SEM Q

1. What is the name of the controls that correct for the out of roundness of the beam on a SEM?（校正SEM上电子束束斑的非圆度的控件的名称是什么）2. What are the two functions of the raster coils？（光栅线圈有哪两个作用？）3. How many different lens types are there on a SEM? Name them?（扫描电子显微镜上有多少种不同的透镜？请说出它们的名称）

4. What would a knob most likely be called if it changes the strength of the raster coils but does not change to scan speed?（如果一个旋钮可以改变光栅线圈的强度，但不改变扫描速度，那么它最有可能被称为什么？）

电子透镜

运动中的电子仅受两种因素的影响：静电场和磁场。 在电子枪中，电子由静电场控制，而在 SEM 的其余部分中，电子由磁透镜控制。 当正负电场之间彼此靠近时形成静电透镜。 这是枪和阳极之间的情况。 由于可能产生电弧，因此显微镜镜筒中不使用静电透镜。 肮脏的光阑是不受欢迎的，因为它们将起到静电透镜的作用，从而影响电子束。

通过电流穿过铜线，利用磁场形成电子显微镜透镜。这些透镜被称为电磁透镜。大多数 SEM 都使用多个电磁透镜来缩小电子束交叉束斑的尺寸。这些透镜被称为聚光透镜（condenser lens）。所有电磁透镜都存在球差。球差是指透镜无法在同一焦点对电子束的中心和外围部分成像（如图 ）。虽然制造技术在不断进步，但分辨率仍然受到球面像差最严重的透镜的限制。

扫描电子显微镜上的其他类型磁透镜用于校正像散和对中。此外，在最终聚光透镜（final condenser lens）中还有两个非常重要的磁场。当电子束通过最终聚光透镜时，两组磁性扫描线圈会移动电子束。这些径向相对的磁性线圈可实现 X 和 Y 方向的扫描。扫描模式称为光栅模式，线圈称为光栅线圈。光栅图案覆盖试样，从左上角开始向右扫描，由上至下逐行扫描。扫描电子显微镜正是以这些线圈命名的。

电镜镜筒中的最后一组电磁线圈用于校正像散。像散会导致电子束斑（样品上的电子束）呈非圆形，从而大幅降低分辨率，造成图像质量不佳。扫描电子显微镜中的像散（Astigmatism）是由于灯丝形成的电子束是椭圆形的，或镜筒中的污染和光阑上的污染而使电子束斑产生变形。

透镜像散产生的电子束斑具有径向可变的聚焦点，很容易通过聚焦点的拉伸或图像的"X"形来识别。如果希望获得良好的分辨率，则必须使用最终的消像散线圈来矫正透镜的像散问题。有两个标有强度和方位角的方向控制（幅值和角度）可以纠正像散。大多数电子显微镜都有6到8个消像散线圈，呈放射状分布在透镜及其光阑之后的镜筒周围。这种排列方式可提供精确的方向控制。强度控制可调节通过消像散线圈的电流大小。方位角控制器决定哪一对线圈通电。可以给相邻的一对线圈通电，从而实现连续的方向控制。

电子束操纵的最后一个控制装置是光阑。光阑就是一个非常圆的孔，其尺寸范围很大。光阑可以控制散射电子从电子光学的中心穿过，而不会像电磁透镜那样移动电子束。20μm的孔径只能让偏离电子束中心小于10μm的电子继续前进，大于 10μm的电子则会被光阑所阻挡。光阑孔径大小的选择取决于SEM的工作类型。如果需要高分辨率，则应使用小孔径光阑，以尽量减少电子束的散射，从而轰击样品上更小更精确的区域（束斑尺寸）。如果需要更多电子轰击样品，而分辨率并不重要，则应使用更大的孔径光阑。例如，大孔径光阑会增加样品中发生的低概率电子束-样品相互作用反应的次数。

电子透镜用于消磁虚拟源尺寸，冷场FEG的虚拟源尺寸为3-5 nm，Schottky发射器的虚拟源尺寸约为20-30 nm。要获得1nm或更小的电子束直径，只需要10-100倍的缩小倍数，而热电子发射的电子枪的缩小倍数要高达5000倍。为了获得最小的有效电子探针直径，球差和色差常数必须尽可能小。传统的扫描电子显微镜通常使用较大的工作距离，范围从10mm到40mm不等。球差常数Cs的典型值为10-20mm。由于Cs随工作距离的增加而剧增（Cs ≈ WD3），因此只有在工作距离很短的情况下才能获得足够小的Cs ≈ 1-2mm，电子束的焦点必须位于物镜内部（即所谓的in-lens type）或非常靠近物镜（通常称为semi-in-lens型，带有snorkel-type锥形物镜）。色差常数Cc与大WD时的物镜焦距大致对应，也就是说，在很短的WD 时，色差也会大大降低。

