如何理解扫描电子显微镜(SEM)中的充电效应

文章来源：老千和他的朋友们

原文作者：孙千

扫描电子显微镜（SEM）已广泛用于材料表征、计量和过程控制的研究和先进制造中，我们在对半导体材料和结构进行观测时，常常会遇到充电效应，本文讨论了与样品充电相关的一些问题以及减轻其影响的方法。  

如何理解“充电效应”

粒子束仪器中的术语“充电”意味着当样品被粒子束照射时，样品表面或其附近的正或负电位的积累。充电会导致很多不良后果，只在少数情况下，它才可以为研究者所用。

表面充电会引起二次电子图像强度的不稳定，这导致二次电子系数和检测器效率的变化。表面电势的变化会导致放大率、电子束漂移、图像失真，甚至会影响X射线微区定量分析。此外，充电引起的所有问题都对测量数据质量有害。

通常，可将充电分成四大类:  

不充电：即导电样品，其中入射电子束可以容易地行进到接地电位；

不明显的充电：电荷积聚非常小，操作人员在对部分导电的接地样品进行成像和测量时不会轻易观察到明显的充电现象。这也是比较麻烦的情况，因为通常直到拍摄高倍显微照片后才被发现；

明显充电：部分导电的样品仍然允许有限的成像和测量；

完全不导电：即不接地的样品，这妨碍了任何有意义的成像或测量。

麦克斯韦（Maxwell）方程规定电荷必须守恒。在高加速电压下观察理想导电样品时，离开样品的背散射电子(背散射电子系数-η)和作为信号离开样品的二次电子(二次电子系数-δ)之和可能小于1，但必须与流向地面的电子相平衡，这可以作为样品电流进行测量。在理想情况下，测量的样品电流(Isc)是电子束能量(E)的函数，它与入射束电流的关系如下：

对于导电样品，通常就是这种情况。因此，当(η+δ)为1时，测得的Isc为零。

不幸的是，大多数感兴趣的样品的导电性并不理想。在大多数情况下，入射束电流和样品电流之间流向地面的电流是不同的。这些差异与电导率、离开样品的总信号以及残留的电荷数量有关：在非导体中，Isc=0，因此电荷可以累积；如果 η+δ<1，则会产生负电荷；如果 η+δ>1，则会产生正电荷。

在电荷累积的情况下，我们的目标是实现动态电荷平衡，使η+δ = 1，因此通过入射电子束注入样品的电子数量与作为信号离开样品的电子数量平衡。

在某些方面，充电是非常反复无常的，在某一台仪器中充电的样品，可能在另一台仪器中可能没有明显的充电现象。人们可以很容易地对样品进行大量充电，或者细微的充电可以在基本不被注意的情况下进行，并可能导致显著的测量误差。这种反复无常的性质很大程度上是由于充电的动态性质、SEM的多功能性、以及各种粒子束仪器中可用的各种几何形状和仪器条件。

充电现象的分类

在上面描述的四种一般情况中，严格地说，粒子束仪器中的充电现象可以归结为两种类型的样品条件，不带电和带电，它们很容易被识别。

2.1 不充电

高导电性样品（金属）将它吸收的所有电子引导到地，并且在图像采集期间或之后不会发生充电(即电势的变化)。显然，这是最理想的情况。但大部分感兴趣的样品导电性都不太好。甚至一些看似完全导电的金属样品，如铝，其表面可能有一层氧化层，可能会产生电荷。

2.2 充电

当一种材料不能有效地将入射电子束传递给它的能量传导到地面时，样品本身内部或周围的电势会积累(或变化)，进而会对成像和测量产生不利影响。样品可能会产生静电荷形成静电势，这取决于样品的电导率及其环境，可在真空中长时间保留。通常，会尽量让静电荷从样品中完全排出，这样由仪器的入射电子束引起的变化可以被更好地解释。

样品中积累的电荷代表一种势能，当它被耗尽时，样品达到一种更中和、更稳定、能量更低的状态。电气连接，包括因湿度引起的表面传导，都会对样品放电产生影响。

可能出现两种主要的充电类型:

2.3 负电荷(η+δ<1)

当撞击到样品上的大量电子被捕获在材料中并且负电位增加时，负电荷增加。这些负电荷的能量可以只有几伏，也可以和入射电子束的能量一样多，即几千伏。这种情况最常见的表现是图像出现“发亮”(更亮)或导致图像几何失真，因为电子束被意外偏转(图1)。

