扫描电镜的基本成像过程 >扫描作用 >图像构成 >放大倍率 >像元 >景深
扫描电镜的基本成像过程 ➢扫描作用 ➢图像构成 ➢放大倍率 ➢像元 ➢景深
扫描作用 栅格扫描电子束在扫描作用下随时间顺序在样品上沿X方向通过一系 列位置点1,2,3，.，且依次对每个点进行取样（滞留一定时间），在完成 这“行扫描”之后，又以极短时间回扫到第二行的起始位置，即在丫方向 稍微移动一个距离，进行“帧扫描”，重复上述过程便产生一个栅格图形， 从而对整个光栅区域内的样品逐点取样。 双偏转扫描系统（两组扫描线圈）控制电子束先使它偏离光 轴，而后又使它折回光轴，并在物镜光阑处与光轴第二次相交。 >扫描电镜的成像是靠扫描作用实现的，扫描发生器同时控制高能电子束和 荧光屏中的电子束同步扫描，样品空间与显示空间逐点对应。 > 样品表面被电子束扫描激发出的各种物理信号，其强度与样品特征有关， 通过探测器将这些信号按顺序、成比例地转为视频信号，经过放大，用来 调制荧光屏对应点的电子束强度（即光点的亮度），这就形成了扫描电镜 的图像。而图像上强度的变化反映出样品的特性。 >荧光屏上的图像实际上里由一系列灰度不同的亮点组成，这个亮点称为像 素。像素点数越多，则图像的分辨率越高
扫描作用 ➢ 栅格扫描电子束在扫描作用下随时间顺序在样品上沿X方向通过一系 列位置点1，2，3，.，且依次对每个点进行取样(滞留一定时间)，在完成 这“行扫描”之后，又以极短时间回扫到第二行的起始位置，即在丫方向 稍微移动一个距离，进行“帧扫描” ，重复上述过程便产生一个栅格图形， 从而对整个光栅区域内的样品逐点取样。 双偏转扫描系统（两组扫描线圈）控制电子束先使它偏离光 轴，而后又使它折回光轴，并在物镜光阑处与光轴第二次相交。 ➢ 扫描电镜的成像是靠扫描作用实现的，扫描发生器同时控制高能电子束和 荧光屏中的电子束同步扫描，样品空间与显示空间逐点对应。 ➢ 样品表面被电子束扫描激发出的各种物理信号，其强度与样品特征有关， 通过探测器将这些信号按顺序、成比例地转为视频信号，经过放大，用来 调制荧光屏对应点的电子束强度（即光点的亮度），这就形成了扫描电镜 的图像。而图像上强度的变化反映出样品的特性。 ➢荧光屏上的图像实际上里由一系列灰度不同的亮点组成，这个亮点称为像 素。像素点数越多，则图像的分辨率越高
扫描作用 扫描线圈 >栅格扫描（行扫描、帧 CRT 扫描发生器 显示和记录 扫描) 阴极射线管 >样品空间与显示空间逐 点对应（同步扫描 -视频放大器 E-T 背散射 W.ED >样品的物理信号强度 PM 上X射线探测器 (与样品特征有关)对 PM 23456789 慰极荧光 应光点的亮度（荧光屏） 吸收电子 >荧光屏上的图像由一系 透射电子 列灰度不同的亮点组成， 这个亮点称为像素。像 二次和（或）背散射电子 素点数越多，则图像的 图，】.扫描电镜的扫燕系统简图，图中缩写字母的意义：FA,末级光阑： 分辨率越高 SD,固体电子探测器；ET,Everhat-Thornley探测器；S,闪烁体；PM, 光电倍增管；W,X射线波长谱仪：ED,X射线能量谱仪；CRT,阴极射线 管，致字1一9表示电子束在一次扫描过程中的相续各位臀
扫描作用 ➢栅格扫描（行扫描、帧 扫描） ➢样品空间与显示空间逐 点对应（同步扫描） ➢样品的物理信号强度 （与样品特征有关）对 应光点的亮度（荧光屏） ➢荧光屏上的图像由一系 列灰度不同的亮点组成， 这个亮点称为像素。像 素点数越多，则图像的 分辨率越高
图像构成 一信号最大值 8-Y调制扫描 扫描电镜的信息流包括：X-Y空间的 电子束位置一 000t000 扫描位置及其对应的电子-样品相互作 兴“米米*米兴米兴4电子束位置显示 用产生的信号强度（这一强度由探测器 样品 获得) 零信号 >线扫描：电子束在样品上沿某一条线进行 CRT 扫描，在CRT上也以相同方式扫描，样 品空间与显示空间逐点对应，用某个探 图4,2，线扫描显示信息的原理，图中示出了样品上的扫描轨迹及其在CRT上所 测器检测到的强度去调制CRT上的Y偏转 显示的相应位置，CRT上的实际点是按Y坐标画出，Y坐标代表信号的强度 在CRT显示的这种线扫描，其水平位置 与样品上离开某特定线的距离有关，而 垂直位置与信号强度有关。 >面扫描：电子束在样品上作X-Y栅格扫描， 信息转垫 而在CRT上也以相同X-Y方式扫描，形成 图像，用探测器上所输出的信号强度调 样品上的扫描区 节CRT上的光点亮度强度) 阴极射线管上的扫描区 图.5样品上的扫描都位与CRT的显示之阀的形状对应关系，在 一个完善的扫描系统中，形状的传送不会发生骑变
