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为什么扫描电镜(SEM)的束斑直径那么重要

 发布时间:2017-12-19 点击量:10013

近年来,随着科技的发展和材料尺寸的不断缩小,扫描电镜(SEM)已经成为一种非常有价值的表征方法。SEM作为一种通用的工具,方便用户可以对各种各样的材料进行多种不同类型的分析。为获得更好的结果,用户应该仔细设定SEM参数。其中一个设置是束斑直径,即照射在样品上的电子束直径。在这篇博客中,阐述了如何在SEM中调整束斑直径,以及如何在高分辨率成像和大束流之间实现平衡,以获得*结果。

 

如何在SEM下调整束斑直径

 

描述SEM中电子束性质的四个主要参数如图1所示:

 

  1. 使电子在电镜腔室中运动的加速电压
  2. 电子束的会聚角
  3. 轰击样品的电子束流大小
  4. 到达样品表面的zui终束斑直径。

 

图1:SEM中电子束的四个主要参数:加速电压、会聚角、电子束流和束斑直径

 

在现代SEM中,用户可以控制电子束的大小。这主要是通过调节系统的会聚镜和物镜,选择不同大小的孔径光阑来实现的。

 

电子流经电磁透镜(由极靴内部的线圈组成),操作者可以通过调节加载在透镜上的电流来控制电子的路径。此外,束斑直径取决于加速度电压(高加速电压减小斑点尺寸),工作距离(距离越大,束斑直径越大),以及物镜光阑(较小的光阑产生较小的束斑直径)。

 

然而,实际上电子束斑的大小是一个控制和预测起来非常复杂的参数,因为它依赖于许多(相互关联的)因素。描述束斑直径涉及到电子枪的高斯直径、末级光阑的衍射效应、色差和电磁透镜引起的球面像差。

 

如果再看下图1,为了在样品试样表面上有一个较小的束斑直径和足够的电流,用户只需增加电子束的会聚角。然而,这将增加扫描电镜中光学元件的像差,从而拓宽光束。因此,要想准确地进行实验,必须了解不同的参数是如何影响电子束的特性,并权衡它们之间的利弊。

 

高分辨率成像与大束流

 

影响分辨率的主要因素是束斑直径。为了获得高分辨率的图像,应该尽可能地保持更小的束斑直径,以便能够阐释和描述样品更小的特征。

 

另一方面,对于高信噪比和高对比度分辨率,电子束拥有足够的束电流也是很重要的。由于减少了束斑大小的同时也减少了束电流,用户需要判断和选择他们目标预期的设置。

 

一般来说,如果需要高倍率的图像,那么束斑直径的大小应该保持zui小。如果用户只需要低放大率成像,那么就建议增加束斑直径尺寸,这样图像就会产生更多的电子信号,看起来更清晰。

 

图2,您可以观察到在低放大率下获得的图像,但是较大的束斑直径看起来更明亮和平滑。然而,随着放大倍率的增加,当需要高分辨率成像时,用户应该切换到较小的束斑直径,以得到好的图像。

 

此外,更大的束斑直径——导致更大的电子束电流——增加了样品的损害,这种现象应该被考虑进去,尤其是在对电子束敏感的样品进行成像的时候。

 

图2:锡球的SEM图像a)大光斑b)小光斑。在左边显示的是低放大倍率图像,显示在右边的是他们各自在高倍率放大下的图像。在低倍率镜下,采用大束流(a)。在高倍率放大图像的情况下,使用较小的束斑直径使用户获得更好的空间分辨率。

 

扫描电镜是一种神奇的工具,有数不清的应用。然而,重要的一点是,操作者必须清楚地知道自己的需求——以及束斑直径、电子束流和加速电压是如何影响成像质量的。因此,为实验选择*参数是至关重要的。

 

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