scan stage
flip
532nm laser
sample scan stage
flip 激輝光藉由 100X 物鏡收集後，經由一條多模光纖（core=50um）傳送到 光電倍增管（PMT）以得到共焦顯微鏡影像；而在此同時，也以將光纖 接至一解析度為 0.1nm 的光譜儀做為顯微光譜量測（micro-PL）之用。
另外，在光纖之前會放置一氦鎘雷射濾片，這是為了避免樣品散射的雷 射光經由光纖進入光電倍增管。如此一來，由共焦顯微鏡影像及顯微光
3-2 掃描式電子顯微鏡的原理 透鏡（Condenser Lens）聚焦後，用遮蔽孔徑（Condenser Aperture）
選擇電子束的尺寸後，通過一組控制電子束的掃描線圈，再透過物鏡
（Objective Lens）聚焦在試片上，而電子束與樣品效互作用，會激發 出許多種電子，在試片的上方裝有訊號接收器，用以截取二次電子
（Secondary eElectron）或背向散射電子（Backscattered Electron）
成像。此外，若加裝其他偵測器還可以做多種應用，如 EDX 或是 CL 的 量測。另外要注意到的，整個電子顯微鏡腔體應保持高真空，這樣才能 避免電子束在運動過程中因為碰撞而產生散射。
圖七 掃描式電子顯微鏡示意圖
3-3 聚焦式離子束顯微鏡（Focused Ion Beam,FIB）
聚焦式離子束顯微鏡（FIB）是利用靜電透鏡聚焦的方式，將離子 束（一般為 Ga+或是 Au+）聚集成非常小尺寸。這最早是應用在製程中，
希望利用其不需光罩（Maskless），直接寫（Direct Write）的優點，
進行高解析度的曝光（Lithography）、摻雜（Doping ）或是蝕刻。以 進行元件的製備。不過，在今日的半導體業界，在搭配著電子顯微鏡
（SEM）後，反而搖身一變，成為一種在半導體元件分析上相當受歡迎 的機台。在產業界，一般的用途如下：
（1） 元件故障分析，如樣品剖面分析。
（2） 設計線路修補，包含晶圓或是光罩修補。
（3） 穿透式電子顯微鏡樣品製備。
（4） 可搭配二次質譜分析儀，進行元件材質分析。
3-3-1 設備概述
首先參考圖八，這是 FIB 的基本設備圖。基本上，一台 FIB 的機器 包含了幾個部份：
（1） 離子束產生腔暨聚焦系統暨冷卻系統。
（2） 二次電子偵測器
（3） 氣體注入針。
（4） 高效率幫浦系統以維持腔體內的高真空度（1E-6 Torr）
若對於 SEM/FIB 雙模的機器來說，電子顯微鏡是置於離子束夾角 52 度的位置。而當需要利用離子束時，會轉動樣品承盤（Chuck）與離子 束的角度，務使樣品與離子束呈現垂直，以得到離子束最佳的切割效果。
在離子束產生上，最重要的是其中的液態金屬產生源（Liquid Metal Ion Source，LMIS）。LMIS 的結構及照片可以參考圖九。包含了 Ga 的儲
存槽，加熱及高壓線圈，還有鎢製噴嘴。LMIS 的目的，是為了產生直徑 約 5nm 的離子。簡單說，就是將金屬，包括合金，液化並予以以最小直 徑射出的設備。雖然是可以應用於多種材料，不過現在在業界大部份都 是採用鎵（Ga）做為金屬源。對於鎵來說，其優點如下：
（1） 低溶點（29.8℃）可以降低其與腔壁金屬反應的可能性。
（2） 溶融態的低揮發性，這可以增加液態儲存時間。
（3） 低表面能。減少黏滯性。
（4） 電學與力學物理性質穩定，真空中尤然。
（5） 可以大量、大角度的射出，而不會散佈太廣。
圖八、FIB 的基本概圖
圖九、LMIS 的基本概圖 13，下圖為實際照片。
