二次電子和背散射電子的疑問(下)——安徽大學林中清32載經驗談(5)

【作者按】上一篇詳細介紹了物質的組成以及高能電子束轟擊樣品產生二次電子和背散射電子的過程。並對與掃描電鏡成像有關的各種襯度信息做了較為詳細的闡述。【延伸閱讀：二次電子和背散射電子的疑問（上）】

 二次電子和背散射電子都呈現出怎樣的樣品信息？如何利用這些信息對樣品進行分析？在表面形貌像的形成過程中起怎樣的作用？對表面形貌像的細節分辨有何影響？是否存在假象？這些問題都將在本文加以詳細的探討。

二次電子與背散射電子成像

傳統觀點認為：二次電子帶有樣品的表面形貌信息，形成樣品的表面形貌像；背散射電子給出樣品的成分信息，是形成樣品成分像的主要信號源。這種觀點是否片面？會不會產生假象？

下面將圍繞這些問題展開討論。

一、二次電子

二次電子源自高能電子束對樣品原子核外的介電子激發。能量低（<50ev）、溢出深度淺（<10nm）、溢出樣品表面的分布不均。與樣品表面夾角較大的二次電子（高角度二次電子），在樣品中行走的自由程較短，溢出機率高，溢出量也較多。與樣品表面夾角較小的二次電子（低角度二次電子），由於在樣品中的自由程較長，因此損耗大、溢出機率較低、溢出量也較少。

一直以來對於二次電子的認識存在很多問題，下面將選取以下幾個問題來進行詳細的探討：二次電子主要來自核外的那一層電子激發？是形成表面形貌像的最佳選擇嗎？為啥易受荷電影響？會產生假象嗎？有無Z襯度信息？SE1\SE2\SE3\SE4指的是啥？電位襯度和二次電子有什麼關聯？

1.1二次電子主要來自原子核外那一層？

傳統觀念認為介電子（最外層）最容易被激發，所以二次電子主要來自最外層。那麼一個疑問是：如果最外層電子是二次電子的主要來源，那麼大量的特徵X射線來自那裡？ 

我們先看一個加速電壓的變化對能譜譜線強度影響的實例。

能譜譜線的峰位對應著電子結合能，結合能對應電子層。那一層電子激發多，對應峰位的譜峰就高。從上面兩張譜圖可以看到，加速電壓的增加，銅和鋅的K線佔比也增大。這說明加速電壓增加，結合能高的K層電子，激發量的佔比也增加。 因此從能譜看，似乎二次電子主要源於核外那一層電子並不固定，而是與加速電壓和軌道電子激發能（結合能）的比值（過壓比）有關。

但是有充分的事例表明，特徵X射線與二次電子在激發量上存在巨大的差距，這意味著內層電子的激發量極少。因此推測內層電子的激發與最外層電子的溢出可能並不是一個體系，即與特徵X射線激發有關的內層電子，是以光電子形式溢出樣品。

故二次電子可能只能來自最外層軌道也就是介電子層。

所謂光電子就是指由光電效應產生的電子。即軌道電子全面接收入射電子的能量，克服軌道結合能的影響而溢出。

光電子的最大初動能與光的頻率（能量）有關。

Ek=hv-A   h是普朗克常數，v是頻率，A是逸出功

主流觀念認為內層電子的激發在過壓比為3-4時達最佳。個人觀點：不同元素這個值也不同，10左右都存在最佳激發的可能。充分認識到這一點，將有利於能譜測試時，對加速電壓的選擇。

1.2二次電子是否是形成樣品表面形貌像的最佳信息源？

傳統理念認為二次電子是形成樣品表面形貌像信息源的最佳選擇。這個觀點基於以下兩點：

1. 二次電子能量弱，在樣品中自由程短，淺表層溢出，橫向擴散極小，因此對表面細節的影響小，含有表面信息多。

2. 二次電子的溢出量隨平面斜率變化較大，邊緣處溢出最多，由此形成二次電子襯度及邊緣效應。樣品的表面形貌可看成不同斜率的平面組合，因此二次電子襯度就帶有大量形貌信息。

二次電子襯度是否是形成樣品表面形貌像的主導因素？二次電子形成的表面形貌像細節是否就一定最豐富？

1.2.1 樣品表面形貌像是否取決於二次電子襯度？

先看一個實例：用日立regulus8230的樣品倉探頭（L）和鏡筒內探頭（U）分別對矽片上刻蝕的倒金字塔圖形進行觀察。由於EXB系統的分離，使探頭（U）接收的信息為較純的二次電子。樣品倉探頭（L）因位置原因含有大量背散射電子。結果如下：

