SEM掃描電鏡參數(shù)的調(diào)整

　　為什么要調(diào)整SEM掃描電鏡參數(shù)?首先，優(yōu)化圖像質(zhì)量，通過調(diào)整參數(shù)，可以獲得更清晰、更詳細的圖像。其次，適應(yīng)樣本特性，不同的樣本可能需要不同的參數(shù)設(shè)置。第三，提高分辨率，以更好地分辨樣本的微觀結(jié)構(gòu)。第四，控制電子束強度，避免對樣本造成過度損傷。第五，調(diào)整襯度，增強圖像的襯度，便于觀察。第六，優(yōu)化景深使整個樣本都能清晰成像。第七，適應(yīng)不同的放大倍數(shù)，確保在不同放大倍數(shù)下都能獲得良好的圖像。

蔡司掃描電鏡

　　1.1 加速電壓

　　理論上，加速電壓的增加將使SEM圖像中的信號更多、噪聲更低。但實際情況并非如此簡單。高加速電壓成像有一些缺點: 1. 高加速電壓可穿透較厚的樣品，但在SE模式下，對樣品表面結(jié)構(gòu)細節(jié)的分辨能力降低，低加速電壓則適用于表面成像;2絕緣樣品中的電子堆積增加，造成更嚴重的充電效應(yīng);3 在樣品中傳導(dǎo)的熱量會增加，可能導(dǎo)致樣品損傷，尤其是對熱敏感的材料。

　　加速電壓越高，電子束穿透力越強，相互作用體積越大，背散射電子(BSE)的數(shù)量也會增加。對于典型電壓(如15KV)下的二次電子(SE)成像，BSE會進入二次電子探測器，并降低分辨率，因為它們來自樣品的更深處。

　　加速電壓是燈絲和陽極之間的電壓差，主要用于加速電子束向陽極移動。典型SEM的加速電壓范圍為1KV至30KV。電壓越高，電子束穿透樣品的能力就越強。

　　下表中提供了選擇加速電壓的一般操作指南。當(dāng)然，不同的電鏡設(shè)備，即使參數(shù)相同，成像效果也會有差異，要確定樣品成像的最佳設(shè)置，需要進行實踐操作。

　　1.2 光闌

　　光闌是金屬條上的一個小孔，它被放置在電子束的路徑上，以限制電子沿鏡筒向下運動。光闌可阻止偏離軸線或能量不足的電子沿柱子向下運動。根據(jù)所選光闌的大小，它還可以縮小光闌下方的電子束。

　　物鏡 (OL) 光闌：該光闌用于減少或排除外來(散射)電子。操作員應(yīng)選擇最佳的光闌，以獲得高分辨率的SE圖像。

　　物鏡光闌安裝在SEM物鏡的上方，是一根金屬桿，用于固定一塊含有四個孔的金屬薄板。在它上面裝有一個更薄的矩形金屬板，上面有不同大小的孔(光闌)。通過前后移動機械臂，可以將不同大小的孔放入光束路徑中。這都限于老式掃描電鏡，現(xiàn)代電鏡通過靜電偏轉(zhuǎn)到想要的孔，不是機械移動。

　　大光闌可用于低倍成像以增加信號，也可用BSE成像和EDS分析工作。小光闌用于高分辨率工作和更好的景深，但缺點是到達樣品的電子較少，因此圖像亮度和信噪比較低。

　　下表列出了一些光闌大小和實際用途的例子。不同光闌可使用數(shù)字刻度。例如，可以使用1、2、3和4。根據(jù)儀器的不同，可以用最大的數(shù)字表示最大的光闌直徑，也可以用最大的數(shù)字表示最小的光闌。

　　在SEM設(shè)備校準過程中，為了生成良好的圖像，需要檢查光闌，以確保其圍繞光束軸居中，這可以通過使用晃動(Wobbler)控制來實現(xiàn)。如果發(fā)現(xiàn)圖像左右移動，則需要在 X 或 Y方向(進出或左右移動)調(diào)整光闌，調(diào)整時只需微微旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的旋鈕，直到圖像停止移動為止。當(dāng)電子束直徑在樣品表面達到最小值時，聚焦效果最佳。圖像應(yīng)清晰明確。

　　1.3 束斑尺寸

　　電子束錐在樣品表面形成的束斑大小(橫截面直徑)會影響：1)圖像的分辨率;2)產(chǎn)生的電子數(shù)量，從而影響圖像的信噪比和清晰度。在低倍放大時，我們使用的束斑尺寸要比高倍放大時大。

