掃描電鏡的探測(cè)系統(tǒng)和電子探測(cè)器

 

前言

 

在SEM中，信號(hào)的強(qiáng)度依賴(lài)于樣品不同的特征。利用探測(cè)系統(tǒng)記錄信號(hào)的變化，隨后再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理由顯示器同步顯示出來(lái)，從而識(shí)別出樣品的不同特征，于是電子探測(cè)器給我們圖像和結(jié)果。了解探測(cè)器也能充分利用SEM的潛力，尤其針對(duì)多探測(cè)器系統(tǒng)的電鏡。

 

針對(duì)采集圖像的電子探測(cè)器，存在鴻溝：一方面探測(cè)器性能和配置的巨大進(jìn)步，另一方面是知識(shí)的匱乏和固有認(rèn)知的欠缺。本文嘗試稍稍彌補(bǔ)一下這個(gè)鴻溝，首先簡(jiǎn)介探測(cè)器和收集信號(hào)的原理，然后再對(duì)商用的探測(cè)器進(jìn)行歸類(lèi)，最后舉例說(shuō)明多探測(cè)器成像的優(yōu)勢(shì)。

 

1 信號(hào)的探測(cè)

 

1.1 兩種電子探測(cè)器原理

 

SEM探測(cè)電子大致使用兩種原理：一種是利用光電轉(zhuǎn)換的閃爍體-光電倍增管探測(cè)器（也簡(jiǎn)稱(chēng)為閃爍體探測(cè)器，scintillation detectors），信號(hào)強(qiáng)度正比于探測(cè)到的電子數(shù)量，如ETD，常用于探測(cè)二次電子；一種記錄電子-空穴對(duì)數(shù)量的半導(dǎo)體探測(cè)器，信號(hào)強(qiáng)度正比于探測(cè)到的電子能量和數(shù)量，常用于探測(cè)背散射電子。

 

ET探測(cè)器（Everhart-Thornley電子探測(cè)器，以發(fā)明者命名，簡(jiǎn)稱(chēng)為ETD）于上世紀(jì)五十年代發(fā)明，一直使用至今，成為一代經(jīng)典。它一般側(cè)置在樣品倉(cāng)內(nèi)的一側(cè)，其原理見(jiàn)圖1。前端的法拉第籠施加正電場(chǎng)（典型值如300 V），后方鍍膜處施加了10 kV的正電場(chǎng)。信號(hào)電子（比如二次電子SE）被正電場(chǎng)加速后到達(dá)閃爍體，閃爍體將電子能量轉(zhuǎn)換為光子并通過(guò)光導(dǎo)管傳送到光電倍增管，通過(guò)外光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成更多的電子，最后被信號(hào)系統(tǒng)記錄。需要注意的是，某些ET探測(cè)器的法拉第籠也可以施加負(fù)電壓以排除部分低能量電子（如排除二次電子，只接收背散射電子）。ET探測(cè)器性能優(yōu)越，探測(cè)器量子效率高、延遲少，是最為常用的探測(cè)器。雖然在舊稱(chēng)謂中，ET探測(cè)器也被稱(chēng)為二次電子探測(cè)器，但是就接收的信號(hào)而言它并不單純。這種探測(cè)器位于樣品倉(cāng)內(nèi)，并側(cè)置在樣品的一側(cè)，所以本專(zhuān)欄通常以倉(cāng)內(nèi)探測(cè)器稱(chēng)呼，以與鏡筒內(nèi)的探測(cè)器對(duì)應(yīng)，為了照顧稱(chēng)呼習(xí)慣，有時(shí)也在后邊增加ETD的注釋?zhuān)?qǐng)讀者注意。

 

圖1 閃爍體探測(cè)器的工作原理

 

在場(chǎng)發(fā)射電鏡的鏡筒中，物鏡內(nèi)或鏡筒內(nèi)探測(cè)器跟ETD的原理類(lèi)似，見(jiàn)上圖所示（圖示為環(huán)形探測(cè)器，也有側(cè)置的探測(cè)器跟ETD外形接近）。它沒(méi)有法拉第籠，要依賴(lài)于物鏡的磁場(chǎng)或/和電場(chǎng)來(lái)收集信號(hào)，故在較近工作距離時(shí)探測(cè)效率更高。

