CN218918782U - 扫描电子显微镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种扫描电子显微镜，该扫描电子显微镜包括钨灯丝电子枪、电压管、样品台和物镜。钨灯丝电子枪包括阴极，阴极连接负电位；负电位为对地负电压；电压管与钨灯丝电子枪间隔设置，电压管内形成有通道，通道供钨灯丝电子枪发出的电子束通过，电压管包括间隔设置的第一电压管和第二电压管，第一电压管和第二电压管之间形成电势差以对电子束进行会聚；样品台设置在电压管背离钨灯丝电子枪的一侧，用于承载样品。物镜设置在样品台和电压管之间，物镜环绕电压管设置。第一电压管和阴极之间形成较大的电场，从而克服空间电荷效应对束流亮度的限制，进而提升扫描电子显微镜的分辨率。

Description

扫描电子显微镜

技术领域

本实用新型涉及显微镜技术领域，尤其涉及一种扫描电子显微镜。

背景技术

扫描电子显微镜是用会聚成极细的电子束探针来扫描样品，通过收集电子束与样品相互作用后产生的信号电子，并通过信号采集时序和扫描时序同步，来实现样品的成像的电子光学显微成像设备。扫描电子显微镜工作时，电子束流的能量一般在30kV以下的范围内可调节。其中，3kV以下的低着陆电压条件，是最为重要和广泛应用的工作条件之一。然而，在低着陆电压下，电子束流的亮度、能散带来的色差和衍射像差会限制扫描扫描电子显微镜的成像分辨率。根据发射机制不同，扫描电子显微镜的电子源可以分为热发射电子源和场发射电子源。其中，钨灯丝电子枪是一种热发射电子源，钨灯丝的工作温度在2600K到2800K范围之间。钨灯丝扫描电子显微镜的分辨率瓶颈主要受限于束流亮度和色差等因素。现有的钨灯丝扫描电子显微镜在低着陆电压下的分辨率较低。

实用新型内容

本实用新型提供一种扫描电子显微镜。

本实用新型实施方式的扫描电子显微镜包括：

钨灯丝电子枪，所述钨灯丝电子枪包括阴极和阳极，所述阴极连接负电位，所述负电位为对地负电压；

电压管，所述电压管与所述钨灯丝电子枪间隔设置，所述电压管内形成有通道，所述通道供所述钨灯丝电子枪发出的电子束通过，所述电压管包括间隔设置的第一电压管和第二电压管，第一电压管连接正电位，正电位为对地正电压，第二电压管为高于阴极负电位但不同于第一电压管电位的任意电位，所述第一电压管和所述第二电压管之间形成电势差以对电子束进行会聚；

样品台，所述样品台设置在所述电压管背离所述钨灯丝电子枪的一侧，用于承载样品；

物镜，所述物镜设置在所述样品台和所述电压管之间，所述物镜环绕所述电压管设置。

本发明实施方式的扫描电子显微镜中，电压管连接正电位，电压管和阴极之间形成较大的电场，使得钨灯丝电子枪的灯丝尖端表面的具有较高的场强，从而克服空间电荷效应对钨灯丝热电子发射的抑制，即克服空间电荷效应对束流亮度的限制，从而显著地提高束流亮度，进而提升基于钨灯丝作为电子源的扫描电子显微镜的分辨率。同时，通过物镜产生的磁场可以对电子束进行聚焦。

在某些实施方式中，所述电压管和所述钨灯丝电子枪均处于真空环境中，所述电压管内形成的通道为真空通道。

在某些实施方式中，所述第一电压管和/或所述第二电压管的数量为多个，沿所述真空通道的方向，所述第一电压管和所述第二电压管交替布置。

在某些实施方式中，所述第一电压管的数量为两个，所述第二电压管的数量为一个，所述第二电压管设置在两个所述第一电压管之间。

在某些实施方式中，所述第一电压管正电位的范围为不低于8kV。

在某些实施方式中，所述阴极负电位的范围为-100V至-30kV。

在某些实施方式中，沿所述电压管的轴向，所述电压管远离所述钨灯丝电子枪的一端与所述物镜之间形成有减速场。

在某些实施方式中，所述物镜包括通电线圈和截面为C型、且具有环形腔的金属罩，所述通电线圈环绕在所述金属罩的环形腔内，所述通电线圈所形成的磁场在C型的所述金属罩的所述环形腔开口处形成强磁场，通过调节所述通电线圈的电流大小，能够调节磁场强度，能够通过关闭所述通电线圈的电流关闭磁场。

