CN1873400A - 环境扫描电镜中电荷环境的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明中涉及一种环境扫描电镜中电荷环境的测量方法。该方法中采用一个高灵敏度的微小电流测试仪表(pA－表)和计算机，测量在电子束辐照下，在法拉第杯中，以及金属、半导体和绝缘体中的样品电流(I_SC)，即空间电荷电流(I_SP)，确定环境扫描电镜(ESEM)样品室中气体压力、气体离子化效率、离子化饱和度，以及气体对电子的散射率等。以此评价ESEM样品室内由电子流和离子流所控制的电荷环境，优化ESEM的成像条件，包括环境参数(压力、气氛、湿度)，以及操作参数(加速电压、工作距离等)，研究荷电补偿条件及荷电动态平衡条件，以获得高质量的图像。

Description

环境扫描电镜中电荷环境的测量方法

技术领域

本发明涉及一种环境扫描电镜中电荷环境的测量方法，利用本方法可以测量法拉第杯和样品中的样品电流，即空间电荷电流。

背景技术

普通扫描电镜(SEM)不能直接观察非导电样品，因为辐照在非导电样品表面的高能入射电子不能通过非导体接地导走，电荷在样品表面积累，产生充电、放电现象，即产生荷电效应。荷电效应会使扫描图像产生畸变或异常衬度，还会给成分分析带来误差，所以只有对非导电样品进行导电处理，才能采用普通扫描电镜对其进行观察。基于上述缺陷，在20世纪80年代后期发展起来了一种新型环境扫描电镜(ESEM)。采用ESEM，可直接观察非导电样品，而不必对样品进行导电处理。ESEM的基本原理是进行荷电补偿，即向SEME样品室通入气体，气体分子被入射电子及信号电子电离，产生大量正离子去中和非导电样品表面积累的负电荷，有效地补偿荷电效应。此外ESEM还可以实现原位反应和动态观察，因而得到广泛应用。其主要特点有：1)ESEM样品室压力调节范围大，可在10Pa-2600Pa调节；2)ESEM样品室内可以通入水蒸汽、Ar、N₂，CO₂、O₂等多种气体；3)ESEM可配置加热台、冷却台、微注入等装置，构成一个微型实验室。通过调整压力、气氛、温度和湿度，实现动态观察多种材料体系的微观形貌特征及化学反应过程，进行微观反应过程及合成机理等基础研究。

材料在属性、结构、成分、表面形态及制备方法等方面存在着差异，因此在对非导电样品进行荷电补偿和动态观察时，需要选择不同的成像参数，包括环境参数(压力、气氛、温度、湿度等)、扫描电镜操作参数(加速电压、入射电流、工作距离等)。

由于ESEM样品室内注入了气体，样品室内的电子、气体和固体样品之间相互作用，形成了一个复杂的动态电荷环境。主要包括：入射电子、信号电子(二次电子和背散射电子)与气体分子碰撞而受到气体的散射作用；气体分子被电子电离产生的正离子与电子的中和作用；离子场对二次电子的场助级联放大作用等。这些过程和相互作用都直接影响着ESEM的成像质量和观察效果。

ESEM目前还处于发展和完善阶段，ESEM观察和分析样品所采用的各种成像参数是通过实验确定，还不能做到测量和监控样品室内的电荷环境。

发明内容

本发明中提供了一种环境扫描电镜中电荷环境的测量方法，该方法能够测量法拉第杯和样品中的样品电流，即空间电荷电流，以此评价ESEM样品室内由电子流和离子流所控制的电荷环境，优化ESEM的成像条件，研究荷电补偿条件及荷电动态平衡条件，以获得高质量的图像。

