<p>電晶體做得越來越小，台積電 3 奈米製程已於去年底開始量產。目前半導體的檢測，需要仰賴解析度極高的顯微鏡，甚至需要直接看見原子，那我們現在的顯微鏡技術已經到位了嗎？足夠應付未來的半導體檢測需求嗎？</p>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">電子顯微鏡與光學顯微鏡互補應用</span></strong></h2>
<p>在次世代半導體檢測中，電子顯微鏡扮演相當重要的角色。電子顯微鏡的原理是基於波與粒子二相性的概念，利用電子的波動性質，將電子束當作顯微鏡光源。</p>
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<p>臺灣大學凝態中心朱明文特聘研究員說明，電子顯微鏡與光學顯微鏡的光路圖並無二致，不過光的波長較長，而電子的波長較短，有利於電子顯微鏡達到很高的解析度。</p>
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<p>顯微鏡的解析度受限於物理上的繞射極限。光經過兩個物體或兩個原子，會分別產生繞射。兩物相距夠遠的時候，我們可以清楚分辨兩個繞射的波峰。兩物一旦靠近到某個極限的時候，兩個波峰不再能夠分辨，這就是光學系統解析度的物理極限。</p>
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<p>一般來說，波長越短，解析度就越高。繞射極限大致是波長的一半，所以波長數百奈米的可見光，解析度大約也是數百奈米。電子的波長則可以利用加速電壓的提高大幅縮短，因此可達很高的解析度，例如加速電壓 20 萬伏特的時候，電子的波長只有 0.0251 埃（1 埃 = 0.1 奈米，相當於原子的大小），進一步考量電子聚焦過程中遭遇的像差問題，那 20 萬伏特的電子顯微鏡至少可達 0.9～2 埃的解析度，遠勝過一般光學顯微鏡的解析度。因此，對半導體廠的分析部門來說，電子顯微鏡相當重要。</p>
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<p>電子顯微鏡具有解析度的優勢，不過半導體廠仍然大量仰賴光學顯微鏡。朱明文研究員說，電子顯微鏡在半導體廠的角色「有點像是最終的解決方案」。電子顯微鏡的缺點是需要切割樣品，而光學顯微鏡不用破壞樣品，就可以透視一定的深度。</p>
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<p>台大凝態中心副主任張玉明也說「電子顯微鏡叫做破壞性分析！」在半導體廠上千道的製程當中，許多檢測其實不一定需要達到奈米等級，就會先採用光學的檢測技術。</p>
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<p>張玉明副主任指出，光學與電子顯微鏡的檢測技術，其實是具互補性的。在半導體上千道製程中，不斷在晶片上堆疊材料與結構，電子顯微鏡雖然可以達到極高的空間解析度，但是我們研發的雷射顯微光譜技術，可以在不必破壞樣品的前提之下，探測晶片的材料層數及其物理特性，因此可以用在產線上進行即時偵測，知道製程中哪一層發生問題。尤其當累積大量的光譜數據後，知道某種雷射光譜對應元件的哪項問題，就可以即時回饋給產線上做調整。</p>
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<p>光學顯微系統的技術近年已有長足的進展。目前高品質的光學透鏡，能夠修正高階的像差，幾乎能完美地達到物理上繞射極限的光學解析度。而我們的研究策略則是藉由先進的光學顯微鏡設計，搭配螢光光譜、拉曼光譜、光學二倍頻等光譜量測技術，繼續往更深紫外光的波段逼近，進而提升光學探針的深度解析能力至奈米等級，擺脫一般光學平面成像的繞射極限。</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/2-1_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">電子顯微鏡比光學顯微鏡解析度更好，不過半導體廠仍然大量仰賴光學顯微鏡。因為電子顯微鏡要破壞觀測物體才能看見內部，而光學顯微鏡不用破壞觀測物體，就可以看到內部。在半導體業界，會把電子顯微鏡當作「最終解決方案」，如果其他方法都找不到問題，才會用電子顯微鏡。</div>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">一定要用能譜來幫忙解析</span></strong></h2>
<p>電子顯微鏡利用數十萬伏特以上的電子束，像子彈一樣衝向樣品，類似康普頓、拉塞福散射實驗撞擊原子。朱明文研究員說明，電子顯微鏡可以做成反射式和穿透式兩種，其中反射式的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy, SEM）能量測樣品巨觀樣貌，而掃描穿透式電子顯微鏡（scanning transmission electron microscopy, STEM）則不僅可以看到原子，更可以同時搜集相關電子結構能譜訊息，達到逐原子分析樣品物理特性問題，因此在半導體檢測上更加強大。</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/2-2.jpeg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">電子顯微鏡下的世界，圖為在鈦酸鍶（STO）基板上長出鑭鍶錳氧（LSMO）薄膜的樣子。</div>
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<p>朱明文研究員強調，使用電子顯微鏡檢測樣品，不只是要「看得到」，也要「量得到」。如果只是在空間中看到兩顆原子，它們可能是對比不同而造成一亮一暗，唯有利用能譜解析出兩顆原子的元素以及電子結構，才能知道背後發生的問題。</p>
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<p>「一定要用能譜來幫忙解析！」朱明文研究員指出，使用電子顯微鏡，如果只看樣品的形貌，「完全就是殺雞在用牛刀」，浪費電子攜帶的許多訊息。</p>
