Nederlands
Menu

SEM versus TEM: elektronenmicroscopen vergeleken

Beide microscopen gebruiken een elektronenbundel in plaats van licht, maar ze bekijken het monster op een andere manier. Een scanning-elektronenmicroscoop (SEM) tast het oppervlak af met een gefocuste elektronenbundel en vormt een beeld uit de terugkerende elektronen, waardoor de vorm van het oppervlak zichtbaar wordt. Een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) stuurt elektronen door een extreem dun monster, zodat de interne structuur tot op atomair niveau kan worden bekeken. SEM is snel en eenvoudig. TEM is veel krachtiger, maar kost meer tijd en moeite.

KenmerkSEMTEM
PrincipeEen gefocuste bundel tast het oppervlak af en het beeld wordt gevormd uit secundaire en terugverstrooide elektronenElektronen gaan door een extreem dun monster en het beeld wordt gevormd uit doorgelaten en gediffracteerde elektronen
Wat zichtbaar isDe vorm van het oppervlak en contrast door samenstellingInterne structuur, kristalrooster, grensvlakken op atomair niveau
ResolutieMaximaal ongeveer 1 nm. Gewoonlijk enkele nm of meerMinder dan 0,1 nm. Individuele atomen zijn zichtbaar
MonstervoorbereidingWeinig. Bulkmonsters zijn bruikbaar (isolatoren hebben een geleidende coating nodig)Zeer veel werk. Het monster moet dunner zijn dan ongeveer 100 nm en wordt vaak met een gefocuste ionenbundel (FIB) uitgesneden
BundelenergieOngeveer 0,5 tot 30 kVOngeveer 80 tot 300 kV
SnelheidSnel. Enkele minuten per monsterLangzaam. Enkele uren, inclusief monstervoorbereiding
KostenLagerHoog
Belangrijkste toepassingenMeting van lijnbreedtes (CD-SEM), defectreview, bekijken van doorsneden van devicesDikte van het gateoxide, gestapelde dunne films, kristaldefecten, structuur van grensvlakken

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

SEM
Voor routinematige inspectie en metingen waarbij snelheid telt. Controle van patronen, opsporen van defecten.
TEM
Wanneer de interne structuur op atomaire schaal moet worden bekeken. Zoals de dikte van een gatediëlektricum van slechts enkele atomen.
Combinatie
Bij foutanalyse worden de problematische plek met SEM en FIB gevonden en vrijgelegd, waarna een dunne lamel wordt uitgesneden en met TEM wordt bekeken.

Veelgestelde vragen

Welke heeft de hoogste resolutie, SEM of TEM?

TEM. Die onderscheidt details van minder dan 0,1 nm en maakt individuele atomen zichtbaar. SEM haalt hooguit ongeveer 1 nm.

Waarom moet een TEM-monster zo dun zijn?

De elektronen moeten door het monster heen kunnen, dus het moet dunner zijn dan ongeveer 100 nm. De voorbereiding, bijvoorbeeld met een gefocuste ionenbundel, duurt enkele uren.

Wat meet een CD-SEM?

Een SEM voor dimensiemeting, die de lijnbreedte van patronen en de grootte van gaten op de wafer meet. Onmisbaar voor procescontrole bij lithografie en etsen.

Waarom worden isolerende monsters vóór SEM gecoat?

Omdat isolatoren door de elektronenbundel worden opgeladen, waardoor het beeld vervormt. Een dunne geleidende coating of waarnemen bij lage spanning voorkomt dit.

Test uw begrip

Welke uitspraak over het principe van de scanning-elektronenmicroscoop (SEM) is juist?

  1. AEen fijn gebundelde elektronenbundel scant het monsteroppervlak en gedetecteerde secundaire elektronen enz. worden gebruikt om de oppervlaktevorm te bekijken
  2. BDe kristalstructuur wordt onderzocht uit röntgendiffractie
  3. CDe laagdikte wordt gemeten uit lichtinterferentie
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Een fijn gebundelde elektronenbundel scant het monsteroppervlak en gedetecteerde secundaire elektronen enz. worden gebruikt om de oppervlaktevorm te bekijken

Een SEM scant met een fijn gebundelde elektronenbundel het oppervlak van het monster en detecteert de daaruit vrijkomende secundaire en terugverstrooide elektronen om een beeld te vormen. Secundaire elektronen met lage energie kunnen alleen uit de ondiepste laag van het oppervlak ontsnappen en geven daarom de topografie goed weer, terwijl terugverstrooide elektronen sterker uit zware elementen komen en samenstellingsverschillen laten zien. Het oplossend vermogen ligt rond 1 nm. In fabrieken wordt de CD-SEM, die met een lage versnelspanning de lijnbreedte van patronen meet, voor procesbeheersing gebruikt. Röntgendiffractie en lichtinterferentie zijn andere methoden.

