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飞纳电镜操作过程自动化:背散射电子和二次电子混合像

 发布时间:2018-09-26 点击量:1187

当电子束与样品相互作用时,会产生背散射电子(BSE)和二次电子(SE)。通过检发射信号可获得样品表面的成分衬度像(背散射电子)和表面形态像(二次电子)。背散射电子和二次电子是如何形成的,为什么它们携带特定的样品信息?此外,能否在一幅图像中同时获得成分和形态信息?

 

当入射电子束击中样品表面时,会产生二次电子和背散射电子,检测并收集这些信号从而形成图像。二次电子是由样品的核外电子的非弹性散射产生的,如图 1 左图所示。二次电子(SE)是低能量电子(通常小于 50eV),容易被吸收。这就是为什么只有从极薄的样品表面中产生的二次电子才能被探测器收集的原因。

 

而背散射电子是由弹性散射形成的,其中主电子的轨迹因与样品中原子核的相互作用而产生偏离,如图1右图所示。背散射电子(BSE)通常具有很高的能量,可以从样品的深处检测到。

 

 

图1:二次电子(左边)和背散射电子(右边)的形成。二次电子(SE)是由非弹性散射形成的,而背散射电子(BSE)是由弹性散射形成的。

 

二次电子图像包含了样品的表面形貌信息。如图 2 左边所示,电子束扫描到一个有凸起的表面。当电子束位于这个凸起的斜坡上时,侧壁的相互作用体积导致更多的二次电子逃离表面。当电子束位于平坦区域时,较少的二次电子可以逃离。这意味着二次电子在边缘和斜坡上的产率更高,图像比在平坦的区域更明亮,从而提供样品的形貌信息。

 

另一方面,背散射电子的产率取决于材料,如图2所示。如果电子束轰击原子序数 Z=14 的硅原子,那么形成的背散射电子就会比原子序数 Z=79 的金原子少。原因在于,金原子的原子核更大,对主电子的轨迹产生更强的影响,从而导致更大的偏离。因此,背散射电子图像提供了关于样品元素成分差异的信息。

 

图2:左边,二次电子在样品表面边缘和斜坡上的产率要比在平坦表面的高。右边,背向散射电子的产率取决于材料的原子序数,同一入射电子束在金原子 (Z = 79)中产生的背散射电子比在硅原子(Z = 14)中多。

 

为了收集二次电子,通常使用 Everhart-Thornley 探测器(ETD)。由于二次电子(SE)的能量较低,所以在探测器前面放置一个高电位的栅极来吸引二次电子。另一方面,背散射电子(BSE)通常由放置在样品上方的固态探测器收集。ETD 探测器和 BSD 探测器获得的图像分别包含了样品的形貌和成分信息。

 

然而,对于某些应用程序来说,在一张图像中同时拥有形貌和成分信息是很方便的,可以通过合成来自两个检测器的信号来实现。

 

混合背散射电子和二次电子图像

 

当获得图像时,电子束逐个扫描样本表面像素。在每个像素中,探测器收集信号并将其转换为一个值。如果图像以 8 位获得,像素值的范围从 0 到 255。如果图像是 16 位获取的,每个像素的值可以从 0 到 65,535。

 

像素的值取决于二次电子或背散射电子的产率,像素的值越高,像素在图像中的亮度就越高。如图 2 左图所示,由于发出了更多的二次电子(SE),所以该位置的像素值将更高,图像中的边缘将显得更亮。

 

将背散射电子和二次电子图像进行混合,就意味着这两种图像是叠加在一起的。实际上,二次电子(SE)图像中的每个像素都是与背散射电子(BSE)图像中相应的像素叠加的,公式为:

 

 

其中“比率(ratio)”是合成图像中携带的二次电子(SE)和背散射电子(BSE)信息的比值。对于相同的形貌和成分信息,比值将等于 0.5。

 

在图 3 的左边,你可以看到一个太阳能电池的扫描电镜图像,上方是二次电子(SE)图像,下方是背散射电子(BSE)图像,其中白色区域为银,而黑色区域为硅。在二次电子(SE)图像中,样品的形貌是清晰的:银的颗粒结构很容易被检测到,还有凹凸不平的硅表面。当然,ETD 探测器也会接收到一些背散射电子(BSE)信号,这也是为什么两种材料之间存在对比度差异的原因。

 

在背散射电子(BSE)图像中,样品的形貌不太明显。但是,材料的对比度增强了,同时也显示了银上的一些污染颗粒。在图 3 的右边是混合图像。在本例中,我们使用了 0.5 的比率,这意味着每个像素值包含 50% 的形貌信息和 50% 的成分信息。不仅可以看到不同材料粒子的成分衬度,而且还可以看到银表面和硅表面粗糙结构。

 

图3:合成图像示例。左上方是太阳能电池的二次电子(SE)图像,下方是太阳能电池的背散射电子(BSE)图像,银(亮区)可以与硅(暗区)区分开来。右边是合成图像,比例为 0.5。

 

合成图像的脚本

 

在许多应用中,能够产生和保存混合的背散射电子和二次电子图像是很关键的。不仅如此,设置SE与BSE的比值很重要,可以获得完美的图像,为用户提供有价值的信息。

 

通过使用飞纳编程接口(PPI),开发一个脚本,可以直接从飞纳扫描电镜中获取背散射电子(BSE)和二次电子(SE)图像,并将它们合并在一起,如图 4 所示。也可以加载先前在飞纳电镜中保存的背散射电子(BSE)和二次电子(SE)图像,并生成和保存合成图像。

 

图4:混合图像脚本的用户界面,使用 PPI 开发。

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