由上例可見，圖像中二次電子襯度充足但表面形貌像並不好， 形貌襯度（參見上篇）充足形成表面形貌像才十分的優異。因此形貌襯度才是形成形貌像的基礎。形貌襯度的主要形成因素，依所觀察樣品的特性及所需獲取的樣品信息不同，分為兩個層面：

層面一：樣品做低倍觀察或樣品表面起伏較大。探頭、樣品、電子束三者夾角將是影響形貌襯度的主導因素。大工作距離下使用側向的樣品倉探頭獲得表面形貌像，細節更豐富。

層面二：高倍觀察樣品的幾納米細節。這些細節起伏小，採用不同角度的電子信息形成的形貌襯度即滿足要求。

小工作距離下選擇鏡筒探頭從頂部獲取較多的二次電子信息，減少信息擴散對細節的影響，是形成形貌像的關鍵。此時測試條件的選擇，應當以儘可能多的獲取低角度信息為目標。

鏡筒探頭（U），利用不同角度的信息形成形貌襯度，只能面向起伏較小的樣品細節，對較大細節的觀察效果差。

探頭（U）位於頂部，造成形貌襯度不足，無法分辨亮、暗襯度的空間形態。探頭接收的二次電子佔主導地位，二次電子襯度的影響使得斜面與平面有明顯的亮、暗差異。亮部易被誤認為是另一種物質所形成的Z襯度。採用探頭（L）進行觀察，情況剛好相反，故真實的孔洞信息表現充分。

B)二次電子的邊緣效應也會對某些樣品的細節分辨提供幫助

兩張不同材料的多層膜照片，各膜層的材料相近，Z襯度較差。

以上幾個實例表明：形成樣品表面形貌像的基礎是形貌襯度，而非二次電子襯度。二次電子襯度會帶來形貌假象，但也會幫助我們觀察並區分一些特殊的樣品信息。不同的樣品信息適合用不同的襯度信息來表現，故辯證的關係無處不在。

1.2.2二次電子對圖像細節分辨能力的影響

形貌襯度是形成掃描電鏡表面形貌像的基礎，其他的各種襯度信息疊加在形貌襯度上，才能形成完整的表面形貌像。

無論表面形貌像是如何構成的，信息源都是二次電子和背散射電子。其在樣品表面的溢出區大小，必然會對表面形貌像的細節分辨產生影響。電子信息的能量越大、影響也越大。

二次電子能量弱，對樣品表面細節影響小，是對鬆散樣品（如介孔、氣凝膠）的幾納米細節觀察的首選信息。它的含量越大這類信息表現得就越充分。

低倍下，觀察細節受信號擴散的影響減弱，充足的形貌襯度將成為主體。此時選擇樣品倉探頭從側面觀察，結果更佳。

以上多個實例表明，形成樣品表面形貌像的基礎在於形貌襯度。其餘的各種襯度信息疊加在形貌襯度之上共同形成完整的表面形貌像。不同的信息需求必須採用不同的應對方案，才能獲取最佳的測試結果，這是一個辨證的關係。

1.3 荷電現象與二次電子

樣品表面因電荷累積形成靜電場，影響電場及周邊電子信息的正常溢出，產生所謂的荷電現象（這一現象今後將有專文探討）。二次電子由於能量弱因此更容易被該靜電場所影響。

荷電場對高角度二次電子的溢出影響更為明顯，因此樣品信息中高角度二次電子含量越多，圖像的荷電現象會更嚴重。

下面以介孔矽KIT-6圖像為例來說明。

採用樣品倉探頭接收樣品信息，工作距離也會影響荷電現象。

1.4二次電子是否擁有Z襯度信息？

同一個加速電壓下，樣品的不同密度及原子序數，二次電子的激發量還是存在襯度差異，但該襯度差異不如背散射電子強烈。

1.5 SE1\SE2\SE3\SE4指的是啥？對測試結果有啥影響？

依據目前各電鏡廠家的描述：SE1指的是電子束直接激發並溢出樣品表面的二次電子，SE2是樣品內部各種散射電子激發並溢出樣品表面的二次電子，SE3\SE4是散射電子、入射電子所激發的樣品倉內的各種二次電子信息。

  SE1是形成高分辨表面形貌像的關鍵信息。其擴散範圍小，基本在電子束直徑的周邊，對樣品表面形貌細節影響也最小。同等條件下該信息含量越充足，圖像清晰度及細節分辨力越優異。

