1.2 掃描電鏡的組成及其工作原理

雖然各電鏡廠家在掃描電鏡結構設計上存在較大不同，但基本的結構和工作原理都是基于圖1.5所示的框架來搭建的，故本節也將以該框架為基礎來展開討論。

1.2.1 掃描電鏡的結構及功能

如圖1.5所示，掃描電鏡整機的結構可粗分為鏡筒部分和電氣部分。

1.鏡筒部分

鏡筒部分包括光源、透鏡系統和真空系統。

（1）光源

掃描電鏡的光源都是采用三級電子槍的結構設計，用來產生高能電子束。電子槍分為熱發射及場發射兩種類型。熱發射電子槍三級結構分別為陰極、柵極、陽極，場發射電子槍三級結構的主體分別為陰極、第一陽極、第二陽極。電子槍結構設計及用材上的差異導致了光源的本征亮度不同，從而對掃描電鏡的分辨力產生基礎性也是決定性的影響。正是基于這個緣由，掃描電鏡也都以光源的類型來命名。為什么光源的本征亮度對掃描電鏡的分辨力具有決定性的影響呢？

●電子槍的發射亮度和本征亮度

電子光學中對光源亮度的定義基本延續了光學中對光源亮度的定義，只是將功率改成了電流（即電子束束斑電流，簡稱束流），其光源亮度定義為單位立體角內的束流密度，單位是A/（cm2·sr）。該定義表述的是由電子槍發射出來的電子束的亮度值，故可稱為電子槍的發射亮度。在實際操作過程中可利用加速電壓對發射亮度進行調整，發射亮度基本與加速電壓成正比關系。但對發射亮度的調整必須是在某一個水平線上來進行，這條水平線就是電子槍的本征亮度。

從電子槍發射亮度的定義來看，束流密度越大、立體角越小則發射亮度越大。立體角越小可以保證樣品產生信號的區域范圍更小，高束流密度將使樣品在小范圍內產生大信號量。因此發射亮度大就可以保證信息接收及處理系統可以在更小的信息溢出范圍內接收到更多的樣品信息，這有利于獲得樣品的高分辨像。

要保證電子槍在同樣的加速電壓下有更大的發射亮度，就必須提升其品質。衡量電子槍品質高低的參數就是本征亮度，也稱為約化亮度，其單位是A/（cm2·sr·kV）。本征亮度是一個常數，一旦電子槍制作完成，本征亮度也就確定了。電子槍陰極材料和結構不同，本征亮度也不同。常見的電子槍類型有鎢燈絲、六硼化鑭、熱場發射、冷場發射，這些電子槍的本征亮度依次增大。電子槍的本征亮度越大，相同加速電壓下形成的發射亮度也越大，越有利于獲得高分辨像，以該類型電子槍為基礎的掃描電鏡的分辨力也越強。

電子槍的本征亮度是否越大越好？這個問題應當辯證地來看待，電子槍本征亮度的增大對形成高分辨的顯微圖像有利，但同時也會導致對樣品熱損傷的增大。當熱損傷達到一定程度，其對樣品的破壞將成為獲取樣品正常的顯微像所面臨的最大問題。例如，使用氦離子光源的顯微系統就存在容易造成樣品嚴重熱損傷的問題。對于使用電子束做光源的掃描電鏡，在現有條件下，其電子槍本征亮度值增大導致的樣品熱損傷處于相對較低的程度，因此，電子槍的本征亮度越大，掃描電鏡的分辨力也就越強。

●電子槍的類型及其工作原理

電子槍根據陰極材質和三級結構設計的不同主要分為兩種：熱發射（鎢燈絲、六硼化鑭）和場發射（熱場、冷場），它們的主體雖然都是三級結構設計，但不同點在于，熱發射電子槍的三級結構分別為陰極、柵極（負偏壓）、陽極；場發射電子槍的三級結構分別為：陰極、第一陽極（正偏壓）、第二陽極。熱場發射電子槍在陰極下方增加了一個主要用于抑制熱電子對電子束產生影響的柵極。為什么場發射電子槍相對于熱發射電子槍有更高的本征亮度呢？這些結構設計上的差異到底能為電子槍的性能帶來怎樣的改變？

先來介紹一下熱發射電子槍。熱發射電子槍的陰極材質分為兩類：多晶鎢和六硼化鑭。鎢燈絲和六硼化鑭燈絲的陰極如圖1.6和圖1.7所示。

鎢燈絲的材質是多晶鎢，功函數大，電子須由高溫激發。燈絲電流加載在鎢燈絲上形成高溫（2800K），全區域發射電子。電子束散射范圍和色差都很大，故束流雖大但束流密度小，發射角大，電子槍本征亮度低，分辨力較弱。

六硼化鑭燈絲的材質為單晶六硼化鑭，單晶六硼化鑭針尖焊在陰極座架上，其功函數比鎢燈絲更小，燈絲電流加載在單晶六硼化鑭上形成高溫（1900K），發射電子主要集中在單晶區域（圖1.7中白色尖端區域）。電子束散射范圍、色差比鎢燈絲低，束流密度比鎢燈絲大。本征亮度和分辨力都強于鎢燈絲。