在某些实施方式中，所述金属罩为高磁导率材料制成。

在某些实施方式中，所述通电线圈、所述金属罩、电压管共轴。

在某些实施方式中，所述金属罩的开口处的两端边缘分别延伸至所述电压管上的远离钨灯丝电子枪的一端，分别形成上极靴和下极靴，所述通电线圈产生的磁场导到所述上极靴和所述下极靴上，所述上极靴和所述下极靴之间形成强磁场。

在某些实施方式中，所述下极靴与所述电压管上的远离所述钨灯丝电子枪的一端与所述物镜之间形成所述减速场。

在某些实施方式中，所述扫描电子显微镜还包括探测器，所述探测器用于探测所述电子束与所述样品相互作用后产生的信号电子。

在某些实施方式中，所述探测器包括与所述样品台间隔设置的第一探测器，所述第一探测器设置在所述电压管的径向的一侧。

在某些实施方式中，所述探测器包括第二探测器，所述第二探测器设置在所述电压管内，所述第二探测器设有供所述电子束通过的通孔。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型实施方式的扫描电子显微镜的结构示意图。

主要元件符号说明：扫描电子显微镜1000；钨灯丝电子枪100；阴极10；阳极20；电压管200；第一电压管210；第二电压管220；通道300；电子束30；样品台500；物镜600；通电线圈630；金属罩640；环形腔641；上极靴610；下极靴620；减速场700；探测器800；第一探测器810；第二探测器820；通孔821。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1，本实用新型实施方式的扫描电子显微镜1000包括钨灯丝电子枪100、电压管200、样品台500和物镜600。钨灯丝电子枪100包括阴极10，阴极10连接负电位；负电位为对地负电压；电压管200与钨灯丝电子枪100间隔设置，电压管内形成有通道300，通道300供钨灯丝电子枪100发出的电子束30通过，电压管200包括间隔设置的第一电压管210和第二电压管220，第一电压管连接正电位，正电位为对地正电压，第二电压管为高于阴极负电位但不同于第一电压管电位的任意电位，第一电压管210和第二电压管220之间形成电势差以对电子束30进行会聚；样品台500设置在电压管200背离钨灯丝电子枪100的一侧，用于承载样品；物镜600设置在样品台500和电压管200之间，物镜600环绕电压管200设置。

本实用新型实施方式的扫描电子显微镜1000中，通过将第一电压管210与钨灯丝电子枪100的阳极20连接，第一电压管210和阴极10之间形成较大的电场，使得钨灯丝电子枪100表面的具有较高的场强，从而克服空间电荷效应对钨灯丝热电子发射的抑制，即克服空间电荷效应对束流亮度的限制，从而显著地提高束流亮度，进而提升基于钨灯丝作为电子源的扫描电子显微镜1000的分辨率。同时，第一电压管210和第二电压管220之间形成电势差可以会聚电子束30，物镜600产生的磁场可以对电子束30进行聚焦，而无需使用其他会聚电子束30的器件。

具体地，钨灯丝电子枪100可以用于发射钨灯丝热电子，钨灯丝电子枪100发射的电子束30产生的电子探针束斑的最小值和电子束30与样品互相作用后产生的信号强度，决定了扫描电子显微镜1000的极限分辨率和成像质量。

钨灯丝电子枪100的阴极10对地可以是1kV、2kV等负电压，由于样品台500处一般与地处于同一电压，因此阴极10对地的负电压即对应钨灯丝热电子着陆到样品上的能量。钨灯丝电子枪100的阳极20的对地可以是8kV-10kV的正电压。

