專利名稱：絕緣材料荷電的測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在掃描電子顯微鏡中，對絕緣材料表面荷電的測量和評價方法。
目前在掃描電鏡中采用的消除非導電樣品表面荷電效應(yīng)的主要方法有1、樣品表面的導電處理在非導電樣品表面噴鍍一層金屬膜(Au，Ag，Pd等)，或碳膜。在入射電子的輻照下，連續(xù)的導電膜使樣品與地相連，從而避免了電荷在絕緣材料表面因積累而充電。然而，導電膜對樣品的成像及微區(qū)元素分析均可能造成一些不利影響。例如，噴鍍的導電膜可能會掩蓋樣品表面的某些真實細節(jié)，形成贗像，還給成分分析帶來誤差。此外，導電膜的鍍膜工藝也應(yīng)嚴格控制。如果鍍膜時間過長，會給導熱性能很差的絕緣材料的表面造成輻照損傷；如果噴鍍時間過短，則可能使導電膜不連續(xù)，不能完全消除荷電現(xiàn)象。2、采用掃描電鏡的低真空操作模式普通掃描電鏡的真空度在10-3Pa～10-4Pa(帕)。降低真空度后，可以直接對非導電樣品進行觀察和記錄，而不必在樣品表面噴鍍導電層。但要以損失圖像的分辨率為代價。此外，由于樣品在導電、導熱及化學性能方面存在差異，成像時需要針對不同的樣品，選擇不同的工作壓力，才能把非導電樣品產(chǎn)生的荷電現(xiàn)象減到最小或完全消除，得到最佳的電子圖像。3、采用環(huán)境掃描電鏡二十世紀八十年代發(fā)展起來的環(huán)境掃描電鏡，其樣品室的真空度可在10-4Pa～2600Pa的很大范圍內(nèi)變化。從而使非導電的無機材料、生物材料及含油、含水的材料在沒有表面導電膜的情況下直接進行觀察和分析，而不產(chǎn)生荷電現(xiàn)象。環(huán)境掃描電鏡的成像條件對減小和消除非導電樣品的荷電現(xiàn)象有較嚴格的要求。如，樣品室的壓力、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)，以及儀器的操作參數(shù)，如入射電子束能量及強度、樣品傾角等。
上述減小和消除非導電樣品在電子輻照下產(chǎn)生的荷電效應(yīng)的方法都是行之有效的。但在這些方法中，都沒有涉及到對樣品荷電效應(yīng)的測量，以及對荷電補償效果的評價。即，在目前的掃描電鏡中，還不能做到實時監(jiān)測樣品表面荷電及荷電的變化，而是根據(jù)經(jīng)驗來判斷荷電現(xiàn)象是否消除，即根據(jù)觀察和記錄到的圖像質(zhì)量來判斷樣品表面是否還存在充電現(xiàn)象，再來調(diào)整掃描電鏡的成像條件及鍍膜工藝。
因此，需要在掃描電鏡中建立測量荷電的方法，實時測量和評價非導電樣品的荷電效應(yīng)及其變化，調(diào)整成像條件和樣品表面條件，從而減小或消除荷電現(xiàn)象，獲得高質(zhì)量的電子顯微圖像和提高分析精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在掃描電鏡中原位監(jiān)測非導電樣品荷電效應(yīng)的方法。原位測試及實時處理樣品產(chǎn)生的吸收電流信號，用來評價非導電樣品的荷電程度及荷電變化。同時，所測量的吸收電流信號還可以用來優(yōu)選掃描電鏡的環(huán)境參數(shù)和成像參數(shù)，評價導電膜的質(zhì)量，從而有效地減小和消除非導電樣品的荷電效應(yīng)，達到提高電子顯微分析對非導電樣品的成像質(zhì)量和分析精度的目的。
本發(fā)明中所用到的吸收電流測試原理參見圖3表述如下在電子束的輻照作用下，根據(jù)電流的結(jié)點守恒定律，入射電子的電流Ip等于從樣品表面發(fā)射出的二次電子電流Is、背散射電子電流Ib、吸收電流Ia、以及穿透樣品的電流It之和，即Ip＝Is+Ib+Ia+It(1)圖3示意圖給出在入射電子Ip的輻照作用下，從樣品中產(chǎn)生的Is、Ib、Ia和It電子信號。對于塊狀樣品，It為0。除了從樣品中產(chǎn)生二次電子和背散射電子之外，如果在樣品和地之間接入高靈敏度的微小電流測試儀—皮安表(pA-電流表)，就可以測出樣品對地的電流信號，即吸收電流Ia。
