臺(tái)式掃描電鏡由三大部分組成：真空系統(tǒng)，電子束系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)。了解臺(tái)式掃描電鏡的組成結(jié)構(gòu)，有利于更加合理的使用掃描電鏡，從而延長(zhǎng)掃描電鏡的使用壽命及提高操作的精確度。目前臺(tái)式掃描電鏡被廣泛用于材料科學(xué)、冶金、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體材料與器件、地質(zhì)勘探、病蟲害的FZ、災(zāi)害鑒定、寶石鑒定、工業(yè)生產(chǎn)中的產(chǎn)品質(zhì)量鑒定及生產(chǎn)工藝控制等。

臺(tái)式掃描電鏡設(shè)計(jì)背景

　　隨著科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入了納米領(lǐng)域，人們對(duì)顯微技術(shù)、顯微儀器的要求越來越高，需求也日益增長(zhǎng)。

　　光學(xué)顯微鏡價(jià)格便宜，操作簡(jiǎn)單，但由于可見光波長(zhǎng)的限制，其放大倍數(shù)只能達(dá)到1000倍左右;傳統(tǒng)大型掃描電子顯微鏡有效放大倍數(shù)可以達(dá)到數(shù)萬倍，具有大景深，是當(dāng)前材料科學(xué)、生物科學(xué)領(lǐng)域Z常用的表征手段之一，但其投資巨大，而且需要經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)的操作人員，使用不便。

　　為了解決這一矛盾，美國FEI公司在2004年提出了臺(tái)式掃描電鏡的概念。不同于傳統(tǒng)大型掃描電鏡，臺(tái)式掃描電鏡是一種全新的設(shè)計(jì)，其結(jié)合了光學(xué)顯微鏡與傳統(tǒng)掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)。既保留的掃描電鏡較高的放大倍數(shù)和大景深，同時(shí)體積小、操作簡(jiǎn)便，價(jià)格僅為傳統(tǒng)電鏡的幾分之一，逼近高端光學(xué)顯微鏡的價(jià)格。

臺(tái)式掃描電鏡的結(jié)構(gòu)

　　一、真空系統(tǒng)

　　臺(tái)式掃描電鏡真空系統(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臺(tái)式掃描電鏡的真空要求，但對(duì)于裝置了場(chǎng)致發(fā)射槍或六硼化鑭槍的臺(tái)式掃描電鏡，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。真空柱底端為密封室，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，所以除了在使用臺(tái)式掃描電鏡時(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。

　　二、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)發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生電子，稱為場(chǎng)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10^-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，但成像不如其他兩種明亮，常作為廉價(jià)或標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式掃描電鏡配置。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10^-7torr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，與成像會(huì)焦無關(guān)。物鏡：物鏡為真空柱中Z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。

　　三、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。

　　放大率：與普通光學(xué)顯微鏡不同，在臺(tái)式掃描電鏡中，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，臺(tái)式掃描電鏡中，透鏡與放大率無關(guān)。

　　場(chǎng)深：在臺(tái)式掃描電鏡中，位于焦平面上下的一小層區(qū)域內(nèi)的樣品點(diǎn)都可以得到良好的會(huì)焦而成象。這一小層的厚度稱為場(chǎng)深，通常為幾納米厚，所以，臺(tái)式掃描電鏡可以用于納米級(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：

　　工作距離：工作距離指從臺(tái)式掃描電鏡物鏡到樣品Zgao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。

　　成象：次級(jí)電子和背散射電子可以用于成象，但后者不如前者，所以通常使用次級(jí)電子。

　　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，所以只能用于表面分析。表面分析以特征X射線分析Z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)。

臺(tái)式掃描電鏡的特點(diǎn)

　　1、放大倍數(shù)高;

　　2、成像速度快;

　　3、大景深;

　　4、體積小巧;

　　5、操作簡(jiǎn)便;

　　6、價(jià)格便宜。