第四章 高解析度穿透式電子顯微鏡分析(HRTEM)

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第四章第四章第四章第四章 高解析度穿透式電子顯微鏡分析高解析度穿透式電子顯微鏡分析高解析度穿透式電子顯微鏡分析高解析度穿透式電子顯微鏡分析(HRTEM)

許宏泰、徐英展、陳志立、謝明勳許宏泰、徐英展、陳志立、謝明勳許宏泰、徐英展、陳志立、謝明勳許宏泰、徐英展、陳志立、謝明勳

台灣大學化學系台灣大學化學系台灣大學化學系台灣大學化學系

摘要

電子顯微鏡，可簡單定義為一項利用電子與物質作用所產生之訊號來鑑定物質構造及細微結

構的精密儀器。材料研究近年來已進入原子尺度的範圍，從原子排列的情形來探討材料的結構及

其性質，為了觀察如此微小的尺度，新的研究工具也陸續出現，高解析度電子顯微鏡可提供材料

內部的型態與晶體原子結構，經加裝其他分析設備亦可以分析組成成分，是鑑定材料內部結構極

有用的工具。本文將針對高解析度穿透式電子顯微鏡量測技術為主，分別說明電子顯微鏡的歷史

發展、成像原理、儀器設備、分析方法以及實際應用的例子，作完整的介紹。

關鍵字：電子顯微鏡(EM)、高解析度穿透式電子顯微鏡分析(HRTEM) 1.1.1.1.引言引言引言引言

一般光學顯微鏡之分辨極限受限於可見

光光波之波長，只能觀察到 0.2 µm 以上的東

西，而電子顯微鏡可以辨別 1~2 Å 小的物體

[1]。電子顯微鏡，可簡單定義為一項利用電子

與物質作用所產生之訊號來鑑定物質構造及

細微結構的精密儀器，在材料科學方面是一個

重要且必備的工具。尤其在分析材料的顯微結

構(microstructure)及微區域成分時，能有效掌

握材料的特殊性質。例如一些工程材料是否為

單晶或多晶，是否有第二相產生；以及晶界、

析出物/基地的結構與介面成分的偏析。因此

隨著科技的進步與材料元件的日趨微小，使得

材料顯微結構與成分方面的研究與電子顯微

鏡的應用已達息息相關的程度。

電子顯微鏡之源起[2,3]

