詳細(xì)談?wù)? 賽默飛電鏡的前世今生

      2016年，一條儀器科技公司收購(gòu)的新聞在電鏡圈炸了鍋。賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher）將以每股107.50美元的現(xiàn)金收購(gòu)FEI，該交易的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格約為42億美元。熟悉FEI的人都知道，F(xiàn)EI電鏡的產(chǎn)品在圈里一直都是有口皆碑，無(wú)論是生命科學(xué)領(lǐng)域的冷凍透射電子顯微鏡Cryo-TEM、球差矯正透射電子顯微鏡Cs-TEM，半導(dǎo)體領(lǐng)域的雙束工作系統(tǒng)DualBeamTM（FIB/SEM）、環(huán)境掃描電鏡E-SEM還是配置單色器的超高分辨掃描電子顯微鏡SEM，都是代表業(yè)內(nèi)高水平的產(chǎn)品。2015年，F(xiàn)EI的收入為9.3億美元，公司發(fā)展勢(shì)頭非常迅猛。

      不夸張的說(shuō)，賽默飛世爾科技用42億美金成功并購(gòu)FEI非常劃算，也是一個(gè)雙贏的合作。賽默飛通過(guò)FEI的Cryo-TEM技術(shù)來(lái)研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，補(bǔ)充了賽默飛的質(zhì)譜在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中的地位，使賽默飛世爾公司處于利用這一重要趨勢(shì)的位置，同時(shí)推動(dòng)生物制藥的發(fā)展。另一方面，借助FEI電鏡的成像技術(shù)，賽默飛將擴(kuò)大其在材料科學(xué)市場(chǎng)的影響力。更重要的是，賽默飛世爾將受益于FEI在半導(dǎo)體市場(chǎng)的強(qiáng)大影響力，在這一客戶群中創(chuàng)造新的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。

      企業(yè)合并，LOGO自然是改頭換面，經(jīng)典的FEI標(biāo)識(shí)LOGO將不會(huì)出現(xiàn)在新產(chǎn)品上，取而代之的是Thermo Scientific。回顧FEI的歷史，自然也是兼并收購(gòu)的歷史，只不過(guò)這次，甲方成了乙方。現(xiàn)在，讓我們將時(shí)間的指針回溯到1939年荷蘭的夏天，重溫一下賽默飛電鏡的前世今生。

飛利浦電鏡歷史

      1939年夏天，代爾夫特理工大學(xué)的一位名叫Jan B. Le Poole的工程系學(xué)生找到他的物理學(xué)教授H. B. Dorgelo，提出了一個(gè)有點(diǎn)令人吃驚的要求:他應(yīng)該為他的工程專(zhuān)業(yè)制造一臺(tái)電子顯微鏡。

      在那個(gè)時(shí)候，電子顯微鏡對(duì)于生物學(xué)研究的有用性是有爭(zhēng)議的¹。整個(gè)細(xì)胞都被聚焦，人們能夠分辨出重要的細(xì)節(jié)嗎？此外，電子一直被認(rèn)為是微粒，直到1924年，通過(guò)德布羅意的工作，人們認(rèn)識(shí)到電子在運(yùn)動(dòng)中也具有波動(dòng)性。盡管如此，這并沒(méi)有改變一個(gè)事實(shí)，即微?？隙〞?huì)轟擊，從而破壞有機(jī)物質(zhì)。重要的是，生命的本質(zhì)在于細(xì)胞中高百分比的水，細(xì)胞在儀器的真空條件下不是脫水了嗎？當(dāng)電子顯微鏡的發(fā)明越來(lái)越廣為人知時(shí)，在某些生物圈內(nèi)可以聽(tīng)到這樣的口號(hào):“電子顯微學(xué)家是人工假象制品的收藏家。"電子顯微鏡真的能為20世紀(jì)30年代這個(gè)重要的知識(shí)寶庫(kù)增添什么嗎？對(duì)于代爾夫特理工大學(xué)未來(lái)的年輕科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這些反對(duì)意見(jiàn)既有冒險(xiǎn)的一面，也可能會(huì)給企業(yè)帶來(lái)好運(yùn)。

備注1：在代爾夫特理工大學(xué)的技術(shù)環(huán)境中，酵母工廠為國(guó)家重要的微生物研究傳統(tǒng)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。當(dāng)時(shí)關(guān)注的問(wèn)題是，是否有可能用這樣一種儀器來(lái)確定酵母細(xì)胞是否配備了一個(gè)帶有染色體的真正的濃縮細(xì)胞核，或者它是否類(lèi)似于細(xì)菌，是否可以在核物質(zhì)和細(xì)胞質(zhì)之間作出明確的區(qū)分？

