扫描电镜之电镜参数对成像的影响分析

 　　“蔡司扫描电镜参数如物理源尺寸/虚拟源尺寸/束流亮度/束流密度/束流强度/像元/加速电压对最终成像的影响是复杂的。如电子束的最终束斑尺寸直接影响成像的分辨率，理想的状态是既能获得最小的束斑尺寸d，又能得到足够大的束流i，但分辨率实际还受像元及其它因素的影响。本文尽可能的尝试对这些参数对最终成像的影响作出一个综述总结。”

　　01　扫描电镜参数的理解和定义

　　为了更好的理解电镜参数对成像的影响，现将相关电镜参数的定义及理解列于以下：

　　电子源物理尺寸

　　指电子从阴极表面发射区域的物理大小，类比光度学可理解为光源发光区域;

　　虚拟源尺寸

　　指电子经过高压从阴极附近拉出后，经初步聚焦，聚集在一个等效发射区域的大小，一般会比实际源物理尺寸小。

　　类比光度学，可理解为光源组件内有一个聚焦透镜，可以将光源发出的光聚焦在某一平面内的区域大小;

　　束流强度

　　指单位时间内通过某一截面的电荷量，单位为A，类比光度学 辐射通量，即单位时间内通过一截面的辐射功率，单位W;

　　两者均描述单位时间内的流动量，束流强度关注电荷传递，辐射通量关注能量传递;

　　束流密度

　　指单位时间内单位面积的电荷量(单位面积内的束流强度)，单位A/m2; 类比光度学，可理解解为辐射照度，即单位面积上接收或传递的功率;单位W/m2;

　　两者均是描述 束流或辐射的空间分布情况

　　束流亮度

　　单位面积、单位立体角内的束流强度，单位为安培每平方米每球面度(A/(m²·sr));类比光度学，可理解为辐射亮度，单位面积、单位立体角内的辐射通量，单位为瓦特每平方米每球面度(W/(m²·sr));两者均描述“单位面积和方向上的流动量”，数学形式完全一致，仅物理量不同(能量 vs. 电荷)。

　　束斑直径

　　指经电磁透镜聚焦后最终束斑的大小;它决定了信号产生的物理空间精度，如束斑直径为5nm，则电子束在该区域内激发SE二次电子或背散射电子信号，这些信号会携带该区域的综合信息。

　　像元尺寸

　　指电子束在样品上获取信息的区域大小;决定了扫描过程中对样品的空间采样密度。像元小，采样密度大，像元大，采密度小;

　　加速压力

　　指电子束被加速的电压，电压高，运动速度快，物质波长短，且电子束能量轴向分布集中，更有利于减小色差;

　　像差，包含有球差，色差，衍射差，像散射;

　　球差是由于电磁透镜会聚电子束中近轴和远轴电子的能力不同造成的，经电磁透镜聚焦后没有会聚一点，而是像平面上的一个亮斑;

　　色差是电子束中电子的能量不同造成的，能量大的电子比能量小的电子聚焦的远。他们也不会会聚在一点，而是像平面上的一个亮斑;

　　衍射差则为电子具有波动性，经物镜光阑时会产生衍射现象，最终在像平面形成一个衍射斑;

　　像散指由于电磁透镜轴向不对称引起的，磁场不同方向对电子的作用能力不一样，电子经透镜聚焦后呈椭圆形;

　　02　电镜参数对成像的影响

　　物理源尺寸或虚拟源尺寸对电镜成像的影响

　　物理源尺寸/虚拟源尺寸小，产生同样大的束流强度，由于源小，发散角小，则束流亮度会变大;

　　束流亮度也会大，更有利于获得更小束斑直径;而束斑直径更小，有利于分辨率的提高;

　　束流密度大，单位时间有更多电子轰击样品，能产生更多激发电子，有利于信号强度提升，适合弱信号成像(如低电压);

　　束流能量更集中，有利减少色差和球差;

　　束流亮度对成像的影响

　　束流亮度也会大，更有利于获得更小束斑直径;而束斑直径更小，有利于分辨率的提高;束流能量更集中，有利减少色差和球差; 可能 会增加样品损伤风险;例场发射电镜的束流亮度比钨灯丝的高，更有利于高分辨率成像;、

　　束流密度/束流强度对成像的影响

　　束流密度是描述束流在空间中分布情况，束流密度大，意味着有更多信号产生，信号强，有利于快速扫描成像;另一方面，可能会损伤样品，增加荷电现象;

　　束斑直径对成像的影响

　　束斑直径小，更有利观察更细微的结构，能便精准的定位样品晶体分析定位 精度 ，但小束斑，可能为使信号变弱，需要延长扫描时间来获得足够质量图像，小束斑对环境的影响敏感如振动;

　　束斑直径/像元尺寸对成像分辨率的影响

　　奈奎斯特采样定理指出，‌要准确还原信号中的最高频率成分，采样频率必须至少是信号最高频率的两倍‌。在扫描电子显微镜(SEM)等成像系统中信号最高频率‌：由电子束斑的尺寸(D)决定。束斑越小，能探测的样品高频细节(如微小结构)越多。采样频率‌：由像元尺寸(P)决定。像元越小，采样密度越高

　　束斑主导模式(D > 2P)‌：分辨率由束斑物理极限主导(例如 D=5 nm，P=1 nm)。

　　‌像元主导模式(P > D/2)‌：分辨率由像元采样不足主导(例如 D=2 nm，P=1.5 nm)。

　　‌金属纳米颗粒成像‌

　　‌样品‌：金颗粒(直径1 nm，间距1.5 nm)。

　　‌参数‌：D=2 nm，P=1.5 nm。

　　‌结果‌：颗粒间距(1.5 nm)小于2P=3 nm，无法被分辨，图像显示为连续斑块。

　　‌对比实验‌：若将P减小至0.8 nm(满足P ≤ D/2=1 nm)，颗粒可清晰分离。

　　03　总结

　　类比这个概念在物理中很常见，如辐射/电荷量的总功率、方向性分布和空间分布密度的普适性，理解这个方法，更有利于我们对一些物理概念的理解 ，如声波与光波等。本文通过这个类比方法尝试理解电子束流的定义和意义，并就这些参数对成像的影响做了初步分析。

昆山友硕新材料有限公司是蔡司中国代理，主要经营蔡司三坐标、蔡司扫描电镜、蔡司工业CT等。电话热线：15850350764