，應溯及電子發射理

論的萌起。1897 年，J. J. Thomson 發現電子之

後，1924 年 Louis de Bröglie 發表電子波動說，

提出運動的電子可以有類似光波的性質，

1926~1929 年，E. Schrödinger、Germer、H. Busch 等人分別進一步研究磁場或電場中電子

束的行為，1931 年，E. Rüska 與 M. Knoll 發表

了以純鐵圍繞線圈做成磁場的透鏡設計，可以

得到強大的磁場及有效的聚焦作用，此後即奠

定電子顯微鏡磁場透鏡構造的基礎。1934 年，

Rüska 發表第一部穿透式電子顯微鏡(TEM)，

1935 年，Driest 和 Muller 改良 Rüska 的電子顯

微鏡，使其解像力大於一般的光學顯微鏡，

1938 年，B. von Borries 和 E. Rüska 為德國

Siemens 及 Halske 公司設計了首部商業化磁

界型電子顯微鏡，1944 年，Von Ardenne 改良

電子顯微鏡之解像力達 12~15 Å，1946 年，

Hillier 改良子顯微鏡的解像力達 10 Å，1947

年，Hillier 和 Ramberg 設計補助物鏡，當時由

於研磨試片的困難及缺乏應用的動機，所以很

少被研究者使用。直到 1949 年，Heidenreich

製成適用 TEM 觀察的鋁及鋁合金薄膜，觀察

到因厚度及晶面不同所引起的像對比效應，並

成功利用電子繞射理論加以解釋，同時也獲得

一些與材料性質有關的重要結果，才使材料界

人士對 TEM 看法改變。此後，經各種研究方

法的改進，如試片的研磨、聚光透鏡改良、晶

體缺陷理論發展等，逐漸的被廣泛使用，美

國、加拿大等先進國家也陸續地有磁界型電子

顯微鏡之發展及應用，目前電子顯微鏡的解像

力可達 5 Å，甚至達到 2 Å 的理論極限[2]。

2.2.2.2.原理原理原理原理

2

高壓電子顯微鏡(HVEM)通常是指使用大

於 100 KV 加速電壓的穿透式電子顯微鏡，現

在一般商業上設計訂做的 HVEM，其加速電壓

都在 200 KV 到 1000 KV 之間。近年則致力開

發體積不致龐大且為經濟型之 200 KV~400 KV EM，如表 1 所示，並以高解析電子顯微鏡

為目標推展其用途[1]。

表 1. 目前在台灣可購置之高解析高壓

(200-400 KV)電子顯微鏡[1]。

JOEL Hitachi Philips Akashi Zeiss

JEM 2000 EXII (200 KV) JEM 4000 EX (400 KV) H-800 (200 KV) H-9000 (300 KV) CM 20 (200 KV) CM 30 (300 KV) EM-002 B (200 KV) EM 902 (80 KV)*

* 本機種加速電壓僅為 80 KV，但具有一般 200 KV 以上

EM 之穿透能力。

穿透式電子顯微鏡利用穿透電子不僅可

觀察晶體中經加工處理後的差排結構，而且能

直接觀測到次晶(submarine)、再結晶、潛變、

多相晶體中差排與析出物交互作用等與物質

機械性質有密切關係的許多現象。另外如氧、

氮、硫、磷等在金屬中形成夾雜物，輻射損傷

造成點缺陷，半導體中供給帶電載子之雜質元

素所引起的位移損傷，不規則區之形成，電子

元件製程控制與失效肇因之明確鑑定，都可由

穿透式電子顯微鏡觀察而得。

穿透式電子顯微鏡儀器構造如圖 1 所示，

其影像形成原理與光學顯微鏡相似，主要是電

子光源經過聚光鏡系統及其孔徑聚集成為幾

乎平行的電子束，此入射電子束即撞擊在厚度

約 1000 Å 的晶體薄膜試片上，經物鏡、中間

鏡及目鏡改變放大倍率，最後投射於螢光幕上

再觀察，此時一部份電子沒有角度偏離地直接

穿過試片，此乃直射電子，其餘大部分的電子

則與薄膜產生交互作用而散射偏離，就是散射

電子。有關電子與物質作用所產生的訊號如圖

2 所示，其中 TEM 主要是觀察透過樣品的電子

束。

加速電壓影響電子顯微鏡的性能甚鉅，尤

其是當觀察金屬薄片及物質結晶的微細構造

時，因其結晶透過率及干涉性之影響，必須用

100 KV 以上之加速電壓方可克服，當加速電

壓增加，電子穿透樣品能力亦提高，進而大大

提高解像力，由實驗數據知加速電壓與穿透能

力幾乎成正比關係[1]。由 Louis de Bröglie 發表

的電子波動說，可知電子在不同速度下的波長

關係為：

ph=λ

-------------------------(1)

其中，λ表電子波長，p 表電子動量(= mv)，而

h 表 Planck 常數(= 6.626×10-34 J⋅s)。當施予一

加速電位 E 時，可以算得波長為：

)cEe(meE2

h

2

22

+=λ

---------------(2)

其中 m表電子質量(= 9.11×10-31 kg)，c 表光速

(= 3×108 m/s)，分母中括弧項為考慮相對論效

應所作的修改[3]。一般當加速電壓 100 KV 時，

波長為 0.037Å。因此，電子波長遠比可見光波

長(2000 Å)來的小，因此可以"看"到更微小的

尺度範圍。

圖 1. 穿透式電子顯微鏡構造[4]。

3

圖 2. 電子與物質作用所產生的訊號[3]。

散射電子以非常小的角度約 1 度到 2 度間

偏離直射電子方向，事實上，散射電子乃遵循

布拉格定律 nλ = 2d sinθ繞射，而與直射電子束

偏離特定小角度來傳遞。電子繞射與 X 光繞射

(X-ray diffraction, XRD)之不同在於電子與物

質作用力較強，繞射效率也較好，所以可以分

析 XRD 無法分析的微結晶與微小結構[6]。這些

電子經過物鏡系統的聚焦後，就在後聚焦面上

形成點狀的圖樣，即所謂繞射圖樣，在後聚焦

面上有物鏡孔徑，可用來隔絕散射電子束的繞

射點，而僅讓直射電子束通過物鏡孔徑，就可

以在第一中間鏡成像平面產生高對比的影

像，經投影鏡放大，這就是所謂的明視野相

(bright field imaging)。

如果後聚焦面上的物鏡孔徑，隔絕直射電

子束，且只允許一個繞射電子束通過，產生影

像則為暗視野相(dark field imaging)，在暗視野

相裡的影像有強烈的明暗對比，這是因為在那

些不能產生繞射作用的區域，無法產生影像而

成為黑色，可產生繞射作用的區域則呈現明

亮。繞射呈像之關係如圖 3 所示。

圖 3. 繞射呈像示意圖(3)