图像构成 扫描电镜的信息流包括：X-Y空间的 扫描位置及其对应的电子-样品相互作 用产生的信号强度(这一强度由探测器 获得) ➢ 线扫描:电子束在样品上沿某一条线进行 扫描，在CRT上也以相同方式扫描，样 品空间与显示空间逐点对应，用某个探 测器检测到的强度去调制CRT上的Y偏转。 在CRT显示的这种线扫描，其水平位置 与样品上离开某特定线的距离有关，而 垂直位置与信号强度有关。 ➢面扫描:电子束在样品上作X-Y栅格扫描， 而在CRT上也以相同X-Y方式扫描，形成 图像，用探测器上所输出的信号强度调 节CRT上的光点亮度(强度)
放大倍率 M= LCRT Lspecimen 1st scan coils ☒ ☒ >由于LCt固定，所以减少电子束在 样品上的扫描范围可以提高放大倍 2nd scan coils ☒ ☒ 率。样品上取样面积的大小是放大 倍率的函数。 Final aperture at pivot point >M仅与扫描线圈的激励有关，而与 物镜的激励无关，调节物镜激励， Final polepiece Final polepiece 使电子束会聚在样品表面，聚焦图 像。 Deflection system inside the final lens.Working distance Wis the distance between the specimen and the bottom of the final lens polepiece
放大倍率 ➢由于LCRT固定，所以减少电子束在 样品上的扫描范围可以提高放大倍 率。样品上取样面积的大小是放大 倍率的函数。 ➢M仅与扫描线圈的激励有关，而与 物镜的激励无关，调节物镜激励， 使电子束会聚在样品表面，聚焦图 像
像元 >像元是指电子束在样品上获取信息的区域，这个区域产生的信息传送 到荧屏上某个对应的亮点成像。象元的面积越小，图像的分辨率越高， 可提供的信息越丰富。（是荧光屏上的像素吗？） >像元与SEM放大倍率有关。在高分辨率荧光屏上，最小亮点即荧光粉 颗粒直径为0.1mm。样品上某像元直径ro与放大倍率M间关系： 100 r0= M (m) 表3-2像元尺寸与放大倍率的关系 放大倍率 10x 100× 1000× 10000x 100000× 像元尺寸 10μm 1μm 0.1um 10nm 1nm
像元 ➢像元是指电子束在样品上获取信息的区域，这个区域产生的信息传送 到荧屏上某个对应的亮点成像。象元的面积越小，图像的分辨率越高， 可提供的信息越丰富。(是荧光屏上的像素吗？) ➢像元与SEM放大倍率有关。在高分辨率荧光屏上，最小亮点即荧光粉 颗粒直径为0.1mm。样品上某像元直径r0与放大倍率M间关系：
入射电子束的取样面积 小于象元尺寸时，图像才算 是真正的聚焦。否则会产生 象元重叠，当产生到两个以 上的象元重叠，会导致图像 模糊。束斑直径dp是确定样 品表面取样范围的先决条件， 精细聚焦的dp越小越好。 (a)d,-2ro (b)d。=ra 图3-4像元尺寸r。、束斑直径d。与放大倍率关系示意图 ()高放大倍率虽然使像元尺寸小，但束斑直径是像元直径的两倍，没有实际意义 (b)减小束斑直径使其与像元大小相当，分辨率明显改善。 提高分辨率应该尽量减小束斑直径！
入射电子束的取样面积 小于象元尺寸时，图像才算 是真正的聚焦。否则会产生 象元重叠，当产生到两个以 上的象元重叠，会导致图像 模糊。束斑直径dp是确定样 品表面取样范围的先决条件， 精细聚焦的dp越小越好。 提高分辨率应该尽量减小束斑直径！
景深 电子束扫描方向 >当像平面固定时，在维持物体图像清晰的范围内， 近物和远物在光轴上最大距离差即为景深。 >由于形成聚焦电子束的射线的角度发散，使得电 子束在最佳焦点的上部和下部变宽。样品粗糙的情 况下，其某些特征处于不同的工作距离，电子束照 射到样品上其电子束尺寸是不同的，取决于工作距 离的远近。假定电子束斑直径的展宽正好重叠两个 以上的像元，使图像变模糊。 0.2 D aM (mm) 减小放大率或电子束孔径半角可以提高景深，而 图像清晰区 大工作距离WD或选用小孔物镜光阑可使α减少。 表面粗糙样品的景深示意图
