合軸和消像散

 

前言

 

實(shí)際的電子光學(xué)系統(tǒng)并不完美，僅靠聚焦操作（專欄6）不一定使圖像清晰。為保障高倍的圖像質(zhì)量，需要合軸/對(duì)中和消象散的操作（如Beam align，Wobbler和Stigmator等）。成功地進(jìn)行這些操作能保障電子束的會(huì)聚質(zhì)量，得到更清晰的圖像。所以能熟練地Wobbler和Stigmator是高手的進(jìn)階之道。

 

本文首先簡(jiǎn)介像差，然后介紹合軸/對(duì)中，再稍詳細(xì)介紹消像散。文末的消像散操作非常具有指導(dǎo)性。

 

1 像差簡(jiǎn)介

 

像差即是因不完美而出現(xiàn)的成像缺陷，它使圖像出現(xiàn)模糊、變形等缺陷。在光學(xué)/電子光學(xué)中，根據(jù)光/電子束偏離光軸的情況，像差可以簡(jiǎn)單分為離軸的像差（如慧差和離軸的像散）和軸向的像差（如球差和軸向的像散等）。圖1舉例了生活中使用放大鏡中出現(xiàn)的像差，光偏離鏡頭的光軸，或者鏡頭的不完美都會(huì)使聚焦不盡人意。

 

圖1 光學(xué)和生活中的像差舉例

 

像差是光學(xué)中的重要部分，理論非常深?yuàn)W。還有很多種像差，如球差、色差等，有機(jī)會(huì)再講述。光學(xué)中有很多消除像差的措施，而電鏡中卻比較有限。

 

電鏡雖是非常精密的儀器，但是電子源、光闌、透鏡中心難免會(huì)偏離自上而下的一條直線（這樣容易導(dǎo)致離軸的像差），或者透鏡偏離旋轉(zhuǎn)對(duì)稱（這樣容易導(dǎo)致軸向的像差）。高倍時(shí)放大樣品特征的同時(shí)也會(huì)放大這些缺陷，使圖像模糊、畸變，不能反映物的實(shí)際，故應(yīng)予克服。

 

離軸像差由電子束偏離光軸所致，合軸或?qū)χ锌梢韵?減弱這種像差。軸向像差即沿光軸上的像差，消像散器可以消除軸向的像散。通常在消除離軸像差后再消除軸向的像散，比如先進(jìn)行對(duì)中/合軸再進(jìn)行消像散。

 

2 合軸/Wobbler

 

經(jīng)過工廠調(diào)校的光鏡，光線和光軸重合，使用中通常僅調(diào)節(jié)聚焦即可。掃描電鏡的放大倍數(shù)更高，可設(shè)置參數(shù)更多，如調(diào)節(jié)加速電壓、光闌、工作距離等。更改這些參數(shù)設(shè)置都有可能改變電子束能量和軌跡，使得電子束偏離光軸，未經(jīng)過光闌/透鏡中心，從而導(dǎo)致像差增加、束流降低等。所以，需要合軸/對(duì)中操作，使得電子束經(jīng)過光闌/透鏡中心到達(dá)樣品。

 

2.1 合軸和對(duì)中

 

合軸是保證電子束從電子源發(fā)出后沿光軸到達(dá)樣品的操作，即使電子束經(jīng)過電子源、透鏡和光闌中心等部件同軸的虛線。形象地說，合軸就像串珠串，讓絲線經(jīng)過各個(gè)珠子的中心。

 

圖2 合軸的示意圖

 

合軸一般包括電子束對(duì)中、物鏡或光闌調(diào)節(jié)、消像散器中心調(diào)整等步驟。隨廠家不同，合軸的稱呼也不同。如圖3所示，未沿光軸運(yùn)行，一些電子束可能會(huì)被光闌擋住，也可能未通過物鏡中心，這些都會(huì)劣化成像質(zhì)量。可以用額外的電磁場(chǎng)逐步糾正各處的偏離，使電子束重新回歸光軸。

 

再次用放大鏡來類比：如果鏡片斜放，字-鏡-眼不在軸線上，邊緣字的圖像會(huì)畸變；那么擺正放大鏡，字-鏡-眼在軸線上，字變得清楚，在這里合軸就是擺正放大鏡。

 

圖3 合軸的目的和效果

 

