如何理解掃描電子顯微鏡(SEM)中的充電效應(yīng)

文章來(lái)源：老千和他的朋友們

原文作者：孫千

掃描電子顯微鏡（SEM）已廣泛用于材料表征、計(jì)量和過(guò)程控制的研究和先進(jìn)制造中，我們?cè)趯?duì)半導(dǎo)體材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀(guān)測(cè)時(shí)，常常會(huì)遇到充電效應(yīng)，本文討論了與樣品充電相關(guān)的一些問(wèn)題以及減輕其影響的方法。

如何理解“充電效應(yīng)”

粒子束儀器中的術(shù)語(yǔ)“充電”意味著當(dāng)樣品被粒子束照射時(shí)，樣品表面或其附近的正或負(fù)電位的積累。充電會(huì)導(dǎo)致很多不良后果，只在少數(shù)情況下，它才可以為研究者所用。

表面充電會(huì)引起二次電子圖像強(qiáng)度的不穩(wěn)定，這導(dǎo)致二次電子系數(shù)和檢測(cè)器效率的變化。表面電勢(shì)的變化會(huì)導(dǎo)致放大率、電子束漂移、圖像失真，甚至?xí)绊慩射線(xiàn)微區(qū)定量分析。此外，充電引起的所有問(wèn)題都對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量有害。

通常，可將充電分成四大類(lèi):

不充電：即導(dǎo)電樣品，其中入射電子束可以容易地行進(jìn)到接地電位；

不明顯的充電：電荷積聚非常小，操作人員在對(duì)部分導(dǎo)電的接地樣品進(jìn)行成像和測(cè)量時(shí)不會(huì)輕易觀(guān)察到明顯的充電現(xiàn)象。這也是比較麻煩的情況，因?yàn)橥ǔＶ钡脚臄z高倍顯微照片后才被發(fā)現(xiàn)；

明顯充電：部分導(dǎo)電的樣品仍然允許有限的成像和測(cè)量；

完全不導(dǎo)電：即不接地的樣品，這妨礙了任何有意義的成像或測(cè)量。

麥克斯韋（Maxwell）方程規(guī)定電荷必須守恒。在高加速電壓下觀(guān)察理想導(dǎo)電樣品時(shí)，離開(kāi)樣品的背散射電子(背散射電子系數(shù)-η)和作為信號(hào)離開(kāi)樣品的二次電子(二次電子系數(shù)-δ)之和可能小于1，但必須與流向地面的電子相平衡，這可以作為樣品電流進(jìn)行測(cè)量。在理想情況下，測(cè)量的樣品電流(Isc)是電子束能量(E)的函數(shù)，它與入射束電流的關(guān)系如下：

對(duì)于導(dǎo)電樣品，通常就是這種情況。因此，當(dāng)(η+δ)為1時(shí)，測(cè)得的Isc為零。

不幸的是，大多數(shù)感興趣的樣品的導(dǎo)電性并不理想。在大多數(shù)情況下，入射束電流和樣品電流之間流向地面的電流是不同的。這些差異與電導(dǎo)率、離開(kāi)樣品的總信號(hào)以及殘留的電荷數(shù)量有關(guān)：在非導(dǎo)體中，Isc=0，因此電荷可以累積；如果 η+δ<1，則會(huì)產(chǎn)生負(fù)電荷；如果 η+δ>1，則會(huì)產(chǎn)生正電荷。

在電荷累積的情況下，我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電荷平衡，使η+δ = 1，因此通過(guò)入射電子束注入樣品的電子數(shù)量與作為信號(hào)離開(kāi)樣品的電子數(shù)量平衡。

在某些方面，充電是非常反復(fù)無(wú)常的，在某一臺(tái)儀器中充電的樣品，可能在另一臺(tái)儀器中可能沒(méi)有明顯的充電現(xiàn)象。人們可以很容易地對(duì)樣品進(jìn)行大量充電，或者細(xì)微的充電可以在基本不被注意的情況下進(jìn)行，并可能導(dǎo)致顯著的測(cè)量誤差。這種反復(fù)無(wú)常的性質(zhì)很大程度上是由于充電的動(dòng)態(tài)性質(zhì)、SEM的多功能性、以及各種粒子束儀器中可用的各種幾何形狀和儀器條件。

充電現(xiàn)象的分類(lèi)

在上面描述的四種一般情況中，嚴(yán)格地說(shuō)，粒子束儀器中的充電現(xiàn)象可以歸結(jié)為兩種類(lèi)型的樣品條件，不帶電和帶電，它們很容易被識(shí)別。

2.1 不充電

高導(dǎo)電性樣品（金屬）將它吸收的所有電子引導(dǎo)到地，并且在圖像采集期間或之后不會(huì)發(fā)生充電(即電勢(shì)的變化)。顯然，這是最理想的情況。但大部分感興趣的樣品導(dǎo)電性都不太好。甚至一些看似完全導(dǎo)電的金屬樣品，如鋁，其表面可能有一層氧化層，可能會(huì)產(chǎn)生電荷。

