材料分析技术在集成电路制程中的应用.doc

材料分析技术在集成电路制程中的应用谢咏芬、何快容11-1 简介 在现今的微电子材料研究中，各式各样的分析仪器通常被用来协助技术开发 (Technology Developement)、制程监控 (Process Monitoring)、故障分析 (Failure Analysis)、和进行产品功能异常侦错 (Products Debug) 等研究 (请见图11-1-1)；本章将简要叙述各种分析仪器的工作原理、分辨率、和侦测极限，并以典型的实例来说明这些分析技术在半导体组件制造中的应用。 图11-1-1 有关微电子材料的分析技术可以概分为结构分析(物性)与成份分析(化性)两大类，常见的仪器计有光学显微镜 (Optical Microscope, OM)，扫描式电子显微镜 (Scanning Electron Microscope, SEM)，X光能谱分析仪 (X-ray Spectrometry)，穿透式电子显微镜 (Transmission Electron Microscope, TEM)，聚焦式离子束显微镜 (Focused Ion beam, FIB)，X光绕射分析仪 (X-ray Diffractometer, XRD)，扫描式欧杰电子显微镜 (Scanning Auger Microscope, SAM)，二次离子质谱仪 (Secondary ion Mass Spectrometry, SIMS)，展阻量测分析仪 (Spreading Resistance Profiling, SRP)，拉塞福背向散射质谱仪 (Rutherford Backscattering Spectrometry, RBS)，和全反射式 X-光萤光分析仪 (Total Reflection X-ray Fluorescence, TXRF)等十几种之多，请见图11-1-2。目前在IC工业中，无论是生产线或一般的分析实验室中，几乎随处可见到光学显微镜，然而对各类的 IC 组件结构观察或日常的制程监控，最普遍的分析工具仍是扫描式电子显微镜；近几年来，由于组件尺寸微小化 (Device Miniaturization) 的趋势已步入深次微米 (Deep Sub-Micron) 的世代，许多材料微细结构的观察都需要高分辨率 (Resolution)的影像品质，穿透式电子显微镜的重要度自然日益提高；但是在进行组件故障或制程异常分析时，往往需要定点观察或切割局部横截面结构，以便确认异常发生的时机或探讨故障的真因，因此聚焦式离子束显微镜 (Focused Ion Beam, FIB) 应运而生，这项分析技术近五年来蓬勃发展，提供了定点切割技术 (Precisional Cutting)、自动导航定位系统 (Auto Navigation System)、和立即蒸镀和蚀刻 (In-Situ Deposition and Etching) 等功能，大大的满足了各类定点观察的需求，同时也带来了其它像线路修补 (Circuit Repair)、布局验证 (Layout Verification) 等多样化的功能，使得各类分析的进行减少了试片制备的困扰，同时对定点分析的能力可提升到 0.1 um 以下的水准。 图11-1-2 在成份分析方面，附加在扫描式电子显微镜上的 X光能谱分析仪，当然是最简便的化学元素分析仪器，其使用率一直也是所有元素分析仪器当中最高的；然而因为有限的侦测浓度和可侦测的元素范围，对微量的成份或表面污染，需借重二次离子质谱仪或全反射式 X光萤光分析仪，而对纵深方向 (Depth Profiling) 的元素分布，则需利用拉塞福背向散射质谱仪、扫描式欧杰电子显微镜或二次离子质谱仪才能完成；此外，若是要对结晶材料 (Crystalline Materials) 的晶体结构或原子排列方向作深入的分析，则可以利用X光绕射分析仪或穿透式电子显微镜的电子绕射图样 (Electron Diffraction Pattern)作进一步的研究。 