      鑒于所有的不確定性，年輕的Jan Le Poole渴望成為一名先鋒，后來(lái)證明他很幸運(yùn)。Jan Le Poole制造了一臺(tái)兩級(jí)電子顯微鏡，1941年可以拍攝首張張電子顯微照片。然而，40kV的加速電壓被證明是非常局限的。因此，Jan Le Poole決定與飛利浦物理實(shí)驗(yàn)室合作建造一臺(tái)150k V電子顯微鏡。在埃因霍溫的飛利浦，A.C.van Dorsten開(kāi)發(fā)了一個(gè)非常穩(wěn)定的150k V的部件，同時(shí)Le Poole在H.J.de Heer的協(xié)助下正在代爾夫特研究電子光學(xué)系統(tǒng)。在1944年春天的代爾夫特，全新的150k V電子顯微鏡被研制成功。

圖1  （左圖）J. B. Le Poole博士，荷蘭電子顯微鏡創(chuàng)始人（右圖）代爾夫特電子顯微鏡，1941年4月

      這臺(tái)150KV電鏡的設(shè)計(jì)卻包含了許多令人興奮的創(chuàng)新。其中一項(xiàng)創(chuàng)新是在40倍放大的物鏡和160倍放大的投影鏡頭之間增加了兩個(gè)鏡頭。其中一個(gè)額外的鏡頭有一個(gè)小孔，可以使放大倍數(shù)在6400倍到80,000倍間連續(xù)變化。放大到6400倍時(shí)，電流通過(guò)所謂的衍射透鏡（另一個(gè)更大孔徑）。使用該衍射透鏡，可以從小至3μm的樣品選定區(qū)域獲得衍射圖案。并可以在電子圖像和電子衍射間來(lái)回切換²，這在代爾夫特已被發(fā)現(xiàn)可以用于粘土礦物的測(cè)定。選區(qū)衍射的原理先前已被H.Boersch發(fā)現(xiàn)，但當(dāng)時(shí)Le Poole還不知道。引入中間透鏡的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電鏡鏡筒的高度減小，從樣品到圖像的總距離達(dá)到60cm。此外，LePoole引入了一種特殊的對(duì)焦裝置，尤其在高倍率下，當(dāng)熒光屏上的強(qiáng)度較低時(shí)，可進(jìn)行精確聚焦。入射電子束通過(guò)聚光鏡和樣品中兩組平行板間的橫向電場(chǎng)，以50Hz的頻率振動(dòng)。當(dāng)物鏡沒(méi)有聚焦時(shí)，這種振動(dòng)會(huì)使圖像模糊。這有助于聚焦，并大大提高了代爾夫特研究所拍攝電鏡照片的質(zhì)量。從那以后，這種“搖擺"的磁型版本成為飛利浦所有透射電鏡的特征。早期電鏡中的圖像場(chǎng)非常大（直徑18cm），并投射到錐形燒瓶的底部，并轉(zhuǎn)至熒光屏。通過(guò)在屏幕上方束流橫截面足夠小的位置引入35毫米膠片，可以在隨后的照片放大中覆蓋整個(gè)圖像。發(fā)射電壓在50-120kV之間變化，對(duì)于生物樣品，電壓越高，電子束的穿透力往往越強(qiáng)。

圖2 （左圖）150 kV電子顯微鏡，像場(chǎng)投射到沉積在錐形玻璃燒瓶底部的熒光材料上，1947年；（中圖） 150 kV電子顯微鏡的電子光學(xué)柱橫截面， 1944年；（右圖） “搖擺"輔助聚焦設(shè)計(jì)圖紙, 1946年

備注2：在此設(shè)計(jì)之前，所有電鏡都還不能在不移動(dòng)樣品的條件下同時(shí)獲得電子顯微像和電子衍射譜，那時(shí)普遍的做法是采用一個(gè)特殊的衍射轉(zhuǎn)換器獲得電子衍射，非常不方便。J. B. Le Poole這項(xiàng)極有意義的創(chuàng)造后來(lái)直接被用于飛利浦公司的商業(yè)電鏡產(chǎn)品之上，導(dǎo)致專(zhuān)用的電子衍射儀（如美國(guó)RCA公司的EMD-2）逐漸成為歷史。

      另一個(gè)有趣的發(fā)展始于1943年中期。早在1942年，由于酵母細(xì)胞體積過(guò)大，Le Poole就提議建造一個(gè)發(fā)射電壓1 MeV的電鏡，以提高電子對(duì)樣品的穿透力。建造這種電鏡，必須克服種種問(wèn)題，因此決定在飛利浦研究實(shí)驗(yàn)室建造450 kV的顯微鏡。Le Poole設(shè)計(jì)了這個(gè)電鏡的電子透鏡系統(tǒng)，而飛利浦的Van Dorsten負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)高壓設(shè)備，Oosterkamp負(fù)責(zé)發(fā)射槍?zhuān)琕erhoeff負(fù)責(zé)裝配。1947年，這臺(tái)電鏡安裝在代爾夫特研究所。

