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結(jié)構(gòu)

掃描電子顯微鏡由三大部分組成：真空系統(tǒng)，電子束系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)。

真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)主要包括真空泵和真空柱兩部分。真空柱是一個(gè)密封的柱形容器。

真空泵用來在真空柱內(nèi)產(chǎn)生真空。有機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵以及渦輪分子泵三大類，機(jī)械泵加油擴(kuò)散泵的組合可以滿足配置鎢槍的SEM的真空要求，但對(duì)于裝置了場(chǎng)致發(fā)射槍或六硼化鑭槍的SEM,則需要機(jī)械泵加渦輪分子泵的組合。

成像系統(tǒng)和電子束系統(tǒng)均內(nèi)置在真空柱中。真空柱底端即為右圖所示的密封室，用于放置樣品。

之所以要用真空，主要基于以下兩點(diǎn)原因：

電子束系統(tǒng)中的燈絲在普通大氣中會(huì)迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM時(shí)需要用真空以外，平時(shí)還需要以純氮?dú)饣蚨栊詺怏w充滿整個(gè)真空柱。

為了增大電子的平均自由程，從而使得用于成像的電子更多。

電子束系統(tǒng)

電子束系統(tǒng)由電子槍和電磁透鏡兩部分組成，主要用于產(chǎn)生一束能量分布極窄的、電子能量確定的電子束用以掃描成像。

電子槍

電子槍用于產(chǎn)生電子，主要有兩大類，共三種。

一類是利用場(chǎng)致發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生電子，稱為場(chǎng)致發(fā)射電子槍。這種電子槍極其昂貴，在十萬美元以上，且需要小于10torr的極高真空。但它具有至少1000小時(shí)以上的壽命，且不需要電磁透鏡系統(tǒng)。

另一類則是利用熱發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生電子，有鎢槍和六硼化鑭槍兩種。鎢槍壽命在30～100小時(shí)之間，價(jià)格便宜，但成像不如另一種明亮，常作為廉價(jià)或標(biāo)準(zhǔn)SEM配置。六硼化鑭槍壽命介于場(chǎng)致發(fā)射電子槍與鎢槍之間，為200～1000小時(shí)，價(jià)格約為鎢槍的十倍，圖像比鎢槍明亮5～10倍，需要略高于鎢槍的真空，一般在10torr以上；但比鎢槍容易產(chǎn)生過度飽和和熱激發(fā)問題。

電磁透鏡

熱發(fā)射電子需要電磁透鏡來成束，所以在用熱發(fā)射電子槍的SEM上，電磁透鏡必不可少。通常會(huì)裝配兩組：

匯聚透鏡：顧名思義，匯聚透鏡用匯聚電子束，裝配在真空柱中，位于電子槍之下。通常不止一個(gè)，并有一組匯聚光圈與之相配。但匯聚透鏡僅僅用于匯聚電子束，與成象會(huì)焦無關(guān)。

物鏡：物鏡為真空柱中最下方的一個(gè)電磁透鏡，它負(fù)責(zé)將電子束的焦點(diǎn)匯聚到樣品表面。

成像系統(tǒng)

電子經(jīng)過一系列電磁透鏡成束后，打到樣品上與樣品相互作用，會(huì)產(chǎn)生次級(jí)電子、背散射電子、俄歇電子以及X射線等一系列信號(hào)。所以需要不同的探測(cè)器譬如次級(jí)電子探測(cè)器、X射線能譜分析儀等來區(qū)分這些信號(hào)以獲得所需要的信息。雖然X射線信號(hào)不能用于成像，但習(xí)慣上，仍然將X射線分析系統(tǒng)劃分到成像系統(tǒng)中。

有些探測(cè)器造價(jià)昂貴，比如Robinsons式背散射電子探測(cè)器，這時(shí)，可以使用次級(jí)電子探測(cè)器代替，但需要設(shè)定一個(gè)偏壓電場(chǎng)以篩除次級(jí)電子。

基本參數(shù)

放大率

與普通光學(xué)顯微鏡不同，在SEM中，是通過控制掃描區(qū)域的大小來控制放大率的。如果需要更高的放大率，只需要掃描更小的一塊面積就可以了。放大率由屏幕／照片面積除以掃描面積得到。