　　當(dāng)在相同的放大倍率、電壓和工作距離下使用不同的束斑尺寸拍攝圖像時，很容易看出不同系列圖像在模糊度(分辨率)上的差異。表達束斑大小的方式取決于所用電鏡的廠家和型號。

　　對于任何一個放大倍率，停留點(圖中一行中的光點)的數(shù)量都是恒定的，因此束斑點尺寸太小會導(dǎo)致沒有信號產(chǎn)生的間隙，束斑尺寸太大會導(dǎo)致信號重疊和平均。

　　束斑尺寸會隨著一些參數(shù)的改變而改變。例如，長工作距離(WD)下的束斑尺寸比短WD的大。物鏡光闌越小，束斑尺寸越小。此外，無論使用哪種 WD，聚光透鏡流過的電流越大(激勵強，聚焦效果好)，樣品上的束斑就越小。

　　因此，當(dāng)WD較小、聚光透鏡激勵較高、光闌較小時，我們就能實現(xiàn)最小的束斑尺寸。這三個參數(shù)是相互影響的，需要仔細權(quán)衡，才能獲得最佳圖像，因為它們還會影響其他參數(shù)，如焦距和電子信號強度。

　　1.4 工作距離(WD)：分辨率與景深

　　樣品工作距離 (WD) 是指SEM鏡筒極靴底部與樣品頂部之間的距離。在樣品室中，樣品臺可以上升到更靠近極靴的一端(工作距離短)，也可以下降到更低的位置(工作距離長)。

　　工作距離越短，樣品表面的電子束直徑就越小。因此，在可能的情況下，工作距離應(yīng)保持在10毫米或更小，以獲得高分辨率成像。但小工作距離的缺點是，會大大降低景深。雖然可以通過使用較小的物鏡光闌來抵消這種不利因素，但同時也帶來電子束流密度的降低(圖像看起來顆粒感更強，不夠細膩)。

　　備注：對于ET探測器來說，縮短WD帶來高分辨率的效果是不夠顯著的。對于大部分鏡筒內(nèi)電子探測器，縮短WD能顯著提高分辨率。這也是我們經(jīng)常看到，高倍數(shù)的照片都是在短WD下拍攝的，極端情況下，WD可以<1mm。

　　在許多 SEM 中，外部工作距離 (Z) 控制桿可用于升高或降低試樣，該值通常被誤認為是準確的工作距離。然而，真正的工作距離 (WD)是以電子方式測量的，即樣品表面聚焦點到極靴下表面的距離。外部Z控制(機械控制)值與圖像屏幕上提供的 WD 值不同有三個原因。

　　只有當(dāng)電子束準確聚焦到試樣表面時，"屏幕上"的 WD 值才是準確的測量值。聚焦不足或聚焦過度的圖像會提供虛假的WD值以及模糊的圖像。

　　外部Z值和準確聚焦試樣的真實 WD 值會有所不同，因為這兩個測量值可能是從試樣架上的不同點測量的。試樣如果不是均勻平整的，不同的形貌特征會有不同的真實WD。

　　WD會影響SEM圖像的景深和分辨率。隨著WD的增加，電子束發(fā)散角會減小，從而提供更大的景深。增加WD的"代價"是，電子束必須從掃描移動更遠的距離，因此在試樣上的束斑尺寸更大。

　　景深是指試樣在肉眼看來可接受的聚焦垂直范圍。在SEM中，圖像景深的 "范圍 "通常比光學(xué)顯微鏡大上百倍，因此許多SEM顯微照片幾乎都是三維的。

　　1.5 圖像的襯度和亮度

　　SEM圖像是根據(jù)從樣品材料中射出的電子數(shù)來構(gòu)建的強度圖(數(shù)字或模擬)。SEM中每個駐留點的電子信號以像素的形式在屏幕上逐行顯示，從而形成圖像。每個點的信號強度反映了從形貌或成分中產(chǎn)生的電子多少。通過信號處理，每個電子的信號信息(從光束的每個駐留點獲得)都可以在顯示之前被轉(zhuǎn)換成與原始值有嚴格關(guān)系的新值。這樣，我們就可以通過調(diào)整信號來改變最終圖像的襯度和亮度。

