扫描电子显微镜观测指南

目录

前言

1．图像干扰类型    2

2．由电子探针和试样的相互作用引起的图像改变    2

2-1 加速电压对图像质量的影响    2

2-2 束流、束斑直径和图像质量    4

2-3 边缘效应对图像质量的影响    5

2-4 试样倾斜的利用    6

2-5 背散射电子信号的利用    7

2-6 充电对图像质量的影响    9

2-7 电子束对样品的破坏    12

2-8 污染    12

3．操作技术、样品制备技术、外部干扰等对图像质量的影响    13

3-1工作距离和物镜光阑    13

3-2 像散的影响    14

3-3．显微图片对比度和亮度的优化    16

3-4．为获得X-ray图像的曝光时间    17

3-5．外部干扰对图像质量的影响    17

3-6 试样制备过程中的变形和杂质沉积    18

3-7 图像畸变及其原因    19

3-8 涂层    20

4．由于设备缺陷导致的干扰    22

4-1．灯丝预热不够    22

4-2．不正确的像散和物镜光阑对中    23

4-3．探头的10KV放电    23

4-4．烧坏或肮脏的CRT表面    24

技术术语：    24

1．图像干扰类型

    虽然图像干扰有很多类型，但可大致归纳为以下几种：

    1）缺少清晰度和对比度的图像

    2）不稳定的图像

    3）普通的低质量图像

    4）噪音图像

    5）边缘锯齿状图像

    6）非常对比度图像

    7）畸变或变形的图像

    上述所列图像干扰，除了归结为设备自身问题引起的外，通常是由于操作者缺乏经验，样品制备不当及外部因素（如安装房间的条件）引起的。表1列出了各种图像干扰及它们的原因。

    在这本册子中，我们依靠手头所能获得的数据来研究导致图像干扰的原因，例如：

    1）样品和电子束的相互作用引发的问题

    2）选择观察条件和样品制备时所包含的问题

    3）设备自身包含的问题

表1. 图像干扰及原因

2．由电子探针和试样的相互作用引起的图像改变

2-1 加速电压对图像质量的影响

    理论上，加速电压越大，束斑直径就越小。然而，增大加速电压有一些不容忽视的缺陷。主要有如下几点：

1）缺少样品表面的详细形貌信息

2）显著的边缘效应

3）更高的充电可能性

4）更大的样品损伤可能性

在SEM中，通常在低加速电压下可获得更细微的表面形貌图像。在更高的加速电压下，电子束渗透和扩散的区域变大，导致产生来自试样内部的多余信号（如背散射电子）。这些信号降低了图像的对比度，且屏蔽了细微的表面形貌。对于观察低浓度的物质，采用低加速电压特别理想。

图1. 入射电子的扩散（After Ducumb and Shields）

图2．加速电压的影响

图3. 样品：墨粉 

当使用高加速电压时（a），很难获得试样表面结构的对比度。此外，试样表面容易充电。降低加速电压，（b）可轻易地看到表面微观组织。

图4．样品：蒸发Au颗粒

在更高加速电压25KV下，图像的清晰度和分辨率更好。

图5．样品：滤纸

在5KV下，由于入射电子的渗透和扩散很浅，样品表面的微观组织能清晰看到。

图6．样品：烧结粉末

在低加速电压下，虽然表面显微结构可以观察到，但高放大倍率下很难获得清晰的微观图片。在这种情况下，要获得清晰图片，可缩短工作距离或降低电子束斑直径。

图7．样品：涂层

当采用高加速电压时，试样内部组成物质产生出更多的背散射电子。这不仅损害了表面微观组织的对比度，同时由于背散射电子的影响，生成不一样的对比度。

2-2 束流、束斑直径和图像质量

    在SEM中，打在试样上的束斑直径越小，放大倍率就越大，分辨率越高。然而，图像的平滑度，即信噪比取决于束流。束流和束斑直径的关系见图8。可见，随着束斑直径的减小，束流也减小。

    因此有必要在放大倍数、观察条件、加速电压、试样倾斜等及试样间选择匹配的束流。

图8．束流和束斑直径的关系

图9．束流的影响

图10．样品：陶瓷 10KV ×5,400

束流越小，图像越清晰，但是表面平滑度变差。

2-3 边缘效应对图像质量的影响

    在影响二次电子像对比度的因素中，倾斜效应和边缘效应都是由于试样表面形貌引起的。从试样表面散射出的二次电子很大程度上取决于电流在试样表面的入射角，角度越大，散射越大。扫描电镜观察的目标一般具有不规则的表面。它们上面有很多斜面，这可最大程度地提高二次电子像的对比度。

