SEM中各种电子检测器引起的检测效果和图像对比度

摘要二次电子探测器和背散射电子探测器与物镜之间的位置关系会极大地影响SEM图像的外观。通用型扫描电镜所使用的镜筒外探测器具有很强的检测效果，可以很容易地看到样品表面的凹凸不平。超高分辨率SEM中使用的TTL探测器的对比度与镜筒外探测器的对比度明显不同，显示效果较弱，难以看到凹凸不平，但在低加速电压下，通过选择检测电子的能量，可以分离出表面的形态和成分信息。在解释图像时必须注意，因为照明的方向会根据工作距离的不同而改变。通过计算对称设置在光轴上的反射电子探测器的输出，可以将组成信息与不均匀性和凸度信息分开。在透镜外检测器和下检测器的情况下，如果不考虑检测器的方向，不均匀性可能被误认为是正常的结果。1.首先二次电子检测器和背散射电子检测器检测从样品发射的二次电子和背散射电子并将其转换为图像信号，根据它们放置的位置对SEM图像的外观有很大影响。特别是，超高分辨率SEM中使用的TTL探测器的对比度与通用SEM中使用的透镜外探测器的对比度显著不同。在这篇文章中，我们将总结各种SEM中使用的探测器类型以及所获得的图像对比度的差异，同时触及透镜外探测器和下部探测器在检测效果和不均匀性方面的差异，为了防止数据的误解。我们想提一下避免这种情况的预防措施。2.二次电子探测器2.1 基本结构

为了检测二次电子，使用了所谓的ET检测器（Everhart-Thornley检测器），该检测器结合了闪烁体（荧光物质）和光电倍增管。将约10 kV的高压施加到闪烁体表面，产生的电场加速从样品发射的二次电子，使这些电子与闪烁体表面碰撞并发光。该光被光电倍增管放大并转换成电信号。

2.2 探测器类型

二次电子探测器根据其相对于物镜的位置分为两种类型。其中一个放置在物镜和样品之间的空间中（图1a），称为透镜外检测器。这种布置，自SEM开发之初就已使用，并用于许多通用SEM。另一个放置在物镜上方（图1b），称为TTL（Through The Lens）探测器，它通过物镜的磁场来探测二次电子，常被应用于超高分辨率SEM。

2.2.1 透镜外检测器的特性

SEM图像的凹凸感受到探测器位置的强烈影响。换句话说，从与用光观察物体的相似性来看，可以认为从入射电子探针的方向观察被来自检测器位置的光照射的样品，由于它偏离了探针方向，即，从光轴看，获得了强烈的照明效果，就好像光从该方向照射一样，导致强烈的不平坦感。如图2所示，二次电子和反射电子进入实际的二次电子探测器，但由于二次电子的能量较低，即使是与检测器相反方向发射的二次电子也会被检测器的高电场所偏转而进入检测器，形成无影灯似的对比。另一方面，只有从样品向检测器发射的背散射电子以直线进入检测器，而那些沿相反方向发射的电子不形成图像对比度。因此，正是背散射电子使SEM图像具有三维的外观。在低加速电压下，背散射电子的能量较低，因此照明效果稍弱。

图2：透镜外部探测器的照明效果

在透镜外检测器中，被称为收集器的辅助电极被放置在闪烁体的前面，并且向该电极施加-50V至+300V的电压。该收集器用于通过有效地收集二次电子或相反地抑制二次电子来保护闪烁体。图3以IC的焊盘表面为例。图3a显示集电极电压为+300 V，图像明亮，二次电子探测效率高，但表面几乎没有三维效应。另一方面，在图3b中，集电极电压设置为-50 V，二次电子被阻挡，图像仅由背散射电子形成，因此发光效果较强，镀层上出现细微的不规则现象可以观察表面。

图3：收集极电压引起的检测效果差异。样品：IC焊盘表面；加速电压：1kV；工作距离=8mm。a收集极电压：300V；b收集极电压-50 V。2.2.2 TTL探测器的特点（透镜内式物镜）

超高分辨率SEM使用强激励物镜时，样品上的漏磁场很大，因此样品发射的二次电子被俘获在漏磁场中，因此用透镜外检测器很难检测。为此，开发了放置在物镜上方的TTL探测器，从样品中发射的二次电子被TTL探测器的电场加速，同时被样品上方的漏磁场和物镜磁场困住，当物镜磁场减弱时离开光轴，进入探测器的闪烁体表面。在TTL探测器的情况下，检测方向和电子束照射方向相同，因此照明效果较弱，图像缺乏三维效果（图4）。可以在二次电子检测器前放置一个能量过滤器，以分离表面形貌和成分信息，如"通过能量选择（E×B）"及“磁场与静电场的复合透镜的SEM”进行信号检测。

