扫描电子显微镜原理及应用

扫描电子显微镜技术原理及应用

摘要：本文阐述了扫描S4800Ⅱ型扫描电子显微镜的机构和基本工作原理和扫描电镜的主要指标。根据不同的信息可产生不同的图像，扫描电镜可以应用于微电子分析测试技术，如：二次电子像；背散射电子像；吸收电子像；电子束感生电子像。

关键词：扫描电子显微镜；结构原理；二次电子像；背散射电子像；吸收电子像；电子束感生电子像

Application and principle of Scanning Electron Microscope Abstract：This paper expounds the scanning S4800 Ⅱ type scanning electron microscopy institutions and basic working principle and the major indexes of the Scanning Electron Microscope（SEM）. According to the different information can produce different image, SEM can be used in the microelectronics analytical techniques, such as: secondary electron image; backscatter electron image; absorbed electron image; Electron beam induced electronic image.

Key words：SEM; Structure and theory ; secondary electron image; backscatter electron image; absorbed electron image; Electron beam induced electronic image

0引言：电子器件的集成度正按着摩尔定律预示的方向不断的发展着，随着集成度的不断上升，元器件的尺寸变的越来越小，进入纳米尺度，由于VDSL而产生的许多微观的问题，扫描电镜等许多微分析技术受到广泛应用。

1基本工作原理

S4800Ⅱ型扫描电子显微镜(SEM; Scanning Electron Microscope)的结构如图1所示[1]，它的工作原理与电视相似。它采用场发射钨丝电子枪，电子枪发出的电子束，电子束经加速电压加速后，通过三组电子透镜，使束斑缩小并形成聚焦良好的电子束，在扫描线圈的磁场作用下，人射到试样表面并在表面按一定的时间一空间顺序作光栅式二维逐点扫描，入射电子与固体表面相互作用产生的二次电

子等信号，由放在试样旁边的检测器接收，所带信息送入视频放大器放大，然后加到显像管的栅极上，以控制显像管的亮度。由于显像管的偏转线圈和电镜镜筒中扫描线圈的扫描电流是严格同步的，所以由检测器对样品表面逐点检测的信号与显像管上相应点的亮度是一一对应的，从而在荧光屏上产生放大了的试徉表面的图像，供观察研究或照相记录用。[2]

图1S4800Ⅱ型扫描电镜结构原理图

2.主要性能指标

由上述成像过程可知，SEM的放大倍数由显像管的幅度和试样表面扫描线度之比决定.它可以在20万倍到50万倍之间连续调节(低端要与普通光学显微镜放大倍数衔接)。SEM没有成像透镜，不存在聚焦平面的问题，所以景深长，视野大，图像清晰，富于立体感，可直接观察各种表面凹凸不平的细微结构。另外，由于这种成像方式，可以通过电子学的方法方便而有效地控制和改善图像质量(反差和亮度)。如通过γ调制(采用非线性放大器)，改善图像的反差宽容度，使图像各部分明暗适中。采用图像选择器或双放大倍数装置.可在荧光屏上同时察不同形式的图像或不同放大倍数的图像。[3]

SEM的另一个重要指标是分辨本领。分辨本领是指在电子图像上能够清楚地分辨开试样上相邻两点间的距离，也称分辨率。SEM的二次电子分辨率在 2 nm--10 nm(一般光学显微镜的分辨率为。(0.1μm--0.2μm )，分辨率与入射电子束的束斑直径有关，检测系统的信噪比、被检测粒子来自样品表面的深度也有影响。束斑愈小，分辨率愈高，但束斑小了，束流降低，信号减弱，检测困难。[4]

3.应用

利用不同的信息可产生不同的图像，扫描电镜的应用主要有:

(1)二次电子像二次电子是指在垂直入射电子流作用下，试样表面发出的电子总称，但一般仅指其能量较低(小于50 eV)的电子。二次电子的多寡，不仅与试样组成有关，还与表面情况有关，表面凸出、棱边、尖峰等处产生的二次电子较多，图像变亮，而凹陷处所产生的二次电子，一部分被四周样品截获，接收到的电子较少，图像变暗，所以二次电子像的明暗不同直接反映出物体表面凹凸不平状况，可用于观察样品的表面形貌。

二次电子的接收是由电子检测器完成，检测器的构造如图2所示，

图2电子检测器

它由栅网、闪烁体、光导管和光电倍增管等组成，闪烁体上加10 kV高压，用以加速进入检测器的电子，被加速的电子打到闪烁体上使之发光，通过光导管照射到光电倍增管的阴极，将光转换成电信号。如果栅网上加+250 V电压，就可接收样品发出的飞向各方向的二次电子，经放大处理构成二次电子像，这种表观形貌可有效地检验芯片表面的各种微细加工图形和线条情况，如干法刻蚀、金

属化层、键合质量、铝条电迁移、层间短路等立体观察和尺寸测量。图3为铝互连线存在空洞开路情况的照片。

当半导体器件工作时，表面各处电位不等，可引起二次电子数量的变化，由表面电位分布所引起的反差(衬度)，称二次电子像的电压反差，图4为CC 4011器件工作时的电压衬度像，利用这种电压反差，可研究nN结及半导体器件工作状况如开路、短路等。

如试样为芯片截面，由于试样成分不同，掺杂浓度不同，二次发射系数不同，据此可观察异质结及外延层界面的位置，外延层厚度及均匀性。

图3 铝互联线存在空洞情况