    另一方面，大量的二次电子产生于试样表面的突起和弧面处，这使得它们相对于平滑部分有更大的亮度。

    边缘效应的程度取决于加速电压。即，加速电压越低，入射电子在试样中的渗透深度越浅。这就降低了边缘部分的亮度，使得它们在微观组织中显得更清晰。

    通常，二次电子像包含一些背散射信号。因此，如果试样表面的倾斜方向和二次电子探头的位置在几何学上相互匹配，那么倾斜部位出来的背散射电子被混合，使得它们看上去更亮。

图11．边缘效应（二次电子发射随表面条件的变化）。

图12．样品：IC芯片

加速电压越高，边缘效应越显著，使得边部更亮。

2-4 试样倾斜的利用

    试样倾斜的目的在于：

1）提高二次电子像的质量

2）获得与不倾斜试样有差异的信息形貌，如观察形貌特征和观察试样边缘

3）获得立体显微图像

a）图像质量对倾斜角的依赖关系

图13（a）是倾斜角为0°时拍的照片，（b）是倾斜了45°后拍的。对比表明，后者具有更光滑的质量和立体感。然而当试样倾斜后，在长度上的观察不同于其真实值。当采用测量宽度模式，需在试样不倾斜的状态下测量，否则不能得到准确的数值。

b）立体显微图像

对于SEM图像，有时候很难正确判断它们的形貌特征。在这种情况下，观察立体SEM图片可轻易地掌握试样的结构。此外，立体观察也会从简单结构的试样上得到不需要的信息。

在立体观察中，当拍下了感兴趣的视场后，从5°～15°地倾斜试样，再次拍摄同一视场。使倾斜轴保持垂直，用立体镜片观察这两幅照片就可得到立体图像。

图13. 样品：IC芯片 5KV ×1,100

通过倾斜试样观察侧面图像。增加了信号数量。

图14. 样品：橄榄叶的背面

在立体成对照片中可获得更多的信息。

c）探头位置和试样方向

当试样被电子束照射时，产生的二次电子数量理论上取决于入射角。然而，图像的亮度会产生差异，这取决于试样的倾斜面是正对着二次电子探头还是背对。

例如，对于长的试样，对着探头的一面和背对探头的一面在亮度上有差异。

在这种情况下，让试样的纵向正对着探头可使得亮度更均匀。

图15. 探头位置和试样方向

图16. 样品：纤维 7KV ×2,200

将样品的轴向与二次电子探头对正，可使图像左右两侧等亮度

（采用了SRT单元来对正图像垂直方向）

2-5 背散射电子信号的利用

    虽然SEM通常采用二次电子图像，但背散射图像也能提供重要信息。

    背散射电子随着试样成分、表面形貌、结晶特性和磁性能的差别而在数量、方向上发生变化。背散射电子像的对比度取决于（1）与试样原子序数相关的背散射电子生成速率，（2）背散射电子与试样表面的角度关系，（3）当电子探针入射角在结晶试样上被改变时，背散射电子密度的改变。

    背散射电子像包含两类信息：一是试样成分信息，二是试样形貌信息。为区分这两类信息，与光学轴向对称的位置并列着一对半导体探头。它们信号叠加的时候给出的是成分像，信号相减的时候则是形貌像。且对于结晶试样的成分像，可通过所谓的“通道对比”获得结晶取向的差异信息，这是利用背散射电子强度在布拉格条件前后有明显的改变这种优势。

    背散射电子的生成区域大于二次电子，其在几十纳米。因此，背散射电子的空间分辨率不如二次电子。但是由于它们具有比二次电子更大的能量，因此它们受试样充电和污染的影响较小。

