SEM扫描电镜参数调整 教你拍出高质量的电镜图

 　　SEM扫描电镜参数的调整

　　为什么要调整SEM扫描电镜参数?首先，优化图像质量，通过调整参数，可以获得更清晰、更详细的图像。其次，适应样本特性，不同的样本可能需要不同的参数设置。第三，提高分辨率，以更好地分辨样本的微观结构。第四，控制电子束强度，避免对样本造成过度损伤。第五，调整衬度，增强图像的衬度，便于观察。第六，优化景深使整个样本都能清晰成像。第七，适应不同的放大倍数，确保在不同放大倍数下都能获得良好的图像。

蔡司扫描电镜

　　1.1 加速电压

　　理论上，加速电压的增加将使SEM图像中的信号更多、噪声更低。但实际情况并非如此简单。高加速电压成像有一些缺点: 1. 高加速电压可穿透较厚的样品，但在SE模式下，对样品表面结构细节的分辨能力降低，低加速电压则适用于表面成像;2绝缘样品中的电子堆积增加，造成更严重的充电效应;3 在样品中传导的热量会增加，可能导致样品损伤，尤其是对热敏感的材料。

　　加速电压越高，电子束穿透力越强，相互作用体积越大，背散射电子(BSE)的数量也会增加。对于典型电压(如15KV)下的二次电子(SE)成像，BSE会进入二次电子探测器，并降低分辨率，因为它们来自样品的更深处。

　　加速电压是灯丝和阳极之间的电压差，主要用于加速电子束向阳极移动。典型SEM的加速电压范围为1KV至30KV。电压越高，电子束穿透样品的能力就越强。

　　下表中提供了选择加速电压的一般操作指南。当然，不同的电镜设备，即使参数相同，成像效果也会有差异，要确定样品成像的最佳设置，需要进行实践操作。

　　1.2 光阑

　　光阑是金属条上的一个小孔，它被放置在电子束的路径上，以限制电子沿镜筒向下运动。光阑可阻止偏离轴线或能量不足的电子沿柱子向下运动。根据所选光阑的大小，它还可以缩小光阑下方的电子束。

　　物镜 (OL) 光阑：该光阑用于减少或排除外来(散射)电子。操作员应选择最佳的光阑，以获得高分辨率的SE图像。

　　物镜光阑安装在SEM物镜的上方，是一根金属杆，用于固定一块含有四个孔的金属薄板。在它上面装有一个更薄的矩形金属板，上面有不同大小的孔(光阑)。通过前后移动机械臂，可以将不同大小的孔放入光束路径中。这都限于老式扫描电镜，现代电镜通过静电偏转到想要的孔，不是机械移动。

　　大光阑可用于低倍成像以增加信号，也可用BSE成像和EDS分析工作。小光阑用于高分辨率工作和更好的景深，但缺点是到达样品的电子较少，因此图像亮度和信噪比较低。

　　下表列出了一些光阑大小和实际用途的例子。不同光阑可使用数字刻度。例如，可以使用1、2、3和4。根据仪器的不同，可以用最大的数字表示最大的光阑直径，也可以用最大的数字表示最小的光阑。

　　在SEM设备校准过程中，为了生成良好的图像，需要检查光阑，以确保其围绕光束轴居中，这可以通过使用晃动(Wobbler)控制来实现。如果发现图像左右移动，则需要在 X 或 Y方向(进出或左右移动)调整光阑，调整时只需微微旋转相应的旋钮，直到图像停止移动为止。当电子束直径在样品表面达到最小值时，聚焦效果最佳。图像应清晰明确。

　　1.3 束斑尺寸

　　电子束锥在样品表面形成的束斑大小(横截面直径)会影响：1)图像的分辨率;2)产生的电子数量，从而影响图像的信噪比和清晰度。在低倍放大时，我们使用的束斑尺寸要比高倍放大时大。

　　当在相同的放大倍率、电压和工作距离下使用不同的束斑尺寸拍摄图像时，很容易看出不同系列图像在模糊度(分辨率)上的差异。表达束斑大小的方式取决于所用电镜的厂家和型号。

　　对于任何一个放大倍率，停留点(图中一行中的光点)的数量都是恒定的，因此束斑点尺寸太小会导致没有信号产生的间隙，束斑尺寸太大会导致信号重叠和平均。

　　束斑尺寸会随着一些参数的改变而改变。例如，长工作距离(WD)下的束斑尺寸比短WD的大。物镜光阑越小，束斑尺寸越小。此外，无论使用哪种 WD，聚光透镜流过的电流越大(激励强，聚焦效果好)，样品上的束斑就越小。

