季豐電子材料分析實驗室配備賽默飛Talos F200E，EDS定量方法采用標準的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、采譜參數以及EDS定量處理參數等的精確控制，為客戶提供高精度的EDS定量分析服務。

季豐電子在總部上海、北京、深圳都建有專業的材料分析實驗室，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殼層電子被激發，從而造成原子電離，原子內殼層上出現一個空位，而處于不穩定的高能激發態。在激發后的瞬間(<10 -12-s)，原子便恢復到最低能量的基態，在此過程中，一系列外層電子向內殼層空位躍遷，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的數目形成展譜，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，其數目與原子數目正相關，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構成分分析工具之一，廣泛應用于幾乎所有工業領域，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及以上原子序數的所有元素，分析范圍可達1 nm-10 cm，TEM中的EDS甚至可實現原子尺度（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射線峰位置來進行元素標定，目前借助軟件可快速自動標定出特征峰對應的元素，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，導致軟件識別錯誤，這時候需要技術人員根據實際工藝和結構去重新判斷，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確的元素信息也是具有一定挑戰的，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50年代初，當時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系，利用已知成分的標樣，在相同條件下測定樣品某元素與對應標樣元素的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，因此必須進行基體校正，一般采用ZAF法，Z代表原子序數差異導致特征X射線產額的差異，A代表樣品對產生的特征X射線的吸收，F代表特征X射線在樣品內的熒光效應。

對于SEM中的塊體樣品進行定量時需要綜合考慮ZAF三種因子對定量結果的影響，根據已知成分的標樣來確定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），利用函數擬合出樣品內特征X射線的質量和深度分布，提高ZAF值的準確度，從而提升定量準確度。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軟件，并可以選擇標準ZAF法和Phi-rho-z法來進行成分定量。

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）可忽略不計，因此定量時只需要考慮Z因子（原子序數差異導致的X射線產額），即Cliff-Lorimer法和ζ-因子法，兩者的區別主要在于標樣的選擇，前者需要一系列化合物標樣，后者則只需要單質標樣，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定量時結果的準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、采集和數據處理參數等，一般來說重元素的定量會更容易，輕元素如C、N、O等的準確定量會比較難，主要是因為這些元素的特征X射線產額低，且X射線能量小容易被樣品吸收，從而影響定量結果。

▲圖三

電子束與SEM和TEM樣品作用產生特征X射線示意圖

EDS案例分享

應變Si技術是集成電路中非常重要的改善器件性能的技術，其中的外延材料原子比例不同會導致器件中襯底Si的不同應力狀態，從而導致不同的器件性能，因此對器件中的外延層進行成分定量很關鍵，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材料，在芯片工藝過程中上層的AlN中的Al會往下擴散，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一起進行定量時無法準確定量Ti和N，因此定量時排除N，只選擇Al的K峰和Ti的K峰進行定量分析，可準確得到Ti和Al的相對原子比例，幫助工藝監控Al的擴散程度。

▲圖五

TiN中的Al擴散EDS表征

季豐電子

季豐電子成立于2008年，是一家聚焦半導體領域，深耕集成電路檢測相關的軟硬件研發及技術服務的賦能型平臺科技公司。公司業務分為四大板塊，分別為基礎實驗室、軟硬件開發、測試封裝和儀器設備，可為芯片設計、晶圓制造、封裝測試、材料裝備等半導體產業鏈和新能源領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”、國家高新技術企業、上海市“科技小巨人”、上海市企業技術中心、研發機構、公共服務平臺等企業資質認定，通過了ISO9001、 ISO/IEC17025、CMA、CNAS、IATF16949、ISO/IEC27001、ISO14001、ANSI/ESD S20.20等認證。公司員工近1000人，總部位于上海，在浙江、北京、深圳、成都等地設有子公司。