纳米操纵器上的电气连接如何增强FIB-SEM的能力

有很多原因可以解释为什么需要在纳米机械手上进行电气连接。在这里，我们不仅介绍了各种高精度电气测试方法，如EBIC和EBAC，而且还展示了如何使用电气连接探头来增强FIB-SEM的成像能力。

电子显微镜中的样品总是电路的一部分，由电子束提供的电流通过接地的样品台消散。如果路径被中断，例如真空中的绝缘样品，电子束中的电子就会给样品充电。电荷在样品中积聚，然后与电子束相互作用，使我们无法获得高质量的图像。这通常是通过在样品上涂上导电涂层或在低真空条件下工作来克服的，在低真空条件下，样品周围的电离气体原子会消散电荷。然而，涂层和低真空模式都不适合在FIB-SEM中工作，因为涂层通常至少在局部被离子研磨样品去除，并且需要高真空才能使用离子束进行高质量的沉积和研磨。在这种情况下，一个电连接和接地探头可以放置在被成像的区域附近，电子束诱导的电荷可以通过探头消散，中和任何电荷的积聚。

这提高了分析结果，其中充电影响电子束着陆能量，从而获得更好的定量EDS。该方法还可用于提高GIS沉积和成像质量。一个很好的例子可以是没有涂层的岩石样品，但也适用于许多其他样品，如玻璃、电子设备和生物样品。

无涂层地质样品成像时，充电和局部接地与OmniProbe。

所有电流OmniProbes不仅包括探针尖端的电气连接，还包括集成到控制器中的±10V电源。这实现了两个重要的功能:接触检测和电压对比成像。

探针-样品接触检测:如上所述，样品通常与工作台电连接，以避免充电。如果探针尖端有偏置并且测量电压，电压的突然下降可以解释为探针接触了导电样品。这个信号可以设置为禁用探针运动。为了不激活显微镜工作台触碰报警(通常使用类似的接触检测方法)，重要的是将探针尖端上的电压设置为与工作台偏压匹配。

来自OmniProbe软件的图像显示电气接触警告和覆盖警告的选项。

成像样品的电学性质

为了揭示电气设备甚至电子材料中的缺陷，电增强成像可能是可取的。OmniProbe的一种方法是通过探针尖端对样品施加电压并进行电压对比成像。图像对比度取决于不同样品区域相对于探针的电连通性，因此可以用于揭示纳米级电子电路中的断裂或故障连接。下面的例子(摘自J Mater Sci: Mater Electron(2011) 22:1523-1535)显示了故障的识别，随后的FIB横断面显示它是一个开路。

电压对比成像显示了开路的位置，FIB横截面证实了这一点。

更高级的电气设备特性使用参数分析仪或源测量单元(SMU)。我在这里不打算详细讨论这些问题，因为每个过程可能需要几个博客才能触及表面。分析仪的关键在于，它们可以施加设定的电压和电流，同时测量响应(与施加电压和测量电流的传统测量相反，反之亦然)来表征设备。对于当前的半导体器件，被测信号通常以皮安为单位。为了确保良好的信号，电气连接必须升级到低噪声电气测试选项。它与探头控制电子设备分离，并在OmniProbe机身上使用专用连接，以最大限度地减少信号噪声。测试通常涉及多个探针。

电子束测试方法主要有电子束诱导电流(EBIC)和电子束吸收电流(EBAC)两种。虽然也有其他的，但没有被广泛使用。这两种方法都测量样品中电子束产生的电流(通常使用高带宽皮安计和扫描发生器)，并将结果输出为电流图。EBIC和EBAC之间的关键区别是样品中发生的物理相互作用。EBIC信号通常比EBAC大几个数量级。

当电子束与P-N结(半导体)相互作用并诱导电流时，就会发生EBIC。这种分析通常用于半导体制造和太阳能电池等结构的研究。该方法既适用于可视化，也适用于量化。下面的例子展示了一个微芯片中的P-N结。利用低增益可以量化感应电流，提取的线扫描可以更详细地显示电流分布。感应电流的分布通常与其他材料性质有关，如局部化学或晶体学。在较高的增益下，P-N结信号使放大器饱和，EBAC信号可见。该信号在低增益图像中是不可用的，因为它被EBIC信号所掩盖。

在微芯片的P-N结中，低增益图像显示结的性质，而高增益图像开始可视化芯片中的连接。

EBAC是电子束中被样品吸收并流向探针的电子的测量。一个常见的应用是定位电路中的故障，如短路或开路。下面的例子显示了一个破裂的微芯片，在破裂处，很明显EBAC信号终止。虽然失效是明显的，但该方法可以用于分析在成像中不可见的埋藏失效。值得注意的是，这是与上述EBIC示例相同的微芯片，但加速电压降低了，因此P-N结没有被激活。