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详细谈谈:赛默飞电镜的前世今生

2023.1.09

  2016年,一条仪器科技公司收购的新闻在电镜圈炸了锅。赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher)将以每股107.50美元的现金收购FEI,该交易的购买价格约为42亿美元。熟悉FEI的人都知道,FEI电镜的产品在圈里一直都是有口皆碑,无论是生命科学领域的冷冻透射电子显微镜Cryo-TEM、球差矫正透射电子显微镜Cs-TEM,半导体领域的双束工作系统DualBeamTM(FIB/SEM)、环境扫描电镜E-SEM还是配置单色器的超高分辨扫描电子显微镜SEM,都是代表业内顶尖水平的产品。2015年,FEI的收入为9.3亿美元,公司发展势头非常迅猛。

  不夸张的说,赛默飞世尔科技用42亿美金成功并购FEI非常划算,也是一个双赢的合作。赛默飞通过FEI的Cryo-TEM技术来研究蛋白质的结构,补充了赛默飞的质谱在结构生物学中的领先地位,使赛默飞世尔公司处于利用这一重要趋势的最佳位置,同时推动生物制药的发展。另一方面,借助FEI电镜独特的成像技术,赛默飞将扩大其在材料科学市场的影响力。更重要的是,赛默飞世尔将受益于FEI在半导体市场的强大影响力,在这一客户群中创造新的增长机会。

  企业合并,LOGO自然是改头换面,经典的FEI标识LOGO将不会出现在新产品上,取而代之的是Thermo Scientific。回顾FEI的历史,自然也是兼并收购的历史,只不过这次,甲方成了乙方。现在,让我们将时间的指针回溯到1939年荷兰的夏天,重温一下赛默飞电镜的前世今生。

  飞利浦电镜历史

   1939年夏天,代尔夫特理工大学的一位名叫Jan B. Le Poole的工程系学生找到他的物理学教授H. B. Dorgelo,提出了一个有点令人吃惊的要求:他应该为他的工程专业制造一台电子显微镜。

   在那个时候,电子显微镜对于生物学研究的有用性是有争议的1。整个细胞都被聚焦,人们能够分辨出重要的细节吗?此外,电子一直被认为是微粒,直到1924年,通过德布罗意的工作,人们认识到电子在运动中也具有波动性。尽管如此,这并没有改变一个事实,即微粒肯定会轰击,从而破坏有机物质。最重要的是,生命的本质在于细胞中高百分比的水,细胞在仪器的真空条件下不是脱水了吗?当电子显微镜的发明越来越广为人知时,在某些生物圈内可以听到这样的口号:“电子显微学家是人工假象制品的收藏家。”电子显微镜真的能为20世纪30年代这个重要的知识宝库增添什么吗?对于代尔夫特理工大学未来的年轻科学家来说,这些反对意见既有冒险的一面,也可能会给企业带来好运。

  备注1:在代尔夫特理工大学的技术环境中,酵母工厂为国家最重要的微生物研究传统的发展做出了巨大贡献。当时关注的问题是,是否有可能用这样一种仪器来确定酵母细胞是否配备了一个带有染色体的真正的浓缩细胞核,或者它是否类似于细菌,是否可以在核物质和细胞质之间作出明确的区分?

  鉴于所有的不确定性,年轻的Jan Le Poole渴望成为一名先锋,后来证明他很幸运。Jan Le Poole制造了一台两级电子显微镜,1941年可以拍摄第一张电子显微照片。然而,40kV的加速电压被证明是非常局限的。因此,Jan Le Poole决定与飞利浦物理实验室合作建造一台150k V电子显微镜。在埃因霍温的飞利浦,A.C.van Dorsten开发了一个非常稳定的150k V的部件,同时Le Poole在H.J.de Heer的协助下正在代尔夫特研究电子光学系统。在1944年春天的代尔夫特,全新的150k V电子显微镜被研制成功。

