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在電子顯微鏡的微觀世界里，我們失去了一切機(jī)械接觸的手段。要在一個(gè)直徑不到1微米的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行亞納米級(jí)的觀察或加工，我們手中唯一的工具就是“場”——電場與磁場。電子光學(xué)的設(shè)計(jì)藝術(shù)，本質(zhì)上就是對(duì)空間電勢分布的精密雕刻。

NanoMi開源項(xiàng)目為我們提供了一個(gè)絕佳的物理教具，展示了如何用最基礎(chǔ)的靜電場構(gòu)建一個(gè)成像系統(tǒng)。而當(dāng)我們將視線轉(zhuǎn)向工業(yè)級(jí)的澤攸科技ZEM系列掃描電鏡與圖形發(fā)生器時(shí)，我們則能看到，當(dāng)這種對(duì)“場”的控制精度達(dá)到億分之一時(shí)，電子束將如何從“觀測的探針”進(jìn)化為“精密的刻刀”。

單電位透鏡：在真空中雕刻等勢面

在上一篇文章打破黑盒——從NanoMi看臺(tái)式電鏡的模塊化革命中，我們提到了NanoMi采用了靜電透鏡。但在物理層面，它究竟是如何工作的？光線通過玻璃透鏡是因?yàn)榻橘|(zhì)折射率的改變，而電子通過靜電透鏡，實(shí)際上是穿越了一系列復(fù)雜的“等勢面”。NanoMi所使用的核心透鏡被稱為單電位透鏡，其經(jīng)典結(jié)構(gòu)由三個(gè)沿光軸排列的環(huán)形電極組成。

圖 單電位透鏡的透視圖

在物理機(jī)制上，這種透鏡利用的是“鞍形場”效應(yīng)。當(dāng)中間電極施加與電子電荷同號(hào)的負(fù)高壓（減速模式），而前后電極接地時(shí)，電子進(jìn)入透鏡區(qū)域會(huì)經(jīng)歷一個(gè)先減速后加速的過程。

外圍的電子：由于電場線的彎曲，離光軸較遠(yuǎn)的電子會(huì)受到更強(qiáng)的徑向分力，被迫向軸心偏轉(zhuǎn)。

軸心的電子：受到的徑向力較小，直線傳播。

這種“邊緣折射率大、中心折射率小”的特性，迫使電子束匯聚。NanoMi的設(shè)計(jì)圖紙顯示，其透鏡電極由鋁合金精密加工而成，并使用PEEK材料進(jìn)行高壓絕緣。這種結(jié)構(gòu)的精妙之處在于，只要電極幾何形狀固定，電子的軌跡就僅取決于電壓比，而與電子的具體質(zhì)量無關(guān)，這也意味著它同樣適用于離子束聚焦。

圖 彌散圓

不過靜電透鏡并非完美，在工程實(shí)踐中，其挑戰(zhàn)在于球差。NanoMi的模擬數(shù)據(jù)顯示，其球差系數(shù)較大，約為數(shù)十毫米量級(jí)。這意味著遠(yuǎn)軸電子無法與近軸電子匯聚在同一點(diǎn)，形成了一個(gè)彌散圓。

澤攸科技的ZEM系列掃描電鏡雖然同樣采用了輕量化的路線，但在工程上進(jìn)行了深度優(yōu)化，使得ZEM30Pro即便在使用LaB6燈絲時(shí)，也能在30kV下實(shí)現(xiàn)優(yōu)于2.5nm的分辨率。

圖 ZEM30Pro多功能掃描電鏡

色差的物理博弈：從熱電子到量子隧穿

如果說球差是透鏡幾何形狀的“胎病”，那么色差就是電子源帶來的“先天不足”。

在NanoMi的基礎(chǔ)配置中，使用的是鎢發(fā)夾燈絲。從物理學(xué)角度看，這是一種熱致發(fā)射源。當(dāng)鎢絲被加熱到2700K時(shí)，電子獲得足夠的動(dòng)能克服逸出功“沸騰”出來。但問題在于這些電子的初動(dòng)能并不一致，其能量散布（EnergySpread, ΔE）通常在1.5eV到2.5eV之間。

