电镜学堂丨扫描电子显微镜的基本原理(二) - 像衬度形成原理

第三节  扫描电镜像衬度形成原理

扫描电镜通过电子束在样品表面周而复始的进行扫描运动，同时实时监测各种信号图像的产额，然后根据产额的多少调制成图像。

引起各种信号产额扫描电镜像衬度的来源有三个方面：① 试样本身性质（表面凹凸不平、成分差异、取向差异、表面电位差别等）；② 信号本身性质（二次电子、背散射电子）；③对信号的人工处理。

§1. 形貌衬度

样品所谓的形貌衬度，其实就是不同位置的倾斜角度的差异。

A. 二次电子产额δ 和人射电子束角度α 的关系

能量相同的电子束轰击样品形貌不同的区域，产生的二次电子的深度一样。但是二次电子产生后，最终要能逃出样品表面才能被接收到。设α 为入射电子束与试样表面法线的夹角，对光滑试样表面，二次电子的产额 δ∝1/cosα。α越大，入射电子越靠近试样表面层。从图2-15中可以看出，α₂＞α₁，入射电子束②的路径比入射电子束①更靠近试样的表面，就有更多的二次电子逃逸出试样表面。要得到强的二次电子信号，往往需要倾转试样台，也就是改变入射电子束的角度 （改变α），使之有更多的二次电子激发出来。

图2-15  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

η 是背散射电子的产额，表示一个初始电子能产生能量大于50eV而小于初始能量的电子的几率。当电子束垂直入射时，背散射电子的分布接近余弦定律，发射的方向是随机的（图2-17a）； 当电子束倾斜入射时，背散射电子的角分布成一个向前的棒形 （图2-17b，c）。随着入射角α 的增加，背散射电子也更加的靠近试样表面，背散射电子的发射也相应的增加。当人射角接近掠射角时，背反射系数η接近于1。

图 2-17 BSE的角度分布

η 随倾角α 增加而增加，但不精确满足正割关系，如图2-16。α 角越大，背散射电子反射系数η越高，这表明背散射电子反射率对样品表面状态也比较敏感。

图 2-16 背反射系数η 与倾斜角的关系

C.  形貌衬度

对扫描电镜而言，入射电子的方向是固定的，但由于试样表面凹凸不平，导致了电子束对试样表面的入射角的不同。如图2-18所示，试样中A, B两个平面的入射角α 是不同的，由二次电子以及背散射电子反射的规律可以知道，入射角α越大，二次电子产额δ越高，背散射电子反射系数η 也越高，故而扫描电镜探测器接收到的二次电子和背散射电子数量也不同，从而图像上的亮度也不同。例如，A区的入射角比B区大，A区接收到的二次电子和背散射电子更多，所以反映在图像上就是A区比B区更亮，从而将试样的形貌衬度表现出来。

图 2-18 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表现试样的形貌衬度，但由于背散射出射深度深，发射区域相对二次电子很大，空间分辨率相对二次电子低的多，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2-19，是锂电池电极材料的SE像和BSE像，明显可以发现SE像对表面形貌的反映比BSE像更灵敏。不过现在很多的桌面台式扫描电镜就是利用背散射电子来观察试样的形貌。而且在特定的情况下，背散射电子观察形貌比二次电子有优势，这将在后文中提到。

图 2-19 锂电池电极材料的SE像和BSE像

不过二次电子和背散射电子在探测器的接收方式上存在较大的差异，虽然倾斜角越大背散射电子产额越高，但是其发散角分布也改变。此时背散射虽然有较大的产额，但并不意味着所有的背散射电子都能被有效的接收到，所以有时候背散射电子像的明暗衬度和倾斜角之间的关系并不完全一致，如图2-20。

