发布日期：2023/4/25 TEM样品制备
发布单位：iST宜特
水能载舟亦能覆舟，惯性思维可以让你熟能生巧，
但也可能让你因此迷失试片中的重要讯息！
本文鲍伯以自身实例说明，人类的惯性思维如何错置TEM材料分析的结果
TEM样品制备
物理学上，一个没有受到外力的物体会沿一直线以等速度持续前进，称之为惯性。而在我们日常生活例行性的交通中，从A处到B处，已经习惯某条行车路线后，如果临时想去C处买个小东西，在前往途中，一不留神就会在必须转弯的街口继续沿旧路线前进。个人将此种行为称之为「惯性的迷失」。对于许多人来说，惯性的迷失在日常生活中经常发生，大多无伤大雅。但是如果发生在工程案件和商业案件中，则会造成相当程度的损失，小则浪费几天的人力和物力，大则危及企业的资本。
TEM样品制备
TEM样品制备
案例一：惯性思维导致测试无限轮回，还差点延宕了交期？
廿几年前，在工研院材料所微结构分析实验室工作。某天接到一个半导体组件良率的案子，客户送来二组表面长有磊晶层的硅晶圆。经过相同的制程，用A组晶圆制作的组件的良率都低于50%，而用B组晶圆制作的组件的良率则高于95%。客户要鉴定A组晶圆内的磊晶层是否有造成低良率的缺陷。利用TEM（穿透式电子显微镜，Transmission Electron microscopy, 简称TEM）进行样品的横截面分析。第一天，完成A组晶圆的TEM试片制作，在TEM中，观察到硅磊晶层和硅基板的界面有几个数奈米大小的空孔。第二天，完成B组晶圆的TEM试片制作，但是在TEM中找不到硅磊晶层。当时推估是没有磨对位置。第三天，再制作第二个B组晶圆的TEM试片，仍然找不到硅磊晶层。
第四天，预定交付数据的前一天，完成第三个B组晶圆的TEM试片，在TEM中搜寻一遍后，仍然找不到硅磊晶层。此时已经晚上11点。疲乏的我走到室外散心，顺便思考今晚是否要研磨第四个B试片，以及如何向客户提出延期的说词。沈思中，忽然灵光一闪，天啊！掺杂浓度等级(ppm)的硅同质磊晶层和硅基板之间，正常状况下，本来就看不到界面。
一直想要看到磊晶层和硅基板的界面，是因为被A试片的观察结果引导，以及以往分析异质磊晶层样品的经验造成的惯性思维。从A试片中，得知磊晶层厚度是50奈米，所以我只要先确定B试片的表面是平直无损，再从试片距离表面50奈米的深度处，划一平行表面的直线延伸整个TEM分析的试片范围，在此直线的附近找不到任何缺陷，即能证明B试片的磊晶层硅和硅基板之间没有缺陷。
中场休息：您是否也曾跟男主角一样，落入惯性的陷阱呢?
在分享下个案例之前，突然想起一个惯性迷失的笑话。
一对年轻情侣在公园漫步。意外地，一只蚊子撞到女主角的眼睛，男主角赶快帮女主角吹眼睛，同时温柔地说：「妳的眼睛好大」。
女主角一边眨眼流泪，一边高兴地微笑。二人继续愉快地边走边说。
忽然，一只蚊子恰好飞入正在说话的女主角口中。男主角赶快帮女主角擦拭口水，同时温柔地说：「妳的嘴巴好大」。…..不知道这男友下场如何，回到正题。
案例二：照惯例来不行吗？样品制备角度差一点，结果竟然截然不同？
现在硅基半导体组件的TEM分析主要分成二个主要阶段：FIB样品制备和TEM分析。由于绝大多数的硅基半导体组件使用[001]晶圆制作，晶体管组件沿二个互相垂直的{110}方向排列。因此，在第一阶段，FIB工程师习惯上沿某一[110]方向切出TEM试片。在第二阶段，TEM工程师也习惯上，一定是先将TEM试片倾转，使试片的[110]方向和入射电子束的方向一致，然后再进行后续的分析。
[001]、{110}或[110]等都是用来表示晶体方向与晶面的一种指数，称为米勒指针(Miller index)，是晶体学(Crystallography)中用来确定固体中原子或离子排列方式的一种表示法。
图1(a)显示一张FIB的二次电子影像。图中黄色箭头所指之处，第一层金属(M1)和钨栓(W)非常接近。由于分辨率的问题，此影像无法确认第一层金属和钨栓是否已经接触？或是尚有空隙？因此必须进行TEM分析。这个特殊案子的TEM样品制备，理想上应该是照着如图1(b)中虚线矩形的轮廓切挖成TEM试片，才能看清楚第一层金属和钨栓是否已经接触。可是由于惯性思考使然，FIB工程师仍然照惯例，沿硅基板的[110]方向切挖，按照如图1(c)中虚线矩形的轮廓做出TEM试片。
图1. FIB 二次电子影像。(a)黄色箭头指处，第一层金属(M1)和钨栓(W)很接近；(b)虚线矩形代表理想的TEM薄片轮廓示意图；(c)虚线矩形代表实际TEM薄片轮廓示意图。
如果TEM工程师也是照惯例，先倾转TEM试片，使试片硅基板的[110]正极轴方向和电子束一致，然后拍摄影像，得到如图2(a)的影像。得到的结论将是第一层金属的腰部和钨栓是接触的。可是若跳脱惯性思维，将TEM试片做适当的倾转后，使观察方向接近沿图1(b)中的黄色虚线AB方向时，可以发现第一层金属的腰部和钨栓虽然很接近，但是仍有几奈米的间隙，如图2(b)所示。从图2(a)和图2(b)得到的讯息，对于设计工程师或制程工程师而言，修正的工作有相当程度的差异。
图2. 横截面型TEM明场像。(a)沿硅基板[110]正极轴方向拍摄的TEM明场像，显示第一层金属
(M1)和钨栓(W)接触；(b)沿硅基板[001]轴倾转20几度后拍摄的TEM明场像，显示第一层金属
和钨栓未接触。惯性思维能帮助我们熟能生巧，但是对于非例行性的案子，制式化的惯性操作，只是得到大量排列整齐的影像和若干组彩色的成份映像而已，TEM强大的分析功能并未被充分发挥，真正的材料讯息仍遗留在试片内，或者未被用适当的TEM分析技术显像出来。
本篇是宜特材料讲堂-鲍伯开讲的首发文章。鲍博从每个人多少都会有的惯性思维，探讨在运用TEM进行材料分析时卡关的实例。您也曾落入惯性思维的陷阱吗？希望这篇文章能帮助您跳出惯性，在生活和工作中皆有所突破。
宜特材料分析实验室在半导体制程、先进封装领域上耕耘已久，有相当丰富的经验与成功案例。本文与长久支持宜特的您分享，若有相关需求，或是对相关知识想要更进一步了解，欢迎洽询 marketing_tw@istgroup.com。