專利名稱：環(huán)境掃描電鏡中電荷環(huán)境的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)境掃描電鏡中電荷環(huán)境的測量方法，利用本方法可以測量法拉第杯和樣品中的樣品電流，即空間電荷電流。
背景技術(shù)：
普通掃描電鏡(SEM)不能直接觀察非導(dǎo)電樣品，因?yàn)檩椪赵诜菍?dǎo)電樣品表面的高能入射電子不能通過非導(dǎo)體接地導(dǎo)走，電荷在樣品表面積累，產(chǎn)生充電、放電現(xiàn)象，即產(chǎn)生荷電效應(yīng)。荷電效應(yīng)會(huì)使掃描圖像產(chǎn)生畸變或異常襯度，還會(huì)給成分分析帶來誤差，所以只有對非導(dǎo)電樣品進(jìn)行導(dǎo)電處理，才能采用普通掃描電鏡對其進(jìn)行觀察?；谏鲜鋈毕荩?0世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來了一種新型環(huán)境掃描電鏡(ESEM)。采用ESEM，可直接觀察非導(dǎo)電樣品，而不必對樣品進(jìn)行導(dǎo)電處理。ESEM的基本原理是進(jìn)行荷電補(bǔ)償，即向SEME樣品室通入氣體，氣體分子被入射電子及信號電子電離，產(chǎn)生大量正離子去中和非導(dǎo)電樣品表面積累的負(fù)電荷，有效地補(bǔ)償荷電效應(yīng)。此外ESEM還可以實(shí)現(xiàn)原位反應(yīng)和動(dòng)態(tài)觀察，因而得到廣泛應(yīng)用。其主要特點(diǎn)有1)ESEM樣品室壓力調(diào)節(jié)范圍大，可在10Pa-2600Pa調(diào)節(jié)；2)ESEM樣品室內(nèi)可以通入水蒸汽、Ar、N2，CO2、O2等多種氣體；3)ESEM可配置加熱臺(tái)、冷卻臺(tái)、微注入等裝置，構(gòu)成一個(gè)微型實(shí)驗(yàn)室。通過調(diào)整壓力、氣氛、溫度和濕度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)觀察多種材料體系的微觀形貌特征及化學(xué)反應(yīng)過程，進(jìn)行微觀反應(yīng)過程及合成機(jī)理等基礎(chǔ)研究。
材料在屬性、結(jié)構(gòu)、成分、表面形態(tài)及制備方法等方面存在著差異，因此在對非導(dǎo)電樣品進(jìn)行荷電補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)觀察時(shí)，需要選擇不同的成像參數(shù)，包括環(huán)境參數(shù)(壓力、氣氛、溫度、濕度等)、掃描電鏡操作參數(shù)(加速電壓、入射電流、工作距離等)。
由于ESEM樣品室內(nèi)注入了氣體，樣品室內(nèi)的電子、氣體和固體樣品之間相互作用，形成了一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)電荷環(huán)境。主要包括入射電子、信號電子(二次電子和背散射電子)與氣體分子碰撞而受到氣體的散射作用；氣體分子被電子電離產(chǎn)生的正離子與電子的中和作用；離子場對二次電子的場助級聯(lián)放大作用等。這些過程和相互作用都直接影響著ESEM的成像質(zhì)量和觀察效果。
ESEM目前還處于發(fā)展和完善階段，ESEM觀察和分析樣品所采用的各種成像參數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)確定，還不能做到測量和監(jiān)控樣品室內(nèi)的電荷環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明中提供了一種環(huán)境掃描電鏡中電荷環(huán)境的測量方法，該方法能夠測量法拉第杯和樣品中的樣品電流，即空間電荷電流，以此評價(jià)ESEM樣品室內(nèi)由電子流和離子流所控制的電荷環(huán)境，優(yōu)化ESEM的成像條件，研究荷電補(bǔ)償條件及荷電動(dòng)態(tài)平衡條件，以獲得高質(zhì)量的圖像。
