主题:【第十三届原创】【官人按】易轻忽之肯綮:扫描电镜工作距离与探头的选择(下)——安徽大学林中清32载经验谈(10)

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【作者按】前文【扫描电镜工作距离与探头的选择(上)】我们通过实例展示并探讨了:工作距离与探头的不同组合与样品表面形貌像的分辨力之间存在怎样的关系,列表对比了不同工作距离和探头组合的优缺点。

本文将进一步以实例来展现并探讨,正确的工作距离和探头的选择,将会对扫描电镜的测试结果和状态的维持产生怎样的影响。给大家在进行扫描电镜测试工作时,对于工作距离及探头的选择,提供一定参考。

一、工作距离和探头的选择与表面形貌像的形成

如前面一再强调,形成扫描电镜表面形貌像的基础在于反映表面形貌高低差异的形貌衬度。形成形貌衬度的因素,取决于探头对样品信号的接收角度,而形成这个接收角度的主要因素,依据样品特性及信息需求的不同分为两个层面。

第一个层面:低倍,观察的样品表面形貌起伏较大(大于20纳米)。要表达这类信息,需要相应的形貌衬度也较大。只有在探头、样品和电子束之间存在一定角度,所形成的形貌衬度才能充分展现这种位置上的差异。此时样品仓探头(L)将作为接收样品信息的主体。不同的形貌衬度,要求这三者之间形成的最佳接收角不同,需要进行不停的调整。

实际操作时,由于探头和电子束中轴位置是固定的,因此这个角度的改变就落实在样品位置的调整上。工作距离和样品台倾斜角的改变是进行这个角度大范围调整的唯二之法。

第二个层面:高倍,观察区域缩小,样品表面起伏减弱,形貌高低位置的差异也将削弱,样品电子信息的溢出角度所形成的形貌衬度足以呈现样品表面高分辨形貌特征。因观察的细节小,小于10纳米,信息扩散对这些细节的干扰将左右最终结果。用小工作距离、镜筒内探头来获取充分的二次电子信息是最佳方案,此时形成高分辨表面形貌像的关键点在于镜筒内探头(U)能否充分获取样品的低角度电子信息

在扫描电镜的实际测试过程中,所要获取的样品表面形貌信息,绝大部分都落实在第一个层面中。因此充分利用样品仓探头来形成样品的表面形貌像,就应当成为日常测试工作的主要选择。以此为基础,依据样品所表现出的特性及所需获取的样品信息,来改变测试条件,将会使得测试工作真真做到有的放矢,获取的样品信息也更充分。

十分可惜,由于认识上的偏差,对工作距离和探头的选择思路往往与此背道而驰。将小工作距离做为获取高分辨像的唯一途径,进而推广为常规测试条件,这容易形成样品信息不充分、假象多、压缩样品操作空间、增加镜筒污染和样品损伤几率的结果。这些事例都将在本文中给予充分的体现。

要使表面形貌像含有充足的样品信息,关键是如何调控样品仓探头(L)和镜筒内探头(U)对样品信息的获取。而这个调控工作的关键点又在于工作距离的选择

下面将以工作距离的改变为主轴,从表面形貌像的信息量、样品荷电的应对、磁性材料的观察这几个方面来探讨不同的工作距离和探头选择究竟能带来怎样的测试结果。

1.1 工作距离的改变与表面形貌像的获取

利用扫描电镜对样品的表面形貌进行观察,其过程和我们对日常事物的观察并无不同。

要充分观察一个物体,在这个物体与眼睛离开一定距离时,获取的信息最多。太远,无法分辨;太近,虽然看的细致,但往往只能观察到局部,获取的信息精细但贫乏。即所谓鼠目寸光,可明察秋毫,也容易以偏概全、以点代面。

获取一个物体信息的过程都始于全貌观察。由整体到局部、远观到近考。近考是以远观为基础,而物体的大部分信息都是在一定距离下从各种不同角度去观察来获得。

对于扫描电镜来说也是如此:探头如同人的眼睛,工作距离就如同物体所处的观察位置。大量的样品信息都应当在一个特定的工作距离上,从侧面(样品仓探头)和顶部(镜筒内探头)来获取。少量的细节信息(<10nm)需要靠近样品,用镜筒内探头,小工作距离来观察。

这个特定的工作距离各电镜厂家都不相同,个人认为日立冷场扫描电镜是15mm。下面将从各种不同工作距离获取的信息对比开始,用实例来展示各种工作距离和探头组合的优劣,同时分享我在测试时对其选择的流程,供大家参考。

