季豐電子材料分析實驗室配備賽默飛Talos F200E，EDS定量方法采用標(biāo)準(zhǔn)的Cliff-Lorimer測試方法，并帶有X射線吸收校正功能，通過對樣品角度和厚度、電鏡參數(shù)、采譜參數(shù)以及EDS定量處理參數(shù)等的精確控制，為客戶提供高精度的EDS定量分析服務(wù)。

季豐電子在總部上海、北京、深圳都建有專業(yè)的材料分析實驗室，歡迎大家咨詢、委案！

EDS簡介

EDS（Energy dispersive spectroscopy）是X射線能量色散譜儀的簡稱，主要用于材料中的元素鑒別和成分分析，其原理可簡單解釋為：高能電子（10 keV – 200 keV）照射樣品時與樣品原子作用發(fā)生非彈性散射，將其部分能量傳遞給原子而使原子的某個內(nèi)殼層電子被激發(fā)，從而造成原子電離，原子內(nèi)殼層上出現(xiàn)一個空位，而處于不穩(wěn)定的高能激發(fā)態(tài)。在激發(fā)后的瞬間(<10 -12-s)，原子便恢復(fù)到最低能量的基態(tài)，在此過程中，一系列外層電子向內(nèi)殼層空位躍遷，釋放出的多余能量以特征X射線和俄歇(Auger)電子的形式向外界發(fā)出。

利用X射線探測器和電子探測器搜集并分析這些特征X射線和俄歇電子的能量和對應(yīng)的數(shù)目形成展譜，即可獲得樣品的EDS譜和AES譜。特征X射線的能量與樣品原子種類相關(guān)，其數(shù)目與原子數(shù)目正相關(guān)，因此EDS譜可用于樣品中的元素鑒別和成分定量。

EDS是目前最常用的顯微結(jié)構(gòu)成分分析工具之一，廣泛應(yīng)用于幾乎所有工業(yè)領(lǐng)域，目前一般作為附件裝載在SEM、FIB和TEM中，可分析所有固體材料，可分析元素周期表中B及以上原子序數(shù)的所有元素，分析范圍可達(dá)1 nm-10 cm，TEM中的EDS甚至可實現(xiàn)原子尺度（0.1nm）空間分辨率的元素分析。

▲圖一

電子束與樣品作用產(chǎn)生特征X射線原理圖

EDS定性分析

每種原子的核外電子軌道能量都是確定值，因此其特征X射線的能量也是確定值，故可利用EDS譜中的特征X射線峰位置來進(jìn)行元素標(biāo)定，目前借助軟件可快速自動標(biāo)定出特征峰對應(yīng)的元素，比如SEM中有布魯克的Esprit和牛津的Aztec能譜分析軟件，TEM中有布魯克的Esprit、牛津的Aztec和賽默飛的Velox能譜分析軟件等。

但是需要注意的是，不同元素的特征X射線能量有可能非常相近，受限于EDS的能量分辨率（130eV左右），會在EDS譜中形成重峰，導(dǎo)致軟件識別錯誤，這時候需要技術(shù)人員根據(jù)實際工藝和結(jié)構(gòu)去重新判斷，比如常見的W的Mα1（1.7756keV）和Si的Kα1（1.7397keV），Cu的Kα1（8.078keV）和Ta的Lα1（8.1460keV）峰等。此外在SEM和TEM中的EDS還會有很多干擾峰會影響EDS定性分析，如何排除這些干擾峰來獲取準(zhǔn)確的元素信息也是具有一定挑戰(zhàn)的，常見的干擾峰具體類型如下表所示。

▲表二

EDS分析中的常見干擾峰

EDS定量分析

EDS定量最早可追溯到20世紀(jì)50年代初，當(dāng)時Castaing博士在博士論文中建立了樣品中元素X射線強度與濃度的關(guān)系，利用已知成分的標(biāo)樣，在相同條件下測定樣品某元素與對應(yīng)標(biāo)樣元素的X射線強度，從而簡單計算出待測樣品的的元素含量。實際情況中電子、原子和X射線的相互作用對EDS譜峰影響很大，因此必須進(jìn)行基體校正，一般采用ZAF法，Z代表原子序數(shù)差異導(dǎo)致特征X射線產(chǎn)額的差異，A代表樣品對產(chǎn)生的特征X射線的吸收，F(xiàn)代表特征X射線在樣品內(nèi)的熒光效應(yīng)。

