表面分析技術(shù)第三章-掃描電子顯微分析

1、1,第三章 掃描電子顯微分析,電子束與固體樣品作用時(shí)產(chǎn)生的信號 掃描電鏡發(fā)展簡史掃描電鏡工作原理及構(gòu)造,2,形貌分析簡介,形貌是表面分析的重要組成部分，主要分析表面幾何形貌，顆粒度以及顆粒度的分布等方面。 掃描電子顯微鏡透射電子顯微鏡掃描隧道顯微鏡原子力顯微鏡,a photoresist layer used in semiconductor manufacturing,3,Multilevel interconnecti

2、ons in an SRAMproduced in 0.35 µm technical,4,3.1 電子束與固體樣品作用時(shí)產(chǎn)生的信號,散射當(dāng)一束聚焦電子沿一定方向射到樣品上時(shí)，在樣品物質(zhì)原子的庫侖電場作用下，入射電子方向?qū)l(fā)生改變，稱為散射。原子對電子的散射還可以進(jìn)一步分為彈性散射和非彈性散射。在彈性散射中，電子只改變運(yùn)動(dòng)方向，基本上無能量變化。在非彈性散射中，電子不但改變方向，能量也有不同程度的衰減，衰減部分轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

3、熱、光、X射線、二次電子等。,5,,可見原子序數(shù)越大，電子的能量越小，距核越近，則散射角越大。一般說來，原子對電子的散射遠(yuǎn)較對X射線的散射為強(qiáng)，因此電子在物質(zhì)內(nèi)部的穿透深度要較X射線小得多。,6,電子束與固體樣品作用時(shí)產(chǎn)生的信號,7,電子束與固體樣品作用時(shí)產(chǎn)生的信號與應(yīng)用,二次電子：外層價(jià)電子激發(fā)(SEM 表面形貌分析)背散射電子：被反彈回來的一部分入射電子 (SEM表面形貌及成分襯度像（粗略)吸收電子(SEM)透射電子（TEM

4、 微區(qū)的組織形貌、結(jié)構(gòu)分析）俄歇電子：內(nèi)層電子激發(fā)(AES，表面層成分分析) 特征X射線：內(nèi)層電子激發(fā)(EPMA，成分分析),8,,9,在掃描電鏡中，由電子激發(fā)產(chǎn)生的信號的信息深度： 俄歇電子 1 nm (0.5-2 nm) 二次電子 5-50 nm 背散射電子 50-500 nm X射線 0.1-1μm,10,3.1.1二次電子,當(dāng)入射

5、電子與原子核外電子發(fā)生相互作用時(shí)，會(huì)使原子失掉電子而變成離子，這種現(xiàn)象稱為電離，而這個(gè)脫離原子的電子稱為二次電子。二次電子的能量較低，不超過50eV。二次電子只能從樣品表面層5-nm深度范圍內(nèi)被入射電子束激發(fā)出來，大于10nm時(shí)，雖然入射電子也能使核外電子脫離原子而變成自由電子，但因其能量較低以及平均自由程較短，不能逸出樣品表面，最后只能被樣品吸收。特點(diǎn)：對樣品表面形貌敏感空間分辨率高信號收集效率高,11,,當(dāng)樣品表面不平時(shí)，

6、入射束相對于樣品表面的入射角發(fā)生變化，使二次電子的強(qiáng)度相應(yīng)改變，如果用檢測器收集樣品上方的二次電子并使其形成反映樣品上各照射點(diǎn)信息強(qiáng)度的圖像，則可將樣品表面形貌特征反映出來，形成所謂“形貌襯度”圖像。,δ∝1/cosθ,12,,通常入射電子束進(jìn)入樣品表面后，由于受到原子核及核外電子的散射，其作用范圍有所擴(kuò)展 ,入射束在樣品內(nèi)沿縱向及側(cè)向擴(kuò)展的具體尺寸范圍取決于入射電子的能量及樣品物質(zhì)的原子序數(shù)。由于能量很低，只有在接近表面大約10nm

7、以內(nèi)的二次電子才能逸出表面，成為可以接收的信號。由于入射束尚無明顯的側(cè)向擴(kuò)展，因而這種信號反映的是一個(gè)與人射束直徑相當(dāng)?shù)摹⒑苄◇w積范圍內(nèi)的形貌特征，故具有較高的空間分辨率。,13,,在入射電子束作用下，樣品上被照射區(qū)產(chǎn)生的二次電子信號都是以照射點(diǎn)為中心向四面八方發(fā)射的(相當(dāng)于點(diǎn)光源)，其中在樣品表面以上的半個(gè)球體內(nèi)的信號是可能被收集的。二次電子由于本身能量很低，容易受電場的作用，只要在檢測器上面加一個(gè)5-10kV的正電壓，就可使樣品

