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SEM vs TEM : les microscopes électroniques dans l'analyse des semi-conducteurs

Les deux microscopes utilisent un faisceau d'électrons au lieu de la lumière, mais observent les échantillons de manière différente. Un microscope électronique à balayage (SEM) balaie la surface avec un faisceau focalisé et forme une image à partir des électrons renvoyés : il montre donc la forme de la surface. Un microscope électronique en transmission (TEM) fait traverser une lame extrêmement mince par les électrons : il peut donc montrer l'intérieur de la structure jusqu'aux atomes individuels. Le SEM est rapide et simple ; le TEM est bien plus puissant, mais lent et exigeant.

CritèreSEMTEM
PrincipeUn faisceau focalisé balaie la surface ; les électrons secondaires ou rétrodiffusés forment l'imageLes électrons traversent un échantillon très mince ; les électrons transmis et diffractés forment l'image
Ce qu'il montreForme de la surface et contraste de compositionStructure interne, réseau cristallin et interfaces à l'échelle atomique
RésolutionEnviron 1 nm au mieux ; typiquement quelques nanomètres ou plusInférieure à 0.1 nm : on peut voir les atomes individuels
Préparation des échantillonsMinime : des échantillons massifs peuvent être utilisés (les isolants nécessitent un revêtement conducteur)Très exigeante : l'échantillon doit faire moins d'environ 100 nm d'épaisseur, souvent découpé par faisceau d'ions focalisé (FIB)
Énergie du faisceauEnviron 0.5 à 30 kVEnviron 80 à 300 kV
VitesseRapide : quelques minutes par échantillonLente : plusieurs heures, préparation de l'échantillon comprise
CoûtPlus faiblePlus élevé
Usages typiquesMesure de largeur de ligne (CD-SEM), revue de défauts, vues en coupe des composantsÉpaisseur de l'oxyde de grille, empilements de couches minces, défauts cristallins et structure des interfaces

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

SEM
Pour l'inspection et la mesure de routine, où la vitesse compte, comme la vérification des motifs et la recherche de défauts.
TEM
Lorsqu'il faut voir l'intérieur d'une structure à l'échelle atomique, comme l'épaisseur d'un diélectrique de grille de quelques atomes.
Ensemble
En analyse de défaillance, le SEM et le FIB localisent et dégagent la zone problématique, puis une lame mince est découpée pour le TEM.

Questions fréquentes

Lequel a la meilleure résolution, le SEM ou le TEM ?

Le TEM. Il résout en dessous de 0.1 nm, ce qui permet de voir les atomes individuels, tandis qu'un SEM résout environ 1 nm au mieux.

Pourquoi le TEM nécessite-t-il un échantillon aussi mince ?

Les électrons doivent traverser l'échantillon, qui doit donc faire moins d'environ 100 nm d'épaisseur. Sa préparation, souvent par faisceau d'ions focalisé, prend plusieurs heures.

Que mesure un CD-SEM ?

Un SEM de dimension critique mesure les largeurs de ligne et les tailles de trous des motifs sur les wafers. C'est un outil clé du contrôle de procédé en lithographie et en gravure.

Pourquoi recouvre-t-on les échantillons isolants avant l'observation au SEM ?

Les isolants accumulent des charges sous le faisceau d'électrons, ce qui déforme l'image. Un mince revêtement conducteur, ou une observation à basse tension, l'évite.

Vérifier vos connaissances

Quel est le principe du microscope électronique à balayage (SEM) ?

