合軸和消像散

 

前言

 

實際的電子光學系統并不完美，僅靠聚焦操作（專欄6）不一定使圖像清晰。為保障高倍的圖像質量，需要合軸/對中和消象散的操作（如Beam align，Wobbler和Stigmator等）。成功地進行這些操作能保障電子束的會聚質量，得到更清晰的圖像。所以能熟練地Wobbler和Stigmator是高手的進階之道。

 

本文首先簡介像差，然后介紹合軸/對中，再稍詳細介紹消像散。文末的消像散操作非常具有指導性。

 

1 像差簡介

 

像差即是因不完美而出現的成像缺陷，它使圖像出現模糊、變形等缺陷。在光學/電子光學中，根據光/電子束偏離光軸的情況，像差可以簡單分為離軸的像差（如慧差和離軸的像散）和軸向的像差（如球差和軸向的像散等）。圖1舉例了生活中使用放大鏡中出現的像差，光偏離鏡頭的光軸，或者鏡頭的不完美都會使聚焦不盡人意。

 

圖1 光學和生活中的像差舉例

 

像差是光學中的重要部分，理論非常深奧。還有很多種像差，如球差、色差等，有機會再講述。光學中有很多消除像差的措施，而電鏡中卻比較有限。

 

電鏡雖是非常精密的儀器，但是電子源、光闌、透鏡中心難免會偏離自上而下的一條直線（這樣容易導致離軸的像差），或者透鏡偏離旋轉對稱（這樣容易導致軸向的像差）。高倍時放大樣品特征的同時也會放大這些缺陷，使圖像模糊、畸變，不能反映物的實際，故應予克服。

 

離軸像差由電子束偏離光軸所致，合軸或對中可以消除/減弱這種像差。軸向像差即沿光軸上的像差，消像散器可以消除軸向的像散。通常在消除離軸像差后再消除軸向的像散，比如先進行對中/合軸再進行消像散。

 

2 合軸/Wobbler

 

經過工廠調校的光鏡，光線和光軸重合，使用中通常僅調節聚焦即可。掃描電鏡的放大倍數更高，可設置參數更多，如調節加速電壓、光闌、工作距離等。更改這些參數設置都有可能改變電子束能量和軌跡，使得電子束偏離光軸，未經過光闌/透鏡中心，從而導致像差增加、束流降低等。所以，需要合軸/對中操作，使得電子束經過光闌/透鏡中心到達樣品。

 

2.1 合軸和對中

 

合軸是保證電子束從電子源發出后沿光軸到達樣品的操作，即使電子束經過電子源、透鏡和光闌中心等部件同軸的虛線。形象地說，合軸就像串珠串，讓絲線經過各個珠子的中心。

 

圖2 合軸的示意圖

 

合軸一般包括電子束對中、物鏡或光闌調節、消像散器中心調整等步驟。隨廠家不同，合軸的稱呼也不同。如圖3所示，未沿光軸運行，一些電子束可能會被光闌擋住，也可能未通過物鏡中心，這些都會劣化成像質量。可以用額外的電磁場逐步糾正各處的偏離，使電子束重新回歸光軸。

 

再次用放大鏡來類比：如果鏡片斜放，字-鏡-眼不在軸線上，邊緣字的圖像會畸變；那么擺正放大鏡，字-鏡-眼在軸線上，字變得清楚，在這里合軸就是擺正放大鏡。

 

圖3 合軸的目的和效果

 

經過合軸操作，讓我們能夠觀察到清晰的圖像，在聚焦操作時圖像不會出現側向移動。否則會存在離軸的像差，圖像不清晰且聚焦時會有側向移動。為了便于觀察合軸效果并方便調節，程序自動控制電鏡進行欠焦到過焦的變化來觀察動態圖像側向移動的幅度，這種操作被叫做Wobbler，也可以譯為搖擺。Wobbler使得更容易觀察到電子束偏離光軸的情況，通常偏離越大，圖像模糊和側向移動就越發明顯。

 

有些電鏡用戶只需要進行Wobbler操作，下邊簡介該操作，以知其所以然。

 

2.2 Wobbler操作

 

在圖4中，電子束偏離光軸入射到透鏡，在調節Wobbler時，焦點不僅在垂直高度上變化也在水平位置上移動。故因焦點垂直高度的變化導致圖像的模糊-清晰-模糊，聚焦點的水平位置移動導致圖像出現側向移動。若電子束沿光軸入射到透鏡，在調節Wobbler時，導致焦點僅在垂直高度上變化而無水平位置上變化，導致圖像的模糊-清晰-模糊，但是無側向移動，圖像看起來像心臟跳動。對應視頻詳見圖b。

 

圖4 Wobbler時電子束會聚的情況

 

圖a 視頻1

 

圖b 視頻2

 

在如今的場發射電鏡中，許多操作被簡化，合軸或對中操作未必需要頻繁調節。電子束通過光闌/透鏡中心，那么前方就一馬平川了嗎？答案當然是沒有，還有天險。對于初學者或進階者，像散是影響高倍成像質量的主要因素，所以準確地消像散則更為重要。

 

3 消像散/Stigmator

 

經過良好合軸后，電鏡中離軸的像散基本被消除。不幸是，球差和像差等像差難以被消除，只有軸向的像散才能基本被消除。

 

