3.21　背散射电子的探测方式和图像

当入射电子与试样相互作用后，其中有一部分电子会返回试样的表面而逸出，则这部分返回到试样表面而逸出的原入射电子被称为背散射电子（BSE），有的文献称之为背反射电子。在实际成像过程中，人们通常根据能量的大小对电子进行分类，能量大于50eV而小于入射束能量E0的电子称为背散射电子，大部分的背散射电子的能量为原入射能量E0的70%～90%。利用背散射电子来成像而所获得的图像称为背散射电子像（BSEI）。背散射电子像在电镜成像中的使用率和图像的分辨力也都是比较高的，它仅次于二次电子像（SEI）。目前，场发射扫描电镜的背散射像最高几何分辨力可达1.5nm，原子序数的最高分辨力可达0.1Z。图3.21.1是一张高分辨力的背散射电子像的照片。

背散射电子像的基本性质和特点：

（1）其成像信息主要是来自返回试样表面的原入射电子，大部分背散射电子的能量小于但又接近原入射电子的能量。

（2）由于入射电子在试样中产生背散射电子的激发区比起产生二次电子的激发区范围更大，故背散射电子像的几何分辨力远不如二次电子像，对于中等元素，BSEI的分辨力与SEI相差约2倍。

（3）由于背散射电子的能量较大，故其出射方向基本上不受试样表面上弱电场的影响，而且是以类似点光源的形式以直线方式沿其径向轨迹散射开来，因此只有出射方向正对着探测器的背散射电子才可以被探测器所收集，并且在背散射探测器有效面积所覆盖区域内的立体角越大，其接收的效率越高，所成的图像分辨力和信噪比也会越好。

（4）背散射电子的空间角度分布与入射电子束和试样表面的入射角有关。

（5）高角度（>30°）的背散射像适用于显示原子序数衬度，低角度（≤30°）的背散射像适用于显示试样表面的几何形貌衬度。

蔡司公司的ULTRA和HITACHI公司8000系列的扫描电镜中都装有典型的高角度的BSED，它们使用的那种高角度探测器对试样的半张角为10°～15°。用这种环形的高角度的探测器来做BSEI可以增强图像的化学组分衬度，特别是对轻和超轻元素的组分探测更灵敏，不同元素之间的组分反差会更明显。

在扫描电镜中非弹性散射的背散射电子的能量分布范围很宽，从几十电子伏特到几十千电子伏特。从数量上看，弹性背散射电子所占的份额远比非弹性的背散射电子多。背散射电子的激发区随加速电压的升高而增大，对于中等原子序数的元素，背散射电子的产生深度主要来自距试样表面1～2μm的深度，轻元素和超轻元素试样的背散射电子的产生深度为试样表面以下2～3μm。在一定的加速电压下，由于背散射电子的产额基本上随试样组分的原子序数的增高而增加，如图3.21.2中的曲线所示。因此，用背散射电子作为成像信号不仅能分析试样表面和亚表面的形貌特征（纯形貌像），而且还可用于显示试样表面和亚表面的化学组分的分布特征（原子序数衬度像），在一定的范围内能对试样表面的化学组分分布进行粗略的定性分析，图3.21.3中左上图的背散射电子成分像能很好地与其相应的能谱面分布图相对应。

1. 背散射电子的探测方式

由于不同厂商生产的扫描电镜的型号不同，其背散射电子探测器和探测方式的结构与布局也都有差异，常见的有下列几种模式。

（1）将试样朝E-T SED方向倾斜，这时把E-T SED的栅偏压从（+150～+300V）降到不大于-50V，就可以利用E-T SED来直接接收入射到SED中的BSE，如图3.21.4所示。由于方向性的问题，E-T SED中的闪烁体只能接收从试样一侧发出的小部分BSE，所以会有很明显的阴影效应和很强的立体感，而且由于接收的立体角小，采集效率很低，当试样的分析表面处于水平状态时，探测器对BSE的采集效率只占从试样发射出来的BSE总数的2%～3%，因而信噪比很差。若把试样的分析面朝探测器倾斜15°～45°则BSE的采集效率会有所提高，BSEI的信噪比也会有所改善，但由于E-T SED的采集立体角不大，探测器对BSE的接收率也只占从试样发射出来总数的4%～6%，总的探测效率还是很低。所以说用E-T SED来接收BSE，得到的BSEI的信噪比和分辨力终究不是很理想。其唯一的优点是它借用E-T SED来接收背散射电子，而不必另外采购专门的BSED，用起来既方便又经济。