通道300可以形成在电压管200中。钨丝灯电子源发出的电子束30可以通过通道300抵达样品台500，并在样品台500处与样品相互作用，产生信号电子。其中，电压管200与正电位连接，增强了钨灯丝尖端表面的电场强度，从而克服空间电荷效应对钨灯丝热电子发射的抑制，即克服空间电荷效应对束流亮度的限制，从而显著地提高束流亮度，进而提升基于钨灯丝作为电子源的扫描电子显微镜1000的分辨率。同时，电压管200内的通道300形成电场，电子在该段飞行时具有较高的能量，较低的空间电荷密度，从而减轻了电子之间库伦相互作用引起的能散增大的效应(Boersch effect)，从而提高电子束的单色性，提升了扫描电子显微镜1000的在低压下的成像分辨率。

第一电压管210和第二电压管220之间可以通过外接不同的电源，从而形成电势差。例如第一电压管210与阳极20连接，第一电压管210对地可以是8kV的正电压，第二电压管220可以连接另一电源，第二电压管220对地可以是10kV的正电压。如此，第一电压管210和第二电压管220之间形成了电势差，即第一电压管210和第二电压管220之间形成了电场，因此当电子束30通过通道300时，电子束30会被会聚。

样品台500是用于承载样品的平台，样品可以被固定于样品台500上，以使电子束30可以扫描样品的特定表面。

物镜600可以是市场上销售的或者定制的，本发明实施方式不具体限定物镜600的型号。钨灯丝电子枪100发射的电子束30可以经过电压管200的会聚和物镜600的聚焦后接触样品台500上的样品。物镜600可以由磁透镜组成，磁透镜中心的容置腔可以设置扫描线圈，扫描线圈的作用是使电子束30偏转，并在样品表面作有规则的扫动，从而获取样品的相关图像。电压管200可以设置在物镜600的主光轴的周围。

请参阅图1，在某些实施方式中，电压管200与钨灯丝电子枪100均处于真空环境中，电压管200内形成的通道300为真空通道。

如此，相比于非真空环境，电子束30在电压管200中的传播阻碍低，因此电子束30的束流亮度几乎不会降低。

请参阅图1，在某些实施方式中，第一电压管210和/或第二电压管220的数量为多个，沿通道300的方向，第一电压管210和第二电压管220交替布置。

如此，第一电压管210和第二电压管220沿通道300的方向交替布置使得第一电压管210和第二电压管220之间可以形成有多个电势差不同的区域，从而形成有多级电压管200，从而可以使得电子束30在通道300中可以被多次会聚。

具体地，第一电压管210可以是一个、两个、三个或者更多，第二电压管220可以是一个、两个、三个或者更多。

请参阅图1，在某些实施方式中，第一电压管210的数量为两个，第二电压管220的数量为一个，第二电压管220设置在两个第一电压管210之间。

如此，第二电压管220与一个电压管之间可以形成电势差，第二电压管220与另一个电压管之间也可以形成电势差，因此第一电压管210和第二电压管220之间可以形成有两个电势差不同的区域，从而形成有二级电压管200，从而可以使得电子束30在通道300中可以被二次会聚。例如，两个第一电压管210对地均为10kV正电位，第二电压管220对地为8kV正电位，则每个第一电压管210相对于第二电压管220均形成电势差，从而可以会聚通道300中的电子束30。

请参阅图1，在某些实施方式中，电压管200连接的正电位的范围为不低于8kV。当正电位小于8kV时，空间电荷效应的作用将随着正电压降低而愈发显著，对灯丝尖端表面发射的抑制作用被加强，从而使得束流亮度降低；同时电子在通道300飞行过程中库伦相互作用加强，电子能量分布展宽，能散变大进而使得扫描电子显微镜1000的分辨率降低。正电位不低于8kV时，钨灯丝电子枪100灯丝尖端表面的电场强度较大，从而可以克服空间电荷效应对发射的抑制，减轻电子束30内部库伦相互作用，提升束流亮度，降低能散。

