文章來源：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、計量和過程控制的研究和先進制造中，我們在對半導體材料和結構進行觀測時，常常會遇到充電效應，本文討論了與樣品充電相關的一些問題以及減輕其影響的方法。

如何理解“充電效應”

粒子束儀器中的術語“充電”意味著當樣品被粒子束照射時，樣品表面或其附近的正或負電位的積累。充電會導致很多不良后果，只在少數情況下，它才可以為研究者所用。

表面充電會引起二次電子圖像強度的不穩定，這導致二次電子系數和檢測器效率的變化。表面電勢的變化會導致放大率、電子束漂移、圖像失真，甚至會影響X射線微區定量分析。此外，充電引起的所有問題都對測量數據質量有害。

通常，可將充電分成四大類:

不充電：即導電樣品，其中入射電子束可以容易地行進到接地電位；

不明顯的充電：電荷積聚非常小，操作人員在對部分導電的接地樣品進行成像和測量時不會輕易觀察到明顯的充電現象。這也是比較麻煩的情況，因為通常直到拍攝高倍顯微照片后才被發現；

明顯充電：部分導電的樣品仍然允許有限的成像和測量；

完全不導電：即不接地的樣品，這妨礙了任何有意義的成像或測量。

麥克斯韋（Maxwell）方程規定電荷必須守恒。在高加速電壓下觀察理想導電樣品時，離開樣品的背散射電子(背散射電子系數-η)和作為信號離開樣品的二次電子(二次電子系數-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行測量。在理想情況下，測量的樣品電流(Isc)是電子束能量(E)的函數，它與入射束電流的關系如下：

對于導電樣品，通常就是這種情況。因此，當(η+δ)為1時，測得的Isc為零。

不幸的是，大多數感興趣的樣品的導電性并不理想。在大多數情況下，入射束電流和樣品電流之間流向地面的電流是不同的。這些差異與電導率、離開樣品的總信號以及殘留的電荷數量有關：在非導體中，Isc=0，因此電荷可以累積；如果 η+δ<1，則會產生負電荷；如果 η+δ>1，則會產生正電荷。

在電荷累積的情況下，我們的目標是實現動態電荷平衡，使η+δ = 1，因此通過入射電子束注入樣品的電子數量與作為信號離開樣品的電子數量平衡。

在某些方面，充電是非常反復無常的，在某一臺儀器中充電的樣品，可能在另一臺儀器中可能沒有明顯的充電現象。人們可以很容易地對樣品進行大量充電，或者細微的充電可以在基本不被注意的情況下進行，并可能導致顯著的測量誤差。這種反復無常的性質很大程度上是由于充電的動態性質、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。

充電現象的分類

在上面描述的四種一般情況中，嚴格地說，粒子束儀器中的充電現象可以歸結為兩種類型的樣品條件，不帶電和帶電，它們很容易被識別。

2.1 不充電

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

2.2 充電

當一種材料不能有效地將入射電子束傳遞給它的能量傳導到地面時，樣品本身內部或周圍的電勢會積累(或變化)，進而會對成像和測量產生不利影響。樣品可能會產生靜電荷形成靜電勢，這取決于樣品的電導率及其環境，可在真空中長時間保留。通常，會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能，當它被耗盡時，樣品達到一種更中和、更穩定、能量更低的狀態。電氣連接，包括因濕度引起的表面傳導，都會對樣品放電產生影響。

可能出現兩種主要的充電類型:

2.3 負電荷(η+δ<1)

當撞擊到樣品上的大量電子被捕獲在材料中并且負電位增加時，負電荷增加。這些負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。這種情況最常見的表現是圖像出現“發亮”(更亮)或導致圖像幾何失真，因為電子束被意外偏轉(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鍵部件上)。當電子束掃過它們時，突出的結構也會因為這種強烈的充電效應發生移動。

圖1 金剛石芯片負充電效應示例。在1keV的低著陸能量（HFW4=36μm）下，充電現象極小(左圖）。當著陸能量增加到10keV時（HFV=13μm），出現了強烈的充電現象(右圖）。

由于大多數樣品不完全導電，充電是常見的情況。負電荷是最明顯和最麻煩的充電類型，在最極端的情況下，會干擾和偏轉電子束，并導致不可容忍的圖像失真。樣品上的極端負電荷積累可能會導致入射電子束實際上轉向并對樣品室內部成像。樣品表面積累的靜電勢場等于或高于入射電子束的電勢。當入射電子束在樣品上掃描時，由于受靜電勢場影響，它并不撞擊樣品，而是在整個樣品室中偏轉，激發了樣品室內部部件的電子信號。當存在這種充電時，圖像變得嚴重失真，并且當入射電子束在整個室中接近樣品時被偏轉。

傾斜樣品可以將電子束導向不同的感興趣的位置，這些行為似乎不會帶來任何負面后果，一般來說，大多數充電的問題是幾個電子伏特，在那里會發生細微的、不可識別的充電。

通常情況下，充電是顯而易見的，但有時也相當微妙。負電荷積累對于尺寸測量來說是一個問題，因為它有可能使電子束偏轉，使得電子束實際上落在離預定位置幾納米遠的地方。根據具體的儀器參數和被測量的三維結構尺度大小，偏轉量可以忽略，也可以大到無法忽略。