图1 (左图)J. B. Le Poole博士,荷兰电子显微镜创始人(右图)代尔夫特电子显微镜,1941年4月

  这台150KV电镜的设计却包含了许多令人兴奋的创新。其中一项创新是在40倍放大的物镜和160倍放大的投影镜头之间增加了两个镜头。其中一个额外的镜头有一个小孔,可以使放大倍数在6400倍到80,000倍间连续变化。放大到6400倍时,电流通过所谓的衍射透镜(另一个更大孔径)。使用该衍射透镜,可以从小至3μm的样品选定区域获得衍射图案。并可以在电子图像和电子衍射间来回切换2,这在代尔夫特已被发现可以用于粘土矿物的测定。选区衍射的原理先前已被H.Boersch发现,但当时Le Poole还不知道。引入中间透镜的另一个优点是电镜镜筒的高度减小,从样品到最终图像的总距离达到60cm。此外,LePoole引入了一种特殊的对焦装置,尤其在高倍率下,当荧光屏上的强度较低时,可进行精确聚焦。入射电子束通过聚光镜和样品中两组平行板间的横向电场,以50Hz的频率振动。当物镜没有完全聚焦时,这种振动会使图像模糊。这有助于聚焦,并大大提高了代尔夫特研究所拍摄电镜照片的质量。从那以后,这种“摇摆”的磁型版本成为飞利浦所有透射电镜的特征。早期电镜中的图像场非常大(直径18cm),并投射到锥形烧瓶的底部,并转至荧光屏。通过在屏幕上方束流横截面足够小的位置引入35毫米胶片,可以在随后的照片放大中覆盖整个图像。发射电压在50-120kV之间变化,对于生物样品,电压越高,电子束的穿透力往往越强。

图2 (左图)150 kV电子显微镜,像场投射到沉积在锥形玻璃烧瓶底部的荧光材料上,1947年;(中图) 150 kV电子显微镜的电子光学柱横截面, 1944年;(右图) “摇摆”辅助聚焦设计图纸, 1946年

  备注2:在此设计之前,所有电镜都还不能在不移动样品的条件下同时获得电子显微像和电子衍射谱,那时普遍的做法是采用一个特殊的衍射转换器获得电子衍射,非常不方便。J. B. Le Poole这项极有意义的创造后来直接被用于飞利浦公司的商业电镜产品之上,导致专用的电子衍射仪(如美国RCA公司的EMD-2)逐渐成为历史。

  另一个有趣的发展始于1943年中期。早在1942年,由于酵母细胞体积过大,Le Poole就提议建造一个发射电压1 MeV的电镜,以提高电子对样品的穿透力。建造这种电镜,必须克服种种问题,因此最终决定在飞利浦研究实验室建造450 kV的显微镜。Le Poole设计了这个电镜的电子透镜系统,而飞利浦的Van Dorsten负责设计高压设备,Oosterkamp负责发射枪,Verhoeff负责装配。1947年,这台电镜安装在代尔夫特研究所。

  尽管当时深受战争的压迫,年轻的荷兰科学家们仍然对这项工作充满热情,急切地研究了酵母细胞、噬细胞菌、疗养院医生用的结核菌、各种其他细菌以及土壤样品中的粘土矿物、颜料、金属和在35mm胶片上拍摄的各种其他物品。

图3 450千伏电子显微镜电子光学柱的横截面,设计始于1943年初;(右图)H. B. Dorgelo教授在1946年拍摄的第1000张电子显微照片

  在战争平息下来之后,代尔夫特电镜被重新组装起来。但此时,J. B. Le Poole博士也开始怀疑,在与世隔绝的环境下使用代尔夫特电镜开展相关研究,是否对促进电子显微学的发展具有意义。在埃因霍温的飞利浦是否准备开始在商业基础上生产电子显微镜?此时,飞利浦的总裁Anton Philips博士还没有听说过代尔夫特电子显微镜的构造。1946年1月,Jan Le Poole有机会访问英国,并参加了英国电子显微镜集团的一次会议。在那里,他最后的一丝怀疑消失了:代尔夫特电镜确实是一种创新。他在英国遇到了Van Dorsten,他们讨论了对商用飞利浦电子显微镜的要求。1946年1月,飞利浦董事会似乎改变了观点,开始准备推动电子显微镜样机的开发,商业生产电镜有了基础。

