基于扫描电镜的电子束曝光系统Raith

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电子束曝光技术及其应用综述

1 引言在过去的几年中，微电子技术已发展到深亚微米阶段，并正在向纳米阶段推进。

在此期间，与微电子领域相关的微/纳加工技术得到了飞速发展，如图形曝光（光刻）技术、材料刻蚀技术、薄膜生成技术、离子注入技术和粘结互连技术等。

在这些加工技术中，图形曝光技术是微电子制造技术发展的主要推动者，正是由于曝光图形的分辨率和套刻精度的不断提高，促使集成电路集成度不断提高和制备成本持续降低[1]。

几十年来，在半导体器件和IC生产上一直占主导地位的光学曝光工艺为IC产业链的发展做出了巨大贡献。

通过一系列技术创新，采用超紫外准分子激光（193 /157nm）的光学曝光机甚至已将器件尺寸进一步推进到0.15～0.13μm，例如PAS5500/ 950B（ASML公司），NSR-203B（Nikon公司）和FPA-5000ESI/ASI（Ca non公司）。

但是，随着器件尺寸向0.1μm以下逼近，光学曝光技术将面临严峻的挑战，例如分辨率的提高使生产设备价格大幅攀升、超紫外光焦深缩短引起的材料吸收问题等，使光学曝光能否突破0.1μm成为业界普遍关注的问题[2～3]。

2 四种电子束曝光系统电子束曝光是利用电子束在涂有感光胶的晶片上直接描画或投影复印图形的技术，它的特点是分辨率高（极限分辨率可达到3～8μm）、图形产生与修改容易、制作周期短[4，5]。

它可分为扫描曝光和投影曝光两大类，其中扫描曝光系统是电子束在工件面上扫描直接产生图形，分辨率高，生产率低。

投影曝光系统实为电子束图形复印系统，它将掩模图形产生的电子像按原尺寸或缩小后复印到工件上，因此不仅保持了高分辨率，而且提高了生产率。

2.1 基于改进扫描电镜（SEM）的电子束曝光系统由于SEM的工作方式与电子束曝光机十分相近，最初的电子束曝光机是从SEM基础上改装发展起来的[6]。

近年来随着计算机技术的飞速发展，将SEM改装为曝光机的工作取得了重要进展。

如图1所示，主要改装工作是设计一个图形发生器和数模转换电路，并配备一台PC机。

电子束曝光操作概要

电子束曝光操作概要（EBL，Electron Beam Lithography）1、扫描电子束曝光系统简介Zeiss SUPRA 55 扫描电子显微镜●热场发射电子枪：ZrO/W灯丝；高分辨率：0.8nm@15kV，1.6nm@1k；●放大倍数：12~1,000,000×；加速电压：0.02 ~30kV；EBL Raith ELPHY Quantum图形发生器●样片尺寸：最大为20×20 mm；写场范围：0.5μm~1000μm；●图形编辑：GDSII CAD编辑模块，DXF、ASCII、CIF等图形格式可读；●高斯型圆形束斑，矢量扫描，剂量可调；2、EBL样品台型号1-MD195，通用样品台，如图1所示；Faraday Cup，法拉第杯，用于测定电子束流；Chessy为一精工细作的微纳加工网格，用于对写场进行精细校准；可放置样品尺寸最大为20×20mm；图1 Universal Lithography Sample Holder3、曝光图形编辑在EBL电脑上打开ELPHY Quantum软件，在右侧GDSII Database点击，新建XXX.csf数据库文件，在下方空白处右键单击，选择，新建图形文件；从主菜单栏View处调出Toolbox，进行图形编辑，编辑工具包含点、线、面、矩形、多边形、圆形、文字等，选择所绘制图形，右键Properties进行图形坐标点编辑；编辑完成后保存图形，关闭软件。

4、样片传入及EBL系统连接将准备好的样片置于EBL专用样品台上，传入扫描电镜样品室。

注意：衬底为绝缘体或导电性差时需要先进行喷金镀膜；SEM side：确认外部控制器调到ELPHY档位，确认内部通信软件RemCon32-COM2通道正常通信；EBL side：打开ELPHY Quantum软件，确认软件右下角为OK 状态，调出曝光图形。

