角时,背反射系数 η 接近于1。

虽然 η 随倾角 α 的增加而增加,但并不精确满足正割关系,如图3所示。随着 α 角的增加,背散射电子反射系数 η 增加,这表明背散射电子反射率对样品表面状态也较为敏感。

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图 2 BSE的角度分布

 

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图3 背反射系数η 与倾斜角的关系

C.形貌衬度

对于扫描电镜而言,入射电子的方向是固定的,但由于试样表面的凹凸不平,导致电子束对试样表面的入射角度不同。如图4所示,试样中的 A 和 B 两个平面的入射角 α 是不同的。根据二次电子和背散射电子的反射规律,可知入射角 α 越大,二次电子产额 δ 和背散射电子反射系数 η 越高。因此,扫描电镜探测器接收到的二次电子和背散射电子的数量也不同,进而导致图像上的亮度差异。例如,A 区的入射角大于 B 区,因此 A 区接收到的二次电子和背散射电子更多。因此,在图像中,A 区比 B 区更亮,从而展现了试样的形貌衬度。

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图4 表面形貌衬度

二次电子产额和背散射电子反射系数都可以反映试样的形貌衬度,但由于背散射电子的出射深度较深,发射区域相对较大,因此其空间分辨率相对二次电子要低得多,并且其立体感也不及二次电子。背散射电子很大程度上反映的是亚表面的形貌。如图5所示,对于锂电池电极材料的二次电子像和背散射电子像,明显可以观察到二次电子像对表面形貌的反映比背散射电子像更为灵敏。然而,许多桌面式扫描电镜现在都是利用背散射电子来观察试样的形貌。此外,在特定情况下,背散射电子观察形貌比二次电子具有优势,这将在后文中提及。

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图5 锂电池电极材料的SE像和BSE像

然而,尽管倾斜角越大,背散射电子产额越高,但其发散角分布也会发生变化。因此,虽然背散射电子产额较大,但并不意味着所有的背散射电子都能被有效地接收到。因此,有时背散射电子图像的明暗对比度与倾斜角之间的关系并不完全一致,如图6所示。

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图6 金字塔状形貌的SE像和BSE像(异常反差)

D.边缘效应

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图7 形貌衬度中的边缘效应与尖端效应

然而,二次电子或背散射电子的形貌衬度存在明显的边缘效应和尖端效应,如图7所示。在一些突出的尖端、小颗粒、较陡的斜面以及多个平面的交汇处,二次电子逃逸到表面的路径要比正常情况下更多,因此在这些位置,二次电子的产额往往比正常平面高得多。这种现象在图像中呈现为尖端效应或边缘效应的区域亮度非常高,形成白点或白色轮廓,如图8所示。

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图8 边缘效应与尖端效应

二、原子序数Z衬度(成分衬度)  

A.二次电子产额δ和原子序数Z的关系

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图9 不同物质的SE产额不同

二次电子产额除了与形貌相关外,还与入射电子束的能量和原子序数 Z 之间存在一定的关系,如图9所示。二次电子产额与原子序数之间的关系是复杂的。由于不同原子序数的物质具有不同数量的核外电子以及不同的电离能,导致二次电子产额与原子序数之间存在一定的关系。此外,不同原子序数对背散射电子的产额也会有差异,而背散射电子又会产生二次电子。

总体上,二次电子产额随着原子序数的增大而增加。在原子序数 Z 小于20时,二次电子产额随着原子序数 Z 的增加而增加;然而,当原子序数 Z 大于20时,二次电子产额基本上不随原子序数的变化而变化。仅有原子序数较小的元素的二次电子产额与试样的组分有关。因此,通常情况下,二次电子用于观察表面形貌,而不用于观察成分分布;然而,在原子序数较低或差异较大的情况下,二次电子也能够显示出原子序数的衬度。

B.背散射电子系数η与原子序数Z的关系

背散射电子系数 η 与原子序数 Z 具有如下关系式:η 随着 Z 的增大而增大,具体关系如图10所示。

η=-0.0254+0.016Z-0.000186Z2+8.3×10-7Z3

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图10 背散射系数和原子序数的关系

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图11 SE和BSE产额与原子序数的关系

C.原子序数衬度

图11展示了二次电子和背散射电子产额与原子序数之间的关系。从图中可以看出,无论是二次电子还是背散射电子,它们的产额都随着原子序数的增加而增加。因此,在分析时,试样中原子序数较高的区域会发射出比原子序数较低区域更多的二次电子和背散射电子,因此原子序数较高的区域在图像中会显示出更亮的特征,这就是原子序数衬度的基本原理。