2.2 充電

當(dāng)一種材料不能有效地將入射電子束傳遞給它的能量傳導(dǎo)到地面時(shí)，樣品本身內(nèi)部或周?chē)碾妱?shì)會(huì)積累(或變化)，進(jìn)而會(huì)對(duì)成像和測(cè)量產(chǎn)生不利影響。樣品可能會(huì)產(chǎn)生靜電荷形成靜電勢(shì)，這取決于樣品的電導(dǎo)率及其環(huán)境，可在真空中長(zhǎng)時(shí)間保留。通常，會(huì)盡量讓靜電荷從樣品中完全排出，這樣由儀器的入射電子束引起的變化可以被更好地解釋。

樣品中積累的電荷代表一種勢(shì)能，當(dāng)它被耗盡時(shí)，樣品達(dá)到一種更中和、更穩(wěn)定、能量更低的狀態(tài)。電氣連接，包括因濕度引起的表面?zhèn)鲗?dǎo)，都會(huì)對(duì)樣品放電產(chǎn)生影響。

可能出現(xiàn)兩種主要的充電類(lèi)型:

2.3 負(fù)電荷(η+δ<1)

當(dāng)撞擊到樣品上的大量電子被捕獲在材料中并且負(fù)電位增加時(shí)，負(fù)電荷增加。這些負(fù)電荷的能量可以只有幾伏，也可以和入射電子束的能量一樣多，即幾千伏。這種情況最常見(jiàn)的表現(xiàn)是圖像出現(xiàn)“發(fā)亮”(更亮)或?qū)е聢D像幾何失真，因?yàn)殡娮邮灰馔馄D(zhuǎn)(圖1)。

在其他情況下，可以看到邊緣粘附的顆粒從樣品上“脫落”——再也看不到了(直到它們落在鏡筒中的關(guān)鍵部件上)。當(dāng)電子束掃過(guò)它們時(shí)，突出的結(jié)構(gòu)也會(huì)因?yàn)檫@種強(qiáng)烈的充電效應(yīng)發(fā)生移動(dòng)。

圖1 金剛石芯片負(fù)充電效應(yīng)示例。在1keV的低著陸能量（HFW4=36μm）下，充電現(xiàn)象極小(左圖）。當(dāng)著陸能量增加到10keV時(shí)（HFV=13μm），出現(xiàn)了強(qiáng)烈的充電現(xiàn)象(右圖）。

由于大多數(shù)樣品不完全導(dǎo)電，充電是常見(jiàn)的情況。負(fù)電荷是最明顯和最麻煩的充電類(lèi)型，在最極端的情況下，會(huì)干擾和偏轉(zhuǎn)電子束，并導(dǎo)致不可容忍的圖像失真。樣品上的極端負(fù)電荷積累可能會(huì)導(dǎo)致入射電子束實(shí)際上轉(zhuǎn)向并對(duì)樣品室內(nèi)部成像。樣品表面積累的靜電勢(shì)場(chǎng)等于或高于入射電子束的電勢(shì)。當(dāng)入射電子束在樣品上掃描時(shí)，由于受靜電勢(shì)場(chǎng)影響，它并不撞擊樣品，而是在整個(gè)樣品室中偏轉(zhuǎn)，激發(fā)了樣品室內(nèi)部部件的電子信號(hào)。當(dāng)存在這種充電時(shí)，圖像變得嚴(yán)重失真，并且當(dāng)入射電子束在整個(gè)室中接近樣品時(shí)被偏轉(zhuǎn)。

傾斜樣品可以將電子束導(dǎo)向不同的感興趣的位置，這些行為似乎不會(huì)帶來(lái)任何負(fù)面后果，一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)充電的問(wèn)題是幾個(gè)電子伏特，在那里會(huì)發(fā)生細(xì)微的、不可識(shí)別的充電。

通常情況下，充電是顯而易見(jiàn)的，但有時(shí)也相當(dāng)微妙。負(fù)電荷積累對(duì)于尺寸測(cè)量來(lái)說(shuō)是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗锌赡苁闺娮邮D(zhuǎn)，使得電子束實(shí)際上落在離預(yù)定位置幾納米遠(yuǎn)的地方。根據(jù)具體的儀器參數(shù)和被測(cè)量的三維結(jié)構(gòu)尺度大小，偏轉(zhuǎn)量可以忽略，也可以大到無(wú)法忽略。

