Sự tạo ảnh bề mặt trong hệ SEM chủ yếu phụ thuộc vào việc tạo ra và thu lại các điện tử thứ cấp. Chùm điện tử hội tụ được điều khiển quét trên bề mặt mẫu theo ô mành đồng bộ với chùm tia quét trên màn hình CRT. Tương tác giữa điện tử với mẫu sinh ra các điện tử thứ cấp, detector thu điện tử thứ cấp thoát ra từ mẫu và biến đổi thành tín hiệu video, tín hiệu này được khuếch đại lên và được hiển thị trên màn hình CRT. Mỗi điểm hội tụ trên mẫu sẽ ứng với một điểm tương quan trên màn hình. Những chỗ sáng, tối trên ảnh SEM tương ứng với chỗ lồi, lõm trên bề mặt mẫu. Tại những điểm trên mẫu phát ra nhiều điện tử thứ cấp, điểm đó sẽ hiện ra sáng hơn và ngược lại đối với các điểm phát ra ít điện tử hơn.
Hình 2.7. Sự tạo ảnh điện tử thứ cấp. Chùm điện tử quét trên bề mặt mẫu, các điện tử thứ cấp thoát ra từ mẫu sẽ được thu bởi detector và được biến đổi thành tín hiệu video hiển thị trên màn hình sau khi qua bộ khuếch đại.
Các điện tử thứ cấp thoát ra từ mẫu có năng lượng thấp bị trệch hướng và được thu gom lại bởi điện thế dương đặt trên lồng Faraday, sau đó các điện tử này được gia tốc bởi điện thế dương 10 – 15 kV tới detector và tham gia vào quá trình tạo tín hiệu ảnh. Các điện tử tán xạ ngược cũng được sinh ra trong thể tích tương tác nhưng có năng lượng cao hơn nhiều so với điện tử thứ cấp, do vậy chúng có khả năng thoát ra ở độ sâu lớn hơn. Do có năng lượng cao, các điện tử tán xạ ngược sẽ không bị trệch hướng bởi điện thế dương trên lồng Faraday vì thế chúng không đóng góp vào việc tạo ảnh điện tử, chỉ có một vài điện tử tán xạ ngược đi thẳng tới detector góp phần vào tín hiệu điện tử thứ cấp.
Thấu kính điện từ hội tụ không liên quan trực tiếp đến quá trình tạo ảnh cũng như độ phóng đại ảnh. Chênh lệch số điện tử thứ cấp tại các vùng khác nhau của mẫu sẽ cho tương phản ảnh, tỷ số giữa diện tích được quét trên mẫu với diện tích hiển thị ảnh trên màn hình CRT sẽ xác định độ phóng đại ảnh.
Quá trình tạo ảnh SEM hoàn toàn khác với quá trình tạo ảnh trong các kính hiển vi quang học. Trong thiết bị SEM, các phần tử ảnh điện tử thứ cấp được vẽ tuần tự liên tục trong suốt quá trình quét của chùm điện tử sơ cấp trên bề mặt mẫu, trong khi đó trên hệ hiển vi quang học, toàn bộ bề mặt mẫu được tạo ảnh đồng thời.
Hiệu ứng biên
Thông thường, khi chùm điện tử sơ cấp chiếu tới mẫu, tại các vùng có bề mặt nghiêng (so với chùm điện tử tới) hoặc lồi lên sẽ có nhiều điện tử thứ cấp thoát ra do chúng có thể thoát ra từ cả hai mặt của các đỉnh lồi hoặc tại các biên phân cách, detector sẽ thu được nhiều điện tử hơn vì vậy sẽ tạo ra các điểm sáng hơn trên ảnh. Tại các vùng bằng phẳng hoặc lõm, sẽ có ít điện tử thứ cấp phát ra, hơn nữa, các điện tử được sinh ra trong các vùng lõm sẽ khó bị trệch hướng bởi điện thế dương trên lồng Faraday, trong trường hợp này detector chỉ thu được ít điện tử và tạo ra các điểm tối trên ảnh. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng biên, và được minh họa trên hình 2.8. Hiệu suất phát xạ điện tử thứ cấp δ phụ thuộc vào góc giữa chùm điện tử tới và bề mặt mẫu, giá trị δ tăng mạnh khi chùm điện tử quét trên bề mặt nghiêng của mẫu, do đó cường độ tín hiệu phát ra tương quan chặt chẽ với thông tin hình dạng của mẫu.
Hình 2.8. Ảnh hưởng của hiệu ứng biên. Điện tử thứ cấp thoát ra nhiều hơn tại các vị trí lồi ra hoặc tại các gờ. δ tăng mạnh khi chùm điện tử quét trên bề mặt nghiêng.