      盡管當(dāng)時(shí)深受戰(zhàn)爭(zhēng)的壓迫，年輕的荷蘭科學(xué)家們?nèi)匀粚?duì)這項(xiàng)工作充滿熱情，急切地研究了酵母細(xì)胞、噬細(xì)胞菌、療養(yǎng)院醫(yī)生用的結(jié)核菌、各種其他細(xì)菌以及土壤樣品中的粘土礦物、顏料、金屬和在35mm膠片上拍攝的各種其他物品。

圖3 450千伏電子顯微鏡電子光學(xué)柱的橫截面，設(shè)計(jì)始于1943年初；（右圖）H. B. Dorgelo教授在1946年拍攝的第1000張電子顯微照片

      在戰(zhàn)爭(zhēng)平息下來(lái)之后，代爾夫特電鏡被重新組裝起來(lái)。但此時(shí)，J. B. Le Poole博士也開(kāi)始懷疑，在與世隔絕的環(huán)境下使用代爾夫特電鏡開(kāi)展相關(guān)研究，是否對(duì)促進(jìn)電子顯微學(xué)的發(fā)展具有意義。在埃因霍溫的飛利浦是否準(zhǔn)備開(kāi)始在商業(yè)基礎(chǔ)上生產(chǎn)電子顯微鏡？此時(shí)，飛利浦的總裁Anton Philips博士還沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)代爾夫特電子顯微鏡的構(gòu)造。1946年1月，Jan Le Poole有機(jī)會(huì)訪問(wèn)英國(guó)，并參加了英國(guó)電子顯微鏡集團(tuán)的一次會(huì)議。在那里，他的一絲懷疑消失了：代爾夫特電鏡確實(shí)是一種創(chuàng)新。他在英國(guó)遇到了Van Dorsten，他們討論了對(duì)商用飛利浦電子顯微鏡的要求。1946年1月，飛利浦董事會(huì)似乎改變了觀點(diǎn)，開(kāi)始準(zhǔn)備推動(dòng)電子顯微鏡樣機(jī)的開(kāi)發(fā)，商業(yè)生產(chǎn)電鏡有了基礎(chǔ)。

      戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，代爾夫特研究所的工作人員逐漸增加：有4名物理學(xué)家、1名生物學(xué)家、1名工程師、2名儀器制造師和4名技術(shù)人員。從1946年起， Le Poole得到了J. Kramer的協(xié)助，J. Kramer在過(guò)去的36年中一直是Le Poole的得力助手。1946年，物理學(xué)家的首要任務(wù)是校正電鏡的像散，提高高電壓穩(wěn)定性，以及進(jìn)一步發(fā)展一種更強(qiáng)的物鏡，即在不需要進(jìn)一步穩(wěn)定透鏡電流和高電壓的情況下充分降低色差。包括其他工作在內(nèi)，這項(xiàng)工作為飛利浦簡(jiǎn)化電子顯微鏡的設(shè)計(jì)提供了背景。

圖4  J. B. Le Poole的團(tuán)隊(duì) , 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，飛利浦公司制造的電鏡原樣機(jī)在牛津的一次大會(huì)上展出，飛利浦EM100的設(shè)計(jì)于1947年完成。一個(gè)早期特征是熒光屏在透射中觀察并傾斜到水平方向，如圖3所示。在所有隨后的飛利浦電鏡中，這種結(jié)構(gòu)被放棄，因?yàn)榇怪敝葍A斜柱在機(jī)械上更穩(wěn)定。

圖 5 （左圖）飛利浦電子顯微鏡EM100；（右圖）EM 100的發(fā)布會(huì)，從左至右分別是：H. B. G. Casimir, W. J. Oosterkamp,H. Alting, H. B. Dorgelo, J. B. Le Poole, A. Verhoeff, A. C. van Dorsten.

      飛利浦公司1954年推出75KV的EM75型透射電子顯微鏡大膽改進(jìn)了物鏡的設(shè)計(jì)，創(chuàng)新的采用了大尺寸物鏡，比當(dāng)時(shí)幾乎所有電鏡中的物鏡尺寸大了近4倍。大尺寸物鏡縮短了物鏡的焦距（0.8mm）和減小了球差系數(shù)。在其后幾十年陸續(xù)推出的透射電鏡產(chǎn)品中，飛利浦公司繼續(xù)推進(jìn)高性能與用戶體驗(yàn)的統(tǒng)一，除了電子加速電壓不斷提高至300KV，分辨率在1966年得到了2.5埃（EM300），還在業(yè)界推出包括兩個(gè)聚光鏡的六級(jí)透鏡系統(tǒng)，側(cè)插式同心轉(zhuǎn)軸樣品臺(tái)（大角度傾斜樣品而樣品不偏移）、電子槍隔離真空閥、商業(yè)化透射/掃描透射電鏡同機(jī)（EM300 TEM/STEM，1968）、一扭多功能、自動(dòng)底片傳輸?shù)群髞?lái)電鏡界普遍采用的設(shè)計(jì)。