本發(fā)明中采用pA-電流表，通過對吸收電流的檢測判斷樣品是否為良導體，當樣品為良導體時，吸收電流Ia值在10-6～10-10A范圍；并且，對于同種材料、在相同的成像條件下，入射電子束在良導體表面掃描一幀的時間內(nèi)的吸收電流Ia為一恒定值。若樣品為不良導體或絕緣體時，Ia值則在10-11～10-12A范圍內(nèi)不斷變化，并且Ia為波動值。這是由于，在非導電材料的情況下，入射電子除了從樣品表面發(fā)射出去二次電子和背散射電子之外，多余的入射電子被束縛在非導電樣品中，造成的局部充電和隨后的無規(guī)則的間歇放電，會使一幅掃描圖像的吸收電流發(fā)生較大變化。因此，若在電子束掃描的過程中將一幅掃描圖像的吸收電流由pA-電流表逐點收集下來，并進行處理，就可以用來評價非導電樣品表面的荷電程度。
本發(fā)明的技術(shù)方案形成參見

圖1和圖2，其絕緣材料荷電的測試方法是采用S-450掃描電鏡掃描材料樣品，在入射電子束逐點掃描樣品和記錄成像的過程中，由pA-電流表逐點實時接收電子束在樣品表面產(chǎn)生的吸收電流Ia，掃描一幀圖像時收集到的吸收電流值Ia、即測量數(shù)據(jù)點的值，通過計算機進行實時存儲和處理，即將信號數(shù)據(jù)流進行編排、繪圖和顯示，用以判斷樣品表面的荷電效應(yīng)；本發(fā)明的測試方法程序為1、進行由掃描電鏡掃描一幀材料樣品圖像、與pA-電流表收集一幀掃描圖像的吸收電流Ia基本同步的參數(shù)設(shè)置；參數(shù)設(shè)置方法為確定S-450掃描電鏡的記錄成像的時間為固定時間100s，通過調(diào)整采集步長和積分時間來保證在電子束掃描一幀圖像的過程中、即100s的時間內(nèi)，掃描一幀圖像時收集到的吸收電流值Ia、即測量數(shù)據(jù)點的值，電流測量的積分時間是由現(xiàn)有的pA-電流表隨測試的電流值的不斷變化而自動改變記錄的，通過選擇pA-電流表的轉(zhuǎn)換開關(guān)的檔位及相應(yīng)的控制程序來確定積分時間可變動的范圍，轉(zhuǎn)換開關(guān)的檔位是在掃描材料樣品之前確定的，采集步長是根據(jù)樣品的導電性能確定；參數(shù)設(shè)置為吸收電流Ia數(shù)據(jù)的收集范圍、即吸收電流數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍設(shè)定為[-10，10]，數(shù)據(jù)的采集步長、即收集數(shù)據(jù)的間隔設(shè)定為0.01～0.03，當采集到100s時，即中斷測量數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)，積分時間20ms～160ms；測量數(shù)據(jù)點即吸收電流值Ia的取值計算方法為在數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍[-10，10]內(nèi)，調(diào)整采集步長為0.01，吸收電流Ia計算值為2001個；是由數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍[-10，10]的差值20除以步長0.01得出，同理，吸收電流Ia計算值1001個(步長0.02)、667個(步長0.03)；例如Al范圍[-10，10]；步長0.064；積分時間320ms；數(shù)據(jù)312個。
Al2O3范圍[-10，10]；步長0.01；積分時間20ms～160ms；數(shù)據(jù)744個。
Al2O3噴金范圍[-10，10]；步長0.01；積分時間20ms～160ms；數(shù)據(jù)1417個。
輸出電流值在無測試信號輸入時，系統(tǒng)輸出的電流信號保持在10-14A數(shù)量級。在電子束輻照作用下，輸出的吸收電流信號在10-10～10-13A范圍內(nèi)變化。
實驗表明，收集數(shù)據(jù)的數(shù)量與樣品電導性能密切相關(guān)，當樣品出現(xiàn)荷電現(xiàn)象時，相應(yīng)的吸收電流值小，數(shù)據(jù)的數(shù)量也少。因此，需要根據(jù)樣品的荷電程度適當調(diào)整收集數(shù)據(jù)流的積分時間。
電流測量的積分時間的長短是隨樣品導電性的降低而增加，即隨輸入到皮安-電流表中吸收電流信號的大小及信號最大值和最小值間的差值大小而變化，值小或差值大積分時間長，值大或差值小積分時間短；2、掃描一幀圖像時收集到的吸收電流值Ia、即測量數(shù)據(jù)點的值，按通常方式通過數(shù)據(jù)線輸入計算機生成文本文件、進行數(shù)據(jù)的分析、繪圖、存儲和顯示。