下面以鎢燈絲電子槍為例介紹熱發射電子槍的工作原理，鎢燈絲電子槍的結構如圖1.8所示。加速電壓（可調）以開路、負偏壓形式加載在陰極。十幾伏的加熱電壓（可調）以閉路形式疊加在陰極上，提供形成高溫的陰極電流。柵極上以開路形式負載更低的可調負偏壓。陽極接地（零電位），與柵極之間形成均勻的靜電場。該靜電場在柵極和陽極開孔處被拉大而變得不均勻，形態及功能接近透鏡，對進入電場的電子具有會聚作用，故被稱為靜電透鏡。燈絲位于透鏡中的部位經過高溫發射的熱電子由靜電透鏡會聚成束，形成直徑小于50μm的“電子束”。燈絲其余部位發射的熱電子被柵極、陰極間偏壓抑制，不參與形成電子束。陰極到陽極之間（主要是柵極與陽極之間）的加速電場將電子束中的熱電子加速，形成掃描電鏡的電子光源——高能電子束。

接下來再介紹一下場發射電子槍。按照電子槍在工作時的燈絲溫度，場發射電子槍可分為冷場發射電子槍和熱場發射電子槍這兩種類型。熱場發射電子槍燈絲尖部的單晶鎢經過磨制暴露出（100）晶面，其特點為功函數比冷場發射電子槍的單晶鎢更大，需要在單晶鎢表面涂覆氧化鋯涂層來降低拔出電子的功函數，并采用較高的工作溫度（1200K），被拔出的電子主要來自氧化鋯涂層。冷場發射電子槍燈絲尖部的單晶鎢經過磨制暴露出（310）晶面，其特點為功函數小，單晶鎢的電子可被第一陽極直接拔出，工作溫度為室溫。冷場發射電子槍及熱場發射電子槍的燈絲結構基本一致（見圖1.9）。熱場發射和冷場發射電子槍的結構如圖1.10所示。

從圖1.10可見，無論是熱場發射還是冷場發射電子槍，其基本結構都是陰極、第一陽極、第二陽極。加速電壓以開路的負偏壓形式加載在陰極上，第一陽極相對于陰極是正偏壓，第二陽極為零電位。與熱發射電子槍相同，熱場發射電子槍的陰極上以閉路形態疊加了一個10V以內的加熱電源，為抑制熱電子對電子束的影響，在陰極下方設置了一個保護柵極。冷場發射電子槍陰極上疊加一個帶開關、電壓約60V的閉路電源，可以給陰極提供一個瞬時電流（FLASH操作），用以去除附著在燈絲上的氣體分子。

場發射電子槍的工作過程如下。對于熱場發射電子槍，燈絲（陰極）由單晶鎢（100）構成，其功函數雖然比熱發射電子槍的多晶鎢絲小很多，但還是不足以讓處于其下方的第一陽極（加載著相對于陰極的正電壓）把電子從晶體的表面直接拔出。在單晶鎢表面涂敷一層氧化鋯，形成氧化鋯/單晶鎢（100）結構，可減小電子溢出的功函數。以這種燈絲為陰極，就形成所謂的“肖特基電子槍”。如此處理還是無法讓第一陽極從針尖直接拔出電子，需在燈絲上加載一個低于10V電壓的加熱電源，將燈絲的溫度提升到1200K，才能實現電子槍的正常發射。為屏蔽多晶鎢的熱電子，燈絲下方設置了低于500V的負偏壓柵極保護層。單晶鎢從柵極孔中伸出，該部位的電子發射非但不受柵極保護層負電場的抑制，還將受到該負電場給予的加速作用。位于柵極保護層下方的第一陽極所加載的電位高于陰極燈絲，分擋可調，最高可達4.2kV，稱為引出電壓。在該電壓的作用下氧化鋯的電子從燈絲尖部被拔出，由陰極與第二陽極（確切地說是柵極與第二陽極）之間的加速電場加速，形成直徑小于50nm的高能電子束。熱場發射電子槍的束流密度遠大于熱發射電子槍，而其立體角和色差遠低于熱發射電子槍。因此，熱場發射電子槍的本征亮度遠高于熱發射電子槍，其數值高于熱發射電子槍3個數量級，分辨力也大大強于熱發射掃描電鏡。

對于冷場發射電子槍，燈絲針尖由單晶鎢（310）構成。該晶面逸出功函數小，可由加載在其下方第一陽極上的引出電壓（4～6.5kV）直接拔出。電子槍不設柵極保護層，拔出的電子由陰極與第二陽極間的加速電場加速，形成直徑小于10nm的高能電子束。

●冷場發射與熱場發射電子槍的優缺點

熱發射電子槍（鎢燈絲、六硼化鑭）的本征亮度較低，電鏡的分辨力較弱，測試條件的選擇與場發射電子槍也不在同一體系下，低加速電壓下的成像質量極差。因此，接下來將只對場發射電子槍的兩種類型來展開討論。

冷場發射電子槍的陰極使用單晶鎢（310），功函數相對較小。在工作中，不用加熱電子槍即可通過電場拔出電子，故命名為冷場發射電子槍。

電子槍燈絲的電子出射范圍小，立體角也小，溢出電子的能量差（色差）更小。雖整體的束流強度較低，但相對于出射范圍來說，其比值，即束流密度，還是要比熱場發射電子槍大。這使得電子槍的本征亮度較大，有利于掃描電鏡獲取高分辨的測試結果。電子槍的本征亮度的定義式如下。

