扫描电镜s-8820常见问题分析

文/余廷义

1 扫描电镜的工作原理

扫描电镜是对样品进行测试的一种大型仪器。电子枪发射的电子束在扫描电镜镜筒中，通过电磁透镜聚焦和电场加速，入射到样品中，束电子与样品原子核或核外电子发生多种相互作用，从而产生各种反映样品特征的信号。这些信号包括二次电子、背散射电子、吸收电子、透射电子、俄歇电子、电子电动势、阴极荧光、X 射线等，这些信号能够表征固体表面或内部的某些物理或化学性质,它们是各类电子束显微分析的物理基础。

电子显微镜主要利用样品中被激发出来的二次电子和背散射电子，其可以分为两类：一类是SEM，全称为扫描电子显微镜，又称扫描电镜，英文名Scanning Electronic Microscopy；另一类是TEM，全称为透射电子显微镜，又称透射电镜，英文名Transmission Electron Microscope。

2 S-8820介绍

S-8820 是一种扫描电子显微镜，主要用于半导体测试芯片CD。测试范围0.1-10μm，重复性为±1%，分辨率5nm，放大倍数为1000-150000。其主要结构有电子光学系统、扫描系统、信号收集系统、真空系统、机械传片系统、电源系统。

电子光学系统由电子枪、聚光镜、物镜和样品室等部件组成。它的作用是将电子束聚焦成亮度高、直径小的入射束来轰击样品，使样品产生各种物理信号。扫描系统是扫描电镜的特殊部件，它由扫描发生器和扫描线圈组成。信号收集系统由闪烁体、光导管和光电倍增管组成的部件。将各方向发射的二次电子汇集，再经加速极加速，射向闪烁体上转变成光信号。经光导管到达光电倍增管，使光信号再次转变为电信号。真空系统主要包括真空泵和真空腔体两部分，真空腔体是一个密封的柱形容器。真空泵用来在真空柱内产生真空，由三级真空泵组成，分别是机械泵、分子泵、离子泵。用于保持电子光学系统所需要的真空度，真空度的高与低真接关系灯丝的寿命、成像的质量。传片系统用于传输待测芯片，即把芯片从花篮取出送到样品台上，以及从样片台上取回放到程序设定的花篮里。

3 S-8820工作条件

设备需要的工作电压是AC100，接入设备的电源电压需要用变压器转换。由于电子显微镜需要用电磁来控制电子束，所以设备安装环境应该避免电磁干扰，同时也应该防止有较大的震动。S-8820 正常工作时需要相对较高的真空调节，三个离子泵真空要求为：IP1 ≤2*10-7帕 ，IP2≤5*10-6帕 ，IP3≤ 5*10-6帕。

设备真空建立步骤：打开离子泵腔体与样品腔体之间的手阀，使两个腔体连通。开启机械泵抽真空，同时打开腔体烘烤，当真空低于1*10-2 帕时，开启分子泵并连续烘烤24 小时后，便可以开启离子泵，并关闭打开的手阀。

4 S-8820图像问题分析

图像问题可以分为有图像和无图像，有图像时说明设备各个机械位置比较正和电路参数基本匹配，只是个别机械位置或电参数需要优化调节。无图像肯能是某个地方故障，或机械位置严重偏离。从成像原理来说，首先必须要足够的真空度来保证电子光学系统所需的环境，然后电源系统提供足够的电压，电流形成足够强的电子束，再者在电子线圈的控制下，把束流聚焦到样品上，最终信号收集系统收集到所需电子形成图像并显示出来。因此，不管是哪一种问题，都可以从这些方面来找原因。

正常调节图像的方法的前提是保证真空IP1 ≤2*10-7 帕 ，IP2 ≤5*10-6 帕，IP3 ≤ 5*10-6 帕，设置加速电压-800V，设置probe电 流 为normal, 把stage 移 动 到ALP 位 置，把condenser lens 1，condenser lens 2 的接头拔掉，把aperture 调到0,调节电子枪顶部XY 方向定位螺丝，直到把图像调到最亮均匀，并在中央。调完成后再微调condenser lens 1、condenser lens 2 的机械位置，最后软件调节axial alignment 1、axial alignment 2、stigma coil axial alignment 电参数。

要解决无图像问题，首先按照正常的调节流程做一偏，如果依然没有图形可以肯定是由于故障引起。首先可以根据电子束对某些样品有损伤的特性来判断是否有电子束，如果有电子束则肯定是信号收集系统及显示的问题，可以先查看光电倍增管是否正常，再判断是显示部分问题还是收集二次电子的问题；如果没有电子束则需要检查灯丝高压、电流是否正常，aperture 是否有问题，AV1 是否真的打开。

5 S-8820使用注意事项

电镜的工作条件包括很多，加速电压、束流束斑、工作距离、光阑大小、明暗对比度、探测器的选择等。任何电镜都是加速电压越高分辨率越高，但并非电压越大越好。首先选择的加速电压不能对试样产生明显的辐照损伤或者荷电，其次加速电压越高，虽然有更好的水平方向的分辨率，但却丢失了很多表面细节。

扫描电子显微镜是一种要求较高的精密仪器，需要定期做一些必要的检查及保养。首先真空度的好坏直接影响设备整体的状态，因此要定期检查真空部分的状态，即包含各部分真空的值和真空设备运行如何。机械泵必须定期检查运行状态，是否缺少泵油。分子泵转速非常高，在突然闪电的情况非常容易损坏，注意检查分子泵控制器的备用电池是否正常，不正常一定要及时更换。其次电子光学系统需要定期检查，以便图像保持最佳状态。