在數(shù)據(jù)流的讀入時，為了防止測試微小電流(10-12A量級)而引起采集時間超時(＞100s)，選擇皮安-電流表中確定轉(zhuǎn)換開關(guān)的檔位在短的(20ms～160ms)積分時間范圍內(nèi)，及0.01步長；
如當樣品表面荷電嚴重時，相應(yīng)的吸收電流值很小，變化很大，收集的電流數(shù)據(jù)也減少。在此設(shè)置條件下，掃描一幀圖像可以收集到幾百～上千個數(shù)據(jù)點。絕緣材料荷電的測試方法中采用帶有檢測吸收電流信號的接口的S-450掃描電鏡掃描材料樣品，材料樣品吸收電流Ia由信號輸入數(shù)據(jù)線經(jīng)型號HP16054A的輸入接口流入pA-電流表，帶有編程的Hp IEEE標準IEEE488總線接口板收集由pA-電流表輸出的數(shù)據(jù)流，輸入到計算機中進行實時存儲和處理；控制程序采用HP VEE 4.0編寫。
在HP VEE4.0的編程軟件中，調(diào)整數(shù)據(jù)的量化范圍(即數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍)和采集步長，就可以控制量化點的數(shù)目(即數(shù)據(jù)的收集數(shù)目)。在本工作中，是采取固定數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍，通過調(diào)整采集步長，得到吸收電流的測量數(shù)目。
采用實時收集和處理吸收電流的方法，檢測非導電樣品在入射電子輻照下引起的荷電現(xiàn)象。調(diào)整測試電流的收集參數(shù)，包括積分時間、步長，實現(xiàn)電子束掃描一幀圖像的過程中(100s)，收集到足夠多(數(shù)百個以上)的吸收電流Ia值。實時對收集到吸收電流信號進行存儲和處理，包括分析和繪圖，用來評價非導電樣品的荷電效應(yīng)，優(yōu)化了掃描電鏡的工作條件，包括環(huán)境參數(shù)和操作參數(shù)；以及評價非導電樣品表面導電膜的質(zhì)量。
圖4三種Al2O3樣品條件的荷電測量結(jié)果比較示意圖；圖5其中圖5(a)為Al2O3樣品直接在掃描電鏡的高真空模式中觀察，產(chǎn)生明顯的荷電現(xiàn)象的圖像，圖5(b)在低真空模式下成像，使荷電明顯減輕的圖像；圖6良導體(Cu)、半導體(95％ZrO2-5％Y2O3)和絕緣體(Al2O3)的吸收電流曲線對比圖。
(1)加速電壓5～30kV(2)入射電子束電流10-8～10-12A(3)樣品工作距離5～15mm(4)掃描時間/幀100s.
(5)真空度2×10-3Pa的高真空模式；及(1～4)×10-2Pa的變壓模式。2.pA-電流表型號HP 4140B；測量在入射電子輻照下，樣品中產(chǎn)生pA數(shù)量級的微小電流信號。pA-電流表通過接口接在掃描電鏡中的樣品和地之間。
測試范圍為±100V；±0.001×10-12A～±1.999×10-2A，共11個量級。最大測試峰值為±19mA。3.信號輸入數(shù)據(jù)線輸入接口型號HP16054A接口。因為信號電流非常小，接口具有強的抗外界電磁干擾能力，以保證在測試吸收電流的過程中，有很高的靈敏度和精度。4.信號輸出接口采用帶有編程的HP IEEE標準IEEE488總線接口板，收集數(shù)據(jù)流?？偩€接口板帶有驅(qū)動程序，可進行地址設(shè)定和數(shù)據(jù)編排，可設(shè)定觸發(fā)時間、測量時間和中斷時間?？刂瞥绦虿捎肏P VEE 4.0編寫。5.計算機吸收電流(數(shù)據(jù)流)的處理，包括收集、存儲、分析、繪圖及顯示。