當然辯證地來看，冷場發射電子槍也有其不足之處。其缺點在于電子槍溫度低，鏡筒中氣體分子容易在燈絲表面累積，對電子的拔出產生影響。工作中發射電流會逐漸下降，需要不斷提升引出電壓。當氣體分子累積到一定程度時，需要施加一個瞬時大電流（FLASH操作）來驅散這些氣體分子。為了保持束流在測試中盡可能穩定，對鏡筒真空度的要求更高，因而高真空度是掃描電鏡獲取高分辨形貌像的基礎條件之一。

使用冷場發射電子槍作為光源的掃描電鏡擁有更強的分辨力，但束流穩定性及束流強度略顯不足。最新的冷場發射掃描電鏡對電子槍、真空度和鏡筒精度的改進，一定程度上彌補了這些缺陷，使其不再是冷場發射電子槍的嚴重缺陷。隨著顯微分析設備性能的提升，目前冷場發射電子槍僅在需要進行長時間的EBSD（Electron Backscattering Diffraction，電子背散射衍射）分析時還略顯不足。

熱場發射電子槍的問世時間比冷場發射電子槍更早。熱場發射電子槍的陰極使用的是單晶鎢（100），其功函數比多晶鎢絲和六硼化鑭單晶要小很多，但比冷場發射電子槍的單晶鎢（310）的功函數大。電子雖然也是由第一陽極拔出，但需要采取一系列輔助的方法：燈絲加載一定電壓，產生1200K的高溫，單晶鎢表面涂覆一層氧化鋯，這些方法都是為了減小燈絲表面的功函數，提高發射效率。由于電子基本由第一陽極在單晶鎢燈絲尖部拔出，因此其發射面積、立體角及色差都比熱發射電子槍小很多，但比冷場發射電子槍要大。故本征亮度要比熱發射電子槍提高很多，但低于冷場發射電子槍。

相較于冷場發射電子槍，熱場發射電子槍的本征亮度略低，儀器分辨力略弱。氧化鋯的消耗會降低燈絲束流的發射效率，當氧化鋯涂層出現破損時，燈絲的高分辨壽命也就到頭了，因此熱場發射電子槍的高分辨壽命較短。熱場發射電子槍的優點在于束流強度大且穩定，對微區分析有利，而隨著分析設備[EDS（X-ray Energy Dispersive Spectrum，能量色散X射線譜）、EBSD]性能的提升，該優勢也在逐步弱化，而其空間分辨力弱的劣勢卻無法得到改善。不過凡事都有度，這個度和測試需求有關，辯證的關系無處不在。

熱場發射電子槍設置了抑制柵極，同樣的加速電壓下，電子束中的電子實際所處的加速電場強度比冷場發射電子槍的加速電場強度更大一些，故電子能量也更高。雖然冷場發射電子槍的束流密度較大，但對于抑制樣品熱損傷，還是有一定優勢。大的工作距離會引起束斑彌散，將大幅削弱樣品的熱損傷。小的工作距離下，束流密度增大在其他條件相同的情況下會使樣品的熱損傷加重。由于具有電子槍本征亮度高和高真空的特點，冷場發射掃描電鏡適合大工作距離和具備高分辨力的優勢極其明顯。

以枝晶MOF（Metal-Organic Framework，金屬有機骨架）和Au納米顆粒樣品為例，具體分析熱場發射和冷場發射掃描電鏡對樣品造成熱損傷的差別，如圖1.11和圖1.12所示。

圖1.11展示了枝晶MOF形貌，該樣品容易受到電子束的熱損傷。分別使用冷場發射和熱場發射掃描電鏡在相似條件下進行測試，熱場發射掃描電鏡只能觀察更能耐受熱損傷的粗枝晶而無法觀察到細枝晶的結構。冷場發射掃描電鏡即便觀察更容易受到熱損傷的細枝晶也不存在問題。

Au納米顆粒樣品由在硅片上蒸鍍Au涂層獲得，樣品的制備條件為10mA工作電流，10s工作時間。熱場發射掃描電鏡使用的加速電壓為1kV，工作距離為0.9mm，放大倍率為50萬倍。雖然冷場發射掃描電鏡使用的加速電壓為3kV，放大倍率為80萬倍，這些條件都更容易對樣品造成熱損傷，但由于工作距離被拉大到7.6mm，最終結果是樣品的熱損傷更小。對比圖1.12（a）和圖1.12（b）可以看出來，熱場發射掃描電鏡觀察到的Au納米顆粒熱損傷嚴重；而冷場發射掃描電鏡觀察到的Au納米顆粒保持了較為良好的形態，熱損傷不明顯。

熱場發射電子槍和冷場發射電子槍的性能對比如表1.1所示。

（2）透鏡系統

透鏡是所有顯微鏡用于放大成像最關鍵的部件。不同類型的顯微鏡，組成透鏡的材質及結構可以不同，但功能卻基本相似。各電鏡廠家在掃描電鏡的透鏡系統結構設計上可能略有不同，但是最基本的結構完全一致，包含以下幾個部分。