根據(jù)色差公式：

當(dāng)加速電壓E較低時(shí)（例如5kV），ΔE的影響會(huì)被急劇放大。這就好比我們用白光去照射凸透鏡，焦點(diǎn)周圍必然會(huì)出現(xiàn)彩虹般的光暈。這就是為什么NanoMi在低電壓下的分辨率會(huì)顯著下降的原因。

圖 一個(gè)理想的圓環(huán)圖像（1）與僅存在軸向（2）和僅存在橫向（3）色差的圖像的對(duì)比

為了突破這一物理極限，澤攸科技的ZEM Ultra引入了肖特基場發(fā)射電子槍，這不是簡單的升級(jí)，而是物理機(jī)制的質(zhì)變。

量子隧穿：場發(fā)射不再單純依賴高溫，而是利用極尖（Tip）處極高的電場強(qiáng)度，將勢壘壓低并變窄，使電子通過“量子隧穿效應(yīng)”穿過勢壘。

虛源極小：場發(fā)射的電子源尺寸僅為鎢燈絲的千分之一。

單色性：最關(guān)鍵的是，其能量散布ΔE被壓縮到了0.3eV-0.7eV量級(jí)。

這種極高的“單色性”使得電子束在穿過靜電透鏡時(shí)，折射角度高度一致，從而極大地消除了色差。配合ZEM Ultra的三級(jí)獨(dú)立真空設(shè)計(jì)（保持槍室真空度優(yōu)于 Pa），這種物理上的優(yōu)勢被轉(zhuǎn)化為工程上的勝勢，使其在15kV電壓下依然能保持優(yōu)于2.5nm的極高分辨率。

圖 ZEM Ultra場發(fā)射掃描電鏡

偏轉(zhuǎn)的藝術(shù)：從光柵成像到矢量光刻當(dāng)電子束被透鏡匯聚成極細(xì)的探針后，它需要被“搬運(yùn)”到樣品表面的特定位置，這就是偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的工作。NanoMi項(xiàng)目展示了偏轉(zhuǎn)器的基本構(gòu)造：兩對(duì)靜電極板，分別控制X和Y方向的位移 。通過在極板上施加鋸齒波電壓，電子束在樣品表面進(jìn)行逐行掃描，結(jié)合探測器采集的信號(hào)強(qiáng)度，還原出微觀地貌。

然而如果我們將對(duì)電子束的控制從“掃描”升級(jí)為“書寫”，技術(shù)難度將呈指數(shù)級(jí)上升。這就是電子束光刻（EBL）技術(shù)，也是澤攸科技ZPG20圖形發(fā)生器的核心領(lǐng)域。

圖 一體化的高速圖形發(fā)生系統(tǒng)，允許用戶快速、便捷地刻蝕復(fù)雜圖案

在成像模式下（如NanoMi），我們只需要電子束跑得快、跑得勻，但在光刻模式下，我們需要電子束指哪打哪，且須在納秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)精確控制束流的通斷。 

從16位到20位的跨越：與NanoMi的16位控制不同，ZPG20采用了高精度20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A） 。 在電子學(xué)中，位數(shù)的提升意味著解析度的幾何級(jí)數(shù)增長。基于NanoMi的算法（16位對(duì)應(yīng)1.5nm步進(jìn)），20位DAC的精度理論上提高了16倍，這意味著電子束的定位精度可以達(dá)到亞納米級(jí)別。這種極致的細(xì)膩度，使得ZPG20能夠在掃描電鏡、聚焦離子束、掃描探針顯微鏡等設(shè)備上進(jìn)行超高分辨率的圖案繪制。