　　在大多數(shù)情況下，未經(jīng)處理的圖像包含足夠的"自然襯度"，操作員可以從圖像中提取有用的信息。自然襯度可被視為直接來自樣品和探測器系統(tǒng)的信號中包含的襯度。如果自然襯度過低或過高，則可能會丟失與重要細節(jié)相對應(yīng)的信號變化。

　　在這種情況下，我們會看到圖像中有很多黑色或白色區(qū)域。質(zhì)量好的圖像具有灰度漸變，只有極少部分是全黑或全白的。信號處理技術(shù)可以處理自然襯度，使眼睛可以通過圖像中的襯度感知信息。雖然信號處理技術(shù)允許用戶對自然襯度進行處理，但并沒有增加信息，只是增強了已有的信息(因此，這種圖像處理技術(shù)不屬于對已有信息的篡改)。

　　以下這幅圖像左側(cè)襯度太低，右側(cè)襯度太高，中間的圖像襯度是合適的。左邊的圖像可以后期調(diào)整，方法是在Photoshop軟件中修改灰度 "色階"的分布，但右圖像無法修正，因為純黑白區(qū)域是絕對的(無法從這些區(qū)域獲取更多數(shù)據(jù))。

　　應(yīng)該注意的是，信號處理會極大地改變圖像的外觀，使其與通常預(yù)期的不同，因此SEM操作員有義務(wù)說明是否進行了處理。不過，通常情況下，使用襯度和亮度旋鈕調(diào)整圖像質(zhì)量是被認可的圖像處理流程。但是，如果為了使SEM圖像看起來更清晰而進行了一些其他處理，則應(yīng)在正式報告中說明具體的處理的方式。

　　舊型號的SEM一般都需要手動調(diào)整襯度和亮度。更現(xiàn)代的機器則依靠軟件程序自動調(diào)節(jié)，輔以機器操作員的喜好：一鍵操作，提高工作效率。但需要注意的是，人眼對圖像襯度和亮度的感知或?qū)徝�，往往和軟件計算的結(jié)果并不一致，因為為了更好的圖片質(zhì)感，還需要依賴手動調(diào)節(jié)。

　　傾斜樣品可以增加SE襯度：增加SE襯度的另一種方法是傾斜樣品，使其與探頭成一定角度(通常為 30° 至 60°)。傾斜的結(jié)果是，每單位投影試樣面積會產(chǎn)生更多的 SE，從而使亮部和暗部的分布更加明顯，從而增強襯度。

　　1.6 放大和校準

　　放大是指放大圖像或圖像的一部分。在SEM中，放大是通過掃描較小的區(qū)域來實現(xiàn)的。在圖像中，樣品上的電子束用箭頭表示。

　　當(dāng)掃描到一個較小的區(qū)域時，我們看到的是物體變大了。以下的顯微圖像的放大倍數(shù)從 900倍到 10000 倍不等。

　　圖像的放大倍數(shù)通常會在屏幕上給出一個數(shù)值(如2000x)。圖像上還會有一個刻度條，代表精確的距離單位。

　　在掃描電鏡中，通常涉及到兩個倍數(shù)，一個是底片倍數(shù)，一個是顯示倍數(shù)。底片倍數(shù)，指掃描電鏡獲取圖像時，實際拍攝到5英寸底片上的放大倍數(shù)。顯示倍數(shù)是指在顯示器上顯示的放大倍數(shù)。初學(xué)者搞不清楚底片倍數(shù)和顯示倍數(shù)的區(qū)別，同樣的細節(jié)長度，顯示倍數(shù)通常會比底片倍數(shù)高2-3倍，因此，衡量物體尺寸的大小看標(biāo)尺刻度，而不是放大倍數(shù)。

　　SEM的基本維護包括定期檢查放大倍率的校準。在標(biāo)準條件下對標(biāo)準樣品(如光柵網(wǎng)格)進行成像。對圖像上的特征進行測量，并與給定的放大倍率或刻度條進行比較，以確保達到正確的尺寸。如果不正確，可以遵循校準程序。

　　在標(biāo)準條件下，屏幕上顯示的放大倍數(shù)可能包含2-5%的誤差。在許多情況下，這種不確定性是可以接受的。但是，如果所做的工作需要很高的精確度(尤其是半導(dǎo)體行業(yè)的精確測量)，則必須使用與實驗條件完全相同的條件和校準標(biāo)準來校準系統(tǒng)，校準標(biāo)準的特征應(yīng)與您希望在實驗中測量的特征的尺寸密切匹配。例如，如果需要測量直徑為 500nm 的顆粒大小，校準樣品應(yīng)包含相同大小的特征。