聚光鏡：會聚電子槍產生的電子束。

物鏡：將電子束會聚在樣品表面。

掃描線圈：產生交變磁場拖動電子束在樣品表面掃描。

消像散線圈：消除因鏡筒精度差異造成的磁場不均勻分布，形成電子束強度的各向差異。也就是將橢圓斑校正成圓斑。

極靴：引導、改善磁流體，形成高強度、均勻且封閉的磁場。

上述透鏡或線圈均使用電磁透鏡的結構。那么電子顯微鏡為什么使用的都是電磁透鏡？電磁透鏡有何優點？其構造和工作原理是什么？面臨著哪些物理學問題？下面將一一解答。

●電磁透鏡

前文談到，透鏡是顯微鏡放大成像最關鍵的部件。不同光源（光束、電子束）需要使用不同的透鏡，光學顯微鏡使用的是光學透鏡，電子顯微鏡則使用電磁透鏡和靜電透鏡。靜電透鏡放大效果差，對電壓要求極高，不易調整，故很少使用，本書不予探討。

無論光學透鏡還是電磁透鏡都是通過改變信息激發源（可見光、高能電子束）的運行路徑，來達成放大成像的效果。盡管高能電子束在電磁透鏡中的運行軌跡比可見光穿越光學透鏡時復雜得多，但最后的放大成像效果卻基本相似。因此，電子顯微學教材介紹電磁透鏡的電子束路徑時，往往都是以光學顯微鏡的光路為模板來進行探討。

直線傳播、反射、折射是光的3種傳播模式。在同一種均勻介質中，光是以直線方式來傳播的，小孔成像、影子等都是光線直線傳播的反映。光線在兩種介質交界處會發生傳播方向的改變，當光到達界面后改變方向返回原來的介質中，這就是反射，反射光的光速和入射光相同。光線從一個介質進入另一個介質，會發生傳播方向和傳播速度的改變，這就是光線的折射現象。初中的物理教科書告訴我們，光學透鏡的成像原理正是基于這種折射現象。

透鏡可以看成許多棱鏡按照特別設計的結構所進行的組合。通常情況下，光通過凸透鏡時，經過兩次折射后會聚在透鏡另一側的焦點（平行光）或像平面上；光通過凹透鏡時，經過兩次折射后按照焦點和虛像各點連線所形成的角度發散出去。凸透鏡和凹透鏡的經典成像模式如圖1.13所示。

顯微系統中，凸透鏡的主要作用是對光線進行會聚、成像（實像、虛像、放大、縮小），也可對光路進行調整，是顯微系統放大成像的主體部件。而凹透鏡在顯微系統中常常被用于消除系統像差對圖像分辨率的影響。顯微系統的像差包含球差和色差這兩個部分，它們的存在會影響光線在通過顯微系統時的會聚狀態，使得光線穿越透鏡后，無法完全會聚在透鏡后方的焦點上，焦平面上將形成一個彌散斑。該彌散斑的存在，會使圖像細節襯度變差，造成的結果是圖像清晰度下降，嚴重的話會使得圖像細節無法被分辨出來。光學透鏡的成像規律如表1.2所示。

色差和球差是光線經過透鏡時出現的兩類像差，會影響顯微系統的成像效果。消除像差影響，有利于顯微系統獲取高分辨像。任何光束很難保證束內光的能量完全一致。不同能量的光在介質中的傳播速度也不同，通過透鏡時，折射程度也會存在差別，在焦平面或像平面上將形成一個彌散斑，使圖像模糊不清，影響圖像的分辨率。不同能量的光線對應不同色彩，因此，由光的能量差異而引起的像差被稱為色差，如圖1.14所示。通過合理安排不同形態（凸透鏡、凹透鏡）、不同材質的透鏡可以使色差相互抵消，如此可消除整個透鏡系統的色差，如圖1.15所示。

透鏡中心區與邊緣區對光線的折射存在差異，使得軸上某個物點發出的光束，穿越透鏡后會聚在透鏡后方光軸上的不同位置，在像平面上形成一個彌散斑從而影響圖像的分辨率，這種像差被稱為球差，球差的形成與校正如圖1.16所示。利用光闌只讓近光軸光線通過可以減少球差，所有的顯微系統都會使用該方式來削弱較大幅度球差的影響。此外還有兩種方式常常被光學顯微鏡所使用：曲配和組合透鏡。曲配是指透鏡兩個曲面使用不同曲率半徑，這兩個曲面會對光線的折射產生差異，互相的抵消和彌補會減少透鏡球差的數值。組合透鏡是指利用凸透鏡和凹透鏡的組合消除球差，組合方式有膠合和分離。電子顯微鏡則主要使用電磁球差校正器來消除透鏡球差。

●電磁透鏡的構造及其工作原理

掃描電鏡使用高能電子束作為光源，若使用光學透鏡對電子束進行會聚，結果是損耗大、工藝煩瑣、效果極差。一個軸對稱的均勻彎曲磁場可對電子束產生更好的折射效果，而且操控簡單、效果優異，是對電子束進行會聚的主要方式。由于類似于光學透鏡對光線的會聚，且該磁場是利用電流通過繞制在軟磁材料上的銅線圈來產生的，故而命名為電磁透鏡。

