为什么你拍的SEM图像不清晰？

 

SEM图像模糊的原因

 

前言

 

图像模糊是频发的现象，尤其是高放大倍率、参数设置不合适等情形。有些模糊是可以克服的，比如选择合适的参数，比如更好地合轴和消像散；有些这是难以克服的，比如作用区较大导致的信号重叠等。探析图像模糊的原因，可以让我们找到应对策略，或者触碰理论的界限。

 

1 图像模糊的原因探析

 

探析前先回顾一下扫描成像的原理：电子束形成比较细的探针，然后逐点扫描。在理想情况下如图1a所示：1. 准确地将探针定位到所需的位置，而不让它跑到其他地方；2. 每个像素最好充分代表了本像素内的信息，并不与临近的信号发生重叠；3. 电子束在每个像素停留足够时间以收集足够的信号量。

 

但是，实际情况总有例外，想象以下情形：束斑、束流太小导致信号量太小，如图1b所示；作用点（束斑）太大或者激发的信号区域太大，大出了本区域而作用到临近的位置，相邻区域的信号发生了混合，见图1c；又或者束斑非圆形，而呈椭圆形，如图1d所示；样品移动或者电子束移动，见图1e。

 

图1 图像模糊的成因

 

在图1a所示的理想情况下，束斑或信号逸出区应该与样品像素/扫描步进尺寸相仿，一方面不会采集临近区域的信号而导致信号干扰，一方面也充分激发了信号保证图像信噪比。然而，图1b有时也会出现，比如使用了很小的光阑导致束流很小，图像信噪比较差，图像因信噪比较差而显得模糊；图1c在高倍成像或聚焦不良时较常见，束斑或信号逸出区显著超出了样品像素；图1d则会出现在合轴和消像散不良等情况，图像会呈现往一个方向的拉伸；图1e会在样品荷电或漂移的时候出现，图像会出现断层或者水平方向的扭曲。

 

下边分类进行更具体的分析。

 

2 信号区域导致的模糊

 

在图2a中，束斑小于样品像素。但是前者小于后者未必就能保证成像清晰，还要考虑信号逸出区的大小跟样品像素的比较，所以图b和c比较了逸出区跟像素大小。在图2b中，对于高分辨信号，比如SE₁跟束斑相仿，也不存在信号干扰，使用纯SE₁的信号，则图像可能在高倍率下仍旧清晰；在c中，对于低分辨信号，比如BSE信号或SE₂和SE₃的混合信号，则可能因其信号逸出区太大，临近信号干扰导致图片模糊。当然，如果临近信号的干扰不严重，图片的模糊也不严重，干扰严重时图片自然也就比较模糊。

 

图2 信号逸出区对图像的影响

 

图像清晰与信号区重叠的关系，可以类比成犯罪调查。假设警察审讯数位犯罪嫌疑人以还原案件原委。在理想情况下，应对每个人进行隔离调查，对每个人录口供；如果嫌疑人之间串供则增加了审讯的困难，使案情更为扑朔迷离。

 

图3为实例：a图中物镜内探测器以SE_1,2为主，逸出区较小，所以反映表面信息（表面的小黑点）比较清晰；b图的仓内探测器信号比较多，存在逸出区较大的信号SE₃和BSE，所以仅就反映表面信息而言，图像比较模糊；c图的BSE探测器以BSE为信号，来自较大的逸出区，仅就表面信息而言几乎看不到表面的有机物残留。当然，c图也可以反过来利用逸出区大的特点，专门利用BSE反映的取向信息来看到晶粒，或者忽略表面的污染。

 

图3 信号逸出区影响的实例

 

3 束斑与放大倍数的匹配

 

根据放大倍数的公式（见专栏6），随放大倍数增加，扫描步进（样品像素）变小。

 

对于图4而言，如果选择小光阑，在其他条件相同时，会获得较小的束斑，对应较小的束流。在中低倍时，样品像素远大于束斑，可能图像的信噪比会稍差，可能一些较弱的特征难以被一眼识别。当然，当采集图片时，驻留时间比观察时长，图像依然清晰。但是，在高倍时（比如100 k），样品像素跟束斑相当，仍能获得清晰的图像。

 

图4 信号逸出区影响的实例

 

