掃描電鏡簡介

電子源發射的電子束經過電磁透鏡的電子光學通路聚焦，電子源的直徑被縮小到納米尺度的電子束斑，與顯示器掃描同步的電子光學鏡筒中的掃描線圈控制電子束，在樣品表面一定微小區域內，逐點逐行掃描。電子束與樣品相互作用，從樣品中發射的具有成像反差的信號，由一個適當的圖像探測器逐點收集，并將信號經過前置放大器和視頻放大器,用調制解調電路調制顯示器上相對應顯示像素的亮度，形成我們人類觀察習慣的，反映樣品二維形貌的圖像或者其他可以理解的反差機制圖像。由于圖像顯示器的像素尺寸遠遠大于電子束斑尺寸，（0.1mm/1nm=100,000倍）而且顯示器的像素尺寸小于等于人類肉眼通常的分辨率，這樣顯示器上的圖像相當于把樣品上相應的微小區域進行了放大。通過調節掃描線圈偏轉磁場，可以控制電子束在樣品表面掃描區域的大小，理論上掃描區域可以無限小，但可以顯示的圖像有效放大倍數的限度是掃描電鏡分辨率的限度。
模擬圖像掃描系統：樣品上每個像素模擬信號直接調制陰極射線管對應顯示像素的亮度，由于生成一幅高質量圖像一般需要數秒或者數十秒/幀，所以模擬電鏡使用慢余輝顯像管終端顯示一幅活圖像，為了便于在顯像管上觀察圖像，需要暗室，操作者可按照一定規程調整儀器參數，如圖像聚焦，移動樣品臺搜索感興趣區域，調節放大倍數，亮度對比度，消象散等從而獲得最佳的圖像質量。模擬圖像輸出采用高分辨照相管，用單反相機直接逐點記錄在膠片上，然后沖洗相片。自1985年以來，模擬圖像電鏡已經被數字電鏡取代。
數字圖像掃描系統：樣品上每個像素發出的成像信號，被圖像探測器探測器后，經過前置放大器，和視頻放大器放大，直接進行信號數字化，然后存儲在圖像采集卡的幀存器，形成數字圖像數據，圖像數據可被電鏡操作軟件讀取，操作者在圖形交互界面（GUI)上對圖像進行調整控制，并把調整好的數字圖像存儲在計算機中硬盤中。
模擬控制是控制信號不經過計算機軟件,直接由操作臺按鍵旋鈕等對執行機構進行控制,屬于人工手動控制,控制精度由操作者觀察儀表盤的變化決定.例如高壓電源,掃描線圈,探測器電源,電子槍控制，磁透鏡控制,樣品臺的運動控制等等。
數字控制是所有控制指令輸入到交互控制軟件,然后由計算機對執行機構發出精確的數字指令.絕大部掃描電鏡參數可實現了軟件自動調整，如自動聚焦，亮度對比度，自動消象散，自動電子槍發射飽和，自動電子槍對中，自動物鏡光闌合軸等。如果掃描電鏡所檢測的是同一類形狀和材質的樣品，那么程序自動控制可以實現不需要操作人員的任何干預，從而獲得最佳圖像質量，這在半導體芯片制造流水線早已普遍使用。由于實驗室掃描電鏡所面臨的樣品形狀材質種類較多，從成像機理上差別很大，程序控制往往不盡如人意，獲得好的圖像質量，往往需要操作者對電鏡參數進行調整干預，調整后的電鏡工作參數，可以保存成可執行控制文件，隨時供今后分析同一類型樣品時調用。

 隨著電子技術和計算機技術的發展，不僅實現了數字化圖像，而且電鏡所有的功能都已經實現了數字化控制。現代掃描電鏡電器控制系統高度集成化， 掃描電鏡結構越來越緊湊，自動化功能越來越高，極大改善了人機操作環境。      