電磁透鏡的構造是將一個軸對稱螺旋繞制的銅芯線圈置于一個由軟磁材料（具備順磁性，純鐵或低碳鋼）制成的，具有內環間隙的殼子里，如圖1.17所示。內部插入磁導率更高的錐形環狀極靴，如圖1.18（a）所示。該構造可以使磁場強度、均勻性、對稱性得到極大提升，從而在較小空間獲得更大的電磁折射率來提升磁透鏡的會聚效果，使掃描電鏡可以獲得尺寸極小的電子束斑，擁有遠大于光學顯微鏡的放大倍率。透鏡的實物如圖1.18（b）所示。

電磁透鏡的工作過程如下：當電流通過銅芯線圈時，將產生一個以線圈軸中心對稱分布的閉環磁場，電子在穿越磁場時因切割磁力線而受洛侖茲力作用發生向心的偏轉折射，該偏轉方向和電子運行方向疊加后使得電子在磁場中沿圓錐螺旋曲線軌跡運行，如圖1.19所示，最終使電子束從磁場另一端飛出后被重新會聚，其軌跡如圖1.20所示。類似于光學透鏡中的光線會聚，電磁場對電子束起到透鏡的作用。改變線圈電流的大小，可以改變電磁透鏡對電子束的折射率。電子顯微鏡通過對透鏡電流的調節可無級變換電磁透鏡的焦點位置，達成改變整個透鏡系統放大倍率的目的。任何一級透鏡可在需要時打開，不用時關閉，如此更易于儀器的調整。

既然電子顯微鏡與光學顯微鏡的成像方式基本類似，那么在光學透鏡的成像過程中存在的像差，在電磁透鏡的成像過程中也同樣存在，只是像差的嚴重程度及解決方式不一樣。解決了像差，對掃描電鏡和透射電鏡的成像效果影響也不一樣，下面將就此進行詳細探討。

電子顯微鏡使用高能電子束和電磁透鏡，相對于光學顯微鏡，電子顯微鏡形成的像差要小很多。然而，解決了像差也會對電子顯微鏡的測試結果產生負面影響，例如，電子束會聚得更小將帶來更嚴重的樣品熱損傷，增大立體角在掃描電鏡測試時會增加電子信號在樣品中的擴散范圍，使用單色器會導致信號能量衰減。這些負面影響是否會超過解決像差所帶來的正面效果？這就存在著量變到質變中對“度”的把握這樣一個辯證的問題。

對光學顯微鏡而言，由于像差較大，顯然解決像差帶來的正面效果要更大一些，所以光學顯微鏡配制了大量消除像差的組件。電子顯微鏡呢？目前僅在場發射透射電鏡中應用了球差校正器，在觀察高分辨像時，球差校正器起著極為明顯的作用，掃描電鏡中卻并未使用這樣的校正器。這與兩種電子顯微鏡所針對的樣品以及所獲取的樣品信息特性有關。透射電鏡觀察的是超薄樣品，厚度僅幾十納米，樣品中的信息擴散基本可忽略不計，同時電子束和樣品之間的熱轉換也不如掃描電鏡充分。因此，在消除球差時的負面影響相對于掃描電鏡來說要小很多。

透鏡球差的改善會帶來兩個結果：束流密度和立體角的增加。束流密度的增加會使信息激發區縮小的同時增加信號強度，這對獲得高分辨像有利；電子束立體角的增加將擴大散射電子的散射角，有利于提高圖像的Z襯度，這正是形成高分辨STEM像所需要的條件。解決球差所帶來的結果對形成透射電鏡高分辨像基本都是有利因素，因此球差校正對透射電鏡提高分辨力的效果十分明顯。

實踐證明，電磁透鏡的球差遠低于光學透鏡的球差，因此消除球差可以在一定范圍內對結果產生正影響。例如在對小于1nm的細節（特別是小于0.1nm的細節）的分辨上，消除球差的效果尤為明顯，而對大于1nm的細節的分辨，這種改善效果會差很多，因為電磁透鏡的球差極小，對這些形貌細節的影響也就十分有限。球差校正也要以電子槍亮度足夠大為基礎，還未見到在熱發射電子槍上加裝球差校正的應用。電子槍亮度太小，再好的球差校正也毫無意義。

掃描電鏡所觀察的樣品相對電子束來說可視為無窮厚，電子束射入樣品所引起的信號擴散較大。使用的電子信息是溢出樣品表面的二次電子和背散射電子，改變電子束立體角對其溢出范圍的影響不可忽略。掃描電鏡一般無法分辨小于1nm的細節（2.3節將詳細探討），球差校正對掃描電鏡的改善效果有限，因此，目前也沒有球差校正應用于掃描電鏡。球差校正器是使用多極子校正裝置產生的磁場對電子束做一個補償散射（如同凹透鏡對光線的散射），來消除聚光鏡邊緣所引起的球差，其結構如圖1.21所示。

