BSM-25型扫描电子显微镜高分辨率的实现

　　理论上,优质扫描电镜二次电子像具备3个条件:足够的信噪比,较高的分辨率和一定的焦深[1].为满足这3个条件,实际上是需要高亮度、高稳定的电子枪、较小像差的电子光学系统及合适的光阑.针对上述条件,我们先后研制成功了多种性能优良的阴极,ZrO-W热阴极是最近研制成功的一种[2];在减小电子探针直径方面也进行了大量工作,例如对透镜球差的校正[3].在这些基础上,对一台80年代初国产的BSM-25型扫描电镜做了提高性能的工作,其中包括使用了高亮度的ZrO-W阴极,改用较小孔径的第二聚光镜光阑,增大高压滤波电容等措施.结果使该电镜从1986年交付使用时的15 nm分辨率达到了目前优于5 nm的水平,而且信噪比和焦深均较好.

　　1　实验原理及过程

　　1·1　减小高压色差

　　高压的不稳定将增大电子探针的色差,造成样品边沿图像的模糊.交流滤波后剩余纹波是引起不稳的一个主要因素,为此对倍压整流后的π型RC滤波器进行了调整,如图1所示.(a)为调整前的电路,(b)为调整后的电路.结果使样品边沿的清晰度得到了很大的提高.

　　1·2　减小透镜球差

　　BSM-25型电镜的电子探针直径原来只适于15 nm的分辨率.在换用ZrO-W阴极后,虽然亮度提高了,但实验发现,调节聚光镜励磁电流并不能使探针直径较小.分析表明,系统的对中程度和透镜的球差是其主要原因.改善对中后,将物镜光阑从150μm减至70μm,未能明显改善探针直径,而将第二聚光镜的光阑从1 mm减至100μm时,分辨率得到了显著的提高.这表明探针直径不能减小是因为聚光镜的球差过大引起.

　　1·3　高质量图像的获得

　　为获得高分辨率的二次电子像,制备了CrO2磁带的镀金样品,通过用光栅对放大倍数和标尺进行校正,拍得了图2的照片,其放大倍数为30 000×,标尺为1μm.从箭头所指多处0.12 mm(0·12钨丝比较测量)的缝隙可推知分辨率优于5 nm是毫无疑问的.为了验证信噪比和焦深的良好性,在10 000×时拍得了一种放线菌的照片(图3),其质量是较好的.

　　2　结果讨论

　　使用高亮度的ZrO-W阴极是BSM-25型扫描电镜探针直径能够减小的一个方面;而高压和透镜电流的稳定是不可忽略的;同时,第二聚光镜光阑和物镜光阑的配合使用也是很重要的,实验中,物镜使用了孔径150μm的光阑,第二聚光镜光阑则为100μm.由于使用了较小的聚光镜光阑,因此较易产生污染,这是需要注意的.另外,使用较小的聚光镜光阑并未造成对信噪比的较大影响,一方面证明了阴极的高亮度,再一方面也留下了一些值得研究的问题,例如聚光镜光阑可以小至何种程度.为祝贺陈尔纲教授70岁生日而作.