電子顯微鏡從實驗室走向工業(yè)應(yīng)用，關(guān)鍵詞是高速和好用。 首款智能化全自動高速成像掃描電子束顯微鏡在北京下線，不僅對科研， 而且對工程應(yīng)用是利好消息，拓展了一條微觀世界探索之路。

本文介紹國產(chǎn)高速掃描電鏡（High Throughput SEM）是如何著眼于工業(yè)界應(yīng)用，歷經(jīng)更新?lián)Q代，滿足使用要求。主要從功能性能、重點部件、自主設(shè)計、使用操作、制造維護(hù)等五方面考慮，著重解釋首創(chuàng)的新一代物鏡概念和結(jié)構(gòu)，助力實現(xiàn)性能目標(biāo)，提供整體解決方案和應(yīng)用平臺。

一、性能上優(yōu)化升級

實驗室比較注重看到實驗的精細(xì)結(jié)果， 而工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)更看重速度和效率。 所以，高通量可列為第一指標(biāo)。速率以每秒成像Pixels數(shù)為標(biāo)志。常規(guī)電鏡大多是幾十M的量級。 國產(chǎn)工業(yè)電鏡成像速率突破100MPixels/s大關(guān)，刷新了該項技術(shù)性能指標(biāo)。 對于SE和BSE雙通道而言， 則達(dá)到200 MPixels/s。 想象一下，每秒采集200張高動態(tài)圖像，好比你手上的相機(jī)魔幻變成攝像機(jī)。高通量工業(yè)電鏡從只能觀測靜態(tài)圖像的相機(jī)變成了捕捉動態(tài)變化的攝像機(jī)。

實現(xiàn)高通量的原因是多方面的。 高通量化大數(shù)據(jù)采集，源自獨特的電子光學(xué)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計，保證高速采集樣品的電子信息，成像速度達(dá)到傳統(tǒng)掃描電鏡的近百倍。

高通量工業(yè)掃描電鏡的外觀如圖一所示。

圖一 高通量工業(yè)掃描電鏡外觀

二、器件上更新?lián)Q代

圖二表示工業(yè)掃描電鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要部件示意圖。為了實現(xiàn)高通量，從鏡筒到樣品臺，關(guān)鍵部件全方位采用了新一代設(shè)計和材料。更新周期還在縮短。

圖二 國產(chǎn)工業(yè)掃描電鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

鏡筒本身一反常規(guī)的“高大上”， 變成了“矮小細(xì)”。裝在機(jī)柜里是因為無需旋鈕，使用者伸出手指在觸屏和電腦上直接操作。

如圖所示，發(fā)射源是電鏡之首。電子槍采用肖特基熱場發(fā)射，束流大，定制的槍尖精細(xì)到納米級，以提高發(fā)射效率。

新一代物鏡在國產(chǎn)工業(yè)掃描電鏡中施展威風(fēng)。眾所周知，電鏡中物鏡起著承上啟下的重要作用。 但鮮為人知，從七十年代初至今四十余年間，高分辨大掃描場物鏡系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)代變革。之前的幾代是： MOL/ SOL/ BOL – VOIL/ SOIL – SORIL。平移物鏡MOL（moving objective lens）和搖擺物鏡SOL（swinging objective lens）及彎曲軸物鏡BOL(bent objective lens）可以說是平行的三種理念，均屬于VOL (variable axis objective lens)， 然后在結(jié)構(gòu)上發(fā)展到變軸浸沒式物鏡VOIL(variable objective immersion lens)，包含了MOIL和SOIL。在浸入物鏡大量使用后，又衍生出了擺動減速浸入物鏡SORIL （swing objective retarding immersion lens）的結(jié)構(gòu)。 如今，高分辨率大掃描場物鏡系統(tǒng)有著全新的設(shè)計思路，發(fā)展定格為新一代復(fù)合偏轉(zhuǎn)采集物鏡系統(tǒng)。

減速靜電透鏡輔助返回電子信號的采集，使更多的SE和BSE被收集，達(dá)到預(yù)期的高分辨率。因為對于非導(dǎo)體生物類樣本，需要避免電荷在樣本上的積累，不然會影響清晰度。 當(dāng)觀測生物類樣品時，初始電子離開電子光學(xué)鏡筒后，在物鏡和樣品之間減速，電子束處在低能狀態(tài)，便容易消除電荷效應(yīng)。

新一代復(fù)合偏轉(zhuǎn)采集物鏡系統(tǒng)集成了獨特的信號采集方式和結(jié)構(gòu)。創(chuàng)新的探測器成為關(guān)鍵器件。牽一發(fā)而動全身。從常規(guī)的閃爍體+ PMT更新?lián)Q代到同軸半導(dǎo)體型探測器，配合增益放大電路，收集電子效率大為提高。

在大視場范圍內(nèi)的圖像高分辨率，能滿足材料類、生物類樣品大面積觀察需求。 經(jīng)過理論上計算和實際的驗證，掃描大面積樣品時邊緣像差小，依然能聚焦，從而擴(kuò)大了可視范圍。