静电像差校正器在低电压扫描电镜成像中的突破性应用：提升分辨率与对比度的新策略

《Ultramicroscopy》：An electrostatic aberration corrector for improved Low-voltage SEM imaging

本文针对低电压扫描电镜(LV-SEM)中因物镜色差(CC)和球差(CS)导致的图像分辨率受限问题，开发了一种基于四极-八极设计的静电像差校正器(AC)。研究通过定量评估和调整色差及球差，使LV-SEM图像分辨率和对比度提升近三倍，在1000 eV束能下实现3.0 nm边缘分辨率。该静电校正器可快速通过电极电压比例缩放适应不同束能，为材料科学与生命科学样本的低电压成像提供了实用解决方案。

　　

在电子显微成像领域，低电压扫描电镜(Low-voltage Scanning Electron Microscopy, LV-SEM)因其对样品损伤小、表面敏感度高而广泛应用于半导体计量、缺陷检测、生命科学高分辨率成像以及纳米材料分析。然而，LV-SEM的图像分辨率和对比度受到物镜不可避免的像差限制，尤其是色差(Chromatic Aberration, C_C)和球差(Spherical Aberration, C_S)。传统场发射枪(Field Emission Gun, FEG)源的能量展宽约为0.8 eV，在典型工作条件下，色差导致的散焦范围可达±1微米，色模糊盘尺寸通常为3-5 nm，成为提升图像质量的主要瓶颈。尽管过去几十年间，通过改进电子源、物镜和探测器，像差已减小到实际可达到的最小值，但在低电压条件下，剩余的主导像差仍是限制分辨率的关键因素。因此，开发实用的像差校正技术成为提升LV-SEM性能的迫切需求。

本研究由Diederik Jan Maas团队完成，发表于《Ultramicroscopy》，旨在设计、集成并测试一种静电像差校正器(Aberration Corrector, AC)，基于四极-八极(quadrupole-octupole)设计，以改善LV-SEM的图像质量。通过定量评估和调整色差及球差，研究人员成功将图像分辨率和对比度提升了近三倍，在1000 eV束能下实现了3.0 nm的边缘分辨率，接近理论探针尺寸2.2 nm。此外，该静电校正器展示了在500 eV和1000 eV束能下对典型材料和生命科学样本的成像能力，其优势在于通过电极电压的比例缩放即可快速调整，避免了电磁校正器在束能变化后因剩余磁场而需要重新对齐的迭代过程。

为开展研究，团队采用了多项关键技术方法：首先，基于Henstra和Krijn的静电校正器概念，设计了双望远镜校正元件(Correcting Element, CE)，通过MEBS软件包进行3D仿真和像差积分计算，优化光学设计；其次，将校正器集成到商业Philips/FEI SIRION XL30SFEG SEM中，通过添加柱扩展模块容纳校正器，并采用磁屏蔽和噪声过滤技术减少电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI)；第三，开发了半校正器概念和双透镜系统，以匹配不同工作距离(Working Distance, WD)下的像差校正需求，确保在1.5 mm至5 mm的WD范围内有效取消色差和球差；最后，通过实验验证，使用金碳分辨率测试样本和THP-1细胞样本，评估校正前后的图像分辨率和对比度改进。

2.1. 校正器光学概念与设计

研究人员基于Henstra的望远镜校正元件概念，设计了静电四极-八极校正器。通过仿真和像差积分计算，确定了校正元件的电压设置，使其在校正平面(Correcting Plane, CP)和非校正平面(Non-Correcting Plane, NCP)均实现望远镜模式，从而有效抵消物镜的色差和球差。仿真结果显示，校正后探针的FW50尺寸从未校正时的约3.42 nm减小到1.14 nm，优化开口角为21 mrad。

2.2. SEM探针尺寸与形状与图像边缘分辨率的关系

研究分析了探针尺寸标准（如FW50和FW75）与图像边缘分辨率（如d_25-75）之间的关系。指出边缘分辨率更对应于FW75而非FW50，并强调在评估图像质量时需考虑电磁干扰和样品相互作用体积的影响。通过波光学计算重建点扩散函数(Point Spread Function, PSF)，提供了更准确的像差评估方法。

2.3. 望远镜校正元件的高阶像差

高阶像差最终限制了AC-SEM可达到的分辨率。通过比较直接射线追踪和基于像差积分的仿真，研究人员说明了在寻找高斯射线电压设置时，望远镜校正元件的高阶像差的影响，并引入了半校正器概念来避免实验中的类似影响。

2.4. 使用半校正器激励一个校正元件

为避免在寻找标称激励电压时非校正平面中高阶像差引起的焦点偏移，提出激励“半校正器”，模拟完整校正器的射线路径，而不受另一个可能失谐的CE的影响。

2.5. 束能失谐导致的散焦

实践中，校正器出射光瞳平面与物镜光瞳平面之间存在有效光学距离D，导致校正器的负色差和三级孔径像差与物镜的正C_C和C_S产生有限的组合像差。模型预测显示了SEM和AC-SEM的散焦曲线作为归一化束能的函数，考虑了二阶色差和有限漂移空间的影响。

2.6. 所有工作距离的色差匹配

通过使用双透镜（如XL30SFEG的高分辨率(HR)透镜和超高分辨率(UHR)磁浸没透镜），将固定校正器色差与变化的物镜渐近色差匹配，实现在更短工作距离下的像差校正，而无需改变校正器电压。

2.7. 实用校正器实施例的光学元件

实用校正器实施例提供了足够的自由度，将来自上柱的束流通过校正器对齐到（双合）物镜。从顶部到底部，原型由多个八极和四极组成，允许通过小偶极场进行束流对齐，并通过四极激励在多个（非）像散射线路径中激励。

4.3. 色差校正 for WD ≤ 5 mm and U₀ = 1 keV

通过调整HR-UHR双合透镜的像差，以精确匹配校正器的负色差，在WD = 1.5 mm下实现了色差的取消。实验数据显示，在束能失谐时，AC-SEM的散焦显著减少，验证了色差校正的有效性。

4.4. AC-SEM的分辨率和对比度提升

通过比较校正前后的SEM图像，发现AC-SEM在1000 eV束能下的图像质量与未校正SEM在10 keV束能下的质量相当，边缘分辨率从3.9 nm提升到3.0 nm，对比度提升因子达2.05。图像亮度和细节的改善表明校正后探针的FW100尺寸小于典型金岛尺寸，从而实现了更真实的对比度提升。

4.5. 切换到更低束能

静电校正器的优势在于改变束能时只需按比例缩放所有电压，无需复杂重新对齐。在500 eV束能下，AC-SEM仍能保持较好的图像质量，边缘分辨率达到4.0 nm，展示了其在不同束能下的适用性。

4.6. 应用示例

AC-SEM在未镀碳纳米管等样本上成像，展示了丰富的表面细节和深度聚焦能力，进一步证明了其在纳米材料研究中的实用性。

研究结论表明，静电像差校正器的开发和应用成功解决了LV-SEM中的主要像差问题，显著提升了图像分辨率和对比度。通过双望远镜校正元件设计和集成，实现了对色差和球差的有效取消，使LV-SEM在低束能下达到与高束能传统SEM相当的分辨率水平。此外，校正器的快速调整能力和适用性 across不同工作距离和束能，为其在半导体检测、材料分析和生命科学成像等领域的广泛应用提供了坚实基础。尽管制造复杂性和成本目前限制了其商业化推广，但本研究为未来高通量、高分辨率LV-SEM的发展指明了方向，有望满足半导体行业路线图对更高分辨率和对比度的需求。