　　1.7 掃描速率和信噪比

　　如果需要采集高質(zhì)量的圖像，以供日后使用或出版時，通常會降低掃描速率。較慢的掃描速率可以在電子束掃描線上的每個像素點收集到更多的電子。這樣可以生成質(zhì)量更好的圖像。

　　SEM的圖像質(zhì)量受束斑大小和信噪比的限制。信噪比是電子束產(chǎn)生的信號(S)與儀器電子設(shè)備在顯示該信號時產(chǎn)生的噪聲(N)之比(S/N)。噪聲脈沖來源于電子束亮度、聚光透鏡設(shè)置(束斑尺寸)和 SE 探測器靈敏度，可能會給圖像帶來類似顆粒感。當(dāng)SEM參數(shù)設(shè)置為高分辨率成像時，其信噪比通常較低，因此會出現(xiàn)顆粒感，這可能是不可避免的。隨著每個圖像點記錄的電子總數(shù)的增加，SEM的圖像質(zhì)量和信噪比也會隨之提高。

　　鎢(W)燈絲的特點是亮度低，導(dǎo)致成像的電子束流密度低。因此，在聚光透鏡設(shè)置為高分辨率成像時(小束斑尺寸)，到達試樣的電子數(shù)量較少。因此，SE 產(chǎn)量低，為了生成高質(zhì)量的圖像，必須使用大束流，這就彌補了信噪比的不足，但同時也帶來了分辨率的下降。為了克服 W 燈絲的亮度限制并提高信噪比，人們開發(fā)了場發(fā)射槍 (FEG) 等明亮相干光源。

　　1.8 圖像的假象：像散/邊緣效應(yīng)/充電效應(yīng)/電子束損傷和污染

　　要獲得完美的圖像，需要基礎(chǔ)理論知識和實踐，并且需要在許多因素之間進行權(quán)衡。這個過程可能會遇到一些棘手的問題。

　　像散

　　像散是圖像中最難精確校正的調(diào)整之一，需要多加練習(xí)。下圖中間的圖像是經(jīng)過像散校正的正確聚焦圖像。左圖和右圖是像散校正不佳的例子，表現(xiàn)為圖像出現(xiàn)拉伸的條紋。

　　為實現(xiàn)精確成像，電子束(探針)到達試樣時的橫截面應(yīng)為圓形。探針的橫截面可能會扭曲，形成橢圓形。這是由一系列因素造成的，如加工精度和磁極片的材料、鐵磁體鑄造中的缺陷或銅繞組。這種變形稱為像散，會導(dǎo)致聚焦困難。

　　嚴重的像散可表現(xiàn)為圖像中X方向的"條紋"，當(dāng)圖像從對焦不足到對焦過度時，條紋會轉(zhuǎn)變?yōu)?Y 方向。在精確對焦時，條紋會消失，如果束斑大小合適，就能正確對焦。

　　為了使探針呈圓形，需要使用像散校正器。這包括以四邊形、六邊形或八邊形方向放置在鏡筒周圍的電磁線圈。這些線圈可以調(diào)整電子束的形狀，并可用于校正任何重大的透鏡變形。

　　在放大 10,000 倍左右的情況下，將物鏡調(diào)整到欠焦或過焦時，如果圖像在一個方向或另一個方向上沒有條紋，則一般認為圖像沒有像散。在1000倍以下的圖像中，像散通常可以忽略不計。

　　校正像散的最佳方法是將X和Y像散器設(shè)置為零偏移(即不進行像散校正)，然后盡可能精細地對焦樣品。然后調(diào)整X 或Y消像散器控制(不能同時調(diào)整)以獲得最佳圖像，并重新對焦。

　　邊緣效應(yīng)

　　邊緣效應(yīng)是由于試樣邊緣的電子發(fā)射增強所致。邊緣效應(yīng)是由于形貌對二次電子產(chǎn)生的影響造成的，也是二次電子探測器產(chǎn)生圖像輪廓的原因。電子優(yōu)先流向邊緣和峰頂，并從邊緣和峰頂發(fā)射，被探測器遮擋的區(qū)域，如凹陷處，信號強度較低。樣品朝向探測器區(qū)域發(fā)射的背向散射電子也會增強形貌襯度。降低加速電壓可以減少邊緣效應(yīng)。

　　充電效應(yīng)

