三、S4200扫描电镜的工作原理
1. S4200扫描电镜的结构
S4200扫描电镜由电子光学系统、扫描系统、信号检测与图象显示系统、真空系统和电源系统 等组成（图3）。
⑴电子光学系统
Theory of Scanning Electron Microscope
High VoltaRf
Camera
Rk^trun Gun
Anode- Coildtnser_ Lenx Deflection
Coih
Fihmcnl Wirlinclt
因丨区
--
C'ontroJ
Deflection
Coils
Deflection Amplifitr
IM'
*
Objective Ltnn—
Scanning kleclmn
Specimen
C. Chamber
nil
Specimeii
Vacuum Pump
Configu ration of a scanning electron microscope
图3.扫描电镜的结构原理
电子光学系统由电子枪、电磁透镜、光阑、物镜及试样室等部件组成。其作用是产生微细电 子束，作为激发源
使试样表面产生各种电子信息。
S4200采用的是冷场发射电子枪，具有阴极源尺寸小，分辨率高，亮度高，使用寿命长的特 点。
⑵扫描系统
扫描系统由扫描信号发生器、扫描放大控制器及扫描偏转线圈等组成。其作用是提供扫描信
号，使入射电子束在样品表面、显象管电子束在显示屏上同步扫描。 ⑶信号检测与图象显示系统
由不同的信号探测器与图象显示单元组成，其作用是探测试样在入射电子束作用下产生的信
号，经视频电路放大，作为显像管的调制信号，并在屏幕上显示出来。
S4200配有二次电子探测器、背散射信号探测器及用于微区成分分析的
器，主要用于试样的表面、剖面形貌观察及微区成分分析。 ⑷真空系统
X射线能谱分析探测
在扫描电镜中，为了避免或减少电子束与杂散气体分子碰撞及样品表面被污染，电子光学系
S4200是场发射扫描电镜，其电子枪的钨晶尖容易因
吸附气体分子，引起放电而被损坏，因此其对真空的要求更高。 S4200的真空由机械泵、油扩散泵
及离子泵三级真空系统组成。其中机械泵和油扩散泵负责样品交换室和样品室的真空（ 10-3Pa）,
统和样品室必须保持在高真空状态下。由于
离子泵负责电子枪腔体内的真空（
10-5-10-7Pa)
2■工作原理
如图3所示，从电子枪阴极发射出的电子束，受阳极电压加速，经电磁透镜作用，在样品表 面聚焦成小至1-10nm的入射电子束。在扫描线圈的作用下，电子束在样品表面作光栅状扫描。高 能电子与试样表面相互作用，
产生二次电子等信号，由检测器接受，经放大器放大并送到显像管 阴极射线管的栅极，用来调制显像管的亮度，在显示屏上获得其衬度与信号强度有对应关系的图 像。扫描发生器产生的锯齿波信号同步地送入电子光学系统中的扫描线圈和显象管的扫描线圈上， 因此，两者的电子束作同步扫描。所以，试样的表面形貌与显示屏上的图象是完全对应的。
3.形貌观察时二次电子成象的基本原理
由于样品表面的高低不平、凹凸不齐，当电子束照射到样品上，不同点的作用角也不同。如 图4所示，电子束在样品表面的入射角越大，激发产生的二次电子数就越多。另外，由于入射角 方向的不同，二次电子向空间散射的角度和方向也不同，因此，在样品的凸出部分和面向探测器 方向的二次电子就多一些，而样品的凹处和背向探测器方向的二次电子就少一些。总之，试样微 区的高低、形状、位臵和倾斜方向等这些与表面形貌密切相关的因素，最终就变成了不同强度的 二次电子信息。电子束在样品表面逐点扫描，就在相应部位产生不同数量的二次电子，反应在显 示屏上就是一组亮暗不同的象素，由这些象素组成完整的二次电子图象。
町)MI54H .2?￡1!&110±口啟5
图4二次电子产生率与电子束入射角的关系
4.S4200对样品分析的要求
⑴ 具有一定导电性能的固体样品，以避免样品荷电引起放电，降低图象质量。
⑵ 圆片分析需在裂片后进行，因此，S4200的SEM分析是破坏性分析，任何不能损坏的圆片样 品不能做SEM分析。
四、S4200 SEM分析实例
CgMC
1. 在线工艺监控一一QC片的分析
根据生产线上工艺设备控制计划，定期监控各关键生产设备的工艺结果。主要包括多晶 （Policide）、Al、接触孔、通孔、光刻胶的剖面形貌及
⑴Poly与Policide工艺监控
Photoresist
Poly
图 5. P5K-Poly A 腔的 Poly 剖面(2001.7)
A 腔的 Policide 剖面(2001.7)
CVD BPSG回流角的监控等。
Photoresist
WSi2
Poly
图 6. P5K-Poly
⑵接触孔、通孔及 MetAI形貌监控
图7.有源区上的接触孔剖面（2001.9） 图9.通孔（Via）的剖面形貌及金属台 阶覆盖（2001.9）
8. Poly上的接触孔剖面（2001.9）
图10. P5K-MetAl B腔的金属剖面 结构（2001.7）
图
CSNIC?船
2. 单项工艺实验片的分析
(W
Wuxi CSMC-HJ Co., Ltd.
无锡华晶上华半导体有限公司
Title: FMA实验室分析技术介绍
分析各工序工程师为菜单调试、材料更换、设备匹配等所做的各类工艺实验片 ⑴AlSiCu表面晶粒结构
实验
图11. 3912 300 C时的AlSiCu晶粒结构
图12. 3290 300 C时的AlSiCu晶粒结构
图11、12所示的是溅射两台设备 Endura3912、Varian3290在300C时所溅AlSiCu晶粒结构的表面 形貌。 由图中看出，3290由于设备真空度低，Al表面粗糙，有许多麻点孔，而 3912所溅的Al则表面光滑, 平整，晶粒
均匀。
3. 工艺开发、新品研制、整体形貌分析 ⑴SOG工艺开发
图13. SOG填充不良，膜内有空洞
图优化工艺后，SOG填充正常, 膜内无空洞。
14.
从图13、14中看出，SOG工艺开发初期，由于其填充性差，在 TEOS淀积后形成的“瓶肩”处出 现空洞。在优化工艺后，该问题已得到解决。
⑵0.5um Flash电路新品开发
图15.介质一太厚，CELL区接 触孔未开通。
图16.改变工艺，降低介质一厚 度，CELL区孔开通，且 Al台阶 覆盖良好。
12FMA实验室分析技术 - 图文
