扫描电镜背散射电子成像

发布者:飞纳电镜 - 阅读量:1703 - 2019-01-03

背散射电子(BSE)是由弹性散射产生的。当主电子束中的电子接近样品中的原子核时,受到原子核中正电荷的作用力,它们的运动轨迹发生了偏离。背散射电子的产率取决于原子核的大小。BSE 图像对比度反应了样品表面的成分衬度。在这篇文章中,会介绍背散射电子系数,并解释它是如何受到样品倾斜度和入射电子束能量的影响。

 

背散射系数

 

背散射电子是由入射电子束中入射电子的弹性散射产生的,其能量大于 50eV,在飞纳电镜之前的一篇博客中解释过。背散射电子数量产生取决于许多因素,包括样品中材料的原子序数和电子束的加速度电压。

 

电子束与样品相互作用产生的背散射电子的数量被称为背散射系数η,定义为背散射电流(IBSE)和探针电流(IP)的比值:

 

 

其中EB是背散射电子的排出能量。背散射系数受加速电压、原子序数 Z 以及样品表面与入射电子束的夹角的影响。

 

样品倾斜角度的影响

 

背散射系数取决于入射电子与样品表面的夹角,公式如下:

 

 

图 1 为正常条件下,不同元素(金,银,铜,铝和铍)背散射系数的角度分布(60°和80°) 。

 

图1:背散射系数的角度分布的极坐标图:不同元素(金,银,铜,铝和铍)的60°和80° 。[1]

 

在图 2 的示意图中,给出了极坐标下的不同元素的背散射系数(换句话说,不同原子序数元素发射的背散射电子数量)。当样品表面垂直于电子束时,背散射电子(BSE)发射是轴对称的,如图 2 左边所示。当样本倾斜时,背散射电子(BSE)发射不再是对称的,也就意味着在这种情况下,BSD右侧接收到的信号小于左侧象限接收到的信号。

 

图2:由样品、背散射(BSE)探测器和极片组成的扫描电镜示意图,左图和右图分别为水平样品和倾斜样品(Au、Ag、Cu和Be)在极坐标下的背散射系数的角分布。

 

当样品倾斜时,背散射系数增大,如图3所示。在这张图中,用蒙特卡罗方法测量了不同元素(C,Al,Cu,Ag,Au)在不同倾斜角度下的背散射系数。不同元素的系数不仅随倾角的增大而增大,而且逐渐聚拢。

 

图3:蒙特卡罗方法测量了不同元素(C、Al、Cu、Ag、Au)在不同表面倾斜角度下的背散射系数。[2]



为了证明这种效果,用背散射探测器拍摄了EDX校准样品,在样品中可以看到三个不同材质的区域:铜,碳和铝。图 4a 和 4b 显示扫描电镜(SEM)样品在 0° 倾斜角度和 45° 倾斜角度下的电镜图像。然后描绘出两幅图像的直方图,如图 4c 所示。直方图有三个与样品组成成分有关的峰值。图中左边的峰是碳元素,是扫描电镜(SEM)图像中较暗的区域,而右边的峰是铜元素,在背散射(BSE)图像中显得比较亮。最重要的是,随着倾斜角度的增加,三个峰值会越来越近,如图 3 所示。

 

图4:能谱(EDX)校准样品在0°倾斜角度(a)和45°倾斜角度(b)下的扫描电镜图像,两个图像的直方图(c),三个高峰(碳、铝和铜)是可见的。

 

入射电子束能量的影响

 

背散射系数也受加速度电压的影响,如图 5 所示。背散射系数取决入射电子束能量。这意味着在不同的入手电子束束能量下,相同波束电流发出的背散射电子数量会有所不同。

 

对于较低的加速电压,轻元素的背散射系数增大,重元素的背散射系数减小。对于大于10kV的加速电压,所有元素的背散射系数近似为常数。

 

然而,在现实生活中,背散射探测器也收集部分二次电子 (SE) 信号。因此,当电子束能量增加时,二次电子 (SE) 给出的边缘效应和形态信息也会增加。

 

图5:不同元素从 1kV 到 30kV 的电子能量的背散射系数 [1]

 

当入手电子束的能量增加时,穿透深度也会增加。因此,在样品表面的薄膜层只有在使用低加速度电压时才会出现在背散射电子(BSE)图像中。

 

图 6 和图 7 分别是使用 5kV 和 15kV 加速度电压获得的带有污垢的锡球样品的背散射电子(BSE)图像。两个样品上的污垢主要由碳构成,在低加速度电压图像中呈深色。

 

由于污垢薄片非常薄,当使用高加速度电压时,电子束完全穿透薄片到达污垢下面的样品,下面的样品信息就会在图像中显示出来。因此,在 15kV 时,薄片变得更加透明。

 

图6:5kV和15kV加速电压下锡球样品的背散射电子(BSE)图像。

 

图7:5kV和15kV加速电压下拍摄的样品表面污染部分的背散射电子(BSE)图像。

 

参考文献

 

[1] Scanning Electron Microscopy, Physics of Image Formation and Microanalysis, L. Reimer, Springer edition, 1998.

 

[2] Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, J.I. Goldstein, D.E. Newbury, J.R. Michael, N.W.M. Ritchie, J.H.J. Scott, D.C. Joy.

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关于作者

Karl Kersten

Karl Kersten是荷兰飞纳公司的首席应用工程师。作为应用团队的负责人,他对飞纳电镜充满热情,致力于将客户需求转化为产品或功能规格,让客户实现他们自己的目标。

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