锡球中表面污染物电镜图像检测方案(扫描电镜)

PHENOMWORLD飞 纳 电 镜 加速电压在扫描电镜中的作用 发布者：飞纳电镜 在进行扫描电镜(SEM)分析时，为了获得感兴趣区域最佳的图像效果，必须考虑一些重要的参数。其中一个很重要的参数就是加速电压，它是加在电子枪的阴极和阳极之间，用来加速电子产生电子束的。加速电压的选择与样品的导电性、放大倍数及图片质量等因素有关。一般来说，加速电压越高，图像的分辨率越高。 在最近几年，扫描电镜(SEM)厂商已经开始致力提高低电压成像的分辨率。低电压成像技术主要应用于生命科学领域，特别是在获得诺贝尔奖的冷冻电镜技术问世之后。这篇博客将集中讨论加速电压对分析图像的影响。 加速电压决定作用区域的大小 加速电压是电子能量的象征，它决定了电子束与样品之间的相互区大小。一般情况下，加速电压越高，电子束在样品表面穿透越深，作用区也就越大。 这意味着电子将在样品中更深入地传播，并在不同区域中产生信号。样品的化学成分也会对作用区的大小产生影响：轻元素的核外电子层数较少，电子能量较低，这限制了其对入 射电子的影响。因此与重元素的样品相比，电子束对于轻元素样品的穿透更深。 对输出信号进行分析时，可以得到不同的结果。在台式扫描电镜中，通常检测到三种信号：背散射电子(BSE)二次电子(SE)和X射线。 加速电压对扫描电镜成像的影响 加速电压对于 BSE和 SE 成像的影响是类似的：低加速电压能够得到样品表面更多的细节；而在高加速电压下，图像的分辨率提高，但由于穿透效应，样品的表面细节减少，有利于忽略样品表面的一些细小污染物。这可以在下面的图片中看到，在低加速电压下，样品表面的污染物清晰可见，而高加电压的图像表面污染物“减少"。 图1：在5kV(左)和15kV(右)下锡球的 BSE 图像。在低电压下，样品顶部的碳污染清晰可见。当电压增加时，穿透作用使锡球表面更加光滑，污染物“减减"。 对于不同性质的样品，选择合适的加速电压非常重要。生物样品、聚合物以及其他有机样品都对高能量的电子非常敏感。由于 SEM 在真空中运作，这种敏感性进一步增强。这就是 SEM 厂商致力于开发低电压下成像技术的原因，这样的话即使是最精细、对电子束能量敏感的样品也能拍出比较好的图像。 在这一过程中遇到的主要困难是成像技术背后的物理原理：与摄影相似，存在几种可能的因素会影响最终输出的图像质量，如畸变和像差。随着电压升高，获得的信号量也变多，色差的影响逐渐减小，这也是为什么之前SEM 的趋势是利用尽可能高的电压以提高成像分辨率的主要原因。 X射线的产生 在X射线方面，情况完全不同：越高的加速电压越有利于X射线的产生。X射线可以由能谱仪(EDS)捕获和处理，从而对样品的成分进行分析。 入射电子束中的电子与样品中的原子相互作用，迫使目标样品中的电子被打出。这样样品中就会有空穴生成，它由一个来自于同一原子的外层能量较高电子填充。这个过程要求电子以X射线的形式释放部分能量。X射线的能量最终可以通过 Moseley 定律与原子的原子质量相关联。因此通过 EDS 分析可判断样品的化学成分。 X射线生产的关键因素： 过压比：入射电子束能量与目标原子所需电离能量的比值 相互作用区范围：定义分析空间分辨率 一般进行能谱分析时，理想状态下所需要的过压比为1.5，这意味着通过增大加速电压，可一检测更多序数较大的元素。另一方面，在高加速电压下，样品被电子束损伤的几率也就越大，同时作用范围也就越大。 X射线的产生可能来自更大的作用区域，影响能谱分析结果的可信度。在多层、颗粒和非均质材料的情况下，较大的作用区域会产生来自样本不同成分的信号，从而影响能谱分析的结果。 图2：15kV下收集的 EDS 图像。这些峰值突出显示了每个元素的存在，并应用复杂的算法将探测器的信号转换成化学成分。 为了平衡两者的影响，通常推荐加速电压值在 10kV到20kV之间。进行能谱分析时，还要注意的一点就是，可能出现重叠峰，因为X射线是各种元素的电子在不同电子层跃迁时产生的，它们可能会有非常类似的能量。 这需要更先进的集成流程来消除峰值并使结果正常化，或者使用更高的加速电压来获得更高的能量线(来自两个具有重叠峰值的元素之一)。虽然前者已经在大多数 EDS 软件中实现，后者还不能满足所有情况，考虑到像铅这样的非常普遍的元素，其更高能量水平线需要高于100kV 的电压。 关键词：扫描电镜台式扫描电镜X射线分析 EDX 电子束 关于作者 Luigi Raspolini Luigi Raspolini 是 Phenom-World 的应用工程师，后者是台式扫描电镜的领军制造商。Luigi 一直在探寻材料表征、表面粗糙度测量及成分分析的新手段。他对改善用户体验、展示最佳拍照技巧总是充满了激情。 在进行扫描电镜（SEM）分析时，为了获得感兴趣区域最佳的图像效果，必须考虑一些重要的参数。其中一个很重要的参数就是加速电压，它是加在电子枪的阴极和阳极之间，用来加速电子产生电子束的。加速电压的选择与样品的导电性、放大倍数及图片质量等因素有关。一般来说，加速电压越高，图像的分辨率越高。 在最近几年，扫描电镜（SEM）厂商已经开始致力提高低电压成像的分辨率。低电压成像技术主要应用于生命科学领域，特别是在获得诺贝尔奖的冷冻电镜技术问世之后。这篇博客将集中讨论加速电压对分析图像的影响。加速电压决定作用区域的大小加速电压是电子能量的象征，它决定了电子束与样品之间的相互区大小。一般情况下，加速电压越高，电子束在样品表面穿透越深，作用区也就越大。 这意味着电子将在样品中更深入地传播，并在不同区域中产生信号。样品的化学成分也会对作用区的大小产生影响：轻元素的核外电子层数较少，电子能量较低，这限制了其对入射电子的影响。因此与重元素的样品相比，电子束对于轻元素样品的穿透更深。 对输出信号进行分析时，可以得到不同的结果。在台式扫描电镜中，通常检测到三种信号：背散射电子（BSE）、二次电子（SE）和X射线。