季豐MA實驗室目前擁有Talos系列透射電鏡和HF5000球差矯正透射電鏡，具有納米材料與結(jié)構(gòu)的亞原子尺度分析能力，同時多位博士領(lǐng)銜的工程師團隊具有豐富的半導體行業(yè)材料分析經(jīng)驗，能為客戶提供非常全面的TEM解決方案。

EELS基本原理簡介

電子能量損失譜（EELS）是一種通過分析高能入射電子與材料原子發(fā)生非彈性碰撞后能量損失特征的先進表征技術(shù)，可用于獲取材料的成分、化學態(tài)及電子結(jié)構(gòu)信息。其在芯片工藝研發(fā)和失效分析中具有獨特優(yōu)勢，尤其在納米尺度下可對芯片工藝結(jié)構(gòu)中的材料成分如原子比和摻雜、元素種類和價態(tài)、材料禁帶寬度和介電常數(shù)等進行精細分析。

▲圖一

電子束與樣品原子作用過程

電子與樣品相互作用時，能量損失主要分為：

低能損失區(qū)（0-50 eV）：

對應入射電子誘導的等離子體激發(fā)、帶間躍遷等，可反映材料的介電性質(zhì)和載流子濃度。其中等離子體峰也叫指紋峰，因相同元素組成但價態(tài)不同的材料的等離子體峰有各自不同的峰形和峰位。

芯損失區(qū)（>50 eV）：

對應內(nèi)殼層電子的電離，形成元素特征電離邊（如K、L邊），這些電離邊的形狀和位置與元素的多少、種類和價態(tài)有關(guān)，可用于元素鑒別、成分定量和價態(tài)分析等。

▲圖二

EELS譜的構(gòu)成：零峰、低損失峰（等離子體峰）和芯損失峰

EELS的主要應用

1元素鑒別

目前半導體工業(yè)界最常用的檢測元素的電子顯微鏡技術(shù)是EDS分析，半導體工藝涉及的元素種類非常多，包含金屬如W、Al、Cu、Au、Fe、Ti、Ta、Hf、Co、Ni、Ge、Ga、Ag、Pt等和非金屬元素如B、C、N、O、F、Si、P、S、Cl、Ar等，其中很多小原子序數(shù)的非金屬元素的特征X射線產(chǎn)額低，且易被探測器窗口（如鈹窗）吸收，導致信號弱、背景噪聲高，定性和定量分析均很困難。輕元素的K層或L層電離邊通常出現(xiàn)在低能量范圍（如碳的K邊約280 eV）。

EELS在低能量損失區(qū)域（通常<2000 eV）具有非常高的能量分辨率（可優(yōu)于1 eV）和靈敏度，能夠清晰分辨這些電離邊，彌補EDS的較差能量分辨率（一般差于120 eV）的不足，因此EELS成為材料科學、納米技術(shù)等領(lǐng)域中輕元素分析的強有力工具。

EDS在重元素檢測中更優(yōu)，而EELS彌補了輕元素分析的短板。兩者結(jié)合可在寬元素范圍內(nèi)提供全面分析。

▲表一

TEM中的EDS和EELS技術(shù)對比

2摻雜檢測

EELS分析系統(tǒng)中的電子探測器（相機）能顯著影響EELS譜圖質(zhì)量如信背比和信號收集速率等。直接電子探測器（Direct Electron Detection，DED）是近年來發(fā)展起來的一種電子探測器，相比傳統(tǒng)的電荷耦合元件（CCD）和互補金屬氧化物半導體(CMOS）電子探測器