  1. AUn faisceau d’électrons finement focalisé balaie la surface de l’échantillon, et la détection des électrons secondaires émis permet d’observer la topographie de surface
  2. BÉtudier la structure cristalline à partir de la diffraction des rayons X
  3. CMesurer l’épaisseur d’un film à partir des interférences lumineuses
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Réponse : A. Un faisceau d’électrons finement focalisé balaie la surface de l’échantillon, et la détection des électrons secondaires émis permet d’observer la topographie de surface

Le SEM balaie la surface de l’échantillon avec un faisceau d’électrons finement focalisé et forme une image en détectant les électrons secondaires et rétrodiffusés émis. Les électrons secondaires, de faible énergie, ne peuvent s’échapper que d’une très faible profondeur et rendent bien le relief ; les électrons rétrodiffusés, plus nombreux pour les éléments lourds, révèlent les différences de composition. La résolution est d’environ 1 nm. En usine, le CD-SEM, qui mesure à basse tension d’accélération la largeur des motifs, sert au contrôle des procédés. La diffraction X et les interférences lumineuses sont d’autres méthodes.

Quelle préparation est nécessaire pour observer un échantillon au microscope électronique en transmission (TEM) ?

  1. AEmpiler l’échantillon sur quelques cm d’épaisseur
  2. BAmincir l’échantillon à environ 100 nm ou moins pour que le faisceau d’électrons puisse le traverser
  3. CDissoudre l’échantillon dans un liquide
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Réponse : B. Amincir l’échantillon à environ 100 nm ou moins pour que le faisceau d’électrons puisse le traverser

Le TEM forme l’image avec les électrons transmis à travers l’échantillon ; celui-ci doit donc être aminci à environ 100 nm ou moins pour que le faisceau le traverse. Pour les dispositifs semi-conducteurs, on utilise souvent la méthode de lift-out : le FIB creuse autour de la zone à observer, puis une lame est extraite et amincie. Un TEM à correction d’aberrations atteint une résolution inférieure à 0.1 nm et montre l’arrangement des atomes. Un échantillon épais ou dissous dans un liquide ne laisse pas passer les électrons.

Que permet de connaître l’EDX (spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie), utilisée en combinaison avec un SEM ou un TEM ?

  1. ALa rugosité de surface
  2. BLa nature et la quantité des éléments contenus dans l’échantillon
  3. CLa contrainte interne d’un film
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Réponse : B. La nature et la quantité des éléments contenus dans l’échantillon

Lorsqu’un faisceau d’électrons frappe l’échantillon, des électrons des couches internes sont éjectés ; quand des électrons externes comblent ces lacunes, ils émettent des rayons X caractéristiques d’énergie propre à chaque élément. L’EDX analyse cette énergie pour déterminer la nature et la quantité des éléments. La composition de la zone observée au microscope électronique est obtenue sur place, d’où son large usage pour analyser particules et zones défectueuses. La limite de détection est d’environ 0.1 wt% ; pour les impuretés à l’état de traces, on utilise notamment la SIMS.

  1. Quelle est l’utilisation principale d’un équipement à faisceau d’ions focalisé (FIB) ?
  2. Quelle méthode permet d’éviter la charge (charge-up) lors de l’observation au SEM d’un échantillon isolant ?
  3. Que mesure principalement le microscope à force atomique (AFM) ?

Questions d'entraînement sur Métrologie et analyse

Termes clés expliqués

MEB (SEM, microscope électronique à balayage)
Microscope qui balaie la surface de l'échantillon avec un faisceau d'électrons focalisé et détecte notamment les électrons secondaires émis pour observer la topographie. Il permet d'observer des structures de quelques nm, invisibles au microscope optique.
TEM (microscope électronique en transmission)
Microscope qui observe un échantillon aminci traversé par un faisceau d'électrons. Avec une résolution atomique, il permet d'étudier les structures en coupe et les défauts cristallins.
FIB (faisceau d'ions focalisé)
Équipement qui grave ou dépose des films avec un faisceau d'ions très fin. Utilisé pour les coupes de zones microscopiques, la préparation de lames minces pour TEM et la modification de circuits.
AFM (microscope à force atomique)
Microscope qui balaie la surface de l'échantillon avec une pointe fine et mesure son relief microscopique à partir des forces entre la pointe et la surface. Utilisé notamment pour évaluer la rugosité.

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