檢測 IC 半導體製程必不可少的精密儀器，材料分析技術一日千里

穿透式電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope, TEM）是觀察微小結構及原子排列的最常用分析方法。隨著 IC 半導體 (Semiconductor) 的發展，車用鋰（Li）電池、量子電腦 (Quantum Computer)、第四代 III-V 族化合物半導體、二維材料如石墨烯（Graphene）等新材料的分析需求與日俱增，提高電子顯微鏡所具備的解析度也成為當務之急。

如何提高電子顯微鏡的解析度？

為了提高 TEM 的解析度，首先得減少 TEM 機台的像差，而造成 TEM 像差的原因主要有以下 3 種：

1.散光像差（Astigmatism）

2.色散像差（Chromatic Aberration）

3.球面像差（Spherical Aberration）

散光像差可藉由機台的散光像差調整功能改善。色散像差則與 TEM 的電子能量有關，目前 TEM 機台都使用場發射電子發射源，電子能量已能很均勻地改善色散像差，不過只對電子能量損失能譜（Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS）分析有較大的幫助，對 TEM 的空間解析度並無明顯提高。因此改善球面像差才是提高 TEM 解析度的最有效辦法。

具備超高解析度的Cs-STEM

球面像差修正掃描穿透式電子顯微鏡（Spherical Aberration Corrected Scanning Transmission Electron Microscope, Cs-STEM）是因應新材料進展的分析設備。使用球面像差修正的 TEM，可以提高機台的空間解析度。TEM 搭配掃描（Scanning）功能，即稱為掃描穿透式電子顯微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope, STEM）。STEM 搭配 X 射線能量散布分析儀（Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS）及 EELS，可以實現高空間解析度的成份分析。

以材料分析起家的閎康科技為例，其已發展至擁有 MA （Material Analysis）、FA （Failure Analysis）、RA （Reliability Analysis）、SA （Surface Analysis）、CA （Chemical Analysis）等技術的世界一流分析實驗室，為了與工業界、研究單位及學術界展開密切合作，特別引進了 Cs-STEM 的機台及技術。

Cs-STEM的應用

Cs-STEM 分析技術根據不同待測材料及客戶需求持續發展中，以下便以閎康科技的三個合作案例進行說明。

圖１為發光二極體 III-V 族的半導體材料結構，高空間解析度可以分辨 Ga 原子以及 N 原子的排列，得知各原子的位置後，即可計算排列的間距及角度，並推算出 GaN 材料的結晶結構。在一般沒有球面像差修正的 TEM，Ga 及 N 原子的排列位置是分不出來的。另外，Cs-STEM 配合 EDX 功能，還能進行高解析的 EDX 成份分析。

▲圖1　發光二極體 III-V 族的半導體材料結構。

目前碳化矽材料常用於高功率元件，對於車用電子來說是很熱門的材料。碳化矽的晶體結構複雜，主要可分為兩種：

1.立方（Cubic），又稱 β-SiC 或 3C-SiC。

2.六方（Hexagonal），又稱 α-SiC。

文獻中已發表過超過 200 種以上的六方晶相，其中較常見的結構為 2H、4H、6H 及 15R 等。圖2即是利用 Cs-STEM 觀察到 4H-SiC 的原子排列結構，其觀察方向（垂直螢幕方向）為 <11-20> 方向。

▲圖2　 4H-SiC 材料的原子排列結構。

圖 3 為車用鋰電池材料的分析，鋰電池材料中的 Li 成份無法使用 EDX 來分析，但可使用 EELS 來鑑別。Cs-STEM 搭配 EELS 功能，不但可以同時觀察 Li/Mn/O 等主要材料分佈，還能同步藉由 EELS 的光譜功能，觀察到 Li 元素的能量損失光譜，亦即分析 Li 的原子鍵結狀態。