 

與二次電子探測(cè)器相對(duì)應(yīng)，也有背散射電子探測(cè)器（BSE detector, BSD）的稱(chēng)謂，除了一些閃爍體探測(cè)器（ETD設(shè)置為負(fù)偏壓、使用YAG單晶做閃爍體的YAG探測(cè)器等），目前較常用的是形狀為環(huán)形的半導(dǎo)體型背散射電子探測(cè)器，也稱(chēng)之為固態(tài)背散射電子探測(cè)器（Solid-State BSE Detector，SSD），見(jiàn)圖2所示：

 

圖2 半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理

 

對(duì)于半導(dǎo)體硅，每3.6 eV的入射電子能量會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，那么一個(gè)15 keV的背散射電子產(chǎn)生4000多個(gè)電子-空穴對(duì)。SSD將檢測(cè)到的電子-空穴對(duì)數(shù)量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，背散射電子數(shù)量多且能量高則記錄到的信號(hào)強(qiáng)度就高。探測(cè)器表面有鍍層（減弱可見(jiàn)光），二次電子和低能量的背散射電子不會(huì)被探測(cè)到。隨SSD型號(hào)和年代的不同，其探測(cè)能量下限為0.5~5 keV（越新越低）。因此，SSD對(duì)能量較為敏感，對(duì)高能量的背散射電子探測(cè)靈敏度高，對(duì)低能量電子探測(cè)靈敏度低或無(wú)法探測(cè)，這些導(dǎo)致其對(duì)成分襯度較敏感。

 

離開(kāi)樣品后背散射電子會(huì)保持近乎筆直的軌跡，只有在探測(cè)器立體角內(nèi)的背散射電子才能被接收。為了增加立體角以探測(cè)更多信號(hào)，通常把SSD做成環(huán)形并布置在樣品正上方、物鏡下方，中間開(kāi)孔讓入射電子束通過(guò)，同時(shí)也可以透過(guò)高角度背散射電子和二次電子供物鏡內(nèi)探測(cè)器接收。為了防碰和避免探測(cè)器之間的沖突，SSD被設(shè)計(jì)成可伸縮的探測(cè)器置于物鏡正下方（以前也有固定式的AsB，但是它會(huì)占用物鏡下方空間，碰撞風(fēng)險(xiǎn)也大）。它可以在不需要時(shí)縮回 （為其他探測(cè)器提供空間或允許設(shè)置較短的工作距離），在需要時(shí)快速插入物鏡下方。

 

相對(duì)于二次電子探測(cè)器，SSD響應(yīng)速度慢（這要求較慢的掃描速度，新品進(jìn)步很大，與閃爍體相比差距已經(jīng)大為縮小），但是較薄且容易被分割，比如分成不同的同心環(huán)或不同區(qū)塊。通過(guò)多分區(qū)設(shè)計(jì)可以獨(dú)自或組合接收不同角度和區(qū)域的背散射電子信號(hào)，還能進(jìn)行邏輯運(yùn)算以增強(qiáng)或減弱形貌/成分襯度。另，掃描電鏡中的STEM探測(cè)器也屬半導(dǎo)體探測(cè)器，而且分區(qū)更多，以接收各種角度的透射電子信號(hào)。

 

1.2 信號(hào)收集和探測(cè)器布置

 

探測(cè)到的前提是要收集到信號(hào)電子，或者收集到想要的信號(hào)電子，那具體如何做到呢？探測(cè)器要么守株待兔，像圖3a所示那樣在信號(hào)電子的運(yùn)行軌跡上（比如SSD接收BSE），或者如圖1的ET探測(cè)器那樣用法拉第籠的弱電場(chǎng)去吸引。如圖b所示，探測(cè)器還可以使用白手套，借助信號(hào)轉(zhuǎn)換，讓樣品出來(lái)的信號(hào)電子先打到部件上激發(fā)電子，新的信號(hào)電子再被側(cè)置的探測(cè)器接收到，這種方式也非常常見(jiàn)，比如ET探測(cè)器接收BSE轉(zhuǎn)化的SE3，物鏡內(nèi)探測(cè)器改變信號(hào)類(lèi)型（如TLD，Upper），一些鏡筒內(nèi)探測(cè)器也接收BSE轉(zhuǎn)化的二次電子（如Topper）。

