突破A14先进工艺挑战 APT如何引领材料分析新时代

原子探针断层扫描仪 (Atom Probe Tomography，简称APT) 为目前最顶尖的材料显微分析技术，能够提供材料微观区域中的三维原子分布，其空间分辨率可达次奈米级，并于20 x 20 x 10 nm3的空间中达到10 ppm等级的成分侦测极限，在仰赖精准控制组件尺寸与掺杂浓度的半导体当中是一项极具潜力的材料分析技术，亦为台积电、三星、英特尔等半导体公司最新发展之前瞻分析。

APT的工作原理与电子显微镜不同，它不依赖电子束与样品的交互作用，而是透过一种叫做离子场蒸发的方式，将针状样品表面的原子(或离子)离子化，然后投射到一位置传感器，以观察样品的原子排列，因此不受光学绕射极限的限制。这种技术能深入分析组件或材料的微观结构，为研究提供关键数据。

APT 的侦测方式，可分为下列四步骤：

（一） 针尖场蒸发：

1. 将样品制成非常尖的针状（针尖曲率半径需小于100 nm）。
2. 对样品逐步施加高电压，或使用激光脉冲，精准控制针尖表面原子，让原子逐个「蒸发」成离子。

（二） 离子飞行：

1. 当针尖表面的原子被蒸发后，这些原子会以带电的离子形式飞向侦测器（Position Sensitive Detector）。
2. 侦测器能记录每个离子的「到达／打击位置」和「飞行时间」（Time-of-Flight）。

（三） 质谱分析：

根据飞行时间，透过质谱标定（Ranging of Mass Spectrum）分析离子的种类，计算每个离子的种类（例如是铁原子还是镍原子）。

（四） 3D 重建：

将所有数据组合起来，进行三维重构（Reconstruction），即可还原样品内部的三维原子结构，就像拼成一个立体的地图。

组件研发或故障分析中经常需要一体式的检视薄膜、晶界或组件接面的局部化学分布，而最常使用的二次离子质谱仪 (SIMS) 虽然可以在奈米深度解析下达到超越ppm等级之侦测极限，然而对于微缩且立体化之组件则无法进行分析；而穿透式电子显微镜 (TEM) 虽然可以透过X-ray能量散布能谱 (EDS) 或电子能量损失能谱 (EELS) 进行成分分析，然而往往在奈米立体结构、侦测极限及元素选择性的限制下，无法提供完备的分析证据与数据。

台湾大学与台湾半导体研究中心以APT解析多晶硅中掺杂元素（如磷）的偏聚与扩散行为。研究团队观察到磷布植多晶硅在快速热退火(Rapid Thermal Annealing，简称RTA)后会大幅降低其载子浓度。过往之研究多将此归因于再结晶不完全或晶体缺陷，如图一，而APT为三维之元素分布数据，可在局部的二维成分分布与一维成分曲线持续深入探讨其偏聚的现象。从APT分析可以很清楚的观察到大量的磷受退火影响而偏聚至晶界，并沿晶界向基材进行扩散。此研究成果说明了多晶硅中载子活化率的高低，乃受掺杂元素之偏聚行为影响，当磷的偏聚现象藉由优化退火工艺参数或退火方法降低时，材料的电性、工艺的稳定性，以及组件的效能都可以被提升。

APT, TEM, SIMS这三种技术各有其优缺点，您可根据研究需求和样品特性，选择合适的分析方法 

在APT分析中，待测物须事先制作成针尖型的试样，针尖曲率半径需小于100 nm，才可透过针尖场放大效应大幅降低所需的电位差(约数千伏特)，从而让材料的原子能够被有效蒸发。

半导体组件或薄膜的试片制备仰赖双束聚焦离子束(Dual Beam FIB)技术。宜特科技材料分析实验室与台湾大学团队合作，共同发展出APT 所需之针尖型的样品制备技术，这些样品包含薄膜、MRAM、AlGaN光电组件、FinFET半导体组件、金属材料等。图二为宜特科技于FinFET组件上所制备之针尖型试样，并于APT中成功获得该组件之三维元素分布。宜特科技为台湾第一家完成发展APT针尖制备技术之验证分析公司。