本發(fā)明中環(huán)境掃描電鏡中電荷環(huán)境的測量方法，該方法是按如下步驟測量的1)將法拉第杯或樣品放置在環(huán)境掃描電鏡(ESEM)樣品室內(nèi)的樣品臺(tái)3上，通過導(dǎo)電膠帶或?qū)щ娔z使其與樣品臺(tái)連接，并使法拉第杯或樣品通過樣品臺(tái)良好接地。
2)將ESEM抽真空。在ESEM的高真空操作模式下，真空度優(yōu)于10-4Pa；在ESEM的環(huán)境真空操作模式下，真空度一般在130Pa-1000Pa范圍調(diào)整。
3)當(dāng)真空度達(dá)到選定值后，給電子槍施加1kV-30kV加速電壓，以發(fā)射電子，在加速電壓作用下，電子槍發(fā)射出的電子(即入射電子)以較高的能量(1keV-30keV)輻照在法拉第杯或樣品上，在法拉第杯中和樣品中激發(fā)產(chǎn)生二次電子信號、背散射電子信號和被樣品所吸收的電子信號。
4)在樣品和地之間接入一個(gè)高靈敏度的微小電流測試儀(pA-表)，就可以檢測到法拉第杯或樣品中的吸收電子對地的信號，即樣品電流(ISP)。為此，通過掃描電鏡樣品室側(cè)壁上的一個(gè)信號輸入接口，使樣品臺(tái)與pA-表接通，檢測ISP。ISP值的大小及極性反映出樣品室內(nèi)由負(fù)電子或正離子所控制的電荷狀態(tài)，并與樣品的導(dǎo)電性能，以及樣品的形狀密切相關(guān)。
5)pA-表檢測到的ISP數(shù)據(jù)通過一個(gè)信號輸出接口輸入到計(jì)算機(jī)中。信號輸出接口帶有編程，進(jìn)行地址設(shè)定、數(shù)據(jù)編排，以及設(shè)定觸發(fā)時(shí)問、測量和中斷時(shí)間。通過計(jì)算機(jī)的控制程序，收集、存儲(chǔ)、顯示和處理數(shù)據(jù)流。
空間電荷電流(ISP)的測試原理在以電子束為基礎(chǔ)的分析儀器中，如掃描電鏡、電子探針、俄歇電子譜儀等，通?？梢栽趦x器中配置一個(gè)法拉第杯來檢測入射電子流。在SEM中，一般是將法拉第杯裝配在物鏡下方，當(dāng)入射電子的加速電壓在lkV-30kV范圍變化時(shí)，通過探測法拉第杯，可探測到在10-6A-10-12A范圍變化的入射電流。
在普通掃描電鏡(SEM)中根據(jù)電流的結(jié)點(diǎn)守恒定律，在電子束的輻照作用下，樣品表面接收到的入射電流IPE等于入射電子從樣品內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生的二次電流ISE、背散射電流IBSE，和樣品電流ISC之和，見公式(1)。ISC，即樣品對地的電流信號，可以通過在樣品和地之間接入的一個(gè)高靈敏度的微小電流測試儀表(pA-表)來測量。
IPE＝ISE+IBSE+ISC(1)測試法拉第杯的樣品電流時(shí)，將法拉第杯放在樣品臺(tái)上，而不是在物鏡下方。將入射電子設(shè)定在定點(diǎn)操作模式，使入射電子直接進(jìn)入到法拉第杯的杯體內(nèi)。由于法拉第杯的杯體深、直徑小，入射電子在杯體內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生的IBSE和ISE，經(jīng)過彈性和非彈性散射后，仍不能溢出法拉第杯，而被法拉第杯所吸收。由此法拉第杯的樣品電流ISC約等于入射電流IPE，即ISE≅0,]]>IBSE≅0]]>則ISC≅IPE---(2)]]>在環(huán)境掃描電鏡(ESEM)中，真空系統(tǒng)可分為高真空模式(優(yōu)于10-4Pa)、低真空模式(13Pa-130Pa)和環(huán)境真空模式(130Pa-2600Pa)。在低真空和環(huán)境真空條件下，樣品表面除了受到電子流的作用，還受到氣體電離后形成的離子流的作用。由此，入射電子流IPE、離子流Iion、ISE、IBSE和ISC之間的關(guān)系如公式(3)和圖1所示。