如圖2所示，當(dāng)電子束接近充電結(jié)構(gòu)時(shí)，其軌跡可能改變，信號(hào)產(chǎn)生的落點(diǎn)和儀器掃描系統(tǒng)認(rèn)為的落點(diǎn)可能不同，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)和測(cè)量。該測(cè)量值的增量(δ)被夸大了，偏轉(zhuǎn)量是可變的，取決于電勢(shì)、充電樣品的結(jié)構(gòu)和電子束的著陸能量。

圖2 充電效應(yīng)導(dǎo)致電子束偏轉(zhuǎn)的效果示意圖

2.4 正電荷(η+δ>1)

當(dāng)從樣品中發(fā)射出的電子多于入射電子束所能提供的電子時(shí)，正電勢(shì)就會(huì)增加。帶正電荷的區(qū)域非但沒(méi)有變亮，反而變暗，因?yàn)槎坞娮影l(fā)射減少，許多二次電子被吸引回樣品表面。正電荷使掃描區(qū)域變暗，這常常與污染物的積累相混淆。

正電荷遠(yuǎn)沒(méi)有負(fù)電荷的積累有害，而且通常只限于幾伏的電勢(shì)。主要結(jié)果是損失了一些有價(jià)值的信號(hào)電子，因?yàn)樗鼈儽粠д姷谋砻嬷匦挛铡?/p>

如何判斷充電

正負(fù)電荷可以很容易地診斷，以確定適當(dāng)?shù)闹懩芰亢蜆悠返碾妼?dǎo)率：

將儀器設(shè)置為合適的儀器操作條件；

找到一個(gè)感興趣的區(qū)域，并以高倍數(shù)聚焦于該區(qū)域(放大倍數(shù)越高，充電的影響越嚴(yán)重)；

在選定區(qū)域內(nèi)輻照樣品幾秒鐘；

將放大倍數(shù)降低5倍，觀(guān)察樣品；

如果出現(xiàn)明亮的光柵圖案(在放大倍率較低時(shí)可能會(huì)慢慢消失)，則可能是負(fù)電荷。因此，嘗試將著陸能量降低100 eV。然后，在不同的位置重復(fù)該過(guò)程；

如果出現(xiàn)深色光柵圖案，然后(可能)很快消失，則可能是正電荷(圖3)。如果發(fā)生這種情況，將著陸能量提高幾百伏。然后重復(fù)該過(guò)程；

如果黑色方塊仍然存在，則正電荷不太可能，可能是由碳沉積引起的污染。

減輕充電的方法

減輕充電的兩種最常見(jiàn)方法是：低加速電壓(低著陸能量)操作，以及用薄導(dǎo)電金屬或碳層涂覆樣品。

4.1 低加速電壓成像

高亮度電子源（六硼化鑭和場(chǎng)發(fā)射電子源）的出現(xiàn)，以及后來(lái)發(fā)展成當(dāng)前數(shù)字成像電子設(shè)備的幀存儲(chǔ)電子設(shè)備，推動(dòng)了低加速電壓成像的發(fā)展。非破壞性、低著陸能量操作在半導(dǎo)體制造中變得普遍，在半導(dǎo)體制造中，絕緣樣品(如氧化物和光刻膠)在生產(chǎn)線(xiàn)上被常規(guī)觀(guān)察。

一般來(lái)說(shuō)，在低著陸能量下，當(dāng)電子束撞擊絕緣表面時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)電荷平衡。在低(1-2 keV)著陸能量下，二次電子系數(shù)可能大于1。

圖3 電子發(fā)射總量曲線(xiàn)

對(duì)于大多數(shù)非導(dǎo)電材料，E1和E2是總電子發(fā)射等于1的點(diǎn)。人們認(rèn)為E1和E2對(duì)于特定樣品和所應(yīng)用的一組儀器條件(著陸能量、束流、傾斜等)，是相對(duì)穩(wěn)定的，因?yàn)樗鼈兪菢悠诽幱陔姾善胶鈺r(shí)的能量。此時(shí)，由入射電子束注入樣品的電子數(shù)等于離開(kāi)樣品的電子總數(shù)，因此可能不會(huì)發(fā)生樣品充電。

通常，樣品可以承受的電壓范圍很小，最高可達(dá)E2值。E2是最穩(wěn)定的值，通常選擇用于無(wú)鍍膜觀(guān)察，因?yàn)樗诟叩募铀匐妷合卤话l(fā)現(xiàn)，因此能夠?yàn)閮x器提供更高分辨率的操作條件。然而，所需的最佳著陸能量總是取決于所需的樣品信息。

高電壓入射電子束將對(duì)樣品中更深的層成像，而低電壓將提供來(lái)自樣品表面的更多信息，因此，需要妥協(xié)以最優(yōu)化方案。此外，具有超低電壓/高分辨率能力的新型粒子束儀器可以在E1工作，而不會(huì)對(duì)分辨率產(chǎn)生重大影響。