 圖6賽默飛TEM產(chǎn)品演變路線，有著超過(guò)70年的商業(yè)化技術(shù)底蘊(yùn)

      飛利浦于1972年進(jìn)入掃描電子顯微鏡（SEM）市場(chǎng)，僅僅在劍橋儀器公司推出他們的立體式掃描電子顯微鏡七年后。當(dāng)時(shí)推出的型號(hào)是PSEM500，在二次電子模式下能夠具有大約10 nm的分辨率。其他系列的SEM出現(xiàn)在1977年(SEM501)，1990年(SEM XL型號(hào))以及1997年帶有六級(jí)透鏡的FE-SEM (場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡)，能夠在常規(guī)電壓和非常低的加速電壓下提供清晰的圖像。

      在電鏡市場(chǎng)揚(yáng)名51年后，飛利浦公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的電子光學(xué)部于1997年被美國(guó)FEI公司收購(gòu)，飛利浦電鏡系列從那時(shí)起就更名為FEI系列電鏡，但骨子里一直還是飛利浦電鏡。

   電鏡歷史

      FEI是由Lynwood Swanson博士創(chuàng)立的。Swanson在加利福尼亞長(zhǎng)大，本想從事醫(yī)學(xué)或藥學(xué)工作，但他接受了太平洋大學(xué)的橄欖球獎(jiǎng)學(xué)金，該大學(xué)沒(méi)有任何關(guān)于醫(yī)學(xué)和藥學(xué)的專(zhuān)業(yè)，于是開(kāi)始學(xué)習(xí)化學(xué)并為之著迷，獲得了化學(xué)物理學(xué)學(xué)位。1959年，在加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校獲得物理化學(xué)博士學(xué)位，并開(kāi)始在芝加哥大學(xué)做博士后工作，參與場(chǎng)發(fā)射的基礎(chǔ)研究，即原子中電子的釋放。也是在1959年，Swanson 遇到了該領(lǐng)域的先驅(qū)者Walter Dyke博士，這個(gè)人后來(lái)成為他的導(dǎo)師。

圖1  Lynwood Swanson博士（左圖）和Walter Dyke博士（右圖）

      Dyke于1938年在林菲爾德獲得物理學(xué)學(xué)位，但他在華盛頓大學(xué)的研究生學(xué)習(xí)因第二次世界大戰(zhàn)而中斷。在這些年里，他在麻省理工學(xué)院從事雷達(dá)研究，不得不與雷達(dá)所依賴的電子束所帶來(lái)的輻射影響作斗爭(zhēng)，Dyke很快就意識(shí)到，這些輻射可以被利用。在戰(zhàn)后完成他的博士學(xué)位后，他回到了林菲爾德，開(kāi)始進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射研究。1955年，林菲爾德研究所（LRI）在俄勒岡州的麥克明維爾成立，以減輕Dyke的研究給物理系帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。LRI很快為其場(chǎng)發(fā)射的研究工作找到了一個(gè)商業(yè)應(yīng)用：一個(gè)可用于定格射線攝影和輻射研究的閃光X射線系統(tǒng)。為了實(shí)際生產(chǎn)該系統(tǒng)和其他可能由LRI研究產(chǎn)生的產(chǎn)品，Dyke于1958年成立了場(chǎng)發(fā)射（ Field Emission）公司。

圖2 FE公司的LOGO（左圖）以及生產(chǎn)的 FEXITRON 630 Flash 型X射線光管（右圖）

      1961年，Swanson在LRI加入Dyke團(tuán)隊(duì)，同時(shí)也開(kāi)始在林菲爾德大學(xué)任教。1971年，他與合伙人Noel Martin 和 Lloyd Swenson在林菲爾德校園的一棟大樓里成立了從LRI發(fā)展出來(lái)的第二家公司-- Field Electron and Ion。兩年后，公司名稱縮寫(xiě)為FEI公司。FEI的成立是為了向場(chǎng)發(fā)射的研究人員提供高純度、定向的單晶材料，平穩(wěn)地運(yùn)營(yíng)了幾年后，開(kāi)始在該領(lǐng)域內(nèi)有聲望，尤其是在電子和離子束發(fā)射器的設(shè)計(jì)和制造方面。1981年，它開(kāi)發(fā)了液態(tài)金屬離子（LMI）源，改進(jìn)了聚焦束技術(shù)，對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生了重大影響，該行業(yè)利用聚焦束技術(shù)改進(jìn)了故障分析的方法。一年后，F(xiàn)EI開(kāi)始運(yùn)送其LMI聚焦光學(xué)柱，獲得了惠普公司、英特爾公司和希捷公司等主要企業(yè)客戶的青睞，公司業(yè)務(wù)開(kāi)始起飛。FEI將其業(yè)務(wù)總部遷至俄勒岡州希爾斯伯勒市，以更接近這些客戶。

