Конкурирующие ограничения Определяют разрешение СЭМ Формирование изображения в SEM контролируется характеристиками источника, дифракцией волн, аберрациями объектива и распределением энергии источника. При фиксированных настройках энергии и объектива размер зонда определяется полууглом альфа объектива, что обеспечивает минимальное различие между режимами дифракции и аберрации. При малых токах датчики становятся меньше и острее, но только в пределах, установленных оптикой.
Альфа Контролирует размер зонда с помощью длины волны и сферической аберрации Приблизительный диаметр зонда зависит от постоянной сферической аберрации объектива и длины волны электронов, что определяет разрешение как с точки зрения конструкции прибора, так и с точки зрения энергии электронов. Оптимальный диапазон alpha обеспечивает баланс между дифракцией под малыми углами и ростом аберраций под большими углами. Таким образом, для достижения высокого разрешения требуется хорошо скорректированная система линз и подходящая рабочая точка.
Настраиваемые параметры и их предполагаемое воздействие Ключевыми регулируемыми факторами являются ускоряющее напряжение, ток датчика, размер диафрагмы и рабочее расстояние (которые задают альфа), настройки детектора и электропроводность образца. Более высокое напряжение сокращает длину волны и должно улучшить разрешение, а меньшие токи датчика уменьшают пятно; однако получение реальных изображений осложняется повреждением луча и зарядкой. Высокоэнергетические электроны также могут проходить через тонкие волокна, снижая контрастность, поэтому более высокое разрешение не всегда дает больше деталей.
Почему более высокое разрешение часто ухудшает качество изображений реального мира Сравнительные изображения показывают, что фильтровальная бумага выглядит более прозрачной при более низких напряжениях, чем при 25 кВ, несмотря на теорию. На проводящих тонких пленках золота на графите более высокое напряжение может способствовать разделению соседних наночастиц, поскольку заряд отсутствует, а толщина не является ограничивающей. Однако типичные изолирующие или хрупкие образцы дают более качественные и понятные изображения при пониженном напряжении.
Напряжение изменяет состав SE и объем выборки При снижении ускоряющего напряжения изменяется баланс между истинными вторичными электронами (SE1) и вторичными, индуцированными обратным рассеянием электронов (SE2). Стандартный детектор Эверхарта–Торнли смешивает эти сигналы; SE2 возникают глубже и увеличивают эффективную область выборки. Более низкий kV уменьшает объем рассеяния и часто улучшает локализацию границ и видимое разрешение.
Измерительный ток, SNR и практическое сканирование Токи зондирования SEM обычно не превышают 1 нА, что приводит к получению сигналов детектора в пикоамперном диапазоне, где тепловые помехи и помехи окружающей среды являются значительными. Дальнейшее снижение тока не обязательно улучшает качество изображения и может привести к появлению гранулярного шума. В Practical imaging для навигации используется быстрое сканирование, затем медленное сканирование с усреднением кадров для подавления случайных шумов и усиления реального сигнала.
Установка диафрагмы и рабочего расстояния Альфа и глубина Диаметр диафрагмы и рабочее расстояние определяют полуугольный угол фокусировки луча. Увеличение угла фокусировки повышает разрешение, но уменьшает глубину фокусировки; уменьшение угла фокусировки приводит к потере разрешения из‑за большей глубины фокусировки. Выбор этих параметров позволяет повысить четкость изображения на неровном рельефе.
Огромная глубина фокусировки SEM Поскольку альфа в SEM чрезвычайно мала — доли градуса, — внутренняя глубина фокусировки может быть огромной, даже приближаясь к метру. В отличие от оптических микроскопов, SEM позволяет добиться равномерной резкости высокорельефных объектов. Эта способность объясняет, почему сложные биологические формы или гранулированные порошки полностью фокусируются при СЭМ, в то время как при световой микроскопии остаются лишь частично сфокусированными.