對於 LMIS 暨 Ga+的反應，可以分成幾個階段來解釋之：
（1） 加熱，使鎵溶化，液體的鎵會在鎢製噴嘴旁潤澤開來，半徑約為 2~5nm。
（2） 在噴嘴旁施加高電場（1E8 V/cm），這可以使周圍的液體產生角錐 狀的形變，稱為 Taylor cone.這是因為在高壓的情況下，電磁效應與表 面張力的平衡所致。
（3） 一旦 Taylor Cone 的角錐狀形成後，因為角錐的開口甚小，因此 如果對液態鎵施加電壓，蒸氣壓可使鎵穿過角錐孔，並藉此將鎵離子 化。如此可形成鎵電流，約 1E8 A/cm²。
一旦 Ga+從 LMIS 中解離出來，會在離子腔中加速。離子腔的示義圖 可參考下圖十。大致上，FIB 的加速電壓約為 5~50keV。而在離子腔中，
有 2 組透鏡來對離子進行聚焦。這兩組其中之一為聚焦鏡（Condenser Len），如圖中的 Lens1，這是為了將離子聚焦成細針狀。另一組則為物 鏡（Objective Len），目的是要確保在樣本上能夠準確對焦。在離子腔 可以調整孔徑大小，可以視情況改變離子流的通過量，從若干 pA 到 20、
30nA。另外，有離子束遮蔽管（Beam Blanking）其目的是為了要避免 不要的離子藉由反射等方式射出來。最後，為了要能達到離子束在樣本 中能夠在給定的範圍中進行掃描的動作，有個八段偏折器（Deflection Octopole）來進行最後對離子束偏折的控制。
圖十 離子加速腔示意圖13
3-3-2 反應機制概述
在瞭解了相關的結構說明後，接下來就是對相關的離子反應機制做 個說明。首先是離子碰撞相關的物理作用。請參考圖十一，這是離子碰 撞反應的相關示義圖。這過程其實就是所謂的濺鍍（Sputtering）的過 程。在這過程中，入射離子在撞擊到靶材後，在足夠的動能作用下，可 以使靶材原子獲得破壞鍵結的能量，從而使靶材原子或是電子激發出 來。這也可以利用在 FIB 成像上，透過二次電子（Secondary
Electron,SE）量的監控，可以將導體／半導體／絕緣體的形態描繪出 來。以利機台操作時的參考。另外，因為可以收集所擊出的靶材原子，
這可以運用在二次質譜儀（FIB/SIMS）的使用。
圖十一 離子撞擊在樣本的示意圖 13，其中可以看到離子的植入
（Implantant）以及樣本離子、二次電子被濺鍍出來。
3-3-3 特殊氣體與 FIB 的應用
在前面提到機台構造時，有提到幾組氣體注入噴嘴。其用途有二，
一為特殊材質，如導體、絕緣體生長（Deposition）之用；二則是為了 要加快蝕刻效率，即是所謂的加強蝕刻模式（Enhanced Etching Mode）。
圖十二、FIB 中，特殊氣體注入結構之示意圖13 上圖十二所示的，是氣體注入的結構示義圖。前置反應物
（Precursor）儲存於右側瓶中。藉由升溫以及灌入惰性氣體的方式，
改變瓶中的壓力，驅使氣態 Precursor 從噴嘴中散佈至 Chamber 裡靠近 樣本處。此時 Precursor Mass 的孔徑約 0.5mm。而藉由上面的 Ga+離子 束，活化離子束範圍內的 Precursor，使之能夠產生足夠的能量，對於 活化後的 Precursor，將會因為不同的類別，一類是會與樣本基板反應，
產生揮發性生成物，以進行蝕刻。而另一類並不會蝕刻到樣本，相反的，
會沈積在樣本上，形成薄膜。下圖十三為相關示義圖。整體來說，藉由 Ga+離子束的直接控制，前面所提到的直接寫（Directly Write）無光
圖十三、FIB 中氣致蝕刻與氣致沈積示意圖。