電子顯微鏡減少色差主要依靠單色器。其原理是將電子束按照能量進行分離，然后選取某個能量段的電子束，由此降低電子束的能量差，也就是色差。其缺點是電子束強度會隨著色差的改善而同步降低，這就要求樣品本身能產生充足的信息，信號接收器的接收效果也要得到相應的提升。目前單色器主要被用于高端的熱場發射掃描電鏡，冷場發射電子槍的電子束本身的色差很小，添加單色器對色差的改善效果不大，而負面影響（束流的衰減）可能更大，故冷場發射掃描電鏡未見使用單色器。安裝單色器僅是對色差較大的光源進行純化，很難使被純化的光源的品質（本征亮度）有很大的提升。

（3）真空系統

電子顯微鏡使用高能電子束作為光源。高能電子束在運行過程中極易受到氣體分子干擾，造成電子束出現能量衰減、束斑彌散等現象。電鏡鏡筒的真空度不高，將極大地削弱電子束的發射亮度，使樣品中電子信息的溢出范圍增大、溢出量減弱、均勻性變差、雜散信息增加。同時氣體分子的存在將會對探頭接收樣品的電子信息產生干擾，削弱探頭的接收能力，并造成鏡筒的污染。以上這些都會直接影響電子顯微鏡的性能，導致儀器的分辨力下降。

要維持電子顯微鏡的高分辨工作狀態，就必須減少鏡筒中的氣體分子，即保證鏡筒處于高真空狀態。可以說鏡筒高真空是電鏡高分辨的最基本保證之一，沒有高真空就無法獲得電子顯微鏡的高分辨圖像。維持電子顯微鏡的高真空，要做好以下幾點：真空泵的性能要足夠強；管路要充分密封；盡可能減少由樣品帶入各種易揮發的污染物。第3章將詳細介紹如何減少由樣品帶入的污染物，本節將主要對各種真空泵做一個簡單的介紹。

真空泵是制造及維持電子顯微鏡真空環境最關鍵的部件。依據鏡筒各部位對真空度的不同需求，所選用的真空泵也不相同。同時各類真空泵對工作環境真空度的需求也不相同。這些不同的需求使得電子顯微鏡真空系統的設計理念必須是將不同類型的真空泵，依據儀器的真空度需求和各類真空泵對工作環境的真空度需求進行合理的搭配。

組成電子顯微鏡真空系統的真空泵主要有以下幾種：機械泵、擴散泵、渦輪分子泵、離子泵。

●機械泵

機械泵是最早出現，同時也是最成熟的真空泵。其結構簡單、性能穩定、價格低廉、使用壽命長，產生的真空度較低（從標準大氣壓到10-3Pa）。因此作為制造電子顯微鏡低真空環境，以及制造高真空體系中前級真空環境的泵機，幾乎被所有類型的電子顯微鏡所使用。對油氣污染有特殊要求的電子顯微鏡使用隔膜泵來替代機械泵。但隔膜泵結構較復雜、易出故障、價格較昂貴、壽命較短、噪聲較大，因此沒有被廣泛應用。機械泵的實物和結構如圖1.22所示，主要包含圓柱空腔定子、偏心轉子、旋片、彈簧、定蓋和排氣閥等零件。

機械泵的工作過程如下：偏心轉子的頂端始終保持與圓柱空腔定子內腔接觸，形成定蓋。轉子旋轉時，始終沿定子內壁滑動；轉子開有兩個滑槽，分別安裝一個旋片，兩個旋片中間安裝一個彈簧，當旋片隨轉子旋轉時，借助彈簧張力和轉子的離心力，使兩旋片緊貼在定子內壁滑動。兩個旋片把轉子、定子內腔和定蓋所圍成的月牙形空間分隔成A、B、C這3個部分，分別叫作吸氣腔、壓縮腔和排氣腔。

當轉子按圖示的逆時針方向旋轉時，與進氣口相通的空間A的容積增大、壓強降低，當空間內的壓強低于被抽容器內的壓強，依據氣體壓強平衡原理，容器中的氣體將不斷地被抽進吸氣腔（A）；同時與排氣口相通的排氣腔（C）容積減小、壓強升高，當氣體的壓強大于排氣口的大氣壓強時，排氣閥打開，排氣腔氣體被排至大氣中。壓縮腔（B）中的氣體被兩個旋片密封送往排氣口。每次旋片越過定蓋，壓縮腔將轉變為排氣腔，同時形成新的吸氣腔和壓縮腔。

隨著這3個腔室循環往復地轉變，容器中的氣體由吸氣腔轉入壓縮腔，再轉入排氣腔，最后由排氣口排出。容器中的氣體被抽出后，容器也逐漸進入真空狀態。在氣體由排氣腔轉入吸氣腔時，吸氣腔并不處于完全真空狀態，而是存在一定的真空度，這就使容器中的真空在達到一定程度之后，將很難與吸氣腔的真空維持壓差。此時機械泵就無法將容器中的真空度進一步提升，從而出現一個真空極限。該極限值大約為10-3Pa。