图4：TTL检测器的检测效应3. 下部探测器

当二次电子探测器放置在物镜下方的空间中时，该探测器称为下部探测器。如图5所示，在TTL探测器探测低能二次电子的同时，高能背散射电子则不受物镜杂散磁场的影响进入下探测器并被探测到。此外，在物镜关闭的低倍率模式下，TTL检测器难以检测到的二次电子也会进入下部检测器。下部探测器与透镜外探测器类似，但图像主要由背散射电子形成，因此与透镜外探测器不同，图像具有强烈的阴影。图6显示了碳基底上沉积的金颗粒的SEM 图像，比较了TTL探测器（图6a）获得的图像和下部探测器（图6b）获得的图像。在图6a中，可以看到金颗粒的形状，但无法确定凹凸程度。

图6：TTL探测器和下探测器图像的差异。样品：碳基底上蒸发的金颗粒；加速电压：5kV；工作距离=8mm。a：TTL探测器；b：下部探测器。

4. 背散射电子探测器

由于背散射电子具有高能量，因此与二次电子不同，它们不需要高电场来加速，可以使用半导体探测器或闪烁体/光电倍增管的结构简单的探测器就可以收集。背散射电子具有取决于原子序数的成分信息，以及样品表面粗糙度的信息，但原子序数的依赖性比二次电子更强。如果样品的表面是平坦的，则可以获得原样的成分对比表征，但如果表面是不平整的，则采集到的信号将是不平整形貌和成分信息的混合信号。当使用具有围绕光轴对称结构的背散射电子探测器时，由于照明效果较弱，起伏的形貌信息的比例会减少，而获得更多的组成信息。

当两个具有相同特性的探测器关于光轴对称放置时，将输出信号相加即可得到合成图像，即得到凹凸图像。使用这种不均匀图像使得照明效果比普通二次电子图像强得多，使得即使是轻微的不均匀也更容易看到。图7是与图6具有相同视场的背散射电子图像。在图7a的成分图像中，碳基底是暗的，沉积的金颗粒是亮的，此外，在金颗粒中观察到电子通道对比度，如箭头所示。在图7b的形貌Topo图像中，碳和Au之间的亮度几乎没有差异，并且在右侧照明下可以观察到金颗粒的表面形貌，并且没有观察到电子通道对比度。与图6b所示的下探测器获得的图像相比，可以看出下探测器包含成分信息，而背散射电子探测器获得的不均匀图像几乎不包含成分信息。图6b和图7b之间照明方向的差异是由探测器的放置引起的，并不是根本问题。

图7：背散射电子探测器的成分图像和Topo形貌图像。样品：碳基底上蒸发的金颗粒；加速电压：5 kV；工作距离=8mm。a：comp成分像。b：topo形貌像。5.检测器位置对形貌凹凸感的影响

透镜外的检测器有很强的照明效果，所以如果不考虑检测器在屏幕上的方向，样品形貌的凹凸感可能会被误解，这取决于样品表面的形状。图8中显示了一个事例。在图8a中，箭头看起来是凹的，而在图8b中则是凸的。在图8a中，检测器被放置在屏幕上方并被其照亮，这代表了样品的真实的凹凸表征。在图8b中，检测器被放置在屏幕下方。通常情况下，检测器被设计在屏幕上方，但请注意，如果在样品室中安装了几个检测器，由于设计上的限制，不一定能将所有的检测器放在适当的位置。

图8：形貌凹凸感的差异取决于检测器的位置。样品：蛋壳，加速电压：5kV；WD=10mm。

在下部检测器的情况下，应该注意到，探测器的表观方向会根据工作距离（WD）而改变。这是由于WD越短，物镜的漏磁场就越强，这就改变了反射电子的发射轨迹，其方向与检测器的方向不同，它们就会进入检测器。图9显示了一个集成电路电极的图像，作为一个例子。实际的检测器位于屏幕的左上方，在WD=15mm时（图9a），表观检测器方向与实际检测器方向几乎相同，而在WD=6mm时（图9b），表观检测器方向逆时针旋转了约90°。图10显示了图9中逆时针旋转135°的图像，而在图10a和10b中的形貌的凹凸感，似乎是相反的。

图9：不同工作距离下检测器的照明方向的变化。样品：IC电极。加速电压：1kV。a：WD=15mm；b：WD=6mm。

图10：图像旋转时形貌凹凸感的差异。样品：IC电压。加速电压：1kV。a：WD=15mm；b：WD=6mm。

这意味着，当使用扫描旋转（电子图像旋转功能，也称为光栅旋转）时，根据旋转角度的不同，形貌的凹凸感可能会被误解。

6．结论

随着SEM功能的进步，安装了各种类型的电子探测器，使得可以以各种方式使用样品发射的电子所拥有的信息。这意味着如果出现一个错误，信息可能会被误解，为了防止这种情况，有必要在使用探测器之前充分了解探测器的特性。

原文的参考文献：1）Everhart, T.E. and Thornley, R.F.M.: J. Sci. Inst., 37，246–248（1960）2）Kimoto, S., Hashimoto, H. and Suganuma, T.: Proc. Electron Microprobe Symp., Washington D.C., 1964, p. 480