对于各种分析仪器的基本原理，简要来说，一般显微镜的系统，多是利用光学镜片或电磁场来偏折或聚焦带能量的粒子束（例如：可见光、电子、离子、X光），借着粒子束与物质的作用，激发出各类二次粒子（例如：可见光、二次电子、背向散射电子、穿透式电子、绕射电子、二次离子、特性 X光、绕射 X光、欧杰电子、光电子、背向散射离子、萤光等），侦测其二次粒子的能谱、质谱、光谱、或成像，即可分析材料的结构和特性。在各类仪器中可以依入射粒子束的不同，概分为三大类： 一、电子 (请见图11-1-3)， 二、离子 (请见图11-1-4)， 三、X光 (请见图11-1-5)； 图11-1-3图11-1-4图11-1-511-2 材料分析技术 11-2-1 光学显微镜 (Optical Microscopy, OM) 光学显微镜的仪器装置简便 (请见图11-2-1)，其成像原理是利用可见光照射在试片表面造成局部散射或反射来形成不同的对比，然而因为可见光的波长高达 4000 - 7000 埃，在分辨率 (或谓鉴别率、解像能，系指两点能被分辨的最近距离) 的考量上自然是最差的。根据瑞莱的准则 (Raleighs criterion)，分辨率 (s) 可以用以下的公式来表示：(1) n 是介质的折射率 是物镜与试片间的半夹角 NA (Numerical Aperature) 表示透镜系统的分辨率和所形成的影像亮度的一组数值 图11-2-1当NA越大时，表示透镜系统的品质越高，s越小，也就是分辨率越好；在实际的限制上，NA的最大值为0.95，所以假设可见光的波长为0.5 um，s大约为 0.61 x 0.5 um/ 0.95 = 0.32 um；而为了要提高分辨率，也可以将试片浸泡在折射率较高的介质中，例如：油类 (n = 1.52)、水 (n = 1.33)，让 s 值变小。 在一般的操作下，由于肉眼的鉴别率仅有 0.2 mm，当光学显微镜的最佳分辨率只有 0.2 um 时，理论上的最高放大倍率只有1000 X，在这个数值以上是所谓空的放大倍率 (Empty Magnification)，并无法提供更多的资料，所以是没有意义的，然而也因为放大倍率有限，所以在同一次的观察区域中，视野却反而是各种成像系统中最大的，这说明了光学显微镜的观察事实上仍能提供许多初步的结构资料。 在实际应用上，光学显微镜的优点为仪器购置成本低、操作简便、几乎没有试片制备的需要，通常在观察时，直接将试片放置在基座上即可观察，若为了加强影像的对比，可以变化光源的照射方向，或取部份折射的光线作成暗视野成像，凸显某种材质的对比，或以偏极化光源(Polarizing Illumination) 作为入射粒子束，都有加强对比的效果，此外，亦可以用化学溶液选择性的蚀刻试片表面，造成高低不平的形象来加强对比，甚至以特殊配方的溶液来凸显某种特定的结构缺陷；表11-2-1列出在半导体材料研究中，对于芯片缺陷的观察时常用的几种化学溶液，可观察叠差 (Stacking Faults, SF)、差排 (Dislocation)、或析出物 (Precipitates)；图11-2-2是在硅芯片中的各种缺陷经过化学溶液的蚀刻后所突显的凹痕特征，以下将列举数例说明个各种应用。 表11-2-1图11-2-211-2-1-1 组件横截面结构观察 图11-2-3图11-2-3(a) 和 (b)是一个静态随机内存 (Static Random Access Memory, SRAM) 产品的横截面结构观察，比较图11-2-3(a)的光学显微镜照片和图11-2-3(b)的扫描式电子显微镜照片可以发现虽然光学显微镜的分辨率较差，但是因为光线对各种材料的反射率不同，仍能能清楚的分辨金属和复晶层。图11-2-4是一个动态随机内存 (Dynamic Random Access Memory, DRAM) 产品的横截面结构观察，从图11-2-4(a)的光学显微镜照片，我们已可以得知是壕沟式电容 (Trench Capacitors) 的结构，整体的制程技术一览无遗，已充分显示这是一个两层金属层三层复晶层 (2-level Metal, 3-level Poly, 2M3P) 的组件结构，虽然图11-2-4(b)的穿透式电子显微镜照片更能显现材料的细部结构，但是要得到 500 um2 以上均匀蚀薄的穿透式电子显微镜试片并非容易，若从时效性的考量着眼，包括试片制备的时间，当然是光学显微镜最快，扫描式电子显微镜次之，穿透式电子显微镜最慢，而从结构资料的丰富性来比较的话，那当然完全相反了。