粒子束成像設(shè)備如SEM、FIB等，成像介質(zhì)為被聚焦后的高能粒子束（電子束或離子束）。以掃描電鏡（SEM）為例，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)布置的偏轉(zhuǎn)器控制這些被聚焦的高能電子束在樣品表面做陣列掃描動(dòng)作，電子束與樣品相互作用激發(fā)出信號(hào)電子，信號(hào)電子經(jīng)過(guò)探測(cè)器收集處理后，即可得到由電子束激發(fā)的顯微圖像。

圖1：偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)示意（左）；電鏡圖像（右）

基于以上原理，一臺(tái)粒子束設(shè)備在進(jìn)行顯微成像時(shí)，其分辨能力與下落至樣品表面的粒子束的束斑尺寸相關(guān)，束斑的尺寸越小，掃描過(guò)程中每個(gè)像元之間的有效間距即可越小，設(shè)備的分辨本領(lǐng)越高。當(dāng)相鄰的兩個(gè)等強(qiáng)度束斑其中一個(gè)束斑的中心恰好與另一個(gè)束斑的邊界重合時(shí)，設(shè)備達(dá)到分辨能力極限（圖2）。

不考慮粒子衍射效應(yīng)時(shí)，經(jīng)聚焦后的粒子束截面可視為圓形（高斯斑），其束流強(qiáng)度沿中心向邊緣呈高斯分布（圖3）。以掃描電鏡為例，在光學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)階段，通常使用直接電子束跟蹤和波光計(jì)算（direct ray-tracing and wave-optical calculations）方法，來(lái)獲得聚焦電子束的束斑輪廓。該過(guò)程是將電子束的束流分布采用波像差近似算法來(lái)計(jì)算圖像平面上的點(diǎn)展寬函數(shù)PSF（Point Spread Function），基于PSF即可估算出包含總探針電流的某一部分（如50%或80%）的圓的直徑，從而得到設(shè)備的分辨能力水平。

圖3：高斯斑的截面形狀和強(qiáng)度分布示意圖

但是在設(shè)備出廠后，由于粒子束斑尺寸在納米量級(jí)，無(wú)法直接測(cè)量，因此行業(yè)通常使用基于成像的測(cè)試方法，測(cè)試粒子束設(shè)備的分辨能力。

銳利物體邊界的邊界變化率法是行業(yè)目前達(dá)到共識(shí)的測(cè)試粒子束斑尺寸的方法，即使用粒子束成像設(shè)備對(duì)銳利物體（通常是納米級(jí)金顆粒）進(jìn)行成像，沿圖像中銳利物體的邊緣繪制亮度垂直邊緣方向的變化曲線，并選取曲線上明暗變化位置一定比例對(duì)應(yīng)的物理距離，來(lái)表示設(shè)備的分辨率（圖4）。為了保證測(cè)試準(zhǔn)確性，可以在計(jì)算機(jī)幫助下取數(shù)百、數(shù)千個(gè)銳利邊界的亮度變化率曲線求取均值，以獲知設(shè)備的整體分辨能力。

圖4：金顆粒邊界測(cè)量線（上圖紅線）；測(cè)量線上的亮度變化（下左）；取多條測(cè)量線后得到的設(shè)備分辨率示意（下右）

邊界變化率曲線上亮度25%-75%位置之間的物理距離d，可以近似認(rèn)為是粒子探針束流50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒子束斑直徑，在粒子束成像設(shè)備行業(yè)通常用此距離d來(lái)最終標(biāo)識(shí)設(shè)備的分辨能力。

圖5：邊界變化曲線與高斯斑直徑對(duì)應(yīng)示意圖

金顆粒通常采用CVD或者PVD等沉積生長(zhǎng)的方法獲得，由于顆粒形核長(zhǎng)大的過(guò)程可以人工調(diào)控，因而最終得到的金顆粒直徑的大小可以被人工控制，所以視不同用途，金顆粒的規(guī)格也不同。以Ted Pella品牌分辨率測(cè)試金顆粒為例，用于SEM分辨率測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)金顆粒有五種規(guī)格，其中顆粒尺寸較小的高分辨、超高分辨金顆粒（如617-2/617-3）通常用于測(cè)試場(chǎng)發(fā)射電鏡的分辨能力；顆粒尺寸較大的金顆粒（如617/623）通常用于測(cè)試鎢燈絲或小型化電鏡的分辨能力，詳細(xì)的顆粒尺寸和適用設(shè)備見(jiàn)圖6。測(cè)試時(shí)，不合適的金顆粒選擇無(wú)法準(zhǔn)確反映一臺(tái)電鏡的分辨能力。