图 2-20 金字塔状形貌的SE像和BSE像（异常反差）

D.  边缘效应

图 2-21 形貌衬度中的边缘效应与尖端效应

不过二次电子或背散射电子的形貌衬度有明显的边缘效应和尖端效应，如图2-21所示。在一些突出的尖端，或者是小颗粒、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途径要比正常情况大的多，所以在这些位置往往二次电子的产额会比正常平面高很多，反映在图像上就是发生尖端效应或者边缘效应的区域亮度非常高，呈一个白点或者白色轮廓，如图2-22。

图 2-22 边缘效应与尖端效应

§2.  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

图 2-23 不同物质的SE产额不同

二次电子产额除了形貌外、和入射电子束能量及原子序数Z 也有一定的关系，如图 2-23。二次电子产额与原子序数之间是个复杂的关系。不同原子序数的物质由于核外电子数目不同以及电离能的差别，导致二次电子产额和原子序数也有一定的关系；此外，不同的原子序数对背散射的产额也有差异，而背散射电子也会产生二次电子。

二次电子产额在总体上随着原子序数的增大而增加。在Z 小于20时，δ 随着原子序数Z 的增加也有所增加；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变化，只有Z 小的元素的二次电子产额与试样的组分有关。所以二次电子通常情况下用于观察表面形貌，而不用于观察成分分布；不过在原子序数较低或差异较大的时候，二次电子也能看出原子序数衬度。

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，如图 2- 24所示。

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

图 2-24 背散射系数和原子序数的关系

图 2-25  SE和BSE产额与原子序数的关系

C.  原子序数衬度

图2-25是二次电子和背散射电子产额与原子序数之间的关系图。由图2-25可以看出，无论是二次电子还是背散射电子，其产额都随着原子序数的增加而增加。 故在进行分析时，试样中原子序数较高的区域可以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，也就是说原子序数较高的区域图像更亮，这就是原子序数衬度的原理。

另外，图2-25也说明了一个问题，二次电子反映的原子序数Z 衬度相比背散射电子要弱很多。

在原子序数Z 较小，或者Z 相差很大时，二次电子还能够表现出较好的原子序数Z 衬度。如图2-26，左图是碳银混合材料的 SE像，碳的原子序数很小，而银的原子序数较大，两者的二次电子产额依然有较大的差异，所以我们可以很容易的从二次电子图像上来区分出碳和银。而右边背散射电子图像的成分衬度更加明显，不过其表面细节却远不如二次电子图像。

图 2-26 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表现原子序数衬度，不过无论原子序数Z 如何，背散射电子对原子序数的敏感度都始终比二次电子高得多。所以在进行成分分析时候，背散射电子使用的更为广泛。我们可以从背散射电子像的亮度差别，再根据对试样的了解，快速定性判断出物相类型。

再如图2-27，试样是铜包铝导线材料截面，外面为铜，内部为铝。由于铝和铜的原子序数差异不大，两者二次电子产额的差异变得较小，故而 SE图像已经不能很好的区分不同 的组分；而背散射电子的产额依然有较大的差异，所以 BSE像的衬度十分明显，可以轻易的区分铜和铝的分布情况。

图 2-27 铜包铝导线截面的 SE、BSE像和铝、铜电子产额

图 2-28 镀膜表面的 SE像和 BSE像

再如图2-28，试样是某种镀膜材料。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，二次电子产额已经完全不能呈现出原子序数衬度。而此时背散射电子受到形貌的影响较小，依然可以显示出明显的成分衬度。

§3.  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，后面还将讨论其它衬度对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成下表：

表 2-3  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，从而不能采集 BSE图像。仅仅了解形貌衬度而忽略了原子序数衬度，把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，没有充分发挥扫描电镜的作用。

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2-3中可以看出，两种电子信号和两种衬度之 间是相辅相成，缺一不可的。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。如图2-29，金属材料断口的 SE（左）和 BSE（右）图像，结合SE 和 BSE图像，综合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 2-29 断口的 SE像和 BSE像

§4.  磁衬度

某些试样，如铁磁性材料中的磁畴、录像磁带的磁场或者集成电路上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，外界磁场就可能会影响两次碰撞之间的轨迹，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，最终造成η 不同而形成的衬度，这就是第二类磁衬度。