      隨著FEI的崛起，Swanson并沒(méi)有全部投入到FEI的工作中。1973年，他在俄勒岡州研究生院進(jìn)行表面物理研究工作，但到了1987年，由于半導(dǎo)體行業(yè)新技術(shù)的變化，F(xiàn)EI顯然處于重大發(fā)展的邊緣。不僅在半導(dǎo)體行業(yè)，而且在結(jié)構(gòu)生物學(xué)和蛋白質(zhì)研究中，透射電子顯微鏡也是至關(guān)重要的。因此，Swanson在1987年決定離開(kāi)教學(xué)崗位，全身心投入到FEI的運(yùn)營(yíng)中。

      為了推動(dòng)公司的發(fā)展，F(xiàn)EI在1988年從俄勒岡州資源與技術(shù)發(fā)展公司的首輪資金中籌集了30萬(wàn)美元。一年后，該公司實(shí)現(xiàn)了另一個(gè)里程碑，它交付了其完整的離子束（FIB）工作站。FEI在這十年中記錄了450萬(wàn)美元的銷(xiāo)售額，這個(gè)數(shù)字在1990年增加到750萬(wàn)美元。

圖3  FEI交付完整的FIB工作站

      20世紀(jì)90年代初，F(xiàn)EI在希爾斯伯勒的俄勒岡研究生中心科學(xué)園租賃了2300平方米的房屋，雇用了約85名員工。然而，公司在這一階段發(fā)展迅速，需要將員工人數(shù)增加一倍，并搬到一個(gè)更大的空間。1992年12月，F(xiàn)EI在希爾斯伯勒的一座在建的4000平方米的大樓上簽訂了十年的租約。

      在20世紀(jì)90年代初，F(xiàn)EI與飛利浦電子光學(xué)公司（Philips Electron Optics）結(jié)成聯(lián)盟，共同開(kāi)發(fā)一種創(chuàng)新的新產(chǎn)品。飛利浦在電子光學(xué)方面的經(jīng)驗(yàn)可以追溯到20世紀(jì)30年代，它在1949年制造了世界上商用透射電子顯微鏡，并在隨后的幾年中負(fù)責(zé)該領(lǐng)域的一系列進(jìn)展。1990年，飛利浦公司推出了一臺(tái)適合用于六英寸半導(dǎo)體晶片的掃描電子顯微鏡（SEM）。1993年，F(xiàn)EI和飛利浦將他們的技術(shù)結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造了雙束（FIB/SEM）工作站。

      為進(jìn)一步的發(fā)展，1995年6月，F(xiàn)EI上市，這次發(fā)行籌集了2380萬(wàn)美元。然而，F(xiàn)EI作為一個(gè)獨(dú)立的上市公司的地位并沒(méi)有持續(xù)很久。1996年9月，飛利浦電子光學(xué)公司的母公司Philips Electronics N.V.收購(gòu)了FEI 55%的控股權(quán)。1997年2月，F(xiàn)EI和飛利浦電子光學(xué)公司的業(yè)務(wù)將合并到FEI名下。在合并過(guò)程中，飛利浦電子光學(xué)公司增加了一些有價(jià)值的資產(chǎn)，這些資產(chǎn)將成為業(yè)務(wù)組合的一部分。ElectroScan及其ESEM（環(huán)境掃描電子顯微鏡）技術(shù)被收購(gòu)，ElectroScan在1988年推出了當(dāng)時(shí)世界上商業(yè)化的ESEM。 ESEM不需要像傳統(tǒng)的SEM那樣在試樣室里有高水平的真空條件。飛利浦還在1996年收購(gòu)了一家捷克公司，Delmi S.R.O.。

圖5 （左圖）世界上的ESEM，1978年在澳大利亞由Danilatos博士制造，（右圖）收購(gòu)ElectroScan后推出的帶場(chǎng)發(fā)射電子槍的ESEM

