掃描電鏡(SEM)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，濃縮了電子光學(xué)技術(shù)、真空技術(shù)、精細(xì)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。成像是采用二次電子或背散射電子等工作方式，隨著掃描電鏡的發(fā)展和應(yīng)用的拓展，相繼發(fā)展了宏觀斷口學(xué)和顯微斷口學(xué)。

掃描電鏡的原理

　　掃描電鏡是在加速高壓作用下將電子槍發(fā)射的電子經(jīng)過(guò)多級(jí)電磁透鏡匯集成細(xì)小(直徑一般為1~5nm)的電子束(相應(yīng)束流為10^-11~10^-12A)。在末級(jí)透鏡上方掃描線圈的作用下，使電子束在試樣表面做光柵掃描(行掃+幀掃)。入射電子與試樣相互作用會(huì)產(chǎn)生二次電子、背散射電子、X射線等各種信息。這些信息的二維強(qiáng)度分布隨著試樣表面的特征而變(這些特征有表面形貌、成分、晶體取向、電磁特性等等)，將各種探測(cè)器收集到的信息按順序、成比率地轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)，再傳送到同步掃描的顯像管并調(diào)制其亮度，就可以得到一個(gè)反應(yīng)試樣表面狀況的掃描圖像。如果將探測(cè)器接收到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理即轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，就可以由計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步的處理和存儲(chǔ)。

　　掃描電鏡主要是針對(duì)具有高低差較大、粗糙不平的厚塊試樣進(jìn)行觀察，因而在設(shè)計(jì)上突出了景深效果，一般用來(lái)分析斷口以及未經(jīng)人工處理的自然表面。

掃描電鏡的組成結(jié)構(gòu)

　　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)。

　　一、掃描電鏡真空系統(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(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掃描電鏡，則需要機(jī)械泵加渦輪分子泵的組合。

　　掃描電鏡之所以要用真空，主要基于以下原因：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、掃描電鏡電子束系統(tǒng)

　　掃描電鏡電子束系統(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?zhuān)?/span>

　　掃描電鏡電子槍用于產(chǎn)生電子，主要有兩大類(lèi)，共三種。

　　一類(lèi)是利用場(chǎng)致發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生電子，稱(chēng)為場(chǎng)致發(fā)射電子槍。這種電子槍極其昂貴，在十萬(wàn)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(lèi)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)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(guò)度飽和和熱激發(fā)問(wèn)題。

　　電磁透鏡：

　　掃描電鏡熱發(fā)射電子需要電磁透鏡來(lái)成束，所以在用熱發(fā)射電子槍的掃描電鏡上，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(wú)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、掃描電鏡成像系統(tǒng)

　　電子經(jīng)過(guò)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、歐革電子以及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(lái)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。

掃描電鏡的用途

　　通過(guò)樣品中的電子激發(fā)出的各種信號(hào)，掃描電鏡可以做出電子圖像分析，如可利用二次電子進(jìn)行樣品表面形貌及結(jié)構(gòu)分析的分析;以兩片探測(cè)器信號(hào)做積分運(yùn)算，通過(guò)背散射電子可以分析樣品表面成分像，以兩片探測(cè)器信號(hào)做微分運(yùn)算時(shí)，則可用于樣品表面形貌像德分析;此外，通過(guò)透射電子則可對(duì)析晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及晶格信息進(jìn)行分析。

　　掃描電鏡的用途很廣，除了能做電子圖像分析以外，配上其它一些配套設(shè)備，還可做顯微化學(xué)成份分析，顯微晶體結(jié)構(gòu)分析，顯微陰極發(fā)光圖像分析，這更加擴(kuò)大的掃描電鏡的廣泛應(yīng)用度。常見(jiàn)的掃描電鏡配套設(shè)備主要有：x射線波譜儀、x射線能譜儀、結(jié)晶學(xué)分析儀、陰極發(fā)光圖像分析儀等。