一、分析信號

掃描電鏡

掃描電子顯微鏡的制造是依據電子與物質的相互作用。當一束高能的入射電子轟擊物質表面時，被激發的區域將產生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區域產生的電磁輻射。同時，也可產生電子-空穴對、晶格振動(聲子)、電子振蕩(等離子體)。原則上講，利用電子和物質的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質的信息，如形貌、組成、晶體結構、電子結構和內部電場或磁場等等。掃描電子顯微鏡正是根據上述不同信息產生的機理，采用不同的信息檢測器，使選擇檢測得以實現。如對二次電子、背散射電子的采集，可得到有關物質微觀形貌的信息;對X射線的采集，可得到物質化學成分的信息。

透射電鏡

根據德布羅意(De Broglie,20世紀法國科學家)提出的運動的微觀粒子具有波粒二象性的觀點，電子束流也具有波動性，而且電子波的波長比可見光要短得多(例如200千伏加速電壓下電子波波長為0、00251納米)，顯然，如果用電子束作光源制成的顯微鏡將具有比光學顯微鏡高得多的分辨能力。更重要的是，由于電子在電場中會受到電場力運動，以及運動的電子在磁場中會受到洛倫茲力的作用而發生偏轉，這使得使用科學手段使電子束聚焦和成像成為可能。

二、結構

掃描電鏡

1、鏡筒

鏡筒包括電子槍、聚光鏡、物鏡及掃描系統。其作用是產生很細的電子束(直徑約幾個nm)，并且使該電子束在樣品表面掃描，同時激發出各種信號。

2、電子信號的收集與處理系統

在樣品室中，掃描電子束與樣品發生相互作用后產生多種信號，其中包括二次電子、背散射電子、X射線、吸收電子、俄歇(Auger)電子等。在上述信號中，最主要的是二次電子，它是被入射電子所激發出來的樣品原子中的外層電子，產生于樣品表面以下幾nm至幾十nm的區域，其產生率主要取決于樣品的形貌和成分。通常所說的掃描電鏡像指的就是二次電子像，它是研究樣品表面形貌的最有用的電子信號。檢測二次電子的檢測器的探頭是一個閃爍體，當電子打到閃爍體上時，就在其中產生光，這種光被光導管傳送到光電倍增管，光信號即被轉變成電流信號，再經前置放大及視頻放大，電流信號轉變成電壓信號，最后被送到顯像管的柵極。

3、電子信號的顯示與記錄系統

掃描電鏡的圖象顯示在陰極射線管(顯像管)上，并由照相機拍照記錄。顯像管有兩個，一個用來觀察，分辨率較低，是長余輝的管子;另一個用來照相記錄，分辨率較高，是短余輝的管子

4、真空系統及電源系統

掃描電鏡的真空系統由機械泵與油擴散泵組成，其作用是使鏡筒內達到10的真空度。

電源系統供給各部件所需的特定的電源。

透射電鏡

1、電子光學部分

整個電子光學部分完全置于鏡筒之內，自上而下順序排列著電子槍、聚光鏡、樣品室、 物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏、照相機構等裝置。根據這些裝置的功能不同又可將電子光學部分分為照明系統、樣品室、成像系統及圖像觀察和記錄系統。

(1)照明系統

照明系統由電子槍、聚光鏡和相應的平移對中及傾斜調節裝置組成。它的作用是為成像系統提供一束亮度高、相干性好的照明光源。為滿足暗場成像的需要照明電子束可在2-3度范圍內傾斜。

①電子槍

它由陰極、柵極和陽極構成。在真空中通電加熱后使從陰極發射的電子獲得較高的動能形成定向高速電子流。

②聚光鏡

聚光鏡的作用是會聚從電子槍發射出來的電子束，控制照明孔徑角、電流密度和光斑尺寸。

(2)樣品室

樣品室中有樣品桿、樣品杯及樣品臺。

(3)成像系統

成像系統一般由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。物鏡的分辨本領決定了電鏡的分辨本領，中間鏡和投影鏡的作用是將來自物鏡的圖像進一步放大。

(4)圖像觀察與記錄系統

該系統由熒光屏、照相機、數據顯示等組成。

2、真空系統

真空系統由機械泵、油擴散泵、換向閥門、真空測量儀奉及真空管道組成。它的作用是排除鏡筒內氣體，使鏡筒真空度至少要在 托以上。如果真空度低的話，電子與氣體分子之間的碰撞引起散射而影響襯度，還會使電子柵極與陽極間高壓電離導致極間放電，殘余的氣體還會腐蝕燈絲，污染樣品。

3、供電控制系統

加速電壓和透鏡磁電流不穩定將會產生嚴重的色差及降低電鏡的分辨本領，所以加速電壓和透鏡電流的穩定度是衡量電鏡性能好壞的一個重要標準。

透射電鏡的電路主要由高壓直流電源、透鏡勵磁電源、偏轉器線圈電源、電子槍燈絲加熱電源，以及真空系統控制電路、真空泵電源、照相驅動裝置及自動曝光電路等部分組成。另外，許多高性能的電鏡上還裝備有掃描附件、能譜議、電子能量損失譜等儀器 。

三、功能

掃描電鏡

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。

透射電鏡

早期的透射電子顯微鏡功能主要是觀察樣品形貌，后來發展到可以通過電子衍射原位分析樣品的晶體結構。具有能將形貌和晶體結構原位觀察的兩個功能是其它結構分析儀器(如光鏡和X射線衍射儀)所不具備的。

透射電子顯微鏡增加附件后，其功能可以從原來的樣品內部組織形貌觀察(TEM)、原位的電子衍射分析(Diff)，發展到還可以進行原位的成分分析(能譜儀EDS、特征能量損失譜EELS)、表面形貌觀察(二次電子像SED、背散射電子像BED)和透射掃描像(STEM)。

結合樣品臺設計成高溫臺、低溫臺和拉伸臺，透射電子顯微鏡還可以在加熱狀態、低溫冷卻狀態和拉伸狀態下觀察樣品動態的組織結構、成分的變化，使得透射電子顯微鏡的功能進一步的拓寬。

透射電子顯微鏡功能的拓寬意味著一臺儀器在不更換樣品的情況下可以進行多種分析，尤其是可以針對同一微區位置進行形貌、晶體結構、成分(價態)的全面分析。

四、襯度原理

掃描電鏡

1、質厚襯度