數(shù)據(jù)流的處理采用Excel軟件編寫。6、采用Al2O3樣品進行荷電的測量分析樣品(1)Al2O3為絕緣陶瓷材料。因此，直接在掃描電鏡的高真空模式下觀察，Al2O3樣品會產(chǎn)生明顯的荷電現(xiàn)象。采用在較低真空模式下成像和在樣品表面鍍Au膜這兩種方法，可以使樣品表面的荷電現(xiàn)象得到不同程度的減小。本例通過為掃描電鏡配置的吸收電流檢測系統(tǒng)，收集、存儲和實時處理Al2O3樣品在高真空、低真空和表面鍍Au膜三種條件下的吸收電流，評價樣品表面的荷電效應(yīng)及荷電的補償效果，以及導電Au膜的鍍膜效果。(2).掃描電鏡成像參數(shù)加速電壓20kV；入射電子束電流10-10A；樣品工作距離10mm；掃描時間/幀100s；真空度2.9×10-3Pa(高真空模式)；3×10-2Pa(低真空模式)；圖像放大倍率100×(3)吸收電流信號的檢測流程①參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍[-10，10]；采集步長為0.01；收集時間100s；積分時間160ms時，Al2O3在100s的掃描時間內(nèi)，可以得到700～1500個電流數(shù)據(jù)點。②數(shù)據(jù)流的讀入收集一幅掃描圖像的吸收電流。在上述三種條件下，pA-表顯示出Al2O3的吸收電流值，計算機逐一從pA-表讀入700～1500個數(shù)據(jù)。③生成數(shù)據(jù)文件以文本格式生成700～1500個數(shù)據(jù)點的文件。④數(shù)據(jù)分析、繪圖和結(jié)果存儲采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)存儲、分析及繪圖(表2和圖4)。(4)測試結(jié)果的說明圖5為Al2O3樣品直接在掃描電鏡的高真空模式中觀察，產(chǎn)生明顯的荷電現(xiàn)象的圖像，(圖5(a))，以及在低真空模式下成像，使荷電明顯減輕，得到清晰圖像的情況，(圖5(b))。與高真空條件相比，在低真空模式下成像所測試的吸收電流值有所增加(表1和圖4)。由此可見，樣品電流的Ia值可用來評價荷電的變化，即反映出荷電補償效果。
采用表面噴鍍導電膜是消除非導電樣品表面荷電的有效方法。Al2O3樣品表面經(jīng)過3分鐘噴鍍Au膜后，Ia值明顯增加，且波動范圍很小，表明樣品荷電現(xiàn)象基本消除(表2和圖4)。但是，Al2O3噴鍍膜后，其Ia值仍然達不到金屬樣品吸收電流值(如圖6中Cu的吸收電流曲線)的穩(wěn)定程度。說明噴鍍的Au膜不夠連續(xù)或不夠均勻。由此可見，Ia值還可以用來評價導電膜的鍍膜質(zhì)量。7、應(yīng)用例各類樣品的吸收電流Ia(表3和圖6)金屬及合金樣品在入射電子束輻照下，樣品表面不會產(chǎn)生荷電現(xiàn)象。因此，它們的吸收電流，Ia，在同一入射電子能量的情況下為一恒定值，為10-11數(shù)量級。如Al、Cu、Fe、Ag、Ta、40％Cr-60％Cu等。
半導體樣品在入射電子束輻照下，樣品表面一般也不會產(chǎn)生荷電現(xiàn)象。因此，它們的吸收電流，Ia，在同一入射電子能量的情況下為一恒定值，為10-10～10-11數(shù)量級。如單晶硅、95％ZrO2-5％Y2O3和ZnO氧化物等。
絕緣樣品在入射電子束輻照下，樣品表面會出現(xiàn)不同程度的荷電現(xiàn)象。因此，它們的吸收電流，Ia，為波動值，變化范圍為10-11～10-12數(shù)量級。如SiO2、Al2O3、90％Y2O3-10％La2O3、La2O3、等。
從圖6中的良導體(Cu)、半導體(95％ZrO2-5％Y2O3)和絕緣體(Al2O3)的吸收電流曲線的對比可以看出，吸收電流值的大小及曲線的變化幅度可以反映出樣品導電性能存在差異而造成的荷電現(xiàn)象。
以上測試結(jié)果表明，為掃描電鏡配置的荷電測試裝置，可以檢測樣品的吸收電流Ia。將入射電子束在非導電樣品表面逐點掃描采集的樣品電流Ia值進行收集、存儲、分析和繪圖。根據(jù)Ia值及其幅度的變化，確定非導電材料表面的荷電效應(yīng)、掃描電鏡的環(huán)境參數(shù)和操作參數(shù)，以及評價非導電樣品導電膜的鍍膜質(zhì)量。達到優(yōu)化電子顯微分析的成像條件，減小及消除非導電材料的荷電效應(yīng)，提高圖像質(zhì)量和分析精度的目的。表1pA-表提供的電流測量的積分時間

表2表明樣品荷電現(xiàn)象基本情況

表3各類樣品的吸收電流Ia值

權(quán)利要求