图11-2-411-2-1-2 平面式去层次 (Delayer) 结构分析 图11-2-5.(a) 和 (b)是对一个静态随机内存作产品结构分析时，先用化学溶液选择性的除去上层金属和氧化层后，裸露出下层复晶负载 (Poly-Si Load)和复晶闸极 (Poly-Si Gate)，两者虽是同材质的复晶硅，但是因为厚度不同，所以在图11-2-5(a) 的光学显微镜照片里呈现不同的颜色，已可以看出两者在布局上的相对位置，图11-2-5(b) 的扫描式电子显微镜照片分辨率较高，影像景深(Depth of Focus, DOF)较长，在视觉上较有立体感，但是对于布局上的观察似乎提供了类似的讯息。 图11-2-511-2-1-3 析出物空乏区 (Denuded Zone) 的观察 图11-2-6是对一个逻辑产品芯片下方空乏区的观察，该芯片用微小角度倾斜研磨 (Angle Lapping) 后，经过Sirtl侵蚀的酸液蚀刻，将 (Gettering) 后集积在芯片下半部的析出物凸显出来，显现出高密度的轨迹，而在靠芯片表面附近出现一段空乏区，经过角度换算，推断出空乏区的宽度约为 20 um。 图11-2-611-2-1-4 氧化叠差(Oxidation Enhanced Stacking Faults, OSF)的研究 图11-2-7(a)-(c) 是一个因场区氧化 (Field Oxidation) 制程异常以致于在井区 (Well) 植入区域中生成氧化叠差，图11-2-7(a) 的光学显微镜照片是所有组件材料全部去除后裸露的硅芯片表面，经 Wright侵蚀后，将芯片中叠差所在的位置蚀刻成线段式的凹痕，箭头所示是垂直交错的叠差只出现在井区；图11-2-7(b) 是同一芯片去除层次后，未作 Wright侵蚀的穿透式电子显微镜照片，同样的，垂直交错的叠差只出现在井区，但是叠差显现出清晰的条状干涉条纹，若是在较厚的试片区观察，可以得到完整的叠差影像，如图11-2-7(c)中箭头所示，周围被部份差排 (Partial Dislocation) 所包围；从材料特性，我们知道硅芯片的叠差座落在四组斜倚 (Inclined) 的 111平面上，因为 111 平面与 (001) 平面的交接方向即为四组 110 方向，因此光学显微镜和穿透式电子显微镜观察皆发现叠差沿着 110 方向垂直交错，而图11-2-7(c)的影像即是座落在 111 平面上的叠差在(001) 平面上的投影量，利用简易的几何运算，我们可以得知叠差的长宽与面积，同时了解叠差位于芯片表面以下的深度。虽然两种观察法都可以确认叠差的分布位置、走向、密度，所得到的结果类似，但是穿透式电子显微镜在分析上更能提供准确的尺寸量测，进一步了解叠差在三度空间的相对位置，推断可能的影响程度。图11-2-711-2-1-5 差排的观察 图11-2-8(a)-(c) 是对硅芯片内的线缺陷差排作观察，经 Wright侵蚀后，差排终止于芯片表面的端点被蚀刻成凹痕，图11-2-8(a) 的光学显微镜照片显示有 4 条差排线的端点，图11-2-8(b)的扫描式电子显微镜照片是凹痕的放大照片，外观与图11-2-3的图样雷同，图11-2-8(c)的穿透式电子显微镜照片显示这种十字交错差排的原始影像，谨提供各式观察结果的比较，希望能有助于读者的联想。 图11-2-811-2-1-6 过蚀刻 (Overetch) 的凹痕 图11-2-9(a) 和 (b) 是在比较组件闸极两侧的间隔层(Spacer)蚀刻制程中，正常与异常的蚀刻所导致的凹痕对比，通常间隔层蚀刻仅在 S/D 区域造成非常轻微的损失，因此在除去闸极上的复晶材料后，闸极下的信道区 (Channel Region) 与 S/D 区域的硅芯片在光学显微镜下仅会有些许的对比差异 (如图11-2-9(a)；然而若发生严重的过蚀刻现象时，在闸极的两侧将出现某种程度的凹痕，这种凹痕在光学显微镜下会呈现宽带状的暗色对比 (如图11-2-9(b)，所以试比较图11-2-9(a) & (b) 的结果，这类过蚀刻的凹痕亦常发生在场氧化 (Field Oxidation) 前的氮化硅蚀刻制程中，在刚蚀刻完时，如果能熟谙在光学显微镜下的观察将会有助于早期发现问题，不需要破片作扫描式电子显微镜或穿透式电子显微镜观察。 