图17. 二次电子探头

         图18. 背散射电子探头                         图19. 成分像和形貌像原理          

图20. 样品：金属片 20KV ×1,100

背散射电子像也很重要，可作为X-ray分析的辅助手段

2-6 充电对图像质量的影响

a）充电及其应对措施

当用电子束直接照射非导电样品时，负电荷在其局部聚集（样品充电），因此阻碍了正常的二次电子的散射。这种充电会导致一些非正常现象，如非常的对比、图像变形和漂移。

通常，观测前非导电样品的表面会涂上一层导电金属。粗糙表面的试样必须在所有方向上均匀涂覆。近来，一种无需涂覆以呈现真实试样表面状态的方法被用于试样的观察。

通常，下述方法被用于减少试样的充电。

1）降低束流

2）降低加速电压

3）倾斜试样，找到入射电子数量及从试样中出来电子数量的平衡（这个点随试样的改变而改变）

图21. 样品：保护层

适当地选择加速电压可阻止充电效应

图22. 样品：醋苍蝇的前腿

采用低加速电压可降低充电效应

b）通过制样阻碍充电

生物学的、织物和粉末样品经常无法清晰拍照，有些地方太亮，有些地方太暗。这是由于试样局部充电的结果。

为避免这种情况，有必要如下面介绍的使试样表面具有一致的导电性：

（1）当将样品固定在样品台时，使用导电涂料（碳粉或类似物质）将试样难涂覆部位连接到样品台。

图23. 样品的固定

（2） 对于粉末样品，如果颗粒相互堆积，很容易发生充电，使得它们在观察时移动。为避免，当固定粉末的胶体干燥后，采用吹气球将堆积的颗粒吹走。根据颗粒的不同尺寸采用不同的粘结方式。双面胶、指甲修剪液、铝箔是主要使用的粘结材料。当采用双面胶时，可有效地将导电涂料（碳粉）堆在样品的四个角上。

图24. 粉末试样的制备

图25. 样品：墨粉

（a）和（b）是分布在双面胶上并轻微压实的墨粉。看上去当墨粉采用修指甲液固定时，即使在图（c）和（d）的高加速电压下也没有发生充电。看来充电是由于粉末没有固定好的缘故。

2-7 电子束对样品的破坏

    电子束能量在试样上的损失绝大部分是以在照射点上发热的形式消耗。在照射点上温度的升高取决于以下几个方面：

1）电子束的加速电压和数量

2）扫描面积

3）扫描时间

4） 试样的热导率。聚合物材料和生物试样，它们的抗热性通常比较差，由于它们低的热导率，容易被电子束损坏。

为避免这种损伤，请慎重考虑下列措施：

1）采用低加速电压

2）降低电子束强度

3）缩短曝光时间，即使这会轻微降低图像的平滑度

4）在低放大倍率下拍大扫描面积的图片

5）控制试样表面涂覆金属的厚度。

预先在其它视场上调节像散和亮度，而后尽可能快的在目标视场拍照，这也是可取的一种方式。

图27. 样品：苍蝇复眼 5KV ×1,000

当在高放大倍率下，样品区域经电子束长时照射后，它可能损坏，如图（b）。

2-8 污染

    当电子探针在试样局部区域长时照射后，它的图像可能失去清晰度并变黑。这是由于试样附近残余气体被电子束碰撞后造成的。这种现象被称为污染。

    在样品室内导致污染的残余气体可能是：

1）设备自身的气体

2）样品带入设备的气体

3）试样自身排出的气体

为了避免样品污染，必须特别注意如下事项：

1）尽可能少地使用双面胶和导电涂料，且在放入样品室前让其完全干燥。

2）在一些情况下，也可通过用干燥器或类似设备烘干粘结剂的方式减少污染。

3）使用尽可能小的生物试样

4）由于一些镶嵌试剂和树脂会放出大量的气体，因此选择时需慎重。此外，当树脂表面被电子束照射时会产生有机气体，因此，照射表面的面积尽可能小或采用导电材料涂覆材料表面。

图27. 样品：IPO

一张×18,000的图片，拍摄于×36,000时经长时电子束扫描后。对比周边的清晰图像，中间区域的对比度下降，且图像缺乏清晰度。

3．操作技术、样品制备技术、外部干扰等对图像质量的影响

3-1工作距离和物镜光阑

a）工作距离（WD）对图像质量的影响

    近期的SEM设备中，WD都是可调的。图28描述了其它条件保持不变的前提下，改变WD对图像质量的影响。

图28. 工作距离的影响

b）物镜光阑孔径对图像质量的影响

作为标准固定在SEM上的物镜光阑其优化尺寸是在考虑各种条件后选择的。SEM图像不只要求小的电子束流，也要求有足够的信号形成图像。光阑不能认为是无谓的多余而简化。物镜光阑的选择必须如图29所示的进行考虑。

图29. 物镜光阑孔径的影响

图30. 样品：灯泡灯丝 5KV，×540。

物镜光阑孔径越小，工作距离越大，视场景深越大

3-2 像散的影响

    由于仪器准确度和电极（polepiece）材料引起的图片失常称为“像散”。这种像散可通过调节像散校正器上的两个旋钮，X和Y来消除。

    判断一个图像是否无像散的标准是：当在稍高的放大倍率（大约×10000）下，调节物镜光阑到聚焦不足或过度聚焦状态，必须没有单向的散焦。

显微图片（f）～（j）显示的是像散校正后的图像。虽然聚焦前后的图像仍有些模糊，但已不见单向散焦。

由于像散，显微图片（a）～（e）不如（f）～（j）清晰。

3-3．显微图片对比度和亮度的优化

    一张好的SEM图片必须是清晰、无噪音，且能提供最适宜的对比度和亮度。

    在JEOL的SEM中，对比度和亮度的优化是可以自动调节或由安装的控制器来调节。然而，在某些情况下，对比度和亮度的优化只需在感兴趣的区域进行调节，而无需在整个图像。