　　因此，当WD较小、聚光透镜激励较高、光阑较小时，我们就能实现最小的束斑尺寸。这三个参数是相互影响的，需要仔细权衡，才能获得最佳图像，因为它们还会影响其他参数，如焦距和电子信号强度。

　　1.4 工作距离(WD)：分辨率与景深

　　样品工作距离 (WD) 是指SEM镜筒极靴底部与样品顶部之间的距离。在样品室中，样品台可以上升到更靠近极靴的一端(工作距离短)，也可以下降到更低的位置(工作距离长)。

　　工作距离越短，样品表面的电子束直径就越小。因此，在可能的情况下，工作距离应保持在10毫米或更小，以获得高分辨率成像。但小工作距离的缺点是，会大大降低景深。虽然可以通过使用较小的物镜光阑来抵消这种不利因素，但同时也带来电子束流密度的降低(图像看起来颗粒感更强，不够细腻)。

　　备注：对于ET探测器来说，缩短WD带来高分辨率的效果是不够显著的。对于大部分镜筒内电子探测器，缩短WD能显著提高分辨率。这也是我们经常看到，高倍数的照片都是在短WD下拍摄的，极端情况下，WD可以<1mm。

　　在许多 SEM 中，外部工作距离 (Z) 控制杆可用于升高或降低试样，该值通常被误认为是准确的工作距离。然而，真正的工作距离 (WD)是以电子方式测量的，即样品表面聚焦点到极靴下表面的距离。外部Z控制(机械控制)值与图像屏幕上提供的 WD 值不同有三个原因。

　　只有当电子束准确聚焦到试样表面时，"屏幕上"的 WD 值才是准确的测量值。聚焦不足或聚焦过度的图像会提供虚假的WD值以及模糊的图像。

　　外部Z值和准确聚焦试样的真实 WD 值会有所不同，因为这两个测量值可能是从试样架上的不同点测量的。试样如果不是均匀平整的，不同的形貌特征会有不同的真实WD。

　　WD会影响SEM图像的景深和分辨率。随着WD的增加，电子束发散角会减小，从而提供更大的景深。增加WD的"代价"是，电子束必须从扫描移动更远的距离，因此在试样上的束斑尺寸更大。

　　景深是指试样在肉眼看来可接受的聚焦垂直范围。在SEM中，图像景深的 "范围 "通常比光学显微镜大上百倍，因此许多SEM显微照片几乎都是三维的。

　　1.5 图像的衬度和亮度

　　SEM图像是根据从样品材料中射出的电子数来构建的强度图(数字或模拟)。SEM中每个驻留点的电子信号以像素的形式在屏幕上逐行显示，从而形成图像。每个点的信号强度反映了从形貌或成分中产生的电子多少。通过信号处理，每个电子的信号信息(从光束的每个驻留点获得)都可以在显示之前被转换成与原始值有严格关系的新值。这样，我们就可以通过调整信号来改变最终图像的衬度和亮度。

　　在大多数情况下，未经处理的图像包含足够的"自然衬度"，操作员可以从图像中提取有用的信息。自然衬度可被视为直接来自样品和探测器系统的信号中包含的衬度。如果自然衬度过低或过高，则可能会丢失与重要细节相对应的信号变化。

　　在这种情况下，我们会看到图像中有很多黑色或白色区域。质量好的图像具有灰度渐变，只有极少部分是全黑或全白的。信号处理技术可以处理自然衬度，使眼睛可以通过图像中的衬度感知信息。虽然信号处理技术允许用户对自然衬度进行处理，但并没有增加信息，只是增强了已有的信息(因此，这种图像处理技术不属于对已有信息的篡改)。

　　以下这幅图像左侧衬度太低，右侧衬度太高，中间的图像衬度是合适的。左边的图像可以后期调整，方法是在Photoshop软件中修改灰度 "色阶"的分布，但右图像无法修正，因为纯黑白区域是绝对的(无法从这些区域获取更多数据)。

　　应该注意的是，信号处理会极大地改变图像的外观，使其与通常预期的不同，因此SEM操作员有义务说明是否进行了处理。不过，通常情况下，使用衬度和亮度旋钮调整图像质量是被认可的图像处理流程。但是，如果为了使SEM图像看起来更清晰而进行了一些其他处理，则应在正式报告中说明具体的处理的方式。

　　旧型号的SEM一般都需要手动调整衬度和亮度。更现代的机器则依靠软件程序自动调节，辅以机器操作员的喜好：一键操作，提高工作效率。但需要注意的是，人眼对图像衬度和亮度的感知或审美，往往和软件计算的结果并不一致，因为为了更好的图片质感，还需要依赖手动调节。

