扫描电子显微镜（SEM）：EBIC/EBAC成像的基本原理、技术及应用案例

电子束感应电流 (EBIC) 和电子束吸收电流 (EBAC) 是除二次电子 (SE) 和背散射电子 (BSE) 成像外还可用于电子显微镜的成像技术。EBAC 通过图像对比度显示样品中的电流路径。它用于检测电气设备中的短路和断路。同样EBIC 显示样品中的电场主要用于表征半导体结。两者都需要与样品建立电连接并借助纳米探测解决方案来充分发挥其潜力。原理在电子显微镜中样品辐照、SE发射和背向散射之间的平衡会在样品中产生净吸收电荷可以是正电荷也可以是负电荷。因此样品接地至关重要因为样品吸收的电荷及其相关电流必须找到接地路径以防止样品带电。EBAC成像的核心思想是在样品电流的接地路径中放置一个电流传感装置以便在电子束扫描样品时对样品电流的变化进行成像。图 1 根据束流电子、SE 和 BSE 之间的平衡流向地面的净样本电流可以是正左或负右在最简单的EBAC实现中样本电流会被不加区分地收集在整个样本上。对比度是通过调整样本形貌和材料对SE产额进行调制来实现的。在这种情况下EBAC图像与SE非常相似尽管EBAC具有避免SE探测器有时会出现的屏蔽效应和非线性伪影的优势。图 2 最简单的 EBAC 成像实现不加区分地收集整个样本的样本电流。另一种或许也是最著名的EBAC成像模式也称为电阻对比成像RCI。样品接地与电流传感路径分开电流传感路径连接到样品的高导电区域通常是电子芯片的互连线。样品电流无论是否通过测量装置的竞争接地路径允许在纳米尺度上对样品的电连续性进行成像并检测埋藏导电层中的缺陷。图 3 在电阻对比成像中竞争接地路径用于对样品低电阻区域此处以黄色表示中收集的电流进行成像从而揭示电连续性。最后当样品通常是半导体双极结或肖特基结中存在电场时可能会产生电子束感应电流 (EBIC)。由一次电子束产生的电子空穴对被电场分离并在结两侧的竞争地上收集。在结处发生大电流放大收集到的信号不再依赖于二次电子/背散射产额。对比度直接取决于电场强度并且可以与材料的特性例如掺杂浓度或载流子迁移率联系起来。图4 电子束感生电流是指通过分离由初级电子产生的电子对使样品电流放大。这种情况发生在样品中存在内建电场的情况下。上述配置概述了扫描电子显微镜中EBIC/EBAC成像的基本原理。在该技术的高级应用中向样品施加偏置电压和电流可能会有所帮助。例如在EBIC测量中向结施加电压可以显著调节样品内部的电场从而可以研究实际工作条件下半导体器件中的击穿效应和场的空间分布等。电子束辐照材料会局部调制许多不同的电特性巧妙地利用样品偏压可以恢复这些效应。因此人们开发了许多技术通过结合样品偏压和电探测来满足特定的表征需求。在科学文献中经常会遇到诸如EBIV、EBIRCh、RCI、DI-EBAC和电流成像等术语。示例结果下面的例子展示了 SE 和 EBAC 成像的比较。图5石墨上金纳米粒子的同步SE EBAC成像。EBAC与SE成像的不同之处在于其“无方向性”信号收集以及背散射电子对对比度的贡献。图6先前EBAC显微照片的定量表示。采用1 nA满量程测量范围。注意EBAC电流如何改变金纳米颗粒和石墨基底之间的极性