基于普通模式和電子束減速模式的加速電壓對FESEM圖像的影響

趙健全 吳金金 盧 照 陳 霞 郜鮮輝 宋武林

(華中科技大學分析測試中心，武漢 430074)

掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)技術開始于20世紀60年代，它的出現(xiàn)使得人類觀察微觀世界的能力發(fā)生了質(zhì)的飛躍。SEM依靠其高分辨率、良好的景深和簡單方便的操作迅速發(fā)展成為研究微觀世界的有力工具，很多重大發(fā)現(xiàn)和研究成果都是通過SEM觀察獲得[1-3]。近10多年來，隨著納米科技的興起，對納米材料超微尺寸和超微結構表面形貌的觀察提出了更高的要求。場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Field Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM)的應用為納米材料的觀察提供了新的手段。相比于SEM傳統(tǒng)的熱發(fā)射槍，F(xiàn)ESEM的場發(fā)射槍大大提高了電鏡的分辨率，并使圖像的信噪比得到很大的改善。目前，F(xiàn)ESEM是國內(nèi)外研究材料領域顯微結構最重要的分析手段之一[4-6]。

在使用FESEM進行樣品表征時，影響電鏡圖像質(zhì)量的因素較多，包括加速電壓、工作距離、探測器的選擇等等[7-13]。因此，要得到理想的FESEM圖像，必須對影響其圖像質(zhì)量的關鍵因素進行研究探討。其中，加速電壓對FESEM圖像質(zhì)量的影響最為關鍵，包括對圖像的分辨率、圖像畸變、樣品表面荷電現(xiàn)象、表面信息量、樣品的損傷和背散射信號量等方面的影響。普通模式下，高加速電壓時，入射電子能量較高，能量分布范圍較窄，圖像的分辨率較高；電子束能量高，作用樣品深度較深，有利于忽略樣品表面有機污染物信號和樣品內(nèi)部相組成的觀察。但是，高加速電壓卻對不耐電子束的樣品如有機薄膜、聚合物等材料易造成圖像畸變或樣品損傷，對于導電性不好的樣品，表面累積電荷造成荷電現(xiàn)象和樣品漂移，都嚴重影響了樣品表征。而低加速電壓與樣品的作用深度較淺，二次電子來自于入射區(qū)附近最表層，有利于樣品表面的微觀形貌表征；此外，低加速電壓可以有效地減少圖像畸變和樣品的損傷，減少荷電現(xiàn)象，更適于表征導電性不好甚至是不導電的樣品[14,15]。然而，低加速電壓下電鏡的分辨率較低，圖像的信噪比也不好，因此，如何既能有效減少圖像畸變和樣品的損傷又能保證電鏡具有較高的分辨率就成為最為關注的技術難題之一。FESEM的電子束減速模式(Beam Deceleration Mode, BDM)很完美的解決了該技術難題。一方面，該模式下高能量的入射電子束保證了電鏡的高分辨率；另一方面，通過在樣品和CBS(Concentric Backscattered)探頭之間加一個負壓裝置，其所產(chǎn)生的減速場既降低了入射電子束與樣品的著陸能量，減少圖像畸變和樣品的損傷，還能加速樣品中發(fā)射出的二次電子和背散射電子[16-18]，增加CBS探頭對電子的收集效率。

本研究以FEI公司的Noval NanoSEM 450型FESEM為表征手段，以4種典型材料為表征對象，通過比較普通模式和BDM下不同加速電壓FESEM圖像的差異，從理論上分析產(chǎn)生差異的原因，為電鏡工作者及自主上機操作者在進行FESEM表征時選擇合理的電鏡模式和加速電壓提供科學的依據(jù)和指導。

1 相互作用區(qū)與原子序數(shù)和加速電壓的關系

圖1為入射電子束與樣品相互作用區(qū)與樣品原子序數(shù)Z和加速電壓Vacc的關系示意圖。從圖1a中可以看到，當樣品原子序數(shù)小時，其相互作用區(qū)為“梨形”，入射電子束在穿透樣品的初始階段只有相當少的橫向散射，形成梨形區(qū)的頸部，當電子不斷深入，其能力逐漸減少，發(fā)生彈性散射的幾率上升，電子橫向擴散，形成了下部的球形區(qū)；當樣品原子序數(shù)大時，入射電子束在樣品中所經(jīng)受的彈性散射事件多，平均散射角度大，電子易偏離起始方向，減小了在樣品中的穿透深度，其相互作用區(qū)為“弓形”(如圖1b所示)[3]。“梨形”的相互作用區(qū)易導致電子在樣品表面和內(nèi)部積累，從而引起“荷電現(xiàn)象”和“圖像畸變”；相比“梨形”的相互作用區(qū)，“弓形”的相互作用區(qū)減小了電子束在樣品中的穿透深度，也增加了樣品表面電荷的擴散面積。同時，當加速電壓增加時，入射電子束能量增加，電子束在樣品中向深度范圍擴散，相互作用區(qū)的尺寸增加，但形狀沒有發(fā)生改變。因此，在表征低原子序數(shù)的樣品時，宜采用較低的加速電壓；在表征高原子序數(shù)的樣品時，則宜采用較高的加速電壓。