5、定义坐标系，高倍聚焦SEM side：●设定Z值40mm，加速电压EHT=10kV（0-30kV可选），光阑尺寸10μm（7-120μm，7孔可选），Beam Shift 归零，EHT on；●从主菜单栏View处调出Crosshairs米字格，将样片右上角定点位置聚焦、居中。

电子束曝光系统——杨凯旋

电子束曝光方式
工件台移动和曝光写场
电子束偏转范围受限
工件台移动切换曝光写场 (field)
电子束曝光方式
矢量扫描与光栅扫描
矢量扫描（电子束为高斯束，或圆型束）
——只在曝光图形部分扫描
分辨率高、速度慢
光栅扫描
——对整个曝光场扫描，束闸（beam blanking）只在曝光图形部分打开
速度快、分辨率较低
电子束曝光方式
高斯圆电子束与变形电子束
高斯圆束固定成形束
可变成形束
曝光式
高斯束曝光
stage motion
beam motion
高斯圆形束：圆形束斑其电流密度呈高斯分布，故称高斯圆形束。束斑直径可达几个纳米，因此可以做极细的图形线条。
工作原理：电子束在扫描场内逐个对单元图形进行扫描，完成一个扫描场描画后，工作台移动一个距离，再进行第二个场的描画，这样逐场进行描画，直到完成全部图形的描画。适用于矢量扫描方式
图10(c) 平行于主轴的入射电子的运动轨迹
电子光学原理（1）磁透镜聚集原理
图10(d、e) 平行于主轴的入射电子束经过磁透镜后聚焦于主轴上一点
电子光学原理（1）磁透镜聚集原理
图12 短线圈磁场中的电子运动示意图
说明：电磁透镜具有与光学玻璃透镜相似的光学原理
电子束曝光系统
电子枪
发射电子的阴极阴极透镜
冷阴极：将钨丝或者六硼化镧做成极细的尖端，，使得尖端即使在很低的电压下，也能形成很高的电场，直接将电子从阴极表面拉出，形成发射。
冷阴极的优点：高分辨率，常作为电子显微镜发射源，很少作为电子束曝光系统的发射源。这是由于冷阴极表面易受原子吸附从而产生噪声和发射漂移。，故要求极高的真空度

基于扫描电镜的电子束曝光系统Raith(课堂PPT)

基于扫描电镜的电子束曝光系统 Raith GmbH Elphy plus
.
1
主要内容
• 扫描电子显微镜介绍 • Raith电子束曝光系统 • 电子束曝光图形制作 • 曝光参数 • 对准操作 • 纳米器件制作的主要步骤
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2
XL 30 S FEG (a top performing field emission SEM)
X-rays Auger e–
Cathodaluminescence Secondary e–
Inelastically Scattered e–
Elastically Scattered e–
Unscattered e–
.
10
二次电子的形成
MORE secondary e–
escape
FEWER secondary e–
Acceleration voltage:200 V 30kV Resolution:1.5nm at >10kV, 2.5nm at 1kV Electron spot ~ 1nm, Resolution ~ 1nm STEM within SEM!! + CL detector
.
3
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4
电子发射枪
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50
基片准备和样品分散
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51
定位和曝光图形设计
.
52
镀膜和剥离
.
53
.
54
.
5
电子透镜原理
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6
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7
• Electron gun produces beam of monochromatic electrons.
• First condenser lens forms beam and limits current ("coarse knob").

电子束曝光系统及其方法[发明专利]

[19]中华人民共和国国家知识产权局[12]发明专利申请公开说明书[11]公开号CN 1264850A [43]公开日2000年8月30日[21]申请号00103090.6[21]申请号00103090.6[22]申请日2000.02.24[30]优先权[32]1999.02.24 [33]JP [31]047030/1999[32]1999.02.25 [33]JP [31]048625/1999[32]1999.10.15 [33]JP [31]294017/1999[32]1999.12.07 [33]JP [31]347586/1999[71]申请人日本电气株式会社地址日本东京都[72]发明人山下浩 [74]专利代理机构中科专利商标代理有限责任公司代理人刘晓峰[51]Int.CI 7G03F 7/20G03F 7/09H01L 21/027权利要求书 4 页说明书 19 页附图 15 页[54]发明名称电子束曝光系统及其方法[57]摘要本发明涉及一种具有掩膜的限制散射角限制型电子束曝光系统,包含散射区和限制孔阑,该孔阑用于限制通过掩膜的散射电子量,限制孔阑包含固定在交叠面附近的第一限制孔阑,其具有中心开孔和围绕中心开孔的闭合细长开孔;第二限制孔阑可沿光轴进行移动并具有中心开孔和围绕中心开孔的闭合细长开孔,同时涉及利用该系统的电子束曝光方法。

