δ总=δB+δBSη
3.与样品倾斜的关系 二次电子系数与电子束的入射方向有明显关系： 入射方向与试样表面法线方向一致，图像亮度最小 入射方向与试样表面法线方向成一定角度时，图像亮度增大
（） 0sec 0 cos
θ指电子束与样品表面
法线的夹角
试样表面有着不同程度的起伏，对应着电子束与样品表面法线不 同的夹角，二次电子数量不同，荧光屏上的图像将呈现与试样起伏程 度相对应的亮度差异，得到试样的形貌衬度，是二次电子像最重要的 衬度内容。
象素
“象素”或“象元”尺寸是扫描电镜中与放大倍率有关的一个重要概念。象素 是 电子束在样品上获得信息的区域，从这个区域产生的信息被传送给CRT上的某个 光点成像。象素的面积越小，图像的分辨率越高，可提供的信息越丰富。象素与 放大倍率有关。在供照相用的高分辨率CRT上，最小的光点直径通常是0.1mm。 在样品上相应的象素直径与放大倍率有关，可以用下面的公式计算： 象素直径
S 2 S1 2 1 C S2 2
a.η随Z（化合物时为平均原子序数）单调增加，所以样品中 平均原子序数高的区域比原子序数低的区域亮 b.原子序数相差小的两元素产生的反差低，原子序数差别较 大的两元素的反差要大得多。如AL和Si的反差为0.067， Al和Au的反差为0.69 c.对元素周期表中的各相邻两元素来说，当原子序数增加时， 原子序数反差减少，这是由于η和Z的关系曲线的斜率随Z 的增加而下降所致。如AL－ Si的反差为0.067， Au和Pt 的反差则降低到0.041。 二次电子信号成分反差不明显，因二次电子系数不随原 子序数而显著变化。
散射是由于电子束与样品的原子和电子相互作用而产生 的电子束路径或能量的变化，或者两者同时发生。 截面或散射事件的几率：Ｑ＝Ｎ/ｎｔｎｉ （ｃｍ２） Ｎ为单位体积中发生散射事件的数目 ｎｔ为单位体积中靶位的数目 ｎｉ为单位面积中的入射粒子数 ｃｍ２理解为一个原子在给定的相互作用中的有效面积
电子在两个特定散射事件中穿行的平均自由程或平均距离： λ＝Ａ/ＮoρＱ(cm) A为原子量No为阿伏伽德罗常数Ｑ为截面
2.特征X射线
高能束电子与原子相互作用引起内壳层电子发射，在随后的去激发过程中 产生特征X射线。具有足够能量的束电子可驱出内层（K、L、M）的电子，使原 子处于电离或激发态。原子在电离后约10-12s内复原到基态，在复原过程中，电 子从某一壳层跃迁到另一壳层。这些跃迁导致某些可能的结果。激发态原子的多 余能量将以电磁辐射光子的形式释放出来，该光子的能量等于在跃迁过程中有关 壳层间的能量差。对于内层的电子的跃迁，该光子的能量正好处于X射线电磁波 的谱段内。 由辐射跃迁而发射的X射线称为特征X射线。它的特定能量表示了某个被激 发元素的特征，壳层的能级随原子序数不同而变化，即使相邻原子序数的原子其 壳层间的能量也有显著的变化。 K层电离后，L层、M层电子都能产生跃迁 去填补这个空位： Kα X射线是L层跃迁 Kβ X射线是M层跃迁 L层电离后M层、N层电子可产生跃迁 Lα ____M层跃迁 Lβ ____N层跃迁
阴极荧光探测器
样品电流探测器
§4-3 反差
反差定义为：C=（Smax-Smin）/Smax Smax、Smin代表扫描光栅中任意两点上被检测到的信号。 C为正数 0≤C≤1 反差代表与样品性质有关信号中的信息，这些性质是我们要测定的。 在电子束与样品的相互作用过程中，样品的形貌、成分、晶体取向、导 电等性质，产生的信号强度不同，电子图像上出现不同的亮度差别，这 就是图像的反差（衬度）。 1.成分反差（背散射电子信号） 利用背散射电子信号能够得到样品中不同区域内平均原子序数的相 对差别，这种反差称为“成分反差”。检测信号S∝η
图像的构成
SEM的信息：1.X-Y空间的扫描位置 2.对应的电子-样品相互作用的强度。 线扫描：电子束在样品上沿着某一 条线进行扫描，接收的信号又被用 于CRT的扫描成像。
面扫描：电子束在样品上作X-Y栅 格扫描，CRT上也以相同的X-Y方 式扫描，形成我们所熟悉的图像。
放大倍率
SEM图像的放大倍率是通过调整样品与CRT上图像的比例来实现的。 样品空间长度l的直线上的信息被成像到CRT空间的长度L上线性放大倍率 M=L/l CRT长度L是固定的，减少样品上扫描面积的边长l就能增加放大倍率。样 品上取样面积的大小是放大倍率的函数。 扫描电镜的放大倍率仅与扫描线圈的激励有关，与物镜的激励无关，后者 用来确定电子束的聚焦。
散射可分为：弹性散射和非弹性散射 １.弹性散射：电子能量无损失，散射角比较大 2 Z 20 2 0 弹性散射截面可以用卢瑟福公式描述： Q 0 1.62 10 ct g 2
E 2
在高原子序数和低电子能量的情况下易发生弹性散射。 ２.非弹性散射：电子将能量交换给靶的电子和原子，一次散射角比较小。 非弹性散射过程和扫描电镜有关的有： a.等离子激发 激发“自由电子气”以波的形式出现 b.二次电子 激发导带中松散结合的电子，出射能量为0-50ev c.内壳层电离 激发内壳层电子，在激发过程中发出特征X射线 d.韧致辐射 在靶的库伦场中减速，发出连续谱X射线 e.声子激发 引起样品温度升高（晶格振动） 单个过程的截面获得困难，可以用能量损失关系来讨论 低原子序数易发生非弹性散射