图33. 样品：万寿菊花粉 5KV，×360。

优化对比度和亮度的显微图片是我们的最大追求。

3-4．为获得X-ray图像的曝光时间

    二次电子像和背散射电子像通常在50～100秒的一次扫描中拍摄。然而，用于X-ray图像的信号在单元时间内很小，它们通常需要长时间的曝光才能拍摄。

    如果曝光时间不够长，X-ray图像可能缺乏某些元素的分布信息。因此有必要慎重地决定曝光时间。

    通常，X-ray计数器在近似2500次/cm2时可得到良好的计算结果。

    当在特定相位拍摄某一特定元素的分布时，很容易将电子探针固定在那个位置，研究X-ray的计数率（CPS）和该相相对整个图像的比例。曝光时间可依照上述来决定。

曝光时间：        拍照所需时间

图像元素：        感兴趣区域面积（cm2）

X-ray计数率：    电子束照射期间的X-ray计数率

如何决定曝光时间：            图像元素（cm2）

曝光时间（s）＝2500（C/cm2>）×……………

                              X-ray计数率（CPS）

图34. 样品：铝合金 20KV，×580。

除非能给予X-ray图像足够的曝光时间，否则有些信息会缺失。

3-5．外部干扰对图像质量的影响

    外部干扰，例如漂移磁场、机械振动等，可导致图像的畸变，边线的锯齿化和其它现象。通常，SEM中的图像干扰是由于结构的或安装条件引起的，如：

1）泄漏

周边仪表的磁场

与仪器距离过近的高压线

2）低地板强度

3）接地不当

必须提前进行安装条件的检查，以避免SEM安装后的问题。

图35. 外部磁场对图像质量的影响。

图36. 机械振动对显微图像（×50,000）质量的影响

（a）由于外部机械振动显示出锯齿线；（b）是没有机械振动的情况。

3-6 试样制备过程中的变形和杂质沉积

    在试样制备的过程中，生物样品易于破损，因为它们需要经历固定、清洗和脱水处理。它们的缺陷可分为如下几类：

1）样品变形

2）杂质沉积

3）杂质涂覆

为了尽可能地避免变形，当前采用临界点干燥法替代气体干燥法。

杂质析出是一种现象，当定型、清洗和干燥试剂中包含有结晶材料，那么在干燥处理时就会析出。对于上述提及的化学物质，操作时必须足够重视。

图37. 空气干燥和临界点干燥的比较：在（a）中空气干燥导致明显的试样变形，而在（b）中，采用临界点干燥则试样几乎没有变形，保持它们的原有形状。

3-7 图像畸变及其原因

    如果正确的偏转放大在水平或垂直方向丢失，将导致图像的畸变。在一些场合，乳胶颗粒被用来做这方面的检测。图38（b）中，试样倾斜45°，其水平缩小约是图38（a）的70％。这种缩小可通过扫描旋转和倾斜校正单元（SRT，一个专门附件）来补偿。

图38. 由于不当的水平偏转放大导致的图像畸变。

图39. 由于试样倾斜导致的图像畸变。

试样倾斜后，在水平方向缩小了1/cos45°。

图40. 外部磁场对图像的影响。

由于强磁场的作用（50HZ），与（b）相比，（a）在中部缩小，而在两边放大。

3-8 涂层

    SEM分析用涂层的主要目的如下：

1）通过涂覆一层导电材料防止试样表面的充电。

2）在低二次电子发射能力的试样上涂一层高二次电子发射能力的材料以提高二次电子的发射。

通常采用真空蒸镀和溅射方法进行涂覆。随着SEM分辨率的提高，用于高放大倍率下的涂覆技术仍在研究中。然而，出于不同的目的和放大倍率，选择不同的材料，如C（对于通常分析适用）、Au、Au-Pb和Pt。选择适合观察倍率的涂覆是必要的。如果涂层太厚，其颗粒可见，那么目标的结构就模糊了。

a）溅射设备

这种设备广泛用于观察样品表面形貌的场合。当涂覆容易被离子照射和电子辐射损伤的聚合物材料时，推荐使用三极磁电管溅射设备而不用二极管。

对于金属，Au和Au-Pb是常用的，因为它们易于获得，且二次电子生成能力好。然而，近来，高熔点金属如Pt和W被用在高倍率观测中，这是由于它们具有高的晶粒度。

通常，溅射设备不用于碳的涂覆，且这也是不合适的。

图41. 磁电管溅射仪

b）真空蒸镀器

当用X-ray探头做表面观察和元素分析时，碳的真空蒸镀是最长使用的，它可使蒸镀物质与被测元素的截面最小化。

此外，由于表面粗糙度的影响，单纯通过Au涂覆无法阻止试样表面充电时，可在C蒸镀后在涂Au。在任一种涂覆种，都必须在蒸镀时通过旋转和倾斜的方法使得试样在任意方向涂覆均匀。

