电子束偏转器：精准控制电子束扫描的核心原理

一、电子束扫描的基本概念

电子束扫描技术广泛应用于扫描电子显微镜（SEM）、电子束光刻（EBL）、电子束诱导电流成像（EBIC）、电子束曝光系统等设备中，其核心任务是控制电子束在样品表面有规律、可控地移动，从而实现成像、加工或检测。

要实现电子束的精准扫描，必须精确控制电子束的运动轨迹。而这项任务，就是由电子束偏转器（Deflection System）来完成的。

电子束偏转器：精准控制电子束扫描的核心原理

二、电子束偏转器的核心原理
✅ 1. 物理基础：洛伦兹力作用

电子束实际上是带电电子的高速流动。在电场或磁场中，电子会受到洛伦兹力作用，从而发生轨迹偏转：

• 电场作用下（静电偏转）：
  电子受到电场力，改变运动方向，其偏转角度与施加电压和加速电压有关。
• 磁场作用下（磁偏转）：
  电子进入磁场后受到洛伦兹力，电子束路径发生弯曲，其偏转角度与磁场强度和电子速度有关。
  
  

✅ 2. 偏转方式分类

偏转方式	工作原理	适用范围
静电偏转	通过电极间电压控制电场，让电子束发生偏转。	高速、精细、小范围扫描（如SEM）
磁偏转	通过电磁线圈产生磁场，让电子束轨迹弯曲。	大范围扫描、能量较高的电子束控制
混合偏转	同时结合电场和磁场，实现更宽范围和高精度扫描。	高端电子束设备，需兼顾范围与分辨率

✅ 3. 偏转器核心结构

• 电极或偏转板（静电偏转）
• 电磁线圈（磁偏转）
• 驱动电路：提供高稳定、可控的偏转电压或电流。
• 扫描控制系统：生成扫描波形（如锯齿波）或特定轨迹信号。
  
  

三、电子束扫描控制流程

• 输入控制信号
  控制器产生X、Y轴的偏转控制信号（通常是锯齿波或正弦波），决定扫描速度和范围。
• 偏转器执行偏转
  偏转器根据输入信号生成电场或磁场，控制电子束运动轨迹。
• 电子束轨迹变化
  电子束在样品表面精确扫描，实现光栅扫描、随机扫描或螺旋扫描等模式。
• 同步信号采集
  偏转信号与检测信号同步，生成对应的图像或图形。
  
  

四、电子束偏转器关键技术指标

技术指标	说明
线性度	偏转幅度与控制信号的线性关系，影响图像畸变
分辨率	最小可控扫描步长，决定成像/加工精度
稳定性	长时间扫描时电子束漂移或不稳定程度
响应速度	偏转器响应控制信号的速度，影响扫描速率
扫描范围	电子束可偏转的物理面积或角度

五、电子束偏转器的应用
电子枪 → 加速电极 → 聚焦透镜 → 电子束偏转器（电极/磁线圈）
                  ↓
             聚焦电子束
                  ↓
         电子束在样品表面移动（受控扫描）

六、实际应用中的偏转控制细节

• 在扫描电子显微镜（SEM）中，电子束偏转器实现高速光栅扫描，分辨率通常达到纳米级。
• 在电子束光刻中，需要极高的扫描精度和低畸变，通常采用静电+磁场混合偏转，配合闭环控制。
• 在EBIC成像中，电子束偏转器可精准控制扫描区域，实现高分辨率电流成像。
  
  

七、总结

电子束偏转器是电子束扫描系统中的核心技术，其本质是利用电场或磁场对电子束进行精密控制。通过调节偏转器的电压或电流，即可实现电子束的精确轨迹调制，从而完成各种纳米级成像、加工与检测任务。

✅ 一句话总结：

电子束偏转器，正是电子束“精准导航”的大脑，是实现纳米级扫描、成像和加工的核心技术支撑。

电子束，是带负电的高速电子流，其运动遵循经典力学和电磁学规律。当电子束进入外加电场或磁场区域时，会受到外力作用，从而偏离原本直线轨迹。

原理：
利用电场力作用偏转电子束。

过程：

• 在偏转电极之间施加电压，形成电场。
• 电子进入电场后，受到垂直于运动方向的电场力F=qE，使轨迹发生偏转。
  

特点：

• 偏转角度与偏转电压成正比、与电子加速电压成反比
• 响应速度快、适合高频扫描。
  

静电偏转（Electrostatic Deflection）中，电子束的偏转角度与偏转电压、加速电压、结构尺寸密切相关。

举例，仅仅施加 10 V 偏转电压，偏转角度只有大约 0.11°，非常小。

✅ 结论：

在这个例子中，仅仅施加 10 V 偏转电压，偏转角度只有大约 0.11°，非常小。

✅偏转量与屏幕位移关系（实际扫描）

假如电子束在偏转器后飞行距离 D=100 mm（离屏幕或样品距离）：

电子束偏移距离：

y=D⋅θ=100×0.002=0.2 mm

也就是说，仅用10V偏转电压，就能让电子束在100mm处移动0.2mm。

✅ 规律总结：

• 偏转电压越高 → 偏转角度越大。
• 加速电压越高 → 偏转角度越小（电子速度快，不易偏转）。
• 偏转板越长、间距越小 → 偏转更明显。
  
  

✅ 一句话总结：

静电偏转的偏转角度与偏转电压成正比，与加速电压成反比，通常仅需几伏至几十伏的偏转电压就可实现微小但精准的电子束扫描。

原理：

利用磁场力（洛伦兹力）作用偏转电子束。

过程：

• 电子束进入磁场，受到垂直于运动方向和磁场方向的力：
  F=qvB
• 电子束在磁场中做圆弧运动，轨迹弯曲。
  
  

特点：

• 适合大范围偏转，能量消耗小，但响应速度略慢
• 偏转角度与磁场强度、电子速度有关
  
  

磁偏转（Magnetic Deflection）原理与计算
电子束在磁场中受到洛伦兹力，产生弯曲轨迹。电子束速度由加速电压𝑉acc决定。

具体数值举例计算假设参数：

• 加速电压 Vacc=10,000 V
• 磁场强度 B=0.01 T
• 磁偏转线圈长度 L=0.02 m
• 屏幕或样品距离 D=0.1 m
  
  

电子束位移：
电子束位移： 𝑦 = 0.1 × 3.37 × 10 − 3 ≈ 0.000337 m = 0.337 mm

八、总结规律

变量	趋势
磁场强度 BBB	磁场越强，偏转越大
电流 III	电流越大，磁场越强，偏转越大
加速电压 VaccV_{\text{acc}}Vacc​	加速电压越高，电子速度越快，偏转越小
线圈长度 LLL	磁场作用长度越长，偏转越大
飞行距离 DDD	偏转后传播距离越长，位移越大

✅ 一句话总结：

磁偏转的偏转量主要由磁场强度（受电流控制）和加速电压共同决定，偏转量可通过调节电流、线圈设计和磁场长度来精准控制。