（2）在物镜的下极靴底部（试样的正上方）插入一个环形的YAG或环形的半导体探测器（SS-BSED），环形探测器的中心有一个可让入射电子束穿过的圆孔（ϕ=5mm），如图3.21.5所示。在合适的工作距离时，其探测效率较高，被接收的BSE依探测器的面积大小和工作距离的不同而异，一般为15%～30%。这种探测器通常使用的加速电压要在10kV以上时才能有比较好的信噪比和对比度。当工作在30kV的加速电压和大于1nA的束流下，且试样的原子序数在20以上时，其原子序数分辨力能达0.1Z。当入射束流大于10nA时，它可以在电视的速率下成像，还可利用和信号、差信号在对角或相邻探测器之间进行加减组合，可分别获取试样的纯成分像或纯形貌像。

（3）使用大角度的鲁宾孙背散射电子探测器进行探测，这种探测器是由鲁宾孙于1974年最先推出的。该探测器由大面积的闪烁晶体与光电倍增管组成，其最大的接收面积可达2 000mm2，中间也有一个能让电子束入射的圆孔，如图3.21.6所示。因它拥有更大的接收立体角，从而提高了接收效率，增强了信号强度，改善了信噪比，依探测器面积的大小和工作距离（接收立体角）的不同，其接收效率一般在25%～50%，主要是视所对应探测器的面值大小而定的。这种探测器的接收立体角大，采集效率高，对于原子序数为18以上元素的试样可以在电视的速率下扫描成像。

（4）将四个小圆柱形的探测器置于试样上方四个相互对称的角落，如图3.21.7所示。为尽可能地增大接收立体角，探测器应尽量靠近所分析的试样上方，这样接收到的BSE一般能到背散射电子总发射量的10%～20%，同样还可利用和信号、差信号进行对角或者相邻探测器之间的信号加减组合。其优点是图像的立体感较强，信噪比也还不错，而且这种探测器通常还可两用，既可作为BSE的探测器，又可作为CL的探测器。其缺点是这四个探测器体积虽小，但由于它们是倾斜安装的，所以挤占样品仓的空间也不算小，其图像的信噪比和分辨力不如环形的半导体探测器，更不如鲁滨孙探测器。

（5）蔡司公司的ULTRA系列场发射电镜在Gemini镜筒内还设置有高位圆盘形背散射电子探测器。该探测器位于TLD-SED的上方，与光轴对称。由于探测对象为背散射电子，探测器的采集器半张角在8°～12°。人们把这种探测器称为能量与角度选择背散射电子探测器（EsB）。在入射电子束轰击点处产生的SE和BSE由附加的小静电场加速，又在物镜的激励下，低能SE电子将投射到TLD的高效环形SED上；而高角度的BSE会被EsB收集，并且EsB的下方还装了一个过滤栅网，以阻拦那些穿过TLD中心孔隙而上来的少数二次电子，使EsB只能接收到较纯的高角度BSE。通过这种环形SE探测器和EsB的独特组合，可得到高清晰的SE电子形貌像和高反差的BSE成分像及这两种图像相互叠加所组成的混合像。其过滤网还有另一功能，那就是可以依照操作人员所设置的能量值来选择非弹性的BSE的阈值，以此来增强图像的衬度，其对轻元素的探测更灵敏，对超轻元素的组分反差也会更大。

（6）Hitachi公司的8000型系列冷场发射扫描电镜在镜筒内也设置了这种高位的带有能量选择过滤系统的BSED。人们通过它可以选择过滤非弹性的BSE，也可以直接探测指定能量范围的BSE，这种探测器不仅对试样化学组分像的采集灵敏度高，而且还能增强轻元素组分像的反差。这种机型的电镜还可以在其物镜的底部增配一个由四个分区组成的低角度环形BSED，另外还在物镜的下侧面增加一个BSED，放置在侧面的BSED能明显地增强BSEI的立体感。这种配置不仅能提高扫描电镜对BSEI信号的采集量、改善信噪比，也可以对它们各路探测到的信号进行任意的加减组合。还有SU5000机型的电镜在其物镜的底部配备了一个五分割（中心内环为一个区，外环分为对称的四个扇形区）的高灵敏度BSED，对这五个区所探测到的信号进行加减组合，可以分别获取高清的几何形貌像和化学组分像。

（7）FEI公司的Apreo S型电镜在物镜的底部配备了一个从内到外分为四个同心圆环形的BSED，它可以分别对信号进行加减组合。QUANTA和NanoSEM系列的电镜除了配备两分割的半导体BSED外，还配有低压的BSED，它可在1kV电压下成像，其是一种适用于在低加速电压下观察背散射电子的探测器。该电镜还配有电视速率和低真空环境下的半导体BSED/GAD。这两种探测器弥补了传统BSED不能在低加速电压和低真空条件下使用的缺点。

（8）北京聚束科技公司的NavigatorTM-100热场发射SEM中的低压BSE探测系统是目前所有SEM中唯一可以在1kV的加速电压下可实现视频级（30fps/s，1k×1k）高速BSE成像的SEM。高效的BSE探测机构结合浸没式摇摆透镜（SORIL）成像系统，采用多通道直接电子探测技术和高速的FPGA采集模式，使该系统在世界上首次实现在1kV的低加速电压下做到100M/s级BSE的高速度、高分辨力和高信噪比成像。

