【文章內(nèi)容簡介】 軌域 → L 層軌域為 La，若相隔的軌域間所產(chǎn)生的 X光則稱為b，如 M 層軌域 → K 層軌域為 Kb，N 層軌域 → L 層軌域為 Lb，依此類推之。試片內(nèi)會產(chǎn)生特性 X光的區(qū)域與入射能量所激發(fā)的區(qū)域相當(dāng)，其區(qū)域大小基本上決定于入射之能量與試片組成元素的平均原子序 (請見掃描式電子顯微鏡的章節(jié)說明)。 11232 儀器設(shè)備 波長散布分析儀 的偵測原理為 X光入射激發(fā)單晶分析器，此單晶分析器具有特定的晶格排列與 X光發(fā)生繞射作用，在單晶分析器的特定方向中波長滿足布拉格定律 ( Bragg39。s Law ) 的 X光會有建設(shè)性干涉現(xiàn)象并形成繞射光束被偵測器所偵測。X光產(chǎn)生的位置(即試片處)、單晶分析器與偵測器三者必須位于稱為若蘭圓 ( Rowland Circle ) 的圓周上，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖11223。各種單晶分析器具有特定的平面間距 (Interplanar Spacing)，不同的單晶材質(zhì)所能涵蓋的波長范圍不同，因此需慎重選擇適合的單晶分析器。 圖11223圖11224能量散布分析儀的構(gòu)造如圖11224所示，主要是由擴(kuò)散鋰原子的硅晶接收器 ( Lithium Drifted Si pin diode, Si(Li) ) 為核心的固態(tài)偵測器，其中鋰是為了中和硅晶接收器中可能存在的其它雜質(zhì)，減少電子電洞對 (ElectronHole Pairs ) 的再結(jié)合中心 ( Rebination Center )，使得偵測的效率準(zhǔn)確，由于此種偵測器必須要在低溫下操作，傳統(tǒng)機(jī)型系利用液態(tài)氮冷卻之，現(xiàn)在已有以冷凍邦浦冷卻的機(jī)型推出。被電子束激發(fā)而放射出來之 X光穿過薄的鈹窗 ( Beryllium Window, Be ) 或超薄的高分子膜窗甚至是無窗型的偵測器中，激發(fā)硅晶接收器產(chǎn)生電子電洞對，再轉(zhuǎn)換成電流，經(jīng)放大器 ( Amplifier ) 及脈沖處理器 ( Pulse Processor ) 的處理后，送至能量數(shù)字轉(zhuǎn)化器 ( EnergytoDigital Converter ) 處理由多頻道分析儀 ( Multichannel Analyzer, MCA ) 將 X光能量信號存入其對應(yīng)之頻道位置。表1126偵測特性 X光的分析方法，能量散布分析儀相較于波長散布分析儀的優(yōu)點有： (1) 快速并可同時偵測不同能量的 X 光能譜。 (2) 使用之一次電子束電流較低可得較佳的空間分辨率( Spacial Resolution )，且較不會損傷試片表面。(3) 接收訊號的角度 ( Solid Angle ) 大。(4) 儀器之設(shè)計較為簡單。(5) 操作簡易，不需作對準(zhǔn) ( Alignment ) 及聚焦 ( Focusing ) 等； 而主要缺點則有： (1) 能量分辨率差。(2) 對輕元素的偵測能力差。(3) 偵測極限差 ( %)。定量能力較差，其它詳如表1126所列?；谏鲜龅目焖偌霸O(shè)計簡單、操作簡易的優(yōu)點，一般掃描式電子顯微鏡或穿透式電子顯鏡所附加的特性 X光偵測器多采用能量散布分析儀。圖11225, 11226 , 11227為利用附加于掃描式電子顯微鏡的掃描式電子顯微鏡分析制程異常的應(yīng)用實例。 圖11225圖11226圖112271124 穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscopy, TEM) 11241 基本原理 根據(jù)電子與物質(zhì)作用所產(chǎn)生的訊號，穿透式電子顯微鏡分析主要偵測的資料可分為三種： 1. 即是擷取穿透物質(zhì)的直射電子(Transmitted Electron) 或彈性散射電子 (Elastic ScatteringElectron) 成像。2. 作成電子繞射圖樣 (Diffraction Pattern, DP)，來作微細(xì)組織和晶體結(jié)構(gòu)的研究。3. 或亦可搭配 X光能譜分析儀 (EDS) 或電子能量散失分析儀 (Electron Energy LossSpectroscope, EELS) 作化學(xué)成份分析。 隨著儀器的改良，目前分析式電子顯微鏡 (Analytical Electron Microscope) 與高解像能電子顯微鏡 (High Resolution Electron Microscope) 已能合為一體，除了穿透式電子成像之外，尚能作極微小區(qū)域 (~ 10 埃) 的繞射圖樣 (Nano Beam Diffraction, NBD)，和聚合電子束繞射圖樣 (Convergent Beam Diffraction, CBD)，具有多樣化的能力，幾乎可滿足各層面的分析需求。 