SEM掃描電鏡中影響圖像細(xì)節(jié)清晰的幾個(gè)因素介紹

分辨率通常被作為衡量掃描電鏡圖像質(zhì)量的Z重要的性能指標(biāo)之一。在電子光學(xué)儀分辨率有以下兩方面含義：

1)對(duì)微區(qū)成分分析來說

它是指顯微分析的Z小體積，即所謂的取樣體積;

2)對(duì)于形貌觀察來說

它是指能區(qū)分開微細(xì)節(jié)間相互Z近距離的能力，即所謂圖像分辨率，要指出，分辨率為4 nm并不意味著所有小至4 nm的顯微細(xì)節(jié)都能顯示得清慧。因?yàn)樗粌H與儀器本身有關(guān)，而且還與樣品的性質(zhì)、制作技術(shù)以及環(huán)境條件等有關(guān)。

一般來說，掃描電鏡的圖像分辨率與入射電子束斑的大小、成像信號(hào)(二次電子、背散射電子等)、試樣中所產(chǎn)生成像信息的廣度和深度有關(guān)。

一、掃描電子束斑直徑

一般認(rèn)為掃描電鏡能分辨的Z小距離(分辨率)不可能小于掃描電子束斑的直徑，它主要取決于電子光學(xué)系統(tǒng)，尤其是電子槍的類型和性能、束流大小、末級(jí)聚光鏡光剛孔徑大小及其污染程度等。

二、像元的數(shù)目

在實(shí)際觀察中，通常掃描時(shí)間是預(yù)先規(guī)定好的，再配合改變放大器的時(shí)間常數(shù)來控制像元的數(shù)目大于或等于10。

三、信號(hào)噪音比

二次電子像信噪比是由多方面因素引起的，如被觀察試樣本身的性質(zhì)(二次電子發(fā)射系數(shù))、掃描電子的束流強(qiáng)度、入射電子相對(duì)于試樣表面所構(gòu)成的人射角以及掃描時(shí)間等。信號(hào)強(qiáng)度是掃描電鏡成像的關(guān)鍵，主要取決于入射電子能量和束流等;噪音則干擾成像，使熒光屏上出現(xiàn)像下雪似的、時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的細(xì)小亮斑點(diǎn)，圖像變得模糊。噪音的大小主要取決于所用的檢測(cè)器和樣品情況等。信號(hào)噪音比越高，分辨率越高，一般要求信噪比≥100。

四、寬容度

寬容度代表能顯示出圖像中明暗層次差異的級(jí)數(shù)，故它是反映圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。如果圖像的原襯度效應(yīng)的反差和信噪比大，則相應(yīng)圖像具有較大的寬容度。因?yàn)槿魏稳斯ざ瓤刂凭鶗?huì)導(dǎo)致圖像的信犀比降低，故其相應(yīng)會(huì)損害圖像的寬容度。

五、操作方式及其所用的調(diào)制信號(hào)

由于各種成像操作方式所用的調(diào)制信號(hào)不同，因而所得圖像的分辨率也不一樣。發(fā)射方式以二次電子為調(diào)制信號(hào)，它主要來自兩個(gè)方面，即由入射電子直接激發(fā)的二次電子(成像信號(hào))和由背散射電子、X射線光子在射出表面過程中間接激發(fā)的二次電子(本底噪音)。因?yàn)槎坞娮幽芰勘容^低(小于50 eV)，在固體樣品中平均自由程只有1~10 nm左右，只能從樣品表層5~10 nm深度范圍激發(fā)出來。在這樣淺的表層里，入射電子與樣品原子只發(fā)生次數(shù)很有限的散射，基本上未向側(cè)向擴(kuò)展。因此，可以認(rèn)為在樣品上方檢測(cè)到的二次電子主要來自直徑與掃描束斑相當(dāng)、深度為5~10 nm的樣品體積內(nèi)。在理想情況下，二次電子像分辨率約等于束斑直徑，正是由于這個(gè)緣故，我們總是以二次電子像的分辨率作為衡量掃描電鏡性能的主要指標(biāo)。目前高性能掃描電鏡的二次電子像分辨率優(yōu)于7 nm(普通電子槍)和3 nm(場(chǎng)發(fā)射電子槍)。

反射方式以背散射電子為調(diào)制信號(hào)。由于背散射電子能量比較高，穿透能力比二次電子強(qiáng)得多，可以從樣品中較深的區(qū)域選出(約為有效穿透深度的30 %左右)。在這樣的深度范圍，入射電子已經(jīng)有了相當(dāng)寬度的側(cè)向擴(kuò)展。在樣品上方檢測(cè)到的背散射電子是來自比二次電子大得多的體積，所以背散射電子像分辨率要比二次電子像低，一般在50~200 nm左右，取決于入射電子能量和樣品原子序數(shù)，且當(dāng)入射電子直徑很小時(shí)與束斑直徑無關(guān)。

透射方式以透射電子為調(diào)制信號(hào)。因樣品很薄，在入射電子穿透樣品的過程中只可能發(fā)生有限次數(shù)的散射，側(cè)向尺寸基本上沒有變化，所以掃描透射電子像分辨率也等于掃描電子束直徑。

至于以吸收電子、X射線、陰極熒光、束感生電導(dǎo)或電位等作為調(diào)制信號(hào)的其他操作方式，由于這些信號(hào)均來自整個(gè)電子束散射區(qū)域，使所得掃描像的分辨率都比較低，一般在100 nm或1000 nm以上不等。

六、雜散磁場(chǎng)

無論是機(jī)內(nèi)的還是周圍環(huán)境的雜散磁場(chǎng)都可能使掃描電子束形狀發(fā)生畸變，改變樣品發(fā)射的二次電子運(yùn)動(dòng)軌跡，降低圖像質(zhì)量，從面使分辨率下降。

七、機(jī)械振動(dòng)

若電鏡的安裝環(huán)境靠近公路、工廠等，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)或靜電場(chǎng)作用，將引起束斑漂移等。

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