圖6：Ted Pella品牌金顆粒規(guī)格及適用機(jī)型

分辨率的測(cè)試旨在測(cè)試設(shè)備在不同落點(diǎn)電壓下的各個(gè)探測(cè)器的極限分辨能力，因此，與電子光學(xué)相關(guān)的成像參數(shù)設(shè)置需要注意以下內(nèi)容：

（1）視場(chǎng)校準(zhǔn)：保證放大倍數(shù)、視場(chǎng)尺寸的準(zhǔn)確；

（2）目標(biāo)電壓：這里特指落點(diǎn)電壓，即電子束作用在樣品上的真實(shí)撞擊電壓；

（3）探測(cè)器：不同探測(cè)器收取信號(hào)的能力不同，因此獲得圖像的極限分辨能力不同，因此都要測(cè)試，通常鏡筒內(nèi)探測(cè)器>ET>BSE；

（4）光闌/束斑：通常在每個(gè)電壓下使用可以正常獲得圖像的最小光闌（以獲得極限分辨能力）；

（5）工作距離：通常在每個(gè)電壓下使用可以正常獲得圖像的最小工作距離（以獲得極限分辨能力）。

（1）合理的測(cè)試視野/放大倍數(shù)

測(cè)試時(shí)，所選用的測(cè)試視野（放大倍數(shù)）需要根據(jù)設(shè)備的分辨能力做出調(diào)整，一般放大倍數(shù)取每個(gè)像素的pixel size恰好與真實(shí)束斑尺寸接近即可。比如：對(duì)于真實(shí)分辨能力約1.5nm的設(shè)備，調(diào)整放大倍數(shù)使屏幕上每個(gè)像素對(duì)應(yīng)樣品上的真實(shí)物理尺寸為1.5nm，即在采集1024*1024像素?cái)?shù)的圖像進(jìn)行測(cè)試的前提下，選擇不大于1024*1.5nm≈1.5um的視野進(jìn)行測(cè)試即可。

表1：分辨率測(cè)試的FOV及放大倍數(shù)估算表

（2）合理的亮度、對(duì)比度

采集金顆粒圖像時(shí)，亮度和對(duì)比度的選擇也需要合理，也就是通常所講的不要丟失信息。在不丟失信息的前提下，圖像亮度對(duì)比度稍微偏高或偏低，只要邊緣變化曲線的高線和低線均未超出電子探測(cè)器采集能力的上限或者下限，曲線雖然在強(qiáng)度方向（Y方向）出現(xiàn)的位置和差值有所變化，但距離方向（X方向）及變化趨勢(shì)均不改變，因此使用25%-75%變化率對(duì)測(cè)量出來(lái)的分辨率數(shù)值d基本沒(méi)有影響（圖7）。然而，當(dāng)使用過(guò)大的亮度、對(duì)比度設(shè)定后，當(dāng)邊緣變化曲線的高線和低線至少一邊超出電子探測(cè)器采集能力的上限或者下限，再使用25%-75%變化率對(duì)測(cè)量出來(lái)的分辨率數(shù)值d就不再準(zhǔn)確，這時(shí)測(cè)出的分辨率數(shù)值無(wú)效（圖8）。

圖7：合理的亮度對(duì)比度及邊界變化率的曲線

圖8：不合理的亮度對(duì)比度及邊界變化率的曲線

基于上述圖像學(xué)進(jìn)行的分辨率測(cè)試，是反映粒子束設(shè)備整體光學(xué)、機(jī)械、電路、真空等全面綜合性能的關(guān)鍵手段。該測(cè)試在設(shè)備出廠交付時(shí)用于驗(yàn)證設(shè)備的性能指標(biāo)，在設(shè)備運(yùn)行期間不定期運(yùn)行該測(cè)試以關(guān)注分辨率指標(biāo)，可以快速幫助使用人員和廠商工程師快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，從而及時(shí)制定維護(hù)、維修方案，以延長(zhǎng)設(shè)備的穩(wěn)定服役時(shí)間。

鋼研納克是專(zhuān)業(yè)的儀器設(shè)備制造商，同時(shí)提供完善可靠的第三方材料檢測(cè)服務(wù)、儀器設(shè)備校準(zhǔn)服務(wù)，力求在儀器設(shè)備產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、交付、運(yùn)行全流程階段遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，采用統(tǒng)一的品質(zhì)監(jiān)控手段，保證所交付產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定可靠。

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本技術(shù)文章中掃描電鏡圖像由鋼研納克FE-2050T產(chǎn)品拍攝。