SEM成像品質關鍵因素解析 - 勀傑科技有限公司

文╱勀傑科技團隊

前言：為什麼SEM影像品質不只取決於顯微鏡本身？

在掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）觀測中，影像品質並非僅由儀器解析度決定，與操作參數設定也有關係。其中，加速電壓（Accelerating Voltage）、電子束電流（Beam Current）、停留時間（Dwell Time）與影像平均（Averaging / Integration），皆會影響電子束與樣品的交互作用行為，進而改變解析度、對比、雜訊與樣品損傷風險。

根據德布羅伊公式，λ=h/p（λ：波長，h：普郎克常數，p：動量），高加速電壓（10-30kV）的電子束具有較高的動量，波長較短，具有較高的解析度，穿透距離較深，適合硬材料；低加速電壓（<5kV）減少表面損傷與電荷累積，適合不導電/輕元素樣本。高電流增加訊噪比（S/N,Signal-to-soise ratio）提升影像清晰度（Sharpness/Definition），但束斑（Spot size）增大導致解析度（Resolution）降低。

本文將以加速電壓、電子束電流、停留時間與影像平均這四個因素探討對電子顯微鏡影像品質的影響。

加速電壓 (Accelerating Voltage)

高電壓 (10kV – 30kV)

成像特點：電子束穿透力強，交互作用體積（interaction volume）大。
優點：解析度高，邊緣效應明顯。
缺點：對輕元素樣本穿透太深（影像較平坦），不導電樣本易產生嚴重的「荷電效應（Charging effect）」（影像局部過亮、畸變、漂移）。

低電壓 (0.5kV – 5kV)

成像特點：電子束穿透力弱，交互作用體積小，主要在樣品表面。
優點：表面形貌細節清晰（無穿透現象），減輕荷電效應，不需金屬鍍膜即可觀察。
缺點：解析度較低。

改變加速電壓造成的影像差異之比較

下圖為PCB中的銅導線與環氧樹脂在背向散射電子影像（BSD）下觀測的剖面結構，當加速電壓為5kV時，如Fig.1所示，電子束穿透力弱，易於觀測表面孔洞、刮痕及銅導線上的晶粒結構；當加速電壓提升至10、15、20kV時，如Fig.2、Fig.3、Fig.4所示，電子束穿透力強，波長較短，且交互作用體積增加，造成來自深層材料的BSE訊號量提升，銅導線與樹脂的交界，會因為來自輕重元素的對比提升，輪廓相對明顯，但此時表層產生訊號的佔比減少，無法清楚地觀測樣品表面的孔洞及刮痕等。

電子束電流 (Beam Current / Spot Size)

高電流（大Spot Size）

影像差異：電子數量高，與材料交互作用產生的訊號強，影像訊噪比高（雜訊少），影像平滑。
適用場景：進行EDS成分分析（需高電流訊號）或低倍率影像觀察。
代價：束斑（Spot Size）變大，解析度降低，不適合極高倍率觀察。

低電流（小Spot Size）

影像差異：雜訊多（顆粒感重），影像清晰度隨訊噪比下降而變差。
適用場景：需要高倍率、細微結構觀察。
代價：電子數少，需要增加掃描時間（慢掃描）來提高影像品質。

改變電子束電流造成的影像差異之比較

下圖為PCB中的銅導線與環氧樹脂在背向散射電子影像（BSD）下觀測的剖面結構，當電子束電流為0時，如Fig.5所示，電子訊號較少，雖然可以觀測到銅導線上的晶粒結構，但對比不明顯；當電子束電流提升至2.1、3.3時，如Fig.6、7所示，電子訊號量適中，可以清楚的觀測銅導線上的晶粒結構，對比明顯；當電子束電流提升至4.3時，如Fig.8所示，束斑太大，造成輪廓模糊。

停留時間（Dwell Time）

指的是電子束停留在單一像素位置的時長。

影像品質提升原理：增加停留時間能讓偵測器在每個像素位置產生更多的電子訊號，當產生的電子訊號提升，因為熱噪訊造成的干擾就會相對較小，使影像看起來更清晰。

優點：影像清晰度高，單次掃描即可存檔。

副作用：

荷電效應（Charging effect）：電子束停留過久會導致不導電的材料表面產生荷電效應，產生異常亮點或影像扭曲。
樣品損傷（Beam Damage）：能量集中可能會燒毀或改變熱敏感性材料或高分子材料的結構。
飄移（Drifting）：單幀掃描時間過長，容易受到環境干擾導致影像拉長或模糊。

改變停留時間造成的影像差異之比較

下圖為PCB中的銅導線與環氧樹脂在背向散射電子影像（BSD）下觀測的剖面結構，當停留時間為100ns時，如Fig.9所示，只能觀測到銅導線與樹脂的分層結構，且影像整體的顆粒感明顯，畫質較為模糊，當停留時間提升至200、1000、2000、5000ns時，如Fig.10、Fig.11、Fig.12、Fig.13所示，影像從原本的顆粒模糊感轉變為細緻且平滑，銅導線上的晶粒結構對比明顯，影像也變得較為清晰。

影像平均（Averaging/Integration）

通常採用快速掃瞄（降低停留時間），針對同一區域多次重複掃描，並將影像疊加平均。

影像品質提升原理：假設影像雜訊為隨機產生的，透過掃描N次的算術平均，訊噪比會提升至原來的√N倍，N值越大，影像越清晰。

優點：減少荷電效應：快速掃瞄讓材料上的電荷有時間在每次掃描的間隔消散，適合不導電樣品。

副作用：若樣品在多次掃描間發生明顯偏移，最終平均後的影像，會產生影像重疊或邊緣模糊的狀況。

改變影像平均造成的影像差異之比較

下圖為PCB的銅導線與環氧樹脂在背向散射電子影像（BSD）下觀測的剖面結構，當影像平均為1時，如Fig.14所示，雖然可以觀測到銅導線上的晶粒結構，但影像整體的顆粒感明顯，畫質較為模糊，當影像平均提升至4、8、32、64時，如Fig.15、Fig.16、Fig.17、Fig.18所示，影像從原本的顆粒模糊感轉變為細緻且平滑，銅導線上的晶粒結構對比明顯，影像也變得較為清晰。