電子顯微鏡想要獲取更高的真空度就需要依靠擴散泵、渦輪分子泵、離子泵等高真空泵機。

●擴散泵和渦輪分子泵

早期電子顯微鏡的高真空度主要依賴擴散泵來實現。擴散泵主要使用高速油氣分子來制造真空，因此也叫油泵，其結構如圖1.23所示。

擴散泵的工作原理如下：將特制的泵油加熱，然后讓油蒸氣從傘形噴嘴高速噴出，將射流下方的氣體向下擠壓，形成射流層上下的壓力差；射流上方的被抽氣體因壓差向油蒸氣射流中擴散并被射流攜帶到帶有水冷管的泵壁處，大部分油蒸氣被冷凝成油滴沿泵壁流回到油箱中循環使用，而被抽氣體被下級射流逐級壓縮，最后被前級泵（機械泵）抽走。擴散泵可將容器真空度提升到10-6Pa，將機械泵的真空度提升了3個數量級，但是它具有油污染和抽氣速率小等缺點。因此逐漸被更清潔、獲取真空度更高且速度更快的渦輪分子泵所替代。

渦輪分子泵可將容器真空度在很短的時間內從10-2Pa提升到10-7Pa，極限值可達10-9Pa。渦輪分子泵的結構如圖1.24所示。

高速旋轉的葉片帶動氣體分子做定向運動，只要把葉片角度設計合適，高速旋轉的葉片就會將氣體分子向下帶向排氣口，由位于排氣口的前級泵，也就是機械泵將氣體分子排向大氣。

●離子泵

離子泵的基本原理是利用陰極放電使氣體分子電離形成氣體離子。氣體離子撞擊金屬（鈦）制作的陰極，在腔體的內壁形成活性膜，吸附容器中的氣體分子以達成提升容器真空度的目的。

離子泵的實物、結構及工作原理如圖1.25所示。

離子泵的工作過程如下：首先是潘寧放電，在間距極小的陰、陽極板間施加高電壓，使極板間的電場強度非常大；在與之平行的磁場輔助下，電子以螺旋線的軌跡高速運動，以增加電子運動行程，從而大大提高了電子與氣體分子碰撞的概率；碰撞將產生陽離子和二次電子，連鎖反應將提高離子和電子的產量；緊接著是氣體吸附過程，陽離子以很大的能量沖擊陰極（鈦板），產生強烈的濺射，大量的鈦原子被轟擊出來，沉積在陽極筒壁上和陰極板上遭受離子轟擊較弱的區域，形成新鮮的鈦膜吸附活性氣體，惰性氣體則在陰極濺射不強烈的區域被掩埋。由此將減少容器中的氣體分子，提升容器的真空度。

從離子泵的工作原理可知，離子泵是一個需要在真空環境下工作的真空泵，否則將降低其使用壽命。當真空度處于10-3Pa或更低時應該關閉離子泵。只有在真空度高于10-4Pa時，才能啟動離子泵。離子泵可將容器真空度提升到10-9Pa以上，是超高真空的利器，被廣泛地用于高分辨場發射掃描電鏡的真空系統中。

掃描電鏡真空系統需要依據電鏡對真空度的需求進行設計。鎢燈絲掃描電鏡因電子槍亮度對分辨力的限制，配置性能過高的真空系統并不經濟，故只需配置機械泵和渦輪分子泵（早期為擴散泵）即可滿足需求。場發射掃描電鏡的超高分辨對鏡筒的真空度有更高的要求，通常需要在鏡筒位置配置兩個以上的離子泵，以保證電子槍和鏡筒處于10-7Pa以上的真空度。冷場發射掃描電鏡對真空度要求更高，一般配置3臺離子泵。日立Regulus8200系列冷場發射掃描電鏡還在電子槍附近加裝化學吸附泵，進一步提升電子槍真空度，以保證電子槍能夠進行較長時間的穩定工作。

2.電氣部分

掃描電鏡的電氣部分主要具有兩大功能：一個是給鏡筒內的各個功能部件（電子槍、各類透鏡、探頭以及真空系統等）提供工作電源（電壓）；另一個就是接收和處理樣品的各種表面形貌信息（主要是二次電子、背散射電子），形成表面的微觀形貌像。電氣部分包含了針對鏡筒各功能部件用電特性所設計的各種專用電路板和電源線路板，將市電轉換成電鏡專用的電源電壓，對電鏡的各個功能部件進行調整，以形成激發樣品信息的電子探針。由探頭、信息處理系統、信號放大系統以及顯示器所組成的信息接收及處理系統，成為電氣部分的另外一個組成部分，將樣品信息以圖像的形式呈現出來。

各廠家在設計線路板以及用于處理信息的軟件時，都充分體現了各自的特點，故要想充分了解，必須閱讀各廠家的使用說明書，在此很難一一復述。但在探頭設計方面，特別是對二次電子探頭的設計，其基本架構和探頭可獲取的信息卻相差無幾。目前主流觀點對探頭的認識過于簡單，容易形成一些認識偏差。

本節將重點討論二次電子探頭和背散射電子探頭的基本結構和所獲得的表面形貌信息的特性。

（1）二次電子探頭的組成及工作原理

二次電子能量較弱（低于50eV），要想充分獲取二次電子信息就必須使用高靈敏探頭。利用敏感度極強的熒光材料接收弱信號，再以光電倍增管對弱信號進行放大，將能量極弱的二次電子信息轉換為能被電子線路處理的電信號，這種設計模式是目前解決這一難題的最佳方案。二次電子探頭也正是基于這個思路來設計的。由收集極、閃爍體、光導管、光電倍增管和前置放大電路組成的探測器被稱為埃弗哈特-索恩利（Everhart-Thornley）探測器，一直以來都是各電鏡廠家用于接收二次電子的主流探測器，其結構如圖1.26所示。

