低能电子束照射接地绝缘薄膜的负带电过程

电子束与样品相互作用是目前扫描电镜成像与检测、电子束探针微分析以及电子束曝光技术中的一个重要研究课题1101.其中，起因于电子束照射的绝缘样品带电效应会改变从样品表面出射的二次电子和入射电子的运动状态1113，从而影响成像、检测和微细加工的精度11416.虽然这种带电效应在能量低于5keV的低能电子束装置中可得到抑制11718，但无法被彻底消除。另一方面，电子束照射的带电效应又具有可利用的前景，比如通过扫描电镜已观测到带电绝缘样品的埋层微结构11923与深层陷阱241，尝试了对半导体样品的参数测量1251和成像126电子束照射绝缘样品的带电效应是由入射样品的电子束电流和离开样品的二次电子电流（包含本征二次电子与背散射电子）与泄漏电流之间的不平衡所致。其带电过程同时受到样品条件和入射电子束条件的影响，是一个很复杂的过程“21.对于体绝缘样品或者非导电衬底绝缘样品，其泄漏电流近似为零，所以带电状况主要由入射电子束的条件所决定。当电子束能量大于使二次电子产额等于1的第二临界能量的时候，电子束电流会大于从样品表面出射的二次电子电流，样品因此负带电1181.对于上述可忽略泄漏电流的厚绝缘样品的负带电过程，近年来理论分析127281、MonteCarlo模拟129301和，由电子决定的净电荷密度（负空间电荷密度）在散射区右侧边缘处*大，然后沿深度方向逐渐减小而趋向零。这种分布形态是因电子撄移造成的，同时又提供了电子撄移（含扩散）所需的由基板指向散射区的电场以及电子密度梯度场。这里，入射电子从散射区边缘漂移至基板需要一定的渡越时间，所以不同的电子束照射时间会导致不同的电荷分布，这也说明电子撄移相对电子散射是比较慢的过程。进一步，如（c）所示，经60心较长时间的电子束照射后，在500nm厚的薄膜的底部有电子产生的净负电荷分布，这说明入射电子已抵达接地基板而形成泄漏电流。*后一点，如（c）所示，在电子束照射时间10Ms时，净电荷密度先在z=140nm附近出现极大值，然后在z=150nm附近又呈现极小值。产生这种现象的原因是，在z=140nm的散射区边缘附近，电子密度由于撄移效应先于空穴密度减小，但在z=150nm附近空穴密度会急剧降为零而电子密度缓慢降低。

r1两个-方向上相似的ilM表明aM电子在样wishis薄膜内部空间电荷密bookmark9为载流子密度和净空间电荷密度在薄膜表面沿径向r方向分布的模拟结果。从中可以看出，在r方向的电子散射区域约为180nm.这是因为入射电子束半径会使得r方向散射区域略大于z方向的散射区域。此外，在半径180nm的散射区域内空穴和电子的密度比较高；在r>180nm的区域，空穴密度为零，电子密度不为零，同样存在由电子形成的负空间电荷分布；争电荷密度在z=180nm时有极小值。形成这些载流子和电荷密度分布的原因都可以用相关结果的分析来解释。这里，电子分布在品内部呈近似半球形分布。但是，由于薄膜z方向的尺度一般都远小于r方向的尺度，所以在散射区域一定的情况下，电子在z方向的撄移特性对绝缘薄膜负带电过程起着更重要的作用。

入射电子因撄移形成的在散射区外至基板间的负空间电荷分布是低能电子束照射接地绝缘薄膜带电效应的一个关键环节。给出了在电子束长时间照射条件下电子束能量与电流以及电子撄移率对深度z方向上净电荷密度分布的影响规律。由（a）可知，随着电子束能量的提高，电子的散射区域的模拟结果表明，电子束电流虽然不同，但*终的负空间电荷分布几乎一样，即由（11）式决定的绝缘薄膜净负电荷量（以下统称负空间电荷量）相等。

（c）则表明，电子撄移率越高，薄膜内部负空间电荷越少，负带电程度会越低。这时，电子撄移率增高会直接导致电子的平均漂移速度增大，并产生更强的泄漏电流，但入射电子束电流一定，所以薄膜内部留下的负空间电荷会减少。