00103090.6权利要求书第1/4页 1.一种具有掩膜的散射角限制型电子束曝光系统，该所述掩膜包含一个散射区和一个限制孔阑，该孔阑可控制通过掩膜的散射电子的量，所述系统包含：第一限制孔阑，固定在交叠面或其附近，并具有一个中心开孔和围绕中心开孔的闭合细长开孔；及第二限制孔阑，其可沿光轴移动并具有一个中心开孔和围绕中心开孔的闭合细长开孔。

2.根据权利要求1所述的散射角限制型电子束曝光系统，其特征在于掩膜包含由形成在可发射电子束膜上的电子束散射体构成的图形。

电子束曝光

集成技术中心技术报告电子束曝光技术中国科学院半导体研究所半导体集成技术工程研究中心韩伟华Email: weihua@提要设备的组成、性能及相关工艺设备电子束曝光设备的操作程序电子束曝光的关键技术¾¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾曝光模板的设计电子束光刻胶的厚度控制电子束的聚焦坐标系的建立与写场对准纳米套刻技术电子束扫描方式与曝光电子束剂量的比较与技术参数高分辨率的纳米曝光图形的实现电子束光刻用户的培训设备的组成与性能德国EBL Raith150主要用途• 量子纳米器件的微结构：如纳米电子器件，AB环 • 集成光学器件：光子晶体, 光栅, 弯曲波导 • NEMS 结构 • 小尺寸的光刻板，如1×1 cm2 • 对应版图进行SEM观察主要特征• 电子枪：高分辨率的热场(Schottky)发射源 (尺寸: 20nm) • 束能量可调：200eV-30keV • 图形直写(<0.5μm) ：最小线宽分辨率20nm • 写场可调： 0.5µm-1000µm • 图形快速生成：10MHz 描写速度 • 晶片支架：1cm2 样片~ 6inch晶片 • 水平控制：三点压电接触(自动)或6”激光干涉平台(手动) • 双PC机控制系统：曝光与SEM测量 • 图形编辑：GDSII格式，剂量可调设备的组成电子束曝光及其相关工艺设备光刻衬底甩胶衬底电子束曝光微米工艺 + 纳米工艺电子束套刻 ICP刻蚀衬底显影等离子体衬底图形转移金属衬底衬底金属蒸发去胶 SEM 观察电子束曝光设备的操作程序• 设备启动• 样品传入 • 低倍聚焦 • 定义坐标 • 高倍聚焦100nm• 写场对准 • 测束电流 • 参数设定 • 样品曝光 • 样品取出曝光精度: 10nm曝光模板的设计单层模板套刻模板Pattern Transfer MetalSemiconductor wafer电子束光刻胶的厚度控制Spin speed vs film thickness for PMMA 950K C resist 2% in Chlorobenzene1400 1300PMMA 950K C2 (n=1.486) Spin time: 30s Sub: Si (n=3.850) Baking: 185°C, 90sResist Film Thickness (Å)1200 1100 1000 900 800 700 600 50010001500200025003000350040004500SUSS Coating SystemSpin Speed (rpm)电子束的聚焦Filament Anode Beam-blanker ApertureV0<2.5keV V0 >2.5keV V0 >20keV坐标系的建立与写场对准坐标系的建立 Global变换:样品(U,V) ⇔ 样品台(x,y)移动和倾角修正Design (u, v) U V y套刻图形坐标系的建立 Local变换: 版图 (u,v) ⇔ 样品(U,V)三点调整rotation shift xVU写场的对准图形拼接 ⇔ 样品台移动曝光起点(U,V) ⇔ 写场中心V缩放因子和倾角的修正write field曝光U写场对准Self-CalibrtionSample (U,V) Beam (zoom, shift, rotation)Beam movement Stage movement by laser interferometer WF Area: 100µm(U,V) particle纳米套刻技术套刻模板图形(u,v)E-Beamv V O U u 整体坐标系克服电子束套刻的对准误差 1. 样品台移动带来的写场拼接误差； 2. 电子束偏转带来的读取误差；使电子束准确套刻范围局限在0.04mm2¾ 套刻范围问题的解决改变写场对准方式，局部套刻范围提高到4mm2，增大了100 倍，对准误差小于40nm。