本发明中环境扫描电镜中电荷环境的测量方法，该方法是按如下步骤测量的：

1)将法拉第杯或样品放置在环境扫描电镜(ESEM)样品室内的样品台3上，通过导电胶带或导电胶使其与样品台连接，并使法拉第杯或样品通过样品台良好接地。

2)将ESEM抽真空。在ESEM的高真空操作模式下，真空度优于10^-4Pa；在ESEM的环境真空操作模式下，真空度一般在130Pa-1000Pa范围调整。

3)当真空度达到选定值后，给电子枪施加1kV-30kV加速电压，以发射电子，在加速电压作用下，电子枪发射出的电子(即入射电子)以较高的能量(1keV-30keV)辐照在法拉第杯或样品上，在法拉第杯中和样品中激发产生二次电子信号、背散射电子信号和被样品所吸收的电子信号。

4)在样品和地之间接入一个高灵敏度的微小电流测试仪(pA-表)，就可以检测到法拉第杯或样品中的吸收电子对地的信号，即样品电流(I_SP)。为此，通过扫描电镜样品室侧壁上的一个信号输入接口，使样品台与pA-表接通，检测I_SP。I_SP值的大小及极性反映出样品室内由负电子或正离子所控制的电荷状态，并与样品的导电性能，以及样品的形状密切相关。

5)pA-表检测到的I_SP数据通过一个信号输出接口输入到计算机中。信号输出接口带有编程，进行地址设定、数据编排，以及设定触发时问、测量和中断时间。通过计算机的控制程序，收集、存储、显示和处理数据流。

空间电荷电流(I_SP)的测试原理：在以电子束为基础的分析仪器中，如扫描电镜、电子探针、俄歇电子谱仪等，通常可以在仪器中配置一个法拉第杯来检测入射电子流。在SEM中，一般是将法拉第杯装配在物镜下方，当入射电子的加速电压在lkV-30kV范围变化时，通过探测法拉第杯，可探测到在10^-6A-10^-12A范围变化的入射电流。

在普通扫描电镜(SEM)中根据电流的结点守恒定律，在电子束的辐照作用下，样品表面接收到的入射电流I_PE等于入射电子从样品内激发产生的二次电流I_SE、背散射电流I_BSE，和样品电流I_SC之和，见公式(1)。I_SC，即样品对地的电流信号，可以通过在样品和地之间接入的一个高灵敏度的微小电流测试仪表(pA-表)来测量。

                    I_PE＝I_SE+I_BSE+I_SC                        (1)

测试法拉第杯的样品电流时，将法拉第杯放在样品台上，而不是在物镜下方。将入射电子设定在定点操作模式，使入射电子直接进入到法拉第杯的杯体内。由于法拉第杯的杯体深、直径小，入射电子在杯体内激发产生的I_BSE和I_SE，经过弹性和非弹性散射后，仍不能溢出法拉第杯，而被法拉第杯所吸收。由此法拉第杯的样品电流I_SC约等于入射电流I_PE，即：

$I_{\mathrm{SE}}\≅0,$ $I_{\mathrm{BSE}}\≅0$

则：

$I_{\mathrm{SC}}\≅I_{\mathrm{PE}}---\left(2\right)$

在环境扫描电镜(ESEM)中，真空系统可分为高真空模式(优于10^-4Pa)、低真空模式(13Pa-130Pa)和环境真空模式(130Pa-2600Pa)。在低真空和环境真空条件下，样品表面除了受到电子流的作用，还受到气体电离后形成的离子流的作用。由此，入射电子流I_PE、离子流I_ion、I_SE、I_BSE和I_SC之间的关系如公式(3)和图1所示。

                I_PE+I_ion＝I_SE+I_BSE+I_SC                      (3)

高真空模式与普通扫描电镜的高真空系统相似，因此样品室内残余气体分子很少，可忽略气体电离后形成的离子流的作用。

测试样品的空间电荷电流(I_SP)时，入射电子在样品表面做光栅状扫描。在低真空模式和环境真空模式中，除了入射电子，入射电子在样品中激发产生的二次电子和背散射电子也会使气体电离。由于金属、半导体和绝缘体样品的电导性不同，所产生的二次电子产额和背散射电子发射系数也不同，从而引起的空间电荷电流发生变化。

