EDS能譜中的偽訊號跟能峰重疊 如何聰明判讀

本文中會提到兩種電子顯微鏡，包含SEM(掃描式電子顯微鏡，簡稱SEM)和TEM(穿透式電子顯微鏡，簡稱TEM)，但是以探討後者為主。如表1所示，和其他裝設於電子顯微鏡的成份分析儀相比，雖然EDS的能量解析度比較低，但由於它的操作方式和後續資料處理都相對簡單，價格也最便宜，因此EDS在材料分析領域廣為應用在微區成份分析，尤其是半導體工業界。

從圖1可以看出SEM和TEM中的EDS分析最主要的差別。SEM使用的試片是塊材型，電子擴展效應^{[1, 2]}使產生特性X光訊號的體積大很多，造成對應的空間解析度因此下降。另外，由於儀器使用上的特性，SEM/EDS分析時經常可以改變操作的電壓，範圍從5 至 30 KV，可以查看樣品在不同深度結構上的變化。而TEM/EDS通常是固定在例行的操作電壓，無機固態材料分析領域通常使用二十萬伏特(200 KV)。

因為EDS的能量解析度只有130 電子伏特(eV)，所以能峰重疊在EDS能譜中經常發生，如何判斷重疊的能峰真正歸屬是本文的主題之一。另一種典型偽訊號稱為迷走X光(Spurious X-Rays)，源自入射電子束被散射後，激發其他試片區域或試片承載具而產生的X光訊號。

如圖2(a)所示，當SEM的試片表面是凹凸不平時，有一些X光會來自非電子束直接照射的區域，這些被散射電子擊中的地區如果組成和主分析區無異，則沒有甚麼問題。但如果組成和主分析區不同，則會產生令人困惑的元素能峰。因為試片粗糙表面引起的迷走X光的情況相當複雜，所以在SEM/EDS分析中，除了破斷面分析外，都會將試片研磨拋光，形成平滑的表面，從根本上去除產生迷走X光的可能性。

本文將只討論TEM/EDS分析中的迷走X光。在TEM中產生的迷走X光如圖2(b)所示，從圖2(b)中可以看出，主要的迷走X光就是來自承載試片的銅環和物鏡。由物鏡產生的迷走X光，另稱為系統X光(System X-rays)^[3]，因為物鏡是TEM系統本身的組件。透過在EDS偵測器前方增設準直器(Collimator)後，以高角度進入EDS偵測器的系統X光，在新型的TEM/EDS系統中已經被排除至可忽略的程度，接下來要討論的主題是以銅環產生的迷走X光為主。因為銅環是最廣為用於承載TEM試片，所以在許多TEM/EDS能譜中，都可以看到銅的能峰，如圖3中的EDS能譜所示；如果承載試片的銅環改成鎳環，迷走X光就變成鎳 X光。

圖3顯示6個正規化(Normalization)的EDS能譜，仔細觀察這些EDS能譜，發現這些能譜中的銅X光訊號有二大特點：

(一) 只有Cu K_α 能峰(8.040 KeV)，沒有Cu L_α 能峰(0.930 KeV)

(二) Cu K_α的能峰強度(Peak Intensity)大致上隨分析材料的平均原子序增大而增強。收集一系列用銅環承載的試片的TEM/EDS能譜並加以分析後後，得到如圖4的曲線趨勢圖。

圖4的橫軸是原子序，縱軸是Cu K_α的能峰強度和該EDS能譜中主元素能峰強度的比值，例如：Si K_α 或Ta M_α。圖4中的資料清楚顯示在沒有銅元素的試片中，Cu K_α仍然可見，其能峰強度確實會隨被分析材料的原子序增大而增加，只是二者的關係並非是簡單的線性關係。Cu L_α X光不是沒有產生，只是沒有足夠的能量溢出銅環。在TEM試片中純銅區域產生的EDS能譜如圖5(a)所示， Cu L_α能峰比Cu K_α能峰高；類似地，從一純鎳的區域獲得的TEM/EDS能譜如圖5(b)所示， Ni K_α能峰和Ni L_α能峰的高度相仿。(正規化：將能譜中所有的訊號除以最大的訊號，使最大訊號強度等於1。)

綜合圖3 ~圖5的資料得出的規則性，我們可以用來判斷圖6中，各層薄膜的EDS能譜中的銅訊號是迷走X光，而不是濺鍍靶材受到銅元素汙染。材料分析工程師應要負責提供客戶準確的材料分析訊息，透過正確解讀材料分析資料，研發部門和製程部門能夠節省改善製程所需的時間和資源。

前面說過，在半導體元件STEM/EDS分析中最常見的能峰重疊為Si K_α(1.740 KeV)/ Ta M_α(1.709 KeV)/ W M_α(1.774 KeV)，如圖7所示。圖7包含三組正規化的EDS能譜，分別為Si/ Ta/ W，當三者疊放在一圖時，Si K_α/ Ta M_α/ W M_α三個能峰重疊無法區分。在半導體元件前段製程中，鎢栓/ 矽化物/ 矽基板連結一起，形成一種重要的電路結構，如圖8(a)所示。如果使用原始未經運算處理的EDS資料，沿橘色箭頭產生的EDS直線成份分佈圖(Line Profiles)將會如圖8(b)所示，將鎢栓的W M_α當成矽的訊號，產生一組錯誤的資料。經過適當地運算，分離Si K_α和W M_α後，EDS直線成份分佈圖才會變成如圖8(c)所示的結果。

目前EDS大廠的EDS控制軟體都有運算處理重疊能峰的能力。不過這些運算幾乎都是以能譜影像(Spectrum Image)為對象，而非個別EDS能譜或直線成份分佈圖。所以攝取STEM/EDS能譜影像後，必須先將原始能譜影像的資料運算後，產生一組運算後的能譜影像，再萃取直線成份分佈圖資料，才會是正確的資料。

如果直接從原始能譜影像萃取的直線成份分佈圖資料，或用STEM/EDS直接執行直線成份分佈模式分析，結果將如圖8(b)所示。利用W L_α的數據和W M_α與W L_α的比值做簡單的數學運算，即可分離W M_α和Si K_α的訊號強度得到正確的直線成份分佈圖。圖8(c)的結果即是筆者利用圖8(b)中的數據自行運算的結果。直接執行直線成份分佈分析，而不用先進的能譜影像分析技術的優點是可以省下許多儀器收集訊號的時間，缺點是EDS軟體無法反卷積運算解開重疊的能峰。