電子顯微鏡是什麼？SEM與TEM如何看見光看不到的世界

生活中的例子：黑白的立體照片

你是否在自然課本或科學圖鑑裡，看過拍攝花粉或昆蟲眼睛的黑白立體照片？每一根毛、表面的凹凸，都拍得很清楚。這類照片大多是用電子顯微鏡拍的。

半導體新聞裡也常出現電子顯微鏡的照片。拆解新手機晶片的調查報導，會刊登把晶片縱向切開的剖面照片。細細的配線、小小的開關（電晶體）一層層疊起來的樣子，只有電子顯微鏡才拍得出來。

頭髮的粗細約為8萬～10萬 nm（根據美國政府的奈米科技介紹）。nm（奈米）是1 mm的百萬分之一的長度。晶片裡的圖案，細到只有頭髮的數千分之一左右。本文要說明，我們是怎麼「看見」這樣的世界。

光學顯微鏡的極限：比波還細的東西會變模糊

光具有波的性質。從一個波峰到下一個波峰的長度，叫做波長。眼睛看得見的光，波長大約是400～700 nm。

波遇到小縫隙或物體的邊緣時，會繞過去並擴散開來。所以用光形成的影像，不論透鏡多好，都會有點模糊。模糊的大小，和所用光的波長差不多。兩個點靠得太近時，模糊會重疊，看起來就像一個點。

這個極限是德國的阿貝在1873年提出的。即使條件良好，能分辨的兩點間距也只有光波長的一半左右。用可見光的顯微鏡，大約200 nm就是極限。這種「能分辨的細度」，叫做解析度。

另外，也有利用會發光的標記（螢光）超越這個極限的方法，獲得了2014年的諾貝爾化學獎。這是觀察細胞內部用的特殊方法，本文不討論。

那麼，用波長更短的光就可以了嗎？用紫外線，確實能看得細一些。但是，波長更短的光會被玻璃透鏡吸收，無法穿過。這個性質在「EUV微影是什麼？」中也有說明。

電子也會像「波」一樣運作

電子是存在於所有原子中、非常小的粒子。它帶負電，也是電線中電流的本體。然而電子雖然是粒子，卻也和光一樣具有波的性質。

這個想法是法國的德布羅意在1924年提出的。後來人們確認，把電子打到原子規則排列的晶體上，會像光一樣出現波互相加強的花紋。這兩項成果分別獲得1929年與1937年的諾貝爾物理學獎。電子像波一樣運作的話題，在「穿隧效應是什麼？」中也有介紹。

電子跑得越快，波長就越短。要讓電子變快，就用高電壓拉動它。這個電壓叫做加速電壓，單位是kV（千伏特，1 kV是1,000伏特）。以100 kV加速的電子，波長約0.0037 nm。大約是可見的綠光（約550 nm）的15萬分之一。

電子帶負電，所以能用磁力改變它前進的方向。在繞成線圈的電線中通電，就能像透鏡一樣把電子聚集起來。德國的魯斯卡在1931年，與克諾爾一起用這個原理組裝出第一台電子顯微鏡。1933年，性能已明顯超越光學顯微鏡，魯斯卡也在1986年獲得諾貝爾物理學獎。

不過，電子的透鏡沒辦法像玻璃透鏡那樣，理想地把電子聚在一起。這種影像的偏差叫做像差。所以實際能分辨的細度，比電子的波長粗得多。即使如此，性能最高的機種，仍能看得比光學顯微鏡細一千倍以上。

電子顯微鏡的內部，要抽掉空氣成為真空。因為電子撞到空氣分子，會改變方向或停下來。發射電子的零件（電子槍），也會因為空氣而損壞。

SEM：用電子的光點掃過表面，觀察形狀

電子顯微鏡大致分為兩種。第一種，是把細細的電子流（電子束）再聚焦，掃過試樣表面來形成影像的顯微鏡。這叫做SEM（掃描式電子顯微鏡）。「掃描」的意思，是像描線一樣依序移動。第一台市售的SEM，1965年在英國推出。

SEM把電子束聚焦成寬度只有數nm的小點。再像讀書一樣，由左到右、由上到下，一點一點移動這個點。電子束打到的地方，原本在試樣裡的電子會被撞出來。這些電子叫做二次電子。

設備用接收二次電子的零件（偵測器），逐點計算跑出來的數量。數量多就變亮，少就變暗，成為影像中的一個點（像素）。把所有的點排在一起，就成為一張黑白影像。也就是說，SEM的影像不是用透鏡成像，而是把逐點量到的數值排列而成。

二次電子的能量很弱，只有在表面極淺處產生的才跑得出來。斜面和角落靠近表面的部分比較多，所以跑出來的也多。因此邊緣和斜面會特別亮，看起來就像有陰影的立體照片。高性能的設備，能分辨到1 nm以下的細度。

不導電的試樣要特別注意。因為打進去的電子無處可逃，電荷會累積在表面，使影像扭曲。所以會在表面鍍上極薄的金屬或碳膜，或降低加速電壓來防止。

TEM：讓電子穿過薄試樣，觀察內部

第二種，是讓電子穿過試樣，用從另一側出來的電子形成影像的顯微鏡。這叫做TEM（穿透式電子顯微鏡）。「穿透」就是穿過去的意思。魯斯卡最早做出的電子顯微鏡，也是這一種。