經(jīng)過合軸操作，讓我們能夠觀察到清晰的圖像，在聚焦操作時(shí)圖像不會(huì)出現(xiàn)側(cè)向移動(dòng)。否則會(huì)存在離軸的像差，圖像不清晰且聚焦時(shí)會(huì)有側(cè)向移動(dòng)。為了便于觀察合軸效果并方便調(diào)節(jié)，程序自動(dòng)控制電鏡進(jìn)行欠焦到過焦的變化來觀察動(dòng)態(tài)圖像側(cè)向移動(dòng)的幅度，這種操作被叫做Wobbler，也可以譯為搖擺。Wobbler使得更容易觀察到電子束偏離光軸的情況，通常偏離越大，圖像模糊和側(cè)向移動(dòng)就越發(fā)明顯。

 

有些電鏡用戶只需要進(jìn)行Wobbler操作，下邊簡(jiǎn)介該操作，以知其所以然。

 

2.2 Wobbler操作

 

在圖4中，電子束偏離光軸入射到透鏡，在調(diào)節(jié)Wobbler時(shí)，焦點(diǎn)不僅在垂直高度上變化也在水平位置上移動(dòng)。故因焦點(diǎn)垂直高度的變化導(dǎo)致圖像的模糊-清晰-模糊，聚焦點(diǎn)的水平位置移動(dòng)導(dǎo)致圖像出現(xiàn)側(cè)向移動(dòng)。若電子束沿光軸入射到透鏡，在調(diào)節(jié)Wobbler時(shí)，導(dǎo)致焦點(diǎn)僅在垂直高度上變化而無水平位置上變化，導(dǎo)致圖像的模糊-清晰-模糊，但是無側(cè)向移動(dòng)，圖像看起來像心臟跳動(dòng)。對(duì)應(yīng)視頻詳見圖b。

 

圖4 Wobbler時(shí)電子束會(huì)聚的情況

 

圖a 視頻1

 

圖b 視頻2

 

在如今的場(chǎng)發(fā)射電鏡中，許多操作被簡(jiǎn)化，合軸或?qū)χ胁僮魑幢匦枰l繁調(diào)節(jié)。電子束通過光闌/透鏡中心，那么前方就一馬平川了嗎？答案當(dāng)然是沒有，還有天險(xiǎn)。對(duì)于初學(xué)者或進(jìn)階者，像散是影響高倍成像質(zhì)量的主要因素，所以準(zhǔn)確地消像散則更為重要。

 

3 消像散/Stigmator

 

經(jīng)過良好合軸后，電鏡中離軸的像散基本被消除。不幸是，球差和像差等像差難以被消除，只有軸向的像散才能基本被消除。

 

3.1 像散（astigmatism）

 

如圖5所示，光學(xué)上對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的透鏡，在互相垂直的方向上（子午和弧矢）折射率一致，光能被會(huì)聚成一個(gè)圓斑，無像散存在。但是，若透鏡存在對(duì)稱缺陷（透鏡非圓形、曲率不同或折射率變化），子午和弧矢方向?qū)饩€折射率不一致，最終導(dǎo)致光線不能會(huì)聚在同樣的圓斑上，甚至有些焦斑呈橢圓形的彌散斑。

 

圖5 光學(xué)中軸向的像散

 

在電鏡中，由于鏡筒中的缺陷的存在，比如各部件的機(jī)械加工偏差、物鏡形狀缺陷、光闌孔臟污等都會(huì)導(dǎo)致透鏡磁場(chǎng)偏離旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，也會(huì)出現(xiàn)像散。如圖6所示。

 

圖6 SEM中的像散及圖像

 

如果不存在像散，電子束的會(huì)聚軌跡像兩邊粗中間細(xì)的長(zhǎng)鼓，每個(gè)截面上束斑尺寸先逐步減少再逐步增加，且在正焦處最小，但是無論怎么變化，束斑都是圓形。

 

如果存在像散，長(zhǎng)鼓變得扭曲，大體上束斑尺寸還是遵循先減后增的規(guī)律，但是束斑截面呈橢圓形，且正焦兩側(cè)焦斑的取向大致上相互垂直，正焦時(shí)束斑也明顯大于無像散時(shí)。

 

因?yàn)橄裆⒌拇嬖冢瑱E圓形彌散斑容易導(dǎo)致束斑超出像素范圍，從而導(dǎo)致圖像模糊，且呈某個(gè)方向上的畸變（見專欄9）。

 

總之，根據(jù)圖像聚焦時(shí)的變化可以判斷像散是否存在。

 

3.2 消像散原理

 

因?yàn)橄裆⑹谴艌?chǎng)偏離對(duì)稱導(dǎo)致的，可以通過反向磁場(chǎng)的疊加進(jìn)行補(bǔ)償，見圖7所示。電鏡中配置有消像散器，通過補(bǔ)償磁場(chǎng)來消像散。

 

圖7 電鏡中軸向像散的成因和消除

 

