FESEM荷电消除技术中各参数的选择机制研究

蔡志伟，任小明，邓锐

(湖北大学材料科学与工程学院， 湖北 武汉430062)

0 引 言

场发射扫描电子显微镜(Field emission scanning electron microscopy，FESEM，本研究的设备型号为Carl Zeiss, Sigma 500, Germany 配备Bruker XFlash 6|30 EDS)凭借其分辨率高、景深长和操作简单等特点在材料研究领域有着广泛的应用[1-3].荷电现象是影响采集的图片质量的最重要的因素之一[4-6].这是由于入射电子与出射电子不平衡导致样品中的电荷在样品表面不均匀聚集，随着后续电子束在样品表面的持续扫描，使得二次电子的产生、运输和出射的过程被动态的影响，导致出现白线、抖动、漂移和局部发亮等现象，严重影响图像质量.黎爽等人提出了7种荷电现象的解决方法，如镀膜、降低加速电压、改变探测器、快速扫描等[7-9].但是随着FESEM分辨率的不断提高，镀膜会一定程度地掩盖材料的真实形貌，甚至融化材料表面，造成错误的科学结论.目前对扫描电镜中的荷电现象的相关报道较少，解释不够清晰和深入，只有对消除荷电现象的操作技术和原理的简单介绍，少有简单清晰的消除荷电现象的参数选择思路.

本研究以几种有代表性的不导电纳米材料如土壤、聚合物微球、块体材料、ZnCo2O4纳米针、石膏等为研究对象，从荷电现象产生的原理出发，调整了加速电压、探测器、扫描方式等参数，成功探索了一条简单的消除荷电现象的参数选择思路，并且提出了一种高电压消除荷电现象的方法.为获得清晰的荷电样品的显微形貌信息提供了参考.

1 荷电效应的产生机理

荷电现象是指排除场地因素，由电子束与样品相互作用引起的图片抖动畸变漂移、噪点增加、明暗对比异常、立体感缺失等一系列不和谐的扫描电镜成像出现的现象.荷电效应是影响扫描电镜照片质量最重要的因素[10].由于扫描电镜中入射电子束与样品的作用，入射电子束电荷和离开样品的电荷不守恒导致样品表面荷电积累，从而引起表面产生过剩的电子或者空穴.并且样品表面的形貌会进一步影响表面电荷的分布，形成复杂分布的变电场，从而动态地影响二次电子的产生、输运和采集，进而导致不同样品产生不同的荷电现象.基尔霍夫电流定律可以被用来解释荷电现象，即在任一时刻，流向某一节点的电流之和恒等于由该结点流出的电流之和，表达式如下：

(1)

式(1)中，η为背散射电子产额；σ为二次电子产额；Isc为接地电流；Q为时间t内的放电电荷.在扫描电镜中，入射电子的电流Ib等于背散射电子电流ηIb、二次电子电流σIb、样品接地电流Isc以及荷电电流之和.对于表面有良好导电通路的样品(样品本身是良导体或者表面具有连续导电膜并与金属底座进行了良好连通)，入射电子束产生的荷电电流能够及时地导出而不在样品表面积累，所以不存在表面荷电现象(即dQ/dt=0).即使(σ+η)不等于1，也可以通过接地电流的自动平衡保证上式的成立.

对于表面没有连续导电相的样品，接地电流Isc趋近于零，假设样品不产生荷电效应，那么dQ/dt=0，根据公式(1)可知

η+σ=1

(2)

入射电子的数量必须与产生的二次电子与背散射电子的总和相等，否则该点会出现电荷积累，产生荷电现象.图1为出射电子总额随加速电压的变化示意图.入射电子束的能量V作为横坐标，二次电子产率与背散射电子产率之和作为纵坐标.