掃描電子顯微鏡用途簡述

最基本的功能是對各種固體樣品表面進行高分辨形貌觀察。大景深圖像是掃描電鏡觀察的特色，例如：生物學，植物學，地質學，冶金學等等。觀察可以是一個樣品的表面，也可以是一個切開的面，或是一個斷面。冶金學家已興奮地直接看到原始的或磨損的表面。可以很方便地研究氧化物表面，晶體的生長或腐蝕的缺陷。它一方面可更直接地檢查紙，紡織品，自然的或制備過的木頭的細微結構，生物學家可用它研究小的易碎樣品的結構。例如：花粉顆粒，硅藻和昆蟲。另一方面，它可以拍出與樣品表面相應的立體感強的照片。

 在掃描電鏡應用中，很多集中在半導體器件和集成電路方面，它可以很詳細地檢查器件工作時局部表面電壓變化的實際情況，這是因為這種變化會帶來象的反差的變化。焊接開裂和腐蝕表面的細節或相互關系可以很容易地觀察到。利用束感生電流，可以觀測半導體P—N結內部缺陷。

電子束與樣品作用區內，還發射與樣品物質其他性質有關信號。例如：與樣品化學成分分布相關的，背散射電子，特征X射線，俄歇電子，陰極熒光，樣品吸收電流等；與樣品晶體結構相關的，背散射電子衍射現象的探測；與半導體材料電學性能相關的，二次電子信號、電子束感生電流信號；在觀察薄樣品時產生的透射電子信號等。目前分別有商品化的探測器和裝置可安裝在掃描電鏡樣品分析室，用于探測和定性定量分析樣品物質的相關信息。
掃描電子顯微鏡對于固體材料的研究應用非常廣泛，沒有任何一種儀器能夠和其相提并論。對于固體材料的全面特征的描述，掃描電子顯微鏡是至關重要的。
 
具體功能用途歸納如下：

1、掃描電鏡追求固體物質高分辨的形貌，形態圖像（二次電子探測器SEI)-形貌分析(表面幾何形態，形狀，尺寸）

2、顯示化學成分的空間變化，基于化學成分的相鑒定---化學成分像分布，微區化學成分分析

1)  用x射線能譜儀或波譜（EDS or WDS）采集特征x射線信號，生成與樣品形貌相對應的，元素面分布圖或者進行定點化學成分定性定量分析，相鑒定。
2）利用背散射電子BSE）基于平均原子序數(一般和相對密度相關）反差，生成化學成分相的分布圖像；
3）利用陰極熒光，基于某些痕量元素（如過渡金屬元素，稀土元素等）受電子束激發的光強反差，生成的痕量元素分布圖像。
4）利用樣品電流，基于平均原子序數反差，生成的化學成分相的分布圖像，該圖像與背散射電子圖像亮暗相反。
5）利用俄歇電子，對樣品物質表面1nm表層進行化學元素分布的定性定理分析，

3、在半導體器件（IC)研究中的特殊應用：
1）利用電子束感生電流EBIC進行成像，可以用來進行集成電路中pn結的定位和損傷研究
2）利用樣品電流成像，結果可顯示電路中金屬層的開、短路，因此電阻襯度像經常用來檢查金屬布線層、多晶連線層、金屬到硅的測試圖形和薄膜電阻的導電形式。
3）利用二次電子電位反差像，反映了樣品表面的電位，從它上面可以看出樣品表面各處電位的高低及分布情況，特別是對于器件的隱開路或隱短路部位的確定尤為方便。

4、利用背散射電子衍射信號對樣品物質進行晶體結構（原子在晶體中的排列方式），晶體取向分布分析，基于晶體結構的相鑒定。

以上是掃描電子顯微鏡的主要功能。同時掃描電子顯微鏡還可以作為顯微操作平臺，可接配納米機械手、微機械探針、接配離子槍等裝置，進行離子切割加工，納米操作，微區尺度物理化學性質測量；為適應材料的動態觀察和材料所處環境，可配置特殊樣品臺，如機械拉伸臺、高溫樣品臺、低溫樣品臺，樣品分析室充入可與樣品發生物理化學反應的特殊氣體。