圖1 相互作用區(qū)與原子序數(shù)和加速電壓的關系示意圖

2 BDM工作原理

圖2 FESEM電子束減速模式的原理圖

FESEM電子束減速模式的原理如圖2所示。加速電壓Vacc產(chǎn)生的高能入射電子束通過物鏡之后被加載在樣品臺和CBS探頭之間的減速電壓(Deceleration voltage,Vdec)裝置所減速，最終入射電子束與樣品之間作用的著陸電壓(Landing voltage,Vlan)被降低了，如公式Vlan=Vacc- Vdec所示。高能量的入射電子決定了高的電鏡分辨率，低的著陸電壓有效的避免圖形畸變和電子束對樣品的損傷。同時，電子束與樣品作用產(chǎn)生的信號電子如二次電子和背散射電子又能被減速電壓裝置產(chǎn)生的減速場所加速，加速信號電子的溢出，減少電子在樣品表面和內(nèi)部的積累，增加CBS探頭收集二次電子和背散射電子的效率。

3 實驗與討論

3.1 加速電壓對聚酰胺FESEM圖像的影響

圖3為不同加速電壓下聚酰胺的FESEM形貌圖。從圖中可以看出，隨著加速電壓的增加，圖像的分辨率越來越高，信噪比越來越好。當加速電壓分別為3 kV和5 kV時(圖3a和3b)，聚酰胺的FESEM圖像完整，樣品無損傷畸變，這主要歸因于低加速電壓所產(chǎn)生的入射電子能量較低，與樣品的作用深度較淺，噴鍍的Pt膜能夠及時將入射電子束在樣品表面積累的電荷導走。但是當加速電壓增加到10 kV時(圖3c)，聚酰胺出現(xiàn)了圖像畸變；當加速電壓繼續(xù)增加到15 kV時，聚酰胺的FESEM圖像畸變更加明顯(圖3d)，這主要有兩方面的原因：一方面，低原子序數(shù)的有機物聚酰胺與入射電子束相互作用區(qū)為“梨形”，這種形狀的相互作用區(qū)易導致電子在樣品內(nèi)部積累，在照射點附件形成負電場，影響電子束的正常掃描，從而引起圖像畸變[19]；另一方面，有機聚合物聚酰胺的軟化溫度較低，易于受到電子束轟擊的影響[7]。因此，在對低原子序數(shù)材料進行FESEM表征時，宜選擇較低的加速電壓。

3.2 加速電壓對二氧化鋯FESEM圖像的影響

圖4為不同加速電壓下二氧化鋯(ZrO2)的FESEM形貌圖。如圖4a所示，當加速電壓為3 kV時，ZrO2的FESEM形貌圖像完整，但是圖像分辨率不高，信噪比較差；當加速電壓分別增加到5 kV、10 kV和15 kV時，其FESEM圖像清晰完整，分辨率較高，信噪比好(圖4b、4c和4d)。隨著加速電壓的增加，相比于有機材料PLGA，無機非金屬材料ZrO2原子序數(shù)較高，其與樣品的相互作用區(qū)接近“弓形”，這種形狀的相互作用區(qū)減小了入射電子束在樣品中的穿透深度，增加了樣品表面電荷的擴散面積，使得入射電子束在樣品表面和內(nèi)部產(chǎn)生的電荷通過表面噴鍍的Pt膜能夠有效導走，從而避免放電現(xiàn)象和FESEM圖像畸變[3]；同時，ZrO2是一種耐高溫的陶瓷材料，其軟化溫度較高，不易被電子束影響而產(chǎn)生損傷。因此，在對高原子序數(shù)材料進行FESEM表征時，宜選擇較高的加速電壓，也可結合材料的特性選擇合適的加速電壓。