 

圖3 信號(hào)收集的方式

 

對(duì)于側(cè)置物鏡內(nèi)探測(cè)器而言，在探測(cè)信號(hào)時(shí)還要涉及信號(hào)電子的偏轉(zhuǎn)。這并非易事：附加的電場(chǎng)和磁場(chǎng)搞不好就會(huì)干擾入射束，還要兼顧信號(hào)過(guò)濾等功能。一種解決方法是巧妙布置正交的磁場(chǎng)和電場(chǎng)，如圖c所示（SU/Regulus80/81/82x0采用）。一種解決方法是精心設(shè)置各個(gè)部位的電極，如圖d所示（Verios/Helios采用）。

 

除了擔(dān)心信號(hào)能不能過(guò)來(lái)，有時(shí)還要考慮信號(hào)過(guò)濾，即選擇哪些信號(hào)，排除哪些信號(hào)。很多鏡筒內(nèi)探測(cè)器接收高角度信號(hào)電子，有時(shí)需要選擇高能量的背散射電子而排斥低能量的信號(hào)電子（如二次電子），圖4的方法較常采用。在圖中，能量過(guò)濾柵會(huì)設(shè)置適當(dāng)?shù)呢?fù)偏壓，如果背散射電子高于此閾值則可以穿過(guò)柵網(wǎng)并被探測(cè)器接收，否則會(huì)被排斥。

 

圖4 信號(hào)能量過(guò)濾的一種常用方式

 

很多設(shè)置參數(shù)對(duì)于信號(hào)探測(cè)都比較關(guān)鍵：加速電壓決定了信號(hào)電子的能量和產(chǎn)量，束流決定了圖像的信噪比，束斑決定了分辨率，工作距離決定了信號(hào)類(lèi)型和探測(cè)效率，一些電極偏壓決定了信號(hào)的能量范圍。在信號(hào)探測(cè)過(guò)程中，除了設(shè)置參數(shù)外，還要考慮物鏡的作用。

 

1.3 物鏡在電子探測(cè)中的作用

 

如專(zhuān)欄12所見(jiàn)，物鏡為倒圓錐結(jié)構(gòu)。中間的孔讓入射電子束通過(guò)，也可以篩選不同角度的電子進(jìn)入。不僅如此，物鏡的磁場(chǎng)或/和電場(chǎng)還能進(jìn)一步影響信號(hào)電子。

 

在磁場(chǎng)或電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)電子的回旋半徑與其速度有關(guān)，所以能量低的電子更容易改變初始方向而偏向光軸，而能量高的電子難以改變方向。二次電子動(dòng)能低，在磁場(chǎng)或電場(chǎng)作用下更容易改變軌跡，也更容易會(huì)聚和發(fā)散；背散射電子動(dòng)能大，在磁場(chǎng)或電場(chǎng)作用下偏折較弱。并且，物鏡的磁場(chǎng)無(wú)論對(duì)入射束還是信號(hào)束都能起到會(huì)聚作用。

 

于是，對(duì)于鏡筒內(nèi)的探測(cè)器，物鏡在信號(hào)探測(cè)中起到積極的作用，如圖5所示：首先，物鏡的磁場(chǎng)或/和電場(chǎng)會(huì)吸引信號(hào)電子，或者改變其軌跡，使其更易被物鏡吸入；其次，信號(hào)電子的能量和方向都存在差異，在磁場(chǎng)或電場(chǎng)中的受力和軌跡會(huì)出現(xiàn)差異，可通過(guò)物鏡的磁場(chǎng)或/和電場(chǎng)篩選特定能量和角度的電子。因而，現(xiàn)代物鏡的磁場(chǎng)和電場(chǎng)不僅將電子束高效會(huì)聚到樣品，而且也協(xié)同探測(cè)器高效收集和篩分信號(hào)。

 

圖5 物鏡-探測(cè)器協(xié)同探測(cè)信號(hào)的示意圖

 