1.一種絕緣材料荷電的測試方法，其特征在于，采用S-450掃描電鏡掃描材料樣品，在入射電子束逐點掃描樣品和記錄成像的過程中，由pA-電流表逐點實時接收電子束在樣品表面產(chǎn)生的吸收電流Ia，掃描一幀圖像時收集到的吸收電流值Ia、即測量數(shù)據(jù)點的值，通過計算機進行實時存儲和處理，即將信號數(shù)據(jù)流進行編排、繪圖和顯示，用以判斷樣品表面的荷電效應(yīng)；本發(fā)明的測試方法程序為1)進行由掃描電鏡掃描一幀材料樣品圖像、與pA-電流表收集一幀掃描圖像的吸收電流Ia基本同步的參數(shù)設(shè)置；參數(shù)設(shè)置方法為確定S-450掃描電鏡的記錄成像的時間為固定時間100s，通過調(diào)整采集步長和積分時間來保證在電子束掃描一幀圖像的過程中、即100s的時間內(nèi)，掃描一幀圖像時收集到的吸收電流值Ia、即測量數(shù)據(jù)點的值，電流測量的積分時間是由現(xiàn)有的pA-電流表隨測試的電流值的不斷變化而自動改變記錄的，通過選擇pA-電流表的轉(zhuǎn)換開關(guān)的檔位及相應(yīng)的控制程序來確定積分時間可變動的范圍，轉(zhuǎn)換開關(guān)的檔位是在掃描材料樣品之前確定的，采集步長是根據(jù)樣品的導電性能確定；參數(shù)設(shè)置為吸收電流Ia數(shù)據(jù)的收集范圍、即吸收電流數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍設(shè)定為[-10，10]，數(shù)據(jù)的采集步長、即收集數(shù)據(jù)的間隔設(shè)定為0.01～0.03，當采集到100s時，即中斷測量數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)，積分時間20ms～160ms；測量數(shù)據(jù)點即吸收電流值Ia的取值計算方法為在數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍[-10，10]內(nèi)，調(diào)整采集步長為0.01，吸收電流Ia計算值為2001個；是由數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍[-10，10]的差值20除以步長0.01得出，同理，吸收電流Ia計算值1001個(步長0.02)、667個(步長0.03)；電流測量的積分時間的長短是隨樣品導電性的降低而增加，即隨輸入到pA-電流表中吸收電流信號的大小及信號最大值和最小值間的差值大小而變化，值小或差值大積分時間長，值大或差值小積分時間短；2)、掃描一幀圖像時收集到的吸收電流值Ia、即測量數(shù)據(jù)點的值，按通常方式通過數(shù)據(jù)線輸入計算機生成文本文件、進行數(shù)據(jù)的分析、繪圖、存儲和顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所示的絕緣材料荷電的測試方法，其特征在于測試10-12A量級的微小電流時、選擇pA-電流表中確定轉(zhuǎn)換開關(guān)的檔位在短的(20-160ms)積分時間范圍內(nèi)，采集步長為0.01。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣材料荷電的測試方法，其特征在于，該方法中采用帶有檢測吸收電流信號Ia的接口的S-450掃描電鏡掃描材料樣品，材料樣品的吸收電流Ia由信號輸入數(shù)據(jù)線經(jīng)型號HP16054A的輸入接口流入pA-電流表；帶有編程的HP IEEE標準IEEE488總線接口板收集由pA-電流表輸出的數(shù)據(jù)流，輸入到計算機中進行實時存儲和處理；控制程序采用HP VEE 4.0編寫。
全文摘要
絕緣材料荷電的測試方法涉及一種利用掃描電子顯微鏡對絕緣材料表面荷電的測量及評價方法。本發(fā)明是采用掃描電鏡掃描樣品，在入射電子束逐點掃描樣品和記錄成像的過程中，由皮安－電流表逐點實時接收電子束在樣品表面產(chǎn)生的吸收電流I
文檔編號G01N23/04GK1453575SQ03123988
公開日2003年11月5日 申請日期2003年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月2日
發(fā)明者吉元, 徐學東, 史佳新, 鐘濤興, 何焱, 呂長志, 張虹, 郭漢生 申請人:北京工業(yè)大學