IPE+Iion＝ISE+IBSE+ISC(3)高真空模式與普通掃描電鏡的高真空系統(tǒng)相似，因此樣品室內(nèi)殘余氣體分子很少，可忽略氣體電離后形成的離子流的作用。
測試樣品的空間電荷電流(ISP)時(shí)，入射電子在樣品表面做光柵狀掃描。在低真空模式和環(huán)境真空模式中，除了入射電子，入射電子在樣品中激發(fā)產(chǎn)生的二次電子和背散射電子也會(huì)使氣體電離。由于金屬、半導(dǎo)體和絕緣體樣品的電導(dǎo)性不同，所產(chǎn)生的二次電子產(chǎn)額和背散射電子發(fā)射系數(shù)也不同，從而引起的空間電荷電流發(fā)生變化。
檢測法拉第杯的ISC時(shí)，入射電子設(shè)定在定點(diǎn)操作模式，使電子進(jìn)入法拉第杯的中心孔內(nèi)。所測ISC為入射電子流和離子流的綜合反映，即空間電荷電流ISP，如公式(4)所示。因此通過測量ISP，即可評價(jià)ESEM樣品室內(nèi)由電子和離子所控制的電荷環(huán)境。
ISP＝IPE+Iion(4)本發(fā)明中采用一個(gè)高靈敏度的微小電流測試儀表(pA-表)和計(jì)算機(jī)，測量在電子束輻照下，在法拉第杯中，以及金屬、半導(dǎo)體和絕緣體中的樣品電流(ISC)，即空間電荷電流(ISP)，確定環(huán)境掃描電鏡(ESEM)樣品室中氣體壓力、氣體離子化效率、離子化飽和度，以及氣體對電子的散射率等。以此評價(jià)ESEM樣品室內(nèi)由電子流和離子流所控制的電荷環(huán)境，優(yōu)化ESEM的成像條件，包括環(huán)境參數(shù)(壓力、氣氛、濕度)，以及操作參數(shù)(加速電壓、工作距離等)，研究荷電補(bǔ)償條件及荷電動(dòng)態(tài)平衡條件，以獲得高質(zhì)量的圖像。


圖1在環(huán)境掃描電鏡(ESEM)中，電子、離子和樣品的相互作用。
圖2環(huán)境掃描電鏡(ESEM)及ISP測試裝置示意3法拉第杯圖4在高真空模式中，法拉第杯的ISC值圖5在環(huán)境真空模式的水蒸氣環(huán)境中，法拉第杯的ISP圖6在環(huán)境真空模式的氧氣環(huán)境中，工作距離10mm的法拉第杯的ISP圖7在環(huán)境真空模式的水蒸氣環(huán)境中，Cu-Zn合金樣品的ISP值圖8在環(huán)境真空模式的水蒸氣環(huán)境中，單晶硅樣品的ISP值圖9在環(huán)境真空模式的水蒸氣環(huán)境中，單晶Al2O3樣品的ISP值圖中，1、pA-表，2、法拉第杯，3、樣品臺(tái)，4、法拉第杯主體，5、光闌片。
具體實(shí)施例方式
應(yīng)用上述方法，本發(fā)明分別對不同環(huán)境下對法拉第杯和樣品進(jìn)行了空間電荷的測量。
在實(shí)施例1、實(shí)施例2中，法拉第杯由法拉第杯主體4和光闌片5組成。法拉第杯主體4由Cu-Zn合金材料制成，外徑12mm，高10mm，中心孔4直徑1mm，深6mm。Mo光闌片外徑為3mm，中心孔直徑0.2mm。在法拉第杯主體4的表面，開出一個(gè)直徑3mm，深1mm的凹槽，凹槽內(nèi)安裝光闌片5，以便進(jìn)一步減小法拉第杯的入口直徑。具體結(jié)構(gòu)參見圖3。