  SE2離散度較高，加速電壓越高其產額和離散度也會越大。當SE2成為樣品表面形貌像的主導信息時，表面形貌像的圖像分辨力會大大降低。這是過高加速電壓圖像分辨能力差的主要緣由。

  SE3\SE4是雜散信息，產額越多對結果影響越大。電鏡廠家在鏡筒設計過程中都會將這一因素的影響壓倒最低。

選擇加速電壓時要充分考慮其對SE1\SE2產額的影響。在滿足測試所需的電子束髮射亮度的情況下，加速電壓越低越好。要獲得這樣的結果，掃描電鏡的本證亮度就要大。（可參看經驗談1）

1.6二次電子與電位襯度

樣品表面的少量靜電場會引發該處信號異常溢出，當靜電場弱小到不對圖像的形態產生影響時，就形成了所謂的電位襯度。

電位襯度主要影響的是能量較弱的二次電子，對背散射電子的溢出量影響較小。電位襯度可以在材料缺陷的分析上提供幫助。

下面是我在為某單位進行樣品測試時遇到的兩個實例。

從左至右，探頭選擇依次是U\UL\L，背散射電子含量依次增多。但圖像Z襯度卻反常的依次減弱，直至消失。因此考慮這是否是少量有機物形成輕微荷電場所產生的電位襯度，並不是我們日常所見到的Z襯度信息。

放大後看到有亮點經電子束轟擊後消失，圖像縮小可看到明顯碳汙染的存在，故可判斷該現象是有機物汙染所形成。

上述現象如同上例所存在的探頭切換時Z襯度的異常變化，只是高倍轟擊並沒有出現碳沉積現象。說明此處異常亮並非有機物附著形成，可能已經被有機物氧化，能譜分析此處氧含量偏多。

用戶對設備清洗後這些現象都消失。

二、背散射電子

與入射電子束方向相反的散射電子，稱為背散射電子。其能量與入射電子相當，在樣品中擴散範圍較大，加速電壓越大擴散體也越大，對圖像細節影響也越大。背散射電子在樣品表面溢出範圍也不均衡。由於高角度背散射電子形成機率小，因此溢出量少，低角度背散射電子產生的機率較高，因此溢出量較多。

背散射電子圖像擁有如下特點：Z襯度與晶粒取向襯度好、受荷電影響小、信號擴散區大、極表層信息缺乏、電位襯度較差。

2.1背散射電子和二次電子的圖像對比：

2.2背散射電子進行的晶粒結構及取向分析

背散射電子的溢出量不僅受到樣品原子序數及密度的影響，晶體材料的晶體結構及取向也會對背散射電子的溢出量及溢出方向產生影響，形成的晶粒取向襯度（電子通道襯度）更明析。但是要形成足夠的襯度差異，需要晶粒存在較大的取向差、足夠的體積、密度及整體平整度。要獲取該種類的樣品信息，樣品平整度處理十分重要。切割、拋光處理是常備的制樣方式。

利用背散射電子衍射（EBSD）所形成的菊池花樣對晶粒取向及構造進行分析，所獲得的取向精度得到極大的提升，達到0.1°，分析內容也更為充分。是目前利用掃描電鏡進行晶粒結構和取向分析最權威、最充分且是最常用的技術手段。

無論是直接利用背散射電子獲取晶粒取向襯度還是通過EBSD來對晶粒進行觀察和分析，信息源都是背散射電子。離開背散射電子，掃描電鏡將無法充分的進行晶體材料結構及取向分析。

2.3背散射電子圖像的分辨力

加速電壓、樣品特性、信息需求、探頭的性能和位置都影響著背散射電子圖像的分辨力。在談論圖像分辨力時不能脫離條件的限制。比如觀察樣品的Z襯度信息，背散射電子形成的圖像比二次電子形成的圖像擁有更好的細節分辨；要觀察樣品內部的信息，加速電壓低了是無法觀察到的； YAG材質的探頭比半導體材質的探頭更適合低加速電壓觀察，樣品表面信息分辨好。

但總體來說背散射電子在樣品中的擴散比二次電子來的大。對樣品表面形貌像的細節幹擾較強、較為明顯。背散射電子含量越大，高倍率圖像的清晰度也越差。

三、結束語

二次電子和背散射電子是掃描電鏡形成樣品表面形貌像的兩個重要信息源。但形成表面形貌像的基礎卻是探頭所獲取的樣品表面各種信息的襯度，而不是選用了那個信息源。

如同用不同顏色的光去觀察一個物體。無倫選用哪種顏色的光，形成物體圖像形態的關鍵都是對物體的觀察角度。不同的觀察角度，圖像的形態不同。而不同顏色的光只是給這個物體染上了顏色。不同亮度的光可以在一定程度上影響物體圖像細節的辨晰度，卻無法影響物體圖像的形態。

