电子扫描显微镜在半导体工业中的应用

电子扫描显微镜在半导体工业中的应用

孙桂林

英飞凌半导体（无锡）有限公司

摘要：本文介绍了扫描电镜的基本理论，对各组成部分逐一阐述，探讨特殊半导体样品的制备和电镜操作技巧，从而实现最佳的观测结果。

1. 扫描电镜的系统组成

下图详细的勾勒了扫描电镜系统组成，各个组成的子系统环环相扣，共同决定了成像的质量，比如放大倍数，分辨率，景深，对比度和亮度。

1. 1. 真空系统

真空环境对于电子束是极为重要的，没有足够的真空，会气体分子，从而无法产生受控的电子束，电子束会被气体分子撞击从而产生散射。

扫描电镜的真空度需要控制在10-4 托以下，大多数电镜需要10-6 托或者更高的真空度。真空度越高，从而能产生更加精细的电子束，扫描电镜的成像性能就会提升。为了将大气压降低到10-6托，通常会使用两级泵，低级真空泵（从大气压降至10-3托）和高级真空泵（从10-3托降至10-6托或者更低）。

1. 2. 电子束的产生

下图显示了热发射和场发射形成电子束的机理，电子枪产生电子束以后，施加电场加速至1-40千伏，然后通过电磁透镜将电子束聚焦成一个更为精细的斑点至样本表面。

	热电子枪	场发射枪
电子发射的结构
阴极材料	钨	钨
阴极温度	2327°C	室温
电子源直径	30微米	5纳米
工作压（帕）	10 -4	10 -8
阴极寿命	约50小时	>1年

1. 3. 电子束处理

电子枪形成的电子束由电磁透镜和其线圈组件进行处理，电磁透镜的作用是缩小电子束斑的大小，扫描线圈提供入射电子束在样品表面已经阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步信号，控制电子束扫描位置和扫描振幅，获得所需放大倍数。

1. 4. 电子束与样品产生的信号

电子束与样品撞击产生的信号量好比一粒‘水滴’的形状，如下图所示，趋于样品表面，信号覆盖范围小，但分辨率高，趋于样品内部，则相反。下图对常用的检测信号简要说明。

1. 1. 背散射电子。

是从样品中反射出的入射电子束，其产额随原子序数的增加而增加，因而对于分析样品形貌特征和显示原子序数衬度的定向成分分析非常有用。其一般在50-200纳米深处逸出。

1. 2. 二次电子。

二次电子是入射电子撞击出的样品的核外电子。此散射过程发生在样品表层5-10纳米的区域，其溢出量与样品表面的形貌相关，所以可以用来观测样品表面的微观结构。

1. 3. X射线

当原子内层电子受到入射电子激发从高能轨道向低能级轨道跃迁时，将释放具有特征能量和波长的X射线。 元素信息可以通过X射线模式获得，因为生成的X射线具有源于其的元素原子的波长和能量特征。其一般在500纳米-5毫米深处逸出。

1. 4. 阴极场致发光。

某些标本电子束的激励下会发出荧光，也称为阴极发光。可以发光分子的化合物或结构。

1. 5. 透射电子。

如果样品足够薄，则一次电子可能会穿过样品。 这些电子称为透射电子，它们提供一些原子密度信息。原子序数越高，阴影越暗。

1. 6. 俄歇电子

原子外层电子捕捉到内层电子跃迁释放的能量从而脱离原子束缚称为俄歇电子，其只能在样品表面极有限的几个原子层发出，所以其非常适用与样品表面成分分析。

1. 5. 信号检测

以二次电子检测器举例，下图是其内部结构，其通过200伏电势以磁性方式吸收产生的二次电子，然后施加到法拉第环上。进入环后，闪烁体上的10千伏电位吸引并加速了二次电子。二次电子撞击闪烁体，导致光子产生发射。闪烁体发出的光子沿光管传播，撞击光电倍增管。光电倍增管从而了放大原始信号。光电倍增管的放大量由倍增管电压源控制控制的。光电倍增管放大的信号强度取决于释放出来的二次电子的数量。

由于二次电子是低能电子，因此它们的产生仅限于靠近样品表面的薄层。因此，产生的二次电子的数量与发射表面的面积成正比。发射表面的密度将决定信号强度。平坦的样品表面由于垂直于电子束，将产生较少的电子。凹凸不平的表面由于相对表面积大，将产生更多二次电子。当二次电子在凹陷处产生时，部分会被样品再次吸收而损失掉。结果是阴影效果。

1. 6. 信号处理

电子信号有闪烁体计数器进行检测处理，检测器的探头是一个闪耀体，当电子打到闪耀体上时，就会发出光子，这些光子被光导管传送到光电倍增管，光信号即被转变成电流信号，再经前置扩大及视频扩大，电流信号转变成电压信号，最后被送到显像管的栅极。

1. 7. 显示和记录系统

该系统使用阴极射线管和磁性介质使电子信号可视化，图像的亮度，对比度，分辨率，放大倍率，景深，噪声和成分决定了显微照片的质量。

2.加速电压与样品观察深度之间的关系

入射电子束遭受许多弹性和非弹性散射事件。 初级电子束的弹性散射导致入射电子在样品内扩散。下图是30 kV时铜中电子轨迹的模拟，说明电子散射随原子序数和电压的变化。

电子范围定义为电子在样品中传播的平均总距离，大约为扩散的直径。 下表显示了不同材料的范围R（以μm为单位）与入射能量的关系。

下图是一个观察样品表面污染的实例， 在低加速电压下， 可以清洗的观察到样品表面的污染。

2.1使用背闪射电子检测芯片键合的合金层

背散射电子（BSE）模式提供的图像对比度是元素组成和表面形貌的函数。 在BSE图像中，较高原子序数的材料看起来比较低原子序数的材料更亮。

2.2检测半导体封装出现的分层

样品表面的形貌也会改变信号输出量。 样品表面的复杂形貌将增加电子束与样品反应的表面积，从而产生更多的信号。

下图是半导体封装的环氧树脂和引线框架出现分层的图像。

2.3离子抛光制备对于扫描电镜观测效果的改进

利用氩离子抛光切面， 由于对于氩离子与不同材质的材料抛光速率不同，从而能辨别出不同的材料界面。

2.4使用低加速电压检测不导电的样品

设定加速电压至1KV左右,微调至样品表面没有充电现象，使样品的充放电的得到平衡。

3结论

本文讨论了扫描电镜的工作原理、组成部分以及他的半导体工业主要应用和使用技巧，希望通过本文的探讨，可以帮助实验室人员掌握正确的样品制备和检测方法，实现精准的检测和分析。

参考文献：

1. 李菜瑛, 扫描电镜应用, 英飞凌科技（马六甲）有限公司

2. 杰拉尔德. 诺伊曼, 扫描电镜原理介绍, 英飞凌科技（墨尼黑）有限公司

作者简介：

孙桂林（1981.10—），男，汉族，籍贯：江苏.泰州，硕士研究生，单位：英飞凌半导体（无锡）有限公司，研究方向：半导体失效分析

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