TEM通常用80～300 kV的高電壓加速電子。即使如此，電子能穿過的也只有非常薄的試樣。所以要把試樣削薄到約100 nm以下。大約是頭髮粗細的千分之一。

試樣中重原子多或較厚的地方，會讓電子大幅散射。被散射的電子不容易到達影像，所以那裡會拍得比較暗。穿過的電子經透鏡多段放大，再用相機拍下來。這裡只說明最基本的成像方式。

TEM的強項，是能以原子等級觀察內部結構。在矽晶體中，相鄰原子中心的間距約0.235 nm。校正像差的最高性能TEM，已確認能達到0.05 nm的細度。這是美國勞倫斯柏克萊國家實驗室在2008年發表的。原子排成的列，會拍成一排排的點。

被電子打到的試樣，也會放出每種元素特有能量的X射線。調查這些X射線，就能知道那個位置有什麼元素。這種分析叫做EDX，會裝在SEM或TEM上使用。

兩者的差異，在「SEM與TEM的差異」中，以表格比較解析度、準備的工夫、速度、費用等。簡單來說，SEM快又方便；TEM雖然比較費工，卻能把內部看得很細。

試樣的準備：放進真空，切出薄片

用電子顯微鏡觀察的試樣，要放進真空中。所以含水的生物等，無法直接觀察。需要先乾燥或固定。矽晶片是乾燥的固體，在這一點上是很好處理的試樣。

TEM的準備更辛苦。想看晶片上僅僅一處的不良時，必須瞄準那個位置切出薄板。這時使用的，是用帶電原子（離子）的束來切削試樣的設備。這叫做FIB（聚焦離子束）。

FIB把一種叫做鎵的金屬離子聚焦得很細來照射，把原子一點一點撞飛來切削。首先，在想看的位置上方鍍一層保護用的金屬膜。接著深挖兩側，把中間留下的薄牆切下來取出。最後削薄到約100 nm以下，再放進TEM。

許多FIB也內建SEM，可以一邊看切削的情形一邊作業。準備花上好幾個小時，也並不少見。切出來的晶片無法復原，所以是抽出部分產品來檢查。

在晶片工廠中的用途

量測線寬：CD-SEM

晶片是做在矽做成的圓形薄板（晶圓）上。工廠在用光轉印圖案之後、削去之後，都會確認圖案的線寬是否符合設計。這種量測用的專用SEM，叫做CD-SEM。CD是「關鍵尺寸」（critical dimension）的縮寫，指需要量測的重要尺寸。日立（現在的日立先端科技）表示，他們在1984年推出了第一台CD-SEM產品。

CD-SEM從晶圓上方掃描圖案，由二次電子跑出較多的線條邊緣位置算出寬度。為了轉印圖案而塗上的藥劑（光阻），是被電子打到就容易受損的材料。所以要用約1 kV或更低的加速電壓，輕輕地量測。量測結果會用來調整轉印圖案的製程（曝光）條件。

確認缺陷：複查SEM

從整片晶圓找出微粒或圖案缺損，是用光的缺陷檢測設備的工作。光能快速檢查大範圍，但找到的缺陷長什麼樣子，就看不太清楚。所以要用SEM靠近找到的位置拍攝，確認缺陷的種類。這樣使用的SEM，叫做複查SEM（review SEM）。

近年的設備，會從拍到的影像自動分類缺陷的種類。只要知道哪種缺陷在哪道製程變多，就能更快找出造成問題的設備或條件。這是提高良品比例（良率）的重要工作。

找出故障原因：用FIB與TEM觀察剖面

做好的晶片不能動作時，調查哪裡壞掉的作業，叫做故障分析。先用電性量測縮小可疑的範圍，再用FIB切出那個位置的剖面，以SEM或TEM觀察。可以找到配線的空隙、膜的剝落、異物等。

電晶體裡，也有厚度只有數nm的膜。例如，隔開控制電流通斷的部分、不導電的極薄膜。要確認這類膜的厚度、層與層交界的樣子，TEM不可或缺。再搭配EDX，還能調查哪一層有哪些元素。

常見的誤解

用數字來看

光學顯微鏡的極限，是頭髮粗細的數百分之一。電子顯微鏡還能再看到它的數百～數千分之一的細度。製造並檢查最先進的晶片，就是靠這種「看見的能力」支撐。

深入學習

• 用表格看差異：「SEM與TEM的差異」（解析度、準備、速度、用途），「EDX與SIMS的差異」（調查元素的2種方法）
• 名詞的詳細解說：SEM、TEM、FIB、CD-SEM、用探針掃過表面的AFM（原子力顯微鏡）
• 用數字試試波長與細度的關係：微影解析度計算器可以計算用光轉印圖案時的極限。和顯微鏡一樣，可以確認波長越短就越細。
• 相關文章：「半導體設備是什麼？」（量測、檢測設備的定位），「EUV微影是什麼？」（用波長短的光轉印圖案），「穿隧效應是什麼？」（電子的波動性），「「2奈米」「3奈米」是什麼的長度？」