半导体检测技术-杨晓龙

透射电子显微镜及其在半导体中的应用

杨晓龙

（天津工业大学电子与信息工程学院，天津）

摘要：本文介绍了投射电子显微镜的发展历史、系统组成、工作原理、成像模式和在半导体中的应用，根据图像分析了缺陷的类型。 关键词：透射电子显微镜；半导体；晶体缺陷

1．引言 自1947年晶体管发明以来，半导体电路开始了飞速发展。由板级分立元件组成的电路，逐渐进化为芯片级集成电路，而且芯片集成度按照摩尔定律不断增长。从小规模集成电路到大规模，超大规模，甚大规模，以致现在的极大规模集成电路，单个芯片上集成的晶体管数已上亿，功能也变得十分强大。这都归功于制造工艺的进步。但是，再先进的制造工艺也无法避免缺陷。对于晶体管的尺寸已进入深亚微米的集成电路，微小的制造缺陷也可能造成整个电路失效。 在集成电路的制造过程中，需要在一种半导体表面生长另一种材料，这常常会由于晶格不匹配或半导体表面缺陷导致电路失效。因而有必要研究半导体表面的晶格结构和不同半导体交界面处晶格的匹配性。最直接的方法就是观测法，就是对半导体的表面成像。 显微镜是用来观察微观世界的有力工具。传统的光学显微镜，常被用来观察生物细胞或病毒颗粒。可见光中波长最短的紫光的波长大约是400nm ，但晶体中原子间直径的数量级为0.1nm 的，因此可见光照射到样品薄片上时，光波会直接绕过原子继续传播，和没有障碍物一样，因此用光学显微镜无法观察晶格结构。 根据波粒二象性理论，具有一定动量的粒子对应着一种概率波，其波长p h =λ，h 是普朗克常数，p 是粒子动量。

高能电子束的波长可以很短（可以短

到原子直径）。透射电子显微镜就是用与光学显微镜相同的原理，采用高能电子束的概率波代替可见光波作为显微镜的“光源”，使用电磁线圈代替玻璃透镜来聚焦，在荧光屏或感光底片上成像的一种高分辨、高放大倍数的电子光学仪器。通过调整粒子动量改变概率波波长，使其与原子直径相接近。这样，当电子波通过样品薄片时就会发生明显的衍射，衍射图样包含了晶体结构信息，分析衍射像也可推知晶格结构。透射电子显微常用于物质表面的形貌分析，晶体的结构分析

和物质的成分分析。 2．历史 恩斯特·阿贝最开始指出，对物体细节的分辨率受到用于成像的光波波长的限制，因此使用光学显微镜仅能对微米级的结构进行放大观察，而无法得到亚微米分辨率的图像。1891

年，里克就认识到使用磁场可以使阴极射线聚焦。后来，汉斯·布斯在1926年首次成功用一个电磁线圈对电子聚焦。1931年，德国科学家E ．Ruska 和M ．Knoll 制作了第一台透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope ，TEM ），并用它得到了铝片的衍射图像和正常图像。1936年，英国制造了第一台商用透射电子显微

镜。第二次世界大战之后，E ．Ruska 继续研究电子显微镜，生产了第一台

能够放大十万倍的显微镜。这台显微

镜的基本设计仍然在今天的现代显微

镜中使用。

3．系统组成

透射电子显微镜由照明系统、成像系统、记录系统、真空系统和电器系统组成。其结构如图1所示。其中最重要的是照明系统和成像系统。

1) 照明系统

照明系统由电子枪和聚光镜组成，作用是提供亮度高、相干性好、束流稳定的照明电子束。

电子枪由阴极（cathode）、阳极（anode）和栅极（grid）组成。工作时，给阴极的钨丝加一相对较低的电压使其发热，容易发射电子；阳极接地，阴极接负高压，阳极指向阴极的强电场将阴极的电子拉出钨丝表面并被加速射向聚光镜；栅极上加一相对阴极的负100~负1000伏的电压，产生的电场能对电子束产生向中心轴会聚的作用，同时对灯丝上自由电子的发射量也有一定的调控作用。

图1 透射电子显微镜结构

对于光学透镜，平行光穿过透镜后发生折射，会聚焦在透镜的焦点上。如同光学透镜控制光的聚焦、成像一样，电镜中的电子透镜可以对电子束进行聚焦，并控制成像。电子透镜分为：静电透镜和磁透镜，其中磁透镜又分为：恒磁透镜和电磁透镜。这里主要介绍电磁透镜。