      環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）的發(fā)展發(fā)生在20世紀(jì)70年代末的新南威爾士大學(xué)（UNSW），當(dāng)時(shí)主導(dǎo)項(xiàng)目的Danilatos博士制定的計(jì)劃沒(méi)有得到充分支持，該儀器必須為另一個(gè)項(xiàng)目騰出空間，并搬出新南威爾士大學(xué)。在澳大利亞羊毛公司的財(cái)政支持下，從1983年至1986年，ESEM研究計(jì)劃轉(zhuǎn)移到了澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）的紡織物理部門(mén)。然而，即使在那里，ESEM也沒(méi)有充分發(fā)揮其潛力，Danilatos和他的設(shè)備不得不再次離開(kāi)。與此同時(shí)，ElectroScan公司剛剛在美國(guó)成立，以生產(chǎn)Danilatos自1978年以來(lái)一直研發(fā)的ESEM產(chǎn)品。在美國(guó)的財(cái)政支持下，加上CSIRO向Danilatos無(wú)限期購(gòu)買(mǎi)所有設(shè)備，ESEM研究實(shí)驗(yàn)室在澳大利亞新南威爾士州北邦迪成立。由于另一次搬遷，體積龐大的ESEM原型無(wú)法在2002年之后進(jìn)行維護(hù)，Danilatos在與之合作了24年之后，試圖將其捐贈(zèng)給發(fā)電廠博物館，以供保存和可能的展示。

      基于Danilatos的ESEM原型的商業(yè)模型（ElectroScan生產(chǎn)）出現(xiàn)于1988年。飛利浦電子光學(xué)公司在1996年7月11日收購(gòu)了ElectroScan，并于1997年2月21日與FEI合并，更名為FEI公司?，F(xiàn)在有數(shù)千種ESEM在使用；任何從事生物或環(huán)境模式研究的研究機(jī)構(gòu)都離不開(kāi)ESEM。

圖6賽默飛ESEM產(chǎn)品演變路線，有著30多年的商業(yè)化技術(shù)底蘊(yùn)

      在其作為一個(gè)擴(kuò)大的公司運(yùn)作的首年，F(xiàn)EI的銷(xiāo)售額達(dá)到了1.68億美元。它是一個(gè)全球性的企業(yè)，在美國(guó)、荷蘭和捷克都布置有工廠。FEI也開(kāi)始從設(shè)備制造商過(guò)渡到定制解決方案的供應(yīng)商。事實(shí)上，其收入的近四分之一來(lái)自于服務(wù)和零部件。

      1998年，F(xiàn)EI的領(lǐng)導(dǎo)層發(fā)生了變化，Vahe Sarkissian被任命為總裁和執(zhí)行官。Swanson繼續(xù)擔(dān)任董事長(zhǎng)。Sarkissian是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的管理者，他曾是硅谷集團(tuán)的總裁和運(yùn)營(yíng)官，也是一家電子束氣象學(xué)公司Metrologix的總裁和執(zhí)行官。在新任CEO領(lǐng)導(dǎo)下的一年，F(xiàn)EI推出了兩個(gè)新產(chǎn)品系列：Tecnai透射電子顯微鏡和用于芯片制造過(guò)程控制的xP860雙束系統(tǒng)。傳統(tǒng)上，F(xiàn)EI的產(chǎn)品一直用于實(shí)驗(yàn)室，但現(xiàn)在它們將從實(shí)驗(yàn)室走向 "工廠"。因此，F(xiàn)EI系統(tǒng)的市場(chǎng)急劇上升，公司也采取了措施，以更快地發(fā)展其業(yè)務(wù)。

圖6  FEI推出了兩個(gè)新產(chǎn)品系列：Tecnai透射電子顯微鏡和用于芯片過(guò)程控制的xP860雙束系統(tǒng)

      1998年12月，F(xiàn)EI同意收購(gòu)位于馬薩諸塞州皮博迪的Micrion公司，這筆7000萬(wàn)美元的現(xiàn)金和股權(quán)交易于1999年完成。Micrion公司擁有200名員工，生產(chǎn)FIB工作站，在1985年交付了其設(shè)備系統(tǒng)。Micrion公司主要專(zhuān)注于FIB市場(chǎng)的產(chǎn)品，而FEI公司則提供低端和系統(tǒng)，他們經(jīng)常爭(zhēng)奪相同的業(yè)務(wù)，因此，通過(guò)合并，他們?cè)贔IB市場(chǎng)上形成了近乎壟斷的局面。這種合并實(shí)際上符合客戶的利益，客戶希望與更少的公司打交道，并希望FEI和Micrion在FIB領(lǐng)域能夠?yàn)樗麄兲峁┚C合的解決方案。

圖7 賽默飛雙束FIB-SEM產(chǎn)品演變路線，有著近30年的商業(yè)化技術(shù)底蘊(yùn)

      隨著Micrion的加入，F(xiàn)EI在1999年的銷(xiāo)售額增加到了2.16億美元以上。1999年的另一個(gè)重要進(jìn)展是與東京電子有限公司簽訂了分銷(xiāo)協(xié)議，這一聯(lián)盟擴(kuò)大了FEI的產(chǎn)品線，同時(shí)增加了新的市場(chǎng)。2000年的收入增加到3.203億美元，2001年為3.76億美元。FEI還在2001年舉行了一次廣受歡迎的股權(quán)二次發(fā)行，為公司凈賺8930萬(wàn)美元，其中大部分被用作增加研究和開(kāi)發(fā)的開(kāi)支。作為發(fā)行的一部分，飛利浦還出售了其在FEI的部分權(quán)益，這樣它就不再擁有控股權(quán)。然而，由于擁有31%的股份，飛利浦仍然是FEI努力的重要投資者和支持者。

