光學顯微鏡及掃描式電子顯微鏡(SEM)如何選擇?

光學顯微鏡及掃描式電子顯微鏡如何選擇?價格外你不知道的關鍵點

顯微鏡是各產業觀測樣品表面常見的分析設備。隨著各產業生產元件越趨微型化,顯微分析設備的添購或汰換似乎成為各家競爭搶奪市場的關鍵。然而,傳統使用光學顯微鏡的業者,或是考量在光學顯微鏡和掃描式電子顯微鏡(SEM)選購卻猶豫不定的業者,在兩者比價後還是不免躊躇,真的有必要多花錢買到SEM嗎?其實,除了價格外,有更多的關鍵因素是需要被考量的。

光學顯微鏡、掃描式電子顯微鏡(SEM)的成像原理

光學顯微鏡是利用可見光在不同介質中的折射、反射和透射,再經由物鏡及目鏡來聚焦並放大光線而成像。在一般情況下,傳統光學顯微鏡的放大倍率最高約在1000倍左右。

掃描式電子顯微鏡(SEM)則是透過電子束掃描樣品表面產生電子訊號,再經由偵測器接收訊號成像。掃描式電子顯微鏡(SEM)放大倍率約在數萬倍-百萬倍。

由於光學顯微鏡和掃描式電子顯微鏡的成像原理不同,其影像解析度、可觀測應用範圍、搭配使用工具、操作門檻等等也大不相同。要先判定何者更符合應用需求及內部條件評估,才不會既花錢又成為冤大頭

光學顯微鏡、掃描式電子顯微鏡(SEM)選擇關鍵

樣品解析度需求——光學顯微鏡與掃描式電子顯微鏡的極大差距

光學顯微鏡解析度極限約為200奈米,常見應用於生命科學中觀察細胞、組織、微生物,或是材料科學和工程領域中較初步的樣品表面形貌。

若是要觀測的樣品為微奈米等級的微結構分析,那就必須使用到掃描式電子顯微鏡。掃描式電子顯微鏡經常使用於觀看表面形貌、表面粗糙度、表面紋理等細節,其解析度依據不同品牌及條件設定,最佳解析空間可達至0.5nm。

近年趨勢如:電路板產業因應5G通信等高速數據傳輸需製造出更高頻率高密度的微型載板、紡織業奈米纖維技術逐步擴展、鋰電池複雜的微觀結構及性能需評估、奈米生物科技研發不斷創新等等,都可能會需要應用到掃描式電子顯微鏡來獲取更高解析需求。

註:光學顯微鏡或可因技術將倍率再往上擴增一些,但仍有其限制與SEM相差甚大。且與SEM相同倍率下,解析仍有所差異,建議選購時先進行兩者樣品Demo測試比較。

主機板元件進行SEM微結構分析
高階的PCB通常需要進行更高解析的微結構分析,就需考量到使用掃描式電子顯微鏡。
圖中同樣為主機板上的元件,當其放大到1000倍和1萬倍影像可見資訊有極大差異。<如下圖所示>
光學顯微鏡放大約140倍
透過光學放大約140倍,約略可見小顆粒。
主機板元件放大約1000倍觀測
用SEM放大約1000倍的簡單表面封裝概況。
主機板元件用SEM放大約1萬倍觀測可見二極體
放大到約1萬倍時,才可見二極體的分佈。

樣品的觀測限制——光學顯微鏡容易有景深不足問題、掃描式電子顯微鏡有液態、活生物限制

一般光學顯微鏡因為是透過可見光來成像,故當遇到樣品不透明(如:金屬或厚組織),可能導致光線被阻礙而無法產生足夠的對比;而太透明的樣品(如:Depth Hoar 冰晶結構、纖維凝膠)可能發生因無法產生足夠散射而導致影像缺乏對比度,進而影響樣品結構的辨識。此外,光學顯微鏡容易有景深不足的問題,當樣品越是凹凸不平其問題越是明顯。

SEM可觀測不透明、不導電、不穩定的固態樣品(部分需前製備處理),像是金屬、塑料等各種材料特性及微結構分析。然而因其透過電子束成像,為了不讓電子束被空氣中的氣體分子干擾而影響樣品成像,SEM樣品艙必須處於真空的狀態。因此,液態、活生物等樣品,一般情況下較不適合使用SEM來分析。

註:觀測限制僅用一般常見情況來說明,各家品牌依據不同應用需求可能有對應不一樣的進階技術。

在相同樣品(Depth Hoar)下,光學顯微鏡與掃描式電子顯微鏡的成像差異。
在相同樣品(Depth Hoar)下,光學顯微鏡與掃描式電子顯微鏡的成像差異。
圖片來源:https://zh.wikipedia.org/zh-tw/File:LightLTSEM.jpg
光學顯微鏡多數景深不足問題:無法同時遠近對焦皆清晰,當樣品越是不平坦越明顯可見此問題。
光學顯微鏡多數景深不足問題:無法同時遠近對焦皆清晰,當樣品越是不平坦越明顯可見此問題。

•是否有元素分析需求

光學顯微鏡無法進行元素分析,需要搭配其他分析儀器,如:XRF、XPS等,增加了執行上的複雜性和成本。同時,這些組合僅能提供較表面成分的分析,對於深度分析能力有限,XRF通常只能分析幾微米至數十微米的深度;XPS通常只能分析幾奈米至十幾奈米的深度。

掃描式電子顯微鏡通常可配備能量散射光譜(EDS),在進行SEM成像時,同步可進行該區域的元素點、線、面分析,並且能提供較深層的元素資訊。此外,EDS相對於 XRF 分析面積較小,適合需要更精確局部分析資訊的應用。

光學顯微鏡升級掃描式電子顯微鏡(SEM)的難題

光學顯微鏡操作簡單、使用門檻低,再加上其設備添購成本相較於電子顯微鏡低,因此常做為實驗室快速取得初步樣品資訊的設備之一。

掃描式電子顯微鏡過往多為落地式,其操作門檻較高,通常需要經過長期培訓才能使用設備。因此,當從未使用過的用戶有升級設備為掃描式電子顯微鏡的需求時,容易令人感到卻步。加上安裝掃描式電子顯微鏡還需要評估環境條件、空間安置等,讓添購掃描式電子顯微鏡的門檻又再升高。

新世代桌上型SEM 開啟產業轉型新契機

近幾年桌上型掃描式電子顯微鏡(SEM)興起,相較於光學顯微鏡擁有更高的解析度和放大倍率,並且有別於傳統落地款的掃描式電子顯微鏡的高門檻問題,不僅只要一張桌子即可安置設備,在設計上更是主張讓每個使用者都能輕鬆上手的操作介面,僅需簡短時間即可學會操作。

桌上型掃描式電子顯微鏡因兼具光學顯微鏡低門檻使用和傳統掃描式電子顯微鏡高解析優點,成為無使用SEM經驗的產業想轉型微型化的機會點。

光學顯微鏡 (一般)桌上型掃描式電子顯微鏡 (Nanos)
環境需求一張桌子的空間一張桌子的空間
成像原理可見光電子束
解析度最高200nm<10 nm
放大倍率約可至1000倍約可至20萬倍
元素分析需搭配其它儀器一般配備EDS可影像元素同步分析
維護成本相較於落地款單純

Semplor團隊擁有超過200年的電子顯微鏡經驗,以讓任何人在任何地方都能使用SEM為概念,打造出NANOS桌上型掃描式電子顯微鏡,相關應用歡迎諮詢

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