请参阅图1，在某些实施方式中，阴极10连接的负电位的电压范围为-100V至-30kV。

负电位的范围可以调节，例如负电位可以是-1kV、-10kV、-30kV，在-100V至-30kV的范围内，用户根据不同场景的显微成像和分析表征需求，可调节电压的高低。其中，当负电位的范围为-1kV至-3kV时，即电子的着陆能量为1keV至3keV时，电子束30对样品的辐照损伤降低，生物类和其他辐照敏感样品的表征有利。同时，特定低能量下样品的二次电子发射系数接近于1，有利于实现注入电子和出射电子的平衡，从而避免样品荷电带来的不良影响等。在极低的着陆电压下，还会出现入射电子和样品相互作用的新机制，产生新的衬度，从而获得样品表面的更多新信息。

对于着陆电压为1kV的工作状况，当省略电压管200且阳极20接地时，阴极10对阳极20之间的电势差是﹣1kV。当在第一电压管200上施加对地的8kV以上正电位时，阴极10对电压管200之间的电势差是9kV以上，相比于省略电压管200且阳极20接地时，阴极10和电压管200之间的电势差将增大9倍以上，这极大地增大了灯丝表面的电场强度，从而克服空间电荷效应对束流亮度的限制，进而提升了扫描电子显微镜1000的分辨率。

请参阅图1，在某些实施方式中，沿电压管200的轴向，电压管200远离钨灯丝电子枪100的一端与物镜600之间形成有减速场700。

如此，物镜600可以对电子束30进行聚焦，以在一定的焦距下得到高分辨率的样品图像。将电压管200设置在物镜600处可以在物镜600处施加一个电场，以改善球差和色差等像差。减速场700可以将电压管200内原本的高能电子束30将被减速到较低能量，所形成的减速电透镜能够改善低着陆电压时的球差和色差等像差。

具体地，减速场700是用于减速电子束30的电场，相对于电压管200内产生的朝向样品方向的电场，从钨灯丝电子枪100发射的电子束30由于带负电，受到与电场方向相反的力，因此到达该电场区域会被减速。

请参阅图1，在某些实施方式中，物镜600包括通电线圈630和截面为C型、且具有环形腔641的金属罩640，通电线圈630环绕在金属罩640的环形腔641内，通电线圈630所形成的磁场在C型的金属罩640的环形腔641开口处形成强磁场，通过调节通电线圈630的电流大小，能够调节磁场强度，能够通过关闭通电线圈630的电流关闭磁场。

如此，通过物镜600产生的磁场可以对电子束进行聚焦，而电压管200产生的电场也可以对电子束30进行聚焦。

具体地，物镜600和此处的电压管200为电透镜和一个能够产生磁场的透镜复合的形式。可以理解，可以通过调节物镜600中通过通电线圈630的电流大小，调节电子束30的聚焦程度，即调节落在样品上的电子束30的斑点大小。

当电压管200无电压且通电线圈630通电时，物镜600相当于一个能够产生磁场的透镜，此时可以对电子束30聚焦，并且可以通过调节通电线圈630的电流大小控制物镜600形成的磁场的大小。

当通电线圈630未通电且电压管200通电时，此时物镜600内没有磁场，因此无法对电子束30聚焦，但可以根据减速场700对电子束30聚焦，此时可以通过调节电压管200的电压，从而调节减速场700的电场强度，进而可以控制电子束30的聚焦程度。

当通电线圈630通电且电压管200通电时，物镜600和电压管200可以形成电透镜和一个能够产生磁场的透镜复合的形式，此时，可以调节通电线圈630的电流大小和/或电压管200的电位大小，以调节电子束30的聚焦程度等参数。

请参阅图1，在某些实施方式中，金属罩640为高磁导率材料制成。

如此，相比于低磁导率材料，高磁导率材料制成的金属罩640可以将通电线圈630产生的磁场导向开口处，使得开口处的磁场强度更大。

具体地，金属罩640可以是铁磁材料、铁合金或其它用于为由通电线圈630所产生的磁场提供低磁阻路径的相对较高磁导率材料。

请参阅图1，在某些实施方式中，通电线圈630、金属罩640、电压管200共轴。

如此，作用在电子束30上的电场和磁场处于同一轴向，电子束30的聚焦效果更好。

请参阅图1，在某些实施方式中，金属罩640的开口处的两端边缘分别延伸至电压管200上的远离钨灯丝电子枪100的一端，分别形成上极靴610和下极靴620，通电线圈630产生的磁场导到上极靴610和下极靴620上，上极靴610和下极靴620之间形成强磁场。