1.1.1图像的清晰度和辨析度

清晰度:是指影像上各细部纹理及其边界的清晰程度。

辨析度:是指影像上各细部纹理及其边界的分辨程度。

瑞利判据:一个爱里斑中心与另一个爱里斑的第一级暗环重合时, 刚好能分辨出是两个像。

依据瑞利判据,图像辨析度要求的是图像足够清晰而并不追求绝对清晰。在获取扫描电镜图像时常常发现,图像的高清晰并不一定带来高分辨。许多高清晰的图像其细节分辨并不好,而某些图像虽然清晰度较差,但并不影响对微小的细节信息进行分辨。辨析度高才能带来高分辨能力,这种情况在对不同放大倍率和采用不同测试条件获取的表面形貌像进行对比时会经常出现,前面有充分的实例给予展示。

关于扫描电镜图像的清晰度与辨析度,以后还有专文探讨。

1.1.2样品仓探头的最佳工作距离

各电镜厂家的样品仓探头位置设计不同,因此它们的最佳工作距离也不相同,日立冷场电镜在15mm。

如上篇的实例所示:样品仓探头在工作距离小于8mm时接收到的样品信息较少,小于4mm基本接收不到样品信息。大于8mm接收到的样品信息逐渐增多,15mm达到最佳的成像效果,大于15mm接收效果及图像立体感缓慢减弱。

依据样品仓探头对样品信息的接收效果,可将工作距离大于8mm称“大工作距离”,小于4mm称为“小工作距离”。

小工作距离下,对样品信息的接收局限在镜筒内探头,接收到的样品信息较为单调。虽有利于在高倍时呈现小于10nm的样品细节信息,但不利于全面获取样品的表面信息。故将样品至于样品仓探头的最佳工作距离就十分必要。

样品仓探头位置设计的越合理,利用探头组合来改变表面形貌像中SE2:BSE的比值和信息接收角度的范围就越大,同时样品的可操控范围也越大。这将使得图像中的各种衬度信息更能得到充分的展现,形貌像的信息内容也越多。                               

下面将从图像的分辨能力、信息量、倍率变化范围以及样品操控等几个方面来对比大、小工作距离测试的优劣。

A)大工作距离与图像细节的分辨能力

对于图像细节分辨力,目前在认识上存在一种简单的单调思维方式。所谓简单的单调思维方式就是用部分代替整体。如某测试条件在高倍时对极细小的细节拥有非常好的测试效果,就想当然的认为在低倍时也会拥有非常好的测试结果。

实际情况往往并非如此,高倍有好的细节分辨力,不代表这个测试条件就一定能在低倍获得良好的结果。这在上篇有充分的展示,本文将再以一个实例来介入该问题的探讨。

二氧化硅孔样品。选择小工作距离、镜筒探头这组测试条件有利于对孔道信息的展现。但是否在低倍观察二氧化硅颗粒的整体信息时,也有同样的表现?请看以下这一组图片:

上述实例可以看到,图像分辨力的主要影响因素是动态变化的。随着样品特性以及信息需求的变化,形成形貌像的主导因素也会发生改变。因此测试条件也应随之变更,否则将无法获得充分的样品信息和图像的高分辨力。

不少样品表面形貌细节的高分辨观察并不需要用小工作距离来进行。在大工作距离下就可以获取非常优异的高分辨像,且高分辨像的空间伸展更加充分。如下图: 

仪器性能优异,即便是孔样品的孔信息,在大工作距离下采用镜筒内探头或混合探头,该信息也并非无法观察。但因上探头的接收效果变差,图像整体清晰度及信号量有所减弱,但介孔却可被明确分辨,且能保证一定的图像质量。

B)大工作距离获取的图像,空间信息更充分

高分子膜和二氧化硅小球,左图采用大工作距离,下探头从侧向接收样品信息,图像的形貌衬度充分,空间立体感强烈,信息更丰富。右图小工作距离,只能是镜筒内探头从顶部接收样品信息,形貌衬度薄弱。图像如同被压扁,空间信息贫乏,整体分辨力不足。

C)大工作距离有较大的倍率变化空间

采用大工作距离测试,获得图像的倍率变化空间大。有利于在原位从低倍到高倍进行倍率的大范围改变,获取样品的信息更全面,形成的样品信息系统性更为优异。

小工作距离的起始倍率较高,对低倍获取样品的全貌有所限制,特别是应对那些体积较大的样品。

D)大工作距离有利于样品做大范围移动

工作距离越大样品的可移动范围也越大,越有利于我们从多个侧面来对样品进行观察。特别是对空间差异较小的样品,大角度的倾斜,可改变探头获取样品信息的角度,将有利于充分展现样品的空间形态,减少误判。

