SEM的景深，傾斜校正和動(dòng)態(tài)聚焦

 

前言

 

對表面起伏明顯的樣品而言，高低方向的成像也會(huì)存在模糊的區(qū)域，那是因?yàn)檫@些區(qū)域偏離正焦，所以了解景深也非常必要。雖然SEM的景深較高，但是也要知道上限，以及怎樣提高上限。

 

在對傾斜的水平面進(jìn)行成像時(shí)還會(huì)出現(xiàn)投影畸變，為了還原樣品水平時(shí)的原貌和準(zhǔn)確測量，需要進(jìn)行傾斜校正。但是很多時(shí)候也會(huì)超出景深上限，這時(shí)還需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚焦。

 

然后有大量的精彩案例。

 

1 景深

 

手機(jī)的圖片，理論上只有被準(zhǔn)確對焦的景物才能清晰，焦點(diǎn)前及焦點(diǎn)后的景物會(huì)因不在焦點(diǎn)而顯得模糊；實(shí)際上隨鏡頭、拍攝參數(shù)等因素，在焦點(diǎn)前、后仍然會(huì)有一段距離的景物能夠被清晰顯示，這個(gè)清晰的范圍便稱為景深（Depth of field，有時(shí)縮寫為DOF）。不同景深的照片見圖1。在光學(xué)顯微鏡中，景深不足，往往會(huì)導(dǎo)致一些區(qū)域清楚，其他高度的區(qū)域模糊。

 

圖1 不同景深的圖片

 

掃描電鏡的景深亦如此，只是我們觀察的是垂直的樣品，景深就是電鏡中清晰圖像的垂直范圍。景深越大，圖像中能夠清晰呈現(xiàn)的垂直范圍就越大；反之，圖像中能夠清晰呈現(xiàn)的垂直范圍越狹小。

 

普通光鏡的景深較差，而掃描電鏡觀察樣品時(shí)立體感強(qiáng)，圖像能夠展示出高度上的錯(cuò)落有致，這是由于聚焦時(shí)電子束會(huì)聚角很小，在一定深度上束斑尺寸變化不顯著，仍然不超過一定范圍并能得到清晰的像。圖2解釋了景深的范圍和影響因素：電子束以固定的焦距掃描了一個(gè)臺階狀的樣品，在某一個(gè)位置恰好能正焦；而在它上方和下方則會(huì)失焦，如若束斑遠(yuǎn)大于掃描步進(jìn)則使圖像模糊，但若束斑擴(kuò)展不大，在一定范圍內(nèi)尚能清晰成像。圖中所示的清晰成像的垂直范圍即為景深。

 

圖2 景深簡單示意及其影響因素

 

顯然，景深大我們可以看清的垂直距離會(huì)更大，樣品的立體感也會(huì)更好。怎樣能增加景深呢？由圖可知，景深與掃描步進(jìn)/樣品像素大小和電子束會(huì)聚的快慢（會(huì)聚角α）有關(guān)，而掃描步進(jìn)又由放大倍數(shù)M決定，會(huì)聚角又由光闌孔徑d_apt和工作距離W確定。因此可以確定如下關(guān)系：DOF∝1/Mα∝ W/Md_apt。

 

由以上關(guān)系可知，隨著放大倍數(shù)和會(huì)聚角的增加，景深下降；隨著工作距離的降低和光闌孔徑的增加，景深下降。在低倍時(shí)降低會(huì)聚角（使用小光闌、增加工作距離或者物鏡不工作）會(huì)得到很大的景深。在單反相機(jī)中，使用小光圈也能增加景深，這更能讓我們知道光學(xué)和電子光學(xué)相通的地方很多。通過這個(gè)關(guān)系我們也能知道：在同樣設(shè)置下，在高倍較之低倍時(shí)景深會(huì)變差，所以高倍時(shí)觀察錯(cuò)落樣品（比如立體堆積的納米纖維），總有些區(qū)域是模糊的。放大倍率和會(huì)聚角對景深的影響可見圖3a。

 

圖3 景深與放大倍數(shù)的關(guān)系

 

圖3b為掃描電鏡與光鏡中景深的對比。可見，除了景深與放大倍數(shù)成反比，在相同放大倍數(shù)下，掃描電鏡的景深遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光鏡，約大兩個(gè)數(shù)量級。在普通光學(xué)顯微鏡中，使用會(huì)聚角小的體視顯微鏡可以獲得稍高景深的圖像，但放大倍數(shù)較低；相反使用大數(shù)值孔徑物鏡（會(huì)聚角大）能夠獲得高倍的光學(xué)圖像，但景深降低。

 

掃描電鏡的景深較高，所以對立體樣品的成像效果較好，但是在對傾斜面成像時(shí)也會(huì)存在困難：一方面傾斜樣品會(huì)帶來投影畸變，使得尺寸測量不準(zhǔn)確；一方面，傾斜的高低端區(qū)域可能超出景深范圍。

 

2 傾斜校正

 

掃描電鏡的圖像可以視為三維樣品在二維的投影。當(dāng)樣品傾斜時(shí)，特征區(qū)域在圖像上的尺寸和真實(shí)的尺寸跟傾斜角度有關(guān)。如圖4a所示，設(shè)方形樣品真實(shí)長度為L_true，傾斜角度為θ，在圖片上樣品的長度為L_image，顯然兩個(gè)長度并不等長但是存在圖示的幾何關(guān)系。

 

圖4 投影畸變和傾斜校正

 