检测法拉第杯的I_SC时，入射电子设定在定点操作模式，使电子进入法拉第杯的中心孔内。所测I_SC为入射电子流和离子流的综合反映，即空间电荷电流I_SP，如公式(4)所示。因此通过测量I_SP，即可评价ESEM样品室内由电子和离子所控制的电荷环境。

                   I_SP＝I_PE+I_ion                    (4)

本发明中采用一个高灵敏度的微小电流测试仪表(pA-表)和计算机，测量在电子束辐照下，在法拉第杯中，以及金属、半导体和绝缘体中的样品电流(I_SC)，即空间电荷电流(I_SP)，确定环境扫描电镜(ESEM)样品室中气体压力、气体离子化效率、离子化饱和度，以及气体对电子的散射率等。以此评价ESEM样品室内由电子流和离子流所控制的电荷环境，优化ESEM的成像条件，包括环境参数(压力、气氛、湿度)，以及操作参数(加速电压、工作距离等)，研究荷电补偿条件及荷电动态平衡条件，以获得高质量的图像。

附图说明

图1在环境扫描电镜(ESEM)中，电子、离子和样品的相互作用。

图2环境扫描电镜(ESEM)及I_SP测试装置示意图

图3法拉第杯

图4在高真空模式中，法拉第杯的I_SC值

图5在环境真空模式的水蒸气环境中，法拉第杯的I_SP

图6在环境真空模式的氧气环境中，工作距离10mm的法拉第杯的I_SP

图7在环境真空模式的水蒸气环境中，Cu-Zn合金样品的I_SP值

图8在环境真空模式的水蒸气环境中，单晶硅样品的I_SP值

图9在环境真空模式的水蒸气环境中，单晶Al₂O₃样品的I_SP值

图中，1、pA-表，2、法拉第杯，3、样品台，4、法拉第杯主体，5、光阑片。

具体实施方式

应用上述方法，本发明分别对不同环境下对法拉第杯和样品进行了空间电荷的测量。

在实施例1、实施例2中，法拉第杯由法拉第杯主体4和光阑片5组成。法拉第杯主体4由Cu-Zn合金材料制成，外径12mm，高10mm，中心孔4直径1mm，深6mm。Mo光阑片外径为3mm，中心孔直径0.2mm。在法拉第杯主体4的表面，开出一个直径3mm，深1mm的凹槽，凹槽内安装光阑片5，以便进一步减小法拉第杯的入口直径。具体结构参见图3。

实施例1：在高真空模式中，测量法拉第杯中的样品电流(I_SC)

1)本实施例利用图2、图3所示的试验装置，应用如下方法实现。将法拉第杯放置在环境扫描电镜(ESEM)样品室内的样品台3上，通过导电胶带或导电胶使其与样品台连接，并使法拉第杯通过样品台良好接地。本实施例中ESEM选用的是FEI公司Quanta 200，工作距离，即环境扫描电镜物镜下表面到样品之间的距离为7.7mm。

2)将ESEM抽真空，在ESEM的高真空操作模式下，当环境压力低于10^-4Pa后给电子枪施加30kV加速电压，以发射电子，在30kV的加速电压作用下，电子枪发射出的电子(即入射电子)以较高的能量(1keV-30keV)辐照在法拉第杯的中心孔内，在法拉第杯中激发产生二次电子信号、背散射电子信号和被法拉第杯所吸收的电子信号。

4)在样品台和地之间接入一个高灵敏度的微小电流测试仪(pA-表)，pA表的型号为HP 4140B，测量范围±100V；±0.001×10^-12A～±1.999×10^-2A。用来检测法拉第杯中的吸收电子对地的信号，即样品电流(I_SP)。为此，通过扫描电镜样品室侧壁上的一个信号输入接口，使样品台与pA-表接通，检测样品电流(I_SP)。I_SP值的大小及极性反映出样品室内的电荷极性(负电子或正离子)状态，并与样品的导电性能，以及样品表面的形状密切相关。

