TEM影像黑白講 如何判讀影像明暗度 解開材料隱藏的秘密

從TEM電子鎗發出的高能電子，通過電磁透鏡組抵達試片之前，電子在整個高真空通道空間的分佈密度是均勻的。這些電子如果直接抵達數位相機，則影像只有單一亮度，沒有對比(圖2a)，因為每個像素接收的電子劑量幾乎相等。置入TEM試片後，高能電子先穿過此薄片試片，再抵達數位相機。當高能電子進入試片後，構成試片的原子和高能電子之間的交互作用，改變入射電子在空間的分佈狀態，使得到達數位相機的電子分布密度不再是均勻的。接收高電子劑量的像素呈白色，而接收低電子劑量的像素呈黑色，於是TEM影像有了明暗對比(圖2b)，也有了材料訊息。接下來，我們將討論試片的原子如何改變電子在空間的分佈密度。

TEM明場影像中特徵物的明暗變化透露著其對應的材料訊息，但是在TEM明場影像中特徵物的明暗變化並非唯一性，它們會依TEM的操作模式或條件改變其明暗度，甚至形貌。圖3顯示一組典型的TEM明場影像資料。從這三張影像看來，影像中標示A、B的差排究竟是單一條型的？還是二條緊鄰型的？還是三條緊鄰型的？如果差排的數目和熱處理條件有關聯，那麼，若將差排數目判斷錯誤，將會導致製程調整方向也跟著錯誤，浪費時間與人力物料資源。反之，如果研發和製程工程師都能收到正確的TEM影像，且能正確地解讀影像內含的材料訊息時，及時研擬正確的製程改善方向，則會增加公司的收益。

產生TEM明場影像明暗變化看似錯綜複雜，然而總括其影像對比機構以散射對比和繞射對比為主。散射是由被分析材料的組成元素的原子核吸引高能電子，偏折其運動軌跡，部分被偏折出數位相機的電子不會貢獻到影像中。元素的原子序愈大，其原子核的帶電量也愈大，將入射電子偏折到高角度的比例也愈大，導致在TEM明場影像中，重元素區域的顏色總是較暗(圖4a)。置入物鏡光圈後，通過重元素區域的電子被擋掉的比例更高，於是重元素區的顏色更黑(圖4b)。相同或近似原子序的元素，密度高的區域產生散射的效應等同於較大的原子序的區域，如圖5所示。

從原子排列的方式來看，固態材料可分成非晶質(amorphous)和晶體(crystal)二大類，非晶質材料的TEM明場影像只有散射對比。在半導體元件的TEM明場影像中，非晶質氮化矽的顏色恆比非晶質氧化矽暗(圖6)。這類的TEM影像告訴我們非晶質氮化矽的密度明顯比非晶質氧化矽大，也就是說，氮化矽的結構比氧化矽緻密。所以在半導體元件中，氮化矽用來做電晶體和整個元件的保護層，防止水氣滲透進入。

相對於非晶質材料，晶體材料的TEM明場影像除了散射對比外，還有繞射對比。當一些晶格面和入射電子束的夾角接近布拉格繞射(Bragg diffraction)角度時，晶體和入射電子束形成強烈繞射條件(例如正極軸(exact zone)或雙束條件(two beam condition))，此時該晶粒(grain)的顏色會比其他晶粒暗，因為分布到繞射點的電子被置入的物鏡光圈擋掉，沒有貢獻到影像，所以對應該晶粒的像素接收到較低的電子劑量，因此顏色較暗。

在TEM觀察中，傾轉試片會使晶體的晶格面和電子束的夾角變動，繞射條件也因此跟著改變。半導體元件的TEM明場影像中，晶體材料，例如多晶矽/金屬矽化物/金屬線等的明暗度會因試片傾轉而變動，而非晶質的氮化矽和氧化矽的明暗度則不會改變。鎢栓也是晶體材料，但是因為原子序太大，散射對比效應太強烈，所以大部份情況下，鎢栓都是黑色的(圖6)。某些半導體元件的結構中，鎢化物(tungsten compound)的周圍被多晶矽環繞。當某些矽晶粒的繞射對比效應恰巧非常強烈，導致其暗度和鎢化物相近，如圖7所示。有一些半導體廠的研發或製程工程師，因為不甚瞭解TEM影像對比機構之故，會將這些呈黑色的矽晶粒誤判為有鎢擴散出來，產生不必要的恐慌。類似的事例在各半導體廠常有聽聞。

總結而言，TEM明場影像明暗度變化的機構有二，散射對比和繞射對比。只要熟悉這二種影像對比機構的基本原理，靈活應用解讀TEM影像，則任一張黑白TEM明場影像內的材料訊息，都可一目瞭然，就能採取正確的後續製程改善方向。