繞射圖樣跟所觀察的晶體種類以及入射

電子束和晶體之間的方位有關，每一個晶粒被

入射電子束照射都會產生一個對應的繞射圖

樣，對一個含有多個不同相的薄膜試片，就必

須以中間鏡上方第一中間鏡成像平面上的選

區孔徑來選取試片中特定區域，而獲得此微小

區域之顯微影像與繞射圖樣之相互關係，來分

析這些相的晶體結構和其間的方位關係，瞭解

晶體的幾何性質。

因為電子束要穿透物質來顯影，故一般而

言，很厚的試片較難以穿透觀察，厚度以µm

為限，可能有試片製備上的困難；另外要維持

燈源的壽命與電子束穩定的入射角度，高度的

真空也是必須的[6]。一般 HRTEM 僅可提供材

料內部的型態、晶體原子結構，較難得知組成

成分或鍵結的關係，可經加裝能量分散譜儀

(energy dispersive spectroscopy, EDS)偵測放射

的 X 光或能量損失譜儀(electron energy loss

spectroscopy, EELS)偵測電子損失的能量等，結

合這些相關技術，不僅可以分析材料內部原子

結構並且可以定量材料內部的成分與鍵結分

佈[6,7]

。

3.儀器儀器儀器儀器

穿透式電子顯微鏡的儀器系統可分為四

部份(請參見圖 4)。

圖 4.穿透式電子顯微鏡剖面圖例。(8)