有些扫描电镜会把上述第2、3、4和7项通常都是作为选购件，而不是标配件。用户需要时必须另外选购，这可能会增大投资。用鲁滨孙探测器采集的图像，其信噪比和分辨力最好，但它的成本比半导体型的高，挤占样品仓的空间也较大，使用时需要推进到位，用完之后，要拆下或缩回到专用的指定位置。而半导体型的探测器有的是固定在物镜的下极靴处，如蔡司公司SEM中的半导体型BSED；而有的是可以随意拆卸的，如FEI公司的SEM中的BSED，使用时需要安插到位，用完之后可拆卸下来，放回到专用的停放架上。多数扫描电镜都把第5、6和8项当作标配件，不同的是它们的安装位置高低不一样，探测器对应的采集立体角、图像放大器的带宽和采集速度也都不一样，不同的厂家各有不同的成像特点。

2. 背散射电子信号的接收与组合

BSE信号既可以用来显示试样表面和亚表面的化学组分分布衬度像，又可以用来显示它们的纯几何形貌的衬度像。对既要进行形貌观察又要进行成分分析的试样，可采用前文所介绍的探测器来检测，把探测器对称地装在试样的正上方，而试样的测试面应水平摆放，其安装位置、原理及信号加减组合如图3.21.8、图3.21.9和图3.21.10所示。将二或四分割的探测器所探测到的电子信号进行加减处理，便能分别得到对应的纯组分或纯几何形貌像。对于原子序数信息来说，左右两个探测器所探测到的信息量大小相等、极性相同；而对于形貌信息，左右两个探测器所得到的信息量的绝对值相等，但亮暗度的衬度极性相反。依这种成像信息，若将各探测器所得到的信息相加，便能得到反映该试样表面的原子序数的分布图像，如图3.21.11（a）和图3.21.12所示，图3.21.12中的试样为手表表带镀层的横截面，其中Au、Pd、Ni各镀层的厚度清晰可见。若将各探测器所得到的信息量相减便能得到试样表面的纯几何形貌像，如图3.21.10（c）及图3.21.11（b）所示。

化学组分分布衬度也就是原子序数的分布衬度，从图3.21.2背散射电子的发射系数与原子序数的关系曲线中我们可以看出背散射电子信息随原子序数Z的变化比二次电子的变化要明显得多。试样中原子序数较高的微区，由于密度较大，被反射出来的BSE数量相对较多，故反映到屏幕上对应的图像部位相对较亮；试样中原子序数较低的微区，由于密度较小，被反射出来的BSE数量相对较少，故反映到屏幕上对应的图像部位相对较暗。因此，原子序数的衬度变化可以对试样中不同的化学组分进行粗略的定性分析，如图3.21.3中的左上图。为了减少形貌衬度与原子序数衬度两种信号的相互干扰，被分析的试样应尽量处于水平状态，而且表面要尽可能洁净，无外来的污染。

图3.21.13～图3.21.15为FEI公司的SEM中的BSED。低压背散射电子探测器和低真空背散射电子探测器如图3.21.16和图3.21.17所示。

安装在物镜下极靴的环形背散射电子探测器实际上是一个表面镀金，具有肖特基势垒的P-N结半导体探测器，电阻率约为2 000Ω·cm。它利用入射的高能电子在半导体中电离产生电子-空穴对的原理来工作。当从试样发射出来的背散射电子穿过半导体探测器表面的金层而进入探测器中时，就会在耗尽区中引起硅原子的电离而失去原有能量，电离的电子被激发到导带，并在导带里自由运动，而在价带中留下空穴，空穴在外电场的作用下也能运动。在某个电势下，电子和空穴可分开朝相反方向运动，这个电势可由外电路或P-N结的自建电场提供，其原理图如图3.21.8（b）所示。硅的禁带宽度是1.12eV，它的平均电离能为3.6eV，当一个加速能量为20kV的电子入射到有P-N结的半导体探测器中时，探测器中将会产生5 556个电子的电流量，这个电流量被探测器收集，就形成背散射电子的电流，这电流信号经放大、调制成像，就成为背散射电子像。