所以，SEM中，透鏡與放大率無關(guān)。

場(chǎng)深

在SEM中，位于焦平面上下的一小層區(qū)域內(nèi)的樣品點(diǎn)都可以得到良好的匯焦而成像。這一小層的厚度稱為場(chǎng)深，通常為幾納米厚，所以，SEM可以用于納米級(jí)樣品的三維成像。

作用體積

電子束不僅僅與樣品表層原子發(fā)生作用，它實(shí)際上與一定厚度范圍內(nèi)的樣品原子發(fā)生作用，所以存在一個(gè)作用“體積”。

作用體積的厚度因信號(hào)的不同而不同：

俄歇電子：0.5～2納米。

次級(jí)電子：5λ，對(duì)于導(dǎo)體，λ=1納米；對(duì)于絕緣體，λ=10納米。

背散射電子：10倍于次級(jí)電子。

特征X射線：微米級(jí)。

X射線連續(xù)譜：略大于特征X射線，也在微米級(jí)。

工作距離

工作距離指從物鏡到樣品最高點(diǎn)的垂直距離。

如果增加工作距離，可以在其他條件不變的情況下獲得更大的場(chǎng)深。

如果減少工作距離，則可以在其他條件不變的情況下獲得更高的分辨率。

通常使用的工作距離在5毫米到10毫米之間。

用途

成像

次級(jí)電子和背散射電子可以用于成像，兩者用處不一，前者多用在顯示物體表面起伏，后者則是用在顯示物體原子序的差異。

表面分析

俄歇電子、特征X射線、背散射電子的產(chǎn)生過程均與樣品原子性質(zhì)有關(guān)，所以可以用于成分分析。但由于電子束只能穿透樣品表面很淺的一層（參見作用體積），所以只能用于表面分析。

表面分析以特征X射線分析最常用，所用到的探測(cè)器有兩種：能譜分析儀與波譜分析儀。前者速度快但精度不高，后者非常精確，可以檢測(cè)到“痕跡元素”的存在但耗時(shí)太長(zhǎng)。

SEM成象的圖庫(kù)

七層聚酯纖維片

花粉

放大5000倍的硅藻.

艾滋病毒

人工上色的大豆囊線蟲及卵

螞蟻頭部

石棉纖維

南極磷蝦的復(fù)眼

南極磷蝦的小眼, 磷蝦眼睛更高分辨率的照片。色彩照片。

果蠅上身

果蠅復(fù)眼

人類白細(xì)胞

在場(chǎng)電子發(fā)射（英語：Field electron emission）SEM上進(jìn)行的半導(dǎo)體制造中使用的光刻膠層的SEM圖像。這些SEM的高分辨率能力對(duì)于半導(dǎo)體工業(yè)是重要的。

腎結(jié)石表面的SEM圖像, 顯示從石頭的無定形中心部分出現(xiàn)的Weddellite（草酸鈣二水合物）的四方晶體。 圖片的水平長(zhǎng)度表示圖案原物體0.5mm。

通過光學(xué)顯微鏡（左）和SEM圖像（右）觀察到的相同深度的兩個(gè)圖像的雪花晶體。注意SEM圖像如何允許清楚地感知精細(xì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，其在光學(xué)顯微鏡圖像中難以完全得到。

在洋蔥片內(nèi)表面的表皮細(xì)胞。在shagreen樣細(xì)胞壁下面，可以看到細(xì)胞核和漂浮在細(xì)胞質(zhì)中的小細(xì)胞器。鑭系染色樣品的BSE圖像在沒有預(yù)先固定，脫水或?yàn)R射的情況下拍攝。

葉片背面的氣孔。

參見

穿透式電子顯微鏡

IEEE里程碑列表

參考資料

參考文獻(xiàn)

《Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis》, Third Edition, by Joseph Goldstein, Dale Newbury, David Joy, Charles Lyman, Patrick Echlin, Eric Lifshin, Linda Sawyer, and Joseph Michael, Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2003 ISBN 0-306-47292-9

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