掃描電鏡由電子光學(xué)系統(tǒng),信號(hào)收集及顯示系統(tǒng),真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。
(以下提到掃描電子顯微鏡之處,均用SEM代替)
一、真空電源
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(lái)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(lèi),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。
二、光學(xué)系統(tǒng)
電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍?zhuān)姶磐哥R,掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來(lái)獲得掃描電子束,作為產(chǎn)生物理信號(hào)的激發(fā)源。為了獲得較高的信號(hào)強(qiáng)度和圖像分辨率,掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。
<1>電子槍
其作用是利用陰極與陽(yáng)極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束。目前大多數(shù)掃描電鏡采用熱陰極電子槍。其優(yōu)點(diǎn)是燈絲價(jià)格較便宜,對(duì)真空度要求不高,缺點(diǎn)是鎢絲熱電子發(fā)射效率低,發(fā)射源直徑較大,即使經(jīng)過(guò)二級(jí)或三級(jí)聚光鏡,在樣品表面上的電子束斑直徑也在5-7nm,因此儀器分辨率受到限制。現(xiàn)在,高等級(jí)掃描電鏡采用六硼化鑭(LaB6)或場(chǎng)發(fā)射電子槍?zhuān)苟坞娮酉竦姆直媛蔬_(dá)到2nm。但這種電子槍要求很高的真空度。
<2>電磁透鏡
其作用主要是把電子槍的束斑逐漸縮小,是原來(lái)直徑約為50m m的束斑縮小成一個(gè)只有數(shù)nm的細(xì)小束斑。其工作原理與透射電鏡中的電磁透鏡相同。 掃描電鏡一般有三個(gè)聚光鏡,前兩個(gè)透鏡是強(qiáng)透鏡,用來(lái)縮小電子束光斑尺寸。第三個(gè)聚光鏡是弱透鏡,具有較長(zhǎng)的焦距,在該透鏡下方放置樣品可避免磁場(chǎng)對(duì)二次電子軌跡的干擾。
<3>掃描線圈
其作用是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上的同步掃描信號(hào)。改變?nèi)肷潆娮邮跇悠繁砻鎾呙枵穹?,以獲得所需放大倍率的掃描像。掃描線圈試掃描點(diǎn)晶的一個(gè)重要組件,它一般放在最后二透鏡之間,也有的放在末級(jí)透鏡的空間內(nèi)。
<4>樣品室
樣品室中主要部件是樣品臺(tái)。它出能進(jìn)行三維空間的移動(dòng),還能傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng),樣品臺(tái)移動(dòng)范圍一般可達(dá)40毫米,傾斜范圍至少在50度左右,轉(zhuǎn)動(dòng)360度。 樣品室中還要安置各種型號(hào)檢測(cè)器。信號(hào)的收集效率和相應(yīng)檢測(cè)器的安放位置有很大關(guān)系。樣品臺(tái)還可以帶有多種附件,例如樣品在樣品臺(tái)上加熱,冷卻或拉伸,可進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察。為適應(yīng)斷口實(shí)物等大零件的需要,還開(kāi)發(fā)了可放置尺寸在Φ125mm以上的大樣品臺(tái)。
三、放大系統(tǒng)
其作用是檢測(cè)樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號(hào),然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)。不同的物理信號(hào)需要不同類(lèi)型的檢測(cè)系統(tǒng),大致可分為三類(lèi):電子檢測(cè)器,陰極熒光檢測(cè)器和X射線檢測(cè)器。 在掃描電子顯微鏡中普遍使用的是電子檢測(cè)器,它由閃爍體,光導(dǎo)管和光電倍增器所組成。
當(dāng)信號(hào)電子進(jìn)入閃爍體時(shí)將引起電離;當(dāng)離子與自由電子復(fù)合時(shí)產(chǎn)生可見(jiàn)光。光子沿著沒(méi)有吸收的光導(dǎo)管傳送到光電倍增器進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)輸出,電流信號(hào)經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號(hào)。這種檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是在很寬的信號(hào)范圍內(nèi)具有正比與原始信號(hào)的輸出,具有很寬的頻帶(10Hz-1MHz)和高的增益(105-106),而且噪音很小。
由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描,熒光屏上的亮度是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)調(diào)制的,而由檢測(cè)器接收的信號(hào)強(qiáng)度隨樣品表面狀況不同而變化,那么由信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出的反營(yíng)養(yǎng)品表面狀態(tài)的調(diào)制信號(hào)在圖像顯示和記錄系統(tǒng)中就轉(zhuǎn)換成一幅與樣品表面特征一致的放大的掃描像。