如此，上极靴610和下极靴620之间形成强磁场可以与电压管200之间形成电透镜和一个能够产生磁场的复合的形式，此时可以通过调节通过通电线圈630的电流大小，从而调节电子束30的聚焦程度。

请参阅图1，在某些实施方式中，沿电压管200的轴向，电压管200远离钨灯丝电子枪100的一端与物镜600的下极靴610之间形成有减速场700。

如此，减速场700可以将电压管200内原本的高能电子束30将被减速到较低能量，所形成的的减速电透镜能够改善低着陆电压时的球差和色差等像差。

具体地，电压管200远离钨灯丝电子枪100的一端可以与物镜600的下极靴610间隔设置，电压管200的该端自然形成一轴对称电极。下极靴620通常接地，相对于电压管200内产生的朝向样品方向的电场，从钨灯丝电子枪100发射的电子束30由于带负电，受到与电场方向相反的力，因此到达该电场区域会被减速。因此该轴对称电极与物镜600的下极靴610之间形成减速场700，物镜600和此处的电压管200形成减速场电透镜。

进一步地，靠近样品台500一端的物镜600产生的磁场与电压管200的下端和物镜600的下极靴620产生的减速场700形成一定的重叠区域，该重叠区域是电场与磁场的复合场，从而使得物镜600与减速场700形成电磁复合物镜。相比于无减速场700的物镜600，该电磁复合物镜有效地降低了物镜600球差系数和色差系数，尤其在样品与物镜600的距离很小和低着陆电压的情形下，像差的降低效果越发显著，从而缩小了电子探针束斑的尺寸，进而提升了扫描电子显微镜1000的分辨率。

请参阅图1，在某些实施方式中，扫描电子显微镜1000还包括探测器800，探测器800用于探测电子束30与样品相互作用后产生的信号电子。

如此，电子束30与样品相互作用后产生的信号电子可以被探测器800探测。

具体地，探测器800可以设置在电压管200内、也可以设置在电压管200外。电子束30与样品相互作用后会产生信号电子，信号电子会被发射至各个方向，探测器800可以探测其中的一部分信号电子，通过信号采集时序和扫描时序同步，来实现样品的成像。在样品与物镜600的距离很小时，绝大部分信号电子被电场吸引向上运动，被磁场聚焦后再发散，约80-90％到达电压管200内的探测器800上。

图中虚线箭头示出了信号电子的部分运行轨迹。需要说明的是，这仅是一种示意，不能理解为对本实用新型实施方式的限定。

请参阅图1，在某些实施方式中，探测器800包括与样品台500间隔设置的第一探测器810，第一探测器810设置在电压管200的径向的一侧。

如此，第一探测器810设置在电压管200径向的一侧可以更容易安装和维护。

“电压管200的径向的一侧”指的是电压管200的外部，结合“第一探测器810与样品台500间隔设置”，可以理解为第一探测器810设置在样品台500周边并不在电压管200的内部。

请参阅图1，在某些实施方式中，探测器800包括第二探测器820，第二探测器820设置在电压管200内，第二探测器820设有供电子束30通过的通孔821。

如此，通过在物镜600的上方、靠近样品的物镜600的下方设置第二探测器820，并将其设置在电压管200内。一方面，在样品距离物镜600较近时，更多的信号电子更容易进入电压管200内并被加速，从而被第二探测器820探测到，使得第二探测器820探测的信号强度高。另一方面，观测样品时样品与物镜600的间距可以被缩短，此时电子束30和样品表面相互作用产生的信号电子基本全部进入电压管200内并到达第二探测器820。第一探测器810的收集效率一般为15％-30％，第二探测器820的收集效率可以达到80％-90％。