Выбор между глубиной и разрешением Изображение свернутой в спираль вольфрамовой нити накала иллюстрирует этот компромисс: большое альфа‑изображение дает более высокое разрешение при малой фокусировке, в то время как малое альфа-изображение делает четкой сразу всю структуру. Выбор между глубиной и разрешением зависит от рельефа образца и требуемого увеличения. При съемке высокого рельефа предпочтение отдается маленькой альфе; при изучении мелких деталей предпочтение отдается более крупной альфе.
Астигматизм Увеличивает Фокусировку До Стигматизации Неидеальные поля зрения объективов и эффекты выборки нарушают цилиндрическую симметрию, придавая лучу эллиптическое поперечное сечение и создавая фокус, который растягивается попеременно по двум осям. Этот астигматизм препятствует четкой фокусировке и делает объекты размытыми в ортогональных направлениях. Катушки стигматора, окружающие луч, восстанавливают симметрию с помощью настроенных полей, придавая изображению резкость.
Зарядка изменяет яркость и геометрию Изолирующие образцы накапливают заряд во время сканирования, что приводит к увеличению яркости растра, за которым следуют внезапные темные полосы, когда поверхность разряжается. Возникающие в результате электрические поля отклоняют как первичные, так и низкоэнергетические испускаемые электроны, изгибая ряды, деформируя форму частиц и искажая геометрию. Эти артефакты могут быть ошибочно приняты за реальную структуру и должны быть устранены. Детекторы и режимы, работающие в разреженном газе, могут помочь разрядить накопленный заряд и уменьшить эти искажения.
Краевые эффекты и загрязнение, вызванное лучом Краевые области излучают больше электронов и выглядят ярче, потому что объем взаимодействия на границах сокращен; это обычный эффект контраста, а не особый контраст материала. Остатки углеводородов в любой вакуумной системе растрескиваются под воздействием луча, осаждая углерод в том месте, где находится зонд, и оставляя видимые следы при изменении увеличения. Стратегии сканирования, позволяющие избежать длительной задержки при большом увеличении, сводят к минимуму такое загрязнение.
Выбор покрытия Обеспечивает баланс теплопроводности и детализации Нанесение тонких токопроводящих покрытий является основным средством для зарядки. При выборе металла учитываются температура плавления, размер зерен и контрастность атомных номеров: золото образует крупные зерна, которые при большом увеличении скрывают детали размером менее 50 нм; тугоплавкие металлы, такие как хром, покрывают поверхность более тонким слоем, но требуют очень низкого содержания остаточного кислорода для предотвращения образования изолирующих окислов. Углеродные покрытия снижают яркость образцов с легкими элементами, но позволяют избежать смещения Z‑контраста.
Порошковое Покрытие Требует Разнонаправленного Покрытия При нанесении порошков методом прямой видимости открытые поверхности и подложка покрываются, но затененные участки контакта остаются непокрытыми, нарушая электрическую целостность. Слишком толстые покрытия скрывают детали поверхности и не являются решением проблемы. При наклоне или вращении образцов во время осаждения металл наносится с разных сторон, чтобы устранить тени и обеспечить надежный контакт.
Общий выход Показывает Две точки нулевого Заряда Суммарный выход электронов в зависимости от ускоряющего напряжения показывает режимы отрицательной и положительной зарядки. При высоком kV электроны проникают внутрь и накапливаются, заряжая поверхность отрицательно; при среднем kV выходящие электроны могут превышать скорость падения и заряжать поверхность положительно; при очень низком kV отрицательный заряд возвращается. Кривая содержит две точки нулевого заряда, в которых суммарный заряд исчезает, ‑ предпочтительные рабочие точки.
Низкое напряжение и наклон позволяют использовать окно нулевого заряда Нижняя точка нулевого заряда находится ниже примерно 1 кВ и часто непрактична; вторая, как правило, находится в диапазоне нескольких киловольт и широко используется. Современные СЭМС часто работают при низких ускоряющих напряжениях, чтобы достичь этого условия и ограничить зарядку. Наклон образца смещает точку нулевого заряда в сторону более высоких напряжений, расширяя диапазон выполнимых настроек.