圖8展示了常用消像散器的結(jié)構(gòu)，一般是兩組四極電磁線圈組成的八極電磁透鏡。它可以合成出一個(gè)反向的磁場(chǎng)去補(bǔ)償物鏡缺陷導(dǎo)致的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱磁場(chǎng)，使最終磁場(chǎng)重新變?yōu)樾D(zhuǎn)對(duì)稱磁場(chǎng)，從而保證聚焦點(diǎn)無像散。

 

圖8 消像散器的結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖

 

圖9匯總了有無像散時(shí)電子束會(huì)聚軌跡和電鏡圖像，可以得出有無像散時(shí)的不同特征：無像散正焦時(shí)圖像最清晰，失焦時(shí)也無方向性畸變；有像散時(shí)圖像模糊，且在焦點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)方向性畸變，焦點(diǎn)兩側(cè)的畸變方向垂直。

 

還可以看出相同特征，一是兩者正焦時(shí)的焦距保持一致，二是兩者正焦時(shí)的束斑都基本呈圓形。由不同特征可以判斷是否需要消像散，由同與不同指導(dǎo)消像散。

 

圖9 像散和消像散的原理

 

3.3 消像散操作建議

 

首先判斷像散是否存在。根據(jù)圖9的指導(dǎo)，可知視頻3的圖像在聚焦時(shí)模糊，且在焦點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)方向性畸變，焦點(diǎn)兩側(cè)的畸變方向垂直，存在嚴(yán)重的像散，需要消除。

 

判斷像散是否存在

 

圖9也給我們消像散的指導(dǎo)。首先應(yīng)判斷正焦的位置，因?yàn)橛邢裆r(shí)正焦位置恰好處在無方向畸變的時(shí)候，較易判斷。因此首先調(diào)節(jié)聚焦，將樣品大約處在正焦位置。然后調(diào)節(jié)消像散器，由兩組線圈X和Y兩個(gè)分量來合成補(bǔ)償磁場(chǎng)，分別進(jìn)行X和Y分量的消像散操作，使各自分量上圖像清晰且無畸變。然后放大倍數(shù)繼續(xù)進(jìn)行，直至滿意。步驟見視頻4。

 

消像散操作

 

換個(gè)思路，可以將消像散操作視為用牛頓迭代法解3個(gè)變量的方程F(f,X,Y) = 0，三個(gè)參數(shù)分別是焦距f，消像散器X分量和Y分量。選定特征突出、能判定大致形狀的區(qū)域，依次調(diào)節(jié)f、X和Y：

 

調(diào)節(jié)f。焦距f由聚焦來控制，通過圖9和視頻4的方法觀察離焦-正焦-過焦（不用糾結(jié)是過焦還是離焦，只知道它們是正焦兩側(cè)的狀態(tài)即可），讓圖像正焦。這時(shí)圖像雖然模糊但是沒有方向畸變。

 

調(diào)節(jié)聚焦后，相當(dāng)于給方程一個(gè)大約的初始值，然后再分別優(yōu)化另外兩個(gè)變量。

 

分別調(diào)節(jié)X和Y（兩者無先后，僅從習(xí)慣性考慮，先X后Y）。先調(diào)節(jié)旋鈕X，也類似調(diào)焦那樣，方向畸變明顯-減弱-明顯，找到方向畸變最弱的位置，此時(shí)圖像已經(jīng)比較清晰。再調(diào)節(jié)Y，同X。調(diào)節(jié)旋鈕時(shí)也可以留意消像散器數(shù)值，一般不會(huì)太大，若偏離太大且圖片越調(diào)越糟，可以回到初始位置。如果樣品有磁性，調(diào)節(jié)幅度可能較大。

 

經(jīng)過一輪調(diào)節(jié)后，圖像變得清晰。但是最初的聚焦未必特別精確，相當(dāng)于初始值還需要優(yōu)化，再次迭代。所以再進(jìn)行一到兩輪調(diào)節(jié)f、X和Y的操作至圖像清晰。有時(shí)像散比較嚴(yán)重，可能在中低倍做一次，然后在高倍時(shí)再進(jìn)行一次。

 

因?yàn)榕袛嗾刮恢眯枰袛喾较蚧儯砸x擇樣品特征清晰且襯度較大的區(qū)域，如顆粒和邊緣，有時(shí)還要調(diào)節(jié)掃描速度、圖像亮度和對(duì)比度以利于觀察。像散的產(chǎn)生除了跟電鏡有關(guān)，也會(huì)跟樣品相關(guān)。如果樣品存在磁性或者荷電、工作距離發(fā)生變化等情形，像散狀態(tài)可能會(huì)隨之變化，高倍時(shí)需要及時(shí)消除。

 

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