图11-2-911-2-2 扫描式电子显微镜 (Scanning Electron Microscopy, SEM) 在各类分析工作中，使用率最高的材料分析技术应该算是扫描式电子显微镜，其系统设计由上而下 (请见图11-2-10)，由电子枪 (Electron Gun) 发射电子束，经过一组磁透镜聚焦 (Condenser Lens) 聚焦后，用遮蔽孔径 (Condenser Aperture) 选择电子束的尺寸(Beam Size)后，通过一组控制电子束的扫描线圈，再透过物镜 (Objective Lens) 聚焦，打在试片上，在试片的上侧装有讯号接收器，用以择取二次电子 (Secondary Electron) 或背向散射电子 (Backscattered Electron) 成像。 图11-2-10 表11-2-2电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布 (Energy Spread) 要小，目前常用的种类计有四种，1. 钨(W)灯丝，2. 硼化镧(LaB6)灯丝，3. 冷式场发射 (Cold Field Emission)，4. 热式场发射 (Hot Field Emission)，它们的亮度、电子束的大小、电子能量散布、使用寿命、和必要的操作真空度有很大的不同 (请见表11-2-2)；其中价钱最便宜使用最普遍的是钨灯丝，以热游离 (Thermionization) 式来发射电子，电子能量散布为 2 eV；硼化镧灯丝的优点是亮度高，电子能量散布为 1 eV，而且使用寿命也比钨灯丝高出数倍；场发射式电子枪则比钨灯丝和硼化镧灯丝的亮度又分别高出 10-100 倍，同时电子能量散布仅为 0.2-0.3 eV，所以目前市售的高分辨率扫描式电子显微镜都采用场发射式电子枪，其分辨率可高达 1nm 以下，然而场发射式电子枪的电子产生率与真空度有密切的关系，其使用寿命也随真空度变差而急剧缩短，因此在试片制备上必须非常注意水气或固定用的碳胶或银胶是否烤干，以免在观察的过程中，真空陡然变差甚至系统当机。 根据de Broglie波动理论，电子的波长仅与加速电压有关： eh / mv h / (2qmV)1/212.2 / (V)1/2 (埃) 在 10 KV 的加速电压之下，电子的波长仅为0.12 埃，远低于可见光的4000 - 7000 埃，所以分辨率自然比光学显微镜优越许多，但是扫描式电子显微镜的电子束直径大多在50 - 100 埃之间，电子与原子核的弹性散射 (Elastic Scattering) 与非弹性散射 (Inelastic Scattering) 的反应体积又会比原有的电子束直径增大，因此扫描式电子显微镜的分辨率比起穿透式电子显微镜仍不是最理想的。理论上，只考虑电子束直径的大小，加速电压愈大，可得到愈小的聚焦电子束，然而增加加速电压却有一些不可忽视的缺点： 1. 无法看到试片表面的微细结构 2. 会出现不寻常的边缘效应 3. 电荷累积的可能性增高 4. 试片损伤的可能性增高 在扫描式电子显微镜的分析中，表面的微结构需利用低加速电压来观察，当加速电压增高时，电子束的穿透力及扩散力增大，试片中易产生一些多余的讯号 (如背向散射电子的数量增加)，降低影像的对比，并掩盖表面的微结构，需用低加速电压才能取得较佳的影像。