在其他情况下，可以看到边缘粘附的颗粒从样品上“脱落”——再也看不到了(直到它们落在镜筒中的关键部件上)。当电子束扫过它们时，突出的结构也会因为这种强烈的充电效应发生移动。

图1 金刚石芯片负充电效应示例。在1keV的低着陆能量（HFW4=36μm）下，充电现象极小(左图）。当着陆能量增加到10keV时（HFV=13μm），出现了强烈的充电现象(右图）。

由于大多数样品不完全导电，充电是常见的情况。负电荷是最明显和最麻烦的充电类型，在最极端的情况下，会干扰和偏转电子束，并导致不可容忍的图像失真。样品上的极端负电荷积累可能会导致入射电子束实际上转向并对样品室内部成像。样品表面积累的静电势场等于或高于入射电子束的电势。当入射电子束在样品上扫描时，由于受静电势场影响，它并不撞击样品，而是在整个样品室中偏转，激发了样品室内部部件的电子信号。当存在这种充电时，图像变得严重失真，并且当入射电子束在整个室中接近样品时被偏转。

倾斜样品可以将电子束导向不同的感兴趣的位置，这些行为似乎不会带来任何负面后果，一般来说，大多数充电的问题是几个电子伏特，在那里会发生细微的、不可识别的充电。

通常情况下，充电是显而易见的，但有时也相当微妙。负电荷积累对于尺寸测量来说是一个问题，因为它有可能使电子束偏转，使得电子束实际上落在离预定位置几纳米远的地方。根据具体的仪器参数和被测量的三维结构尺度大小，偏转量可以忽略，也可以大到无法忽略。

如图2所示，当电子束接近充电结构时，其轨迹可能改变，信号产生的落点和仪器扫描系统认为的落点可能不同，从而导致错误的数据和测量。该测量值的增量(δ)被夸大了，偏转量是可变的，取决于电势、充电样品的结构和电子束的着陆能量。

图2 充电效应导致电子束偏转的效果示意图

2.4 正电荷(η+δ>1)

当从样品中发射出的电子多于入射电子束所能提供的电子时，正电势就会增加。带正电荷的区域非但没有变亮，反而变暗，因为二次电子发射减少，许多二次电子被吸引回样品表面。正电荷使扫描区域变暗，这常常与污染物的积累相混淆。

正电荷远没有负电荷的积累有害，而且通常只限于几伏的电势。主要结果是损失了一些有价值的信号电子，因为它们被带正电的表面重新吸收。

如何判断充电

正负电荷可以很容易地诊断，以确定适当的着陆能量和样品的电导率：  

将仪器设置为合适的仪器操作条件；

找到一个感兴趣的区域，并以高倍数聚焦于该区域(放大倍数越高，充电的影响越严重)；

在选定区域内辐照样品几秒钟；

将放大倍数降低5倍，观察样品；

如果出现明亮的光栅图案(在放大倍率较低时可能会慢慢消失)，则可能是负电荷。因此，尝试将着陆能量降低100 eV。然后，在不同的位置重复该过程；

如果出现深色光栅图案，然后(可能)很快消失，则可能是正电荷(图3)。如果发生这种情况，将着陆能量提高几百伏。然后重复该过程；

如果黑色方块仍然存在，则正电荷不太可能，可能是由碳沉积引起的污染。  

减轻充电的方法

减轻充电的两种最常见方法是：低加速电压(低着陆能量)操作，以及用薄导电金属或碳层涂覆样品。

4.1 低加速电压成像

高亮度电子源（六硼化镧和场发射电子源）的出现，以及后来发展成当前数字成像电子设备的帧存储电子设备，推动了低加速电压成像的发展。非破坏性、低着陆能量操作在半导体制造中变得普遍，在半导体制造中，绝缘样品(如氧化物和光刻胶)在生产线上被常规观察。

一般来说，在低着陆能量下，当电子束撞击绝缘表面时，可以实现电荷平衡。在低(1-2 keV)着陆能量下，二次电子系数可能大于1。  

图3 电子发射总量曲线

对于大多数非导电材料，E1和E2是总电子发射等于1的点。人们认为E1和E2对于特定样品和所应用的一组仪器条件(着陆能量、束流、倾斜等)，是相对稳定的，因为它们是样品处于电荷平衡时的能量。此时，由入射电子束注入样品的电子数等于离开样品的电子总数，因此可能不会发生样品充电。

