掃描電鏡中的入射電子束和導電性差的樣品作用後，會在樣品表面產生過多的電子或者空穴，相應地在樣品表面形成不穩定電場，從而在掃描電鏡圖像中出現白色或者黑色的條紋、區域，這種現象通常被稱為
荷電效應。下面詳細介紹一下荷電效應的產生原因、影響和解決方法。一．荷電效應產生的原因
在掃描電鏡工作時，電子槍產生的高速電子束轟擊在樣品表面，同樣品表面原子相互作用，使原子核外電子電離形成二次電子，二次電子的產額率隨著加速電壓的不同而變化，具體變化趨勢如圖1所示。
圖1 二次電子產額率與加速電壓的關係
在加速電壓為V1和V2時二次電子的產額率為1，此時樣品不帶電。二次電子發射率高於或低於1時，樣品因吸收或者失去電子而帶有一定量的電荷。
若樣品導電性能良好，可迅速將電荷導出而呈現電中性；若樣品導電性能較差，則會因電荷聚集而產生局部充電現象，即荷電效應。
二．荷電效應的影響
1. 異常反差：二次電子發射受到電荷積累不規則的影響，會造成最終接收到的觀察圖像一部分異常亮，一部分變暗。
2. 圖像畸變：由於荷電產生的靜電場作用，使得入射電子束在照射過程中產生不規則偏轉，從而造成圖像畸變或者出現階段差。
3. 圖像漂移：由於靜電場的作用使得入射電子束往某個方向偏轉而形成圖像漂移。
4. 亮點與亮線：帶電試樣因電荷集聚的不規律性經常會發生不規則放電，結果圖像中出現不規則的亮點與亮線。
5. 圖像“很平”沒有立體感。
三．解決荷電效應的常用方法
1. 鍍膜
為了增加掃描電鏡樣品表面的導電性，主要有三種導電薄膜，分別為碳膜、白金膜和金膜。鍍膜的方式主要有兩種：離子濺射儀和真空鍍膜儀。金膜和白金膜一般採用離子濺射儀來蒸鍍；碳膜既可以用真空鍍膜儀也可以用離子濺射儀來進行蒸鍍。鍍膜效果的好壞與鍍膜儀的真空度密切相關，一般來說，真空度越高的鍍膜儀越容易在樣品表面形成顆粒細小、連續的導電薄膜。雖然鍍膜是增加樣品表面導電性最常用的方法，但是同樣有弊端。如果鍍膜的時間過長就會對試樣的表面造成汙染和損壞，會掩蓋試樣的真實形貌，造成假象。
圖2和圖3分別是光刻膠樣品鍍金前後的照片。可以看出鍍金後，荷電效應消除，並且可以得到清晰的圖像。
圖2鍍金前樣品的掃描圖像
圖3鍍金後樣品的掃描圖像
2. 採用低加速電壓進行觀察
調節電子槍加速電壓使其處於V 1或V2點，從而使得二次電子產額率為1，可以從根本上消除荷電效應的影響。但對於一種新材料，比較難快速準確的找到V1或V2值。表1給出了常見材料的V2值。從表中可以看出，大部分材料的V2值在小於3kV的低電壓範疇，所以對於不導電樣品，在V2值未知的情況下，採用低電壓進行觀察也可以明顯改善荷電效應。
表1
我們以測試一根頭髮絲為例，由圖4和圖5可見，當加速電壓由5KV降為1KV時，圖像基本無荷電效應，清晰的展示出頭髮絲的表面形貌。
圖4 5KV下頭髮絲的掃描圖像
圖5 1KV下頭髮絲的掃描圖像
3. 採用快速掃描方式採集圖樣
電子束在同一區域停留時間較長，容易引起電荷積累；所以可以加快電子束的掃描速度，在不同區域停留的時間變短，以減少荷電。
4. 採用背散射電子像來進行觀察
由於背散射電子的能量遠大於二次電子能量，當樣品表面存在輕微荷電時，由於荷電導致的樣品表面電場強度較弱，能量更高的背散射電子受到荷電電場的影響遠比二次電子小，因此，對於在二次電子像中存在輕微荷電的樣品，可以採用背散射電子像來避免荷電。
華慧高芯網-清華大學天津電子信息研究院高端光電芯片創新中心，等你來撩！芯片測試、表徵、微納加工！
閱讀更多 華慧高芯網 的文章
