3.7　透镜内二次电子探测器

随着人们对微观物质的研究不断地向纳米或亚纳米量级深入发展，扫描电镜的空间分辨力要求也越来越高。传统E-T SED的光电转换效率和信噪比还不是很高，即使是配备在场发射电镜上的E-T SED所能得到的图像分辨力基本上也被限制在1.5nm左右，最高的分辨力也只到1.2nm，很难再有明显的突破。为了使场发射扫描电镜的二次像分辨力能达到或优于1nm，特别是使低加速电压时的图像分辨力能得到进一步的改善，是广大用户的共同愿望，也是设计者的重要研究方向。因此，提高探测器对二次电子的采集效率和尽量减少各种像差都是非常必要的。现在，类似于光学显微镜的短焦距浸没式透镜的模式也开始应用到扫描电镜上来，这种透镜不仅可以减少图像的像差，而且还能明显地提高电镜的分辨力，特别是对低加速电压时分辨力的改善尤为明显。

在高分辨力的场发射扫描电镜中，为了能提高二次电子的采集率和图像的分辨力，一般采用提升样品台的Z轴，缩短工作距离，让试样能尽量靠近物镜的下极靴的方法。在下极靴的附近通常会加装一小静电场来提升二次电子；有时为获得更高分辨力的图像，甚至把试样放在物镜的下极靴附近。这几种设置模式都要在物镜中另外增设透镜内（IN-LENS）的SED来采集二次电子；有的扫描电镜把二次电子探测器置于物镜的上方称为穿过透镜的二次电子探测器（TLD）；有的电镜把这种二次电子探测器做成面积较大的圆环形而置于物镜的上方；有的电镜甚至把试样置入物镜的下极靴间隙附近，再在物镜上方设置二次电子探测器，这种电镜把试样置于极靴附近空间内，再加上采用能量发散小、束流密度大的冷场发射电子枪做光源，其最高的分辨力目前可达0.4nm，但由于极靴间隙附近的空间小，可容纳的试样尺寸仅为毫米量级，样品台的X和Y移动范围也很小，一般不超过10mm，所以使用时显得很不方便，因此移动试样时必须特别小心，以免“四面碰壁”，但其最大优点是能提高二次电子图像的分辨力。

为提高低加速电压下的图像分辨力，日立公司冷场发射的高分辨力电镜就采用高位的二次电子的探测器来采集二次电子和背散射电子这两种信号，二次电子和背散射电子既可分开独立成像，也可两种信号相互叠加同时混合成像，透镜内电极信号变换如图3.7.1所示。使用该电镜时应尽量缩短工作距离，让试样能尽量靠近物镜的下极靴，采用物镜上方的高位探测器来接收由试样发出的SE和BSE。从试样发出的BSE经转换电极转换而成为SE信号，这两路信号相叠加可使入射信号得到增强，这时所成图像的信噪比会明显得到提高，特别有助于提高低加速电压时的图像分辨力。这种探测装置还采用了电场和磁场（E×B）的结构模式，如图3.7.2所示，即在物镜的上方分别增设了一对电磁线圈和一对直流电场。此电场的正电位做成网状又放置在高位二次电子探测器的前端，类似于传统的E-T探测器前面的收集栅网，由于这个正电位的存在，它对低能的二次电子有明显的加速和提高采集效率的作用，但它也会影响到从其对面侧旁路过的入射（一次）电子束，特别是对低加速电压的入射束流影响会比较明显，会使经过这一电场区的一次电子偏向于正电位方向。为了不让正电位影响一次电子的运行路径，又增设了一对磁场，使入射的一次电子经过磁场区时受到洛伦兹力的作用（左手定则），在洛伦兹力的作用下，入射电子束偏向静电场中的负电位方向。这样，电场产生的库仑力和磁场产生的洛伦兹力的方向刚好相反，如果设计合理又调节得当，受力中心又处在同一个平面上，那么它们所产生的电场力和洛伦兹力刚好大小相等，方向相反，则其对入射束的影响合力趋于零，洛伦兹力的方向如图3.7.3（a）所示。这样的布局对由上往下运动的一次电子束来说是不受影响的，但对于由下往上运动的低能SE来说，由于该磁场的存在，所产生的洛伦兹力的方向与电场力的方向刚好一致，如图3.7.3（b）所示，这也就增加了探测器对二次电子的双重收集能力。所以，E×B这种结构模式提高了设备对二次电子的信号采集能力，特别是在用低加速电压来分析那些导电不良的试样时，能更明显地提高图像的衬度和信噪比，对改善低加速电压的二次电子图像的信噪比和分辨力都有很大的帮助。

图3.7.1　透镜内电极信号变换图

图3.7.2　透镜内的E×B结构示意图

图3.7.3　左手定则中的电流、磁场和力的方向

左手定则：将左手的食指、中指和拇指伸直，使其在空间内相互垂直，食指方向代表磁场的方向（从N极到S极），中指代表电流的方向（从正极到负极），这时拇指所指的方向就是受力的方向。使用时可以记住，中指、食指和拇指各指的方向分别代表“电、磁、力”这三个方向。