圖4 不同加速電壓下二氧化鋯的FESEM形貌圖 (a) .3 kV; (b) .5 kV; (c) .10 kV; (d) .15 kV

3.3 加速電壓對鋁-鋅-鎂-銅合金FESEM圖像的影響

圖5為不同加速電壓下鋁-鋅-鎂-銅合金(Al-Zn-Mg-Cu alloys)的FESEM圖像，當加速電壓為3 kV或者5 kV時，合金表面的污染物清晰可見(圖5a和5b)；當加速電壓分別增加到10 kV和15 kV時，樣品表面的污染物顯示不明顯，同時FESEM圖像的分辨率和信噪比提高，相界面更加的清晰可見，更有利于鋁-鋅-鎂-銅合金內(nèi)部相的表征(圖5c和5d)。因此，當需要對金屬材料的內(nèi)部相進行FESEM表征時，則需要選擇較高的加速電壓，有利于忽略樣品表面的污染物信號。

圖5 不同加速電壓下鋁-鋅-鎂-銅合金的FESEM形貌圖 (a) .3 kV; (b) .5 kV; (c) .10 kV; (d). 15 kV

3.4 普通模式和電子束減速模式下加速電壓對三氧化二鋁(Al2O3)FESEM圖像的影響

圖6為普通模式和電子束減速模式不同加速電壓下三氧化二鋁的FESEM形貌圖。從圖6a和6b中可以看到，普通模式下，隨著FESEM加速電壓的增加(5 kV→10 kV)，F(xiàn)ESEM圖像的分辨率增高，信噪比變好，但是圖像的畸變也越來越大，圖像失真越來越嚴重，這主要是由于低原子序數(shù)的三氧化二鋁與入射電子束的相互作用區(qū)為“梨形”，易受高能入射電子束的影響，電壓越高，入射電子束與樣品的作用深度越深。當采用BDM時，F(xiàn)ESEM加速電壓為5 kV，減速場電壓為3 kV，實際的著陸電壓為2 kV，相比較于圖6a(普通模式5 kV)，從圖6c中可以看到在相同倍數(shù)下FESEM圖像清晰完整，信噪比好，立體形貌非常明顯。這主要歸因于BDM下，5 kV的加速電壓保證了電鏡的分辨率；較低的著陸電壓(2 kV)與樣品的作用深度較淺，有利于樣品表面微觀形貌的表征，能夠有效地避免樣品的圖像畸變和電子束對樣品的損傷；同時，減速場(3 kV)的存在能夠加速從樣品中溢出的二次電子和背散射電子，增加了CBS探頭對信號電子的收集效率。BDM下當FESEM加速電壓由5 kV增加到10 kV時，實際的著陸電壓由2 kV增加到7 kV，F(xiàn)ESEM圖像清晰，信噪比好，但是可以看到圖像出現(xiàn)了畸變(如圖6d所示)，這主要是由于7 kV的實際著陸電壓超過了三氧化二鋁的EⅡ值(4.2 kV)[3]，對低原子序數(shù)的三氧化二鋁的影響較大，入射電子束與樣品的作用深度較深。因此，在BDM下對不耐電子束的樣品進行表征時，應保證實際的著陸電壓稍低于樣品的EⅡ值以保證FESEM圖像清晰完整，信噪比好，立體表面形貌明顯。

圖6 不同加速電壓下三氧化二鋁的FESEM形貌圖普通模式(a) 5 kV; (b) 10 kV; 電子束減速模式(c) BDM 5 kV; (d) BDM 10 kV

4 結語

綜合上述實例的比較研究可知在對不同類型的樣品進行FESEM表征時，可根據(jù)樣品本身的特點及表征要求，選擇合適的表征模式和加速電壓。普通模式下，對低原子序數(shù)的樣品進行FESEM表征時，由于入射電子束與樣品相互作用區(qū)為“梨形”，樣品易受電子束影響而發(fā)生“荷電現(xiàn)象”和“圖像畸變”，宜選擇較低的加速電壓；對高原子序數(shù)樣品進行FESEM表征時，入射電子束與樣品相互作用區(qū)為“弓形”，可以有效減小電子束在樣品中的穿透深度，增加樣品表面電荷的擴散面積，宜選擇較高的加速電壓；當需要對材料的內(nèi)部相進行FESEM表征時，則需要選擇較高的加速電壓，有利于忽略樣品表面的污染物信號。電子束減速模式下選擇合適的加速電壓既能保證電鏡具有較高的分辨率，又能有效地避免樣品的圖像畸變和電子束對樣品的損傷，因此在對不耐電子束的樣品的表征方面具有獨特的優(yōu)勢。