  战争结束后,代尔夫特研究所的工作人员逐渐增加:有4名物理学家、1名生物学家、1名工程师、2名仪器制造师和4名技术人员。从1946年起, Le Poole得到了J. Kramer的协助,J. Kramer在过去的36年中一直是Le Poole的得力助手。1946年,物理学家的首要任务是校正电镜的像散,提高高电压稳定性,以及进一步发展一种更强的物镜,即在不需要进一步稳定透镜电流和高电压的情况下充分降低色差。包括其他工作在内,这项工作为飞利浦简化电子显微镜的设计提供了背景。

图4 J. B. Le Poole的团队 , 1947年. 前排: de Heer, van Ments, Miss Schaap, Dr. van Iterson, Dr. Le Rütte. 第二排: Groenheide, Fraase Storm. 后排: Le Poole, Miss Le Poole, Miss van derWees, Miss van de Heuvel, Kramer

  1946年,飞利浦公司制造的电镜原样机在牛津的一次大会上展出,飞利浦EM100的最终设计于1947年完成。一个独特的早期特征是荧光屏在透射中观察并倾斜到水平方向,如图3所示。在所有随后的飞利浦电镜中,这种结构被放弃,因为垂直柱比倾斜柱在机械上更稳定。

图 5 (左图)飞利浦电子显微镜EM100;(右图)EM 100的发布会,从左至右分别是:H. B. G. Casimir, W. J. Oosterkamp,H. Alting, H. B. Dorgelo, J. B. Le Poole, A. Verhoeff, A. C. van Dorsten.

  飞利浦公司1954年推出75KV的EM75型透射电子显微镜大胆改进了物镜的设计,创新的采用了大尺寸物镜,比当时几乎所有电镜中的物镜尺寸大了近4倍。大尺寸物镜缩短了物镜的焦距(0.8mm)和减小了球差系数。在其后几十年陆续推出的透射电镜产品中,飞利浦公司继续推进高性能与用户体验的统一,除了电子加速电压不断提高至300KV,分辨率在1966年得到了2.5埃(EM300),还首次在业界推出包括两个聚光镜的六级透镜系统,侧插式同心转轴样品台(大角度倾斜样品而样品不偏移)、电子枪隔离真空阀、商业化透射/扫描透射电镜同机(EM300 TEM/STEM,1968)、一扭多功能、自动底片传输等后来电镜界普遍采用的设计。

图6 赛默飞TEM产品演变路线,有着超过70年的商业化技术底蕴

  飞利浦于1972年进入扫描电子显微镜(SEM)市场,仅仅在剑桥仪器公司推出他们的立体式扫描电子显微镜七年后。当时推出的型号是PSEM500,在二次电子模式下能够具有大约10 nm的分辨率。其他系列的SEM出现在1977年(SEM501),1990年(SEM XL型号)以及1997年带有六级透镜的FE-SEM (场发射扫描电子显微镜),能够在常规电压和非常低的加速电压下提供清晰的图像。

  在电镜市场扬名51年后,飞利浦公司负责设计和生产的电子光学部于1997年被美国FEI公司收购,飞利浦电镜系列从那时起就更名为FEI系列电镜,但骨子里一直还是飞利浦电镜

FEI电镜历史

  FEI是由Lynwood Swanson博士创立的。Swanson在加利福尼亚长大,本想从事医学或药学工作,但他接受了太平洋大学的橄榄球奖学金,该大学没有任何关于医学和药学的专业,于是开始学习化学并为之着迷,最终获得了化学物理学学位。1959年,在加利福尼亚大学戴维斯分校获得物理化学博士学位,并开始在芝加哥大学做博士后工作,参与场发射的基础研究,即原子中电子的释放。也是在1959年,Swanson 遇到了该领域的先驱者Walter Dyke博士,这个人后来成为他的导师。

图1 Lynwood Swanson博士(左图)和Walter Dyke博士(右图)

  Dyke于1938年在林菲尔德获得物理学学位,但他在华盛顿大学的研究生学习因第二次世界大战而中断。在这些年里,他在麻省理工学院从事雷达研究,不得不与雷达所依赖的电子束所带来的辐射影响作斗争,Dyke很快就意识到,这些辐射可以被利用。在战后完成他的博士学位后,他回到了林菲尔德,开始进行场发射研究。1955年,林菲尔德研究所(LRI)在俄勒冈州的麦克明维尔成立,以减轻Dyke的研究给物理系带来的经济负担。LRI很快为其场发射的研究工作找到了一个商业应用:一个可用于定格射线摄影和辐射研究的闪光X射线系统。为了实际生产该系统和其他可能由LRI研究产生的产品,Dyke于1958年成立了场发射( Field Emission)公司。

