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电子显微镜概述（台版）
掃描式電子顯微鏡 (SEM)电子显微镜概述（台版）
掃描式電子顯微鏡最早是由德國人 Von Ardenne 在 1930 年發明，並於 1965 年正式在英國發售。掃描式電子顯微鏡的解像力是介於光學顯微鏡與穿透式電子顯微鏡之間，其成像原理是利用一束具有 5～30 KV 之電子束掃描試片的表面，並將表面產生之訊號 (包括二次電子、背向反射電子、吸收電子、X 射線等) 加以收集經放大處理後，輸入到同步掃描之陰極射線管 (CRT)，以顯現試片圖形之影像。
由於電子顯微鏡觀察需在高真空環境下進行，潮濕或易揮發之物質會妨礙高真空之維持，所以為了避免標本所含的水份、流質在高真空下揮發而影響觀察，所以必須先將樣品作固定、脫水等處理;一般採用臨界點乾燥法來作樣品的前處理，因為非導電性標本會因電荷累積於試片表面無法去除，產生排斥力，使電子束受到干擾無法進行觀察，同時為了避免標本在電子束掃描時因高溫而遭破壞及增加二次電子的產生來得到更清晰的影像，必須在標本的表面上覆蓋一層金屬或碳的薄膜。為了避免電子束在照射到標本表面之前與殘留的氣體分子相撞，所以掃描式電子顯微鏡必須保持在一定高真空度環境下。一般而言，電子顯微鏡必須維持在 10-4 至 10-6 Torr 的真空度內，真空度低會損傷燈絲 (鎢絲) 的正常使用壽命。
掃描式電子顯微鏡應用範圍非常之廣泛，也很普遍的使用在非導電性樣品的觀察上。如生物 (種子、花粉、細菌……) 醫學 (血球、病毒……)、動物 (大腸、絨毛、細胞、纖維……)、材料 (陶磁、高分子、粉末、環氧樹脂……)、化學、物理、地質、冶金、礦物、污泥 (桿菌)、機械、電機及導電性樣品如半導體 (IC、線寬量測、斷面、結構觀察……)、電子材料等。
主要附件有 EDX (化學元素定性、定量和分佈影像分析) 及 EBSD (背向散射電子繞射分析)。FEG-SEM，在光源和透鏡系統的改良有更佳的表面形貌影像分辨率，加上 EDX 可作微區成份分佈的分析，及 EBSD可由背散射菊池圖作微區晶體結構和晶相的分佈分析。另外，為避免對超高真空造成污染，樣品則不得為高揮發或磁性粉末材料。
穿透式電子顯微鏡 (TEM)
電子顯微鏡 (electron microscope，EM) 一般是指利用電磁場偏折、聚焦電子及電子與物質作用所產生散射之原理來研究物質構造及微細結構的精密儀器。近年來，由於電子光學的理論及應用發展迅速，此項定義已嫌狹窄，故重新定義其為一項利用電子與物質作用所產生之訊號來鑑定微區域晶體結構(crystal structure， CS) 、微細組織 (microstructure，MS) 、 化學成份(chemical compositioon，CC) 、 化學鍵結(chemical bonding，CB) 和電子分佈情況 (electronic structure，ES) 的電子光學裝置。一般之電子顯微鏡，係如電子穿過試片，經電磁透鏡系統的透鏡放大效應，而得高倍率的影像，此類電子顯微鏡為穿透式電子顯微鏡 (transmission electron microscope ，簡稱TEM)。
隨著材料科學的進步，微結構在材料本身的性質上影響甚鉅，因此欲瞭解材料本身的性質，就必須能夠有良好的顯微分析技術及工具。
一般光學顯微鏡，受限於光波長、像差等因素，放大被率有限，在基於更高倍率的需求，新的『顯微』設備便慢慢發展，電子顯微鏡就是其中之一，為一項利用電子與物質作用所產生之訊號來鑑定微區域結構、微細結構、化學成份、化學鍵結和電子分佈情況的電子光學裝置。
電子顯微鏡主要的用途即在辨明各種訊號以作晶體結構、微細組織、化學成份、化學鍵結和電子分佈情況分析。在材料科學上的應用，其中最顯著者有: (1)差排理論(dislocation theory) (2)機械性質(3)點缺陷(4)輻射損傷(radiation damage) (5)離子佈植(ion implantation)(6)相變化(7)動力學研究(kinetic studies)(8)表面層結構 (9)界面結構(10)電子元件製程控制與失效分析(11)磁性(12)像對比理論(13)非彈性散射理論(14)電子光學系統(15)表面位像 (surface topography)(16)微區域成份分析……。
因實際使用TEM時，其解像能之極限及整體之性能主要由電子槍之型態決定。其電子槍主要包括陰極和陽極兩部分，其中陰極即燈絲(Filament)當成電子源，而陽極則作為加速之用。
1.熱游離式(Thermionic Emission)：(JEOL JEM-2000 FXII LaB6 TEM)