8、上方的絕大部分二次電子都進(jìn)入檢測器，從而使樣品表面上無論是凹坑還是突起物的背向檢測器的部分顯示出來。,14,3.1.2 背散射電子(BE),在彈性和非彈性散射過程中，有些入射電子累計(jì)散射角超過90°，這些電子將重新從樣品表面逸出，稱為背散射電子。即被固體樣品中的原子核反彈回來的一部分入射電子。背散射電子來自樣品表層幾百納米的深度范圍。在電子顯微分析儀器中利用背散射電子信號通常是指那些能量較高的電子，其中主要是能量等于或接近

9、E0的電子。,15,背散射電子的特點(diǎn),對樣品物質(zhì)的原子序數(shù)敏感分辨率及信號收集率較低,16,3.1.3 其它信息,吸收電子特征X射線及俄歇電子透射電子自由載流子形成的伴生效應(yīng)產(chǎn)生陰極發(fā)光產(chǎn)生電子感生電導(dǎo)入射電子和晶體中電子云相互作用入射電子和晶格相互作用周期脈沖電子入射的電聲效應(yīng),17,,俄歇電子適于分析輕元素及超輕元素；適于表面薄層分析(<1nm),18,碳納米管,19,,英特爾 下一代Penryn家族45n

10、m工藝處理器高-k柵介質(zhì)和金屬柵極晶體管的引入，將極大的降低45nm處理器漏電功率，并且有效提升性能,20,電子與材料作用產(chǎn)生的信號及由此發(fā)展的分析方法,21,3.2 掃描電鏡的問世,1935年，Knoll提出掃描電鏡的設(shè)計(jì)思想1942年，Zworykin等人通過反復(fù)研究，設(shè)計(jì)了第一臺(tái)用于觀察厚試樣的掃描電鏡，并提出形貌反差主要是由二次電子發(fā)射所致，獲得了50nm的分辨率。并且建立了現(xiàn)代掃描電鏡的基本理論的。第一臺(tái)商品掃描電鏡于1

11、965年研制成功（英國劍橋科學(xué)公司MarkⅠ型）。以后直到70年代末，美、英、法、荷蘭、日、德等十多家廠商生產(chǎn)和出售了6000多臺(tái)掃描電鏡，這些公司積極發(fā)展新的改進(jìn)型儀器，但直到現(xiàn)在，掃描電鏡的基本結(jié)構(gòu)與1942年的儀器仍相差不大。后來掃描電鏡的發(fā)展主要表現(xiàn)在，電子光源——如LaB6陰極、場發(fā)射電子源，反差機(jī)理研究及圖像處理功能等方面。,22,顯微術(shù)的幾個(gè)術(shù)語和單位,分辨率(分辨本領(lǐng)，resolution) 一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)能夠分

12、辨出兩個(gè)距離很小的物體的能力，用剛好能清楚分開的兩個(gè)點(diǎn)之間的距離來表示. 放大倍數(shù)(magnification) 有效放大與空放大 有效放大倍數(shù)：眼睛分辨本領(lǐng)與顯微鏡分辨本領(lǐng)之比. 例如眼睛分辨本領(lǐng)為0.25mm，1臺(tái)電鏡的分辨率為0.25nm，則有效放大倍數(shù)為: 0.25/(0.25×10-6) = 1000000倍.,23,反差（襯度）（contrast)輝度（亮度）（brightness)灰度：SE

13、M中灰度取大于7級清晰度——取決于儀器的質(zhì)量、熟練地操作技術(shù)和良好的制樣方法。垂直清晰度（掃描行數(shù)和聚焦質(zhì)量）水平清晰度（視頻放大器的通頻帶和聚焦質(zhì)量）景深——圖像上構(gòu)成清晰影像的深度，也是體現(xiàn)物象縱深能達(dá)到聚焦清晰的能力。孔徑角（光欄孔）工作距離（焦距）,,24,景深長，圖像富有立體感。圖像放大倍率從幾倍——幾十萬倍可調(diào)，幾乎包括了從光學(xué)顯微鏡到透射電鏡的工作范圍，但分辨率低于TEM。試樣制備簡單，可觀測范圍大。試樣在

14、掃描電鏡中可做三維空間的平移，旋轉(zhuǎn)和傾斜，且可動(dòng)范圍大，這對觀察形狀不規(guī)則試樣的細(xì)節(jié)極為方便。試樣的輻照損傷及污染程度小。配有X射線能譜儀裝置，可同時(shí)進(jìn)行表面微觀形貌的觀察和微區(qū)成分分析。 由于上述特點(diǎn)，SEM已成為在微米至納米尺度上研究物質(zhì)的表面形貌結(jié)構(gòu)、成分和晶體織構(gòu)的有力工具，在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.,SEM的特點(diǎn),25,Optical Microscope VS SEM,普通光學(xué)顯微鏡 SEM

