第六章電子顯微術(shù)ppt課件

1、第六章第六章 掃描電子顯微書掃描電子顯微書Lettuce Field(16M DRAM)1. Resolution Improvement30kV1kV0.6 nm0.6 nm0.5 nm2.5 nm3.5 nm1.8 nmS-5200S-5000H S-5000Development of a new UHR Obj. LensNew S-4800 FE-SEM Resolution:1.0nm 15kV1.4nm 1kVObjective Movable ApertureModel S-3000NSpecimen StageCRTElectron GunSE DetectorSpecime

2、n ChamberO MT E MS E MVoltageHigh Voltage25300kVHigh Voltage0.530kVIlluminationSourceLightElectronElectronObservationIn AirIn VacuumIn VacuumLensGlassPole PiecePole PieceResolution5 0.1 m0.5 0.1 nm7 0.6 nmFocus Depth(X500)Shallow (23m)Deep (500m)Deep (0.11mm)x-rays AnalysisNot possiblePossiblePossib

3、le ColorColorBlack and WhiteBlack and WhiteMagnification1K1000K800KField of ViewLargeSmallLargeSpecimenPreparationEasyComplicatedEasySpecimen SizeLargeSmallLargeMetal coatingNot necessaryNot necessaryNecessaryImageTransmitted Imageor Surface ImageTransmitted ImageSurface Image H a r d w a r eS o f t

4、 w a r e P e r f o r m a n c eTypeCharacteristic第一節(jié)結(jié)構(gòu)原理掃描電鏡基本上是由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等四部分組成。在掃描電鏡中，電子槍發(fā)射出來的電子束，經(jīng)三個電磁透鏡聚焦后，成直徑20微米25的電子束。置于末級透鏡上部的掃描線圈能使電子束在試樣表面上做光柵狀掃描。試樣在電子束作用下，激發(fā)出各種信號，信號的強(qiáng)度取決于試樣表面的形貌、受激區(qū)域的成分和晶體取向。值得強(qiáng)調(diào)的是，入射電子束在試樣表面上是逐點掃描的，像是逐點記錄的，因此試樣各點所激發(fā)出來的各種信號都可記錄下來。給試樣的綜合分析帶來極大的方便。SE DetectorS

5、pecimenCRTCameraAmplifierImage SignalHigh VoltageDeflection CoilsDeflection AmplifierVacuum PumpFilamentWehneltElectron GunAnodeCondenser LensDeflection CoilsObjective LensSpecimen ChamberScanning Electron BeamMag. ControlPG1PG2FilamentCondenser Lens apertureOrificeNVVacuumGaugeVacuum controller (Re

6、al-time) Vacuum Vacuumcondition presetcondition presetRP1RP2DPLow VacuumConditionBSE detectorV8V6V9V3V4V1SpecimenV5V7High VacuumConditionV2ImageSampleObjective Lens(Illumination Source)LumpO MCondenser LensProjection LensScreenImageImageSampleSampleObjective LensElectron SourceCondenser LensDeflecti

7、on CoilsSE DetectorC R TT E MS E MFluorescent screenScanningFE TipTungsten Filament750mElectron SourceType of EmissionOperating Vacum (Pa)Brightness (A/cm2 str)Source Size (m)Energy Spred (eV)Life Time (h)Tungsten FilamentThermonicField EmissionCold FE10-510-810-85x105108300.012.00.2502000V= 2eVTung

8、sten FilamentV= 0.2eVFE TipWehneltAnodeElectron BeamV0Electron BeamV01st Anode2nd AnodeFlashing VoltageV1V0:Accelerating voltageV1: Extraction voltageBias Voltage Control Thermionic Emission( 6.5kV)Filament Current ControlFilamentIn-Lens Type (S-5200)In-Lens Type (S-5200)Primary BeamPrimary BeamLens

9、SE DetectorSE DetectorSpecimenSpecimenOut Lens Type (W-SEM, S-4300)Out Lens Type (W-SEM, S-4300)Primary BeamPrimary BeamLensSpecimenSE DetectorSnorkel Type (S-4700 & S-4800)Snorkel Type (S-4700 & S-4800)SE DetectorSE Detector( Upper )( Upper )SpecimenLensLensPrimary beamPrimary beamSE detect

10、orSE detector( Lower)( Lower)Focal LengthObjective LensObjective Movable ApertureSpecimenWorking DistanceElectron SourceElectron BeamLensLensPrimary beamPrimary beamUpperHigh ResolutionLowerTopographic ImageNon Conductive SamplesSelect Upper andSelect Upper andLower DetectorsLower DetectorsPrimarybe

11、amLensSEDetectorSpecimen )In-lens typePrimarybeamSEDetectorLensSpecimen )Conventional type(Out-Lens)SEDetector(Upper)SpecimenLensPrimarybeam )Snokel typeSEDetector(Lower)Hi-SEMS-4300S-4700S-5200Primary Electron Beam eeObjective LensBSE DetectorResidual GasHigh Pressure (1.0Pa270Pa） ）Non ConductiveSp

12、ecimenP Pr re es ss su ur re eMMe ea an n F Fr re ee e P Pa at th h1 10 0- -3 3P Pa a1 10 00 0mmmm1 13 3P Pa a1 10 0mmmm2 27 70 0P Pa a0 0. .5 5mmmmBeam DiameterBefore correctionObjective LensElectron SourceElectron BeamXYElectron BeamElectron SourceObjective LensStigmatorAfter correctionYXStigmator