图1 出射电子总额随加速电压的变化示意图

由图1可见，只有当加速电压刚好调节至V1或者V2时，样品出射电子总额才能与入射电子数相等，即σ+η=1，使样品表面电荷平衡，不存在充电的问题.当加速电压大于V2或者小于V1时，σ+η<1，样品表面产生的出射电子(二次电子和背散射电子)的总和少于入射电子数，表面呈负电位，在负电场的作用下将使二次电子获得加速，让更多的二次电子被探测器接收到，所以在这种情况下，二次电子图像往往变得发白；而当加速电压介于V1和V2之间时，样品表面产生的出射电子的总和多于入射电子数，σ+η>1，样品表面存在过多的空穴，在表面形成一个正电位，能将部分二次电子吸引回样品内，使探测器中接收到的电子数量减少，从而在二次电子或者背散射电子像中呈现局部发黑的现象.

2 荷电问题解决技术

2.1 低电压技术的应用通过上述原理分析可知，调节加速电压到V1或V2值可以有效解决荷电效应.因为V1值非常低，此加速电压下的像差影响非常大，并且图像信噪比也非常低，因此，一般寻找V2值.那么如何确定V2值呢？

目前在理论和实践过程中主要采用两种寻找方法：一种是逐步降低加速电压，直到有效解决荷电效应为止.但是很多样品的荷电现象非常严重，这就使得这种直接的方法不能解决比较严重的荷电问题.对于荷电问题不太严重的样品，也只能寻找一个模糊的V2值.另一种方法是使用X线能谱仪，测定样品在加速电压下激发的背底谱峰的Duane-Hunt值来准确的测定V2值.

能谱图上Duane-Hunt值是指X线韧致辐射(背底峰)的能量上限(EDH).导电样品的EDH与入射电子能量E0相同.当EDH与E0不一致时，表明样品表面有正或负电场出现，产生荷电现象.如图2所示，为非导电样品在15 kV的加速电压采集的二次电子形貌图和X线能谱图.从EDS图谱中可以明显观察到X线连续谱(谱图背底)的最大能量值只有13.9 kV，低于实际的加速电压值.说明样品表面存在荷电现象.从相应的SEM图也可以直观地观察到明显的荷电现象.

图2 非导电样品的二次电子图像和异常发亮位置的X线能谱图

当高能电子射入样品表面，受原子核及核外电子的库仑作用时，入射电子将被迫连续减速，释放的能量形成韧致辐射，从而使EDS收集到样品的背底峰.由于入射电子受原子核库仑场作用是个随机过程，所以韧致辐射的能量从0 kV延伸至入射电子束的能量E0.当样品表面积累大量正电荷时，样品表面形成的正电场会加速入射电子进入样品内，从而导致EDH>E0；而当样品表面积累负电荷时，样品表面形成的负电位电场则会排斥入射电子进入样品内，从而导致EDH

图3 土壤样品在不同电压下的Duane-Hunt测量值

图4展示了该样品在不同加速电压下的EDH值与导体样品的理论值的函数关系，图中交点为该样品电子束入射点的电荷平衡点，相应的电压值即为该样品的V2值.图中显示该样品的V2值为1.9 kV.为了验证V2值，采用1.9 kV加速电压对该非导电样进行观察，如图5所示，获得了清晰二次电子图像.图像衬度较好，能观察到清晰的细节，没有任何的荷电现象.从对应的能谱图可观察到，该材料的背底峰正好延伸至1.9 keV，印证上述V2值的确定方法.

图4 土壤样品在不同电压下Duane-Hunt测量值与理论值

图5 土壤样品在不同电压下Duane-Hunt测量值与理论值

2.2 其他消除荷电现象的技术由于某些样品表面不均一的物理性质，测定出来的V2值不一定适用于整个视场.随着入射电子的持续扫描，同一视场内样品表面的某些位置仍然可能产生荷电现象，影响图片质量.这时就需要采用其他方式进一步削弱荷电现象.如改变探测器，扫描方式等.

