掃描電鏡s-8820常見問題分析

文/余廷義

1 掃描電鏡的工作原理

掃描電鏡是對樣品進行測試的一種大型儀器。電子槍發(fā)射的電子束在掃描電鏡鏡筒中，通過電磁透鏡聚焦和電場加速，入射到樣品中，束電子與樣品原子核或核外電子發(fā)生多種相互作用，從而產(chǎn)生各種反映樣品特征的信號。這些信號包括二次電子、背散射電子、吸收電子、透射電子、俄歇電子、電子電動勢、陰極熒光、X 射線等，這些信號能夠表征固體表面或內(nèi)部的某些物理或化學(xué)性質(zhì),它們是各類電子束顯微分析的物理基礎(chǔ)。

電子顯微鏡主要利用樣品中被激發(fā)出來的二次電子和背散射電子，其可以分為兩類：一類是SEM，全稱為掃描電子顯微鏡，又稱掃描電鏡，英文名Scanning Electronic Microscopy；另一類是TEM，全稱為透射電子顯微鏡，又稱透射電鏡，英文名Transmission Electron Microscope。

2 S-8820介紹

S-8820 是一種掃描電子顯微鏡，主要用于半導(dǎo)體測試芯片CD。測試范圍0.1-10μm，重復(fù)性為±1%，分辨率5nm，放大倍數(shù)為1000-150000。其主要結(jié)構(gòu)有電子光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號收集系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、機械傳片系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。

電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍、聚光鏡、物鏡和樣品室等部件組成。它的作用是將電子束聚焦成亮度高、直徑小的入射束來轟擊樣品，使樣品產(chǎn)生各種物理信號。掃描系統(tǒng)是掃描電鏡的特殊部件，它由掃描發(fā)生器和掃描線圈組成。信號收集系統(tǒng)由閃爍體、光導(dǎo)管和光電倍增管組成的部件。將各方向發(fā)射的二次電子匯集，再經(jīng)加速極加速，射向閃爍體上轉(zhuǎn)變成光信號。經(jīng)光導(dǎo)管到達光電倍增管，使光信號再次轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｕ婵障到y(tǒng)主要包括真空泵和真空腔體兩部分，真空腔體是一個密封的柱形容器。真空泵用來在真空柱內(nèi)產(chǎn)生真空，由三級真空泵組成，分別是機械泵、分子泵、離子泵。用于保持電子光學(xué)系統(tǒng)所需要的真空度，真空度的高與低真接關(guān)系燈絲的壽命、成像的質(zhì)量。傳片系統(tǒng)用于傳輸待測芯片，即把芯片從花籃取出送到樣品臺上，以及從樣片臺上取回放到程序設(shè)定的花籃里。

3 S-8820工作條件

設(shè)備需要的工作電壓是AC100，接入設(shè)備的電源電壓需要用變壓器轉(zhuǎn)換。由于電子顯微鏡需要用電磁來控制電子束，所以設(shè)備安裝環(huán)境應(yīng)該避免電磁干擾，同時也應(yīng)該防止有較大的震動。S-8820 正常工作時需要相對較高的真空調(diào)節(jié)，三個離子泵真空要求為：IP1 ≤2*10-7帕 ，IP2≤5*10-6帕 ，IP3≤ 5*10-6帕。

設(shè)備真空建立步驟：打開離子泵腔體與樣品腔體之間的手閥，使兩個腔體連通。開啟機械泵抽真空，同時打開腔體烘烤，當(dāng)真空低于1*10-2 帕?xí)r，開啟分子泵并連續(xù)烘烤24 小時后，便可以開啟離子泵，并關(guān)閉打開的手閥。

4 S-8820圖像問題分析

圖像問題可以分為有圖像和無圖像，有圖像時說明設(shè)備各個機械位置比較正和電路參數(shù)基本匹配，只是個別機械位置或電參數(shù)需要優(yōu)化調(diào)節(jié)。無圖像肯能是某個地方故障，或機械位置嚴(yán)重偏離。從成像原理來說，首先必須要足夠的真空度來保證電子光學(xué)系統(tǒng)所需的環(huán)境，然后電源系統(tǒng)提供足夠的電壓，電流形成足夠強的電子束，再者在電子線圈的控制下，把束流聚焦到樣品上，最終信號收集系統(tǒng)收集到所需電子形成圖像并顯示出來。因此，不管是哪一種問題，都可以從這些方面來找原因。

正常調(diào)節(jié)圖像的方法的前提是保證真空IP1 ≤2*10-7 帕 ，IP2 ≤5*10-6 帕，IP3 ≤ 5*10-6 帕，設(shè)置加速電壓-800V，設(shè)置probe電 流 為normal, 把stage 移 動 到ALP 位 置，把condenser lens 1，condenser lens 2 的接頭拔掉，把aperture 調(diào)到0,調(diào)節(jié)電子槍頂部XY 方向定位螺絲，直到把圖像調(diào)到最亮均勻，并在中央。調(diào)完成后再微調(diào)condenser lens 1、condenser lens 2 的機械位置，最后軟件調(diào)節(jié)axial alignment 1、axial alignment 2、stigma coil axial alignment 電參數(shù)。

要解決無圖像問題，首先按照正常的調(diào)節(jié)流程做一偏，如果依然沒有圖形可以肯定是由于故障引起。首先可以根據(jù)電子束對某些樣品有損傷的特性來判斷是否有電子束，如果有電子束則肯定是信號收集系統(tǒng)及顯示的問題，可以先查看光電倍增管是否正常，再判斷是顯示部分問題還是收集二次電子的問題；如果沒有電子束則需要檢查燈絲高壓、電流是否正常，aperture 是否有問題，AV1 是否真的打開。

5 S-8820使用注意事項

電鏡的工作條件包括很多，加速電壓、束流束斑、工作距離、光闌大小、明暗對比度、探測器的選擇等。任何電鏡都是加速電壓越高分辨率越高，但并非電壓越大越好。首先選擇的加速電壓不能對試樣產(chǎn)生明顯的輻照損傷或者荷電，其次加速電壓越高，雖然有更好的水平方向的分辨率，但卻丟失了很多表面細節(jié)。

掃描電子顯微鏡是一種要求較高的精密儀器，需要定期做一些必要的檢查及保養(yǎng)。首先真空度的好壞直接影響設(shè)備整體的狀態(tài)，因此要定期檢查真空部分的狀態(tài)，即包含各部分真空的值和真空設(shè)備運行如何。機械泵必須定期檢查運行狀態(tài)，是否缺少泵油。分子泵轉(zhuǎn)速非常高，在突然閃電的情況非常容易損壞，注意檢查分子泵控制器的備用電池是否正常，不正常一定要及時更換。其次電子光學(xué)系統(tǒng)需要定期檢查，以便圖像保持最佳狀態(tài)。