5)pA-表检测到的I_SP数据通过一个信号输出接口输入到计算机中。信号输出接口带有编程，进行地址设定、数据编排，以及设定触发时间、测量和中断时间。通过计算机的控制程序，收集、存储、显示和处理数据流。本实施例中I_SP信号接口及计算机为：信号输入接口HP16054A。信号输出接口为带有编程的HP IEEE标准IEEE488总线接口板，进行地址设定、数据编排，以及设定触发时间、测量时间和中断时间。控制程序采用HP VEE 4.0编写，收集和处理数据流。

分别调节工作距离为10mm，12.5mm和15mm，重复上述步骤进行试验。

测试结果及说明：在高真空无气体注入条件下测试的法拉第杯的I_SC，具体测试结果见图4。从图4中可以看出I_SC为负值，-5.73×10^-10～-6.23×10^-10A，变化范围小且较稳定。I_SC随工作距离的增加而减小。通过I_SC的变化可计算出残余气体分子对入射电子的散射率： $(6.24-5.7)/6.24\≅8.6\%.$ 测试结果表明大部分入射电子已进入法拉第杯中， $I_{\mathrm{SC}}\≅I_{\mathrm{PE}}.$

实施例2：在环境真空模式中，测量法拉第杯中的空间电荷电流(I_SP)

试验步骤与实施例1相同，只是环境压力调为130Pa、200Pa、300Pa、400Pa、500Pa、600Pa和700Pa；环境气体为水蒸汽和氧气；加速电压为30kV；工作距离分别为7.7mm，10mm，12.5mm和15mm。

(1)水蒸汽环境，改变压力和工作距离，法拉第杯I_SP测试值见图5，结果表明：

(i)I_SP均为正值，10^-7A～10^-8A，反映出样品室的电荷环境主要被离子流所控制。这是由于在较高气压环境中，大量电子被散射，使法拉第杯中直接探测到的入射电子明显减小，而散射电子产生的离子流明显增加。

(II)I_SP的变化反映出气体离子化的效率，其峰值反映出离子化的饱和程度。

当工作距离15mm，气体压力由130Pa增加到400Pa时，I_SP不断增加，表明离子化效率不断提高，最高达10.4×10^-8/2.9×10^-8＝357.4％。当压力到达400Pa时，I_SP达最大值1.04×10^-7A，即到达气体离子化的饱和点。此时入射电流(I_PE)占空间电荷电流(I_SP)：6.08×10^-10/1.04×10^-7＝0.6％， $I_{\mathrm{SP}}\≅I_{\mathrm{ion}}.$ 压力由400Pa增加到700Pa时，I_SP下降了(10.4×10^-8-6.94×10^-8)/10.4×10^-8＝33.3％，反映出过高的压力增加了离子与电子的耦合概率，使I_ion减小。工作距离为7.7mm，10mm和12.5mm时的I_SP变化规律与15mm时的相似。

当工作距离由15mm减小到12.5mm、10mm和7.7mm时，I_SP峰值相应减小了10.2％、14.3％和17.1％，峰值所对应的压力分别增加到450Pa，500Pa和700Pa。这反映出气体压力和工作距离共同决定了离子化的饱和程度和饱和点的位置。调整环境压力或工作距离，均可得达到相同的环境电荷条件。因此(由此)I_SP可为确定控制和优化SEM成像的环境参数和操作参数提供依据。

(2)在氧气环境中，改变压力，法拉第杯I_SP测试值如图6所示。I_SP的变化规律与水蒸汽环境中的相似。I_SP为正值，在10^-8A范围变化。I_SP峰值在工作距离10mm时为8.26×10^-8A，所对应的压力为450Pa。这是由于O₂和H₂O电离能的不同影响了I_SP的峰值和饱和点的压力。从130Pa增加到450Pa时，I_SP增加了426.1％，此时I_SP约占I_SP的6.08×10^-10/8.26×10^-8＝0.7％。从400Pa增加到700Pa时，I_SP下降了(8.26×10^-8-6.62×10^-8)/8.26×10^-8＝19.9％。