位于探頭最前端的收集極由金屬網構成。略高于200V的正偏壓負載在收集極上以協助捕獲更多的二次電子。進入收集極的二次電子被加載在閃爍體金屬鋁膜上的10kV電壓加速，在閃爍體上產生一定數量的光子。閃爍體產生的光子經光導管全反射導入光電倍增管陰極，由陰極轉換成電子。這些電子被光電倍增管的倍增極不斷倍增，由陽極輸出高增益、低噪聲的電信號。緊貼陽極的前置放大電路將這些電信號放大后輸出。

二次電子探頭本身是無法從低能量的二次電子中將到達探測器的高能量背散射電子給分離出來的。但可通過改變收集極偏壓，將低能量的二次電子阻隔在探頭之外。在探頭收集極上加載負偏壓，則探頭獲得的信號為背散射電子信號。這種情況下，圖像信號衰減較多，質量較差。

綜合上述的探討，可得出如下結論，由二次電子探頭采集樣品電子信息所獲得的形貌像，其特性取決于到達探頭的電子信息中不同電子的比例。電子信息中二次電子比例大，圖像就偏向二次電子圖像的特性，背散射電子比例大則圖像偏向背散射電子的圖像特性。

（2）背散射電子探頭的構造及工作原理

經典的背散射電子探頭使用環狀硅基材料，探頭的主要部件是硅面壘探測器或金-硅面壘探測器，由肖特基二極管或PN結二極管組成，如圖1.27所示。

硅基材料形成電子-空穴對，只有具備一定能量的電子才能激發電子-空穴對。能量較高的背散射電子可在探測器中激發大量的電子-空穴對，同樣的加速電壓下，電子-空穴對的產量和背散射電子強度具有一定的對應關系，由此形成對應的電信號，經放大處理后在顯示器上形成樣品的背散射電子圖像。圖像特性是Z襯度、晶粒取向襯度較突出，但細節缺失嚴重。能量較小的二次電子很難激發電子-空穴對，被自然地排除在探測器之外。因此由該探頭所獲得的圖像帶有強烈的背散射電子圖像特性。

為了獲取低能量的背散射電子信息，背散射電子探頭可以改用YAG（Yttrium Aluminum Garnet，釔鋁石榴子石）晶體，或在探頭上涂敷一層薄膜，如FEI公司的T₁探頭和CBS（Circular Backscattered，環形背散射）探頭，這些改變都對探頭獲取低能量背散射電子有利，形成的圖像細節更豐富。不過探頭靈敏度提高了，二次電子等低能量電子的干擾也會增多，Z襯度也會相應被削弱。因此可以說，辯證關系無處不在，適度選擇才是最佳的標準。

1.2.2 掃描電鏡的工作原理

對照圖1.5，掃描電鏡的工作原理（方式）如下：三級電子槍產生的高能電子束，經聚光鏡系統會聚、消像散線圈校正后由物鏡將其會聚于樣品表面形成電子探針；電子探針將激發出樣品中的各種信息，其中溢出樣品表面的背散射電子、二次電子及特征X射線是形成樣品表面形貌像，并對其進行形貌微區成分及結構取向分析（元素分布及含量、晶體取向、應力等）的主要信號源。

這些樣品信息由安裝在鏡筒和樣品倉內的各類探頭接收，形成與表面形貌信息相對應的電子信號，經各種專用軟件分析、處理，形成樣品形貌像和成分像的一個像素點。如果電子束固定不動，則只可獲得該像素點的信息。想要獲取樣品的整個表面形貌信息，就必須利用掃描線圈產生的交變磁場，拖動電子束在樣品表面來回掃描，將樣品表面形貌的各點信息激發出來，由探頭接收并組成完整的形貌像，完成掃描電鏡成像的整個工作過程。

在形成形貌像的同時，掃描電鏡還可以利用裝載在樣品倉的分析附件，如能譜探頭和EBSD探頭，獲取由樣品表面溢出的背散射電子和特征X射線等信息，進行形貌微區的元素定性、半定量、特定元素的區域定量、元素區域分布（Mapping）狀況等分析。也可對晶體樣品進行形貌微區的結構、取向、應力及這些信息的區域分布狀況等分析。

工作距離（WD）的選擇對形成掃描電鏡表面形貌像來說極為關鍵，因為它是調控掃描電鏡各探頭獲取溢出樣品表面的各種電子信息和特征X射線的基礎。工作距離往往容易和掃描電鏡焦距的概念混淆：工作距離是指物鏡下邊緣到樣品上表面的距離；焦距（f）是物鏡電磁透鏡的中心點到樣品的距離。由于兩者差距極小，故在實際操作中也可將工作距離近似認為就是掃描電鏡的焦距。在掃描電鏡測試過程中，探頭到底能獲取怎樣的樣品信息，形成的形貌像有怎樣的特點，與工作距離的選擇關聯性極大。關于這一點卻常被大家所忽視，使獲取的形貌像信息不充分甚至出現假象，4.2節中將給出詳細的探討。

前文介紹了掃描電鏡的定義及工作原理，下一章將詳細探討與掃描電鏡相關的理論知識。