對于SEM中的塊體樣品進(jìn)行定量時需要綜合考慮ZAF三種因子對定量結(jié)果的影響，根據(jù)已知成分的標(biāo)樣來確定ZAF值，從而測試未知成分，此外，還可以采用理論計算的方法（Phi-rho-z法和XPP法等），利用函數(shù)擬合出樣品內(nèi)特征X射線的質(zhì)量和深度分布，提高ZAF值的準(zhǔn)確度，從而提升定量準(zhǔn)確度。目前季豐電子的SEM和FIB中配備有牛津儀器和布魯克的能譜探頭及相應(yīng)軟件，并可以選擇標(biāo)準(zhǔn)ZAF法和Phi-rho-z法來進(jìn)行成分定量。

對于TEM中的薄片樣品，一般樣品厚度小于100 nm，A因子（樣品吸收）和F因子（X射線熒光效應(yīng)）可忽略不計，因此定量時只需要考慮Z因子（原子序數(shù)差異導(dǎo)致的X射線產(chǎn)額），即Cliff-Lorimer法和ζ-因子法，兩者的區(qū)別主要在于標(biāo)樣的選擇，前者需要一系列化合物標(biāo)樣，后者則只需要單質(zhì)標(biāo)樣，但是需要知道電鏡的電子束劑量，目前TEM中最常用的還是更方便簡潔的Cliff-Lorimer方法。

這里需要指出的一點是，實際EDS定量時結(jié)果的準(zhǔn)確度和精確度除了受Z因子影響外，還受很多因素影響，包括樣品厚度、重疊峰、采集和數(shù)據(jù)處理參數(shù)等，一般來說重元素的定量會更容易，輕元素如C、N、O等的準(zhǔn)確定量會比較難，主要是因為這些元素的特征X射線產(chǎn)額低，且X射線能量小容易被樣品吸收，從而影響定量結(jié)果。

▲圖三

電子束與SEM和TEM樣品作用產(chǎn)生特征X射線示意圖

EDS案例分享

應(yīng)變Si技術(shù)是集成電路中非常重要的改善器件性能的技術(shù)，其中的外延材料原子比例不同會導(dǎo)致器件中襯底Si的不同應(yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致不同的器件性能，因此對器件中的外延層進(jìn)行成分定量很關(guān)鍵，由于器件尺寸一般很小（<100 nm），因此TEM成為唯一的工具，TEM中的EDS和EELS均可用于GeSi/NiSi的成分定量，EDS更簡便，結(jié)果如下圖所示。

▲圖四

28 nm制程中NiSi 外延材料的EDS定量分析

TiN是一種重要的功函數(shù)材料，在芯片工藝過程中上層的AlN中的Al會往下擴(kuò)散，需要分析其中的Al含量，由于Ti的L峰和N的K峰幾乎重峰，將Ti、N、Al一起進(jìn)行定量時無法準(zhǔn)確定量Ti和N，因此定量時排除N，只選擇Al的K峰和Ti的K峰進(jìn)行定量分析，可準(zhǔn)確得到Ti和Al的相對原子比例，幫助工藝監(jiān)控Al的擴(kuò)散程度。

▲圖五

TiN中的Al擴(kuò)散EDS表征

季豐電子

季豐電子成立于2008年，是一家聚焦半導(dǎo)體領(lǐng)域，深耕集成電路檢測相關(guān)的軟硬件研發(fā)及技術(shù)服務(wù)的賦能型平臺科技公司。公司業(yè)務(wù)分為四大板塊，分別為基礎(chǔ)實驗室、軟硬件開發(fā)、測試封裝和儀器設(shè)備，可為芯片設(shè)計、晶圓制造、封裝測試、材料裝備等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈和新能源領(lǐng)域公司提供一站式的檢測分析解決方案。

季豐電子通過國家級專精特新“小巨人”、國家高新技術(shù)企業(yè)、上海市“科技小巨人”、上海市企業(yè)技術(shù)中心、研發(fā)機構(gòu)、公共服務(wù)平臺等企業(yè)資質(zhì)認(rèn)定，通過了ISO9001、 ISO/IEC17025、CMA、CNAS、IATF16949、ISO/IEC27001、ISO14001、ANSI/ESD S20.20等認(rèn)證。公司員工近1000人，總部位于上海，在浙江、北京、深圳、成都等地設(shè)有子公司。