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半导体材料TEM 样品的聚焦离子束制备方法 电子器件尺寸的持续减小使得高分辨成像的主要设备发生了一系列转变：从 扫描电子显微镜（SEM ）到透射电子显微镜（TEM ）和扫描透射电子显微镜 （STEM ）。TEM 和 STEM 都需要很薄的样品，一般要小于 100nm 厚，这样的 样品制备起来很困难，消耗时间长而且制备成本又高。可以说，样品的制备便成 了该工艺的一个瓶颈。手工样品制备速度慢而且不可靠。聚焦离子束（FIB）制 备提供了另外一个选择，这种工艺速度快，但费用高。一种新型的 FIB 自动化 预处理系统使得这种工艺的初期阶段可自动化控制，而且能提高生产率和可靠 性，降低成本，使样品易于最后的FIB 减薄或宽束离子打磨。 成像及分析的进一步要求 半导体工业已毫无疑问地进入了纳米科技时代。大部分工艺的临界尺寸已进 入了纳米尺度。栅极氧化物层只有仅仅几个纳米厚。铜工艺中的阻挡层（barrier） 和种子层也厚不了多少。栅极长度预计到这个十年的末期将小于20nm。另外， 随着器件密度的增加，FinFET 和其它双栅极半导体场效应晶体管（MOSFET） 设计开始得到应用，这些新结构都涉及一些复杂的三维结构。现在，即使是传统 的 CMOS 设计也采用了三维嵌入式互连工艺。提高空间分辨率和可观察深层三 维结构能力的共同需求，使得半导体生产操作迫切地需要STEM 的成像及分析。 SEM/STEM/TEM SEM：高度聚焦的电子束在样品表面上扫描时，入射电子和样品原子相互作 用发射出信号，通过点与点之间信号强度变化来描绘图像的方法称为 SEM 。由 入射电子束激发样品产生的二次电子信号可以提供相对较高的分辨率。这些信号 对表面形貌的变化十分敏感，但是表面以下的信号几乎探测不到。 其它信号如背散射电子，特征 X 射线虽然可以从样品中较深的地方中发射 出来，然而这些信号只能提供较差的分辨率。当电子束入射样品时，其电子将发 生散射，随后按非常复杂的路径运动，甚至会沿着样品表面返回（即背散射）。 散射电子所及反应区域的大小和形状取决于电子束能量和样品组成。因为信号在 反应区中任何一个位置都可以产生（有时会在距样品表面上电子束位置很远的地 方），所以电子束在样品内的传播限制了SEM 的分辨率。SEM 的典型分辨率为 几纳米，最高分辨率接近1 纳米。 STEM：STEM 的成像原理与SEM 很相似：高度聚焦的电子束扫描样品表面， 然后通过信号变化描绘出图像。然而，STEM 样品很薄，以至于电子束的电子在 返回前只散射一次 甚至不发生散射，有效消除了因电子束散射引起的一系列问 题。由于所有信号都产生于电子束聚焦点的直接临近区域，因此STEM 的分辨率 取决于聚焦点的大小。现代 STEM 可提供 0.1nm 的分辨率，这比SEM 要高一 个数量级。即使是特征X 射线，在SEM 中因为要穿越长距离，所以只能提供很 差的分辨率，而在STEM 中可提供高分辨率的元素成分分析。 除了SEM 可获得的信号外，STEM 还可提供几种透射信号。其中最有用的 是入射电子与样品原子核相互作用产生并经过大角度散射形成的透射电子信号。 其散射程度与原子核大小有很强的相关性，因此对材料组成很敏感（Z-contrast ）。 由于Z-contrast 可对材料界面进行明确的描绘，因此在半导体度量应用中有很大 的用处。 TEM ：TEM 将一束较宽的电子照到样品上，透射电子被放大、投射到图像 传感器或其他接受设备上，从而形成图像。这个过程类似于把射影照片从胶片投 射到屏幕上。像STEM 一样，TEM 需要很薄的样品。TEM 分辨率高于0.1nm， 此外TEM 还有许多独特的成像和分析能力，包括衍射衬度，相衬度，晶体分析 等。 TEM 和STEM 可以是互相分离的专门仪器，也可以合二为一。这里，我们 将用STEM 来讨论这两种技术，而不区分二者在物理方面的实现性。 样品制备 STEM 要求样品足够薄从而可以使电子穿透，一般要小于 100nm。有时样 品经薄化处理后用金属网格进行支撑。这样的样品很容易碎，而且容易丢失和受 损。半导体样品通常较厚，只对需要分析和成像的特定区域进行薄化处理。最后 的薄化过程可能是一个机械过程。例如，较厚的部分将被抛光成一个楔形，目标 点位于较薄的楔形边缘上。Dimpling 也是一个机械过程，通过抛光在样品中形 成一个圆形凹陷，使目