實(shí)施例1在高真空模式中，測量法拉第杯中的樣品電流(ISC)1)本實(shí)施例利用圖2、圖3所示的試驗(yàn)裝置，應(yīng)用如下方法實(shí)現(xiàn)。將法拉第杯放置在環(huán)境掃描電鏡(ESEM)樣品室內(nèi)的樣品臺(tái)3上，通過導(dǎo)電膠帶或?qū)щ娔z使其與樣品臺(tái)連接，并使法拉第杯通過樣品臺(tái)良好接地。本實(shí)施例中ESEM選用的是FEI公司Quanta 200，工作距離，即環(huán)境掃描電鏡物鏡下表面到樣品之間的距離為7.7mm。
2)將ESEM抽真空，在ESEM的高真空操作模式下，當(dāng)環(huán)境壓力低于10-4Pa后給電子槍施加30kV加速電壓，以發(fā)射電子，在30kV的加速電壓作用下，電子槍發(fā)射出的電子(即入射電子)以較高的能量(1keV-30keV)輻照在法拉第杯的中心孔內(nèi)，在法拉第杯中激發(fā)產(chǎn)生二次電子信號、背散射電子信號和被法拉第杯所吸收的電子信號。
4)在樣品臺(tái)和地之間接入一個(gè)高靈敏度的微小電流測試儀(pA-表)，pA表的型號為HP 4140B，測量范圍±100V；±0.001×10-12A～±1.999×10-2A。用來檢測法拉第杯中的吸收電子對地的信號，即樣品電流(ISP)。為此，通過掃描電鏡樣品室側(cè)壁上的一個(gè)信號輸入接口，使樣品臺(tái)與pA-表接通，檢測樣品電流(ISP)。ISP值的大小及極性反映出樣品室內(nèi)的電荷極性(負(fù)電子或正離子)狀態(tài)，并與樣品的導(dǎo)電性能，以及樣品表面的形狀密切相關(guān)。
5)pA-表檢測到的ISP數(shù)據(jù)通過一個(gè)信號輸出接口輸入到計(jì)算機(jī)中。信號輸出接口帶有編程，進(jìn)行地址設(shè)定、數(shù)據(jù)編排，以及設(shè)定觸發(fā)時(shí)間、測量和中斷時(shí)間。通過計(jì)算機(jī)的控制程序，收集、存儲(chǔ)、顯示和處理數(shù)據(jù)流。本實(shí)施例中ISP信號接口及計(jì)算機(jī)為信號輸入接口HP16054A。信號輸出接口為帶有編程的HP IEEE標(biāo)準(zhǔn)IEEE488總線接口板，進(jìn)行地址設(shè)定、數(shù)據(jù)編排，以及設(shè)定觸發(fā)時(shí)間、測量時(shí)間和中斷時(shí)間?？刂瞥绦虿捎肏P VEE 4.0編寫，收集和處理數(shù)據(jù)流。
分別調(diào)節(jié)工作距離為10mm，12.5mm和15mm，重復(fù)上述步驟進(jìn)行試驗(yàn)。
測試結(jié)果及說明在高真空無氣體注入條件下測試的法拉第杯的ISC，具體測試結(jié)果見圖4。從圖4中可以看出ISC為負(fù)值，-5.73×10-10～-6.23×10-10A，變化范圍小且較穩(wěn)定。ISC隨工作距離的增加而減小。通過ISC的變化可計(jì)算出殘余氣體分子對入射電子的散射率(6.24-5.7)/6.24≅8.6%.]]>測試結(jié)果表明大部分入射電子已進(jìn)入法拉第杯中，ISC≅IPE.]]>實(shí)施例2在環(huán)境真空模式中，測量法拉第杯中的空間電荷電流(ISP)試驗(yàn)步驟與實(shí)施例1相同，只是環(huán)境壓力調(diào)為130Pa、200Pa、300Pa、400Pa、500Pa、600Pa和700Pa；環(huán)境氣體為水蒸汽和氧氣；加速電壓為30kV；工作距離分別為7.7mm，10mm，12.5mm和15mm。
(1)水蒸汽環(huán)境，改變壓力和工作距離，法拉第杯ISP測試值見圖5，結(jié)果表明(i)ISP均為正值，10-7A～10-8A，反映出樣品室的電荷環(huán)境主要被離子流所控制。這是由于在較高氣壓環(huán)境中，大量電子被散射，使法拉第杯中直接探測到的入射電子明顯減小，而散射電子產(chǎn)生的離子流明顯增加。