穿透式電子顯微鏡的儀器系統(tǒng)可分為四部份 (請參見圖11228)： 圖112281. 電子槍－有鎢絲、LaB場發(fā)射式三種(與掃描式電子顯微鏡相似)。2. 電磁透鏡系統(tǒng)－包括聚光鏡 (Condenser lens)、物鏡 (Objective Lens)、中間鏡 (Intermediate Lens)、和投影鏡 (Projective Lens)。3. 試片室－試片基座 (Sample Holder) 可分兩類：側(cè)面置入 (Side Entry) 和上方置入(Top Entry)，若需作臨場實驗則可依需要配備可加熱、可冷卻、可加電壓或電流、可施應(yīng)力、或可變換工作氣氛的特殊設(shè)計基座。4. 影像偵測及記錄系統(tǒng)－ZnS/CdS涂布的螢光幕或照相底片。 穿透式電子顯微鏡分析時，通常是利用電子成像的繞射對比 (Diffraction Contrast)，作成明視野 (Bright Field, BF) 或暗視野 (Dark Field, DF) 影像，并配合繞射圖樣來進(jìn)行觀察。所謂明視野即是用物鏡孔徑 (Objective Aperature) 遮擋繞射電子束，僅讓直射電子束通過成像，至于暗視野則是用物鏡孔徑遮擋直射電子束，僅讓繞射電子束通過成像 (請參見圖11229)。作一般的影像觀察時，應(yīng)用最普遍的算是雙電子束繞射狀況 (TwoBeam, 2B, Diffraction Condition)，不過為了作深入的結(jié)構(gòu)分析，針對特殊的材料結(jié)構(gòu)或缺陷，通常試片座會配備傾斜基座 (Tilting Stage) 的功能，可以作成微弱電子束繞射狀態(tài) (WeakBeam, WB, Diffraction Condition)，或多重電子束繞射狀態(tài) (MultiBeam, MB, Diffraction Condition)，來改善成像的品質(zhì)或加強(qiáng)對比。概略的分類一下，較佳的成像狀況可以參考表1127。 圖11229表1127穿透式電子顯微鏡的解像能主要與電子的加速電壓 (亦即波長) 和像差 (Aberration) 有關(guān)。加速電壓愈高，波長愈短，分辨率也愈佳，同時因電子動能增高，電子對試片的穿透力也增加，所以試片可觀察的厚度也能相對增加，但是一昧的提升加速電壓 (目前可達(dá)到 1 MeV)，容易對所觀察的試片造成原子移位(Atomic Displacement)的損傷，以硅晶為例，200 KeV的加速電壓已足以提供非常良好的穿透力，2000 埃以下的試片觀察不成問題，甚至在適當(dāng)?shù)睦@射狀態(tài)下，可觀察的厚度能提高到5000 埃左右。 然而也因為電子具有相當(dāng)程度的穿透力，當(dāng)我們利用穿透式電子顯微鏡研究 IC 組件時，因為目前組件的線寬 (Line Width) 和膜厚 (Film Thickness) 大多在 1 mm 以下，無論是平面式觀察或截面式觀察，都很有可能因試片制備的狀況不一，所得到的 TEM 影像是多層材料重疊的的結(jié)果，因此對穿透式電子顯微鏡影像的解釋必須非常慎重，遇到較復(fù)雜的制程分析時，必需具備豐富的材料知識、制程經(jīng)驗與組件設(shè)計的相關(guān)常識，否則極容易造成誤判。但是反過來說，也因為穿透式電子顯微鏡分析具有穿透材料的能力，是作為產(chǎn)品逆向分析 (Reverse Engineering) 非常有利的工具。一般利用掃描式電子顯微鏡作產(chǎn)品逆向分析，必須搭配化學(xué)式層次去除法，才能逐層觀察組件布局，然而平面式觀察時，只要整體組件材料縱向厚度在 5000 埃以下的重疊線路皆能一覽無遺，尤其對層與層之間的相對空間排列(Spatial Relationship)與設(shè)計準(zhǔn)則的揣摩，更能發(fā)揮其效用。 另一個影響解像能的因素是像差，像差的來源大致有四種： (1) 繞射像差 (Diffraction Aberration)－這是物理光學(xué)的基本限制。(2) 球面像差 (Spherical Aberration)－這是來自物鏡的缺陷，不易校正。(3) 散光像差 (Astigmatism)－這是由物鏡磁場不對稱而來，因為圓形對稱軟鐵磁盤制作時精度控制困難，同時顯微鏡使用中，污染的雜質(zhì)附于極片上也會導(dǎo)致像差，一般用像差補(bǔ)償器(Stigmator)產(chǎn)生與散光像差大小相同方向相反的像差來校正。(4) 波長散布像差 (Chromatic Aberration)－因為電子的波長會隨著加速電壓或透鏡電流不穩(wěn)而改變，也可能與試片作非彈性碰撞喪失能量，所以電磁透鏡的焦距變化與入射電子能量有關(guān)，可以據(jù)此導(dǎo)出影像模糊的半徑與波長散布像差系成正比。 為求得電子顯微鏡的最佳分辨率 (Resolving Power，Δrmin.)