เส้นผ่านศูนย์กลางของหัววัดอิเล็กตรอน, เส้นผ่านศูนย์กลางของหัววัด

เส้นผ่านศูนย์กลางของโพรบอิเลคตรอน (เส้นผ่านศูนย์กลางของโพรบ) หมายถึงเส้นผ่านศูนย์กลางของโพรบอิเลคตรอนที่ตกกระทบซึ่งโฟกัสไปที่พื้นผิวของชิ้นงานทดสอบ
สมการต่อไปนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับคำจำกัดความของเส้นผ่านศูนย์กลางโพรบ

สมการด้านบนแสดงว่าเส้นผ่านศูนย์กลางโพรบ d ที่พื้นผิวชิ้นงานทดสอบหาได้จากค่าเฉลี่ยกำลังสองของรากของสี่พจน์ หรือ d₀ (เส้นผ่านศูนย์กลางของโพรบที่ได้จากแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนที่ไม่มีความคลาดเคลื่อน) d_d (เส้นผ่านศูนย์กลางโพรบกำหนดโดยความคลาดเคลื่อนของการเลี้ยวเบน) d_s (เส้นผ่านศูนย์กลางโพรบของวงกลมความสับสนขั้นต่ำที่กำหนดโดยความคลาดเคลื่อนทรงกลม) และ d_c (เส้นผ่านศูนย์กลางโพรบของวงกลมความสับสนขั้นต่ำที่กำหนดโดยความคลาดเคลื่อนของสี) สมการด้านล่างแสดงคำอธิบายเฉพาะของ d₀, d_d, d_s และกระแสตรง ที่นี่, I_p คือโพรบปัจจุบัน β คือความสว่างของปืนอิเล็กตรอน α คือมุมกึ่งบรรจบกันของโพรบอิเล็กตรอน λ คือความยาวคลื่นของอิเล็กตรอน C_s คือค่าสัมประสิทธิ์ความคลาดเคลื่อนทรงกลมของเลนส์ใกล้วัตถุ C_c คือค่าสัมประสิทธิ์ความคลาดสีของเลนส์ใกล้วัตถุ E เป็นพลังงานของลำอิเล็กตรอนและ ∆อี คือการกระจายพลังงานของลำอิเล็กตรอน สมการแสดงว่าหัววัดเส้นผ่านศูนย์กลาง d เป็นฟังก์ชันของมุมกึ่งบรรจบกัน α ของอิเล็คตรอนโพรบ

รูปที่ 1 แสดงเส้นผ่านศูนย์กลางโพรบ d เป็นฟังก์ชันของมุมกึ่งลู่เข้าหากัน α สำหรับ SEM ธรรมดาที่ติดตั้งปืนอิเล็กตรอนแบบปล่อยความร้อน (ไส้หลอดทังสเตน) ทำงานที่แรงดันเร่ง 20 kV พารามิเตอร์ที่ใช้ที่นี่มีดังนี้: E=20 กิโลโวลต์, ∆อี=1 โวลต์, C_s=50 มม. C_c=20 มม. β=7×10⁴ A/ซม.²/sr และ I_p=1 pA, 10 pA และ 100 pA (สามกรณี) เป็นที่สังเกตว่าทั้งสามกระแส I_p สอดคล้องกับกรณี: กระแสโพรบขนาดเล็กสำหรับการสังเกตการณ์ที่มีความละเอียดเชิงพื้นที่สูง กระแสโพรบขนาดใหญ่สำหรับการวิเคราะห์องค์ประกอบ กระแสโพรบขนาดกลางสำหรับการสังเกตการณ์ที่มีความละเอียดสูงและการวิเคราะห์องค์ประกอบ