具体地，信号电子大部分直接通过物镜600的极靴上升到电压管200内并被电场加速后到达第二探测器，最终能够呈现出样品的图像。通孔821使得电子束30可以通过第二探测器820。相比于第一探测器810，由于第二探测器820对应的样品和物镜600的距离可以更近，因此第二探测器820的收集效率更高。

相比于第一探测器810，第二探测器820的信号强度高出数倍，由于对源斑的压缩倍率与束流大小正相关，因此使用第二探测器820可以在更小的束流下成像，从而使得扫描电子显微镜1000的电子探针束斑变小，进而使得扫描电子显微镜1000的成像分辨率和成像质量更高。

可以理解，在以钨灯丝作为电子源的扫描电子显微镜1000中，更小的电子探针束斑有赖于对钨灯丝电子枪100的更高倍率的压缩，而在光阑孔张角不可过大的限制条件下，更高倍率的压缩意味着着陆束流的降低。其中，光阑是扫描电子显微镜1000中对电子束30起着限制作用的实体，光阑可以过滤电子束30中远离主光轴的电子，光阑可以遮挡从钨灯丝电子枪100射出的部分电子，光阑可以设置在第二探测器820的上方，从而避免影响信号电子与第二探测器820接触，避免影响第二探测器820的探测效率。信号电子收集效率的提升，意味着可以用更低的着陆束流实现更高信噪比的成像，因此可以通过增加电压管200对钨灯丝电子枪100的压缩倍率，得到更小的电子探针束斑。同时，极短的样品和物镜600的距离有利于进一步降低物镜600的像差系数，降低物镜600的像差系数能够相对应的缩小电子探针束斑的大小，而电子探针束斑的最小值决定了扫描电子显微镜1000的极限分辨率和成像质量。

请参阅图1，在一个具体的实施例中，本实用新型实施方式的扫描电子显微镜1000具有以下特点：首先，将电压管200调整为对地8kV-10kV的正电位；其次，在电压管200远离钨灯丝电子枪100的一端与物镜600的下极靴610之间设置减速场700，使得电压管200和减速电场700形成电磁复合物镜；最后，在通道300的特定位置布置第二探测器820。综合以上因素，在30kV、3kV、1kV的着陆电压下，扫描电子显微镜1000的成像分辨率分别为1nm-2nm、2nm-2.5nm、2.5nm-3.5nm。作为对比，在30kV、3kV、1kV的着陆电压下，传统的扫描电子显微镜的成像分辨率分别为3nm、8nm、20nm；入门级场发射扫描电子显微镜在1kV的着陆电压下的的成像分辨率约为3nm。由此可见，本实用新型实施方式的扫描电子显微镜1000的分辨率和成像质量相比于传统的扫描电子显微镜得到了极大的改善，并接近于入门级场发射扫描电子显微镜。

对于着陆电压为1kV的工作状况，相比于省略电压管200且阳极20接地时，阴极10和阳极20的电压将增大9倍以上，这极大地增大了灯丝表面的电场强度，且着陆电压越低，通过该方式对束流亮度的提升倍数越大。因此，在8-10kV的正电压下，钨灯丝电子枪100的发射表面会产生更强的吸引电场，以克服空间电荷效应对束流亮度的限制，从而提升了扫描电子显微镜1000的成像分辨率。减速场700的设置使得减速场700和物镜600产生的磁场形成电磁复合物镜，从而降低了球差和色差等像差，提升了扫描电子显微镜1000的成像质量。第二探测器820设置在电压管200内，提升了第二探测器820的探测效率，使得第二探测器820探测的信号强度高，从而提升了扫描电子显微镜1000的分辨率和成像质量。