图42. 真空蒸镀仪

图43. 样品：金属涂覆玻璃的表面 15KV，×56,000

玻璃的横截面需涂覆金属以防止充电。然而，涂层不能太厚，如图43（b），横截面的柱状结构和表面一样涂得太厚了。

4．由于设备缺陷导致的干扰

4-1．灯丝预热不够

    由于预热不充分，当灯丝尖端的温度不够高时，无法得到在点上适当的交叉，因此无法得到清晰的图像。

    如果灯丝被加热到过高温度，那么灯丝会过度挥发，导致生成晶须，使得电子束流不稳定或降低灯丝寿命。很有必要设置适当的温度。

图44. 加热温度和灯丝寿命

图45. 样品：氧化锌 25KV，×21,000

图像质量随灯丝加热温度的改变

4-2．不正确的像散和物镜光阑对中

    当拆下柱体做清洁或者当电子束丢失时，必须进行所谓“纵列对齐”的操作，让从灯丝发射出的电子束通过机械和电子对齐的方式在试样表面最有效地聚集。

    在这个操作中，从电子发射出的电子束首先通过倾斜校正旋钮对齐，然后必须调节物镜光阑孔径使电子束通过光阑中心。

置换或清洗物镜光阑后，有必要调节物镜光阑的位置。理想状态是设置物镜光阑孔径在物镜电极中心。然而，当物镜光阑偏离这个位置时，图像的像散变得特别高，使得无法获得高分辨率的图像。

图46. 样品：氧化锌 25KV，×21,000

像散对图像的影响

4-3．探头的10KV放电

    二次电子探头和CRT都有高压供电，10KV。如果导线接触不好，荧光粉脱落，或者在金属环和探头荧光面上存在粉尘，都有可能导致放电。

    下面显示了10KV放电下的图像。这种效果看上去类似于非正常加速电压、异常电子发射和试样充电的情形。它们效果的差别只是在亮度上有变化，没有焦散，图像剪切和图像漂移发生。

图47. 探头和CRT的10KV放电

4-4．烧坏或肮脏的CRT表面

    在长时间使用后，CRT表面变脏，必须不时的清洁。下图中的黑点和线条是由于过亮引起的CRT烧损或灰尘导致的。

图48. 烧坏或肮脏的CRT

下部可见条纹，中部有燃烧痕迹

图49. 中间两条黑线是线扫描燃烧痕迹

技术术语：

SEM：

扫描电子显微镜

束流：

试样上照射的电流总量。它被控制在近似10-12A～10-6A之间。这种控制是通过改变聚光镜的激发（励磁）来实。现的。具有这个功能的旋钮的名称随着具有那个功能设备的类型的变化而变化，如聚光镜，束流和束斑尺寸。

SEI：二次电子像

当入射电子打在试样上时，二次电子被再次激发出来。由于它们的产生区域很薄，近似10nm，入射电子在试样中的扩散对图像质量的影响小，因此可获得最好的分辨率。

二次电子像的对比度主要取决于倾斜角度和试样表面的形貌。

BEI：背散射电子像

当保持相对高的能量时，入射电子在试样中散射后，一些电子被背散射回来，并在试样表面再次发射。这些电子被称作背散射电子。背散射电子像的对比度取决于试样表面的形貌和构成样品的物质的原子序数。采用一对探头可以分别地观察形貌（TOPO）像和成分像（COMPO）。

X-ray像

用于研究详细元素分布特性的X-ray像的映射图像。

聚焦不足和过度聚焦：

当物镜励磁减弱，低于聚焦位置时，聚焦点的位置低于试样表面。这种聚焦状态称为“聚焦不足”。“过度聚焦”相反于“聚焦不足”，是由于物镜励磁太强引起的。

CL和OL：聚光镜和物镜

CL控制束流，OL电子探针聚焦到试样表面。

WD：工作距离

物镜下端到试样表面的距离。

探针直径：

通常，这指得是依赖于加速电压、束流和工作距离的最好的探针直径。

图50. 入射电子和试样的相互作用