(II)ISP的變化反映出氣體離子化的效率，其峰值反映出離子化的飽和程度。
當(dāng)工作距離15mm，氣體壓力由130Pa增加到400Pa時(shí)，ISP不斷增加，表明離子化效率不斷提高，最高達(dá)10.4×10-8/2.9×10-8＝357.4％。當(dāng)壓力到達(dá)400Pa時(shí)，ISP達(dá)最大值1.04×10-7A，即到達(dá)氣體離子化的飽和點(diǎn)。此時(shí)入射電流(IPE)占空間電荷電流(ISP)6.08×10-10/1.04×10-7＝0.6％，ISP≅Iion.]]>壓力由400Pa增加到700Pa時(shí)，ISP下降了(10.4×10-8-6.94×10-8)/10.4×10-8＝33.3％，反映出過高的壓力增加了離子與電子的耦合概率，使Iion減小。工作距離為7.7mm，10mm和12.5mm時(shí)的ISP變化規(guī)律與15mm時(shí)的相似。
當(dāng)工作距離由15mm減小到12.5mm、10mm和7.7mm時(shí)，ISP峰值相應(yīng)減小了10.2％、14.3％和17.1％，峰值所對應(yīng)的壓力分別增加到450Pa，500Pa和700Pa。這反映出氣體壓力和工作距離共同決定了離子化的飽和程度和飽和點(diǎn)的位置。調(diào)整環(huán)境壓力或工作距離，均可得達(dá)到相同的環(huán)境電荷條件。因此(由此)ISP可為確定控制和優(yōu)化SEM成像的環(huán)境參數(shù)和操作參數(shù)提供依據(jù)。
(2)在氧氣環(huán)境中，改變壓力，法拉第杯ISP測試值如圖6所示。ISP的變化規(guī)律與水蒸汽環(huán)境中的相似。ISP為正值，在10-8A范圍變化。ISP峰值在工作距離10mm時(shí)為8.26×10-8A，所對應(yīng)的壓力為450Pa。這是由于O2和H2O電離能的不同影響了ISP的峰值和飽和點(diǎn)的壓力。從130Pa增加到450Pa時(shí)，ISP增加了426.1％，此時(shí)ISP約占ISP的6.08×10-10/8.26×10-8＝0.7％。從400Pa增加到700Pa時(shí)，ISP下降了(8.26×10-8-6.62×10-8)/8.26×10-8＝19.9％。
實(shí)施例3在環(huán)境真空模式中，測量樣品的空間電流(ISP)
測試金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的ISP的條件與實(shí)施例2中在水蒸汽中測試法拉第杯的相同，只是將法拉第杯改為樣品放置在樣品臺(tái)3上。
(1)金屬樣品的ISPCu-Zn合金的ISP測試結(jié)果如圖7所示。ISP的變化規(guī)律與法拉第杯的相似。所不同的是，不同壓力和不同工作距離的ISP峰值均比法拉第杯的高，最高為2.5×10-7A。這反映出，樣品中溢出的二次電子和背散射電子對氣體分子的電離作用，增加了樣品室內(nèi)的總離子流，使ISP提高。
(2)半導(dǎo)體樣品的ISP單晶Si樣品的ISP測試值見圖8。ISP的變化規(guī)律與Cu-Zn合金樣品的相似，但不同工作距離所對應(yīng)的ISP峰值均比Cu-Zn合金的小，最高為1.7×10-7A。這是由于半導(dǎo)體材料發(fā)射出的二次電子和背散射電子比金屬材料的少，從而降低了信號電子對氣體分子的電離效率，即減小了離子流。
