半导体研发卡脖子？AFM/SEM/EDS三合一显微镜让纳米级“病灶”显形

发布日期：2025-08-12

在半导体研发的微观世界里，7 nm 以下制程的晶圆突然出现不明短路，异质界面的失效反复上演，跨设备分析时同一感兴趣区域总是 “捉迷藏”…… 当传统检测手段在分辨率与效率间艰难妥协，一款集 SEM、AFM 和 EDS 于一体的 FusionScope 设备，正以 “三位一体” 的原位表征能力，为半导体行业撕开纳米级 “黑箱”，让形貌、结构与化学分析在同一视野里实时联动，成为破解工艺痛点的关键钥匙。

SEM/AFM/EDS三合一显微镜FusionScope结构图

本文将围绕 FusionScope 的核心破局优势展开，详细介绍其在半导体器件 “失效分析”、半导体研发 “高分辨检查”、半导体研发工艺中侧壁粗糙度 “质量检查” 以及半导体器件的纳米电学表征（包括纳米机械手辅助的 CAFM&EFM 表征、EBAC/EBIC 表征、EFM 表征）等方面的应用案例，展现其作为破解工艺痛点关键钥匙的强大实力。

FusionScope核心破局优势：

AFM-SEM-EDS共坐标系自研技术可实现：

• 三维形貌与二维结构像素级对齐（共坐标系统）

• 元素分布直接映射到特定形变区域（案例：捕获层间通孔界面）

• 真空环境全流程防护（规避大气暴露导致的表面氧化伪影）

• 可扩展功能（最多4个纳米机械手的扩展）

应用案例大合集：

1. FusionScope对半导体器件进行“失效分析”

在半导体制造中，失效分析与质量控制是提升良率的核心环节。以棘手的层间通孔电路为例，FusionScope的SEM、AFM和EDS的三重关联分析功能，大大增加了对样品的了解，有助于改进制备工艺。

首先，利用SEM在大面积区域成像，并通过提供详细的叠层误差成像来识别潜在故障点。当材料层不对齐时，会减少接触面积，并可能在某些情况下导致失效。SEM还提供了X轴和Y轴的高分辨率横向信息，有助于精确测量叠层精度。

FusionScope的共坐标系与SEM提供的坐标相结合，可以通过执行自动扫描命令轻松获得AFM测量结果。AFM数据提供的补充垂直表面信息揭示了表面沿Z轴的形貌细节，而这些细节在SEM图像中并不清晰。如下图所示，AFM显示电路线在层间通孔上变细，可能导致电学连接受损。

层间通孔电路SEM/AFM/EDS表征

2. FusionScope对半导体研发进行“高分辨检查”

对于纳米级台阶高度的控制，FusionScope 的高分辨率更是“细如发丝”。在半导体制造中，1 nm 的偏差就可能引发器件漏电或应力断裂，而FusionScope能轻松分辨 SrTiO₃ 衬底上单个原子层（约 0.4 nm）的厚度差异（如下图所示），为光刻对焦精度、金属互连可靠性与 3D 堆叠良率提供“纳米级标尺”。

原子层台阶的AFM形貌表征

3. FusionScope在半导体研发工艺中侧壁粗糙度的“质量检查”

半导体器件表面与侧壁粗糙度的表征是决定芯片性能、可靠性和良率的纳米级标尺。通常，半导体器件的表面粗糙度相对容易表征，但半导体器件的侧壁粗糙度不容易表征。

FusionScope通过创新方案，精确定位到感兴趣区域，高效表征侧壁粗糙度：

• 借助纳米机械手的辅助，进行破坏性地掰断波导结构，然后定位到波导侧壁进行表征；

• 采用倾斜的样品台&耳轴的旋转相结合的方法，对半导体&玻璃基底的侧壁分别进行进行表面粗糙度表征。

半导体器件侧壁粗糙度表征

4. FusionScope对半导体器件的纳米电学表征

1） 纳米机械手辅助的CAFM&EFM表征

Kleindiek的纳米机械手作为标准SEM成熟的集成组件，其易于集成和出色的稳定性，能够实现亚纳米级的高精度移动，可以实现从机械操作到电学性质测试，以及电子束诱导电流（EBIC）表征。FusionScope系统中，最多可实现四个Kleindiek纳米机械手的无缝集成，从而实现AFM，SEM以及EDS无缝组合。

本案例使用一种在硅基底上互相连接的8根电极作为测试电学性能表征的对象，实验装置包括使用纳米机械手有选择地偏置单个电极，同时进行导电AFM和EFM测量。使用FusionScope的侧向视野将两个纳米机械手放置在电极结构上，此外，导电悬臂尖端可以轻松地在探针尖端附近移动，并定位在每个电极结构上，可以同时对电极和导电AFM设置偏置电压。

使用两个纳米机械手放置于金电极样品表面，在偏置电极结构的顶部进行CAFM测量，金电极明显具有更高的电流信号，电流经过导电性差的Si基底，电流会逐渐降低到零。

使用两个纳米机械手放置于金电极样品表面，在偏置电极结构的顶部进行EFM测量，只有两个最内侧的电极是偏置的，在EFM测量期间，施加的偏置电压从+2V切换到-2V，如下图所示，由于施加偏置电压的切换，EFM信号显示出明显的相移。

纳米机械手辅助的CAFM&EFM表征

2） EBAC/EBIC表征

EBAC和EBIC做为高阶的故障点定位方法，通常需要配合纳米机械手使用。EBIC原理是当扫描电镜电子束作用于半导体器件时，如果电子束穿透半导体表面，电子束电子与器件材料晶格作用将产生电子与空穴。若该位置有电场作用（如晶体管或集成电路中的P-N结），电子与空穴在电场作用下将相互分离，空穴将向P型侧移动，电子将向N型侧移动，灵敏放大器可探测到的电流通过结区，可以实现高分辨成像掺杂区域形貌、确定掺杂区域大小，以及高分辨的进行PN结失效分析，快速定位到失效区域。

EBIC测量中观察到的图像分辨率取决于电子空穴对的生成范围、载流子扩散长度和缺陷处的载流子复合率。

IC的EBIC表征

3） EFM表征

钛酸钡(BaTiO₃)是一种非线性的正温度系数(PTC)材料，可用于电阻器。掺杂钛酸钡多晶的电阻具有温度依赖性，可用于传感器和致动器。多晶BaTiO3陶瓷的宏观电子特性受单个晶粒间形成的势垒控制。为了更好地了解钛酸钡的整体电阻，就必须能够在纳米尺度上表征晶体材料的电位差。这种表征可通过EFM实现。它广泛应用于电子开发，复杂的亚微米电子材料的电学面分布特性分析。

FusionScope使原位EFM分析成为可能：高分辨SEM用于轻松识别晶界，从而直接在感兴趣区域进行EFM分析。