电镜学堂 | 细谈二次电子和背散射电子(二)

2019-09-17

一个章节中我们详细的介绍了不同类型的二次电子的特点以及它们与衬度的关系,今天让我们来认识一下扫描电镜中另一个极其重要的信号----背散射电子(BSE)。



背散射电子(BSE)


        背散射电子是入射电子在试样中受到原子核的卢瑟福散射而形成的大角度散射后,重新逸出试样表面的高能电子。由于背散射电子的能量相对较高,其在试样中的作用深度也远深于二次电子,通常而言是在0.1-1μm左右。在很多情况下,大家把BSE像简单的认为是试样的成分衬度,但是这种说法并不完全正确。


背散射电子(BSE)和衬度之间有些什么关系?

A.   BSE的成分衬度

        背散射电子的产额和成分之间的确存在非常紧密的关系,在整个原子序数范围内,BSE的产额都是随原子序数的增大而提高,而且差异性高于SE(见图1)。所以,这也是大家都用BSE图像来进行成分观察的最主要原因。

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图1 铜包铝导线截面的SE、BSE像和铝、铜电子产额


不过,这并不意味着BSE的产额仅仅就取决于原子序数,它和试样的表面形貌、晶体取向等都有很大的关系,甚至在部分情况下,BSE在形貌立体感的表现上还要更优于二次电子。


B.   BSE的形貌衬度

        试样表面形貌的起伏同样会影响BSE的产额,只不过BSE产生的深度相对SE更深,所以对表面的细节表现程度不如二次电子。不过,如果对表面形貌不是特别关注的情况下,可以尝试使用BSE图像来进行形貌表征。特别是在存在荷电现象的时候,由于BSE不易受到荷电的干扰,较SE像会有更好的效果(见图2)。在前一章的SE章节中,我们已经介绍过这部分内容,这里不再赘述。

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图2(左图)5kV, SE图像和(右图)15kV,BSE图像


C、BSE的阴影衬度

        在进行形貌观察的时候,有时候需要的是图像的立体感。立体感主要来源于在一个凹坑或者凸起处,对其阴阳面的进行判断。在这方面,大角度的SE和BSE因为对称性的关系,在阴阳面的产额及实际探测到的信号量完全一样,所以体现立体感的能力相对较弱。低角SE2信号反而可以较好的体现图像的立体感,处于样品室侧方的ETD探测器在采集低角SE信号时,朝向探测器的阳面信号不受阻碍,背向探测器的阴面的上部分的SE可以绕行后被探测器接收,而下部分则由于无法绕行从而产额降低,此时阴阳面原本产额相同的低角SE信号,在实际采集的过程中发生了接收数量的不一致,从而在图像上表现出阴阳面的亮度不同,我们把这种现象称之为阴影效应。

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图3 ETD的阴影效应



当凸起区域比较高时,阴影效应会显得比较明显,而随着凸起区域高度的逐步降低,当处于阴面的低角SE能够完全绕行时,此时阴影效应就会变得非常微弱。而基于BSE不能绕行的特点,在这种情况下则可以增强阴影效应。

BSE产生后基本沿着出射方向传播,不易受到其它探测器的影响。阴阳面的实际BSE产额是相同的,但是如果探测器不采集所有方向的BSE,而是只采集一侧的BSE,阴阳面收集到信号的差异就会变得非常大,而且由于BSE不能像SE那样会产生绕行,所以这种差异要远高于SE。换句话说,利用非对称的BSE得到的阴影效应要强于ETD的低角SE。

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图4  不同方向接收到的BSE强度及叠加算法



除了形貌衬度之外,我们已经在上一章节已经介绍过。对于电位衬度,SE要强于BSE;对于通道衬度,BSE则要优于SE。

我们现在再回到SE和BSE的关系上,简单总结一下,BSE以成分为主,兼有一定的形貌衬度,电位衬度较弱,不过通道衬度较强,抗荷电以及阴影衬度也都强于SE,详见表1。

表1



BSE

SE

能量

空间分辨率

     高

表面灵敏度

形貌衬度

兼有

为主

成分衬度

阴影衬度

非对称很强

低角有

电位衬度

抗荷电



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图5 断口材料的SE和BSE图像及衬度对比


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