DED的核心優(yōu)勢包括：

（1）單電子靈敏度：直接轉(zhuǎn)換電子為電信號，避免傳統(tǒng)CCD中光轉(zhuǎn)換導致的信號損失；

（2）高信噪比（SNR）：在低電子劑量下仍保持低噪聲，適合輻照敏感樣品；

（3）高動態(tài)范圍與快速讀出：支持高劑量下的微弱信號檢測，并減少掃描時間，降低樣品漂移影響。

配備有DED的EELS可用于低濃度摻雜如As、P等的檢測，以及分析電子束敏感材料（采用非常低的電子劑量）。

3價態(tài)分析：化學環(huán)境與鍵合狀態(tài)解析

元素的近邊精細結(jié)構(gòu)（ELNES）反映元素局域化學環(huán)境，例如過渡金屬如Co、Fe的L邊峰形和能量位移可表征其氧化態(tài)。高能入射電子電離過渡金屬元素時，內(nèi)殼層電子（如2p電子）被激發(fā)，會躍遷到導帶中大量未占據(jù)的態(tài)（如d軌道），導致在電離邊處形成較強的尖峰，即所謂白線，同種元素不同價態(tài)的白線強度不同，且會存在化學位移，從而可以用于價態(tài)分析；

4EELS定量分析

材料中不同原子的EELS的芯損失峰強度與原子占比有關(guān)，可以用于較精確的成分定量。EELS定量原理可用下列公式表示[1]：

其中NA和NB分別是原子數(shù)目，IA和IB分別是電子強度（芯損失峰積分面積），Δ是窗口大小，Β散射角度，σ散射截面，η是探測器效率。

通過去卷積處理消除儀器點擴散函數(shù)產(chǎn)生的展寬效應，結(jié)合電離邊積分強度與散射截面可以計算元素占比，適用于輕元素定量，如3D NAND存儲器件的浮柵中N含量監(jiān)控，功函數(shù)材料TiN中的Ti/N原子比，以及應變Si技術(shù)中常用GeSi材料的Ge/Si原子比。

5禁帶寬度測量

低能損失區(qū)中靠近零峰的平坦區(qū)域表示材料中不存在能使入射電子產(chǎn)生該能量損失值的電子態(tài)，也即對應材料能帶中的禁帶區(qū)域，從而根據(jù)低能損失區(qū)的電子躍遷特征（如帶間躍遷閾值）可推算材料禁帶寬度。

6能量過濾像（Energy filtered TEM）

利用能量過濾器篩選電子束中具有特定能量損失（如O 的K邊和Si的L邊）的電子進行TEM成像，快速獲取樣品中各個元素的獨立分布圖像，可實現(xiàn)對材料成分、化學態(tài)和元素分布的原子尺度分析。

利用零損失峰形成的HR-EFTEM相比普通HRTEM圖像，過濾掉相干性較差的非彈性散射電子，圖像信噪比更好，空間分辨率更高。

EFTEM相比EELS效率高很多，獲取一個STEM-EELS mapping需要的時間約為5分鐘，且需要更長的時間進行數(shù)據(jù)處理，而采集一張EFTEM圖像花費的時間為2-20s，非常適合大批量篩查芯片工藝過程中的異常成分和形貌。

季豐電子

季豐電子成立于2008年，是一家聚焦半導體領(lǐng)域，深耕集成電路檢測相關(guān)的軟硬件研發(fā)及技術(shù)服務的賦能型平臺科技公司。公司業(yè)務分為四大板塊，分別為基礎實驗室、軟硬件開發(fā)、測試封裝和儀器設備，可為芯片設計、晶圓制造、封裝測試、材料裝備等半導體產(chǎn)業(yè)鏈和新能源領(lǐng)域公司提供一站式的檢測分析解決方案。

季豐電子通過國家級專精特新“小巨人”、國家高新技術(shù)企業(yè)、上海市“科技小巨人”、上海市企業(yè)技術(shù)中心、研發(fā)機構(gòu)、公共服務平臺等企業(yè)資質(zhì)認定，通過了ISO9001、 ISO/IEC17025、CMA、CNAS、IATF16949、ISO/IEC27001、ISO14001、ISO45001、ANSI/ESD S20.20等認證。公司員工超1000人，總部位于上海，在浙江、北京、深圳、成都等地設有子公司。