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張貼日期：2025/08/24
李家同、呂嘉維
全世界能自行研發與製造電子顯微鏡的國家屈指可數，而台灣正逐步成為其中的一員。本文將深入介紹台灣在電子束顯微鏡領域的重要進展與技術突破。
電子顯微鏡的原理
首先，我們要搞清楚電子顯微鏡的原理。請看圖一。電子束顯微鏡的核心，是由電子槍釋放出極細的電子束。電子束顯微鏡是一種利用電子而非光線來成像的高解析度觀測工具。它揭示了肉眼與光學顯微鏡無法窺見的奈米世界，是奈米技術、生醫研究、半導體檢測等尖端領域的關鍵儀器。圖一展示了其基本構造與運作原理。
圖一
成像流程：
電子源（電子槍）產生加速電子。
經過電磁透鏡聚焦成極細電子束。
電子束掃描樣品表面（SEM）或穿透樣品（TEM）。
與樣品互動產生二次電子、背散射電子、透射電子、X光等訊號。
偵測器將訊號轉為圖像，反映樣品的形貌、成分與結構。
電子顯微鏡主要靠電子源所放出來的電子束，台灣這家公司的電子束直徑是10奈米。要產生如此細的電子束，可以想見要製造兩組方向對立的力，如圖二所示。
圖二
圖二所顯示的力是Lorentz force，Lorentz force是由電磁場和電流產生的，電磁場和電流要垂直，所產生的Lorentz force也和電流以及磁場垂直，如圖三所示。
圖三
電子束撞擊被檢測物體表面以後，會產生稱為 二次電子（secondary electrons） 的粒子。二次電子的強度由被檢測物體上的高低決定，也就是說，二次電子可以反映被檢測物體的形狀。這些二次電子接著被引導至 光電倍增器（photomultiplier），這是一個能將物理訊號轉換成數位影像的關鍵元件，所以我們可以在顯示器上看到物體的形狀。這樣的轉換過程，讓每個掃描點的電子數量對應為影像亮度。電子量越多，該點影像越亮；反之則暗，最終形成一張高對比度的灰階影像。
光電倍增器是一個相當複雜的設備，它是一個「從物理信號 → 電子信號 → 數位影像」的過程:
1. 內部有不同偵測器來接收這些電子。
最常見的是 Everhart-Thornley 偵測器，它接收二次電子，內部通常有：
· 一個金屬網格（引導電子進入）
· 一個閃爍體（scintillator，讓電子撞擊後發出光）
· 一個光電倍增管（把光轉成電訊號並放大）
2. 把「電子數量」變成「亮度訊號」
· 掃描每一點時，收到的電子量多 → 訊號強 → 那個點的影像比較亮。
· 電子量少 → 訊號弱 → 那個點比較暗。
這樣就能一點一點地建出一張灰階圖像。
3. 訊號送進電腦 → 顯示影像
· 每一個像素對應樣品表面的一個掃描點。
· 系統會同步記錄「掃描到哪裡」和「收到多少訊號」，然後在螢幕上畫出影像。
整張圖像的解析度（例如 1024 x 768）就是掃描的點數組成的。解析度的關鍵：Δx 越小越精細。
電子顯微鏡的優勢在於其高解析度，請看圖四：
圖四
精密運動：馬達、光學尺與控制系統
假設有兩條線A和B，我們要仔細地看A和B之間的情形，當然我們要掃描。如果兩次掃描間的距離是Δx，Δx越小，我們看得越清楚。也就是說，解析度會比較高。
電子顯微鏡的Δx是奈米級的，台灣的這家公司Δx可以小到50奈米。最新型的光學顯微鏡，Δx是200奈米。因此，電子顯微鏡的解析度會比較高。
雖然我們說，在一般情況之下電子顯微鏡的Δx是50奈米，但有時候為了力求非常精密，Δx可以小到5奈米。也就是說，這個電子顯微鏡的馬達可以只移動5奈米。這是相當不容易的。
這家公司的電子顯微鏡使用的樣品載台是使用線性馬達，馬達是國產的。要使馬達如此精密，必須裝上非常精密的光學尺。光學尺當然是從外國引進的，但是控制馬達的控制器該公司自己製作的。
要是馬達只移動5奈米，控制的訊號是相當有學問的，我們要使馬達在極短時間內加速、等速和減速。馬達控制是用軟體的，所以這家公司也有相當多軟體工程師懂得如何很精確地控制馬達。
要將馬達、光學尺和控制器結合起來，需要非常精密的組裝技術。這個技術也是工程師們經年累月所發展出來的。
不同於晶片製造機台裡面的電子束顯微鏡，這家公司做的電子顯微鏡可觀測各種立體形狀的待測物。因為形狀不像晶圓的扁平狀，機台承載待測物的機構需要特別設計，譬如需要測定一個圓柱體的側邊微小孔洞時，這家公司就需要特別設計一個讓圓柱體平躺且可旋轉的載盤，讓待測的位置可以順利移動到電子束下方。而在用顯微鏡觀測之前，必須要先對待測物做Alignment，方法是用一個光學相機拍攝整體影像後，再利用軟體的分析，自動的判斷出要觀測的位置是在多少座標，之後才能精準地把觀測點移動到電子束下方，而觀測精度大約是10nm，因此載盤的移動也是要很精確的。
電子束顯微鏡是一項系統整合的藝術品
技術門檻：融合物理、機電與軟體的系統整合極限
1. 超高真空與電子源穩定性
電子在空氣中極易散射，整個成像區必須維持高真空環境（10⁻⁵～10⁻⁷ torr）。
電子源需長時間穩定發射，常用場發射（FEG）或熱陰極技術。
2. 電磁透鏡控制精度
必須在微小尺度中精準聚焦電子束，透鏡控制電流需具高穩定性與低雜訊。
電磁偏轉需快速響應，以達成高解析掃描。
3. 奈米級掃描定位技術
採用線性馬達 + 光學尺 + 演算法控制器，使掃描範圍誤差低於10奈米。
機構須具熱穩定性與低震動特性。
4. 訊號轉換與數位影像處理
多訊號來源（如二次電子與背散射電子）需經多層放大與數位濾波。
掃描同步技術與即時影像渲染需靠高速FPGA處理。
5. 系統整合與人機介面
軟硬體需高度整合，具備自動對焦、自動對比、自動導航功能。
使用者介面需簡潔直觀，支援自動拍攝、AI分析、客戶端工廠連線等功能。
大家應該知道，電子束顯微鏡是精密工業的產品，這顯示我國已經有製作電子顯微鏡的能力。全世界只有九個國家可以製作電子顯微鏡，因其涉及真空、電子光學、奈米級馬達控制、材料學、軟硬體整合等多領域高端技術。台灣雖然不是傳統電鏡大國，但已成功發展出自主品牌，尤其在先進封裝檢測、非晶圓樣品觀測、桌上型電鏡、國產化線性馬達控制等方面具備競爭優勢。我們應該感謝工程師們有豐富的學識，也有埋頭苦幹的精神。我們實在應該替他們叫好。
希望同學們知道，要製作出一個相當精密的設備是要有學問的，如果這家公司的工程師都不懂電磁學，電子束顯微鏡是絕對做不出來的。如果這家公司的工程師不知道如何控制馬達，也不可能有今天的成就。
還有一點，大家不要以為電子束顯微鏡公司內只有電機工程師，其實他們是需要相當多軟體工程師的。
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