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(STM/AFM 引言在科學的發展史,顯微技術直隨著類科學文明不斷突破,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,本章將介紹種目前最為常用的微結構表面分析儀器掃描式電子顯微鏡(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Scanning Electron Microscope(SEM1.前言SEM的工作原理和理論

2、構想在1935年由德國Knoll提出,而直到1942年時第部實驗用的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年時出現解析度為10nm的SEM。直到1965年,由英國Cambridge公司才推出第部商品化的SEM,隨著SEM的改良使得解析度提高、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,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,SEM已是功能強大、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(Wehnelt cylinder聚集而形成幾十um大小的點光源,在陽極加速電壓(0.20.4kv作用,再經過包含個

3、電磁透鏡所組成的電子光學系統,使電子束聚焦成細小約幾個nm的電子束照射試片表面,由於末端透鏡裝有掃描線圈,其主要是用來偏折電子束,使其在試片能做度空間的掃描,並且此掃描器與陰極射線(CRT掃描同步,當此電子束打至試片時會激發出次電子(secondary electron和反射電子。這些電子被偵測器偵測時,訊號經由放大器送至CRT,由於掃描線圈的電流與顯像管的電流是同步的,所以,試片表面任點產生的訊號和顯像管相互對應,因此,試片表面的形貌、特徵等可藉由同步成像的方式而表現出來。2-1電子束與試片的相互作用電子束照射在試片會產生次電子、反射電子、吸收電子、歐傑電子、特性X光、陰極發光等。在SEM主

4、要是偵測次電子及反射電子。2-1a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50500Å,才有機會被偵測到,因此次電子產生的數量,會受到試片表面起伏狀況的影響,所以可以偵測出試片表面的形貌徵。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片元素種類的不同而有所差異。反射電子產生於距試片約5000Å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、

5、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(2t場發射電子槍。電子槍主要是由部份組成:陰極的鎢絲燈絲(tungsten wire filament、威氏罩或柵極(Wehnelt or grid cap、及陽極。其構造如圖所示 , 陰極唯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LaB

6、6電子槍兩種、而場發射電子槍可分為:場發射式(cold field emission ,FE、熱場發射式(thermal field emission, TF 、及蕭基發射式(Schottky emission , SE3-2電子偵測器(Electron Detectors電子偵測器可分為兩種,種是閃爍計數器偵測器(scintillator,應用在偵測能量較低的次電子,另種則是固態偵測器(solid 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,如圖所示而閃

7、爍器是由CaF2塗層銪元素(Europium所形成,再利用10-12kV的正電壓來加速電子,而次電子、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,最後送到顯示器。加法拉第籠主要是為了避免因閃爍器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方。3-3 SEM試片的製備SEM試

8、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,就必須在表面鍍層厚度50-200Å的金屬膜,此金屬膜應均勻的鍍在表面,避免干擾試片的表面,此金屬膜通常為金或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些原則:顯露出要分析的位置、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.SEM的應用4-1般應用SEM的般應用是靠其高解析度及景深(depth of focus大的特點,對

9、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、質、生物、醫學、化學、物理等。4-2特殊應用SEM除了以所介紹的次電子、反射電子的偵測之外,另外可加些附件,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出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。5.結論近年來SEM在半導體產業界是種運用相當廣泛的分析器,無論是生產線的製程控制、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、

10、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。6.參考文獻1. 陳力俊 , 掃描式電子顯微鏡 , 科儀產品新知 ,5(293(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(336(1995.4. R.E. Lee, ScanningElectron Microscopy and X-RayMicroanalysis, PTR PrenticeHall, New Jersey(1993.5. F.J. Humphreys, TheScanning Electron Microscope,Institute of Metals,London(1988.6. MaterialsCharacterization,MetalHandbook