APT：原子級精度的先進製程材料分析技術

隨著搭載台積電(TSMC) N3P製程應用處理器進入市場，智慧型手機、高效能運算(HPC)、人工智慧(AI)，以及車用電子等領域對於先進半導體製程的需求持續升高。製程技術的每一世代演進，不僅使元件幾何尺寸持續縮小，也為材料分析在解析度與靈敏度方面帶來前所未有的技術挑戰。當電晶體結構邁向原子尺度、3D整合度持續提高，對材料的空間解析度與化學訊號偵測靈敏度，皆提出了較前一代更為嚴苛的規格要求。

圖1：各類光譜和顯微鏡分析工具空間解析度與化學偵測極限一覽。X軸為化學分析偵測量級，Y軸為空間解析尺度量級。

近年來，在材料分析領域中，低能損電子束顯微影像技術結合低溫原子層鍍膜(Low-temperature ALD)與低損傷試片製備製程，使空間解析能力得以推進至0.083nm以下。在化學分析方面，高靈敏度二次離子質譜儀(SIMS)透過離子轟擊並偵測所逸出的二次離子，能夠量測材料中濃度低至百萬分之一(ppm)等級，或甚至更低濃度的元素含量，提供精確的化學組成與摻雜分佈資訊。這些技術結合材料分析、表面分析與故障分析平台，使得樣品在研發與量產各階段的材料與結構特性得以更全面地被掌握。

隨著先進半導體製程即將邁向埃米世代，業界面臨的挑戰也已進入錙銖必較的原子級領域。例如，如何在奈米級通孔結構中有效偵測側壁與孔底是否殘留硼、氫、氟等輕元素污染物或聚合物？如何在奈米片與環繞閘極結構(GAA)中精確量化其化學成份比例？

圖1展示各類光譜與顯微技術在化學偵測極限與空間解析度方面的比較。當前的透射電子顯微鏡(TEM)結合能譜分散X射線光譜(EDS)或電子能量損失光譜(EELS)技術，雖然能夠提供卓越的結構與化學成份資訊，但由於物理機制與檢測極限的限制，EDS與EELS在硼、氫、氦等輕元素的化學分析上依然面臨諸多問題與挑戰。因此，針對輕元素分析，具有更高靈敏度與化學偵測極限的質譜技術成為最佳選擇，儘管質譜儀在空間解析度上與TEM仍有一定差距。

在先進半導體製程即將進入埃米世代之際，材料分析正面臨一項根本性挑戰：如何在數十奈米的關鍵尺寸結構中，同步實現原子級的空間解析度，並達成較EDS/EELS技術更為優異的化學分析靈敏度。此二者猶如魚與熊掌，難以在單一傳統分析技術中兼得。

為突破此一技術瓶頸，近年來原子針尖斷層影像儀(Atom probe tomography；APT)已開始嶄露頭角，成為與TEM及SIMS形成強力互補的創新解決方案。本文闡述此APT之技術原理與應用實例。

APT簡介

表1為TEM、ATP以及SIMS在空間與化學成分解析能力之比較。根據表1可歸納出以下觀察：TEM於影像結構解析上具備絕對優勢，SIMS則在化學成份偵測靈敏度方面領先。APT恰居於兩者之間，其空間解析度可達次奈米等級，化學靈敏度約為10ppm (相當於10¹⁸atoms/cm³)，並具備全元素分析能力，能有效偵測包括氫、鋰在內等傳統電子束技術難以分析的輕元素。更重要的是，透過3D原子級重建技術，APT能提供直觀的3D原子分佈影像，從而實現成份與結構的關聯性分析。在先進製程開發中，APT已成為銜接奈米結構與化學成份的關鍵橋樑，融合TEM的空間解析能力與SIMS的化學成份分析靈敏度，為材料分析提供洞察。

APT的技術起源可追溯至1951年，由美國賓州大學教授Erwin W. Müller發明的場離子顯微鏡(FIM)，實現首次對材料表面原子排列的直接觀察。其後，歷經數十年發展，在多個研究團隊與實驗室的持續創新與優化下(圖2)，APT技術逐漸發展成熟。如今，該技術的應用領域已從單純的基礎科學研究，演進為材料科學與先進半導體製程研發中不可或缺的尖端分析手法。

表1：TEM、SIMS與APT的比較。

圖2：ATP歷史說明。

APT的工作原理與試片製備

APT的核心技術原理基於針尖放大效應(亦稱場蒸發效應或避雷針效應)。該技術在高電場環境下，使針尖樣品表面的原子發生「場蒸發」並游離化。由於電場在針尖曲率半徑極小處顯著集中，其強度可達平坦表面的數倍之多。根據下列公式(2-1)，當施加於針尖的正偏壓達到臨界電位時，表面原子將克服能障而發生游離化，此即為場蒸發效應：