13、Beam DiameterPhotomultiplierPrimary Electron BeamSpecimenPhotonsLight GuideSignalCRT+10kVSecondary ElectronPhosphorsAl Coating LayerPhoto Multiplier Tube第二節(jié)分辨率和放大倍數(shù)一、分辨率掃描電鏡的分辨率有兩重意義：對微區(qū)成分而言，它是指能分析的最小區(qū)域；對成像而言，它是指能分辨兩點之間的最小距離。這兩者主要決定入射電子束的直徑，但并不直接等于直徑。二是由所接收信號的激發(fā)區(qū)域半徑?jīng)Q定。二、放大倍數(shù)掃描電鏡的放大倍率M取決于顯像管熒光屏尺寸S2和入

14、射束在試樣表面掃描距離S1之比，即12SSM 三、入射電子在試樣內(nèi)的激發(fā)區(qū)域入射電子在被散射或吸收之前，將在試樣表面下的某個距離R范圍內(nèi)運(yùn)動，并激發(fā)各種射線。這些射線的能量或穿透能力各不相同，只有一定深度一定能量的射線才能逸出表面，被檢測到。對于一般元素而言，電子束與試樣作用，激發(fā)區(qū)域是一個梨形作用區(qū)。對重金屬而言，此激發(fā)區(qū)域是一個半球形區(qū)域。不同的信號來自此激發(fā)區(qū)內(nèi)不同的深度。BackscatteredBackscatteredElectronElectronSecondary ElectronSecondary ElectronVaccumVaccumSimons,et.alSimons,

15、et.al SEPrimary Electron BeamBSESpecimen特征X射線熒光X射線俄歇電子dZBZXZFRBRXRF各種信號發(fā)生的深度Z和廣度R）Secondary ElectronsCarrying Surface Information Of Specimen一 一一一一一一一一一一一一一一ZExcitation Depthfor SecondaryElectron Emission一一一Secondary ElectronsSESESecondary ElectronsCarrying Inner InformationOf SpecimenPrimary Electr

16、on BeamBSEBackscatteredElectronsSpecimen1kV2kV3kV1020304050(nm)BeamInvadingdepthPrimary Electron BeamSecondary ElectronBackscattered ElectronCathodeluminescenceSpecimen CurrentTransmitted ElectronElectron Beam Induced CurrentSecondary Electron Detector10nm(Excitation Volume for Secondary Electron Em

17、ission)Transmitted Electron (Scattered) Characteristic X-Ray第三節(jié) 電子束與試樣相互作用激發(fā)的各種信號及工作方式一、發(fā)射方式-二次電子 二次電子能量大致在030eV之間，多數(shù)來自表面層下部550深度之間。二次電子信號對試樣表面狀態(tài)非常敏感。二、反射方式-被反射電子 能量與入射電子能量相當(dāng)，來自表面層幾個微米的深度范圍。被反射電子信號可以顯示表面形貌，還可以顯示元素分布。三、吸收方式-吸收電子 吸收電子成像襯度與二次電子、被反射電子像襯度相反，可以顯示元素分布和表面形貌，尤其是裂縫內(nèi)部微觀形貌。四、透射方式-透射電子 透射電子中既有彈性

18、散射電子也有非彈性散射電子。其能量大小取決于試樣的性質(zhì)和厚度?？梢燥@示成分分布。五、俄歇電子方式-俄歇電子 能量極低，具有元素的特征能量，適合于做表層成分分析。六、X射線方式-特征X射線 高能入射電子轟擊固體試樣，就好像一只X射線管，試樣是其中的靶。特征X射線的波長因試樣元素不同而不同，其相對強(qiáng)度與元素含量有關(guān)。七、陰極發(fā)光方式-可見光 有些物質(zhì)在高能電子束轟擊下會發(fā)光，發(fā)光波長與雜質(zhì)原子和基體物質(zhì)有關(guān)。對發(fā)光光譜做波長分析，可以鑒別出基體物質(zhì)和所含的雜質(zhì)。用光電倍增管接收、成像就可以顯示雜質(zhì)及晶體缺陷分布情況。八、感應(yīng)信號方式-感應(yīng)電信號 半導(dǎo)體和絕緣體在高速電子束的轟擊下會在其中產(chǎn)生空穴-

19、電子對，感應(yīng)信號就是以此作信號的一種工作方式。這種方式可以顯示半導(dǎo)體、絕緣體的表面形貌、晶體缺陷、微等離子體和p-n結(jié)。10010,0001Energy of Electron (eV) Quantity of Electrons(Incident beam energy : 10,000eV)Secondary ElectronsBackscattered ElectronsScanning(Y)Scanning (X)lScanning Electron ProbeSpecimenScanning Electron Beam of CRTLPixelC R TMagnification :

20、( M)=L / l第四節(jié) 形貌象解釋二次電子產(chǎn)額強(qiáng)烈依賴于入射束與試樣表面法線間的夾角，也就是說，如果試樣表面是凸凹不平的話，法線與入射束夾角大的面發(fā)射的二次電子多，反之則少。其二是二次電子的實際收得率是呈角分布的。探測器愈是垂直于試樣表面，所收集到的二次電子數(shù)也就愈多。(a) =050Rr1(b) =4550Rr250Rr3(c) =65r3r2r1入射電子在試樣表層下50深度內(nèi)所經(jīng)路程隨面法線間夾角的變化 9090603003060試樣0204060 80246810接收的二次電子二次電子收得數(shù)角分布曲線二次電子收得數(shù)與入射束-試樣面法線間夾角分布曲線Focus Depth DeepFocus Depth ShallowSpecimen : Si on Photo Resist PatternAfter correctionBefore correctionSpecimen:Trachea of ratW filament SEMOut lens FE-SEMSnorkel lens FE-SEMIn-Lens FE-SEM0.5 1.0 10 300.51.01020Acc.(kV)Resolution (nm) High Accler