การแสวงหาภาพ SEM ที่สมบูรณ์แบบ
ในโลกที่ต้องการความแม่นยำสูงและเข้มงวดอย่างวัสดุศาสตร์และการผลิตชิปวงจรรวม (IC) สารกึ่งตัวนำ ความแตกต่างระหว่างการค้นพบครั้งยิ่งใหญ่กับการตีความที่ผิดพลาดมักขึ้นอยู่กับคุณภาพของภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์ การจะได้ภาพที่ "สมบูรณ์แบบ" ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) นั้นเป็นมากกว่าแค่เรื่องของการใช้กำลังขยายสูงๆ แต่มันคือศาสตร์ขั้นสูงที่ต้องรักษาสมดุลระหว่างฟิสิกส์เชิงทฤษฎีและการปฏิบัติงานจริง ภาพที่มีคุณภาพสูงอย่างแท้จริงนั้นวัดกันที่ความคมชัดอย่างสมบูรณ์แบบ การโฟกัสที่จุดเดียวอย่างแม่นยำ และการกำจัดความผิดเพี้ยนของภาพ (Artifacts) อย่างเป็นระบบ ในฐานะผู้ใช้งาน เป้าหมายของคุณคือการควบคุมปฏิกิริยาระหว่างลำแสงอิเล็กตรอน (Electron Beam) กับตัวอย่าง เพื่อสร้างข้อมูลที่ดูสะอาดตาและมีความถูกต้องแม่นยำทางวิทยาศาสตร์
ความคลาด (Astigmatism)
Astigmatism หรือ ความคลาด เป็นหนึ่งในการปรับแก้ที่ทำได้ยากที่สุดในการปรับปรุงคุณภาพภาพ และจำเป็นต้องอาศัยทักษะการฝึกฝนอย่างมาก (หากพิจารณาจากรูปภาพประกอบ: ภาพตรงกลางคือภาพที่ได้รับการแก้ไข Astigmatism และปรับโฟกัสอย่างถูกต้องแล้ว ส่วนภาพซ้ายและขวาคือตัวอย่างของการปรับแก้ที่ไม่ดี ซึ่งส่งผลให้เกิด "เส้นริ้วที่ยืดออก" ในตัวภาพ)
สาเหตุเชิงเทคนิค เพื่อให้ได้ภาพที่มีความแม่นยำสูง หน้าตัดของ ลำแสงอิเล็กตรอน (Electron Beam) หรือที่เรียกว่า Probe จะต้องมีลักษณะเป็น รูปทรงกลมที่สมบูรณ์แบบ เมื่อเดินทางไปถึงชิ้นงานตัวอย่าง อย่างไรก็ตาม หน้าตัดของลำแสงนี้อาจเกิดความบิดเบี้ยวจนกลายเป็น รูปวงรี ได้ ซึ่งเกิดจากปัจจัยหลายประการ เช่น:
ความแม่นยำในการกลึงหรือผลิตชิ้นส่วนทางกล
ข้อบกพร่องในส่วนขั้วแม่เหล็ก (Magnetic pole piece)
ความไม่สม่ำเสมอของการพันขดลวดทองแดงในคอยล์แม่เหล็กไฟฟ้า (Ferromagnetic coil)
ความบิดเบี้ยวนี้ทางเทคนิคเรียกว่า Vignetting (ในบริบทของความคลาดเคลื่อนลำแสง) ซึ่งส่งผลโดยตรงทำให้การปรับโฟกัสภาพทำได้ยากลำบาก
การวินิจฉัยและการสังเกต ความคลาดสายตาที่รุนแรงจะปรากฏให้เห็นในลักษณะของ "เส้นริ้ว" (Stripes) ในทิศทางแกน X บนภาพ และเมื่อคุณเลื่อนการปรับโฟกัสจากระยะ Under-focus (โฟกัสไม่ถึง) ไปยัง Over-focus (โฟกัสเลย) เส้นริ้วเหล่านี้จะเปลี่ยนทิศทางไปอยู่ในแกน Y (ทำมุม 90 องศาจากเดิม)
เป้าหมายในการปรับแก้ เมื่อมีการปรับแก้ Astigmatism อย่างแม่นยำแล้ว เส้นริ้วเหล่านี้จะหายไปโดยสิ้นเชิง และหากเลือกใช้ขนาดจุดลำแสง (Spot size) ที่เหมาะสม คุณก็จะสามารถปรับโฟกัสภาพให้คมชัดถึงขีดสุดได้อย่างที่ควรจะเป็น
เมื่อขยายประมาณ 10,000 เท่า หากไม่ปรากฏแถบริ้วในทิศทางใดทิศทางหนึ่งเมื่อปรับเลนส์ใกล้วัตถุให้อยู่ในสภาวะ Under-focus หรือ Over-focus โดยทั่วไปจะถือว่าไม่มีความคลาดสติงมาติก (Astigmatism) ในภาพ โดยปกติแล้วความคลาดสติงมาติกจะมีผลน้อยมากจนละเลยได้ในภาพที่มีกำลังขยายต่ำกว่า 1,000 เท่า
วิธีที่ดีที่สุดในการแก้ไขวิญเญต (Vignetting) คือการตั้งค่าออฟเซ็ตของตัวแก้ระนาบ X และ Y ให้เป็นศูนย์ (กล่าวคือ ไม่มีการแก้ความคลาดสติงมาติก) จากนั้นจึงปรับโฟกัสชิ้นงานให้ละเอียดที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ หลังจากนั้นให้ปรับปุ่มควบคุมความคลาดสติงมาติกแกน X หรือ Y (ไม่สามารถปรับพร้อมกันได้) เพื่อให้ได้ภาพที่ดีที่สุดแล้วจึงปรับโฟกัสใหม่อีกครั้ง