熱游離發射即是利用加熱至高溫而使電子克服功函數(Work-Function)而脫離金屬表面。使用鎢絲時乃直接加熱。鎢絲成V形，當到達足夠溫度時，發射電子束。通常鎢絲的電流A~60A/(cm2K2)，Ew=4.5eV，一般操作溫度大約為2700K。Je可由Richardson公式算出，約為 1.75A/ cm2，其壽命在10-5 torr的真空下平均40-80小時。
LaB6電子源由晶體方式生成，一般成棒狀而頂端磨尖。採間接方式加熱;由加熱線圈將LaB6絲加熱。其發射電子原理和使用鎢絲時一樣，符合 Richardson定律。通常LaB6電子源之A~40A/(cm2K2)，Ew=2.4eV。一般操作時在尖端的溫度為1700~2100K。Je可達102 (A/cm2 )。如在Je~10(A/cm2 )時使用壽命可超過10,000小時。使用LaB6絲比使用鎢絲的好處很多，如Ew小、電流密度Je大、壽命較長等;但必須在較高之真空環境下操作(約 10-6torr)，且不能直接加熱。附加有英國Oxford公司的X光能譜分析儀
2. 場發射式 (Field Emission) ：(JEOL JEM-2010F Field Emission Gun TEM)
場發射是利用很大的電場，使電位壁障變得非常小，如此電子得以穿隧效應(Tunneling Effect)方式直接脫離固體表面。其燈絲之前端為一曲率半徑非常小，約100~1000Å之針尖，外加一約數kV之小電壓即可產生高達107V/cm 之高電場。此型電子顯微鏡可提供200 kV電子加速電壓，放大倍率最大1.5 M倍。附加有英國Oxford公司的X光能譜分析儀以及Gatan公司的能量過濾器(Gatan image filter, GIF)。
離子減薄機 (Ion miller)
在電子顯微鏡的試片製作方面，由於TEM分析的是穿透過試片的電子束，所以試片的厚度必須小於1000 Å，且試片的直徑僅為3mm，欲得到這麼薄的試片，可藉助於超薄切割機或離子減薄機。而當試片放入離子減薄機 (Ion Miller) 中修薄，通入高純度氬氣，由高角度逐漸往低角度移動(大約4～7。)，離子束能量約3～5eV，修到試片出現破洞並擴大到界面附近，再以光學顯微鏡觀察是否出現干涉條紋(即彩虹條紋)，干涉條紋出現處的試片厚薄才符合需求。
聚焦離子束 (FIB)
聚 焦離子束(Focus Ion Beam，FIB)，具有許多獨特且重要的功能，已廣泛的應用於半導體工業上，其特性在於能將以往在半導體設計、製造、檢測及故障分析上許多困難、耗時或根本無法達成之問題一一解決。例如精密定點切面、晶粒大小分佈檢測、微線路分析及修理等。在微分析領域內，離子束研磨最先被用在穿透式電子顯微鏡之試片研磨上，其離子束為直徑1-2cm之氬離子，而直到液態金屬離子源發展之後，以鎵(Ga)為離子源的商用FIB才上市。FIB最早被使用在半導體業界之光罩修補，接著又被使用在導線之切斷或連結。之後，一系列的應用被開展出來，例如微線路分析及結構上之故障分析等等。目前已是半導體業使用之儀器中成長最快之一。
聚焦離子數的原理與掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)相似，主要之差別在於FIB使用離子束作為照射源，而離子束比電子具大電量及質量，當其照設置固態樣品上時會造成一連串之狀汲極能量傳遞，而在是片表面發生氣化、離子化等現象而濺出中性原子、離子、電子及電磁波，當撞擊傳入試片較內部時亦會造成晶格破壞、原子混何等現象，最後入射離子可能植入試片內部。目前聚焦式離子束曝光系統在電阻膠上曝光的線寬可小到約10毫微米(參考Rau et al., N.(1998))。FIB的工作對象可以是電阻膠也可以是某些薄膜。這是因為有些薄膜在被離子撞擊後，它對腐蝕(etch)的抵抗力或被氧化的速率會改變。利用這種特性，我們可以直接在這些薄膜上用FIB來寫圖案。例如在氧化矽的薄膜上打入氫離子、氘離子或氦離子可增加它的腐蝕率，如果在這薄膜上打入矽離子則將會提高它的氧化率。
其主要功能有三：1.利用入射離子束與試片撞擊產生的二次電子或二次離子來成像 2.施加大電流可快速切割試片而挖出所需的洞或剖面 3.可蒸鍍導體如鎢或白金。
在半導體應用上,其可用來作1.材料的分析鑑定2.製程的監控3.故障及線路的分析 4.電子線路的修理
高溫退火爐
主要是用來對試片作高溫度的退火,並且可通入適當的氣體當作氛圍,最高操作溫度與壓力分別為1500℃及10-3torr
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