电子束曝光系统

2.1 电子束曝光系统的结构电子枪
0.5um
钨丝2700K
六硼化镧1800K
场发射电极 ZrO/W 电场强度:108N/C
电子束曝光的电子能量通常在10~100keV
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
邻近效应的校正
图形尺寸校正：通过改变尺寸来补偿电子散射造成的曝光图形畸变。
缺点：校正的动态范围小
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENG器
由于加工误差，电磁透镜的x、y方向的聚焦不一致，造成电子束斑椭圆化。消像散器由多级透镜组成，能从不同方向对电子束进行校正
微米纳米研究中心 Micro and Nano Technology Research Center
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
光刻技术的精度受到光子在波长尺度上的散射影响。
使用的光波长越短，光刻能够达到的精度越高。
紫外光波长:常用200~400nm之间
根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的
波（加速电压为50kV，波长为0.0053nm）。这样，电子束曝光的精度可以达到纳米量级，从而为制作纳米结构提供了很有用的工具。
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室

电子束曝光技术

按扫描方式分
光栅扫描电子束曝光系统矢量扫描电子束曝光系统
电子束曝光系统的重要关注指标
最小束直径加速电压电子束流扫描速度扫描场大小工作台移动精度套准精度场拼接精度
国内科研单位的电子束曝光系统
➢ 中国科学院半导体所：Raith150 ➢ 中国科学院物理所：Raith150 ➢ 中国科学院微电子所：JBX 5000LS；JBX 6AII； MEBES4700S ➢ 中国科学院光电所：Raith150 ➢ 中国科学院电工所：基于SEM系统自主研发 ➢ 石家庄中电集团13所：Leica VBS ➢ 沈阳东北微电子47所：MEBES 4500 ➢ 无锡华润华晶：ZBA-23；JBX6AII；MEBES5000S清华大学：JEOL JBX-6300FS ➢ 北京大学：基于SEM改造基于SEM改造两台，Raith150一台 ➢ 中国科技大学：Raith150 ➢ 南京大学：Raith150 ➢ 国防科技大学：Raith150 ➢ 中山大学： Raith150 ➢ 西安交通大学：日本Crestec公司CABL9000系列 ➢ 山东大学：Raith150
H
C H
H
C H
H
C H
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CCC
H
H
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CC
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O CH O CH O CH O CH O CH O CH
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电子束光刻系统(EBL)市场调研报告-主要企业、市场规模、份额及发展趋势

电子束光刻系统(EBL)市场报告主要研究：电子束光刻系统(EBL)市场规模：产能、产量、销售、产值、价格、成本、利润等电子束光刻系统(EBL)行业竞争分析：原材料、市场应用、产品种类、市场需求、市场供给，下游市场分析、供应链分析、主要企业情况、市场份额、并购、扩张等电子束曝光（electron beam lithography）指使用电子束在表面上制造图样的工艺，是光刻技术的延伸应用。

电子束光刻系统(EBL)即用于实现电子束曝光的系统。

2023年全球电子束光刻系统(EBL)市场规模大约为13亿元（人民币），预计2030年将达到22亿元，2024-2030期间年复合增长率（CAGR）为6.9%。

全球电子束光刻系统（Electron Beam Lithography System (EBL)）的主要参与者包括Raith、Vistec、JEOL、Elionix 和Crestec。