4

3.1 電子槍： 作為陰極的電子源有三類，即

(1)鎢絲：

使用鎢絲時乃直接加熱。鎢絲成 V 形

，如圖 5 所示，當到達足夠溫度時，發射出電

子束。

圖 5.含有自動調整偏壓裝置之電子槍 。

電流的之密度可由 Richardson 公式表示，即

Je=AT2e-W/KT

其中 Je=為發射電流密度，A 為視燈絲材

料而定之常數，T 為以絕對溫標 K 為單位之溫

度，W 為 Work Function, 而 K 即 Boltzmann

常數。

通 常 鎢 絲 的 電 流 A~60A/(cm2k2) ，

W=4.5ev，一般操作溫度大約為 2700K，Je 可

由 Richardson 公式算出，約為 1.75A/cm2，其

壽命在 10-5Tor 的真空下平均約 40~80 小時。

(2)LaB6 絲： LaB6 電子源由晶體成長方式生成，一般成

棒狀而頂端磨尖，採間接加熱；如圖 6 所示由

加熱線圈將 LaB6 加熱。其發射電子原理和使

用鎢絲時一樣，符合 Richardson 定律。

通常電子源之 A~40A/(cm2k2)，W=2.4eV。

一般操作時在尖端的溫度為 1700 至 2100K，Je

可達 102A/cm2。如在 Je~10 A/cm2 時使用壽命

可超過 10000 小時。使用 LaB6 絲比使用鎢絲

的好處為多，如 W 小、電流密度 Je 大、壽命

較長等等；但必須在較高的真空度下操作(約

10-6Torr)，且不能直接加熱。

圖 6 以 LaB6 絲為陰極之電子槍。

(3)場發射式： 場發射槍加負電壓於一金屬尖端上，所加

強電場由此尖端吸出電子而形成發射電流，如

此可產生小於 100 埃的電子聚焦點；發射電流

密度可以高達 106 A/cm2，如圖 7。

圖 7. 場發射電子槍。

三種電子源的亮度(brightness：B)大致為：

B 鎢絲 ： BLaB6：B 場發射槍=1：10：103，

但場發射槍需要極高的真空(約 10-10Torr)。

3.2電磁透鏡系統：

5

(1)聚光鏡 (Condenser lens)：

有單聚光鏡 式與雙聚光鏡式。雙聚光鏡

之聚集效能較單聚光鏡好。而且由於其照射在

試片上的點較小，故可改善下列二點：a：電

子束照射在試片上，產生熱應力，會改變微細

結構並造成污染。b：使試片上電荷聚集而放

電。

(2)物鏡 (Objective Lens)：

又名聚焦鏡 (Focusing Lens)，除放大之

外，主要用於聚焦。在成像電磁透鏡中距試片

最近，故其對試片影像負責第一次的放大，對

於最後影像品質的影響也最大。

(3)中間鏡(Intermediate Lens)：

又名放大鏡(Magnifying Lens)，主要功用

有二：一為決定放大倍率；另一則為選擇以繞

射圖形或顯微影像在螢光幕上顯現。

(4)投影鏡 (Projective Lens)：

主要功能為對影像作最後的放大工作，

將影像投影於下方之螢光幕。

3.3 試片室：

試片基座 (Sample Holder) 可分兩類：側

面 置 入 (Side Entry) 和 上 方 置 入

(Top Entry)，其名稱乃由試片置入電子顯微鏡

中觀察位置之方式而來。側面置入式操作較

易，適宜作大角度之傾斜；上方置入式則適於

高解像能之應用。主要因試片置入物鏡中位置

之差異而決定其特性。

對試片室視情況有各種不同需求，包括：

(1)高度真空

(2)大角度傾斜及旋轉

(3)可施應力

(4)可加熱

(5)可冷卻

(6)可加電壓或電流

(7)可控制試片附近環境

3.4影像偵測及記錄系統：

(1)螢光幕：

通常由 ZnS/CdS 粉末塗佈構成；電子照射到螢

光幕上，引致陰極發光而呈影像。螢光幕之顏

色由於加入少量雜質如 Cu、Mn 等而變色；因

人眼對綠色較敏感，故常用綠色(波長約為

5500 埃)的螢光幕。.

螢光幕之品質由陰極發光亮度L及解像能

h 而定；常以 L/h2 為評定螢光幕品質之尺度。

螢光之強度隨電子光源消失時間而漸減

(Decay)，可分兩階段：第一階段在 10-5~10-3

秒間快速減少，第二階段餘光約維持數秒時

間。

(2)照像底片：

因在玻璃或膠片上之感光乳膠常含大量

水份，一般須先在 10-2Torr 之真空室中預抽脫

水，而在使用前迅速裝進電子顯微鏡像機盒

內。

感光乳膠之解像能由電子擴散雲及乳膠

晶粒大小而定。一般感光乳膠之解像能在

20~50 微米之間。一 6x9 平方厘米大小之底片

約包含 6x106 個像點。其偵測力相當強。

尚還有其它偵測系統，包括：鑠光偵測器

(Scintillation Detector) 、 法 拉 第 籠 (faraday

Cage) 、 半 導 體 偵 測 器 (Semiconductor

Detector) 、影像增強系統等。

圖 8. 為穿透式電子顯微鏡

穿透式電子顯微鏡分析時，通常是利用電

子成像的繞射對比(Diffraction Contrast)，作成

明視野 (Bright Field, BF) 或暗視野 (Dark

Field, DF) 影像，並配合繞射圖樣來進行觀

察。(2)所謂明視野即是用物鏡孔徑 (Objective

6

Aperture) 遮擋繞射電子束，僅讓直射電子束

通過成像，至於暗視野則是用物鏡孔徑遮擋直

射電子束，僅讓繞射電子束通過成像 (請參見

圖 9)。

圖 9.明視野與暗視野

作一般的影像觀察時，應用最普遍的算是

雙 電 子 束 繞 射 狀 況 況 (Two-Beam, 2B,

Diffraction Condition)，不過為了作深入的結構

分析，針對特殊的材料結構或缺陷，通常試片

座會配備傾斜基座 (Tilting Stage) 的功能，可

以作成微弱電子束繞射狀態 (Weak-Beam, WB,

Diffraction Condition)，或多重電子束繞射狀

(Multi-Beam,MB,Diffraction Condition)，來改

善成像的品質或加強對比。

穿透式電子顯微鏡的解像能主要與電子

的加速電壓 (亦即波長) 和像差 (Aberration)

