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為什么掃描電鏡(SEM)的束斑直徑那么重要

來源:復(fù)納科學儀器(上海)有限公司   2017年12月19日 17:51  

近年來,隨著科技的發(fā)展和材料尺寸的不斷縮小,掃描電鏡(SEM)已經(jīng)成為一種非常有價值的表征方法。SEM作為一種通用的工具,方便用戶可以對各種各樣的材料進行多種不同類型的分析。為獲得更好的結(jié)果,用戶應(yīng)該仔細設(shè)定SEM參數(shù)。其中一個設(shè)置是束斑直徑,即照射在樣品上的電子束直徑。在這篇博客中,闡述了如何在SEM中調(diào)整束斑直徑,以及如何在高分辨率成像和大束流之間實現(xiàn)平衡,以獲得*結(jié)果。

 

如何在SEM下調(diào)整束斑直徑

 

描述SEM中電子束性質(zhì)的四個主要參數(shù)如圖1所示:

 

  1. 使電子在電鏡腔室中運動的加速電壓
  2. 電子束的會聚角
  3. 轟擊樣品的電子束流大小
  4. 到達樣品表面的zui終束斑直徑。

 

圖1:SEM中電子束的四個主要參數(shù):加速電壓、會聚角、電子束流和束斑直徑

 

在現(xiàn)代SEM中,用戶可以控制電子束的大小。這主要是通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的會聚鏡和物鏡,選擇不同大小的孔徑光闌來實現(xiàn)的。

 

電子流經(jīng)電磁透鏡(由極靴內(nèi)部的線圈組成),操作者可以通過調(diào)節(jié)加載在透鏡上的電流來控制電子的路徑。此外,束斑直徑取決于加速度電壓(高加速電壓減小斑點尺寸),工作距離(距離越大,束斑直徑越大),以及物鏡光闌(較小的光闌產(chǎn)生較小的束斑直徑)。

 

然而,實際上電子束斑的大小是一個控制和預(yù)測起來非常復(fù)雜的參數(shù),因為它依賴于許多(相互關(guān)聯(lián)的)因素。描述束斑直徑涉及到電子槍的高斯直徑、末級光闌的衍射效應(yīng)、色差和電磁透鏡引起的球面像差。

 

如果再看下圖1,為了在樣品試樣表面上有一個較小的束斑直徑和足夠的電流,用戶只需增加電子束的會聚角。然而,這將增加掃描電鏡中光學元件的像差,從而拓寬光束。因此,要想準確地進行實驗,必須了解不同的參數(shù)是如何影響電子束的特性,并權(quán)衡它們之間的利弊。

 

高分辨率成像與大束流

 

影響分辨率的主要因素是束斑直徑。為了獲得高分辨率的圖像,應(yīng)該盡可能地保持更小的束斑直徑,以便能夠闡釋和描述樣品更小的特征。

 

另一方面,對于高信噪比和高對比度分辨率,電子束擁有足夠的束電流也是很重要的。由于減少了束斑大小的同時也減少了束電流,用戶需要判斷和選擇他們目標預(yù)期的設(shè)置。

 

一般來說,如果需要高倍率的圖像,那么束斑直徑的大小應(yīng)該保持zui小。如果用戶只需要低放大率成像,那么就建議增加束斑直徑尺寸,這樣圖像就會產(chǎn)生更多的電子信號,看起來更清晰。

 

圖2,您可以觀察到在低放大率下獲得的圖像,但是較大的束斑直徑看起來更明亮和平滑。然而,隨著放大倍率的增加,當需要高分辨率成像時,用戶應(yīng)該切換到較小的束斑直徑,以得到好的圖像。

 

此外,更大的束斑直徑——導致更大的電子束電流——增加了樣品的損害,這種現(xiàn)象應(yīng)該被考慮進去,尤其是在對電子束敏感的樣品進行成像的時候。

 

圖2:錫球的SEM圖像a)大光斑b)小光斑。在左邊顯示的是低放大倍率圖像,顯示在右邊的是他們各自在高倍率放大下的圖像。在低倍率鏡下,采用大束流(a)。在高倍率放大圖像的情況下,使用較小的束斑直徑使用戶獲得更好的空間分辨率。

 

掃描電鏡是一種神奇的工具,有數(shù)不清的應(yīng)用。然而,重要的一點是,操作者必須清楚地知道自己的需求——以及束斑直徑、電子束流和加速電壓是如何影響成像質(zhì)量的。因此,為實驗選擇*參數(shù)是至關(guān)重要的。

 

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