SEM：掃描線圈和放大倍率簡析

掃描線圈

常規(guī)的TEM使用固定的入射電子束，而SEM的電子束在兩個垂直的（X和Y）方向上水平掃描樣品。X-掃描相對較快，由工作在線頻fx的鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生（圖1a）這個發(fā)生器為串聯(lián)的兩個掃描線圈提供電流，掃描線圈分布于光軸的兩側(cè)，位于物鏡上方。這些線圈在Y方向上產(chǎn)生磁場，對電子(在Z方向上運動)產(chǎn)生力，使其在X方向上偏轉(zhuǎn)（圖2）。

圖1 鋸齒波信號及光柵掃描過程示意圖

Y-掃描要慢得多（圖1b），由第二個鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生，幀頻率為fy = f x /n ，其中n為整數(shù)（每幀的行數(shù)）。整個過程被稱為光柵掃描，電子束依次覆蓋樣品上的矩形區(qū)域（圖1d）。

圖2 掃描信號控制模型圖

在X偏轉(zhuǎn)信號期間，電子束沿直線運動，從圖1d中的A點到B點，形成線掃描。在到達B點后，電子束沿著X軸盡可能快地偏轉(zhuǎn)回來（X波形的飛回部分）。因為Y掃描發(fā)生器在行掃描期間增加了輸出，所以它不是返回到A點，而是返回到在Y方向上移位的C點。第二行掃描將電子束帶到D點，然后飛回E點，重復(fù)這個過程，直到n行掃描完成，電子束到達Z點。

整個序列構(gòu)成光柵掃描的單個幀。由于線和幀發(fā)生器的快速反激，電子束從Z點迅速返回到A點，并執(zhí)行下一幀。這個過程可以連續(xù)運行許多幀，就像在電視和視頻技術(shù)中一樣。

兩個掃描發(fā)生器的輸出應(yīng)用到顯示設(shè)備上，于是掃描電鏡圖像出現(xiàn)。這原來是一個陰極射線管(CRT)，該CRT包含的電子束與掃描電鏡中的電子束完全同步掃描，因此對于樣品上的每個點（在光柵掃描區(qū)域內(nèi)），其顯示屏上都有一個等效點，從而滿足麥克斯韋的第一成像規(guī)則。為了在圖像中產(chǎn)生對比度，將電壓信號施加到CRT的電子槍上，以改變掃描點的亮度。這個電壓是由一個探測器產(chǎn)生的，該探測器對掃描電鏡入射電子束引起的樣品中的一些變化作出反應(yīng)。

在現(xiàn)代掃描電鏡中，掃描信號是由計算機控制的電路以數(shù)字方式產(chǎn)生的，X和Y掃描波形分別是m級和n級的階梯函數(shù)（圖1c）。該過程將圖像分成mn個圖像元素（像素），SEM電子束在跳轉(zhuǎn)到下一個像素之前保持靜止一段時間。數(shù)字掃描的一個優(yōu)點是，掃描電鏡計算機“知道”每個像素的（x, y）地址，并可以在適當(dāng)?shù)挠嬎銠C存儲器位置記錄適當(dāng)?shù)膱D像強度值（作為數(shù)字化數(shù)字）。數(shù)字圖像以位置和強度信息的形式存儲在計算機存儲器中，或永久地存儲在磁盤或其他存儲設(shè)備中。

放大倍率

電子束在樣品感興趣的區(qū)域上光柵掃描，觀察屏幕上顯示掃描區(qū)域的圖像（圖3）。圖像的放大倍數(shù)是觀察屏掃描的長度與樣品的長度之比（屏幕放大倍率）。從上面可以清楚地看出，放大倍數(shù)是由掃描線圈控制的，它取決于光柵掃描區(qū)域和顯示器的大小。

光柵掃描尺寸越小或顯示器尺寸越大，獲得的放大倍率就越大。在20 cm屏幕上顯示的圖像的放大倍數(shù)將是在10 cm屏幕上顯示的相同圖像的兩倍。通常10 cm長的屏幕和10 μm的樣品掃描長度將產(chǎn)生10,000倍的放大倍率。

圖3 放大倍率是顯示器的掃描長度與試樣的掃描長度之比

由于顯示器的最大長度或多或少是固定的，通過減少樣品上掃描的長度來增加放大倍率。掃描的樣品面積越小，獲得的放大倍率越高。放大率是通過標(biāo)記為放大（Magnification）的旋鈕改變掃描偏轉(zhuǎn)線圈中的電流來改變的。這個旋鈕的逆時針運動改變了流過掃描線圈的電流，反過來增加了樣品上掃描的長度，從而降低了放大倍率。

目前，場發(fā)射掃描電子顯微鏡可以放大幾百萬倍。低倍率是通過掃描線圈產(chǎn)生大電子束偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)，因此容易受到透鏡像差的影響，從而扭曲樣品上的光柵掃描形狀。高倍率使用的小偏轉(zhuǎn)減少了圖像失真的可能性。因此，在低倍率下工作時，掃描電鏡實際上是最辛苦的工作（就從掃描發(fā)生器獲得的電流而言）。

放大倍率還取決于物鏡極靴和樣品表面之間的距離，稱為工作距離（WD）。在保持掃描偏轉(zhuǎn)線圈電流不變的情況下，如果減小工作距離（即使樣品靠近物鏡），則放大倍率會增大，因為樣品上的掃描長度會相對變短，如圖4a所示。

另一方面，如果增加工作距離（圖4b），掃描長度也會相應(yīng)增加，導(dǎo)致放大倍率降低。當(dāng)工作距離改變時，掃描電鏡會自動顯示正確的放大倍率。由此可見，可達到的最小放大倍數(shù)隨著工作距離的增加而減小。因此，為了在盡可能小的放大倍率下觀察樣品區(qū)域，應(yīng)增加工作距離。

圖4 工作距離（WD）和放大倍率示意圖