负带电过程及其平衡机理从上述结果及其分析可知，泄漏电流的产生和变化直接影响薄膜负带电进程和负空间电荷量。下面介绍负带电过程中泄漏电流、负空间电荷量和电子束照射中心点表面电位（以下简称表面电位）随电子束照射而演化的模拟结果。

给出不同薄膜厚度条件下的泄漏电流、负空间电荷量及表面电位的时变特性。首先可以看到，带电过程中的泄漏电流和负空间电荷量随电子束照射而增大，而表面电位随照射时间而下降，都呈现从暂态到稳态而达到平衡的现象。由（a），薄膜越厚，泄漏电流的延迟时间就越长，从泄漏电流出现至电子从散射区边缘漂移到基板形成泄漏电流的渡越时间越长，而且如（b）所示的那样，内部的负空间电荷量会越多，过渡时间也就越长。这里，本文经模拟得到的负带电暂态效应及其平衡过程和泄漏电流的延迟效应，可以解释*近绝缘薄膜样品内负带电微结构的扫描电镜图像随电子束照射所呈现的类似现象。

在负带电的暂态过程趋于稳定后，如（a）所示，薄膜厚度不同时其泄漏电流平衡值是相同的。对此，可以从流入和流出薄膜的电流平衡条件来解释。

由于离开样品的电子电流Is与入射电子束电流/pe满足/s=pe，所以薄膜净电流为零的条件变成―S）。平衡态喔的爨日也越长。这是因为薄膜越厚砸sh这0使负带丨电止的黑不同绝缘薄膜厚度H时，（a）泄：/PE和二次电子产额S有关。因此，在电子束电流固定的情况下，电子束能量一定，s也就一定，泄漏电流平衡值不变。但在另一方面，厚薄膜对应的泄漏电流延迟时间较长，达到稳态的过渡时间也较长，这时会有更多的电子注入薄膜。其结果如（b）和（c）所示，负空间电荷增多，薄膜表面电位下降。而在泄漏电流产生后，在薄膜内电子散射区边缘附近聚集的部分电子通过撄移流入基板而损失掉，表面电位才会趋向稳定。所以，*终的负空间电荷量和表面平衡电位绝对值会随着膜厚的增大而增加。

的系列结果表明，泄漏电流及其演化特性是影响负带电过程和强度的重要因素。当泄漏电流的增加使得流入薄膜的净电流为零的时候，负带电过程随之停止而达到稳定的平衡状态。其中，负带电形成和演化的空间尺度在体绝缘厚样品中仅相当于近表面的区域。与厚样品的情况不同，本文中的电子散射区域已经与薄膜厚度可比拟，所以电子撄移特性会对负带电过程产生较大的影响。另外，由（b）和（c）可知，此时*大负空间电荷量仅由约830个电子所构成，虽然电子数目不多，但在电子束能量2keV、膜厚500nm、电子迁移率105cm2V、1的条件下仍可以产生约一5V的表面平衡电位。

模拟结果还表明，入射电子束电流越强，泄漏电流、负空间电荷量和表面电位从照射开始至平衡的时间越短。这是由于电子束电流较强的时候，在薄膜内聚积的负空间电荷比较多，由基板指向散射区的电场以及电子密度梯度场比较强，电子从散射区域边缘漂移至基板的渡越时间和达到平衡的过渡时间会缩短。但是，电子束电流不会改变表面平衡电位，这是因为如（b）所示，经电子束长时间照射达到平衡时，由（12）式知泄漏电流随电子束电流成比例地增大滓电荷分布不会改变入射，薄膜内产生的负空间电荷量和形成的表面平衡电位也就不变，即负带电强度不变。总之，电子束电流只改变负带电进程的快慢程度，而不影响负带电结果。

类似地，绝缘薄膜的电子撄移率越高，泄漏电流、负空间电荷量和表面电位达到平衡的时间会越短。这是由于电子撄移率越高，电子漂移速度和泄漏电流就越大，泄漏电流延迟时间和泄漏电流达到其平衡值的过渡时间也就越短。但是，由（12）式，泄漏电流平衡值与电子撄移率无关。在另一方面，如所不，入射电子在薄膜内产生的负空间电荷量随电子撄移率的增大而减少，对应的表面平衡电位绝对值降低，负带电强度会变弱。对于撄移率较高的半导体材料