像这类安装在物镜下极靴的环形或鲁宾孙背散射电子探测器，它们都有一个最佳的探测距离。在使用时，若工作距离长了，接收的立体角就会变小，检测效率和图像的信噪比都会下降；若工作距离短了，接收的立体角也会变小，因而会有相当一部分的背散射电子从中间入射电子的圆孔中逃逸出去，这样实际能接收的有效立体角也就会变小，信噪比也会变差。例如，飞利浦公司XL-30型电镜的半导体BSED的外径为18mm，中心孔直径约为5mm，加上中心孔边缘的边界宽度约0.5mm，这样其中心孔径加上边缘共占去了6mm直径，而探测器环形带真正有效的宽度也只剩6mm，两个半环形的有效活性区总面积约为225mm2，其外形照片如图3.21.13所示。经计算可得其最佳的探测距离，即试样上表面与探测器下表面的最佳间距为5.2mm，再加上探测器自身的厚度约1.3mm和固定于下极靴接插槽的间隙约0.5mm。这样其最佳的探测工作距离WD≈7mm。其示意图如图3.21.9（b）所示，具体的计算如下。

设试样的上表面与探测器下表面的最佳间距为X，则

设，令f （x）'=0即可求出tgβ的极大值，也就是X的最佳值：

WD≈5.2+1.3+0.5=7mm，则这种规格的探测器最佳工作距离约为7mm。

蔡司公司的场发射电镜在Gemini镜筒内除了设置有高位背散射电子探测器（EsB），它在物镜下极靴的底部还装有一个环形背散射电子探测器，如图3.21.18（a）所示。这个BSED是被固定在物镜下极靴的底部、试样分析面对的正上方的，这样使用起来就比较方便，而不像飞利浦公司的电镜那样是随时可装卸的探测器。正因为它是被固定安装于物镜极靴的底部，为了不影响EDS探测器的正常使用，所以该探测器的有效活性区的面积就做得比较小。这种半导体芯片活性区是由一个外圆直径约为16mm的内切正八边形所组成的，中心孔直径约为5mm，加上中心孔边缘的边界宽度约为1mm，再加上半导体芯片的中心圆孔边界的宽度约为1mm，这样其中心孔径加上内圆的边框共占去了直径5+2+2=9mm的圆区，这样探测器内切正八边形所围成的环形带的最大有效宽度也只剩3.5mm，整个探测器内切正八边形所围成的环形带的有效活性区总面积约为130mm2，其实物芯片及放大后的外形照片如图3.21.18（b）所示。

从图中我们可以清晰地看到，半导体芯片的有效探测活性区被平均分成四个区，每个区又由许多小二极管并联组成。每个区所检测到的电子信号都可进行随意的加减组合，四个区的信号相加便能得到以组分为主的衬度像；两个对角区所检测到的电子信号相减，便能得到较纯的几何形貌像。这种操作可依实际的需要进行选择，单击屏幕上相应电子按钮即可执行加减组合。

3. 三透镜的背散射电子探测器

图3.21.19为TESCAN公司最新推出的三透镜BSED，其中最顶端的a是高角度的轴向BSED，它与ZEISS公司ULTRA系列Gemini镜筒内的高位BSED作用相似。该探测器位于三透镜物镜的上方，与光轴旋转对称。由于探测对象为BSE，探测器能采集到的多数是75°以上的高角度BSE。它能呈现较纯的BSE的化学元素组分像，特别对于试样表面的轻元素和超轻元素的反差很好，但对于试样表面几何形貌立体感的呈现就较差。使用时应注意的是在启用该探测器时，试样的工作距离应尽可能短，工作距离WD要小于5mm，这样其反应才能更灵敏，接收效率和图像的信噪比才能高。

图3.21.19中的c是相对大范围低角度的BSED，它位于物镜下极靴的底部，它可以选配半导体型的，也可以选配YAG型的，半导体的探测器有的是固定在物镜下极靴的底部，也有的是可动的，如可移动四分区的半导体BSED，要用时可以摇进去，不用时摇出来；而YAG型的BSED几乎都是可以动，如可移动的单/双闪烁体BSED，也是要用时摇进去，不用时摇出来。这种大范围低角度BSED的成像特点是能增强图像几何形貌的立体感，同时还能展现化学组分的衬度。启用这种探测器时的工作距离应依据其外围的实际直径大小来选取最佳的工作距离，当其外围有效直径是16mm、18mm、20mm时，对应的最佳WD为6mm、7mm、8mm，更精确的工作距离可依前文的方法进行计算。这样其对应的有效立体角才能达到最大，采集效率才能高，得到的图像信噪比和分辨力才会更好。

图3.21.19中的b是中等角度的BSED，它位于物镜极靴内部的一侧，它是通过转换电极把BSE转换为SE再由SED来采集成像的。这种方法与日立公司的那种背散射转换装置类似，不同的是日立公司的转换电极是在探测器的下方，而b的转换电极是却在In-lens探测器的上方，它介于高角度的轴向BSED和大范围低角度的BSED之间，其所成的像既有良好的几何形貌的衬度，又兼有化学组分的衬度。在启用该探测器时，试样的工作距离也要尽量短，即工作距离WD小于5mm，这样探测器的采集效率才能高，图像的信噪比和分辨力才会更好。