電鏡學堂丨掃描電子顯微鏡的基本原理(二) - 像襯度形成原理

§3.   形貌襯度、原子序數(shù)襯度和二次電子、背散射電子的關系

目前，很多地方將二次電子圖像稱為形貌圖，將背散射電子圖像稱為成分圖，其實都不是非常嚴謹。從前面的介紹我們已經(jīng)知道，二次電子產(chǎn)額主要對形貌更敏感，背散射電子產(chǎn)額主要對成分更敏感；但二次電子圖像也能反映一定的成分襯度，背散射電子圖像也包含了一定的形貌襯度。因此無論是二次電子圖像還是背散射電子圖像，其實都始終是至少這兩種襯度的混合，后面還將討論其它襯度對兩種電子產(chǎn)額的影響。

將掃描電鏡中二次電子和背散射電子的各自特點總結成下表：

表 2-3   SE和 BSE的特點對比

在很多實驗交流中發(fā)現(xiàn)，很多人往往對二次電子比較了解而忽略了背散射電子，有的掃描電鏡甚至沒有配備背散射電子探測器，從而不能采集 BSE圖像。僅僅了解形貌襯度而忽略了原子序數(shù)襯度，把掃描電鏡僅僅當成了分辨率比光學顯微鏡更好的觀察形貌的儀器，這都是對掃描電鏡不夠了解，沒有充分發(fā)揮掃描電鏡的作用。   二次電子和背散射電子是掃描電鏡使用最多的兩種信號，形貌襯度和原子序數(shù)襯度也是樣品本身性質(zhì)中最常見的襯度。從表2-3中可以看出，兩種電子信號和兩種襯度之 間是相輔相成，缺一不可的。只有充分了解了兩種電子和兩種襯度之間的關系，才能將掃描電鏡充分發(fā)揮作用，從電鏡圖像中獲取更多的信息。如圖2-29，金屬材料斷口的 SE（左）和 BSE（右）圖像，結合SE 和 BSE圖像，綜合形貌襯度和成分襯度，可以對斷口的失效做出更快更準確的分析。

圖 2-29 斷口的 SE像和 BSE像

§4.   磁襯度

某些試樣，如鐵磁性材料中的磁疇、錄像磁帶的磁場或者集成電路上的薄膜導線會在試樣表面形成外延磁場。具有一定規(guī)律的二次電子會受到這種磁場的影響而偏轉形成某種襯度，這就是第一類磁襯度，表現(xiàn)為條紋型襯度。

背散射電子在樣品中的自由程較長，外界磁場就可能會影響兩次碰撞之間的軌跡，凡是軌跡彎向表面的電子易于逃逸出，相反，軌跡背離表面向內(nèi)部彎曲的電子不易逃逸出，最終造成η 不同而形成的襯度，這就是第二類磁襯度。

§5.   電位襯度

試樣表面若存在電位分布的差異，如半導體的P-N結、加偏壓的集成電路等，這些 局部電位的差異會影響二次電子的軌跡和強度。二次電子在正電位區(qū)域好像被拉住不易逸出，故在正電位區(qū)域二次電子產(chǎn)額較少, 在圖像上顯得較暗；相反在負電位區(qū)域，二次電子易被推出，產(chǎn)額較高，在圖像上顯得較亮，這就是電位襯度。我們可以用電位襯度來研究材料和器件的工藝結構。如圖2-30，是集成電路板在未加偏壓和加上偏壓的圖像。

圖 2-30 集成電路板在加偏壓前后的圖像

不過在通常的觀察中，具有明顯電位襯度的試樣并不多。不過隨著減速技術的普及，在減速模式中，有的電位襯度會被放大，從而使得樣品也能觀察到明顯的電位襯度。

此外，在半導體芯片的失效分析領域，電位襯度具有重要的作用。有的半導體芯片的某些特殊位置產(chǎn)生斷路、短路或者其它異常，這些位置往往并不在樣品表面，所以此時無論是表面的形貌襯度還是原子序數(shù)襯度均發(fā)揮不了太大的作用。而此時用電子束掃描樣品表面一段時間，如果芯片內(nèi)部存在缺陷，如圖 2-31，缺陷對應的表面位置的電位可能會和周圍不同，進而從圖像上表現(xiàn)出明顯的亮點或暗點。通過此種方法，可以對快速尋找芯片缺陷的位置，然后進一步對缺陷位置做其它處理，并進行進一步的分析。

圖 2-31 半導體芯片缺陷引起的電位襯度

§6.   電子通道襯度（ECC)

如果試樣是晶體的話，二次電子和背散射電子產(chǎn)額還和初始電子束與晶面的相對取向有關。晶體取向的不同會造成初始電子被試樣原子散射的機率產(chǎn)生差異，進而影響二次電子和背散射電子的產(chǎn)額，這就是電子通道襯度，又稱為ECC，如圖2-32。