4.2 樣品鍍導(dǎo)電膜

傳統(tǒng)上，用重金屬、導(dǎo)電材料(金、金/鈀和鋨)覆蓋非導(dǎo)電樣品是克服充電的常用方法。鍍膜還增加了樣品的二次電子發(fā)射，尤其是當(dāng)樣品由低原子序數(shù)材料組成時(shí)。必須記住的一點(diǎn)是，如果樣品有鍍膜，信號(hào)主要是由作為保護(hù)層的鍍膜產(chǎn)生的電子流產(chǎn)生的，而不一定是目標(biāo)樣品上的信號(hào)。

此外，還會(huì)導(dǎo)致無(wú)數(shù)的鍍膜瑕疵，如開(kāi)裂。如何鍍膜一直是一個(gè)復(fù)雜的決定，這基于所需的電導(dǎo)率以及人們可以容忍的偽像程度。真空蒸發(fā)(金、金/鈀)、磁控濺射涂覆(金、金/鈀)或氣相沉積都被使用過(guò)。對(duì)于EDS分析，鍍碳膜通常也有助于減少充電，并減少分析中的定量誤差。

連續(xù)鍍膜可以減輕充電，但也會(huì)引入鍍膜瑕疵，如表面細(xì)節(jié)的變化。相對(duì)于所施加的鍍膜厚度，鍍膜也增加了被觀(guān)察結(jié)構(gòu)的尺寸。因此，解釋可能會(huì)受到影響。圖6顯示一種涂有幾納米鋨鍍層的納米纖維素材料。請(qǐng)注意，納米纖維素材料核心(透過(guò)鍍膜觀(guān)察)的預(yù)期直徑約為6-7納米，但其周?chē)菐准{米厚的鍍膜。因此，涂覆納米顆?？赡軙?huì)影響測(cè)量，尤其是對(duì)納米顆粒和結(jié)構(gòu)的測(cè)量。

其它解決方案

5.1 電荷中和

電荷的增加被能量非常低的離子束中和，離子的作用是在“離子零動(dòng)能點(diǎn)”穩(wěn)定表面電位，與絕緣表面的性質(zhì)無(wú)關(guān)，這需要在樣品附近安裝和優(yōu)化電荷中和裝置，該裝置位于SEM樣品室中樣品上方和物鏡下方，但這種方法目前并不常用。在掃描氦離子顯微鏡中，有一個(gè)選擇，即使用電子中和槍來(lái)中和由離子引起的正電荷。

5.2 快速、電視級(jí)成像

使用高亮度場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡進(jìn)行快速掃描也可以緩解充電問(wèn)題。如果在樣品上放置一層電荷，并以比平均放電速率更快的掃描速率進(jìn)行掃描，就可以達(dá)到電荷平衡。使用固定的電視掃描速率，每幀1155行，每秒15幀，即使在低著陸能量下也能提供合理的成像。

電視速率成像如今現(xiàn)在在大多數(shù)儀器上很常見(jiàn)。但是，具有良好信噪比的快速掃描概念的成功演示，證明了充電問(wèn)題可以通過(guò)這種方式緩解。

5.3 背散射電子成像

SEM中電荷減少的最早方法之一是采用背散射電子收集，而不是二次電子收集。樣品的充電對(duì)二次電子圖像的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于更高能量的背散射電子。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室SEM都配備了SE探測(cè)器，SE檢測(cè)器前面的收集屏偏壓可以接地或負(fù)(反向)偏壓，從而拒絕SE，只允許那些與檢測(cè)器具有正確幾何關(guān)系的高能BSE被收集。

5.4低損耗電子成像

低損耗電子成像屬于背散射電子成像，其中背散射電子的能量過(guò)濾，即僅收集那些與樣品最小程度相互作用的電子。這些低損耗電子已被證明具有更高的表面靈敏度和更低的表觀(guān)電荷?？偟膩?lái)說(shuō)，樣品充電并沒(méi)有消除，表面充電引起的電子束偏轉(zhuǎn)仍然會(huì)發(fā)生——充電并沒(méi)有消失，只是被忽略了。如果電荷積聚得足夠多，入射電子束仍有可能偏轉(zhuǎn)。

5.5 導(dǎo)電噴霧劑

在普遍使用高分辨率低著陸能量SEM之前，普遍使用“導(dǎo)電”噴霧來(lái)消除充電，但可能對(duì)儀器和樣品造成污染。

結(jié)論

充電是非導(dǎo)電樣品的成像不可避免的現(xiàn)象，但為了從SEM中獲得有意義且可重復(fù)的數(shù)據(jù)，必須克服充電問(wèn)題。鍍導(dǎo)電膜只是一種解決方案，這可能導(dǎo)致偽像。過(guò)多的電荷積累容易使入射電子束偏轉(zhuǎn)過(guò)大導(dǎo)致圖像失真，而細(xì)微的電荷積累會(huì)使電子束輕微偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。

審核編輯：湯梓紅