电磁透镜是根据运动的电子在通电线圈产生的磁场中受到洛伦兹力的作用发生偏转的原理对电子束进行汇聚的，因而电子束是以螺旋轨迹朝主光轴汇聚的。通过调节励磁电流就能很方便的调节磁场强度，从而调节透镜焦距和放大倍数。

聚光镜就是电磁透镜，一般由2~3个透镜组成，作用是将电子枪发射出来的电子束流会聚成亮度均匀且照射范围可调的光斑，投射在下面的样品上。

2) 成像系统

成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成。

物镜是一个强激磁短焦距的透镜（f=1-3mm），它的放大倍数较高，一般为100-300倍。高质量的物镜分辨率可达到0.1nm。在物镜上产生哪怕是极微小的误差，都会经过多级高倍率放大而明显地暴露出来，所以物镜是电镜最关键的部分，其作用是：将来自样品不同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成含有样品结构信息的散射花样或衍射花样；将来自样品同一点的不同方向的弹性散射束会聚于其象平面上，构成与样品组织相对应的显微像。透射电镜的好坏，很大程度上取决于物镜的好坏。

中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可在0-20倍调节。当放大倍数>1时，用来进一步放大物镜像；当放大倍数<1时，用来缩小物镜像。在电镜操作过程中，主要是利用中间镜的可变倍率来控制电镜的总放大倍数。

投影镜的作用是把经中间镜放大

（或缩小）的像（或电子衍射花样）进一步放大，并投影到荧光屏上，它和物镜一样是短焦距的强磁透镜。

3）真空系统

真空系统是为了保证电子束在整个通道中只与试样发生相互作用，而不与空气分子发生碰撞，因此，整个电子通道从电子枪至照相底板盒都必须置于真空系统之内，一般真空度为10-4~10-7 毫米汞柱。

4）电器系统

透射电镜需要两部分电源：一是供给电子枪的高压部分，二是供给电磁透镜的低压稳流部分。

电源的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重要的标志。所以，对供电系统的主要要求是产生高稳定的加速电压和各透镜的激磁电流。

4．工作原理

透射电镜的工作原理是：由电子枪发射出来的电子束，沿着镜体光轴穿过聚光镜，通过聚光镜汇聚后照射在样品上，透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和第1、第2投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。

5．成像模式

电子束穿过样品时会携带有样品的信息，透射电镜使用这些信息来成像。透射电镜可成三种像：吸收像、衍射像和相位像。

吸收像：由于样品的质量和厚度不同，各部分对入射电子发生相互作用，产生的吸收与散射程度不同，使得透射电子束的强度分布不同，打到荧光屏上的形成不同区域明暗不同的像。吸收像就是样品结构的简单放大，可用于观察样品形貌，早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。

衍射像：电子束穿过晶体时，会发生布拉格衍射。被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力。这种成像方式可以用来研究晶体的晶格缺陷。通过认真的选择样品的方向，不仅能够确定晶体缺陷的位置，也能确定缺陷的类型。因为缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射波的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。此外衍射象还可用于物相分析和结构分析以及确定晶体位向。

相位像：当样品薄至100Å以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。

由于电子易散射或被物体吸收，穿透力很低，，所以用透射电子显微镜观察时，样品需要处理得很薄，通常为50～100nm，这个厚度用肉眼几乎是看不见的。

6．放大像和衍射像的获取

透射电子显微镜的最主要特点是它既可以进行形貌分析又可以做电子衍射分析，在同一台仪器上把这两种方法结合起来可使组织结构分析的实验过程大为简化。

获取放大像和衍射像的操作是不同的。如果中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅样品相貌的放大像；如果把中间镜的物平面和物镜的背焦面重合，则荧光屏上得到的是电子衍射像。

电磁透镜与光学透镜一样，其物距u，像距v和焦距f满足：

在像距v不变的情况下，通过调节励磁电流改变透镜焦距f，可实现对成像面的选择。因此，若中间镜的励磁电流较大，在维持像距不变的条件下，焦距f和物距u较短，中间镜的物平面与物镜的像平面重合，在荧光屏上显

f

v

u

1

1

1

=

+