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<p>能譜的原理，在於材料中的原子有許多電子能階。當顯微鏡的電子束入射進材料後，電子束本身會損失能量給材料，使其中的原子產生電子躍遷，並連帶發出 X 光。台大凝態中心副研究員張之威說明，由於每個元素的原子有不同能階，電子打進來之後，可以放出不同形式的 X 光，因此能譜就像是「元素的指紋」。利用能譜，即可解析出半導體元件各區的元素豐度，用於缺陷檢測。</p>
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<p>其中一種解析方法，是利用光的能量為橫軸、強度為縱軸的能量色散 X 射線譜（energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS），可以迅速偵測材料中有哪些元素，並且推估相關比例。另一種做法則是取得波長色散 X 射線譜（wavelength-dispersive X-ray spectroscopy, WDS），以波長為橫軸、強度為縱軸。朱明文研究員說明，WDS 的好處是利用光柵來測量，可以得到更高的光譜解析度，譜線更加銳利，更適合做元素的定量分析。還有一種方法，稱為電子能量損失譜（electron energy loss spectroscopy, EELS），偵測空軌域，原理較為複雜，測量入射電子非彈性散射的能量損失分布，是掌握材料電子結構最有力的工具之一。</p>
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<p>張之威副研究員則開發一套稱為「掃描式電子熱吸收顯微術」的新技術，方法是測量熱吸收，由此得到樣品的原子序。一般掃描式電子顯微鏡的量測結果很難量化，即使是同一個樣品，在不同機台測得的訊號數值也會不同，而這項新技術則可測出絕對的強度，得到原子序。而且，此技術在輕元素測得的熱吸收訊號最大，可以補足傳統電子顯微鏡較難量測輕元素的問題。此外，所需的電子束能量比掃描穿透式電子顯微鏡更低，但仍可達到奈米尺度的分辨率。</p>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">掃描式探針技術</span></strong></h2>
<p>台大物理系邱雅萍教授及團隊成員陳逸峰、陳皓郁表示，除了掃描穿透式電子顯微鏡以外，產業界也常利用掃描式探針技術的原子力顯微鏡（atomic force microscope, AFM）。此種顯微鏡偵測原子本身的相互作用力，因此「偵測的材料上幾乎沒有限制」。</p>
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<p>另一種有利於半導體製程的掃描式探針技術的工具，則是掃描式穿隧顯微鏡（scanning tunneling microscope, STM）。邱雅萍教授的團隊說明，此種技術「偵測局域性的量子穿隧電流訊號，可提供材料原子級表面形貌與電子能帶結構等重要資訊，並可以有效解決材料表面破壞問題，以及提供半導體材料表面上關鍵的缺陷態電性特徵。」不過，此工具對於一些相對絕緣的半導體材料，較具挑戰性。</p>
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<p>以上兩種掃描式探針技術，為半導體檢測增添更多利器。</p>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">業界出題，學界解題？</span></strong></h2>
<p>那麼，半導體檢測的學術研究，該如何應用在產業界？朱明文研究員認為，學界做的事情是概念驗證（proof of concept），做一些經典基礎科學問題。他說，相較於業界唾手可得的最新款、最頂尖儀器，朱明文研究員的實驗室擁有的儀器就像停留在「石器時代」。但是，一旦證明石器時代的設備，亦可成功做到某些具挑戰性的原子解析能譜實驗，那就表示業界一定也能做到，而且應該可以做得更好，瓶頸只在業界有否相關專業人才，以及允許投入多少時間來鑽研一個問題。</p>
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<p>朱明文研究員因先前在台大研發處擔任行政職之故，有緣接觸到面向多元的產官學研問題。他舉某一深耕臺灣多年的外商公司技術部門主管，在一次諮議場合中，清楚地指出「業界出題，學界解題」早已是過時觀念；某本土頂尖半導體公司的先進更提到，「你們想得到的應用問題，以我們的人力、物力，其實我們早就做過了。」產業當前的需求，反而是讓具有基礎科學底子的人加入團隊——唯有看懂問題背後的方程式，才能成為最直接的助力。</p>
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<p>朱明文研究員因此認為，學術界應該把研究做到最深，由此培養出一批人才，深入了解理論和實務如何整合，當他們進到業界，就可以有所貢獻。他說，「產業界對 inline 的看法跟學界相當不同，他要的是你訓練很扎實的基礎科學能力，來加入我們的團隊，去解決問題。」</p>
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<p>朱明文研究員舉例，瑞士同步輻射（Swiss Light Source, SLS）早期訓練出一批優秀的人才，把偵測器靈敏度做得非常成功。後來，這批人出去開公司，把相關偵測器製造的工藝不斷推向極限、觸角不斷擴大，科學探索的深度也就隨之不斷跨過極限。瑞士同步輻射當初給予這批優秀人才的並非時間壓力，而是推升極限的任務，因而做出最好的東西，這點相當值得我們深入思考。</p>
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<p>張之威副研究員則呼籲，臺灣人應該更有耐心支持基礎科學，而非只看短期成效。他舉例，國立清華大學半導體研究學院林本堅院長在 20 年前發展出浸潤式微影技術，原先似乎沒有用處，沒想經過 20 年後，台積電技術卡關的時候，用上這項發明突破瓶頸，也幫助艾司摩爾大翻轉，從小公司變為非常大的公司。朱明文研究員補充，科研並非「按鈕按下去，答案就跑出來」，需要漫長的時間才能取得成果。許多重要的科學突破都是十年磨一劍，但這些漫長的道路都不會白走。</p>
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<p>（客座總編輯｜國家實驗研究院台灣半導體研究中心 侯拓宏主任；研究顧問團隊｜臺灣大學凝態科學研究中心 朱明文特聘研究員、臺灣大學凝態科學研究中心 張之威副研究員、臺灣大學凝態科學研究中心 張玉明副主任、臺灣大學物理學系 邱雅萍教授；責任編輯｜曹盛威、劉品萱）</p>