2.2.1 探测器的选择 场发射扫描电镜一般都配备有多种二次电子探测器.高位二次电子探测器，一般位于镜筒内物镜上方，常称为In-Lens探测器或TLD探测器.它借助于透镜磁场力提升信号电子来进行收集；低位二次电子探测器则处于物镜极靴下方的样品室侧面，通常采用E-T探测器，直接接收信号电子，两种探测器的位置示意图如图6所示：

图6 场发射扫描电镜高、低位探测器示意图

图6展示了高位二次电子探测器呈环形分布在物镜正上方，正对样品表面扫描区域，能大角度捕捉信号电子.并且物镜中间的强磁场具有极大的助推力，使高位探测器对二次电子捕捉能力増强.所以样品的信噪比高，图像更清晰.但当样品表面存在荷电现象时，该探测器所收集到的二次电子数量变化幅度也会受到更大的影响.而低位二次电子探测器位于侧面，捕捉信号电子的角度较小，对能量较低的二次电子捕捉能力较弱，样品表面的荷电效应对该探测器所收集到的二次电子数量影响相对较弱，相比于高位探测器，低位探测器可以进一步削弱荷电效应.

以ZnCo2O4纳米针和PMMA微球为例，分别采用In-Lens(高位探头)和ET-SE探测器在相同的加速电压下采集样品的二次电子信号进行成像，结果如图7所示：

图7 In-Lens和ET-SE探测器采集的SEM图像

图7展示了不导电的ZnCo2O4纳米针和PMMA微球的高位In-Lens探头成像(左)和ET-SE低位探头成像(右).当使用In-Lens探测器采集二次电子成像时，图像衬度丢失，并出现黑线(箭头所指)，这是严重的荷电现象.然而，使用低位ET-SE探测器采集二次电子成像时，则可以有效地减轻荷电现象，重现良好的衬度并消除黑线，获得了材料的真实形貌.

2.2.2 成像信号选择 一般来说背散射电子能量远大于二次电子能量.鉴于样品表面荷电场对其干扰极小，当样品表面存在不太严重的荷电场强度时(不会使图像严重漂移抖动)，利用背散射电子成像应该可以有效避免荷电现象.图8展示了聚苯乙烯微球(简称PS微球，一种不导电的聚合物材料)二次电子、背散射电子和二者混合信号的扫描图像.

图8 不同信号电子成像效果

当采用二次电子成像时(图8A)，图像中存在许多明显的放电条纹；当采用50%的背散射电子和50%的二次电子混合成像后(图8B)，荷电现象明显减轻了；当完全采用背散射电子信号成像后(图8C)，荷电现象完全消失.因此，可采用背散射电子像或混合一定比例的背散射电子像来减轻荷电现象.

2.2.3 降噪扫描方式选择 荷电现象是样品表面荷电积累的结果.如果减少入射电子束作用于样品表面成像点的时间，就能降低荷电积累的速度，理论上也可以削弱荷电效应.目前的扫描电镜均有很多不同的扫描模式.例如：帧积分(Frame integrate)模式、帧平均(Frame average)模式、线积分(Line integrate)模式、线平均(Line average)模式、像素平均(Pixel average)模式、连续平均(Continuous average)模式等.这些模式基本是通过叠加或者平均每个像素点或者相邻像素点的信号来达到增加信噪比的目的，从而提升图像清晰度.可以通过调节每一点的驻留时间或者积分/平均次数来控制图像的质量.

石膏是一种典型的不导电块状样品，一般应采用低电压模式.由于石膏的导电性非常差，并且对加速电压非常敏感，很难准确找到适合它的V2值.即使在5 kV下采集图片，也存在明显的荷电现象，影响图片质量(图9中左图所示).但对其采用连续平均(Continuous average)模式，荷电现象完全消失(图9中右图所示).获得了清晰、消除荷电现象的微观石膏形貌图片.