以上多个实例,充分展示大工作距离测试所带来的强大优势,下面将对大工作距离、样品仓探头组合做重点探究。

1.1.3大工作距离、样品仓探头组合的测试优势

样品仓探头在大工作距离测试时,如同从侧上方观察样品,获取的样品表面形貌衬度要远大于从样品顶部采用镜筒内探头所获取的结果。

形成表面形貌像的优点:空间信息丰富,立体感强,样品信息更充分,可减少假象的形成,低倍时图像的分辨能力强,Z衬度更优异,受荷电影响极小。

样品仓探头(下探头)获取的图像形态对工作距离、样品倾斜角度、加速电压的改变都比较敏感,这为充分获取样品信息提供足够的保障,可以多维度展现样品的形貌特征。

A)工作距离的改变对下、上探头接收样品信息的影响

B)样品倾斜对下、上探头接收样品信息的影响

C)加速电压的变化对上、下探头接收样品信息的影响

1.1.4 大工作距离、样品仓探头组合的测试劣势

下探头位于样品侧上方,直接面对的是低角度电子信息。低角度位置上分布的主要是背散射电子,故以下探头为主形成的表面形貌像,容易受背散射电子在样品中扩散的影响。

结果是:高倍图像的清晰度不足,十纳米以下的细节容易被掩盖,随着镜筒内探头被添加进来,此现象所改善。

样品仓探头对以二次电子为主导的电位衬度及二次电子衬度信息的展现较差。具体实例如下:

1.1.5大工作距离测试有利于材料的缺陷分析

通过对以上大工作距离下各种探头组合的优、缺点展示可见:无论哪种组合都有局限,很难用一种条件包打天下。

大工作距离条件下,可轻松切换上、下探头,对比不同探头获取的不同样品讯息,可得到单一探头组合所无法展现的异常现像,这将有利于对材料进行缺陷分析。

如:在大工作距离条件下,切换上、下探头,获取样品表面的电位衬度不同。通过对比因不同的电位衬度所展现的图像形态差异,可以得到样品表面局部被污染或氧化的信息。下面是两个我遇到的非常成功案列。

1.2工作距离和探头的选择与样品荷电的应对

样品荷电现象指的是:样品中由于电荷累积形成电场,该荷电场对样品表面信息的正常溢出产生影响,在形貌像上叠加形成异常亮、异常暗或细节磨平的现象。

  不同能量的电子信息受到电场的影响程度也会不一样。能量弱小的二次电子极容易被荷电场所影响,使得由其为主形成的表面形貌像上,荷电现象显得较为严重。如果减少二次电子的含量,表面形貌像上的荷电现象将会减轻。

采用混合探头进行测试时,加大工作距离可减少形貌像中二次电子信息的含量,有效改善荷电的影响。

 

下探头接收的主要是背散射电子。应对样品荷电,大工作距离下单选下探头常常是一个极其有效的方法。

样品的荷电现象及应对方式,后面将有专文加以探讨。

1.3磁性样品的观察

物质的磁性来自核外轨道电子自旋。因此严格来说,所有物质都带有一定磁性,都可被称为:磁性材料。

原子核外都是成对电子,电子之间的磁矩相互抵消,所以无论物质进不进入磁场都对外显露磁性,称“反磁性”。

原子核外有不成对电子,不成对电子在热扰动影响下杂乱排列,形成原子或分子间磁矩相互抵消。进入磁场后,不成对电子受磁场作用克服热扰动的影响,按磁场方向有序排列,对外表现出磁性。取消外加磁场,不成对电子在热扰动影响下又进入杂乱排列状态,显现的磁性消失,这就是“顺磁性”。

将不成对电子换成“磁畴”,所谓“磁畴”指的是多个同方向电子的集合,这类物质进入磁场后表现出的磁性非常强。外加磁场达到一定值,撤除磁场,热扰动无法使磁畴恢复无序状态,形成极强的磁滞现象。这就是“铁磁性”。

高分辨扫描电镜为了使镜筒内探头获取更多的样品表面电子信息,物镜磁场对样品仓做一定量的泄露,称“半内透镜物镜”设计。这种类型的物镜,当具有“顺磁”或“铁磁”等性质的样品靠近时,会被物镜的漏磁磁化并吸入物镜,污染镜筒并干扰磁透镜的磁场。

采用大工作距离观察,在样品远离物镜达到一定值以后,这种影响将会减弱直至消失,镜筒也很难被其污染。

顺磁及铁磁性物质的表面细节都比较粗大,用样品仓探头在大工作距离条件下获取的表面信息往往更优异也更充分。

如果扫描电镜在大工作距离上有强大的成像能力,可轻松获取高质量的几十万倍高分辨形貌像,则对这些材料的表面形貌测试将不会受到任何限制。

关于物质的磁性及磁性物质的区分,以及在扫描电镜测试时该如何应对,这些都将在下一篇经验谈中有详细探讨。

二、大、小工作距离对样品热损伤的影响

大工作距离,电子束的离散度较大,会使得电子束能量也发生较大程度的离散,对样品的热损伤也会减少。应对容易被热损伤的样品,采用大工作距离测试也是重要方式之一。

三、大工作距离与仪器状态的维持


没有好的仪器状态,仪器调整的再优异都无济于事。要保持良好的仪器状态,维持样品仓、镜筒环境的真空是基础。由于清洁镜筒极为困难,故对其环境的维持也最为关键。

镜筒污染除了物质的磁性质,还来自以下两个方面:

1. 样品中含有的各种挥发物。因此扫描电镜测试对样品的要求是:样品尺寸尽可能的小,固定样品所用的胶体尽可能少,样品表面尽可能地处理干净、干燥。

2. 电子束从样品表面轰击出来的各种极性或非极性物质,这类物质在镜筒表面的吸附性超强。

减少镜筒污染,控制样品是一方面,更关键的是将样品远离物镜。样品靠镜筒越近,进入镜筒的污染物会成倍增加,更不用说那些所谓的磁性物质。无论那种类型物镜,长期在小工作距离下测试,仪器状态都无法得到保证。

本人的S-4800使用十几年了,测试量很饱满,长期坚持大工作距离测试,同时对样品严格控制,因此从09年仪器安装至今,灯丝未更换、仪器也从未做过专门的大保养,但却一直都能保持极佳的工作状态。

下面以一组拍摄于2019年,用各种低电压、大工作距等较差的测试条件,拍摄的碳球高分辨图像来结束本章节。                 

四、结束语

样品仓探头和镜筒内探头是从不同角度来获取样品信息。它们获取样品信息的侧重点不同,所适合应对的样品及展现的样品信息特征也不一样。

镜筒内探头获取的样品信息以二次电子为主,对尺寸小于20nm的样品细节影响小,故图像清晰度高,二次电子衬度及边缘效应充分,电位衬度明显。但由于是从顶部通过物镜来获取样品信息,形貌衬度不足,使得其对于较粗大的样品细节(20nm以上)信息获取效果不佳,荷电应对能力差。

样品仓探头获取的样品信息是背散射电子和二次电子的混合信息,背散射电子为主导。由于背散射电子的影响,高倍图像清晰度不足,对20nm以下的样品细节分辨影响较大,几纳米的样品细节几乎无法分辨。但该探头从样品的侧上方获取样品信息,形貌衬度及Z衬度充足。对低倍下观察表面起伏较大的细节信息(大于20nm)有极其明显的优势。

改变工作距离的主要目地就是为了调控样品仓探头和镜筒内探头对样品表面信息的接收,形成最佳的效果。

工作距离越小,越有利于镜筒内探头对样品信息的获取。过小的工作距离,样品仓探头接收不到样品信息,整个表面形貌像的特征都由镜筒内探头来决定。有利于展现10纳米以下的细节,但低倍时图像效果差,信息类型较为单一。

大工作距离有利于样品仓探头对样品表面信息的接收,同时也能兼顾镜筒内探头接收样品信息。两个探头信息的合理组合,将使获取的形貌像内容更加充实。各种衬度信息的组合越合理,获取的样品信息越丰富,形貌分析的手段更多样,形成的表面形貌假象也越少。大工作距离测试的缺点是镜筒探头接收效果不佳,10纳米以下细节质量退化较严重。

加大工作距离会使得电子束的离散度增加,从而降低样品热损伤的程度。但对图像清晰度有影响,超过一定值(过度)也会影响到图像细节分辨。该影响也会遵循适度性的原则,不同样品、不同的形貌细节,影响程度不同。

在工作距离与探头的选择中,工作距离的选择是基础。只有工作距离合适了,探头的作用才能发挥出来。

扫描电镜的每次测试都会有一个初始工作距离的选择,个人认为这个值应满足以下条件:1. 样品信息尽可能丰富,能为后续调整指明方向;2. 样品的操作空间尽可能大,使得样品能够充分移动;3. 图像的信息尽可能多,使得后续调整更容易;4. 尽可能兼顾样品分析;5. 离物镜尽可能远,保护镜筒,远离样品磁性及污染物的影响。

对日立的冷场扫描电镜来说这个工作距离应该是15mm。

加速电压、束流、工作距离、探头这四个测试条件的正确选择是获取高质量扫描电镜测试结果的基础。在工作距离和探头的选择上,目前存在的曲解极其严重,不利于充分获取样品信息。希望本文能给大家提供一个全新的视野。

参考书籍:

《扫描电镜与能谱仪分析技术》 张大同 2009年2月1日 华南理工出版社

《微分析物理及其应用》 丁泽军等 2009年1月 中科大出版社

《自然辩证法》 恩格斯 于光远等译 1984年10月 人民出版社 

《显微传》 章效峰 2015年10月 清华大学出版社

日立S-4800冷场发射扫描电镜操作基础和应用介绍

北京天美高新科学仪器有限公司 高敞 2013年6月

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