15、 基本原理 光折射成象 同步掃描 入射束波長 400 - 700 nm 能量為E的電子 放大倍數(shù) ～1600 幾十萬 分辨率 200 nm 1.5 nm 景深 是普通顯微鏡的300倍,26,3.3 掃描電鏡的工作原理及構(gòu)造,SEM是利用聚焦電子束在樣品上掃描時(shí)激發(fā)的某

16、種物理信號來調(diào)制一個(gè)同步掃描的顯象管在相應(yīng)位置的亮度而成象的一個(gè)電子光學(xué)儀器。試樣上的掃描區(qū)域與顯示器上的圖像相對應(yīng)，每一物點(diǎn)均對應(yīng)于一個(gè)像點(diǎn)。,光柵掃描，逐點(diǎn)成像,27,逐點(diǎn)成像,由于高能電子束與樣品物質(zhì)的相互作用，產(chǎn)生各種電子信息：二次電子，反射電子，吸收電子，X射線，俄歇電子等。這些信息被收集后經(jīng)過放大送到成像系統(tǒng)，用于調(diào)制像點(diǎn)的亮度，信號越強(qiáng)，像點(diǎn)越亮。樣品表面掃描過程任意點(diǎn)發(fā)射的信息均可以記錄下來，獲得圖像的信息。由樣

17、品表面上的電子束掃描幅度和顯像管上電子束掃描幅度的比值決定圖像的放大倍數(shù)。,28,電子光學(xué)系統(tǒng) 包括：電子槍，聚光鏡，物鏡（電磁透鏡），掃描線圈；樣品室；探測器系統(tǒng)；真空系統(tǒng)顯示單元及圖像信號處理系統(tǒng) 高壓電源，各部分電路，顯示器，操作面板，計(jì)算機(jī)，信號處理系統(tǒng)等.,3.3.2 掃描電鏡的構(gòu)造,29,電子光學(xué)系統(tǒng),由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來獲得掃描電子束，作為信號的激發(fā)源。為了獲得較高的信

18、號強(qiáng)度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑,30,31,電子槍,種類：發(fā)叉式鎢燈絲、LaB6、場發(fā)射鎢針尖,32,1 二次電子電子象,在掃描電鏡中主要利用二次電子的信息觀察樣品的表面形貌。二次電子的能量一般在50eV以下，并從樣品表面5～10納米左右的深度范圍內(nèi)產(chǎn)生，并向樣品表面的各個(gè)方向發(fā)射出去。利用附加電壓集電器就可以收集從樣品表面發(fā)射出來的所有二次電子。被收集的二次電子經(jīng)過加速，可以獲得10keV左右的

19、能量。通過把電子激發(fā)為光子，再通過光電倍增管產(chǎn)生電信號，進(jìn)行放大處理，獲得與原始二次電子信號成正比的電流信號。,33,二次電子產(chǎn)額δ與二次電子束與試樣表面法向夾角有關(guān)，δ∝1/cosθ。因?yàn)殡S著θ角增大，入射電子束作用體積更靠近表面層，作用體積內(nèi)產(chǎn)生的大量自由電子離開表層的機(jī)會(huì)增多；其次隨θ角的增加，總軌跡增長，引起價(jià)電子電離的機(jī)會(huì)增多。,,34,,,襯度： 對比度，是得到圖象的最基本要素,35,二次電子像襯度 影響二次電子像襯

20、度的因素較多，有表面凹凸引起的形貌襯度（質(zhì)量襯度），原子序數(shù)差別引起的成分襯度，電位差引起的電壓襯度。由于二次電子對原子序數(shù)的變化不敏感，均勻性材料的電位差別不大，在此主要討論形貌襯度。 對一定的入射電子束強(qiáng)度，二次電子信號強(qiáng)度隨樣品傾斜角增大而增大。 根據(jù)這一原理可知，因?yàn)閷?shí)際樣品表面并非光滑的， 對于同一入射電子束，與不同部位的法線夾角是不同的，這樣就會(huì)產(chǎn)生二次電子強(qiáng)度的差異， 從而產(chǎn)生襯度。,36,二次電子的數(shù)量是樣品表面特征和

21、入射角的函數(shù)，二次電子的出射方向又與樣品表面特征有關(guān)。實(shí)際樣品表面并非光滑的， 對于同一入射電子束，與不同部位的法線夾角是不同的，這樣就會(huì)產(chǎn)生二次電子強(qiáng)度的差異。電子像的明暗程度取決于電子束的強(qiáng)弱，當(dāng)兩個(gè)區(qū)域中的電子強(qiáng)度不同時(shí)將出現(xiàn)圖像的明暗差異，這種差異就是襯度。樣品高處信號強(qiáng)、圖像亮，低處的圖像暗;序數(shù)高的元素激發(fā)的二次電子多，序數(shù)低的元素發(fā)射的二次電子就少；邊緣和尖端效應(yīng) ；,成像過程,37,不同強(qiáng)度的二次電子信息，由檢測