，通常散光像差與波長散布像差可以藉由其它裝置來校正或補(bǔ)償，但是繞射像差是基本限制，球面像差卻往往不易消除，因此可以導(dǎo)出最佳分辨率與波長和繞射像差成簡單的正比關(guān)系： B : 比例常數(shù)，~ 1 Cs : 球面像差系數(shù)，數(shù)值隨儀器設(shè)計的改良而精進(jìn) 一般的穿透式電子顯微鏡，在200 KeV下操作， 埃。 11242 分析的特點與應(yīng)用上的限制 由于穿透式電子顯微鏡具備超高解像能力，在一般的影像觀察上即比其它分析工具優(yōu)越許多，而依實際操作時可放大的倍率范圍來看，穿透式電子顯微鏡也具有相當(dāng)大的彈性 (從50 X到1,500,000 X)；應(yīng)用到半導(dǎo)體材料研究方面，穿透式電子顯微鏡分析具有以下的優(yōu)點： 1. 在形象 (Morphology amp。 Topography) 觀察方面，對材料結(jié)構(gòu)有敏銳的分辨力： 晶粒方向 (等軸向，EquiAxial/柱狀 Columnar/優(yōu)選方向，Texture/磊晶，Epitaxial)－請參見圖11230)圖11230同質(zhì)異形結(jié)構(gòu) (非晶形硅 Amorphous Si/復(fù)晶硅 Polycrystalline Si/單晶硅 Single crystalline Si) (請參見圖11231) 圖11231異質(zhì)同形結(jié)構(gòu) (氮化硅 Nitride/氧化硅 Oxide/非晶形硅 Amorphous Si) －(請參見圖11232)同質(zhì)同形結(jié)構(gòu)(硼磷摻雜氧化硅 BPSG/無摻雜氧化硅 USG/旋轉(zhuǎn)覆蓋式氧化硅SOG/熱氧化硅 Thermal Oxide)－(請參見圖11233) 圖11232圖11233 2. 微細(xì)結(jié)構(gòu)的觀察 晶格影像 (請參見圖1123圖 11235) 圖11234圖11235 3. 搭配試片基座的傾斜功能，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)性缺陷 (Structural Defects) 的特性分析，例如：離子布植后的殘余缺陷 (Residual Defects by Ion Implantation)、制程的損傷 (Process Induced Damage: Over Etch, Substrate Loss)、或結(jié)構(gòu)性加強(qiáng)的缺陷增長 (Structural Enhanced Defects Multiplication: FOX/AA Edge Defects) (請參見圖11236) 圖11236 4. 借著電子繞射圖樣分析，在試片觀察時擁有方向感 (Sense of Wafer Orientation)，利用可傾斜的試片基座，可以變化電子的入射角度，從不同的晶軸方向 (Zone Axis) 來確認(rèn)晶體結(jié)構(gòu) (FCC，BCC，HCP， etc.)或化學(xué)組成 (WSix，TiSix，x=1，2， etc.)－(請參見圖11237) 圖11237 5. 對有限厚度內(nèi) ( 5000 埃) 的多層次結(jié)構(gòu)能得到重疊影像 (SeeThrough Capability)，可以應(yīng)用作商用產(chǎn)品分析－(請參見圖11238) 圖11238 6. 配備冷卻/加熱/可變電性 (Cooling/Heating/Variable Electrical Stressing) 的試片基座，即可在顯微鏡內(nèi)同步觀察材料結(jié)構(gòu)的變化－(請參見圖11239) 圖11239 然而無可避免的，穿透式電子顯微鏡分析也有其限制，缺點包括： 1. 試片的大小必須在3 mm以下。2. 基于電子束有限的穿透力，通常最理想的觀察厚度在 5001000 埃之間。 3. 囿于試片制備的難度頗高，可觀察的區(qū)域通常在 100 mm 以內(nèi)。 4. 在某些情況下，試片制備非常困難，成功率相對降低，例如: 晶粒邊緣封閉結(jié)構(gòu)的研究 (Chip Sealing)、單一晶胞故障 (Single Bit Failure) 的橫截面分析、或單一接觸窗 (Contact Hole) 的橫截面分析等。5. 與其它分析方法比較，穿透式電子顯微鏡分析是一種破壞性分析，而且試片制備所需的時間較長 (在下一節(jié)中將詳細(xì)描述試片制備的方法)，因此全部的工作時間 (TurnAround Time) 也相對增加。1125 聚焦式離子束顯微鏡(Focused Ion beam, FIB) 11251 系統(tǒng)和工作原理 聚焦式離子束顯微鏡的系統(tǒng)是利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割儀器，目前商用系統(tǒng)的粒子束為液相金屬離子源 (Liquid Metal Ion Source, LMIS)，金屬材質(zhì)為鎵(Gallium, Ga)，因為鎵元素具有低熔點