图2 FE公司的LOGO(左图)以及生产的 FEXITRON 630 Flash 型X射线光管(右图)

  1961年,Swanson在LRI加入Dyke团队,同时也开始在林菲尔德大学任教。1971年,他与合伙人Noel Martin 和 Lloyd Swenson在林菲尔德校园的一栋大楼里成立了从LRI发展出来的第二家公司 --Field Electron and Ion。两年后,公司名称缩写为FEI公司。FEI的成立是为了向场发射的研究人员提供高纯度、定向的单晶材料,平稳地运营了几年后,开始在该领域内变得知名,尤其是在电子和离子束发射器的设计和制造方面。1981年,它开发了液态金属离子(LMI)源,改进了聚焦束技术,对半导体行业产生了重大影响,该行业利用聚焦束技术改进了故障分析的方法。一年后,FEI开始运送其第一个LMI聚焦光学柱,获得了惠普公司、英特尔公司和希捷公司等主要企业客户的青睐,公司业务开始起飞。FEI最终将其业务总部迁至俄勒冈州希尔斯伯勒市,以更接近这些客户。

  随着FEI的崛起,Swanson并没有完全投入到FEI的工作中。1973年,他在俄勒冈州研究生院进行表面物理研究工作,但到了1987年,由于半导体行业新技术的变化,FEI显然处于重大发展的边缘。不仅在半导体行业,而且在结构生物学和蛋白质研究中,透射电子显微镜也是至关重要的。因此,Swanson在1987年决定离开教学岗位,全身心投入到FEI的运营中。

  为了推动公司的发展,FEI在1988年从俄勒冈州资源与技术发展公司的第一轮资金中筹集了30万美元。一年后,该公司实现了另一个里程碑,它交付了其第一个完整的离子束(FIB)工作站。FEI在这十年中记录了450万美元的销售额,这个数字在1990年增加到750万美元。

图3 FEI交付的第一个完整的FIB工作站

  20世纪90年代初,FEI在希尔斯伯勒的俄勒冈研究生中心科学园租赁了2300平方米的房屋,雇用了约85名员工。然而,公司在这一阶段发展迅速,需要将员工人数增加一倍,并搬到一个更大的空间。1992年12月,FEI在希尔斯伯勒的一座在建的4000平方米的大楼上签订了十年的租约。

  在20世纪90年代初,FEI与飞利浦电子光学公司(Philips Electron Optics)结成联盟,共同开发一种创新的新产品。飞利浦在电子光学方面的经验可以追溯到20世纪30年代,它在1949年制造了世界上第一台商用透射电子显微镜,并在随后的几年中负责该领域的一系列进展。1990年,飞利浦公司推出了一台适合用于六英寸半导体晶片的扫描电子显微镜(SEM)。1993年,FEI和飞利浦将他们的技术结合起来,创造了第一个双束(FIB/SEM)工作站。

  为进一步的发展,1995年6月,FEI上市,这次发行筹集了2380万美元。然而,FEI作为一个独立的上市公司的地位并没有持续很久。1996年9月,飞利浦电子光学公司的母公司Philips Electronics N.V.收购了FEI 55%的控股权。1997年2月,FEI和飞利浦电子光学公司的业务将合并到FEI名下。在合并过程中,飞利浦电子光学公司增加了一些有价值的资产,这些资产将成为业务组合的一部分。ElectroScan及其ESEM(环境扫描电子显微镜)技术被收购,ElectroScan在1988年推出了当时世界上第一款商业化的ESEM。 ESEM不需要像传统的SEM那样在试样室里有高水平的真空条件。飞利浦还在1996年收购了一家捷克公司,Delmi S.R.O.。