      FEI受到了半導(dǎo)體行業(yè)嚴(yán)重衰退的不利影響，但由于其系統(tǒng)在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，因此比大多數(shù)設(shè)備供應(yīng)商表現(xiàn)得更好。半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)的整合仍在繼續(xù)，2002年FEI幾乎成為這一趨勢(shì)的一部分，當(dāng)時(shí)與Veeco Instruments Inc.達(dá)成協(xié)議，以近10億美元的股權(quán)出售FEI，這一交易將導(dǎo)致該領(lǐng)域第六大公司的誕生。然而，這一合并從未實(shí)現(xiàn)，在2003年1月被放棄。同時(shí)，F(xiàn)EI采取了措施來(lái)鞏固其與俄勒岡州的關(guān)系，同意在希爾斯伯勒購(gòu)買(mǎi)一個(gè)超過(guò)160畝的園區(qū)，計(jì)劃在那里的五座建筑中雇用350名員工，包括一個(gè)超過(guò)10000平方米的制造和研發(fā)設(shè)施以及一個(gè)6300平方米的辦公設(shè)施。

      2002年的收入為3.41億美元，F(xiàn)EI繼續(xù)擴(kuò)大其產(chǎn)品范圍，并使其市場(chǎng)多樣化，在2003年完成了一對(duì)戰(zhàn)略收購(gòu)，購(gòu)買(mǎi)了用于制造和半導(dǎo)體制造產(chǎn)量的軟件產(chǎn)品系列，并收購(gòu)了激光蝕刻產(chǎn)品制造商Revise公司。

      FEI在2004年表現(xiàn)強(qiáng)勁，銷(xiāo)售額增加了29%，達(dá)到4.657億美元，凈收入從720萬(wàn)美元提高到1660萬(wàn)美元。這一年，Swanson也退休了，他把董事長(zhǎng)的位置交給了Sarkissian。

      Swanson退休后，F(xiàn)EI繼續(xù)在電鏡市場(chǎng)上揚(yáng)名立萬(wàn)，推出了很多行業(yè)發(fā)展的產(chǎn)品。2004年使用配有單色器和球差矯正器的透射電鏡200KV TecnaiTM，突破了透射電鏡分辨率1?的極限。2005年推出全球功能強(qiáng)大的商用透射電鏡TitanTM 80-300KV（S/TEM），其分辨率可達(dá)亞埃級(jí)。2006年美國(guó)能源部專(zhuān)用帶像差矯正透射電鏡（TEAM）交付，分辨率達(dá)到0.5?。2008年發(fā)布一款高分辨率的掃描電鏡Magellan XHR,其在低束流（低射束能量）模式下可達(dá)亞納米級(jí)分辨率。2016年，賽默飛以42億美元收購(gòu)了正處上升期的FEI。FEI系列電鏡從此改名為T(mén)hermo Scientific（賽默飛）電鏡系列。

      FEI的強(qiáng)項(xiàng)不用說(shuō)，ESEM、SEM-FIB、TEM以及帶單色器FE-SEM都屬于優(yōu)質(zhì)水準(zhǔn)。在收購(gòu)了FEI電鏡之后，Thermo Scientific在2020年又推出了兩款區(qū)別于行業(yè)特點(diǎn)的掃描電鏡產(chǎn)品：搭載ColorSEM實(shí)時(shí)能譜的常規(guī)鎢燈絲電鏡Axia（更具創(chuàng)新性）以及綜合性能優(yōu)異和高性價(jià)比的肖特基場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡Apero2。

圖8 (左圖) Axia鎢燈絲掃描電鏡和（右圖）Apero2場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡

      在體驗(yàn)過(guò)這兩款設(shè)備的操作與成像表現(xiàn)后，在這里想向大家簡(jiǎn)單介紹其設(shè)計(jì)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，限于篇幅，詳細(xì)的技術(shù)與操作就不贅述。

Axia的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1、單孔光闌設(shè)計(jì)，高低電壓切換不需要合軸

對(duì)于很多不太熟悉SEM操作的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不同加速電壓切換時(shí)，要得到清晰的圖片，成像所需要的時(shí)間一半多都消耗在了合軸上，而不需要合軸的設(shè)計(jì)能極大的提升工作效率。

2、ColorSEM實(shí)時(shí)能譜設(shè)計(jì)，真正讓能譜檢測(cè)“如影隨形"