22、器接收、轉(zhuǎn)換成不同亮度的光信號，經(jīng)光電倍增管放大，并轉(zhuǎn)換成視頻電信號，這些信號的強(qiáng)度同樣代表著形貌的差異，經(jīng)過放大調(diào)制顯像管電子束的強(qiáng)度，使顯像管在相應(yīng)的象素位置以相應(yīng)的亮暗反映出來，從而得到了反映樣品表面形貌的二次電子圖像.二次電子信號接收后經(jīng)過光－電的幾次轉(zhuǎn)換和放大，最后以圖像顯示在熒光屏上，就可以對它進(jìn)行聚焦，調(diào)節(jié)輝度、反差和倍率，以及移動(dòng)樣品位置尋找感興趣的部位，經(jīng)調(diào)整滿意的圖像即可攝影記錄下來，這就是二次電子的全部成像過程.

23、,38,2. 背散射電子像,形貌襯度： 分辨率比二次電子低成分襯度 樣品中重元素區(qū)域在圖像上是亮區(qū)，而輕元素在圖像上是暗區(qū)； 為了避免形貌襯度對原子襯度的干擾，被分析的樣品需要進(jìn)行拋光處理。,39,背散射電子像,背散射電子既可以用來顯示形貌襯度，也可以用來顯示成分襯度。 1. 形貌襯度 用背反射信號進(jìn)行形貌分析時(shí)，其分辨率元比二次電子低。因?yàn)楸撤瓷潆娮訒r(shí)來自一個(gè)較大的作用體積。此外，背反射電子能量較高，它

24、們以直線軌跡逸出樣品表面，對于背向檢測器的樣品表面，因檢測器無法收集到背反射電子，而掩蓋了許多有用的細(xì)節(jié)。2. 成分襯度 背散射電子發(fā)射系數(shù)可表示為樣品中重元素區(qū)域在圖像上是亮區(qū)，而輕元素在圖像上是暗區(qū)。利用原子序數(shù)造成的襯度變化可以對各種合金進(jìn)行定性分析。背反射電子信號強(qiáng)度要比二次電子低的多，所以粗糙表面的原子序數(shù)襯度往往被形貌襯度所掩蓋。,,40,兩種圖像的對比,錫鉛鍍層的表面圖像（a）二次電子圖像（b）背散射電子圖像,41

25、,背散射電子探頭采集的成分像（a）和形貌像（b）,對有些既要進(jìn)行形貌觀察又要進(jìn)行成分分析的樣品，將左右兩個(gè)檢測器各自得到的電信號進(jìn)行電路上的加減處理，便能得到單一信息。,42,3. 吸收電子像,在一定條件下，入射電子束電流是一定的，所以吸收電流與背散射電流存在互補(bǔ)關(guān)系。,奧氏體鑄鐵的顯微組織 (a)背散射電子像 (b)吸收電子像,43,樣品制備,掃描電鏡的最大優(yōu)點(diǎn)是樣品制備方法簡單，對金屬和陶瓷等塊狀樣品，只需將它們切割成大小合適的尺

26、寸，用導(dǎo)電膠將其粘接在電鏡的樣品座上即可直接進(jìn)行觀察。對于非導(dǎo)電樣品如塑料、礦物等，在電子束作用下會(huì)產(chǎn)生電荷堆積，影響入射電子束斑和樣品發(fā)射的二次電子運(yùn)動(dòng)軌跡，使圖像質(zhì)量下降。因此這類試樣在觀察前要噴鍍導(dǎo)電層進(jìn)行處理，通常采用二次電子發(fā)射系數(shù)較高的金銀或碳膜做導(dǎo)電層，膜厚控制在20nm左右。,44,（a）芯片導(dǎo)線的表面形貌圖，（b）CCD相機(jī)的光電二極管剖面圖。,SEM在微電子工業(yè)方面的應(yīng)用,45,3.3.3環(huán)境掃描電鏡ESEM,主

27、要特點(diǎn)：在一定范圍內(nèi)改變壓力、溫度和氣體組成來改變樣品環(huán)境潮濕的、油狀的、不導(dǎo)電的樣品可以在沒有任何修飾和處理下的自然狀態(tài)下觀察試樣。在任何實(shí)際組成的氣體環(huán)境、在壓力高至50Torr和溫度高至1500℃的條件下，ESEM提供了高分辨的二次電子圖像。在低真空模式下觀察樣品的二次電子象、背散射電子象，進(jìn)行微區(qū)分析具有普通高真空掃描電鏡的所有功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)的過程分析,46,5 oC, 7.0 Torr,室溫, 4.0 Torr,蚜蟲,4