根据数值仿真(2)和实际观察结果(3)，入射电子束在材料中的分布与加速电压和试片的原子序 (Z) 有关 (请见图11-2-11)： 图11-2-11 Z15 - 呈泪滴形 (Teardrop) 15Z40 - 呈半球形 (Hemi-spherical) 所有二次粒子 (包括二次电子、背向散射电子、特性 X光、欧杰电子、光子、和电子电洞对) 皆在这个区域内产生 (请见图11-2-12)，而电子穿入试片内的纵向深度与固体材料的密度和加速电压有关，可以用以下的算式来表达： Re = 4.28 9 x 10 -6 x E 1.75 / p (cm) -适用于 20E 0.1%);定量能力较差，其它详如表11-2-6所列。基于上述的快速及设计简单、操作简易的优点，一般扫描式电子显微镜或穿透式电子显镜所附加的特性 X光侦测器多采用能量散布分析仪。图11-2-25, 11-2-26 , 11-2-27为利用附加于扫描式电子显微镜的扫描式电子显微镜分析制程异常的应用实例。 图11-2-25图11-2-26图11-2-2711-2-4 穿透式电子显微镜 (Transmission Electron Microscopy, TEM) 11-2-4-1 基本原理 根据电子与物质作用所产生的讯号，穿透式电子显微镜分析主要侦测的资料可分为三种： 1. 即是撷取穿透物质的直射电子(Transmitted Electron) 或弹性散射电子 (Elastic ScatteringElectron) 成像;2. 作成电子绕射图样 (Diffraction Pattern, DP)，来作微细组织和晶体结构的研究;3. 或亦可搭配 X-光能谱分析仪 (EDS) 或电子能量散失分析仪 (Electron Energy LossSpectroscope, EELS) 作化学成份分析。 随着仪器的改良，目前分析式电子显微镜 (Analytical Electron Microscope) 与高解像能电子显微镜 (High Resolution Electron Microscope) 已能合为一体，除了穿透式电子成像之外，尚能作极微小区域 ( 10 埃) 的绕射图样 (Nano Beam Diffraction, NBD)，和聚合电子束绕射图样 (Convergent Beam Diffraction, CBD)，具有多样化的能力，几乎可满足各层面的分析需求。 穿透式电子显微镜的仪器系统可分为四部份 (请参见图11-2-28)： 图11-2-281. 电子枪有钨丝、LaB6、场发射式三种(与扫描式电子显微镜相似);2. 电磁透镜系统包括聚光镜 (Condenser lens)、物镜 (Objective Lens)、中间镜 (Intermediate Lens)、和投影镜 (Projective Lens);3. 试片室试片基座 (Sample Holder) 可分两类：侧面置入 (Side Entry) 和上方置入(Top Entry)，若需作临场实验则可依需要配备可加热、可冷却、可加电压或电流、可施应力、或可变换工作气氛的特殊设计基座;4. 影像侦测及记录系统ZnS/CdS涂布的萤光幕或照相底片。 穿透式电子显微镜分析时，通常是利用电子成像的绕射对比 (Diffraction Contrast)，作成明视野 (Bright Field, BF) 或暗视野 (Dark Field, DF) 影像，并配合绕射图样来进行观察。所谓明视野即是用物镜孔径 (Objective Aperature) 遮挡绕射电子束，仅让直射电子束通过成像，至于暗视野则是用物镜孔径遮挡直射电子束，仅让绕射电子束通过成像 (请参见图11-2-29)。作一般的影像观察时，应用最普遍的算是双电子束绕射状况 (Two-Beam, 2B, Diffraction Condition)，不过为了作深入的结构分析，针对特殊的材料结构或缺陷，通常试片座会配备倾斜基座 (Tilting Stage) 的功能，可以作成微弱电子束绕射状态 (Weak-Beam, WB, Diffraction Condition)，或多重电子束绕射状态 (Multi-Beam, MB, Diffraction Condition)，来改善成像的品质或加强对比。概略的分类一下，较佳的成像状况可以参考表11-2-7。 