商用場(chǎng)發(fā)射電鏡型號(hào)眾多，信號(hào)系統(tǒng)復(fù)雜，但是它們的信號(hào)系統(tǒng)都妥善利用了電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)電子的影響，再根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行巧妙布置，與物鏡協(xié)同進(jìn)行信號(hào)的接收。

 

2 商用電鏡中電子探測(cè)器的分類(lèi)

 

在商用電鏡中依生產(chǎn)廠家的不同，探測(cè)器的稱(chēng)謂五花八門(mén)，有些基于位置、有些基于功能，有些基于信號(hào)類(lèi)型。但是也有跡可循，本文根據(jù)位置進(jìn)行歸類(lèi)，如圖6所示：

 

圖6 不同廠家探測(cè)器按位置進(jìn)行區(qū)分

 

最高處的探測(cè)器一般為選配，位于鏡筒內(nèi)。鏡筒內(nèi)探測(cè)器通常探測(cè)高角度電子信號(hào)，比如高角度背散射電子以突出成分襯度（也有些電鏡只能探測(cè)高角度、低能量二次電子），也通常搭配能量過(guò)濾柵來(lái)進(jìn)行信號(hào)過(guò)濾。但是，因?yàn)樗恢每可希盘?hào)接收立體角較小，所以信號(hào)量比較低。

 

其下在物鏡內(nèi)設(shè)置的電子探測(cè)器則位于物鏡上方或穿過(guò)物鏡。物鏡內(nèi)探測(cè)器（in-lens，through the lens，through-lens-detector）通常接收低能量電子信號(hào)，如二次電子（SE1的比例較大），適于觀察高分辨的形貌襯度和電位襯度。當(dāng)然這種探測(cè)器，有些也可以改變?cè)O(shè)置去接收背散射電子，以突出成分襯度及其他目的。

 

倉(cāng)內(nèi)探測(cè)器/ETD一般設(shè)置在樣品倉(cāng)內(nèi)，接收較大比例的低角度電子信號(hào)。因?yàn)閭?cè)置，它適用于觀察立體感強(qiáng)的樣品；因?yàn)樵谖镧R外邊，它的信號(hào)成分比較復(fù)雜。

 

背散射電子探測(cè)器/SSD位于物鏡正下方，樣品正上方，一般屬于專(zhuān)用的背散射探測(cè)器，常被分割成多個(gè)區(qū)域。它不干擾入射電子的同時(shí)可以接收大立體角的信號(hào)電子，在反映元素和取向襯度上有較大優(yōu)勢(shì)。

 

對(duì)于薄樣品，還可以使用樣品下方的STEM探測(cè)器接收透射電子信號(hào)。如今的STEM探測(cè)器功能和性質(zhì)都類(lèi)似于透射電鏡中的STEM探測(cè)器，可以同時(shí)采集明場(chǎng)像、暗場(chǎng)像、環(huán)形暗場(chǎng)和高角環(huán)形暗場(chǎng)像。相比透射電鏡中的STEM探測(cè)模式，雖然性能不如，但是更為經(jīng)濟(jì)。

 

對(duì)這些探測(cè)器的總結(jié)和匯總見(jiàn)圖7。

 

圖7 電子探測(cè)器分類(lèi)匯總

 

復(fù)雜的探測(cè)系統(tǒng)能夠接收不同能量和角度的信號(hào)電子，擁有非凡的探測(cè)靈活性，能使人們從各個(gè)角度去了解樣品的各個(gè)方面，尤其針對(duì)納米材料和復(fù)雜體系時(shí)。

 

3 多探測(cè)器同時(shí)成像

 

樣品會(huì)有各種特征，如既有形貌又有成分，激發(fā)的信號(hào)也會(huì)有各種角度和能量的信號(hào)。但是電鏡圖像只是建立在強(qiáng)度和位置對(duì)應(yīng)上的灰度像，灰度變化反映何種特征，有時(shí)難免會(huì)讓人存疑。在現(xiàn)代電鏡中，以上各種探測(cè)器得到的信號(hào)以多個(gè)通道同時(shí)顯示到顯示器上，以便于從各個(gè)角度反映樣品各個(gè)方面的特征，同時(shí)還可以任意比例混合各探測(cè)器的信息，以供人們選擇和合成最想要的圖像。以下為兩種主流廠家的探測(cè)系統(tǒng)中多個(gè)探測(cè)器采集的圖像，特點(diǎn)鮮明但是都能從各個(gè)側(cè)面全面反映樣品特征。