请参阅图1，在某些实施方式中，钨灯丝电子枪100包括与电压管200间隔设置的枪头，枪头包括阴极10和栅极，枪头用于发出电子束30。

具体地，钨灯丝电子枪100的栅极用于控制阴极10的表面电场强度从而改变从枪头的阴极10发射的电子束30的束流大小。

请参阅图1，在某些实施方式中，电压管200的上端形成有钨灯丝电子枪100的阳极20。

通过形成在电压管200上端的钨灯丝电子枪100的阳极20，使得阳极20可以直接向电压管200供电，电压管200和阴极10之间形成较大的电势差，使得在同样的发射束流下，钨灯丝的尖端表面具有较高的场强，从而使得电子束30可以克服空间电荷效应对钨灯丝热电子发射的抑制，从而显著地提高束流亮度，进而提高成像信噪比，提升基于钨灯丝作为电子源的扫描电子显微镜1000的分辨率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (15)

1.一种扫描电子显微镜，其特征在于，包括：

钨灯丝电子枪，所述钨灯丝电子枪包括阴极，所述阴极连接负电位，所述负电位为对地负电压；

电压管，所述电压管与所述钨灯丝电子枪间隔设置，所述电压管内形成有通道，所述通道供所述钨灯丝电子枪发出的电子束通过，所述电压管包括间隔设置的第一电压管和第二电压管，第一电压管连接正电位，正电位为对地正电压，第二电压管为高于阴极负电位但不同于第一电压管电位的任意电位，所述第一电压管和所述第二电压管之间形成电势差以对电子束进行会聚；

样品台，所述样品台设置在所述电压管背离所述钨灯丝电子枪的一侧，用于承载样品；

物镜，所述物镜设置在所述样品台和所述电压管之间，所述物镜环绕所述电压管设置。

2.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜，其特征在于，所述电压管和所述钨灯丝电子枪均处于真空环境中，所述电压管内形成的通道为真空通道。

3.根据权利要求2所述的扫描电子显微镜，其特征在于，所述第一电压管和/或所述第二电压管的数量为多个，沿所述真空通道的方向，所述第一电压管和所述第二电压管交替布置。

4.根据权利要求3所述的扫描电子显微镜，其特征在于，所述第一电压管的数量为两个，所述第二电压管的数量为一个，所述第二电压管设置在两个所述第一电压管之间。

5.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜，其特征在于，所述正电位的范围为不低于8kV。

6.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜，其特征在于，所述负电位的范围为-100V至-30kV。

7.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜，其特征在于，沿所述电压管的轴向，所述电压管远离所述钨灯丝电子枪的一端与所述物镜之间形成有减速场。

8.根据权利要求1所述的电子显微镜，其特征在于，所述物镜包括通电线圈和截面为C型、且具有环形腔的金属罩，所述通电线圈环绕在所述金属罩的环形腔内，所述通电线圈所形成的磁场在C型的所述金属罩的所述环形腔开口处形成强磁场，通过调节所述通电线圈的电流大小，能够调节磁场强度，能够通过关闭所述通电线圈的电流关闭磁场。

9.根据权利要求8所述的电子显微镜，其特征在于，所述金属罩为高磁导率材料制成。

10.根据权利要求8所述的电子显微镜，其特征在于，所述通电线圈、所述金属罩、电压管共轴。

11.根据权利要求8所述的电子显微镜，其特征在于，所述金属罩的开口处的两端边缘分别延伸至所述电压管上的远离钨灯丝电子枪的一端，分别形成上极靴和下极靴，所述通电线圈产生的磁场导到所述上极靴和所述下极靴上，所述上极靴和所述下极靴之间形成强磁场。

12.根据权利要求11所述的电子显微镜，其特征在于，所述下极靴与所述电压管上的远离所述钨灯丝电子枪的一端与所述物镜之间形成减速场。

13.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜，其特征在于，所述扫描电子显微镜还包括探测器，所述探测器用于探测所述电子束与所述样品相互作用后产生的信号电子。

14.根据权利要求13所述的扫描电子显微镜，其特征在于，所述探测器包括与所述样品台间隔设置的第一探测器，所述第一探测器设置在所述电压管的径向的一侧。

15.根据权利要求13所述的扫描电子显微镜，其特征在于，所述探测器包括第二探测器，所述第二探测器设置在所述电压管内，所述第二探测器设有供所述电子束通过的通孔。

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