图9 石膏在不同扫描方式下的FESEM图片

当然，同样的降噪扫描方式，电子束在每个像素点上的驻留时间不同，则荷电现象也差别很大.如下图10所示，ZnCo2O4纳米针是导电性极差的样品，针状结构使其放电更加严重，即使在5 kV的低加速电压下，使用连续平均的降噪模式，当驻留时间选择不够短时也会出现严重的荷电现象(如图10左图12.8 μs和图10中图1.6 μs).只有电子束驻留时间小到50 ns时荷电现象才完全消除.这是因为当驻留时间足够小时，电子束再次扫描到同一点的时间间隔内，积累的电荷少量电荷快速释放，不足以呈现明显的荷电现象.而驻留时间越长，该点积累的电荷越多，相应荷电现象越明显.

图10 不同驻留时间成像效果

2.2.4 减小探针电流 减小驻留时间(dwell time)可以有效降低荷电积累，解决荷电问题.同理，降低探针电流也可以有效降低荷电积累，从而减轻荷电现象.探针电流是指从电子枪阴极发射并到达样品表面的电子束电流量，其大小会影响图像的信噪比.通过调节光阑或Spot size进行调节.大探针电流有利于提高图像的信噪比，而小探针电流则相反.对于导电性差的样品，适当降低探针电流可以减少样品表面产生的电荷积累，从而减轻荷电效应.如图11所示，当采用20 nA的探针电流时，样品表面积累电荷，出现图像扭曲的荷电现象.降低探针电流至0.1 nA时，样品表面电荷平衡，没有任何荷电现象，图像清晰.这证明了较小的探针电流可以有效降低荷电效应.

图11 不同探针电流下PS微球表面荷电情况

2.2.5 提高加速电压 除了上述解决荷电问题的技术之外，在某些情况下提高加速电压也可以有效避免样品充电，以此达到消除荷电的目的.有些材料的V2值比较难找或者其值太低导致图像信噪比太差，影响图像质量.当样品尺寸比较小时，可以通过提高加速电压消除荷电效应.例如，聚苯乙烯微球(PS)的导电性太差，不容易找到合适的V2值.如图12(左)所示，直径为300 nm的聚苯乙烯微球在1.5 kV低加速电压成像，样品表面依然会出现荷电积累现象，图像异常发白.当加速加速电压提高至5 kV时，聚苯乙烯微球表面的荷电现象竟然完全消失(图12右).

图12 直径为300 nm的聚乙烯球的二次电子像

图13 不同加速电压下电子束在聚苯乙烯的穿透深度

如图13，根据蒙特卡洛方法模拟电子束在聚苯乙烯球中的扩散深度可以分析上述现象的原因.当加速电压为1.5 kV时，电子束扩展深度约为100 nm，对于直径为300 nm不导电的微球而言，电子束的扩散区域仅集中于微球内的上半部区域，未能穿透该球.此时没有形成有效导电通路，存在大量电荷聚集在样品的表面，所以存在荷电现象.当加速电压增加至5 kV时，其电子束扩展深度达700 nm，绝大部分入射电子束都将穿透聚苯乙烯微球，通过导电底座形成接地电流，有效降低荷电现象.

3 总结

在扫描电镜的使用过程中，不同材料表面的荷电效应是复杂的.深入了解荷电现象产生的原因，应用相对应的解决方案是有必要的.本文中采用基尔霍夫电流定律作为理论依据，优先使用低电压技术，找到合适的V2值.使入射电子的数量等于产生的二次电子与背散射电子的总和，从而消除表面荷电积累现象，解决荷电问题.在此基础上，改变探头、扫描方式，调节驻留时间、探针电流等参数，近一步降低荷电效应.并提出了一种高加速电压消除荷电现象的方法和原理.结合大量的实验实例，展示了面对不同荷电程度的样品使用的不同技术.通过两种或多种方法联用，使荷电效应得到很好的解决.