3.1 像散（astigmatism）

 

如圖5所示，光學上對于旋轉對稱性的透鏡，在互相垂直的方向上（子午和弧矢）折射率一致，光能被會聚成一個圓斑，無像散存在。但是，若透鏡存在對稱缺陷（透鏡非圓形、曲率不同或折射率變化），子午和弧矢方向對光線折射率不一致，最終導致光線不能會聚在同樣的圓斑上，甚至有些焦斑呈橢圓形的彌散斑。

 

圖5 光學中軸向的像散

 

在電鏡中，由于鏡筒中的缺陷的存在，比如各部件的機械加工偏差、物鏡形狀缺陷、光闌孔臟污等都會導致透鏡磁場偏離旋轉對稱性，也會出現像散。如圖6所示。

 

圖6 SEM中的像散及圖像

 

如果不存在像散，電子束的會聚軌跡像兩邊粗中間細的長鼓，每個截面上束斑尺寸先逐步減少再逐步增加，且在正焦處最小，但是無論怎么變化，束斑都是圓形。

 

如果存在像散，長鼓變得扭曲，大體上束斑尺寸還是遵循先減后增的規律，但是束斑截面呈橢圓形，且正焦兩側焦斑的取向大致上相互垂直，正焦時束斑也明顯大于無像散時。

 

因為像散的存在，橢圓形彌散斑容易導致束斑超出像素范圍，從而導致圖像模糊，且呈某個方向上的畸變（見專欄9）。

 

總之，根據圖像聚焦時的變化可以判斷像散是否存在。

 

3.2 消像散原理

 

因為像散是磁場偏離對稱導致的，可以通過反向磁場的疊加進行補償，見圖7所示。電鏡中配置有消像散器，通過補償磁場來消像散。

 

圖7 電鏡中軸向像散的成因和消除

 

圖8展示了常用消像散器的結構，一般是兩組四極電磁線圈組成的八極電磁透鏡。它可以合成出一個反向的磁場去補償物鏡缺陷導致的非旋轉對稱磁場，使最終磁場重新變為旋轉對稱磁場，從而保證聚焦點無像散。

 

圖8 消像散器的結構和實物圖

 

圖9匯總了有無像散時電子束會聚軌跡和電鏡圖像，可以得出有無像散時的不同特征：無像散正焦時圖像最清晰，失焦時也無方向性畸變；有像散時圖像模糊，且在焦點附近會出現方向性畸變，焦點兩側的畸變方向垂直。

 

還可以看出相同特征，一是兩者正焦時的焦距保持一致，二是兩者正焦時的束斑都基本呈圓形。由不同特征可以判斷是否需要消像散，由同與不同指導消像散。

 

圖9 像散和消像散的原理

 

3.3 消像散操作建議

 

首先判斷像散是否存在。根據圖9的指導，可知視頻3的圖像在聚焦時模糊，且在焦點附近會出現方向性畸變，焦點兩側的畸變方向垂直，存在嚴重的像散，需要消除。

 

判斷像散是否存在

 

圖9也給我們消像散的指導。首先應判斷正焦的位置，因為有像散時正焦位置恰好處在無方向畸變的時候，較易判斷。因此首先調節聚焦，將樣品大約處在正焦位置。然后調節消像散器，由兩組線圈X和Y兩個分量來合成補償磁場，分別進行X和Y分量的消像散操作，使各自分量上圖像清晰且無畸變。然后放大倍數繼續進行，直至滿意。步驟見視頻4。

 

消像散操作

 

換個思路，可以將消像散操作視為用牛頓迭代法解3個變量的方程F(f,X,Y) = 0，三個參數分別是焦距f，消像散器X分量和Y分量。選定特征突出、能判定大致形狀的區域，依次調節f、X和Y：

 

調節f。焦距f由聚焦來控制，通過圖9和視頻4的方法觀察離焦-正焦-過焦（不用糾結是過焦還是離焦，只知道它們是正焦兩側的狀態即可），讓圖像正焦。這時圖像雖然模糊但是沒有方向畸變。

 

調節聚焦后，相當于給方程一個大約的初始值，然后再分別優化另外兩個變量。

 

分別調節X和Y（兩者無先后，僅從習慣性考慮，先X后Y）。先調節旋鈕X，也類似調焦那樣，方向畸變明顯-減弱-明顯，找到方向畸變最弱的位置，此時圖像已經比較清晰。再調節Y，同X。調節旋鈕時也可以留意消像散器數值，一般不會太大，若偏離太大且圖片越調越糟，可以回到初始位置。如果樣品有磁性，調節幅度可能較大。

 

經過一輪調節后，圖像變得清晰。但是最初的聚焦未必特別精確，相當于初始值還需要優化，再次迭代。所以再進行一到兩輪調節f、X和Y的操作至圖像清晰。有時像散比較嚴重，可能在中低倍做一次，然后在高倍時再進行一次。

 

因為判斷正焦位置需要判斷方向畸變，所以要選擇樣品特征清晰且襯度較大的區域，如顆粒和邊緣，有時還要調節掃描速度、圖像亮度和對比度以利于觀察。像散的產生除了跟電鏡有關，也會跟樣品相關。如果樣品存在磁性或者荷電、工作距離發生變化等情形，像散狀態可能會隨之變化，高倍時需要及時消除。

 

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