景深 ➢ 当像平面固定时，在维持物体图像清晰的范围内， 近物和远物在光轴上最大距离差即为景深。 ➢ 由于形成聚焦电子束的射线的角度发散，使得电 子束在最佳焦点的上部和下部变宽。样品粗糙的情 况下，其某些特征处于不同的工作距离，电子束照 射到样品上其电子束尺寸是不同的，取决于工作距 离的远近。假定电子束斑直径的展宽正好重叠两个 以上的像元，使图像变模糊。 减小放大率或电子束孔径半角可以提高景深，而 大工作距离WD或选用小孔物镜光阑可使α减少
探测器 E-T探测器（普通模式） 电子探测器 >工作模式：一个高能电子轰击闪烁体材料，这一 从样品出射的电子可以分为两大类： 电子产生许多光子，通过一个全反射的光导管将 a.二次电子一平均能量为3-5ev 它们导入光电倍增管中。由于该信号是光信号， 所以它可以通过一个石英窗进入与扫描电镜的真 b.背散射电子一从样品出射时有 空始终隔绝的光电倍增管中。这些光子轰击第一 一个能量分布，0≤E≤E0,对中 电极使它发射电子，而后这些电子通过其余的电 高原子序数的材料，背散射电子 极时产生级联过程，最终产生一个增益为105一 能量分布的峰值在0.8-0.9Eo处。 106的输出脉冲。闪烁体上覆盖着一层铝，偏置 +10kv电压，用于加速收集二次电子。 Beam > 法拉第筒上加+250v的正电位：像吸尘器一样收 +12kV 集二次电子 >法拉第筒上加-50v的负电位：排斥二次电子。 PM LG >不管法拉第筒上的偏压是正还是负，不影响背 散射电子的收集。 Specimen -50 Vto +250V
探测器 电子探测器 从样品出射的电子可以分为两大类： a.二次电子 ——平均能量为3-5ev b.背散射电子——从样品出射时有 一个能量分布，0≤E≤E0，对中 高原子序数的材料，背散射电子 能量分布的峰值在0.8-0.9 E0处。 E-T探测器（普通模式） ➢ 工作模式：一个高能电子轰击闪烁体材料，这一 电子产生许多光子，通过一个全反射的光导管将 它们导入光电倍增管中。由于该信号是光信号， 所以它可以通过一个石英窗进入与扫描电镜的真 空始终隔绝的光电倍增管中。这些光子轰击第一 电极使它发射电子，而后这些电子通过其余的电 极时产生级联过程，最终产生一个增益为105— 106的输出脉冲。闪烁体上覆盖着一层铝，偏置 +10kv电压，用于加速收集二次电子。 ➢ 法拉第筒上加+250v的正电位:像吸尘器一样收 集二次电子 ➢ 法拉第筒上加-50v的负电位:排斥二次电子。 ➢ 不管法拉第筒上的偏压是正还是负，不影响背 散射电子的收集
E-T探测器的特点： >电子信号可以放的很大，引入的噪音小、 频带宽，和电视扫描频率兼容。 >二次电子(SE1+SE2+SE3)和背散射 Beam 电子都可以检测。 >在收集二次电子时也包含有背散射电子。 二次电子的收集效率为50%；背散射 Polepiece 电子收集效率为1%一10%。 Indirect SE BSE Schematic illustration of the indirect collection of backscattered electrons ,250V by a positively biased E-T detector.The BSE E T strike the chamber walls,where they create SE1 Detector secondary electrons.These SE are collected Direct BSE by the E-T detector with high efficieney.Al- Chamber though nominally a contribution to the SEsig- Walls nal,these SEactually represent the BSE signal Specimen component because theirnumber must rise and fall according to the behavior of the BSE
E-T探测器的特点： ➢电子信号可以放的很大，引入的噪音小、 频带宽，和电视扫描频率兼容。 ➢二次电子（SE1+SE2+SE3）和背散射 电子都可以检测。 ➢在收集二次电子时也包含有背散射电子。 二次电子的收集效率为50%；背散射 电子收集效率为1%——10%