通常，样品可以承受的电压范围很小，最高可达E2值。E2是最稳定的值，通常选择用于无镀膜观察，因为它在更高的加速电压下被发现，因此能够为仪器提供更高分辨率的操作条件。然而，所需的最佳着陆能量总是取决于所需的样品信息。

高电压入射电子束将对样品中更深的层成像，而低电压将提供来自样品表面的更多信息，因此，需要妥协以最优化方案。此外，具有超低电压/高分辨率能力的新型粒子束仪器可以在E1工作，而不会对分辨率产生重大影响。

4.2 样品镀导电膜

传统上，用重金属、导电材料(金、金/钯和锇)覆盖非导电样品是克服充电的常用方法。镀膜还增加了样品的二次电子发射，尤其是当样品由低原子序数材料组成时。必须记住的一点是，如果样品有镀膜，信号主要是由作为保护层的镀膜产生的电子流产生的，而不一定是目标样品上的信号。

此外，还会导致无数的镀膜瑕疵，如开裂。如何镀膜一直是一个复杂的决定，这基于所需的电导率以及人们可以容忍的伪像程度。真空蒸发(金、金/钯)、磁控溅射涂覆(金、金/钯)或气相沉积都被使用过。对于EDS分析，镀碳膜通常也有助于减少充电，并减少分析中的定量误差。

连续镀膜可以减轻充电，但也会引入镀膜瑕疵，如表面细节的变化。相对于所施加的镀膜厚度，镀膜也增加了被观察结构的尺寸。因此，解释可能会受到影响。图6显示一种涂有几纳米锇镀层的纳米纤维素材料。请注意，纳米纤维素材料核心(透过镀膜观察)的预期直径约为6-7纳米，但其周围是几纳米厚的镀膜。因此，涂覆纳米颗粒可能会影响测量，尤其是对纳米颗粒和结构的测量。

其它解决方案

5.1 电荷中和

电荷的增加被能量非常低的离子束中和，离子的作用是在“离子零动能点”稳定表面电位，与绝缘表面的性质无关，这需要在样品附近安装和优化电荷中和装置，该装置位于SEM样品室中样品上方和物镜下方，但这种方法目前并不常用。在扫描氦离子显微镜中，有一个选择，即使用电子中和枪来中和由离子引起的正电荷。

5.2 快速、电视级成像

使用高亮度场发射电子显微镜进行快速扫描也可以缓解充电问题。如果在样品上放置一层电荷，并以比平均放电速率更快的扫描速率进行扫描，就可以达到电荷平衡。使用固定的电视扫描速率，每帧1155行，每秒15帧，即使在低着陆能量下也能提供合理的成像。

电视速率成像如今现在在大多数仪器上很常见。但是，具有良好信噪比的快速扫描概念的成功演示，证明了充电问题可以通过这种方式缓解。

5.3 背散射电子成像

SEM中电荷减少的最早方法之一是采用背散射电子收集，而不是二次电子收集。样品的充电对二次电子图像的影响远远大于更高能量的背散射电子。大多数实验室SEM都配备了SE探测器，SE检测器前面的收集屏偏压可以接地或负(反向)偏压，从而拒绝SE，只允许那些与检测器具有正确几何关系的高能BSE被收集。

5.4低损耗电子成像

低损耗电子成像属于背散射电子成像，其中背散射电子的能量过滤，即仅收集那些与样品最小程度相互作用的电子。这些低损耗电子已被证明具有更高的表面灵敏度和更低的表观电荷。总的来说，样品充电并没有消除，表面充电引起的电子束偏转仍然会发生——充电并没有消失，只是被忽略了。如果电荷积聚得足够多，入射电子束仍有可能偏转。

5.5 导电喷雾剂

在普遍使用高分辨率低着陆能量SEM之前，普遍使用“导电”喷雾来消除充电，但可能对仪器和样品造成污染。

结论

充电是非导电样品的成像不可避免的现象，但为了从SEM中获得有意义且可重复的数据，必须克服充电问题。镀导电膜只是一种解决方案，这可能导致伪像。过多的电荷积累容易使入射电子束偏转过大导致图像失真，而细微的电荷积累会使电子束轻微偏转，从而导致测量误差。

审核编辑：汤梓红