图4 (左图)世界上的第一台ESEM,1978年在澳大利亚由Danilatos博士制造,(右图)收购ElectroScan后推出的带场发射电子枪的ESEM

  环境扫描电子显微镜(ESEM)的最初发展发生在20世纪70年代末的新南威尔士大学(UNSW),当时主导项目的Danilatos博士制定的计划没有得到充分支持,该仪器必须为另一个项目腾出空间,并搬出新南威尔士大学。在澳大利亚羊毛公司的财政支持下,从1983年至1986年,ESEM研究计划转移到了澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的纺织物理部门。然而,即使在那里,ESEM也没有充分发挥其潜力,Danilatos和他的设备不得不再次离开。与此同时,ElectroScan公司刚刚在美国成立,以生产Danilatos自1978年以来一直研发的ESEM产品。在美国的财政支持下,加上CSIRO向Danilatos无限期贷款购买所有设备,ESEM研究实验室在澳大利亚新南威尔士州北邦迪成立。由于另一次搬迁,体积庞大的ESEM原型无法在2002年之后进行维护,Danilatos在与之合作了24年之后,试图将其捐赠给发电厂博物馆,以供保存和可能的展示。

  基于Danilatos的ESEM专利原型的商业模型(ElectroScan生产)首次出现于1988年。飞利浦电子光学公司在1996年7月11日收购了ElectroScan,并于1997年2月21日与FEI合并,更名为FEI公司。现在全世界有数千种ESEM在使用;任何从事生物或环境模式研究的研究机构都离不开ESEM。

图5 赛默飞ESEM产品演变路线,有着30多年的商业化技术底蕴

  在其作为一个扩大的公司运作的第一年,FEI的销售额达到了1.68亿美元。它是一个全球性的企业,在美国、荷兰和捷克都布置有工厂。FEI也开始从设备制造商过渡到定制解决方案的供应商。事实上,其收入的近四分之一来自于服务和零部件。

  1998年,FEI的领导层发生了变化,Vahe Sarkissian被任命为总裁和首席执行官。Swanson继续担任董事长。Sarkissian是一位经验丰富的管理者,他曾是硅谷集团的总裁和首席运营官,也是一家电子束气象学公司Metrologix的总裁和首席执行官。在新任CEO领导下的第一年,FEI推出了两个新产品系列:Tecnai透射电子显微镜和用于芯片制造过程控制的xP860双束系统。传统上,FEI的产品一直用于实验室,但现在它们将从实验室走向 "工厂"。因此,FEI系统的市场急剧上升,公司也采取了措施,以更快地发展其业务。

图6 FEI推出了两个新产品系列:Tecnai透射电子显微镜和用于芯片过程控制的xP860双束系统

  1998年12月,FEI同意收购位于马萨诸塞州皮博迪的Micrion公司,这笔7000万美元的现金和股票交易于1999年完成。Micrion公司拥有200名员工,生产FIB工作站,在1985年交付了其第一个系统。Micrion公司主要专注于FIB市场的高端产品,而FEI公司则提供低端和高端的系统,他们经常争夺相同的业务,因此,通过合并,他们在FIB市场上形成了近乎垄断的局面。这种合并实际上符合客户的利益,客户希望与更少的公司打交道,并希望FEI和Micrion在FIB领域能够为他们提供综合的解决方案。

图7 赛默飞双束FIB-SEM产品演变路线,有着近30年的商业化技术底蕴

  随着Micrion的加入,FEI在1999年的销售额增加到了2.16亿美元以上。1999年的另一个重要进展是与东京电子有限公司签订了分销协议,这一联盟扩大了FEI的产品线,同时增加了新的市场。2000年的收入增加到3.203亿美元,2001年为3.76亿美元。FEI还在2001年举行了一次广受欢迎的股票二次发行,为公司净赚8930万美元,其中大部分被用作增加研究和开发的开支。作为发行的一部分,飞利浦还出售了其在FEI的部分权益,这样它就不再拥有控股权。然而,由于拥有31%的股份,飞利浦仍然是FEI努力的重要投资者和支持者。