图11-2-29表11-2-7穿透式电子显微镜的解像能主要与电子的加速电压 (亦即波长) 和像差 (Aberration) 有关。加速电压愈高，波长愈短，分辨率也愈佳，同时因电子动能增高，电子对试片的穿透力也增加，所以试片可观察的厚度也能相对增加，但是一昧的提升加速电压 (目前可达到 1 MeV)，容易对所观察的试片造成原子移位(Atomic Displacement)的损伤，以硅晶为例，200 KeV的加速电压已足以提供非常良好的穿透力，2000 埃以下的试片观察不成问题，甚至在适当的绕射状态下，可观察的厚度能提高到5000 埃左右。 然而也因为电子具有相当程度的穿透力，当我们利用穿透式电子显微镜研究 IC 组件时，因为目前组件的线宽 (Line Width) 和膜厚 (Film Thickness) 大多在 1 mm 以下，无论是平面式观察或截面式观察，都很有可能因试片制备的状况不一，所得到的 TEM 影像是多层材料重叠的的结果，因此对穿透式电子显微镜影像的解释必须非常慎重，遇到较复杂的制程分析时，必需具备丰富的材料知识、制程经验与组件设计的相关常识，否则极容易造成误判。但是反过来说，也因为穿透式电子显微镜分析具有穿透材料的能力，是作为产品逆向分析 (Reverse Engineering) 非常有利的工具。一般利用扫描式电子显微镜作产品逆向分析，必须搭配化学式层次去除法，才能逐层观察组件布局，然而平面式观察时，只要整体组件材料纵向厚度在 5000 埃以下的重叠线路皆能一览无遗，尤其对层与层之间的相对空间排列(Spatial Relationship)与设计准则的揣摩，更能发挥其效用。 另一个影响解像能的因素是像差，像差的来源大致有四种： (1) 绕射像差 (Diffraction Aberration)这是物理光学的基本限制。(2) 球面像差 (Spherical Aberration)这是来自物镜的缺陷，不易校正。(3) 散光像差 (Astigmatism)这是由物镜磁场不对称而来，因为圆形对称软铁磁盘制作时精度控制困难，同时显微镜使用中，污染的杂质附于极片上也会导致像差，一般用像差补偿器(Stigmator)产生与散光像差大小相同方向相反的像差来校正。(4) 波长散布像差 (Chromatic Aberration)因为电子的波长会随着加速电压或透镜电流不稳而改变，也可能与试片作非弹性碰撞丧失能量，所以电磁透镜的焦距变化与入射电子能量有关，可以据此导出影像模糊的半径与波长散布像差系成正比。 为求得电子显微镜的最佳分辨率 (Resolving Power，rmin.)，通常散光像差与波长散布像差可以藉由其它装置来校正或补偿，但是绕射像差是基本限制，球面像差却往往不易消除，因此可以导出最佳分辨率与波长和绕射像差成简单的正比关系： B : 比例常数， 1 Cs : 球面像差系数，数值随仪器设计的改良而精进 一般的穿透式电子显微镜，在200 KeV下操作，解像能实验值即可达到-点影像2.93 埃，线影像1.4埃。 11-2-4-2 分析的特点与应用上的限制 由于穿透式电子显微镜具备超高解像能力，在一般的影像观察上即比其它分析工具优越许多，而依实际操作时可放大的倍率范围来看，穿透式电子显微镜也具有相当大的弹性 (从50 X到1,500,000 X)；应用到半导体材料研究方面，穿透式电子显微镜分析具有以下的优点： 1. 在形象 (Morphology & Topography) 观察方面，对材料结构有敏锐的分辨力： 晶粒方向 (等轴向，Equi-Axial/柱状 Columnar/优选方向，Texture/磊晶，Epitaxial)请参见图11-2-30)图11-2-30同质异形结构 (非晶形硅 Amorphous Si/复晶硅 Polycrystalline Si/单晶硅 Single crystalline Si) - (请参见图11-2-31) 图11-2-31异质同形结构 (氮化硅 Nitride/氧化硅 Oxide/非晶形硅 Amorphous Si) (请参见图11-2-32)同质同形结构(硼磷掺杂氧化硅 BPSG/无掺杂氧化硅 USG/旋转覆盖式氧化硅SOG/热氧化硅 Thermal Oxide)(请参见图11-2-33) 图11-2-32图11-2-33 2. 