另外,图11也揭示了一个问题,即二次电子反映的原子序数 Z 衬度相比背散射电子要弱得多。

在原子序数 Z 较小或者 Z 相差很大时,二次电子仍然能够表现出较好的原子序数 Z 衬度。如图12所示,左图是碳银混合材料的二次电子像,碳的原子序数很小,而银的原子序数较大,二者的二次电子产额依然存在较大的差异,因此可以很容易地从二次电子图像中区分出碳和银。而右图的背散射电子图像的成分衬度更加明显,但其表面细节远不及二次电子图像。

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图12 碳银混合材料的 SE、BSE图像和碳、银电子产额

虽然二次电子和背散射电子都能够表现原子序数衬度,但无论原子序数 Z 如何,背散射电子对原子序数的敏感度始终比二次电子高得多。因此,在进行成分分析时,背散射电子的应用更为广泛。我们可以根据背散射电子图像的亮度差异,结合对试样的了解,快速定性地判断物相类型。

举例来说,如图13所示,试样是铜包铝导线材料的截面,外层是铜,内部是铝。由于铝和铜的原子序数差异不大,导致它们的二次电子产额差异变得较小,因此二次电子图像已经不能很好地区分不同的组分。然而,背散射电子的产额仍然存在较大的差异,因此背散射电子像的衬度非常明显,可以轻松地区分铜和铝的分布情况。

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图13 铜包铝导线截面的 SE、BSE像和铝、铜电子产额

图14 镀膜表面的 SE像和 BSE像

再举例如图14所示,展示了某种镀膜材料的情况。由于样品表面受到较大的表面形貌衬度的影响,以及边缘效应的存在,二次电子产额已经完全不能呈现出原子序数衬度。然而,此时背散射电子受到形貌的影响较小,仍然可以显示出明显的成分衬度。

三、形貌衬度、原子序数衬度和二次电子、背散射电子的关系

目前,很多地方将二次电子图像称为形貌图,将背散射电子图像称为成分图,其实都不是非常严谨。从前面的介绍我们已经知道,二次电子产额主要对形貌更敏感,背散射电子产额主要对成分更敏感;但二次电子图像也能反映一定的成分衬度,背散射电子图像也包含了一定的形貌衬度。因此,无论是二次电子图像还是背散射电子图像,其实都始终是至少这两种衬度的混合。后面还将讨论其他衬度对这两种电子产额的影响。

将扫描电镜中二次电子和背散射电子的各自特点总结如下表:

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表15 SE和 BSE的特点对比

在很多实验交流中发现,很多人往往对二次电子比较了解而忽略了背散射电子。有的扫描电镜甚至没有配备背散射电子探测器,因此无法采集背散射电子图像。仅仅了解形貌衬度而忽略了原子序数衬度,将扫描电镜仅仅当成了分辨率比光学显微镜更好的观察形貌的仪器,这都是对扫描电镜不够了解,没有充分发挥其作用。

二次电子和背散射电子是扫描电镜使用最多的两种信号,形貌衬度和原子序数衬度也是样品本身性质中最常见的衬度。从表15中可以看出,两种电子信号和两种衬度之间相辅相成,缺一不可。只有充分了解了两种电子和两种衬度之间的关系,才能将扫描电镜充分发挥作用,从电镜图像中获取更多的信息。

举例来说,如图16所示,金属材料断口的二次电子图像(左)和背散射电子图像(右),结合二次电子和背散射电子图像,综合考虑形貌衬度和成分衬度,可以对断口的失效做出更快更准确的分析。

图16 断口的SE像和BSE像

四、磁衬度

在某些试样中,比如铁磁性材料中的磁畴、录像磁带上的磁场或集成电路中的薄膜导线,会在试样表面形成外延磁场。具有一定规律的二次电子会受到这种磁场的影响而偏转,形成某种衬度,这就是第一类磁衬度,表现为条纹型衬度。

背散射电子在样品中的自由程较长,外界磁场可能会影响电子的轨迹,凡是轨迹弯向表面的电子易于逃逸出,相反,轨迹背离表面向内部弯曲的电子不易逃逸出,最终形成的背散射电子反射系数 η 不同,产生的衬度就是第二类磁衬度。

五、电位衬度

试样表面若存在电位分布的差异,比如半导体的 P-N 结、加偏压的集成电路等,这些局部电位的差异会影响二次电子的轨迹和强度。在正电位区域,二次电子好像被拉住不易逸出,因此在这些区域,二次电子产额较少,图像上显得较暗;相反,在负电位区域,二次电子易被推出,产额较高,在图像上显得较亮,这就是电位衬度。我们可以利用电位衬度来研究材料和器件的工艺结构。如图17所示,是集成电路板在未加偏压和加偏压时的图像。