全球前三大制造商的份额超过70%。

日本是最大的市场，占有率约为48%，其次是欧洲和北美，占有率分别约为34%和12%。

就产品而言，高斯光束EBL系统是最大的细分市场，占有率超过70%。

在应用方面，应用最多的是工业领域，其次是学术领域。

（Win Market Research）辰宇信息报告分析电子束光刻系统(EBL)行业竞争格局，包括全球市场主要厂商竞争格局和中国本土市场主要厂商竞争格局，重点分析全球主要厂商电子束光刻系统(EBL)产能、销量、收入、价格和市场份额，全球电子束光刻系统(EBL)产地分布情况、中国电子束光刻系统(EBL)进出口情况以及行业并购情况等。

如果您有兴趣了解详情，薇joie ：chenyu-joie 同时了解更多前沿报告及报价。

针对电子束光刻系统(EBL)行业产品分类、应用、行业政策、产业链、生产模式、销售模式、行业发展有利因素、不利因素和进入壁垒也做了详细分析。

全球及中国主要厂商包括：RaithJEOLElionixVistecCrestecNanoBeam按照不同产品类型，包括如下几个类别：高斯光束EBL系统赋形波束EBL系统按照不同应用，主要包括如下几个方面：学术领域工业领域其他领域报告包含的主要地区和国家：北美（美国和加拿大）欧洲（德国、英国、法国、意大利和其他欧洲国家）亚太（中国、日本、韩国、中国台湾地区、东南亚、印度等）拉美（墨西哥和巴西等）中东及非洲地区（土耳其和沙特等）报告正文共11章，各章节主要内容如下：第1章：报告统计范围、产品细分、下游应用领域，以及行业发展总体概况、有利和不利因素、进入壁垒等；第2章：全球市场供需情况、中国地区供需情况，包括主要地区电子束光刻系统(EBL)产量、销量、收入、价格及市场份额等；第3章：全球主要地区和国家，电子束光刻系统(EBL)销量和销售收入，2019-2023，及预测2024到2030；第4章：行业竞争格局分析，包括全球市场企业排名及市场份额、中国市场企业排名和份额、主要厂商电子束光刻系统(EBL)销量、收入、价格和市场份额等；第5章：全球市场不同类型电子束光刻系统(EBL)销量、收入、价格及份额等；第6章：全球市场不同应用电子束光刻系统(EBL)销量、收入、价格及份额等；第7章：行业发展环境分析，包括政策、增长驱动因素、技术趋势、营销等；第8章：行业供应链分析，包括产业链、主要原料供应情况、下游应用情况、行业采购模式、生产模式、销售模式及销售渠道等；第9章：全球市场电子束光刻系统(EBL)主要厂商基本情况介绍，包括公司简介、电子束光刻系统(EBL)产品规格型号、销量、价格、收入及公司最新动态等；第10章：中国市场电子束光刻系统(EBL)进出口情况分析；第11章：中国市场电子束光刻系统(EBL)主要生产和消费地区分布。

电子束直接光刻技术

在“七五”期间，国家投资以信息产业部48所)，如期通过“七五”验收，从机器性能指标看，已达到国际上80年代初期同类机型的先进水平，但以后没有继续做工艺实用化方面的工作。
在“八五”期间研制出亚微米电子束曝光机(DB7型)，能够制作特征线宽为0.5-0.3μ m，拼接精度、套刻精度在±0.15μ m以内。该机已在用户方使用，并制出GaAs单片集成电路的掩模版，作图面积满足GaAs尺寸为1英寸、2英寸见方的版图。该机同时还具有直接光刻功能。
我国电子束曝光设备，虽然起步较早，在70年代中期就已经用于微电子器件的生产，所加工的特征线宽也能从0.7μm-0.5μm提高到0.3μm，机器的精度、稳定性、可靠性也提高很大，但是总体的水平比国外先进的电子束曝光机落后十年以上。比如我们的机器直接在圆片上光刻还未实用；还没有达到深亚微米(0.25μm)和纳米的水平；整个技术的先进性，其中包括材料、元器件等都有一定差距。我国已把集成电路为代表微电子技术的发展提高到战略地位，微电子束爆光系统设备也将会有很大发展。
现在正在研制模拟电路专用电子束曝光系统(“九五”型谱项目)，该机能够制作的特征线宽小于0.3μ m，同时能在圆片上直写。
国内的差距
国外电子束曝光机，大量用于大规模集成电路和军事微电子技术领域，特别是在圆片上直接光刻，已用于专用集成电路的生产、样品制作和纳米器件的研究和开发。为了满足下世纪初纳米微电路的生产，IBM已加紧研制“微光柱系统”，它的阴极为小型化冷场发射阴极，电子光柱的总高度在4-5mm，其加工方法采用半导体工艺、微细加工技术完成，由于总尺寸小，在一个圆片上可以排列多个电子束光柱，在计算机控制下同时作图，这样可以提高速度，提高生产效率。
定义：电子束曝光是利用电子束在涂有感光胶的晶片上直接描画或投影复印图形的技术