ปรากฏการณ์ขอบ (Edge Effects)
ปรากฏการณ์ขอบเกิดขึ้นเนื่องจากการปลดปล่อยอิเล็กตรอน (Electron Emission) ที่เพิ่มขึ้นบริเวณขอบของชิ้นงาน ปรากฏการณ์นี้มีสาเหตุมาจากอิทธิพลของสัณฐานวิทยาที่มีต่อการสร้างอิเล็กตรอนทุติยภูมิ (Secondary Electrons) และยังเป็นเหตุผลที่ทำให้เกิดเส้นขอบของภาพที่ผลิตโดยตัวตรวจวัดอิเล็กตรอนทุติยภูมิ
อิเล็กตรอนจะไหลไปยังบริเวณขอบและจุดยอดเป็นพิเศษและปลดปล่อยออกมาจากบริเวณเหล่านั้น ส่งผลให้ความเข้มของสัญญาณต่ำลงในพื้นที่ที่ถูกบดบังจากตัวตรวจวัด เช่น บริเวณที่เป็นหลุมยุบ นอกจากนี้ อิเล็กตรอนสะท้อนกลับ (Backscattered electrons) ที่ปลดปล่อยออกมาจากบริเวณของตัวอย่างที่หันเข้าหาตัวตรวจวัด ยังช่วยเพิ่มความแตกต่างของลักษณะภูมิประเทศ (Topographic contrast) อีกด้วย ทั้งนี้ การลดแรงดันเร่ง (Accelerating voltage) สามารถช่วยลดปรากฏการณ์ขอบได้
ปรากฏการณ์การสะสมประจุ (Charging Effects)
การคายประจุอิเล็กตรอนที่ไม่สามารถควบคุมได้ซึ่งสะสมอยู่ในตัวอย่างอาจส่งผลให้เกิดการสะสมประจุ (Charging) ทำให้เกิดสิ่งแปลกปลอม (Artifacts) ที่ไม่พึงประสงค์ โดยเฉพาะในภาพจากอิเล็กตรอนทุติยภูมิ เมื่อจำนวนอิเล็กตรอนที่ตกกระทบมีมากกว่าจำนวนอิเล็กตรอนที่ปลดปล่อยออกจากตัวอย่าง ประจุลบจะก่อตัวขึ้น ณ ตำแหน่งที่ลำอิเล็กตรอนพุ่งชนตัวอย่าง
ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการสะสมประจุ (Charging) และสามารถนำไปสู่ผลกระทบที่ผิดปกติหลายประการ เช่น ความผิดปกติของความแตกต่างของแสง (Contrast), ภาพบิดเบี้ยว และการเลื่อนของตำแหน่งภาพ ในบางครั้ง การคายประจุอิเล็กตรอนอย่างกะทันหันจากบริเวณที่มีประจุสะสมอยู่อาจทำให้เกิดแสงวาบบนหน้าจอ ทำให้ไม่สามารถถ่ายภาพตัวอย่างที่มีความแตกต่างของแสงที่สม่ำเสมอได้ หรือแม้กระทั่งทำให้ตัวอย่างขนาดเล็กหลุดออกจากแท่นวางตัวอย่าง
ความรุนแรงของปรากฏการณ์การสะสมประจุมีความเกี่ยวข้องกับ (1) พลังงานของอิเล็กตรอน และ (2) จำนวนของอิเล็กตรอน พลังงานของอิเล็กตรอนนั้นสัมพันธ์กับแรงดันเร่ง (Accelerating voltage) ดังนั้นการลดแรงดันเร่งจะสามารถลดการสะสมประจุได้ ส่วนจำนวนของอิเล็กตรอนนั้นได้รับอิทธิพลจากพารามิเตอร์หลายอย่าง รวมถึงกระแสลำลำแสง (Beam current), ประเภทของปืนอิเล็กตรอน, ขนาดจุด (Spot size) และขนาดช่องรับแสง (Aperture) ระหว่างปืนอิเล็กตรอนและชิ้นงาน ดังนั้นการปรับพารามิเตอร์เหล่านี้จึงสามารถช่วยลดจำนวนอิเล็กตรอนและลดปรากฏการณ์การสะสมประจุได้
เพื่อแก้ไขปัญหาการสะสมประจุในตัวอย่างที่ไม่นำไฟฟ้า วิธีการทั่วไปในการเตรียมตัวอย่างคือการเคลือบฟิล์มบางของทองคำหรือแพลทินัมให้หนาขึ้นบนตัวอย่าง ทั้งนี้เพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าที่พื้นผิว ช่วยให้อิเล็กตรอนไหลออกไปได้เพียงพอ และหลีกเลี่ยงการสะสมประจุรวมถึงความเสียหายที่พื้นผิว วัสดุที่มีลักษณะร่วนซุยเช่นอนุภาคต่าง ๆ มักจะได้รับผลกระทบจากการสะสมประจุ ในการปฏิบัติงานจริง ตัวอย่างเหล่านี้จะถูกเคลือบด้วยชั้นโลหะที่มีความหนา 3-10 นาโนเมตร โดยใช้เครื่องเคลือบสุญญากาศ (Sputter coater)