Welke voorbehandeling is nodig om een monster met een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) te bekijken?

  1. AHet monster tot een dikte van enkele cm opbouwen
  2. BHet monster zo dun bewerken, tot ongeveer 100 nm of minder, dat de elektronenbundel erdoorheen kan
  3. CHet monster in een vloeistof oplossen
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Het monster zo dun bewerken, tot ongeveer 100 nm of minder, dat de elektronenbundel erdoorheen kan

Een TEM vormt een beeld met elektronen die door het monster zijn getransmitteerd, dus het monster moet tot ongeveer 100 nm of minder worden verdund zodat de elektronenbundel erdoorheen kan. Bij halfgeleidercomponenten wordt vaak de lift-out-methode gebruikt, waarbij met FIB rond het te bekijken gebied wordt weggefreesd en een dunne plak wordt vrijgemaakt en afgewerkt. Bij een TEM met aberratiecorrectie wordt een oplossend vermogen van 0,1 nm of beter bereikt, waarmee zelfs de atoomrangschikking zichtbaar is. Als het monster dik wordt opgebouwd of wordt opgelost, kunnen elektronen er niet doorheen.

Wat is te weten te komen met EDX (energiedispersieve röntgenspectroscopie), dat samen met SEM of TEM wordt gebruikt?

  1. AOppervlakteruwheid
  2. BSoort en hoeveelheid van de in het monster aanwezige elementen
  3. CInterne filmspanning
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Soort en hoeveelheid van de in het monster aanwezige elementen

Wanneer een elektronenbundel op het monster valt, worden elektronen uit binnenste schillen geslagen en wanneer daar een elektron uit een buitenste schil in valt, komt karakteristieke röntgenstraling vrij met een voor elk element eigen energie. EDX analyseert die energie en bepaalt zo soort en hoeveelheid van de elementen. Omdat de samenstelling ter plaatse bekend wordt van de plek die met de elektronenmicroscoop wordt bekeken, wordt het veel gebruikt voor de analyse van deeltjes en defecte plekken. De detectiegrens is ongeveer 0,1 gew.%; voor de analyse van sporen van onzuiverheden worden onder meer SIMS gebruikt.

  1. Wat is het belangrijkste gebruik van een apparaat met gefocusseerde ionenbundel (FIB)?
  2. Welke methode voorkomt opladen (charge-up) bij het waarnemen van isolerende monsters met een SEM?
  3. Wat wordt hoofdzakelijk gemeten met een atoomkrachtmicroscoop (AFM)?

Oefenvragen over Metrologie en analyse

Belangrijke termen uitgelegd

SEM (scanning-elektronenmicroscoop)
Microscoop die het oppervlak van een monster met een fijn gebundelde elektronenstraal aftast en met onder meer de vrijkomende secundaire elektronen de oppervlaktevorm waarneemt. Maakt structuren van enkele nm zichtbaar die met een optische microscoop niet te zien zijn.
TEM (transmissie-elektronenmicroscoop)
Microscoop waarbij een elektronenbundel door een uitgedund monster wordt gestuurd. Met een resolutie op atomair niveau kunnen dwarsdoorsneden en kristaldefecten worden onderzocht.
FIB (focused ion beam)
Apparaat dat met een fijn gefocusseerde ionenbundel een monster bewerkt of er een film op aanbrengt. Wordt gebruikt voor dwarsdoorsneden in kleine gebieden, het maken van dunne TEM-monsters en het repareren van schakelingen.
AFM (atomic force microscope)
Microscoop die met een scherpe tip het monsteroppervlak aftast en uit de kracht tussen tip en oppervlak de fijne hoogteverschillen meet. Wordt onder meer gebruikt voor het beoordelen van oppervlakteruwheid.

Verwante vergelijkingen