鄰近效應(yīng)校正與復(fù)雜工藝：當(dāng)電子束轟擊材料時(shí)，散射電子會(huì)造成非預(yù)期的曝光，即“鄰近效應(yīng)”，這會(huì)導(dǎo)致微納圖形邊緣模糊。NanoMi的基礎(chǔ)軟件并不具備處理這種復(fù)雜物理過程的能力。 而ZPG20集成了先進(jìn)的鄰近效應(yīng)校正功能和區(qū)域曝光劑量控制。系統(tǒng)可以根據(jù)圖案的疏密，智能調(diào)節(jié)電子束的駐留時(shí)間或強(qiáng)度。同時(shí)ZPG20支持“多圖層自動(dòng)曝光”和“場校準(zhǔn)、場拼接” ，結(jié)合激光干涉儀工件臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)≤45nm精度的套刻工藝 。這意味著工程師可以利用這套系統(tǒng)，制造出光電子器件、超構(gòu)材料等高精度的微納結(jié)構(gòu)。

智能化的控制：從手動(dòng)調(diào)節(jié)到全自動(dòng)聚焦

在NanoMi的開源設(shè)計(jì)中，為了獲得一張清晰的圖像，用戶往往需要手動(dòng)調(diào)節(jié)透鏡電壓、像散器電壓，甚至需要手動(dòng)平衡偏轉(zhuǎn)板的電位 。這雖然是一個(gè)極佳的教學(xué)過程，但在高通量的工業(yè)檢測中卻是效率的瓶頸。

澤攸科技ZEM系列展示了軟件算法如何賦能電子光學(xué)，部分機(jī)型均標(biāo)配了“全自動(dòng)操作”功能。

圖 澤攸科技ZEM系列掃描電鏡部分軟件功能

自動(dòng)聚焦：系統(tǒng)通過分析圖像的銳度，自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)物鏡電流或電壓，在幾秒鐘內(nèi)找到最佳焦平面 。

自動(dòng)亮度對(duì)比度：自動(dòng)分析圖像直方圖，調(diào)整探測器增益，確保圖像灰度分布處于最佳動(dòng)態(tài)范圍 。

這種“一鍵式” 的操作體驗(yàn)，屏蔽了底層的物理復(fù)雜性。用戶不再需要像操作NanoMi那樣去理解“電壓擺動(dòng)” 的物理含義，只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)，即可獲得清晰的微觀圖像。此外ZEM30 Pro等機(jī)型還配備了光學(xué)導(dǎo)航和倉內(nèi)攝像頭 ，實(shí)現(xiàn)了“所見即所得”的樣品定位，進(jìn)一步降低了電子顯微鏡的使用門檻 。

從NanoMi到澤攸科技，我們看到了一條清晰的技術(shù)進(jìn)化路徑。NanoMi以開源的精神，向我們揭示了電子光學(xué)的第一性原理：用靜電場構(gòu)建透鏡，用電壓控制軌跡。它證明了電子顯微鏡并非不可觸碰的黑盒，而是一個(gè)可以被理解、被構(gòu)建的物理系統(tǒng)。而澤攸科技的ZEM系列掃描電鏡與圖像發(fā)生器，則是在此基礎(chǔ)上，通過引入場發(fā)射物理機(jī)制、集成20位超高精度控制電路以及開發(fā)自動(dòng)化算法，將這種物理原理推向了工程應(yīng)用的極致。

在這里，電子束不再僅僅是一束用于觀察的光，它是科學(xué)家手中那把可以在原子尺度上進(jìn)行觀測、分析甚至進(jìn)行微納制造的刻刀。

參考資料1、Marek Malac . “NanoMi: An open source electron microscope hardware andsoftware platform.” Micron 163 (2022): Article 103362.

2、Reimer, Ludwig. Scanning Electron Microscopy: Physics of Image Formation and Microanalysis. Springer, 1998.

3、Orloff, Jon. Handbook of Charged Particle Optics. CRC Press, 2009.

4、維基百科：Einzel lens、球面像差、模糊圈、Chromatic aberration等