相反，若选择大光阑，在其他条件相同时，会获得较大的束斑，对应较大的束流。在中低倍时，样品像素跟束斑相当，束流较大使得图像的信噪比较好，一些较弱的特征可能在观察模式下被识别到。然而，在高倍时，束斑远大于样品像素，这样难以避免临近信号之间的干扰，图片变得模糊。

 

4 移动导致的错位

 

在对电子束敏感样品、绝缘样品或固定不牢样品成像时，偶见图像中错位模糊，见图5所示。一种是样品未动、电子束的位置发生偏移：样品附近或表面的电场可能会干扰电子束的定位，导致一些错行。另一种是样品发生了漂移，比如受热、损伤或单纯的机械移动。

 

图5 图像错位的原因

 

此外，如果环境存在振动或电磁干扰，导致电子束的定位错误也会导致类似的现象。

 

5 驻留时间太短

 

在观察时需要移动样品，为防止图像拖影，通常选择较快的扫描速度，每个像素上的驻留时间很短，信号量不足导致信噪比稍差。相反，在拍摄时，通常选择稍慢的扫描速度，以获得高信噪比的图像。

 

然而，荷电、样品漂移都会使得拍摄时的图像发生错位，见图6左图。可使用很快的速度抓拍图像，可能消除错位但是模糊依然存在，见图6中图。

 

图6 驻留时间和降噪模式对图像质量的影响

 

可以针对移动的原因进行消解，比如改变加速电压或降低束流等。如图6右图所示，此时采用漂移矫正也是一种便捷的方法，它通过比较多帧图像来识别漂移再进行叠加补偿（见专栏6）。

 

6 束斑形状变化

 

在专栏7中，束斑被等效成圆形，但是有些情况下束斑未必为圆形。当存在明显的像散时，束斑形状会类似椭圆形，而且会斜跨多个像素，见图7和图1d所示。

 

图7 有无像散对成像的影响

 

当存在像散的时候，在正焦时束斑大于无像散时，图像模糊但是无方向性畸变；当欠焦和过焦时，束斑呈椭圆状且畸变方向相反。

 

此外，镜筒和物镜的成像缺陷（即像差）也会带来成像时的畸变，如合轴不良使得在聚焦时样品出现横向位移，鱼眼模式下周边图像的模糊等。

 

7 远离正焦

 

在正焦状态下，若焦斑小于样品像素，没有像素之间信号的干扰，成像清晰；在过焦和欠焦状态下，若会聚截面远超样品像素，则会存在临近间信号干扰，会导致成像模糊（专栏6）。对于形貌起伏较大的样品，电子束不能在在每个区域被聚焦，在正焦区域外的区域必然出现过焦或欠焦的状态，超出严重也会使得图片模糊。

 

如图8所示的晶须，高处可能处于欠焦状态，低处可能处于过焦状态，并且会聚截面远超样品像素，则必然在图片上表现出模糊。仅在正焦的一定垂直范围内，会聚截面跟样品像素相当，在图片中较为清晰。

 

图8 样品高度的影响

 

像图8这样既有清晰的区域又有模糊的区域，而且样品是高低起伏较大的样品，涉及到景深概念，下栏我们将讨论景深，敬请期待。

 

参考文献

 

(1) 施明哲. 扫描电镜和能谱仪的原理与实用分析技术[M]. 电子工业出版社, 2015.

(2) 张大同. 扫描电镜与能谱仪分析技术[M]. 华南理工大学出版社, 2009.

(3) 高尚，杨振英，马清，等. 扫描电镜与显微分析的原理、技术及进展[M]. 广州: 华南理工大学出版社，2021.

(4) Reimer L. Scanning Electron Microscopy — Physics of Image Formation and Microanalysis, 2nd [M]. Springer, 1998.

(5) Goldstein J, Newbury, D E, et al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, 3rd[M]. Springer, 2003.

(6) Goldstein J, Newbury, D E, et al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, 4th[M]. Springer, 2018.

(7) Ul-Hamid, A. A beginners' guide to scanning electron microscopy[M]. Springer, 2018.

(8) Suga M, Asahina S, Sakuda Y, et al. Recent progress in scanning electron microscopy for the characterization of fine structural details of nano materials[J]. Progress in Solid State Chemistry, 2014, 42(1): 1-21.

(9) Xing Q. Information or resolution: Which is required from an SEM to study bulk inorganic materials?[J]. Scanning, 2016, 38(6): 864-879.

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