　　倾斜样品可以增加SE衬度：增加SE衬度的另一种方法是倾斜样品，使其与探头成一定角度(通常为 30° 至 60°)。倾斜的结果是，每单位投影试样面积会产生更多的 SE，从而使亮部和暗部的分布更加明显，从而增强衬度。

　　1.6 放大和校准

　　放大是指放大图像或图像的一部分。在SEM中，放大是通过扫描较小的区域来实现的。在图像中，样品上的电子束用箭头表示。

　　当扫描到一个较小的区域时，我们看到的是物体变大了。以下的显微图像的放大倍数从 900倍到 10000 倍不等。

　　图像的放大倍数通常会在屏幕上给出一个数值(如2000x)。图像上还会有一个刻度条，代表精确的距离单位。

　　在扫描电镜中，通常涉及到两个倍数，一个是底片倍数，一个是显示倍数。底片倍数，指扫描电镜获取图像时，实际拍摄到5英寸底片上的放大倍数。显示倍数是指在显示器上显示的放大倍数。初学者搞不清楚底片倍数和显示倍数的区别，同样的细节长度，显示倍数通常会比底片倍数高2-3倍，因此，衡量物体尺寸的大小看标尺刻度，而不是放大倍数。

　　SEM的基本维护包括定期检查放大倍率的校准。在标准条件下对标准样品(如光栅网格)进行成像。对图像上的特征进行测量，并与给定的放大倍率或刻度条进行比较，以确保达到正确的尺寸。如果不正确，可以遵循校准程序。

　　在标准条件下，屏幕上显示的放大倍数可能包含2-5%的误差。在许多情况下，这种不确定性是可以接受的。但是，如果所做的工作需要很高的精确度(尤其是半导体行业的精确测量)，则必须使用与实验条件完全相同的条件和校准标准来校准系统，校准标准的特征应与您希望在实验中测量的特征的尺寸密切匹配。例如，如果需要测量直径为 500nm 的颗粒大小，校准样品应包含相同大小的特征。

　　1.7 扫描速率和信噪比

　　如果需要采集高质量的图像，以供日后使用或出版时，通常会降低扫描速率。较慢的扫描速率可以在电子束扫描线上的每个像素点收集到更多的电子。这样可以生成质量更好的图像。

　　SEM的图像质量受束斑大小和信噪比的限制。信噪比是电子束产生的信号(S)与仪器电子设备在显示该信号时产生的噪声(N)之比(S/N)。噪声脉冲来源于电子束亮度、聚光透镜设置(束斑尺寸)和 SE 探测器灵敏度，可能会给图像带来类似颗粒感。当SEM参数设置为高分辨率成像时，其信噪比通常较低，因此会出现颗粒感，这可能是不可避免的。随着每个图像点记录的电子总数的增加，SEM的图像质量和信噪比也会随之提高。

　　钨(W)灯丝的特点是亮度低，导致成像的电子束流密度低。因此，在聚光透镜设置为高分辨率成像时(小束斑尺寸)，到达试样的电子数量较少。因此，SE 产量低，为了生成高质量的图像，必须使用大束流，这就弥补了信噪比的不足，但同时也带来了分辨率的下降。为了克服 W 灯丝的亮度限制并提高信噪比，人们开发了场发射枪 (FEG) 等明亮相干光源。

　　1.8 图像的假象：像散/边缘效应/充电效应/电子束损伤和污染

　　要获得完美的图像，需要基础理论知识和实践，并且需要在许多因素之间进行权衡。这个过程可能会遇到一些棘手的问题。

　　像散

　　像散是图像中最难精确校正的调整之一，需要多加练习。下图中间的图像是经过像散校正的正确聚焦图像。左图和右图是像散校正不佳的例子，表现为图像出现拉伸的条纹。

　　为实现精确成像，电子束(探针)到达试样时的横截面应为圆形。探针的横截面可能会扭曲，形成椭圆形。这是由一系列因素造成的，如加工精度和磁极片的材料、铁磁体铸造中的缺陷或铜绕组。这种变形称为像散，会导致聚焦困难。

　　严重的像散可表现为图像中X方向的"条纹"，当图像从对焦不足到对焦过度时，条纹会转变为 Y 方向。在精确对焦时，条纹会消失，如果束斑大小合适，就能正确对焦。

　　为了使探针呈圆形，需要使用像散校正器。这包括以四边形、六边形或八边形方向放置在镜筒周围的电磁线圈。这些线圈可以调整电子束的形状，并可用于校正任何重大的透镜变形。

　　在放大 10,000 倍左右的情况下，将物镜调整到欠焦或过焦时，如果图像在一个方向或另一个方向上没有条纹，则一般认为图像没有像散。在1000倍以下的图像中，像散通常可以忽略不计。

