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材料分析生力軍 迎接後摩爾定律時代到來 ─ EELS 能量損失能譜

2020/04/06

電子能量損失能譜(Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS)是裝設在TEM下的高階成份分析檢測儀器

常有人問,它和一般常用的EDS到底有何差異? 使用EELS的時機為何?

 

事實上,EELS和EDS在輕重元素分析上是互補的關係,甚至在某些功能上超越EDS,另外還具備EDS沒有的能力。下表清楚的列出EELS和EDS的差異,接下來我們就來看看這些差異性的實際應用,如此就可以輕易地判斷出使用EELS的時機了!


 

 

 

能量解析度 Energy Resolution 

有時我們會發現Si和W的訊號重疊,偏偏半導體製程中,這兩種元素皆是主要的材料,這時要如何分辨這兩種元素呢?

 

當然會有其它的判斷方法,但並不是每個重疊的元素組合可以輕易的辨別出來,而EELS的能量解析度可低至1eV以下,可以說是沒有分辨元素的困擾。

 

EDS data中,Si和W的peak很接近,只看此峰值有無法分辨哪種元素的問題,需再輔以其它峰值或製程結構判斷

EELS的Si和W能譜線不同

 

 

 

空間解析度 Spatial Resolution

很多人有這個疑問,為何做EDS時不管是搭配SEM還是TEM,它的解析度無法像拍照那樣好 ?

 

基於物理的限制,此情形在所難免,但EELS在優異空間解析度的表現下,極薄的層次無所遁形,尤其先進製程與特殊結構日益普遍,透過EELS linescan 或 mapping,薄層層次一目瞭然。

 

 EDS 結果無法清楚的辨別層次

EELS 結果證明絕緣層為SiON與SiO2組成

 

 

 

輕元素分析能力 Superior Sensitivity in Light Element

受限於機台架構,EDS在輕元素偵測的能力不若重元素, EELS在這方面彌補了EDS之不足,因此若分析的結構中含有C, N, O或其它輕元素之層次,那麼EELS絕對是考慮的選項。

 


C, N, O 在EELS mapping上有較明確的界限與偵測能力

(a) HAADF 影像  (b) EDS mapping  (c) EELS mapping 

 

 

 

化學態 Chemical State

在大多數常用的元素分析工具中,絕大多數都只是知道含有哪些元素,無法得知其化合物種類。如果要使用專門分析特定化合物的工具,如XPS,又有分析區域大小的限制。在進行微區分析時,TEM固然可以使用繞射來判斷化學態,但在判斷上不是那麼直觀且全面。

 

透過EELS的化學態分析功能,不僅僅知道化學鍵結組成,還可知道各化合物的分佈範圍。

 

不同的化合物,其能量損失就不同,因此可以得知化合物種類


 

 

EELS mapping可以得知各化合物分佈範圍


 

 

 

 

厚度量測 Specimen Thickness Measurement

在奈米材料分析或欲了解樣品厚度與TEM拍攝結果的關係時,可以利用EELS來直接量測樣品厚度,藉此監控產品特性與厚度的關係與趨勢。

 

(a) 試片的thickness mapping

(b) 在(a)上的箭頭位置切cross-section,量測厚度與用EELS量測值做比較,其結果是近似的

 

 

綜觀以上的應用性解說,大家是不是都了解EELS的用途了呢?

 

閎康新購之Neo ARM TEM機台,不僅配備球面像差校正、擁有超高解析的影像,也裝有Gatan Continuum EELS,再為結構分析實驗室添增了生力軍,持續地在全球分析檢測領域扮演領頭羊的角色,為迎接後摩爾定律時代的到來做足準備!

 

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