這時(shí)可以使用傾斜校正功能，它可以把傾斜樣品還原為水平樣品，并且補(bǔ)償因傾斜導(dǎo)致的圖像尺寸變化。在未使用傾斜校正時(shí)，圖像會(huì)出現(xiàn)投影畸變，如圖b1所示的梯形。當(dāng)使用傾斜校正時(shí)，軟件會(huì)考慮夾角的影響，將圖片還原為真實(shí)的尺寸，如圖b2所示的方形。

 

需要注意的是，傾斜校正針對的是平整的樣品或者樣品中平整的部分（比如EBSD、FIB等情形），對于三維形貌的樣品進(jìn)行傾斜校正則會(huì)帶來假象。

 

3 動(dòng)態(tài)聚焦

 

對于傾斜的平面樣品，尤其是當(dāng)呈現(xiàn)較大視場時(shí)，在整個(gè)成像區(qū)域內(nèi)的工作距離差別較大，有時(shí)可能達(dá)到幾個(gè)毫米的高度差，遠(yuǎn)超掃描電鏡的景深，則只能使很小的區(qū)域內(nèi)圖像清晰。并且，進(jìn)行傾斜校正并不能保證成像清晰。

 

為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，在傾斜校正的基礎(chǔ)上可以使用動(dòng)態(tài)聚焦功能（Dynamic focus）。根據(jù)樣品傾斜的角度θ，軟件會(huì)根據(jù)樣品不同位置計(jì)算變焦量，從而使得在掃描范圍內(nèi)所有工作距離上，此調(diào)整都會(huì)使電子束在表面上聚焦，從而獲得清晰的圖像，如圖5所示。

 

圖5 動(dòng)態(tài)聚焦示意圖

 

傾斜校正和動(dòng)態(tài)聚焦在EBSD測試（樣品70°傾斜）和雙束電鏡中加工（樣品51°/54°傾斜）后的尺寸測量中經(jīng)常被用到。

 

4 表征案例

 

在表征中有時(shí)需要考慮景深，比如針對大視場、大高差的樣品，這時(shí)在設(shè)置參數(shù)時(shí)要考慮增加景深。有時(shí)需要對傾斜樣品進(jìn)行觀察，如EBSD測試、FIB截面加工，這時(shí)需要考慮傾斜校正和動(dòng)態(tài)聚焦。

 

4.1 改變景深

 

為了實(shí)現(xiàn)更低倍數(shù)/更大視場，許多電鏡都設(shè)有低倍/Overview/高景深/大視場模式，它們實(shí)現(xiàn)途徑各有不同，但是都能在實(shí)現(xiàn)更低倍數(shù)和更大視場的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更大的景深。下圖是日立電鏡中低倍模式與高倍模式在圖像景深上的比較。

 

圖6 不同成像模式對景深的影響

 

低倍模式下可以實(shí)現(xiàn)非常低的倍數(shù)，景深范圍也出奇地大，那是因?yàn)殛P(guān)閉了物鏡，導(dǎo)致會(huì)聚角也同時(shí)變小（見圖6示意圖）。放大倍數(shù)低加上會(huì)聚角小，自然景深會(huì)非常高。常用的成像是高倍模式，也由右側(cè)圖可見，隨著放大倍數(shù)的提高，景深降低了，在高倍下焦點(diǎn)在焊點(diǎn)處時(shí)，上方的金線變得模糊。

 

低倍/Overview/高景深/大視場模式也存在各種問題，未必是通常的成像模式，很多時(shí)候需要改變光闌和工作距離以改變景深，如圖7所示。

 

圖7 光闌和工作距離對景深的影響

 

圖示的晶須猶如土壤中長出的小樹，因?yàn)榫吧畹南拗疲灰欢鼙ＷC“土壤”和“小樹”都能被看清。依據(jù)會(huì)聚角與光闌和工作距離的關(guān)系，有兩種減少會(huì)聚角來增加景深的方案：1. 增加工作距離;2. 減少光闌孔徑。由圖7可見，在一定范圍內(nèi)這些都能增加景深。然而，在很高倍數(shù)時(shí)，增加工作距離會(huì)降低分辨率，減小光闌會(huì)降低束流，這些都可能降低圖像質(zhì)量。

 

4.2 傾斜校正和動(dòng)態(tài)聚焦的應(yīng)用

 

對于雙束電鏡而言，最基本的功能之一為截面的切削，需要判斷加工區(qū)域的寬度和深度。此時(shí)，樣品表面垂直于離子束，但是與電子束存在一夾角（比如Thermofisher為51°，Zeiss為54°）。為了保證測量準(zhǔn)確，必然使用傾斜校正和動(dòng)態(tài)聚焦功能，如圖8所示。需要注意的是，測量寬度和深度時(shí)要考慮測量面相對于水平面的夾角，兩角通常為互余的關(guān)系。

 

圖8 傾斜校正和動(dòng)態(tài)聚焦應(yīng)用于蔡司雙束電鏡

 

也由上圖可見，因?yàn)榧庸け砻娌⒎嵌S平面，一些特征在傾斜校正下出現(xiàn)假象，傾斜放置的樣品也未必能還原回水平放置時(shí)的圖像。

 

對于EBSD而言，傾斜校正則更為關(guān)鍵和必須，因?yàn)闃悠沸敝茫Y(jié)果卻要正視圖顯示。通常樣品測試面相對水平面70°傾斜，未校正時(shí)不僅樣品傾斜，取向圖也被壓縮；校正后才能得到準(zhǔn)確的圖像和取向圖。

 

圖9 傾斜校正和動(dòng)態(tài)聚焦應(yīng)用于EBSD

 

除了以上原因，還有些因素會(huì)導(dǎo)致成像質(zhì)量不高，需要正確地合軸和消像散。

 

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