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掃描式電子顯微鏡:電子信號種類與其提供的資訊

高明君 (Mignon Kao) 譯

電子顯微鏡是一種具備多樣化功能的精密儀器,根據使用者的需求,可同時提供不同類型互補的資訊。本篇文章描述在掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope, 簡稱SEM)中產生的電子信號種類、其如何被檢測以及能提供什麼樣的資訊

如其名,電子顯微鏡是以電子束成像,如圖(一)所示,電子與樣品間有許多不同的交互作用,並產生許多不同種類的信號放射,且每種信號(也可稱訊號)都可以提供樣品不同面向的有用資訊,使用者可以根據自身需求以適當之偵測器,獲取所需信號與樣品的相關資訊。

 

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圖一:電子與物質的交互作用,產生不同類型的信號

 

舉例來說,使用穿透式顯微鏡(transmission electron microscopy, 簡稱TEM)來檢測電子穿透樣品後,損失的能量或特定方向上的強度,可以得到樣品內部結構的資訊;而掃描式電子顯微鏡(SEM)最常檢測兩種類型的電子放射信號:背向散射電子(backscattered electrons, 簡稱BSE)和二次電子(secondary electrons, 簡稱SE)。

 

背向散射電子BSE是電子束與樣品之間發生彈性碰撞後,反彈由表面離開的結果;而二次電子SE是電子束與樣品之間非彈性碰撞後,樣品內的電子獲得能量後溢出的結果,故檢測到的電子源自於樣品的原子。

 

由於其動能較高,BSE來自樣品較深層的區域,而低能量(<50 eV)SE僅能來自樣品的淺層區域,因此兩者會提供不同的樣品資訊。由於BSE對原子序的差異具有高敏感度,原子序越高的區域(及原子核有越多質子與越強的正電荷),入射電子的路徑越容易受原子核電場偏折並反彈離開樣品,成像會越亮,故可藉此區別出不同元素的對比;而來自表層的SE成像則與電子束於表面投影面積高度相關,故於斜面上信號較強,故能提供表面高低起伏等形貌 資訊。

 

背向散射電子(BSE)成像

由於入射電子具有高能量,可以在樣品內穿透相當之距離,這類型的電子源自於電子與原子在樣品較深、較廣闊的區域發生彈性碰撞後,導致電子軌跡發生了變化。我們可以將電子與原子的碰撞視為「撞球模型」(Billiard-ball model),其中小粒子(電子)與大粒子(原子核)發生碰撞,較大的原子具有更多帶正電的質子,故比輕的原子更能改變入射電子的路徑,故到達檢測器的BSE數量(即信號強度)跟元素的原子序成正相關,其相關性有助於我們分辨不同元素的種類,提供樣品的成分資訊。此外,BSE成像還可以提供樣品晶體學、型態樣貌與磁場等有價值的資訊。

 

如圖二所示,(a.)為鋁/銅在SEM下的背向散射電子成像,(b.)和(c.)分別簡易描繪電子束與鋁和銅的交互作用,銅原子比鋁原子有較高的原子序,因此銅原子會在(a.)BSE成像上看起來較亮。

 

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圖二:鋁和銅的BSE電子成像與原子序

 

最常見的BSE檢測器是固態檢測器,通常包含p-n結,原理是基於BSE從樣品上脫離並撞擊檢測器後,於偵測器內產生電子-電洞對,p-n結會連結兩個電極,分別吸引電子和電洞並產生電流,其電流取決於吸收到的BSE的數量。

                                               

為了檢測BSE,將固態檢測器與電子束如同「甜甜圈」般同心放置在樣品上方,以使BSE收集最大化。同時檢測器上區分為數個區塊,當使用所有區塊的總信號強度時,圖像的對比度將反映照射區域的相對原子序;另一方面,也可以只使用檢測器的特定區塊,基於迎光面與背光的差異,從圖像中檢視表面的形貌資訊。

 

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圖三:典型的背向散射電子檢測器和二次電子檢測器配置圖

 

二次電子(SE)

 

相較而言,能被收集到的低能量SE僅能源自樣品的表面或近表面數奈米的區域,是一次電子束與樣品內既有的電子發生非彈性相互作用的結果,其能量約50 eV,遠低於接近入射電子能量的背向散射電子,故對表面的斜率變化(高低起伏)有極高的靈敏度。如圖四所示,二次電子對於檢測樣品的表面形貌非常有用。

 

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圖四:樹葉表面不同信號的影像(a.)全BSD成像、(b.)BSD形貌(topography)成像、(c.)SE成像

 

埃弗哈特-索恩利檢測器(Everhart-Thornley Detector)是檢測SE的最常用檢測器,由法拉第籠內的螢光體與光電倍增器組成,法拉第籠用於吸引或排除低能量的二次電子,並使用閃爍體加速電以將其轉換為光,然後使用光電倍增器進行信號放大。 SE檢測器以一定角度放置在電子槍的側面,以提高檢測二次電子的成效。

 

這兩種電子信號是掃描式電子顯微鏡(SEM)使用者最常用於成像的類型,但並非所有SEM使用者都需要相同類型的資訊,因此一台SEM通常具有多種檢測器,使其成為一種非常實用的工具,可以多方面應用並提供有價值、互補的觀測數據及解決方案 ,不僅是、提高圖像分辨率 ,甚至還可進行自動化分析以幫助您節省寶貴的時間。

 

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原文出處:https://www.thermofisher.com/blog/microscopy/sem-signal-types-electrons-and-the-information-they-provide/

 

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