3-3-4 離子束劑量之探討
在上述介紹 FIB 的基本操作原理的同時，其實可以注意到，離子束 Ga+電流量的大小，這對於不管是蝕刻還是沈積模式而言，在討論其反 應速度／反應效率上，均扮演了一個相當重要的角色。而 Ga+的電流量，
其實指的就是單位面積上 Ga+打在樣本上的數目，在此以劑量（Dose）
稱呼之。準確的說，Dose 量的單位是 uC/um²，在討論 Dose 量之前，首 先將針對幾個 FIB 相關的重要參數做一解釋：
（1） 離子束掃描時間（Frame Time）：對於同一個離子束像點而言
（Pixel），兩次離子束掃描的間隔時間，謂之。
（2） 離子束停留時間（Dwell Time）：離子束在某一個離子束像點 的停留時間。
（3） 離子束重疊比例（Overlap）：兩次離子束像點間重疊的量
圖十四、在研磨模式中，圖（a）：離子束移動方式；圖（b）離子束重 疊率之相關示意圖
上圖十四為相關的示義圖13。圖（a）中，將離子束的移動方式清楚 的表示出來，可以看到的，離子束的移動是以蛇行的方式進行，以得到 最有效率的運動方式。而其中的『d』指的是離子束像點的直徑，『S』
則是單位離子束像點中心位置的距離。因此，可以由圖（b）中得到重
其中，Size_of_Pattern 是指操作者所給定的區域大小。
Step_size = ( 1 – OL% / 100 ) × Diameter
而離子束像點的直徑（d）除非機台管理員，否則是不能任意變化的。
在此我們以本次實驗機台 FEI 835 為例，若要掃一條 1μm 的線，
相關的參數如下：
Diameter（d）= 280Å Overlap (OL) = -150％
如下式子表之：
GaN，Milling Rate 大約就是 Si 的兩倍快。在 Milling GaN 時，如果對 於蝕刻深度不加詳查，實際蝕刻出來的深度將會比操作者給定的還要深 兩倍以上，這樣容易造成元件的過度蝕刻現象，乃至於會傷害到量子井 層，在使用上需特別注意。
圖十五、針對 Ga+離子束對於不同材質之研磨率與離子束能量比較圖 至於為這種研磨效率的差異的由來，初步認為是源自於不同的鍵結 力量的關係。下圖十六，是將研磨率與各材質間的鍵結力一起做個比較
12。可以明顯看到的，對於鍵結力強的如 Sapphire 而言，研磨率是相對 低很多的。至於鍵結力較弱如 GaN 來說，研磨率就會相對快得多。
圖十六、不同材質間，研磨率與鍵結強度之比較
下圖十七是針對 GaN，入射角度與 FIB 的研磨率的關係。可以獲得 如前述的正相關性，不過對於圖（左）而言，較高的離子束能量在大角 度的研磨率來說，其實差距甚小；而圖（右）中，增加掃描次數確實在 高能量時可以得到較大的研磨增加量。不過可以注意到的，對於垂直入 射角度時，增加掃描次數在研磨率上並不會有明顯的增加，這可能是因 為對 GaN 來說，因為樣本的非晶化關係，使得後續的離子束掃描難以深 入，並不會造成明顯的蝕刻現象。
圖十七、（左）在不同的能量之下，Ga+入射角度對 GaN 的研磨率 （右）在不同的掃描次數之下，Ga+入射角度對 GaN 的研磨率 針對研磨率的差別，部份是因為離子束在轟擊時因為樣本鍵結強度 的差異所導致的，另一方面則是因為使用氣致蝕刻（Enhanced Etching, EE mode）時，通入氣體所產生的蝕刻增強效果，會因為不同的材質有 差異所引起。
圖十八（左）離子束電流大小與研磨率的關係，下圖為 EE Mode 與濺鍍
圖十八（左）離子束電流大小與研磨率的關係，下圖為 EE Mode 與濺鍍