微细结构的观察 - 晶格影像 - (请参见图11-2-34、图 11-2-35) 图11-2-34图11-2-35 3. 搭配试片基座的倾斜功能，可以进行结构性缺陷 (Structural Defects) 的特性分析，例如：离子布植后的残余缺陷 (Residual Defects by Ion Implantation)、制程的损伤 (Process Induced Damage: Over Etch, Substrate Loss)、或结构性加强的缺陷增长 (Structural Enhanced Defects Multiplication: FOX/AA Edge Defects) - (请参见图11-2-36) 图11-2-36 4. 借着电子绕射图样分析，在试片观察时拥有方向感 (Sense of Wafer Orientation)，利用可倾斜的试片基座，可以变化电子的入射角度，从不同的晶轴方向 (Zone Axis) 来确认晶体结构 (FCC，BCC，HCP，- etc.)或化学组成 (WSix，TiSix，x=1，2，- etc.)(请参见图11-2-37) 图11-2-37 5. 对有限厚度内 ( 5000 埃) 的多层次结构能得到重叠影像 (See-Through Capability)，可以应用作商用产品分析(请参见图11-2-38) 图11-2-38 6. 配备冷却/加热/可变电性 (Cooling/Heating/Variable Electrical Stressing) 的试片基座，即可在显微镜内同步观察材料结构的变化(请参见图11-2-39) 图11-2-39 然而无可避免的，穿透式电子显微镜分析也有其限制，缺点包括： 1. 试片的大小必须在3 mm以下。2. 基于电子束有限的穿透力，通常最理想的观察厚度在 500-1000 埃之间。 3. 囿于试片制备的难度颇高，可观察的区域通常在 100 mm 以内。 4. 在某些情况下，试片制备非常困难，成功率相对降低，例如: 晶粒边缘封闭结构的研究 (Chip Sealing)、单一晶胞故障 (Single Bit Failure) 的横截面分析、或单一接触窗 (Contact Hole) 的横截面分析等。5. 与其它分析方法比较，穿透式电子显微镜分析是一种破坏性分析，而且试片制备所需的时间较长 (在下一节中将详细描述试片制备的方法)，因此全部的工作时间 (Turn-Around Time) 也相对增加。11-2-5 聚焦式离子束显微镜(Focused Ion beam, FIB) 11-2-5-1 系统和工作原理 聚焦式离子束显微镜的系统是利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割仪器，目前商用系统的粒子束为液相金属离子源 (Liquid Metal Ion Source, LMIS)，金属材质为镓(Gallium, Ga)，因为镓元素具有低熔点、低蒸气压、及良好的抗氧化力；图11-2-41显示了镓的离子路径与聚焦式离子束显微镜的系统组装，典型的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子侦测器、5-7轴向移动的试片基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电子控制面板、和计算机等硬设备，外加电场 (Suppressor) 于液相金属离子源 可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场 (Extractor) 牵引尖端的镓，而导出镓离子束，在一般工作电压下，尖端电流密度约为1 埃10-8 Amp/cm2，以电透镜聚焦，经过一连串变化孔径 (Automatic Variable Aperture, AVA)可决定离子束的大小，再经过二次聚焦至试片表面，利用物理碰撞来达到切割之目的。 比较聚焦式离子束显微