 圖像上的明、暗差異被稱為圖像襯度，是形成圖像的基礎。噪點及亮度、對比度的調整也會對其產生影響，但與成像有關的是各種信息襯度。圖像的襯度主要由各種信息的襯度所形成。

  形貌襯度、Z襯度、晶粒取向襯度（電子通道襯度）、二次電子襯度、邊緣效應、電位襯度是形成掃描電鏡圖像的幾個主要襯度信息。其中形貌襯度是基礎，其餘的襯度信息疊加在該襯度之上，共同形成掃描電鏡的各種圖像。不同的樣品表面信息需要用不同的襯度信息來表現，才能獲得最佳的效果。

   樣品表面形貌的高低位置差異形成掃描電鏡圖像的形貌襯度。形貌襯度主要受探頭接收樣品信息的角度影響。對形貌襯度產生主要影響的因素分為兩個層次：

1.倍率越低，形貌的高低位置差異越大，要求的形貌襯度較大，探頭、樣品和電子束三者間形成一定的夾角才能滿足形貌襯度的形成需求。此時這個夾角就是關鍵因素，對樣品倉探頭的充分運用才能保證我們獲取更為豐富的表面形貌像。

2.高倍下形貌高低位置差異減少。對形貌襯度的要求較小，樣品信息的溢出角度所形成的形貌襯度即滿足形貌像的需求，此時信息擴散對細節的影響成為主導因素。採用小工作距離、鏡筒探頭這一組合觀察時，接收的二次電子較多，對形貌細節的影響較少，此時形成形貌襯度的主導因素是樣品的低角度電子信息。

   二次電子和背散射電子做為形成樣品表面形貌像的信息源，必然會對表面形貌像形成影響，其影響主要表現在信號擴散對細節的掩蓋，相對來說二次電子對樣品表面細節的影響較小。

二次電子和背散射電子形成的各種襯度信息（Z襯度、晶粒取向襯度、邊緣效應、二次電子襯度電位襯度等）是我們進行樣品表面形貌觀察及分析的重要依託。

二次電子有利於減少信號擴散的影響，其電位襯度、邊緣效應、二次電子襯度極為充分，利於展示樣品的某些特殊信息，但這些襯度也會帶來一些假象。必須辯證的認識，合理的使用。

二次電子的溢出量容易受到樣品表面荷電場的影響，形成樣品表面的荷電現象。高角度二次電子更加容易受到荷電場的影響，它的含量越大，樣品表面的荷電現象越嚴重。

背散射電子有利於表現Z襯度、晶粒取向襯度等信息。因其本身能量較大，溢出量不易受樣品表面荷電場的影響，被視為應對樣品荷電現象的有效方法之一。但也正是因為能量較大，在樣品中擴散範圍也相對較大，使得高倍時圖像清晰度較差，不利於低於20納米的樣品細節的展現。

我們在運用二次電子和背散射電子作為信號源來形成樣品表面形貌像時，應當依據樣品特性以及所需獲取的信息特性，對症下藥用辯證的思維方式來指導我們選擇合適的測試條件。

參考書籍：

《掃描電鏡與能譜儀分析技術》張大同2009年2月1日

華南理工出版社

 《微分析物理及其應用》 丁澤軍等    2009年1月

中科大出版社

  《自然辯證法》  恩格斯  于光遠等譯 1984年10月

人民出版社 

《顯微傳》  章效峰 2015年10月

 清華大學出版社

日立S-4800冷場發射掃描電鏡操作基礎和應用介紹

  北京天美高新科學儀器有限公司  高敞 2013年6月

   

 作者簡介：

林中清，87年入職安徽大學現代實驗技術中心從事掃描電鏡管理及測試工作。32年的電鏡知識及操作經驗的積累，漸漸凝結成其對掃描電鏡全新的認識和理論，使其獲得與眾不同的完美測試結果和疑難樣品應對方案，在同行中擁有很高的聲望。2011年在利用PHOTOSHIOP 對掃描電鏡圖片進行偽彩處理方面的突破，其電鏡顯微攝影作品分別被《中國衛生影像》、《科學畫報》、《中國國家地理》等雜誌所收錄、在全國性的顯微攝影大賽中多次獲獎。