有關。加速電壓愈高，波長愈短，解析度也愈

佳，同時因電子動能增高，電子對試片的穿透

力也增加，所以試片可觀察的厚度也能相對增

加，但是一昧的提昇加速電壓 (目前可達到 1

MeV)，容易對所觀察的試片造成原子移位

(Atomic Displacement)的損傷，以矽晶為例，

200 KeV 的加速電壓已足以提供非常良好的穿

透力，2000 埃以下的試片觀察不成問題，甚

至在適當的繞射狀態下，可觀察的厚度能提高

到 5000 埃左右。

然而也因為電子具有相當程度的穿透

力，當我們利用穿透式電子顯微鏡研究 IC 元

件時，因為目前元件的線寬 (Line Width) 和膜

厚 (Film Thickness) 大多在 1 mm 以下，無論

是平面式觀察或截面式觀察，都很有可能因試

片製備的狀況不一，所得到的 TEM 影像是多

層材料重疊的的結果，因此對穿透式電子顯微

鏡影像的解釋必須非常慎重，遇到較複雜的製

程分析時，必需具備豐富的材料知識、製程經

驗與元件設計的相關常識，否則極容易造成誤

判。但是反過來說，也因為穿透式電子顯微鏡

分析具有穿透材料的能力，是作為產品逆向分

析 (Reverse Engineering) 非常有利的工具。一

般利用掃描式電子顯微鏡作產品逆向分析，必

須搭配化學式層次去除法，才能逐層觀察元件

佈局，然而平面式觀察時，只要整體元件材料

縱向厚度在 5000 埃以下的重疊線路皆能一覽

無遺，尤其對層與層之間的相對空間排列

(Spatial Relationship)與設計準則的揣摩，更能

發揮其效用。

另一個影響解像能的因素是像差，像差的

來源大致有四種：

(1) 繞射像差 (Diffraction Aberration)－這是物

理光學的基本限制。

(2) 球面像差 (Spherical Aberration)－

這是來自物鏡的缺陷，不易校正。

(3) 散光像差 (Astigmatism)－

這是由物鏡磁場不對稱而來，因為圓形對

稱軟鐵磁片製作時精度控制困難，同時顯微鏡

使用中，污染的雜質附於極片上也會導致像

差，一般用像差補償器(Stigmator)產生與散光

像差大小相同方向相反的像差來校正。

(4) 波長散佈像差 (Chromatic Aberration)

因為電子的波長會隨著加速電壓或透鏡

電流不穩而改變，也可能與試片作非彈性碰撞

喪失能量，所以電磁透鏡的焦距變化與入射電

子能量有關，可以據此導出影像模糊的半徑與

波長散佈像差係成正比。

為 求 得 電 子 顯 微 鏡 的 最 佳 解 析 度

7

(Resolving Power，Δrmin)，通常散光像差與波

長散佈像差可以藉由其他裝置來校正或補

償，但是繞射像差是基本限制，球面像差卻往

往不易消除，因此可以導出最佳解析度與波長

和繞射像差成簡單的正比關係：

B : 比例常數，~ 1

Cs : 球面像差係數，數值隨儀器

設計的改良而精進

一般的穿透式電子顯微鏡，在 200KeV 下

操作，解像能實驗值即可達到：點影像 2.93

埃，線影像 1.4 埃。

4.4.4.4.高解析度穿透式電子顯微鏡之高解析度穿透式電子顯微鏡之高解析度穿透式電子顯微鏡之高解析度穿透式電子顯微鏡之

分析方法分析方法分析方法分析方法(9)

欲了解高解析度穿透式電子顯微鏡對樣

品的分析方法，要先考慮高能的入射電子與一

單一原子作用，如圖 10 所示，有此入射的電

子會產生彈性散射。彈性散射的電子亦包括了

直接透射( unscattered )的電子。但入射電子也

可能將內層( inner-shell )及外層( outer-shell )電

子擊掉，而損失特定的能量，使原子處於激發

態 。 通 常 我 們以 散 射截 面 積 ( scattering

cross-section, σ )來表示原子對入射電子彈性散

射及非彈性散射之能力機率。

圖 10 高能電子和單一原子作用的模型

對彈性散射而言，

f：原子彈性散射因子( atomic scattering factor )

Ω：單位立體角

f 可表為

其中 (見圖 11)，彈性散射

向量。

，λ：入射電子的波長

相對論修正項:

θ：散射角度

Z：原子序

M0：靜正質量

V：入射電子速度

C：光速

fx(θ)：X-光散射因子，等於電子密度的傅立

葉轉變( Fourier transform )