此外，混合透镜设计的SEM镜筒近年来也相当流行。 这种柱设计通常具有某种形式的组合静电电磁物镜，以在可成像和分析的样品类型方面为用户提供最大的多功能性。

现代商用型场发射扫描电子显微镜通常可以在 30 keV 至 0.5 keV 甚至0.01 keV 范围内工作，即涵盖了常规电子能量和大部分低能区的能量范围。改进的计算机辅助方法使得电子光学系统能够被设计成在上述整个能量范围内具有高性能。 与老式热电子枪扫描电子显微镜相比，现代市售场发射仪器的物镜像差系数得到了显着改善：Cs降低了约30倍，降至Cs = 1.6mm，Cc也降低了 约10倍。使用超高分辨率物镜 CFEG，提高了电气和机械稳定性，并大大降低了样品污染率，测试样品获得的分辨率目前达到 0.5 nm（在 30 keV 下）0.7 nm（1 keV 时）。 这些值是商用 FESEM 在 1 keV至 30 keV 能量范围内的高性能的典范，尽管是通过特殊测试样本获得的。 最近，已开发出配备球差和色差校正器的商用FESEM，由四组12-pole组件组成，可同时校正球差和色差。 另一项进展是用于 FESEM 的单色器的开发。

LVSEM（low voltage SEM） 中的静电透镜以及磁性透镜和静电透镜组合是上述磁性透镜的一个非常有趣的替代品。配备了这种物镜的电子显微镜可以沿着电子镜筒获得非恒定的电子束能量，即电子束电子以高能量通过镜筒，并在浸入式静电透镜中减速至低能量。首先，浸入式静电透镜的像差大小与入口侧的高能量相对应；其次，镜筒内高的电子能量是有利的，因为电子枪的亮度随着电子能量的增加而增加，而且电磁杂散场导致高能量下电子束的衰减较小。磁-静电组合物镜的像差系数低至Cs=3.7 mm和Cc=1.8mm。

电子的着陆能量非常低，这可以通过减速场（retarding field）扫描电子显微镜来实现。

一些文献中描述了多种减速电场的配置，但基本上所有配置都是将试样连接到可调偏置电源Usp上。电子束的着陆能量由E0 - eUsp之差值简单地给出。使用减速场扫描电镜可以获得几个 eV的着陆能量，最近甚至可以获得 0.5 eV的反射电子显微照片。

随着具有高矫顽力的磁性材料的出现，稀土金属永久磁铁作为磁透镜线圈的替代品备受关注。Khursheed等人提出了一种利用永久磁铁的便携式扫描电镜镜筒设计。这种微型扫描电子显微镜的镜筒高度不到12 cm，采用模块化设计，可以安装在不同类型的试样室中，也可以随时更换。电子束可通过改变试样高度或物镜上的外磁滑环聚焦到试样上，从而控制轴上的磁场强度。电子束的扫描由位于永磁物镜上方和内部的偏转线圈完成。Khursheed提出的总高度小于5.5 cm的高分辨率微型扫描电子显微镜使用的是位于真空外的永磁物镜，其球差和色差系数（参数：E0=1 keV，WD=7.5 mm）分别为 0.36 mm和 0.6 mm。这些像差系数比工作距离条件相当的传统扫描电子显微镜小了一个数量级。

扫描电子显微镜镜筒的微型化具有很多优点，如采用像差系数小的微透镜、减少电磁杂散场和电子-电子相互作用的影响、提高机械稳定性以及降低对显微镜空间的要求。一些研究学者提出了一种由场发射微电子源和静电微透镜组成的微型电子光学系统，用于probe forming，在很宽的电压范围（0.1-10 kV）和工作距离（最远 10 mm）内，其性能超过了传统系统。同时一些学者提出了另一种设计方案，该方案的镜筒长度仅为3.5 mm，可在较宽的电压（0.1-10 kV）减速范围（retarding range）内工作。该仪器采用了优化设计（micro-einzel lens后有一个减速区），最大限度地减小了入射电子束的束斑直径，并最大限度地收集了二次电子（大约收集了50%的SE）。