扫描电子显微镜 明暗不同说明什么问题

透射电子显微镜 1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM），电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。透射电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。这种切片需要用超薄切片机（ultramicrotome）制作。电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍、由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成。

2.扫描电子显微镜

扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）于20世纪60年代问世，用来观察标本的表面结构。其工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。

目前扫描电镜的分辨力为6~10nm，人眼能够区别荧光屏上两个相距0.2mm的光点，则扫描电镜的最大有效放大倍率为0.2mm/10nm=20000X。

VC作为一种常用的分析手段,在die level的失效分析中用的很多，比如在做去层分析到CT层次时，通过SEM图像的明暗来判断CT以下的结构（比如栅氧）是否有异常，通常会在Low KV（~0.7KV）和High KV（>5KV）下来检查。

在解释VC之前，先简单了解一下SEM成像的原理：

电子束经过加速，打到样品表面，会产生很多种信号，比如X射线，俄歇电子，二次电子，背散射电子等等，其中由于二次电子的成像分辨率比较高而广泛用于SEM成像。当入射电子打到样品表面时，会发生非弹性碰撞，一些核外的电子获得能量跑到样品表面，这些电子叫做二次电子， SEM机台内部的二次电子的探头检测这些二次电子从而成像。

下面进入正题：

我们通常用的基本上都是PVC（Passive voltage contrast），也就是说只需要借助SEM拍照就能实现，此外还有AVC（Active voltage contrast），这就需要SEM内的探针对IC加上偏置以后再检查VC图像。这次我们重点讨论PVC，以下简称VC。

既然SEM图像的明暗是由被探测器接收到二次电子的量来决定的，那二次电子的产生对于我们来说至关重要。二次电子的产率可以通过下面这张图来解释：

σ=Ns/Ne

Ns：发射出二次电子数目； Ne：入射电子数目；其中E1 大约在0.5KV，E2 大约在2KV。

1. 当发射二次电子数目Ns >入射二次电子数目Ne，对应上图绿色区域，此时发生的是positive charge由于能量守恒，此时会在样品表面累积正电荷；（对应Low KV下的VC。）

2. 当发射二次电子数目Ns <入射二次电子数目Ne，对应上图紫色区域，此时发生的是negative charge由于能量守恒，此时会在样品表面累积负电荷；（对应High KV下的VC。）

3. 当两者数目相等，此时没有电荷累积。

Positive VC 的情况:

1.对于floating的位置，由于累积了正电荷，在电场作用下，二次电子向下运动，从而很难被二次电子的探头探测到，此时成像就是暗色；

2.对于grounded的位置，由于没有电荷累积，二次电子被正常探测到，此时成像为亮色。

而在实际应用中，不仅仅存在floating/grounded 的情况，还有别的情况，比如通过CT连出来的N+ in P well, P+ in N well. 其实道理一样，如下：

3. N+ in P well：PN结对于正电荷反偏，这里的CT处会累积正电荷，并且成像偏暗；

4. P+ in N well：PN结对于正电荷正偏，这里的CT处无法累积大量的正电荷，并且成像较亮；

下面这张VC图片和LAYOUT一一对应的情况有助于理解：

Negative VC 的情况:

1. 对floating 的位置，负电荷累积会增加二次电子的接受率，因此显示为亮；

2. 对于grounded的位置，没有负电荷累积，二次电子接受率没有增加，显示为暗；

3. 对于N+ in P well，PN结对负电荷为正偏，不能累积大量负电荷，显示为较暗；

4. 对于P+ in N well，PN结对负电荷为反偏，负电荷累积，显示为较亮。

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