圖 11 彈性散射波和入射波關係圖

因此

是波恩原子半徑。於非彈性散射因子，σin

其中 g’：非彈性散射向量

r0：原子位能屏遮半徑。

在 Thomas-Fermi 位能模型中，r0近似於 a0Z-1/3。

θE：非彈性散射特徵角。

8

E：入射之電子能量，△E：能量損失。

對於晶體樣品，入射電受週期庫崙位能之

作用。彈性散射電子被散射至某些特殊角度

θB。θB 與晶體的結構有關。在晶體樣品中，

入射電子除了激發內、外層電子，產生核損失

外，另會激發晶體內電子雲使作如同「果凍」

( jellium ) 般 共 同 的 振 動 ( collective

vibration )，而使入射電子損失了約 15eV~50eV

的能量，我們稱為電漿損失( plasma loss )。

彈性散射及非彈性散射電子將通過物鏡

成像在影像平面。若我們使用物鏡光圈只允許

透射光通過我們稱之為明場像( bright field

image )。若只允許某一散射光通過成像，我們

稱之為暗場像( dark field image )。

使用大光圈( 或完全不用物鏡光圈 ) 使

多光束干涉成像我們可得到高分辨原子像。當

然所得到之高分辨像與每一散射光的強度( 晶

體之方向 )，物鏡之光物特性如球面像差

( spherical aberration )、欠焦( defocus value )、

色散 ( chromatic aberration )及光束收斂角

( converage angle )等有關。

彈性散射光束是因晶體週期位能而得

到，故彈性散射光束的干涉，帶有晶體週期結

構之訊息。彈性散射光之強度正比於結構因子

之平方。

ri為晶體單位晶胞內原子之座標，N 為單位晶

胞內原子之個數。Ψg為第 g 個散射波。

樣品製備樣品製備樣品製備樣品製備2222

高解析度穿透式電子顯微鏡的試片製備

方法有多種，在碳膜上鍍上金的樣品的製作過

程。

1. 樣品可以用市售的或都是用蒸發器

(evaporator)來製備。若有耐心一點

的話，藉由選用最小的支撐膜，試片

可以作的比商業化的試片有著更高的

對比。為了製作試片，我們首先必需

先組裝一台如圖所示蒸發器，使用蒸

餾水和清潔劑小心洗淨過的玻璃顯微

鏡載玻片放在如圖所示之 G 處，第二

片被置放在其上面以防護較低的載玻

片被直接蒸發出來的碳所接觸。被加

到鎢線圈上的金線的總量可以由實驗

所需來決定，一開始的時後可以由約

1 cm 高純度的金線開始學習。

2. 將蒸發器的 bell-jar 的氣壓至 10-5 torr

或者更低，蒸發碳數秒，快速地增加

鎢的電流以升高溫度至金的熔點，然

後關掉電流使樣品冷卻，釋放真空。

3. 移掉較低的載玻片，它將會包含兩個

定義明確的碳膜，然後置一蒸餾水至

乾淨的水盤中，然後以相對於水面小

角度的方式徐緩地放置載玻片到蒸餾

水中，這個碳膜應該會因為表面的性

質和載玻片不同而與載玻片分開，然

後碎片將自由地漂浮在水面上。用一

400 網孔的顯微鏡的網格子

(microscope grid)(以一鑷子握著)從水

面下拾起。若能使用商業化的有此的

網格(grid)，取代 400 孔的網格，甚至

於可以更薄的膜都可能被製備出來。

4. 乾燥這個試片，但不破壞碳膜是困難

的。對於粗略的初步工作，較厚的膜

上封在網格上面的水滴，通常可以用

一張濾紙接觸網格的旁邊，以去除

之，或使用一鑷子夾著的長條的濾

9

紙，然後在劃過樣品的上端。對於一

最細薄的膜，鑷子可以用一鱷熊夾來

夾住樣品，再用鑷子夾住，後風乾。

5. 將此樣品拿去用顯微鏡觀測，如果所

鍍的金太多，連續的或半連續的金膜

將會被觀測到，正確的金的量應該是

會觀測到獨立的、分開的很明確、大

小各有不同的金原子的島(Islands)。而

碳的支撐膜應該要夠薄。

6. 若有合適的樣品區域被發現，明野視

像(bright-field images)可以以高放大

倍數被記錄之(400000 或者更好)，如

此所製備出來的試片便可以用在高解

析度穿透式電子顯微鏡了。

5.5.5.5.高解析度穿透式電子顯微鏡在材料高解析度穿透式電子顯微鏡在材料高解析度穿透式電子顯微鏡在材料高解析度穿透式電子顯微鏡在材料