　　電子在樣品中聚集并不受控制地放電會產(chǎn)生充電現(xiàn)象，這會產(chǎn)生不必要的假象，尤其是在二次電子圖像中。當(dāng)入射電子數(shù)大于從樣品中逸出的電子數(shù)時，電子束擊中樣品的位置就會產(chǎn)生負電荷。這種現(xiàn)象被稱為"充電Charging"，會導(dǎo)致一系列異常效果，如襯度異常、圖像變形和偏移。有時，帶電區(qū)域的電子突然放電會導(dǎo)致屏幕上出現(xiàn)明亮的閃光，這樣就無法捕捉到襯度均勻的樣品圖像，甚至?xí)��?dǎo)致小樣品從樣品臺上脫落。

　　充電效應(yīng)的程度與 (1) 電子的能量和 (2) 電子的數(shù)量有關(guān)。電子的能量與加速電壓有關(guān)，因此降低加速電壓可以減少充電。電子的數(shù)量與許多參數(shù)有關(guān)，包括束流、電子槍的種類、束斑大小以及電子槍和試樣之間的光闌。因此，通過調(diào)整這些參數(shù)來減少電子數(shù)也可以減少充電效應(yīng)。

　　要解決不導(dǎo)電樣品的充電問題，在樣品制備方法上是在樣品上鍍上一層較厚的金或鉑薄膜，這樣做是為了提高表面的導(dǎo)電性，使足夠的電子能夠逸出，避免表面充電和損壞。顆粒等松散材料經(jīng)常會受到充電的影響，在實際操作上，這些樣品都通過磁控濺射鍍膜儀來鍍上一層厚3-10nm的金屬層，實驗室常見的鍍膜儀如下圖所示：

　　過去三十年，常規(guī)鍍膜儀多采用單靶噴金儀：Au靶熔點較低，金顆粒較大(約20nm，常規(guī)鍍膜參數(shù))，主要用于常規(guī)鎢燈絲電鏡;Pt靶熔點較高，白金顆粒較細(3-5nm，常規(guī)鍍膜參數(shù))，適用于場發(fā)射掃描電鏡。根據(jù)實踐經(jīng)驗，同等參數(shù)下，鍍金比鍍白金能更好的抑制充電效應(yīng)，但在納米尺度，金會掩蓋細節(jié)。速普的J20雙靶離子濺射儀采用了雙靶+疊層噴鍍的創(chuàng)新概念，將金(Au)和鉑(Pt)的優(yōu)勢相結(jié)合，通過多次形核，可進一步減小噴鍍膜顆粒大小(30s pt+30s Au ，底片10萬倍，預(yù)估顆粒5nm左右)，并進一步改善充電效應(yīng)。

　　此外，除了低加速電壓成像，具有低真空功能的SEM或環(huán)境SEM (ESEM) 可用于控制充電效應(yīng)。

　　用電子束輻照試樣會導(dǎo)致電子束能量以熱量的形式流失到試樣中。較高的加速電壓會導(dǎo)致輻照點的溫度升高，這可能會損壞(如熔化)聚合物或蛋白質(zhì)等易碎試樣，并蒸發(fā)蠟或其他試樣成分，同時也會污染鏡筒。

　　解決辦法是降低電子束能量，增加工作距離也有幫助，因為在相同的電子束能量下，可以在樣品上產(chǎn)生更大的束斑，但這樣做的缺點是會降低分辨率。

　　與電子束相關(guān)的污染是指在電子束掃描過的樣品區(qū)域沉積材料(如碳)，這是電子束與真空室中的氣態(tài)分子(如碳氫化合物)相互作用的結(jié)果。

　　解決這種假象的方法之一是先用低倍放大鏡拍攝顯微照片，然后再用高倍放大鏡拍攝。在將樣品放入SEM腔室之前，確保樣品盡可能干凈，或者采用等離子清洗樣品，也可以減少這種假象。對于場發(fā)射電鏡而言，在處理樣品時通常需要戴上手套，以防止被手指油脂等污染。

　　總之，獲得滿意的SEM圖片需要綜合考慮樣品制備、儀器設(shè)置和圖像處理等方面的因素。在樣品制備過程中，需要選擇合適的樣品、清洗方法和干燥方法。在儀器參數(shù)設(shè)置過程中，需要選擇合適的加速電壓、工作距離和探測器類型等。在圖像處理過程中，需要選擇合適的圖像增強、信號過濾方法。此外，還要考慮像散/邊緣效應(yīng)/充電效應(yīng)/電子束損傷和污染的因素。

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