扫描式电子显微镜(SEM)、X光微区分析(EDS)、扫描探针显微术(STMAFM)

1、第三章掃描式電子顯微鏡（SEM）、X光微區分析（EDS）、掃描探針顯微術（STM/AFM）引言在科學的發展史上，顯微技術一直隨著人類科學文明不斷地突破，科學研究及工業技術也 隨著新的顯微技術的發明，而推至更微小的世界。近十年來，隨著電子科技的進步，微電子元件 已經邁入深次微米的尺度 ，本章將介紹四種目前最為常用的微結構表面分析儀器一掃描式電子顯 微鏡（SEM）、X光微區分析（EDS）、掃描探針顯微術（STM/AFM）的基本原理及應用許明祺（25%）高基迪（25%） 蔡嘉慶（25%） 林姿伶（25%）3-1.掃描式電子顯微鏡1Scanning Electro n Microscope （ SEM

2、1. 前言SEM的工作原理和理論構想在1935年由 片 時會激發岀二次電子（secondary electron ）和反射電子。這些電子被偵測器偵#德國Knoll提岀，而直到 1942年時第一部實 驗用的SEM才被正式使用。但因成像的解析度 不佳，尚須改進，所以在 1959年時岀現解析 度為 10nm的 SEM 直到 1965年，由英國測時，訊號經由放大器送至CRT,由於掃描線圈上的電流與顯像管的電流是同步的，所以， 試片表面上任一點產生的訊號和顯像管相互 對應，因此，試片表面的形貌、特徵等可藉由# 6-1 壬霊帯适亦Cambridge公司才推岀第一部商品化的SEM隨著SEM的改良使得解析度提

3、高、操作自動 化、電腦化以及價格的降低。製作容易、影像 解析度高、放大倍率可達104以上，且有景深長的特性，亦可清楚的觀察表面起伏大的物 體。因此，SEME是功能強大、使用普及的材 料分析設備。#2. 原理利用電子槍產生電子束經柵極（Weh neltcylinder ）聚集而形成幾十um大小的點光源，在陽極加速電壓（0.2 ? 0.4kv ）作用下， 再經過包含三個電磁透鏡所組成的電子光學 系統，使電子束聚焦成一細小約幾個nm的電子束照射試片表面，由於末端透鏡上裝有掃描 線圈，其主要是用來偏折電子束，使其在試片 上能做二度空間的掃描，並且此掃描器與陰極 射線（CRT上掃描同步，當此電子束打至試

4、同步成像的方式而一一表現岀來2- 1電子束與試片的相互作用電子束照射在試片上會產生二次電子、反射電子、吸收電子、歐傑電子、特性X光、陰極發光等。在SEM上主要是偵測二次電子及反射電 子。2- 1a二次電子：當電子撞擊試片原子的的候，會釋放出弱鍵結的電子，稱為二次電子，其能量低於50eV,因為是低能量的電子，所以距離試片表面的距 離約50500?，才有機會被偵測到，因此二次 電子產生的數量，會受到試片表面起伏狀況的 影響，所以可以偵測岀試片表面的形貌徵。2-1b反射電子：反射電子是入射電子跟試片原子產生彈性碰 撞而逃離試片表面的高能量電子，其動能等於 或小於入射電子的能量。反射電子的數量會因 試

5、片元素種類的不同而有所差異。反射電子產 生於距試片約5000?的深度範圍內。3. 儀器裝置3- 1 電子槍(Electron guns)電子槍主要是提供直徑小、亮度高、而且電流穩定的電子束。而最常用的電子槍有(1)熱游離發射電子槍(2)t場發射電子槍。電子槍主 要是由三部份組成：陰極的鎢絲燈絲(tu ngste n wire filame nt)、威氏罩或柵極(Weh nelt or grid cap)、及陽極。其構造如下圖所示，陰極唯一 V字型的鎢絲燈絲，當 燈絲加熱至2700K的時候，會有大量的電子 自尖端射出，而燈絲通常會保持在高負電壓(1-50kV)來加速電子，並使的外面的威氏罩 較燈