分析的應用：分析的應用：分析的應用：分析的應用：

材料的性質，基本上是由其本身的結構、

組成成份及鍵結所決定。為了了解材料的性

質，勢必要藉著分析儀器來做性質檢測，如原

子力顯微鏡 (AFM) 、掃瞄穿隧顯微鏡

(STM) 、三維原子探針 (atomic probe) 等，但

是，這些儀器只應用在表面研究，無法幫助我

們獲得材料內部的原子結構。材料科學在近十

年來，已經把分析的範圍縮小至原子的尺度，

利用高解析度電子顯微鏡可提供材料內部的

形態及晶體原子結構。以下是高解析度穿透式

電子顯微鏡在材料分析上的一些應用：

5.1 IC 製程導致的晶格缺陷觀察

高解析度穿透式電顯微鏡的高解析度影

像的優勢，可以幫助我們找出 IC 製程中矽晶

片內的晶格缺陷，進而可以明確的辨認矽基片

的晶格損傷，進而追查不當的製程步驟，這類

分析能力是各種物化性分析儀器所無法達成

的。

近二十年來半導體工業在台灣快速的發

展，其中晶圓代工的發展已在世界上占有一席

之地。在晶圓製程過程中，隨著科技的進步，

在極微小化 (miniaturization) 的元件結構研究

中，穿透式電顯微鏡已變成不可或缺的分析工

具。然而，其應用上多停留在各種微小結構的

橫截面觀察，例如：金屬接觸 (metal contact)、

鎢栓塞 (W-plug)、或銅導線的抗擴散障礙層

(anti-diffusion barrier) 、 複 晶 矽 閘 極

(polycrystalline Si gate) 的蝕刻後側向結構

(etching profile)、閘層氧化矽 (silicon dioxide)

的厚度量測，甚至是矽晶片 (Si substrate) 表

面平整的觀察。

5.2 晶相界面 (phase)的討論

ZrO2 會因外加壓力而改變其本身的晶

形，當壓力加大時，晶形由四方晶系 (tetragonal)

轉變成單斜晶系 (monoclinic)，此現象稱為

phase transformation toughening mechanism，如

下圖 12 所示。故 ZrO2/Al2O3 的陶瓷材料可利

用 ZrO2 吸收壓力的性質，來改變 Al2O3 的抗壓

性及強度。

圖 12 ZrO2受到壓力，晶形由四方晶系 (tetragonal)

轉變成單斜晶系(monoclinic)。黑點代表 Zr 原

子，白圈代表 O 原子。(10)

10

然而，ZrO2 及 Al2O3 的晶形不同，所以在

ZrO2/Al2O3 的連結界面上，會有不同晶形的相

面 (phase)，如下圖 13 所示。

圖 13 ZrO2/Al2O3，圖形左下半部是 Al2O3，右上半

部是 ZrO2。(11)

另外，利用高解析度穿透式電子顯微鏡也

可清楚看到金屬與金屬氧化物之間晶面的轉

換，例如圖 14 Al/Al2O3 的界面，因為氧化鋁為

非晶相 (amorphous)的，而鋁有固定晶相，所

以在高解析度穿透式電子顯微鏡下可約略看

出界面間的寬度約為 0.28nm，如圖 15 所示，

同樣的，在 Si/SiO2 的接面也可看到類似的情

形，如圖 16 所示。

圖 14 白線是 Al/Al2O3 界面。分隔白線的上半部

是 Al2O3，下半部是 Al。(10)

圖 15 上端的亮點代表 Al 原子，中間較黑的地帶

為 Al/Al2O3 界面，寬 L 約為 0.28nm。(10)

圖 16 Si/SiO2，在圖的上半部為非晶相(amorphous)

的 SiO2，下半部就是有晶 相的 Si，排列上較

有次序。(12)

5.3 半導體

高解析度穿透式電子顯微鏡在半導體的晶

格的缺陷 (defect)鑑定上有很大的助益。Ⅲ-Ⅴ

族的化合物已被廣泛的應用在半導體工業

上，因為多數的Ⅲ-Ⅴ族的化合物有合適的能

量間隙 (band gap)，容易由加熱或輻射的方式

激發，而達到導電的效果。

在發展新的半導體材料上，藉由高解析度

穿透式電子顯微鏡找出晶格的缺陷及分佈情

形，進而幫助我們比較出不同方法合成得到的

11

新型材料之間差異，因此，可以讓我們找出較

合適的材料合成方法，例如：在砷化鎵 (GaAs)

