泽攸科普——扫描电子显微镜电子光学系统详解


发布时间:

2024-02-21

扫描电镜的电子光学系统是实现高分辨率成像的关键所在,其良好的设计与优化关系到设备性能和图像质量。本文主要从电子枪、电磁透镜、光阑、扫描系统和物镜五个子系统详细阐释扫描电镜电子光学系统的组成、功能实现原理及核心技术,分析存在的主要困难与发展方向,以便读者全面系统地了解扫描电镜电子光学系统的工作方式

扫描电镜的电子光学系统是实现高分辨率成像的关键所在,其良好的设计与优化关系到设备性能和图像质量。本文主要从电子枪、电磁透镜、光阑、扫描系统和物镜五个子系统详细阐释扫描电镜电子光学系统的组成、功能实现原理及核心技术,分析存在的主要困难与发展方向,以便读者全面系统地了解扫描电镜电子光学系统的工作方式。

一、系统构成及功能

扫描电镜的电子光学系统负责提供稳定、高强度、形状对称、方向和范围可控的电子束,以满足不同形状、材质和位势的样品表面的电子束扫描需要。

电子光学系统由电子枪、电磁聚光镜、光阑、扫描系统、消像散器和物镜等关键部件构成。它们各司其职,共同发挥作用:电子枪产生初级电子束;电磁聚光镜预先聚焦电子束;光阑过滤掉大角度散射的杂散电子;扫描系统驱动电子束在设定路径上扫描样品表面;消像散器消除各向异性像差;物镜进行最后精细聚焦。

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图 SEM的电子光学系统

二、电子枪

电子枪是产生具有确定能量的电子束的源头。其结构由阴极(灯丝)、栅极和阳极三个电极组成。目前扫描电镜常见的电子枪按灯丝材料,可以分为三类:

1. 钨灯丝电子枪

钨灯丝在加热到约2100K时,电子获得足够的热能克服金属约4.5eV的功函数阻力逸出。这利用的是热电子发射效应。但钨灯丝发射面较大导致电流密度不高,无法产生极细的电子束以达到很高分辨率。其优点是成本低,大多早期扫描电镜使用钨灯丝。

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图 钨灯丝电子枪

 

2. LaB6电子枪

LaB6在加热到1500-2000K之间也能发出电子束,热发射电流密度较高。相比钨灯丝,LaB6电子枪亮度提升数倍,色散也更小,能达到更好的分辨率,但市场应用量不多。

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图 LaB6电子枪

3. 场发射电子枪

场发射电子枪使用单晶钨尖端作为“冷”发射源。在几千伏特的强电场作用下,通过量子隧穿效应发出电子。分为热场发射需加热到1800K和无需加热的冷场发射两类。冷场发射分辨率最高但稳定性较差,热场发射综合性能优异,是目前扫描电镜主流选择。

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图 场发射电子枪结构示意图

三、电磁聚光透镜

电子束生成后,需要经过汇聚装置使其聚焦。主要采用两类电磁聚光透镜:

1. 静电聚光透镜   

依靠特定轮廓设计的电极之间形成所需曲率的等势面,从而对电子束造成聚焦作用。由于结构限制,在扫描电镜中的应用并不广泛。

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图 静电透镜

2. 磁聚光透镜

更常用的汇聚装置是磁聚光透镜。其原理是当电子束通过磁场时,会受到洛伦兹力偏转轨迹并聚焦。其典型结构包含铁芯套管和绕组线圈。改变线圈电流可以连续调节聚焦力度。

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图 磁透镜

四、光阑

光阑一般设置在磁聚光透镜的物镜之间,功能是滤除散射角度较大的电子,避免这些杂散电子影响图像质量。理想状况下只留下满足旁轴近似条件、方向基本平行的电子束通过,使得入射在样品表面的束斑更小、更圆整、更对称,这对获得高分辨率图像至关重要。

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图 物理光阑的支架

光阑的清洁程度和调整对位也会直接影响结果。污染或偏差都会使部分电子被阻挡,导致探测信号衰减和图像质量下降。

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图 光阑偏离后遮挡电子束

五、扫描系统

扫描系统的功能是驱动电子束在设定的样品表面区域内进行规则的扫描,以逐点立体描绘出图像。其由扫描线圈和扫描信号发生器组构成。扫描发生器输出特定频率、幅度和相位的X、Y方向驱动信号,扫描线圈对应产生频率电场或磁场,偏转电子束的运动轨迹。

图 扫描线圈改变电子束方向

扫描系统中,扫描范围与放大倍率成反比关系,范围越小,对应放大倍率越大。

六、物镜 

电子束经过光阑后进入物镜部分。物镜是一组特殊结构的电磁透镜,用于对电子束进行最后一步精细聚焦,将其准确投射在样品各个微小结构上。

物镜的设计种类繁多,从早期的外置物镜,发展到部分或全部浸没式物镜,以减少球差、彩差的影响,大大提高了分辨率。但后者的磁场同时也对进行磁性样品的观察产生负面作用。目前先进扫描电镜多采用组合可切换内置物镜和外置物镜的设计,兼顾分辨率和通用性能。

图 透镜的畸变

物镜的成像过程也面临衍射限制、色差、像差等困难,这会导致电子束斑过大,无法清晰描绘样品细节。必须采用多种手段如调整聚焦力度、使用消像散器进行补偿以获得最小束斑和最佳成像效果。

综上,扫描电镜能达到的最高分辨率与电子束斑大小紧密相关,这取决于电子枪亮度及单色性、各向异性像差控制和物镜设计的综合效果。未来提高分辨率的方向在于电子发射源的不断优化以获得更好的临界参数,电子光学系统子组件协同设计以减小各向异性,智能控制和信息技术以实现像差的自主补偿等。

泽攸科技ZEM18台式扫描电镜

安徽泽攸科技有限公司是一家具有完全自主知识产权的科学仪器公司, 自20世纪90年代开始投入电镜及相关附件研发以来,研发团队一直致力于为纳米科学研究提供优秀的仪器。目前,公司有包括PicoFemto系列原位TEM测量系统原位SEM测量系统ZEM系列台式扫描电镜JS系列台阶仪纳米位移台二维材料转移台探针台及低温系统光栅尺等在内的多个产品线,在国内外均获得了高度关注,填补了国家在科学精密仪器领域的诸多空白。