(3)絕緣體樣品的ISP單晶Al2O3樣品的ISP測試值見圖9。變化規(guī)律與Cu-Zn合金和單晶硅樣品的相似。與金屬和半導(dǎo)體樣品相比，Al2O3樣品的ISP峰值最高，達(dá)3.3×10-7A，ISP變化幅度也最大。離子流增加反映出荷電效應(yīng)使樣品表面電勢增高，從而吸引了更多的離子向樣品表面移動(dòng)。此外，ISP值的不規(guī)則變化，也反映出絕緣材料表面積累的電荷引起的充、放電現(xiàn)象，以及荷電的中和過程。
在環(huán)境掃描電鏡(ESEM)中，采用高靈敏度的微小電流測試系統(tǒng)，測試法拉第杯和樣品的空間電荷電流ISP。ISP直接反映出ESEM樣品室內(nèi)由電子流和離子流所控制的電荷環(huán)境即法拉第杯的ISP反映出入射電子流和離子流所控制的電荷環(huán)境；金屬、半導(dǎo)體和絕緣體樣品的空間電荷電流ISP反映出入射電子流、信號電子流和離子流所控制的電荷環(huán)境。由ISP可確定ESEM在不同操作條件和環(huán)境條件下的離子化效率、離子化飽和程度，氣體分子對電子的散射率?？臻g電荷電流ISP可為監(jiān)控和優(yōu)化ESEM的成像參數(shù)及電鏡操作參數(shù)，補(bǔ)償非導(dǎo)電樣品表面荷電效應(yīng)，建立原位動(dòng)態(tài)觀察的最佳環(huán)境組合條件提供數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.環(huán)境掃描電鏡中電荷環(huán)境的測量方法，其特征在于，該方法是按以下步驟測量的1)將法拉第杯或樣品放置在環(huán)境掃描電鏡(ESEM)樣品室內(nèi)的樣品臺(tái)(3)上，并通過導(dǎo)電膠帶或?qū)щ娔z使其與樣品臺(tái)連接，并使法拉第杯或樣品通過樣品臺(tái)良好接地；2)對ESEM抽真空，在ESEM的高真空模式下，真空度優(yōu)于10-4Pa；在ESEM的環(huán)境真空模式下，真空度在130Pa-1000Pa范圍內(nèi)調(diào)整；3)當(dāng)真空度達(dá)到所選模式下的數(shù)值后，給電子槍施加1kV～30kV加速電壓，以發(fā)射電子；在加速電壓作用下，電子槍發(fā)射出的電子，即入射電子以1keV～30keV的能量輻照在法拉第杯或樣品上，在法拉第杯或樣品中激發(fā)產(chǎn)生二次電子信號、背散射電子信號和被樣品所吸收的電子信號；4)通過環(huán)境掃描電鏡樣品室側(cè)壁上的一個(gè)信號輸入接口，在樣品臺(tái)和地之間接入一個(gè)微小電流測試儀即pA-表，使樣品臺(tái)與pA-表接通，檢測法拉第杯或樣品中的樣品電流ISPo，即空間電荷電流。5)pA-表檢測到的ISP數(shù)據(jù)通過一個(gè)信號輸出接口輸入到計(jì)算機(jī)中，信號輸出接口帶有編程，進(jìn)行地址設(shè)定、數(shù)據(jù)編排，以及設(shè)定觸發(fā)時(shí)間、測量和中斷時(shí)間，通過計(jì)算機(jī)的控制程序，收集、存儲(chǔ)、顯示和處理數(shù)據(jù)流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境掃描電鏡中電荷環(huán)境的測量方法，其特征在于所述的樣品為金屬、半導(dǎo)體或者絕緣體。
全文摘要
本發(fā)明中涉及一種環(huán)境掃描電鏡中電荷環(huán)境的測量方法。該方法中采用一個(gè)高靈敏度的微小電流測試儀表(pA－表)和計(jì)算機(jī)，測量在電子束輻照下，在法拉第杯中，以及金屬、半導(dǎo)體和絕緣體中的樣品電流(I
文檔編號G01N23/225GK1873400SQ20061008951
公開日2006年12月6日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者吉元, 付景永, 張隱奇, 徐學(xué)東, 王麗, 韓曉東 申請人:北京工業(yè)大學(xué)