实施例3：在环境真空模式中，测量样品的空间电流(I_SP)

测试金属、半导体和绝缘体的I_SP的条件与实施例2中在水蒸汽中测试法拉第杯的相同，只是将法拉第杯改为样品放置在样品台3上。

(1)金属样品的I_SP：Cu-Zn合金的I_SP测试结果如图7所示。I_SP的变化规律与法拉第杯的相似。所不同的是，不同压力和不同工作距离的I_SP峰值均比法拉第杯的高，最高为2.5×10^-7A。这反映出，样品中溢出的二次电子和背散射电子对气体分子的电离作用，增加了样品室内的总离子流，使I_SP提高。

(2)半导体样品的I_SP：单晶Si样品的I_SP测试值见图8。I_SP的变化规律与Cu-Zn合金样品的相似，但不同工作距离所对应的I_SP峰值均比Cu-Zn合金的小，最高为1.7×10^-7A。这是由于半导体材料发射出的二次电子和背散射电子比金属材料的少，从而降低了信号电子对气体分子的电离效率，即减小了离子流。

(3)绝缘体样品的I_SP：单晶Al₂O₃样品的I_SP测试值见图9。变化规律与Cu-Zn合金和单晶硅样品的相似。与金属和半导体样品相比，Al₂O₃样品的I_SP峰值最高，达3.3×10^-7A，I_SP变化幅度也最大。离子流增加反映出荷电效应使样品表面电势增高，从而吸引了更多的离子向样品表面移动。此外，I_SP值的不规则变化，也反映出绝缘材料表面积累的电荷引起的充、放电现象，以及荷电的中和过程。

在环境扫描电镜(ESEM)中，采用高灵敏度的微小电流测试系统，测试法拉第杯和样品的空间电荷电流I_SP。I_SP直接反映出ESEM样品室内由电子流和离子流所控制的电荷环境：即法拉第杯的I_SP反映出入射电子流和离子流所控制的电荷环境；金属、半导体和绝缘体样品的空间电荷电流I_SP反映出入射电子流、信号电子流和离子流所控制的电荷环境。由I_SP可确定ESEM在不同操作条件和环境条件下的离子化效率、离子化饱和程度，气体分子对电子的散射率。空间电荷电流I_SP可为监控和优化ESEM的成像参数及电镜操作参数，补偿非导电样品表面荷电效应，建立原位动态观察的最佳环境组合条件提供数据。

Claims (2)

1、环境扫描电镜中电荷环境的测量方法，其特征在于，该方法是按以下步骤测量的：

1)将法拉第杯或样品放置在环境扫描电镜(ESEM)样品室内的样品台(3)上，并通过导电胶带或导电胶使其与样品台连接，并使法拉第杯或样品通过样品台良好接地；

2)对ESEM抽真空，在ESEM的高真空模式下，真空度优于10^-4Pa；在ESEM的环境真空模式下，真空度在130Pa-1000Pa范围内调整；

3)当真空度达到所选模式下的数值后，给电子枪施加1kV～30kV加速电压，以发射电子；在加速电压作用下，电子枪发射出的电子，即入射电子以1keV～30keV的能量辐照在法拉第杯或样品上，在法拉第杯或样品中激发产生二次电子信号、背散射电子信号和被样品所吸收的电子信号；

4)通过环境扫描电镜样品室侧壁上的一个信号输入接口，在样品台和地之间接入一个微小电流测试仪即pA-表，使样品台与pA-表接通，检测法拉第杯或样品中的样品电流I_SPo，即空间电荷电流。

5)pA-表检测到的I_SP数据通过一个信号输出接口输入到计算机中，信号输出接口带有编程，进行地址设定、数据编排，以及设定触发时间、测量和中断时间，通过计算机的控制程序，收集、存储、显示和处理数据流。

2、根据权利要求1所述的环境扫描电镜中电荷环境的测量方法，其特征在于：所述的样品为金属、半导体或者绝缘体。

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