เส้นโค้งสีดำสำหรับ I_p = 100 pA แสดงว่าเส้นผ่านศูนย์กลางโพรบ d ถูกกำหนดโดยส่วนใหญ่ d₀ และ d_sที่นี่มี d₀ คือเส้นผ่านศูนย์กลางโพรบเนื่องจากแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนและ d_s เป็นเส้นผ่านศูนย์กลางโพรบเนื่องจากความคลาดเคลื่อนของทรงกลม เส้นโค้งสีดำสำหรับ I_p = 1 pA แสดงว่าเส้นผ่านศูนย์กลางโพรบ d ได้รับผลกระทบจากการแพร่กระจายของโพรบเนื่องจากความคลาดเคลื่อนของสี d_c. จะเห็นว่ามีเส้นผ่านศูนย์กลางโพรบที่เล็กที่สุด d คือ ~33 นาโนเมตรสำหรับกรณีแรก (Ip : 100 pA) และ ~7 นาโนเมตรสำหรับกรณีหลัง (I_p : 1 พีเอ). เพื่อลดเส้นผ่านศูนย์กลางโพรบ d เพื่อให้ได้ภาพที่มีความละเอียดสูงก่อนอื่น α ที่ย่อขนาด d ตรวจสอบโดยการคำนวณตัวเลขแล้ว α ตั้งค่าเป็นค่าที่คำนวณได้โดยการเลือกรูรับแสงวัตถุ (เส้นผ่านศูนย์กลาง) หรือโดยการปรับการกระตุ้นของเลนส์เพื่อควบคุม α.
รูปที่ 2 แสดงเส้นผ่านศูนย์กลางโพรบ d ตามฟังก์ชันของมุมกึ่งลู่เข้า α สำหรับ SEM ที่ติดตั้งปืนอิเล็กตรอนชอตต์กี้ที่ทำงานที่แรงดันเร่ง 1 kV และ 20 kV พารามิเตอร์ที่ใช้มีดังนี้: E=1 keV และ 20 keV (สองกรณี) ∆อี=0.5 โวลต์, C_s=4 มม. C_c=2 มม. β=1×10⁸ A/ซม.²/sr และ I_p=1 พีเอ ในกรณีของ SEM ที่ติดตั้งปืนอิเล็กตรอน Schottky เส้นผ่านศูนย์กลางของโพรบ d จะถูกกำหนดโดยส่วนใหญ่ d_d (โพรบกระจายเนื่องจากความผิดปกติของการเลี้ยวเบน) และ d_s (โพรบกระจายเนื่องจากความคลาดเคลื่อนของทรงกลม) สำหรับแรงดันเร่งที่ 20 kV แต่ส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดย d_d (โพรบกระจายเนื่องจากความผิดปกติของการเลี้ยวเบน) และ d_c (โพรบกระจายเนื่องจากความคลาดเคลื่อนของสี) สำหรับแรงดันเร่ง 1 kV จะเห็นว่ามีเส้นผ่านศูนย์กลางโพรบที่เล็กที่สุด d คือ ~1 นาโนเมตร สำหรับแรงดันเร่ง 20 kV และ ~7 นาโนเมตร สำหรับแรงดันเร่ง 1 kV เมื่อแรงดันเร่งลดลง เส้นผ่านศูนย์กลางของโพรบจะใหญ่ขึ้นเนื่องจากความคลาดเคลื่อนสีที่เพิ่มขึ้น
ในกรณีของ SEM ทั่วไปที่ติดตั้งปืนอิเล็กตรอนแบบปล่อยความร้อน เส้นผ่านศูนย์กลางของโพรบที่เล็กที่สุดคือ ～7 นาโนเมตรจะได้รับที่แรงดันเร่งสูงที่ 20 kV เท่านั้น ในทางกลับกัน ในกรณีของ SEM ที่ติดตั้งปืนอิเล็กตรอน Schottky จะได้เส้นผ่านศูนย์กลางใกล้เคียงกันที่ ～7 นาโนเมตร แม้ที่แรงดันต่ำมากที่ 1 kV นี้เป็นเพราะ d₀ (เส้นผ่านศูนย์กลางโพรบที่ได้จากแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนโดยไม่มีความคลาดเคลื่อน) ของปืนอิเล็กตรอน Schottky นั้นเล็กกว่าของปืนอิเล็กตรอนที่ปล่อยความร้อน (ไส้หลอดทังสเตน) อย่างมีนัยสำคัญ

คำที่เกี่ยวข้อง