本技術分為三個部分:以聚焦離子束將樣品製作成針狀、以球像差修正電子顯微
鏡收集樣品各個角度的原子級投影影像、以及以傅立葉轉換進行迭代將三維斷層
重組最佳化,如此可在鰭式場效電晶體樣品中得到三維原子結構並達1.8埃解析
度。
首先,為了使電子束可以穿透,並進行全角度投影收集,我們將試片製作成直徑
小於50奈米之針狀樣品。此類型樣品必須使用聚焦離子束顯微鏡製備,同時必須
設計此類型樣品專用之針狀樣品專用載台。進行製備時先將待測樣品定位,並使
用高電壓離子束電流粗削至直徑約5微米之針狀,並轉移至針狀樣品專用載台之尖
端上,再開始細修,此時會將離子束電流降至約300 pA,並以環型遮罩從樣品正
上方進行切削,此步驟須將樣品削至直徑約200奈米,並盡量確保樣品保持在正
中心,將外圍受到離子束轟擊造成損傷之部分去除。最後離子束之電壓降至5 k
V,電流降至100 pA以下,使離子束對樣品造成的損傷降及表面之粗糙度降至最
低,並持續以環型遮罩進行修邊,達到直徑50奈米以下之針狀。
接著,使用具有球像差修正器之掃描穿透式電子顯微鏡(STEM)搭配環形暗場偵測
器(ADF)的收集針狀樣品在全角度的原子級投影。STEM-ADF影像為暗場影像,
亦稱為原子序對比(Z-contrast)影像,其強度與原子序大小、樣品厚度呈正相
關,亦不具有改變焦距會產生對比反轉的問題,同時STEM影像在高原子序元素
上品質較佳(散射強度較強),相異元素的原子序如果非差異過小仍可判別。因此
如矽鍺薄膜介面、高介電常數薄膜、鐵電層、金屬層都可有相當可分辨的潛力。
最後,使用最佳化斷層重建技術獲得三維影像。由於實驗資料在極坐標格點上,
而重建是在直角坐標格點上,使用所有實驗資料點在倒空間中進行全域插值,再
做反傅立葉轉換以獲得三維重建,將可獲得更高解析度的影像。由於投影數目有
限,在倒空間中有部分資料點的插值會有相當的誤差,利用重組影像必為單一獨
立物品為條件進行修飾,再回到倒空間將較大誤差之資料點進行修正,重複迭代
獲得最後結果。
當得到電晶體的三維原子結構,即可將原子位置提取出來,可再進一步分析樣品
內部結構資訊,例如鐵電層或高介電常數層的結構緻密度與結晶類型、電晶體多
層薄膜介面之粗糙度、三維元素分布、以及利用原子位移量來計算應力分布,為
先進元件與相關製程提供更全面的檢測方式。