　　校正像散的最佳方法是将X和Y像散器设置为零偏移(即不进行像散校正)，然后尽可能精细地对焦样品。然后调整X 或Y消像散器控制(不能同时调整)以获得最佳图像，并重新对焦。

　　边缘效应

　　边缘效应是由于试样边缘的电子发射增强所致。边缘效应是由于形貌对二次电子产生的影响造成的，也是二次电子探测器产生图像轮廓的原因。电子优先流向边缘和峰顶，并从边缘和峰顶发射，被探测器遮挡的区域，如凹陷处，信号强度较低。样品朝向探测器区域发射的背向散射电子也会增强形貌衬度。降低加速电压可以减少边缘效应。

　　充电效应

　　电子在样品中聚集并不受控制地放电会产生充电现象，这会产生不必要的假象，尤其是在二次电子图像中。当入射电子数大于从样品中逸出的电子数时，电子束击中样品的位置就会产生负电荷。这种现象被称为"充电Charging"，会导致一系列异常效果，如衬度异常、图像变形和偏移。有时，带电区域的电子突然放电会导致屏幕上出现明亮的闪光，这样就无法捕捉到衬度均匀的样品图像，甚至会导致小样品从样品台上脱落。

　　充电效应的程度与 (1) 电子的能量和 (2) 电子的数量有关。电子的能量与加速电压有关，因此降低加速电压可以减少充电。电子的数量与许多参数有关，包括束流、电子枪的种类、束斑大小以及电子枪和试样之间的光阑。因此，通过调整这些参数来减少电子数也可以减少充电效应。

　　要解决不导电样品的充电问题，在样品制备方法上是在样品上镀上一层较厚的金或铂薄膜，这样做是为了提高表面的导电性，使足够的电子能够逸出，避免表面充电和损坏。颗粒等松散材料经常会受到充电的影响，在实际操作上，这些样品都通过磁控溅射镀膜仪来镀上一层厚3-10nm的金属层，实验室常见的镀膜仪如下图所示：

　　过去三十年，常规镀膜仪多采用单靶喷金仪：Au靶熔点较低，金颗粒较大(约20nm，常规镀膜参数)，主要用于常规钨灯丝电镜;Pt靶熔点较高，白金颗粒较细(3-5nm，常规镀膜参数)，适用于场发射扫描电镜。根据实践经验，同等参数下，镀金比镀白金能更好的抑制充电效应，但在纳米尺度，金会掩盖细节。速普的J20双靶离子溅射仪采用了双靶+叠层喷镀的创新概念，将金(Au)和铂(Pt)的优势相结合，通过多次形核，可进一步减小喷镀膜颗粒大小(30s pt+30s Au ，底片10万倍，预估颗粒5nm左右)，并进一步改善充电效应。

　　此外，除了低加速电压成像，具有低真空功能的SEM或环境SEM (ESEM) 可用于控制充电效应。

　　用电子束辐照试样会导致电子束能量以热量的形式流失到试样中。较高的加速电压会导致辐照点的温度升高，这可能会损坏(如熔化)聚合物或蛋白质等易碎试样，并蒸发蜡或其他试样成分，同时也会污染镜筒。

　　解决办法是降低电子束能量，增加工作距离也有帮助，因为在相同的电子束能量下，可以在样品上产生更大的束斑，但这样做的缺点是会降低分辨率。

　　与电子束相关的污染是指在电子束扫描过的样品区域沉积材料(如碳)，这是电子束与真空室中的气态分子(如碳氢化合物)相互作用的结果。

　　解决这种假象的方法之一是先用低倍放大镜拍摄显微照片，然后再用高倍放大镜拍摄。在将样品放入SEM腔室之前，确保样品尽可能干净，或者采用等离子清洗样品，也可以减少这种假象。对于场发射电镜而言，在处理样品时通常需要戴上手套，以防止被手指油脂等污染。

　　总之，获得满意的SEM图片需要综合考虑样品制备、仪器设置和图像处理等方面的因素。在样品制备过程中，需要选择合适的样品、清洗方法和干燥方法。在仪器参数设置过程中，需要选择合适的加速电压、工作距离和探测器类型等。在图像处理过程中，需要选择合适的图像增强、信号过滤方法。此外，还要考虑像散/边缘效应/充电效应/电子束损伤和污染的因素。

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