如圖2所示，當電子束接近充電結構時，其軌跡可能改變，信號產生的落點和儀器掃描系統認為的落點可能不同，從而導致錯誤的數據和測量。該測量值的增量(δ)被夸大了，偏轉量是可變的，取決于電勢、充電樣品的結構和電子束的著陸能量。

圖2 充電效應導致電子束偏轉的效果示意圖

2.4 正電荷(η+δ>1)

當從樣品中發射出的電子多于入射電子束所能提供的電子時，正電勢就會增加。帶正電荷的區域非但沒有變亮，反而變暗，因為二次電子發射減少，許多二次電子被吸引回樣品表面。正電荷使掃描區域變暗，這常常與污染物的積累相混淆。

正電荷遠沒有負電荷的積累有害，而且通常只限于幾伏的電勢。主要結果是損失了一些有價值的信號電子，因為它們被帶正電的表面重新吸收。

如何判斷充電

正負電荷可以很容易地診斷，以確定適當的著陸能量和樣品的電導率：

將儀器設置為合適的儀器操作條件；

找到一個感興趣的區域，并以高倍數聚焦于該區域(放大倍數越高，充電的影響越嚴重)；

在選定區域內輻照樣品幾秒鐘；

將放大倍數降低5倍，觀察樣品；

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

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

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方法是：低加速電壓(低著陸能量)操作，以及用薄導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（六硼化鑭和場發射電子源）的出現，以及后來發展成當前數字成像電子設備的幀存儲電子設備，推動了低加速電壓成像的發展。非破壞性、低著陸能量操作在半導體制造中變得普遍，在半導體制造中，絕緣樣品(如氧化物和光刻膠)在生產線上被常規觀察。

一般來說，在低著陸能量下，當電子束撞擊絕緣表面時，可以實現電荷平衡。在低(1-2 keV)著陸能量下，二次電子系數可能大于1。

圖3 電子發射總量曲線

對于大多數非導電材料，E1和E2是總電子發射等于1的點。人們認為E1和E2對于特定樣品和所應用的一組儀器條件(著陸能量、束流、傾斜等)，是相對穩定的，因為它們是樣品處于電荷平衡時的能量。此時，由入射電子束注入樣品的電子數等于離開樣品的電子總數，因此可能不會發生樣品充電。

通常，樣品可以承受的電壓范圍很小，最高可達E2值。E2是最穩定的值，通常選擇用于無鍍膜觀察，因為它在更高的加速電壓下被發現，因此能夠為儀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樣品中更深的層成像，而低電壓將提供來自樣品表面的更多信息，因此，需要妥協以最優化方案。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，而不會對分辨率產生重大影響。

4.2 樣品鍍導電膜

傳統上，用重金屬、導電材料(金、金/鈀和鋨)覆蓋非導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射，尤其是當樣品由低原子序數材料組成時。必須記住的一點是，如果樣品有鍍膜，信號主要是由作為保護層的鍍膜產生的電子流產生的，而不一定是目標樣品上的信號。

此外，還會導致無數的鍍膜瑕疵，如開裂。如何鍍膜一直是一個復雜的決定，這基于所需的電導率以及人們可以容忍的偽像程度。真空蒸發(金、金/鈀)、磁控濺射涂覆(金、金/鈀)或氣相沉積都被使用過。對于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。

連續鍍膜可以減輕充電，但也會引入鍍膜瑕疵，如表面細節的變化。相對于所施加的鍍膜厚度，鍍膜也增加了被觀察結構的尺寸。因此，解釋可能會受到影響。圖6顯示一種涂有幾納米鋨鍍層的納米纖維素材料。請注意，納米纖維素材料核心(透過鍍膜觀察)的預期直徑約為6-7納米，但其周圍是幾納米厚的鍍膜。因此，涂覆納米顆粒可能會影響測量，尤其是對納米顆粒和結構的測量。

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“離子零動能點”穩定表面電位，與絕緣表面的性質無關，這需要在樣品附近安裝和優化電荷中和裝置，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，有一個選擇，即使用電子中和槍來中和由離子引起的正電荷。

5.2 快速、電視級成像

使用高亮度場發射電子顯微鏡進行快速掃描也可以緩解充電問題。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行掃描，就可以達到電荷平衡。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在在大多數儀器上很常見。但是，具有良好信噪比的快速掃描概念的成功演示，證明了充電問題可以通過這種方式緩解。

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。樣品的充電對二次電子圖像的影響遠遠大于更高能量的背散射電子。大多數實驗室SEM都配備了SE探測器，SE檢測器前面的收集屏偏壓可以接地或負(反向)偏壓，從而拒絕SE，只允許那些與檢測器具有正確幾何關系的高能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電荷。總的來說，樣品充電并沒有消除，表面充電引起的電子束偏轉仍然會發生——充電并沒有消失，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。

5.5 導電噴霧劑

在普遍使用高分辨率低著陸能量SEM之前，普遍使用“導電”噴霧來消除充電，但可能對儀器和樣品造成污染。

結論

充電是非導電樣品的成像不可避免的現象，但為了從SEM中獲得有意義且可重復的數據，必須克服充電問題。鍍導電膜只是一種解決方案，這可能導致偽像。過多的電荷積累容易使入射電子束偏轉過大導致圖像失真，而細微的電荷積累會使電子束輕微偏轉，從而導致測量誤差。

審核編輯：湯梓紅