F=V/kr ……(2-1)

其中，F為針尖表面的電場強度，V為施加的偏壓電位，k為場因子常數，r為針尖半徑。

實施APT有賴於一系列精密的樣品製備與嚴格的操作環境。首先，樣品必須製備為尖端直徑約50nm的針狀結構，以確保在尖端處產生足以引發場蒸發的局部強電場。為了保障分析的準確性，整個實驗過程需在超高真空環境(約10⁻¹⁰ torr)下進行，以便有效避免飛行中的離子與氣體分子發生碰撞。同時，為了抑制原子熱振動帶來的干擾，試片溫度必須保持在30–80K的低溫條件。在分析過程中針對樣品針尖施加正電壓，使其與鄰近的局部電極之間形成電場梯度。當脈衝雷射作用於針尖時，針尖表面原子被瞬間游離成離子，並在電場驅動下加速飛向位置敏感探測器(PSD)。在理想情況下，ATP能實現樣品的逐層、逐原子遊離化。最後，系統透過精確測量每個離子的飛行時間，並結合其撞擊位置與時間資訊，最終實現樣品3D原子分佈與化學成分圖譜的精準重構。

綜上所述，APT本質上是一種結合「顯微結構觀測」與「質譜化學成份分析」的破壞性3D奈米級成份與結構分析技術。其簡化示意圖與標準工作流程詳見圖3《ATP工作機構與示意說明》。

圖3：ATP工作機構簡介。

圖4：透過聚焦離子束執行完成的ATP探針影像。

為了實現高精度ATP分析，試片製作品質成為決定分析成敗的關鍵，如何製備出幾何結構完美的針狀試片至關重要。理想的試片不僅需具備極細微的針尖半徑(約數十奈米)，更須嚴格控制其結構對稱性與錐角幾何，以確保3D原子重構結果能真實反映材料內部的實際分佈。若針尖形狀偏離理想結構，將導致重建影像產生畸變，甚至引發成份與位置的誤判。

此外，試片圓錐結構中若存在裂縫、孔洞或晶格缺陷，於高電場作用下極易誘發局部放電或結構崩塌，造成試片斷裂與分析中斷。因此，唯有具備結構完整、幾何對稱且表面光滑的針尖樣品，方能實現高解析、高穩定度的APT分析。汎銓科技整合聚焦離子束技術，透過環狀減薄與精準區域定位的優化流程，以提升試片製程之致性以及重構數據可靠度，確保每一次都能成功製備符合要求的APT試片(圖4)。

ATP在先進製程材料及元件分析的應用

A、富含鋰(Lithium)材料

在分析極輕元素如鋰(Li)時，傳統分析技術面臨顯著限制。SIMS雖能有效偵測鋰元素，但其空間解析度不足，難以因應奈米級結構的觀察需求；TEM雖具備優異的奈米結構形貌解析能力，然而其EDS/EELS技術在鋰元素的訊號量測上靈敏度嚴重不足。

在此技術瓶頸下，APT展現其突破性價值。以鋰離子電池常用的鎳鈷錳酸鋰(NMC)三元正極材料為例，理論上其元素應呈現均勻分佈，如圖5(a)所示。然而，APT的實驗結果(圖5(b))卻清楚揭示出鎳(Ni)與錳(Mn)的元素不均勻現象，並進一步觀察到局部富鋰區域的存在。此一發現不僅突破TEM-EELS與SIMS的技術限制，更為材料微觀結構與成份分佈提供關鍵洞察。

進一步在摻雜鋁(Al)的樣品中，APT更能執行晶界區域的定量成份分析(圖5(c))，清晰呈現微結構與元素偏析的關聯性。這些結果證實，APT在含輕元素之先進材料分析上，具備遠優於TEM與SIMS的空間解析與化學分析能力，為鋰電池與能源材料研究開創全新解決方案。

圖5：ATP技術對於分析NMC正極材料中精細結構的理想選擇。(a)大部份材料中主要為均勻分佈。(b)除了Ni與Mn的不均勻分佈外，亦發現以紫色顯示的鋰元素。(c)對雜雜了Al元素的邊界化學分析。

B、硼(Boron)在不同分析技術間的偵測差異

硼(B)作為半導體製程中關鍵的摻雜元素，其濃度與分佈狀態對元件性能具有決定性影響。因此，開發能在極低濃度下精確偵測與定量硼元素的分析方法，成為先進半導體分析產業的重要挑戰。

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