  FEI受到了半导体行业严重衰退的不利影响,但由于其系统在工业和医疗领域的应用越来越多,因此比大多数设备供应商表现得更好。半导体设备市场的整合仍在继续,2002年FEI几乎成为这一趋势的一部分,当时与Veeco Instruments Inc.达成协议,以近10亿美元的股票出售FEI,这一交易将导致该领域第六大公司的诞生。然而,这一合并从未实现,最终在2003年1月被放弃。同时,FEI采取了措施来巩固其与俄勒冈州的关系,同意在希尔斯伯勒购买一个超过160亩的园区,计划在那里的五座建筑中雇用350名员工,包括一个超过10000平方米的制造和研发设施以及一个6300平方米的办公设施。

  2002年的收入为3.41亿美元,FEI继续扩大其产品范围,并使其市场多样化,在2003年完成了一对战略收购,购买了用于制造和半导体制造产量的软件产品系列,并收购了激光蚀刻产品制造商Revise公司。

  FEI在2004年表现强劲,销售额增加了29%,达到4.657亿美元,净收入从720万美元提高到1660万美元。这一年,Swanson也退休了,他把董事长的位置交给了Sarkissian。

  Swanson退休后,FEI继续在电镜市场上扬名立万,推出了很多颠覆行业发展的产品。2004年使用配有单色器和球差矫正器的透射电镜200KV TecnaiTM,突破了透射电镜分辨率1Å的极限。2005年推出全球功能最强大的商用透射电镜TitanTM 80-300KV(S/TEM),其分辨率可达亚埃级。2006年第一台美国能源部专用带像差矫正透射电镜(TEAM)交付,分辨率达到0.5Å。2008年发布一款极高分辨率的扫描电镜Magellan XHR,其在低束流(低射束能量)模式下可达亚纳米级分辨率。2016年,赛默飞以42亿美元收购了正处上升期的FEI。FEI系列电镜从此改名为Thermo Scientific(赛默飞)电镜系列。

  FEI的强项不用说,ESEM、SEM-FIB、TEM以及带单色器FE-SEM都属于行业顶级水准。在收购了FEI电镜之后,Thermo Scientific在2020年又推出了两款区别于行业特点的扫描电镜产品:搭载ColorSEM实时能谱的常规钨灯丝电镜Axia(更具颠覆性)以及综合性能优异和高性价比的肖特基场发射扫描电镜Apero2。

图8 (左图) Axia钨灯丝扫描电镜和(右图)Apero2场发射扫描电镜

  在体验过这两款设备的操作与成像表现后,在这里想向大家简单介绍其设计特点和优势,限于篇幅,详细的技术与操作就不赘述。

  Axia的设计特点

  1. 单孔光阑设计,高低电压切换不需要合轴

  对于很多不太熟悉SEM操作的技术人员来说,在不同加速电压切换时,要得到清晰的图片,成像所需要的时间一半多都消耗在了合轴上,而不需要合轴的设计能极大的提升工作效率。

  2. ColorSEM实时能谱设计,真正让能谱检测“如影随形”

  传统的能谱软件和电镜软件相互独立,需要通过程序来链接彼此,通常需要采集的过程,而ColorSEM实时能谱是通过更新计算方法,将背散射电子图像灰度值与特征X射线的电子强度值相结合,实现了能谱和电镜软件一体化,在非常短的响应时间内直接得出元素的定性和定量关系以及元素的分布图,也极大了的提高了工作效率。另外,在面对含量不高的未知相或杂质分布的时候,传统的采集方式犹如大海捞针,而实时能谱能让寻找未知相变得事半功倍。

  3. 样品台减速

  过去传统的观点认为,常规钨灯丝电镜的低电压(<5KV)是很难上高倍数的,比如5万倍(底片倍数)。但样品台减速的设计可以提升低电压的分辨率,在观察导电性较差样品表面细节或纳米材料时,变得得心应手。

  4. 烘箱式仓门设计

  传统的抽屉式仓门限制了大样品在样品底座的摆放,通常需要将仓门拉到最远处,长期如此,连接仓门的线缆极容易出现故障。而烘箱式仓门的设计不仅避免这类故障,同时能方便的摆放各类异形的样品,比如一些失效分析的金属部件。

图9 Axia样品仓及各类探测器视图

图10 (左) 木材,12X(右)阳极氧化铝孔 50K X

图11(左) VP模式 100Pa 50K X,(右)碳纳米管 100K X

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