§5.  电位衬度

试样表面若存在电位分布的差异，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。二次电子在正电位区域好像被拉住不易逸出，故在正电位区域二次电子产额较少, 在图像上显得较暗；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。我们可以用电位衬度来研究材料和器件的工艺结构。如图2-30，是集成电路板在未加偏压和加上偏压的图像。

图 2-30 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。不过随着减速技术的普及，在减速模式中，有的电位衬度会被放大，从而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。有的半导体芯片的某些特殊位置产生断路、短路或者其它异常，这些位置往往并不在样品表面，所以此时无论是表面的形貌衬度还是原子序数衬度均发挥不了太大的作用。而此时用电子束扫描样品表面一段时间，如果芯片内部存在缺陷，如图 2-31，缺陷对应的表面位置的电位可能会和周围不同，进而从图像上表现出明显的亮点或暗点。通过此种方法，可以对快速寻找芯片缺陷的位置，然后进一步对缺陷位置做其它处理，并进行进一步的分析。

图 2-31 半导体芯片缺陷引起的电位衬度

§6.  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和初始电子束与晶面的相对取向有关。晶体取向的不同会造成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，如图2-32。

图 2-32 电子通道衬度示意图

不过电子通道衬度相对形貌衬度来说要弱很多，还需要试样表面有良好的晶体结构。所以一般要观察到明显的电子通道衬度必须消除形貌衬度的影响。一般只有非常平整的、没有多余残余应力的金属、晶体等多晶材料试样，才能明显的观察到不同取向晶粒产生的通道衬度。要获得理想的 ECC像，需要几个条件。

特别是前两条，基本上要按照 EBSD 的标准进行制样：

① 样品要足够平整，减少形貌衬度的引人；

② 样品表面要尽可能的减小残余应力，保持表面有较为完成的晶体结构；

③ 背散射电子的通道衬度一般强于二次电子，使用背散射电子观察 ECC效果更好；

④ 较大的束流下 ECC更加明显。

如图2-33是不同束流条件下用 SE和BSE观察到的金属镍材料的通道衬度。

图 2-33 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。晶体中的缺陷附近会产生晶格畸变，那里的衬度与周围会有所不同，于是在显示屏上显示出它们的衬度像。不过限于SEM的分辨率，SEM ECC还不能观察单个位错。

§7.  密度衬度

此外还有一种不常见的衬度，这种衬度以前曾被误认为是通道衬度或者原子序数衬度。有的物质虽然可能成分完全一样，形貌也类似，但是可以产生同分异构现象。不同的同分异构体之间因为结构不同，从而可能带来较大的密度差异，进一步造成初始电子束在试样中的散射几率产生差异，从而带来二次电子或者背散射电子产额的差异。密度高的物质具有更高的电子产额呈现更亮的灰度，反之密度低的物质则呈现出更为暗淡的灰度。这种衬度其实是一种密度衬度。

所以有时候，存在同分异构体（比如碳材料）的物质产生出这种因密度不同引起的衬度，但是这种衬度首先也要先保证成分基本相同，且基本没有形貌衬度的影响，否则难以用密度进行解释。如图2-34，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。

图 2-34 金刚石和石墨表现出的密度衬度  

图 2-35 存在各种复杂体系的碳材料

图2-35为处理过的碳材料。碳材料本身结构很复杂，处理后可能存在各种碳结构，如无定形、sp2杂化、sp3杂化等，里面可能有无定形碳、石墨化、类金刚石等复杂体系，不同体系成分一样，密度不同，表现出不同的明暗衬度。当然，如果进行进一步的分析需要借助其它仪器，或者 TESCAN的 RISE电镜可以直接进行拉曼光谱的成像，进行更准确的碳结构鉴定。

↓  第一期，请查阅以下文章：

电镜学堂丨扫描电子显微镜的基本原理（一）- 电子与试样的相互作用