图17 集成电路板在加偏压前后的图像

不过在通常的观察中,具有明显电位衬度的试样并不多。然而,随着减速技术的普及,减速模式中的一些电位衬度可能会被放大,使得样品也能观察到明显的电位衬度。

此外,在半导体芯片的失效分析领域,电位衬度具有重要的作用。某些半导体芯片的特定位置可能会产生断路、短路或其他异常,这些位置往往并不在样品表面。因此,在这种情况下,表面的形貌衬度和原子序数衬度可能无法发挥太大的作用。然而,通过使用电子束扫描样品表面一段时间,在芯片内部存在缺陷的情况下,缺陷对应的表面位置的电位可能会与周围不同,从而在图像上显示出明显的亮点或暗点,如图18所示。通过这种方法,可以快速寻找芯片缺陷的位置,然后进一步对缺陷位置进行处理并进行进一步的分析。

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图18 半导体芯片缺陷引起的电位衬度

六、电子通道衬度(ECC)

如果试样是晶体的话,二次电子和背散射电子产额还与初始电子束与晶面的相对取向有关。晶体取向的不同会导致初始电子被试样原子散射的机率产生差异,进而影响二次电子和背散射电子的产额,这就是电子通道衬度,又称为ECC(Electron Channeling Contrast),如图19所示。

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图19 电子通道衬度示意图

不过相对于形貌衬度来说,电子通道衬度要弱得多,并且需要试样表面具有良好的晶体结构。因此,要观察到明显的电子通道衬度,通常需要消除形貌衬度的影响。一般来说,只有非常平整的、没有多余残余应力的金属、晶体等多晶材料试样,才能明显观察到由不同取向晶粒产生的通道衬度。要获得理想的 ECC 图像,需要满足以下几个条件:

特别是前两条,基本上需要按照 EBSD 的标准进行制样:

① 样品必须足够平整,以减少形貌衬度的影响;

② 样品表面应尽可能减小残余应力,并保持表面有较完整的晶体结构;

③ 背散射电子的通道衬度通常强于二次电子,因此使用背散射电子观察 ECC 效果更佳;

④ 在较大的束流下,电子通道衬度更加明显。

如图20所示,是在不同束流条件下用二次电子和背散射电子观察到的金属镍材料的电子通道衬度。

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图20 金属 Ni在不同束流条件下的ECC

SEM-ECC技术适用于观察多晶材料的晶粒尺寸,特别是亚晶结构等。在晶体中的缺陷附近会产生晶格畸变,这些地方的衬度与周围有所不同,因此在显示屏上可以显示出它们的衬度像。然而,受限于SEM的分辨率,SEM ECC 还不能观察单个位错。

七、密度衬度

除了常见的衬度类型外,还存在一种不太常见的衬度,过去曾被误认为是通道衬度或原子序数衬度。某些物质虽然可能具有完全相同的成分,形貌也相似,但可能会产生同分异构现象。不同的同分异构体之间由于结构不同,可能会导致较大的密度差异,进而导致初始电子束在试样中的散射几率不同,产生二次电子或背散射电子产额的差异。密度较高的物质具有更高的电子产额,呈现更亮的灰度,而密度较低的物质则呈现更暗淡的灰度。这种衬度实际上是一种密度衬度。

 

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图21 金刚石和石墨表现出的密度衬度

因此,有时候,存在同分异构体(例如碳材料)的物质可能会产生出这种因密度不同引起的衬度。然而,要解释这种衬度,首先需要确保成分基本相同,并且基本上没有形貌衬度的影响。如图21所示,左边是比重约为3.5的金刚石,右边是比重约为2.3的石墨,可以看出密度更大的金刚石具有更高的电子产额。

泽攸科技ZEM18台式扫描电镜

安徽泽攸科技有限公司是一家具有完全自主知识产权的科学仪器公司, 自20世纪90年代开始投入电镜及相关附件研发以来,研发团队一直致力于为纳米科学研究提供优秀的仪器。目前,公司有包括PicoFemto系列原位TEM测量系统原位SEM测量系统ZEM系列台式扫描电镜JS系列台阶仪纳米位移台二维材料转移台探针台及低温系统光栅尺等在内的多个产品线,在国内外均获得了高度关注,填补了国家在科学精密仪器领域的诸多空白。