APT 技術介紹
三維原子探針（Atom Probe Tomography, APT）技術的前身是場離子顯微鏡（Field Ion Microscope, FIM）。如圖 1 所示，在 FIM 中，金屬樣品被加工成極細的針尖形狀，在腔體內充入氣體（例如 He、H₂ 等），再對樣品施加電壓，電壓在極細的針尖上形成超強的電場，而吸附在樣品表面的氣體原子被離子化後，便會飛向右側的探測器螢幕。氣體離子轟擊螢幕所形成的圖案，可以反映出原針尖樣品表面的原子排布和晶體軸向的資訊。這一技術由 Erwin Müller 教授及其合作者發明，FIM 技術也被認為是世界上第一種可以實現原子級解析度的成像技術。
圖 2 展示的是現代 APT 技術的原理。與 FIM 不同的是，APT 技術中不再使用氣體離子化的方式來成像，而是直接通過對樣品施加高電壓，使得樣品表面的原子直接被電場從樣品表面擊出，然後通過飛行時間質譜儀（Time of Flight Mass Spectrometer, TOF-MS）來測量這些被擊出的原子離子的質量-電荷比（mass-to-charge ratio, m/z），從而識別出這些原子離子的元素種類。由於 APT 技術可以同時獲取每個原子的位置和元素資訊，因此可以重建出樣品的三維原子結構圖，並且具有極高的空間解析度（亞奈米級）和化學靈敏度（可檢測 0.1% 級別的元素）。這使得 APT 技術成為材料科學、奈米技術、半導體技術等領域中研究材料微觀結構和組成的強大工具。
圖 3 展示的是使用聚焦離子束（Focused Ion Beam, FIB）技術製備 APT 分析所需的針尖樣品的過程。首先，在樣品表面沉積一層保護層（通常是鉑 Pt 或碳 C），以防止在後續的離子束加工過程中損壞樣品表面。然後，使用高能離子束對樣品進行粗加工，將樣品切割成一個小塊，並且將其提升到一個微小的針尖形狀。接著，使用低能離子束對針尖進行精細加工，以獲得所需的針尖半徑（通常在 50–100 nm 之間）。最後，將製備好的針尖樣品安裝到 APT 儀器中進行分析。FIB 技術可以精確地控制針尖的形狀和尺寸，從而確保 APT 分析的準確性和可靠性。
APT 技術在半導體元件的應用
使用雷射輔助電場蒸發之後，APT 技術便可以應用在金屬材料以外的半導體材料與元件上。以下展示幾個示例，展示半導體使用在電晶體（transistor）、互連（interconnect）、離子注入摻雜元素分佈、閘極介電層（gate dielectrics）多層結構分析等。
圖 4 展示的是 n-MOSFET 與 p-MOSFET 通道摻雜原子分佈與統計分析的結果圖。上半部是三維原子分佈圖，揭示了 B（硼）、P（磷）與 As（砷）等摻雜元素的分佈。例如，閘極多晶矽中，n-MOSFET 中的 P 呈現晶界偏析，而 p-MOSFET 中的 B 則均勻分佈。下半部是摻雜統計分佈圖，對 n-MOSFET：有 SDE 時（黑實點）摻雜數量顯著增加，且分佈範圍變寬，表示摻雜波動更大；對 p-MOSFET：有 SDE 時（紅實點）摻雜數量減少，且分佈範圍變窄，表示摻雜波動更小。
圖 5 展示的是應用於 10nm 節點以下的銅互連結構中，不同阻擋層設計對銅向外擴散的影響的分析。最右側，當阻擋層為 Co 時，銅擴散深度約為 50–60 nm，而且主要是通過 Co 的晶界向下穿透；當阻擋層為 Co(W) 時，銅擴散深度僅為 3–4 nm，而且主要是在晶界的扎孔處，這是因為 W 對於 Co 的晶界起到了很好的濕潤包裹作用，填充了 Co 的晶界；當阻擋層為 Co(W) 並且在 Cu 中摻入了 Mn 元素以後，Mn 在 Cu 裡面會快速擴散到達界面處，填補扎孔，從而進一步減少了 Cu 的擴散。
圖 6 展示的是經過奈米小孔注入的 Ge 離子在 Si 襯底中的分佈，其中奈米小孔的直徑為 10 nm。離子注入進入晶體後，會與晶體原子發生散射，檢測出其分佈範圍與濃度對於摻雜技術的改進有很大幫助。我們可以看出，離子注入後，經過 APT 技術分析，可以看到 Ge 離子在 Si 中的分佈範圍大約在 20 nm 以內，且在深度方向上呈現出高斯分佈的特性。重疊的彩虹色圖是 2D contour 分佈圖，可以更清楚地看到 Ge 離子在 Si 中的濃度分佈情況。而虛線圖則是通過 SRIM 軟體模擬得到的離子分佈情況，與 APT 實驗結果有較好的一致性。
圖 7 展示的是多層介電層材料的 TEM 與 APT 分析結果。可以看出 APT 技術可以很好地解析多層膜結構，儘管可能存在局部放大（local magnification）效應假象。右側則是多層結構的三種元素分佈 1D concentration 濃度圖。而下方則是針尖樣品分析結果全圖，我們使用的是截面提取針尖樣品的方式，而檢測的長度超過 700 nm。
APT 技術在金屬材料的應用
圖 8 展示的是 APT 技術用於評估壓力容器模型合金中銅團簇化與硬化的關係，不同時效時間後 Fe-Cu 合金中銅原子的分佈。可以看出，隨著時效時間的增加，銅原子逐漸從均勻分佈轉變為形成奈米級的銅團簇，這些團簇的形成與合金的硬化密切相關。APT 技術可能是直觀觀測奈米團簇的尺寸、形狀和成分的最有效的技術。
圖 9 展示的是 APT 技術用於分析 Nb₃Sn 超導線材中的晶界偏析。圖中紅色和藍墨色分別為 Cu 和 Ti。右圖顯示的是晶界中 Cu 原子的分佈，上下等濃度面為 1.5%。可以看出，Cu 與 Ti 原子在晶界處有明顯的偏析現象。因此，通過 APT 技術分析晶界偏析，有助於理解和優化超導材料的微觀結構，從而提升其性能。
圖 10 展示的是 APT 技術用於研究抗輻射的高熵合金（High Entropy Alloy, HEA）。圖中顯示了不同元素的分佈情況。可以看出，隨著輻射劑量的增加，某些元素如 Cr 和 V 在材料中形成了奈米級的富集區，而其他元素如 Fe 和 Ni 則保持較為均勻的分佈。這些微觀結構的變化對 HEA 的機械性能和抗輻射性能有重要影響。APT 技術提供了對 HEA 中元素分佈和相互作用的深入理解，有助於設計更優秀的抗輻射材料。