 

圖8電鏡物鏡為半浸沒(méi)式物鏡，探測(cè)器系統(tǒng)類(lèi)似圖4d，使用ExB系統(tǒng)來(lái)探測(cè)信號(hào)。a圖演示了探測(cè)系統(tǒng)的原理，b圖反映了陶瓷粉末（多種金屬氧化物組成）的不同特征。

 

圖8 多探測(cè)器同時(shí)成像案例1

 

圖9電鏡物鏡為靜電-電磁復(fù)合物鏡，搭配環(huán)形的探測(cè)器（類(lèi)似圖4e）。針對(duì)鎵上鍍鉑再覆碳的納米材料，不同探測(cè)器反映了不同的特征，也反映了不同的深度信息（有些為表面信息，有些為幾納米厚度下亞表面的信息）。

 

圖9 多探測(cè)器同時(shí)成像案例2

 

總之，探測(cè)器探測(cè)信號(hào)，反映樣品不同的特征。對(duì)探測(cè)器的理解有助于解釋圖像，但是更全面的理解還要結(jié)合信號(hào)的原理和特征（專(zhuān)欄3，4，5）。在下期，我們將貼近圖像本身，幫助讀者去解讀圖像。

 

精彩回顧

 

專(zhuān)欄12：掃描電鏡的眼睛

專(zhuān)欄11：掃描電鏡高手打怪的必經(jīng)之路

專(zhuān)欄10：如何拍出更精準(zhǔn)的樣品原貌圖？

專(zhuān)欄9：為什么你拍的SEM圖像不清晰？

專(zhuān)欄8：掃描電鏡高手進(jìn)階之路

專(zhuān)欄7：手把手教你操作掃描電鏡

專(zhuān)欄6：如何拍出高清圖像

專(zhuān)欄5：SEM的信號(hào)3

專(zhuān)欄4：SEM的信號(hào)2

專(zhuān)欄3：SEM的信號(hào)1

專(zhuān)欄2：SEM的工作原理

專(zhuān)欄1：掃描電鏡概述

 

參考文獻(xiàn)

 

(1) 施明哲. 掃描電鏡和能譜儀的原理與實(shí)用分析技術(shù)[M]. 電子工業(yè)出版社, 2015.

(2) 張大同. 掃描電鏡與能譜儀分析技術(shù)[M]. 華南理工大學(xué)出版社, 2009.

(3) 高尚，楊振英，馬清，等. 掃描電鏡與顯微分析的原理、技術(shù)及進(jìn)展[M]. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社，2021.

(4) Reimer L. Scanning Electron Microscopy — Physics of Image Formation and Microanalysis, 2nd [M]. Springer, 1998.

(5) Goldstein J, Newbury, D E, et al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, 3rd[M]. Springer, 2003.

(6) Goldstein J, Newbury, D E, et al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, 4th[M]. Springer, 2018.

(7) Ul-Hamid, A. A beginners' guide to scanning electron microscopy[M]. Springer, 2018.

(8) Suga M, Asahina S, Sakuda Y, et al. Recent progress in scanning electron microscopy for the characterization of fine structural details of nano materials[J]. Progress in Solid State Chemistry, 2014, 42(1): 1-21.

(9) Xing Q. Information or resolution: Which is required from an SEM to study bulk inorganic materials?[J]. Scanning, 2016, 38(6): 864-879.

(10) Liu Zheng, Fujita Nobuhisa, Miyasaka Keiichi,et al. A review of fine structures of nanoporous materials as evidenced by microscopic methods[J]. Microscopy, 2013(1):109-146

 

*** 以上內(nèi)容均為原創(chuàng)，如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明出處 ***

 

簡(jiǎn)介

MTT（美信檢測(cè)）是一家從事檢測(cè)、分析與技術(shù)咨詢(xún)及失效分析服務(wù)的第三方實(shí)驗(yàn)室，網(wǎng)址：czyx888.com，聯(lián)系電話(huà)：400-850-4050。