6、絲負0-500V ,利用電場是電子能具成衣直徑為d0的電子束交叉點(gun crossover),並經由威氏罩的小孔而穿過陽極進入聚束 鏡。熱游離發射電子槍可分為鎢絲電子槍及LaB6電子槍兩種、而場發射電子槍可分為發射式(cold field emission ,FE)、熱場發射式(thermal field emission, TF )、及 蕭基發射式(Schottky emission , SE)3- 2 電子偵測器(Electron Detectors)電子偵測器可分為兩種，一種是閃爍計數器偵 測器(scintillator) ，應用在偵測能量較低的 二次電子，另一種則是固態偵測器(so

7、lid state detector)，應用於偵測能量較高的反射電子。閃爍計數器偵測器又稱 Everhart-Thornley 偵測器(簡稱ET偵測 器)。它是由閃爍器、光導管、光電倍增管、法拉第籠，如下圖所示而閃爍器是由CaF2塗上一層銪元素(Europium)所形成，再利用10- 12kV的正電壓來加速電子，而二次電子、反射電子因為受到正極的吸 引而撞擊閃爍器並產生光子，而這些光子會經 6-15 ET- 9 ' S1 咐直子 SE :二3E子-f : iKiJKU -閃瞟期 ua 1把皆 PH =光書曾业兰過光導管，到光電倍增管後轉換成電子脈衝放 大訊號(大約放大105- 106倍

8、)，最後送到顯示 器。加法拉第籠主要是為了避免因閃爍器上的 正偏壓使入射的電子束產生散光像差，將閃爍器用法拉第龍包起來。ET偵測器通常位於試片的左上方。而固態偵測氣勢以矽晶為偵測 器，通常對高能量的反射電子比較敏感，當電 子撞擊矽半導體的時候會產生電子-電洞對， 電子、電洞受到偏壓之後會形成電流訊號送至 顯示器。通常固態偵測器都置於試片的正上 方。3-3 SEM 試片的製備SEM試片本身若為金屬或導電性好，則不需要 經過事前處理，就可以直接偵測。但是本身若 為非導體話，就必須在表面鍍上一層厚度 50-200 ? 的金屬膜 ，此金屬膜應均勻的鍍在表 面上，避免干擾試片的表面，此金屬膜通常為 金或

9、 Au-Pd 合金或鉑 。較常用的試片製備操作 有：切割、清洗、鑲埋、研磨、拋光、侵蝕、 塗粉、鍍金等。大的試片需切割成適當大小以 便觀察，小的試片則是需經過鑲埋以便觀察。 SEM試片的製備必須注意一些原則：顯露岀要 分析的位置、表面的導電性要良好、需耐熱、 不能含有液狀或膠狀的物質以免揮發 、非導體 表面需鍍金。4.SE M的應用4- 1 一般應用SEM 的一般應用是靠其高解析度及景深 ( depth of focus )大的特點，對於研究物體 的表面特別有效，譬如金屬或非金屬的斷裂 面、磨損面、塗層結構等的觀察研究。主要包 括：材料、半導體、冶金、機械、礦物、地質、 生物、醫學、化學、物理

10、等。4- 2 特殊應用SEM 除了以上所介紹的二次電子、反 射電子的偵測之外，另外可加一些附 件，去偵測其他入射電子撞擊所產生的 訊號，以便能獲得試片各種特性的資 料。最常加的附件是偵測X-光的EDS藉著分析試片所釋放岀來的特性定性及定量的分析，使得 SEM成為用途 極廣的科學儀器之一。5. 結論近年來SEM在半導體產業界是一種運 用相當廣泛的分析器，無論是生產線上 的製程控制、品管QA QC方面與產品的 故障分析，都是很有幫助。SEM提供了高解析度影像、微區化學組成分析、數 位化、電腦化、自動化等使得SEM早就已經變成產業界、科技界、學術界最普 遍的檢測分析利器之一。6. 參考文獻1. 陳力

11、俊, 掃描式電子顯微鏡, 科儀 產 品 新 知 ,5(2)93( 190832. 汪建民, 材料分析3. 黃永盛, SEM/EDS 與 FIB 的原理及其在半導體工業的應用 , 科 儀新知 , 17(3)36( 1995).4. R.E. Lee, Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, PTR Prentice Hall, New Jersey( 1993).5. F.J. Humphreys, The Scanning Electron Microscope, Institute of Metals,London( 1988).6. MaterialsCharacterization,MetalHandbook, Ni