压电式光声显微镜中,产生光声效应的激发源用的是激光器。近年来,用电子束做激发源的应用日益增多。若用电子束作为激发源,再配以扫描电镜和压电探测器组成了电子声显微镜。这一方面是着眼于提高分辨率,同时也可以在现成的扫描电镜上进行改装,降低成本。图7.1-20是电子声显微镜原理图。从图中可以看出,这实际上是把电子光学技术、弱信号声电检测技术和压电传感技术相结合的一种新型的显微成像装置。电子枪的阴极发射出来的电子流受高压加速以后,经透镜缩小形成很细的电子束,电子束受波束消隐装置的控制调制其能量,强度受调制的电子束周期性地聚焦在试样上。调制频率的选择因不同的试样而异。一般情况下,为了提高分辨率,应选较高的频率;若着重在穿透深度的话,则应选较低的频率。试样经过电子束照射吸收了电子束能量后,产生了光声效应,载有热波与试样相互作用的信息的声波在试样内传输,到达压电传感器。压电传感器将声波信息转换成电信号,经前置放大器放大后送入锁相放大器。经过微弱信号的锁相处理后输出,经视频放大器放大后,送到电视监视器以亮度显示。X-Y扫描器控制电子束在试样表面上扫描,并且与电视显示同步,这样就获得了一幅完整的电子声图像。电子声显微镜的典型试验条件为电子束能量30kV,束流3×10-7A,一幅成像时间约400s,取样时间常数3ms。
图7.1-20 电子声显微镜原理图
压电式电子声显微镜的技术特点:
(1)分辨率热波成像的分辨率取决于激发源的束斑大小和热波的波长。束斑小、热波波长短,则分辨率高。电子束束斑可小到10nm,这是很普通的。通常的台式电镜的束斑可达到8nm以下。热波波长与试样与热参数、密度、调制频率有关,为
式中 k——热导率;
c——比热容;
ρ——密度;
ω——角频率,ω=2πf。
由式(7.1-15)可知,不同的试样,即使工作在同一频率下,其热波波长也是不同的。对于同一个试样,其热波波长可通过调制频率来改变。
(2)穿透能力热波的穿透深度大约是热波波长的2倍。在穿透范围内,试样在热性质上的微小差异(主要是热导的变化),能在热波成像上反映出来。调制频率为1MHz时,在硅片上的穿透深度约12μm,这是任何光学显微镜和电镜无法比拟的。(www.xing528.com)
(3)剖面成像因热波有穿透性,除了表面成像外,还可以进行表面以下不同层次上的非破坏性剖面成像。根据热波波长与频率的关系可知,如果从高到低改变调制频率,那么便可以从表面到底层获得一系列的热波像,非破坏性地进行亚表面缺陷检测。
下面举例以示其应用。
1)半导体材料中掺杂浓度的横向分布离子注入是半导体材料掺杂的一种常用技术,其掺杂区域与基体的导热性有很大的差异。图7.1-21所示为GaAs电路的背散射电子图像和电子声图像。离子注入的杂质为Se,注入离子流为1017cm-2。电子声图像上的黑色区域是离子注入区的分布范围,在电路元件下面是亚表面图像。在背散射电子图像上,则完全看不出注入离子的分布范围。用二次离子质谱分析,则要破坏样品,所以电子声显微镜是一种很有用的非破坏性检测工具。
图7.1-21 GaAs电路的背散射电子图像和电子声图像
2)薄膜材料的界面分析。GaAs晶片的用途之一是作为生长外延膜的衬底,而膜的生长往往采用分子束外延的方法,膜的缺陷对器件的性能来讲有着重要的影响。下面以生长在GaAs衬底上6μm厚的膜为试样进行界面分析。该试样的背散射电子图像上,除表面形貌之外,没有其他信息。在该试样的电子声图像上可以清楚地看到一条明显的亚表面白色曲线。据理论计算,这条白影就处在薄膜与衬底的界面上,所用的频率为215kHz,取样深度为13μm。当频率提高到2MHz时,电子声图像上的白影消失,因为此时的取样深度为4μm。由此可知,非破坏性的剖面成像是光(电)声技术应用的独特之处。
以上介绍了光(电)声成像的一些基本原理、系统工作原理、应用实例等内容。光声成像的机理是十分复杂的,还有许多工作有待今后去做。表7.1-3列出了各种亚表面非破坏性成像方法及性能,以便读者根据各自的具体情况进行挑选和应用。
表7.1-3 各种亚表面非破坏性成像方法及性能
(续)
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