傳統(tǒng)的能譜軟件和電鏡軟件相互獨(dú)立，需要通過(guò)程序來(lái)鏈接彼此，通常需要采集的過(guò)程，而ColorSEM實(shí)時(shí)能譜是通過(guò)更新計(jì)算方法，將背散射電子圖像灰度值與特征X射線的電子強(qiáng)度值相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了能譜和電鏡軟件一體化，在非常短的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)直接得出元素的定性和定量關(guān)系以及元素的分布圖，也極大了的提高了工作效率。另外，在面對(duì)含量不高的未知相或雜質(zhì)分布的時(shí)候，傳統(tǒng)的采集方式猶如大海撈針，而實(shí)時(shí)能譜能讓尋找未知相變得事半功倍。

3、樣品臺(tái)減速

過(guò)去傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，常規(guī)鎢燈絲電鏡的低電壓（＜5KV）是很難上高倍數(shù)的，比如5萬(wàn)倍（底片倍數(shù)）。但樣品臺(tái)減速的設(shè)計(jì)可以提升低電壓的分辨率，在觀察導(dǎo)電性較差樣品表面細(xì)節(jié)或納米材料時(shí)，變得得心應(yīng)手。

4、烘箱式倉(cāng)門(mén)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的抽屜式倉(cāng)門(mén)限制了大樣品在樣品底座的擺放，通常需要將倉(cāng)門(mén)拉到遠(yuǎn)處，長(zhǎng)期如此，連接倉(cāng)門(mén)的線纜極容易出現(xiàn)故障。而烘箱式倉(cāng)門(mén)的設(shè)計(jì)不僅避免這類(lèi)故障，同時(shí)能方便的擺放各類(lèi)異形的樣品，比如一些失效分析的金屬部件。

圖9 Axia樣品倉(cāng)及各類(lèi)探測(cè)器視圖

圖10 （左） 木材，12X（右）陽(yáng)極氧化鋁孔 50K X

圖11（左） VP模式 100Pa 50K X，（右）碳納米管 100K X

Apero2的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1、T1探測(cè)器的設(shè)計(jì)

如何避免非導(dǎo)電樣品的荷電效應(yīng)一直是高分辨成像的難題，高分子和生物類(lèi)樣品，還容易受到電子束的損傷。常規(guī)噴金手段所使用的黃金和白金靶材，其顆粒都會(huì)掩蓋納米顆粒的細(xì)節(jié)。利用背散射探測(cè)器可以抑制荷電效應(yīng)，但傳統(tǒng)的半導(dǎo)體探測(cè)器有能量閾值的限制，在小于2kev加速能量時(shí)，幾乎采集不到信號(hào)。而T1探測(cè)器不存在能量閾值，且設(shè)計(jì)在極靴附近的位置，充分利用背散射電子空間發(fā)射的特點(diǎn)，在低電壓和低束流下也擁有非常好的信噪比，在材料科學(xué)與生命科學(xué)領(lǐng)域，有著優(yōu)異的成像表現(xiàn)。

圖12 （左圖）氧化鋁增強(qiáng)氧化鋯陶（右圖）溶菌酶-納米銀復(fù)合材料，黃色圓圈位置，可見(jiàn)尺寸約5nm左右銀顆粒

2、工作距離WD10mm下的高分辨成像

能譜采集和高分辨成像的條件是相互沖突，很多時(shí)候，不能在高分辨的模式（比如WD=4mm）下兼顧能譜儀的采集計(jì)數(shù)率。在實(shí)際操作時(shí)，往往也會(huì)碰到很多高度不統(tǒng)一的樣品，過(guò)短的WD存在碰撞極靴的風(fēng)險(xiǎn)，大工作距離的高分辨成像就變的有實(shí)際意義。如圖13所示，即使在WD=10mm情況下，依舊輕松上到10萬(wàn)倍（底片），1KV下依舊能觀察到磁性粉末表面的納米顆粒細(xì)節(jié)。

3、免費(fèi)的大面積拼圖軟件

大面積拼圖軟件的好處不必多說(shuō)，從成像策略角度看，相當(dāng)于錦上添花。

圖13 （左圖） 磁性粉末樣品，WD=4mm， 100Kx（右圖） 磁性粉末樣品，WD=10mm， 100Kx

圖14  Apero2的探測(cè)器位置設(shè)計(jì)及其成像特點(diǎn)

在產(chǎn)品的更新迭代上，賽默飛電鏡一直傳承了飛利浦和FEI的高性能與用戶體驗(yàn)兼顧的設(shè)計(jì)理念，發(fā)布了多款在業(yè)內(nèi)有口皆碑的設(shè)備。如今，Thermo Scientific擁有電子顯微鏡市場(chǎng)的高份額，在各行各業(yè)提供全面、優(yōu)異的各類(lèi)電子顯微鏡產(chǎn)品。

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