电子束曝光技术注意事项

半导体纳米加工技术研究生课程
电子束曝光技术在实验中的一些注意事项
杨香
中国科学院半导体研究所半导体集成技术工程研究中心
2009年10月
摘要
电子束胶的选取电子束曝光中的邻近效应电子束曝光的剂量测试电子束曝光中的写场拼接
胶的厚度与转速及浓度的关系
PMMA：C4 系列（氯苯为溶剂）和A2系列（乙醚为溶剂）
<110>
(a) 曝光剂量130C/cm2
(b) 曝光剂量140C/cm2
(c) 曝光剂量150C/cm2
(d) 曝光剂量160C/cm2
(e) 曝光剂量170C/cm2
(f) 曝光剂量180C/cm2
23
电子束曝光中图
金属蒸发、退火
SOI 基片
电导台面制作
工字形
锥形
使关键图形远离大面积曝光区域
曝光剂量对图形尺寸的影响
曝光剂量对胶的剖面的影响
高剂量
合适剂量
低剂量
加速电压对胶的剖面的影响
Raith150复制剂量测试图形
剂量测试版图
剂量及尺寸测试版图
尺寸变化
剂量变化
各向异性腐蚀的硅纳米线结构
(a) 脊宽30nm
(b) 脊宽15nm
(c) 脊宽10nm
曝光参数选取
减小邻近效应的影响：克服背散射的影响：曝光剂量一定，选择低的加速电压克服前向散射的影响：尽量选择薄胶，高的加速电压选择灵敏度较低的电子束胶
采用薄膜衬底
很好的克服了电子束在衬底上背散射的问题
邻近效应的几何尺寸校正和剂量校正
1. 几何尺寸校正
2. 剂量校正
纳米线的制备中的邻近效应
胶的厚度与转速及浓度的关系

电子束曝光机说明书

VOYAGER普通用户操作说明和高级用户维护细则（20171212 整理）一、普通用户进入：Raith service administer 和Voyager 的工作界面是常开的。

用户不再细分，统一用管理员指定电压/光阑组合进行操作。

50KeV 对于A2 950K/200K的PMMA Area Dose 最佳值342.5μC/cm2, 500也可以。

1.找样品和设置基本条件(a)检查样品室内有无样品，若有则unload sample（耗时8分钟，界面不能有其它操作）。

进样：更换新乳胶手套，使用塑料镊子和标配样品盒，将样品夹到1-6号夹子下方，然后连带holder放入导轨，放下样品盖。

然后点击load（通过机柜或voyager工作界面均可），直至自检结束。

(b)在XYZ坐标系，Z栏输入18, 单位mm，absolute状态，然后点击go.(c)File/open sample holder map/150 mm USH holder.(d)加高压：在Column control状态栏中选择EHT/Mode（LC，MC，HMC，HC）/Apr搭配组合，点击状态栏上方激活按钮。

(e)开CCV：在Column control状态栏下方右键CCV，选择open.2.检查样品上方各区的聚焦/像散情况(a)Height control/sample/USH(b)Stage Control/position/Align Foc/stigmator/go(c)打开Voyager的工作界面上方扫描按钮，调节joystick的Z轴（调样品台高度）初步聚焦。

(d)打开voyager的工作界面上方齿轮1，Beam/focus进行单区自动聚焦。

(e)打开齿轮2，输入3，点击go，将会自动调3*3共9个图，执行完毕，在Column control界面点击保存按钮。

说明：如果此步执行完毕，9个图都比较清晰，可以直接进入第3步，无需再做下边的像散及全场校准步骤。