BSE电子信号区域
二次电子
二次电子是指从样品中出射的能量小于50ev的电子 二次电子系数
n SE nB
1.范围和取样深度：取样深度较浅，计算出最大发射深度 约为5λ，横向扩散也相同。λ对金属约为1nm，非金属约 为10nm 二次电子的信息深度约为背散射电子的百分之一 2.与样品成分的关系：二次电子系数对样品成分的变化相 当不敏感，但是发射的二次电子中含有背散射电子激发的 二次电子，在特殊情况下也可以得到一点成分信息
2.固体探测器
利用高能电子在半导体中产生的电子空穴对研制出的固 体探测器。 固体探测器主要特点： 1）固体探测器一般为平整的薄片，尺寸各异。 2）可以靠近样品放置，提供高效几何效率。 3）对高能背散射电子灵敏，对二次电子不灵敏。
3.其他探测器
样品电流探测器、阴极荧光探测器、CCD相机、EBSD采集等等
在PMMA中能量沉 积是位置的函数，蒙特 卡罗模拟计算和腐蚀法 实验测定的结果如图
相互作用区的线性体积a.随原子序数的增加而减小； b.随电子束能量的增加而增加；c.电子束与样品的 角度关系是倾斜角增加时，相互作用区变小
对于电子在固体中的穿行距离，即所谓的“电子范 围”有两种常用的模型来考虑： 蒙特卡罗电子轨迹模拟图 1.Bethe范围
BSE电子图像
BSE电子图像
二次电子图像
背散射电子象中成分象 和形貌象的分离
COMPO象-成分象
TOP象-形貌象
2.形貌反差 背散射电子和二次电子的产生与电子束和样品之间的入 射角有关，入射角因样品表面的形貌起伏而变化，这就形成 了样品的形貌反差。在普通的扫描电子显微技术中形貌反差 是最重要的反差。 对形貌反差有贡献的几种效应： a.总的背散射系数，随样品的倾斜成单调函数增加 b.背散射电子的角度分布于样品的倾斜角有关。在垂直入射 θ=00时，分布遵循余弦定律，而在θ>00时，这个分布在向 前散射的方向上趋于一个明显的峰。 c.总的二次电子系数随表面的倾斜角而变化，近似为 δ∝δ secθ =δ 0/cosθ ,因此倾斜表面产生的二次电子比垂 直电子束表面的多。
0.2mm 0.2mm WD D M M R
M为放大倍率，ＷＤ为工作距离，Ｒ为末级光 阑半径 a=R/WD
§4-2 探测器
1.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 E0为入射电子束能量，对中高原子序数的材料，背散射电子能 量分布的峰值在08-0.9 E0处。 E-T探测器：该探测器由Everhart-Thornley于1960年研制 成功。 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 一个光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，可产生一个 增益为105-106的输出脉冲，且噪音 小、频带宽。闪烁体上覆盖着一层铝， 偏置+10v电压，用于加速收集的二 次电子。
二次电子信号
X射线
1.X射线的产生：在束电子发射非弹性散射的过程中，可观 察到能量正好处于X射线电磁波的谱段内辐射，X射线以两种 不同的过程形成。 a)束电子在原子实（原子核与紧密束缚的电子组成）的库伦 场中减速形成能量连续的X射线谱（韧致辐射） b)束电子与内壳层电子相互作用，驱出束缚电子，原子处于 激发态，电子壳层留出一个空位，在随后的去激过程，某个 外层电子发生跃迁填充这个空位，这个跃迁过程伴随着能量 变化，原子以发射X射线的形式释放能量。发射的X射线的能 量与原子中确定能级间的能量有关。这种X射线称为特征X射 线。
三：电子束与样品的相互作用
SEM能显示各种图像的信息是由于电子束与样品的相互 作用而产生的各种信号。选择参数合适的电子束照射到样品 上，形成图像的信息来源于样品上电子束照射的部位，理想 情况是信息取样面积应该等于电子束的直径，但是实际上并 非如此。 １.散射 ２.相互作用区 ３.背散射电子 ４.二次电子 ５.特征Ｘ射线
E-T探测器的特点： 1.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。 2.二次电子和背散射电子都可以检测。 3.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%。 TTL探测器
二次电子在透镜磁场中做螺旋 运动通过透镜到达探测器，基本排 除了背散射电子，收集到的是束电 子产生的二次电子和背散射电子激 发的二次电子，大大提高了分辨率。
K线系
L线系
小结
样品的成分、加速电压都影响相互作用区，一般情 况下，相互作用区比束斑大，每种信号从固体发出的空 间范围，是决定扫描图像空间分辨能力的重要因素。