半導體內植入離子 (ion implantation)，使得

Al3+ 取 代 Ga3+ 的 位 置 ， 形 成 新 型 材 料

GaAs/AlxGa1-xAs，利用 高解析度穿透式電子

顯微鏡的觀測下，左上角有一些模糊的區域，

因為 Al 的原子量較 Ga 小，所以在高解析度穿

透式電子顯微鏡下看起來比較淡，因此可以看

出 Al3+取代 Ga3+的位置後，Al3+基本分佈情

形，至於圖中較黑的區域，是因為堆積上的缺

陷 (stacking faults)，以及燒結時產生再結晶的

情形，如圖 17 所示。

圖 17 GaAs/AlxGa1-xAs(10)

5.4 礦物學 (Mineralogy) 礦物形成的熱力學歷程及發生在礦物內

部的反應，已藉由高解析度穿透式電子顯微鏡

的技術而逐漸明朗化，有良好結晶性的礦石，

已由 X-ray diffraction 鑑定好其最佳結構，而高

解析度穿透式電子顯微鏡是用來了解其中的

排列方式，並找出內部的晶格缺陷，其中晶格

缺陷會加速晶相的轉換 (phase transformation)

及其他性質，如圖 18 所示，平面狀的蛇紋石

(serpentine, S)、橄欖石 (chrysotile)、雲母 (talc,

T) 均由矽酸鎂組成，可是橄欖石卻是捲曲狀

的排列，所以在高解析度穿透式電子顯微鏡下

便清晰易見。

圖 18 平面狀的蛇紋石 (serpentine,S)、橄欖石

(chrysotile)、雲母 (talc, T)，而橄欖石為平面捲

曲狀。(11)

5.5 金屬合金 (alloy) 利用高解析度穿透式電子顯微鏡的高解

晰度，可以看出合金的排列是否均勻以及局部

的微小結構，這是其他技術所不能提供的。例

如 Au-Mn 的合金材料，晶格基本上是立方最

密堆積，但是，因為組成成分上有差異，所以

晶形會有所不同。圖 19a 的 Au3Mn 為四方晶系

(tetragonal) 的結構，看到的是(100)的面；圖

19b 的 Au3Mn 亦為四方晶系的結構，所看的是

(001)的面；圖 19c 的 Au5Mn2 為單斜晶系

(monoclinic) 的結構。同樣的，在 Pt-Ti 的合金

亦是如此，圖 19d 的 Pt3Ti 是正方晶系(cubic)，

而圖 19e 的 Pt8Ti 是四方晶系的結構。

圖 19 a 至 c 圖中，白點代表少數原子。各個

合金的晶格大小如下：

12

(a) [100], a = 0.645nm; c = 0.403nm. (b) [001],

a = 0.645nm; c = 0.403nm. (c) [010], a =

0.92nm; b = 0.395nm; c = 0.605nm. (d) a =

0.389nm. (e) a = b = 0.83nm; c = 0.389nm.(10)

5.6 非晶相 (Non-crystalline) 固體 因高解析度穿透式電子顯微鏡可以看到

原子大小的高解晰度，所以可用在觀測非晶相

固體的排列情形 (order)，例如：非晶相的二氧

化矽，本身是孔洞性的材料，只要控制其長成

的厚度小於 3nm，電子束強度 100kV 下，即可

看到二氧化矽的基本排列方式，亦可看出孔洞

的大小 (pore size)。

6.結論：結論：結論：結論： 高解析度穿透式電子顯微鏡提供科學家

原子大小的影像及觀點，因此讓結晶性物質的

特 定 物 理 、 化 學 性 質 ； 晶 相 轉 換

(phase-transformations) 以及理論得到印證。藉

由小分子的觀點，將有助於我們去了解各物質

的性質，進而幫助材料科學的演進。

7.參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻 1.林良平, 科儀新知, 12 (5), 17 (1991).

2.沈清良, 科儀新知, 12 (5), 10 (1991).

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8.謝詠芬、何快容著，材料分析技術在積體電

路製程中的應用

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89，汪建民，第九章.

10.Peter R.Buseck, High-resolution electron

microscopy, 1985, p336, p392, p311, p396.

11.John C. H. Spence, Experimental

high-resolution electron microscopy, 2nd ed.

1988, p369, p379.

12.S.Bradley and W.King, Frontiers of electron

microscopy in materials science, 1986.p36.

貢獻： 徐英展 R89524023 25% (摘要、前言、原理)

陳志立 R89223066 25% (儀器)

謝明勳 R89223018 25% (分析方法)

許宏泰 R89223040 25% (應用、結論、排版)

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