掃描電鏡能測(cè)出線寬的真實(shí)長度嗎？如何才能測(cè)準(zhǔn)？

大部分掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室對(duì)于納米尺寸的準(zhǔn)確測(cè)量，要求沒有那么嚴(yán)格，比如線寬或顆粒大小到底是105nm還是95nm，似乎不太重要，大部分用戶關(guān)心統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)而不是某一個(gè)值的準(zhǔn)確值。但在半導(dǎo)體領(lǐng)域，105nm或95nm的誤差，是不可接受的。這就提出了一個(gè)問題，我們?nèi)绾尾拍軠y(cè)準(zhǔn)？本文討論了SEM成像參數(shù)、儀器校準(zhǔn)以及電子束-樣品相互作用模型對(duì)準(zhǔn)確度的影響。

自掃描電子顯微鏡（SEM）問世以來，經(jīng)歷了巨大的演變，已成為許多科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域的重要研究工具。高分辨SEM特別適合定性和定量方面的應(yīng)用[1]，尤其是納米技術(shù)和納米制造。

在第一張SEM圖像被記錄之前，人們最先提出的問題之一很可能是："這個(gè)東西到底有多寬？"在過去的幾年里，這個(gè)問題的答案精度有了很大的提高，特別是如今CD-SEM已被用作半導(dǎo)體加工生產(chǎn)線上的主要測(cè)量工具，用于監(jiān)控生產(chǎn)過程。半導(dǎo)體生產(chǎn)的明確需求推動(dòng)了SEM設(shè)備及其功能的快速發(fā)展。在過去20年左右的時(shí)間里，通過半導(dǎo)體行業(yè)大量的研發(fā)資金投入，SEM儀器制造商極大地提高了這些儀器的性能，尤其是在使用SEM進(jìn)行定量測(cè)量時(shí)。但是，這些數(shù)據(jù)到底有多好或者多準(zhǔn)確？

SEM技術(shù)的發(fā)展

SEM廣泛應(yīng)用于科學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)研究以及制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。自20世紀(jì)50年代誕生和60年代作為商業(yè)產(chǎn)品問世以來，SEM經(jīng)歷了巨大的發(fā)展，成為許多應(yīng)用領(lǐng)域不可或缺的工具。

SEM性能和操作都有了許多改進(jìn)。**電子源從常規(guī)鎢燈絲到六硼化鑭，再發(fā)展到冷場和熱場電子槍，提供了更高的亮度和更好的儀器性能。**新的電磁透鏡和靜電透鏡的設(shè)計(jì)以及數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用，也使儀器的性能得到了提升。如今，自動(dòng)化程序、自動(dòng)對(duì)焦、自動(dòng)像散校正和數(shù)字成像等其他操作改進(jìn)，這些改進(jìn)總體上提高了SEM的整體性能，并使儀器更易于操作。但正因如此，使用該儀器的人可能會(huì)以為所有潛在的不準(zhǔn)確的隱患都已消除，他們相信在顯微照片上看到的一切總是準(zhǔn)確或正確的，但事實(shí)可能并非如此。

二次電子圖像的邊緣效應(yīng)

現(xiàn)代SEM顯示和記錄的圖像看似快速、實(shí)時(shí)。實(shí)際上，電子束是以典型的矩形（或正方形）"光柵"模式快速穿過樣品的。當(dāng)電子束穿過檢查區(qū)域時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幾種不同類型的信號(hào)，如透射電子、二次電子、背散射電子、特征X射線等。

如果配備了合適的電子探測(cè)器，就可以收集并顯示其中部分或全部信號(hào)。事實(shí)上，SEM可以同時(shí)顯示或記錄多個(gè)信號(hào)。無論選擇哪種信號(hào)，它都是電子束光柵式掃描圖案時(shí)與樣品相互作用產(chǎn)生的逐點(diǎn)信號(hào)。

收集和顯示的信號(hào)被稱為"二次"電子信號(hào)，形成典型的SEM圖像。如圖1(a)所示，二次電子信號(hào)中的"二次"特意用引號(hào)表示，因?yàn)樗梢允嵌鄠€(gè)成分的總和。

圖1 (a) 二次電子信號(hào)的圖示，以及可能對(duì)圖像產(chǎn)生影響的四種二次電子。(b) 邊緣信號(hào)增強(qiáng)的一種可能性推導(dǎo)圖示，顯示了SEM中邊緣物理位置的不確定性。

在圖像推導(dǎo)方面的第二個(gè)考慮因素是，根據(jù)被測(cè)材料的成分和入射電子束的著陸能量，電子束可以穿透樣品到一定的距離。高能電子在進(jìn)入樣品和離開樣品時(shí)都會(huì)產(chǎn)生信號(hào)（圖1(b)）。根據(jù)所觀察樣品的形貌，當(dāng)電子束接近邊緣時(shí)，會(huì)在這些形貌特征（如尖端、臺(tái)階等）處產(chǎn)生更多的二次電子信號(hào)。

所有這些信號(hào)，不管是有用的還是無關(guān)的，都會(huì)針對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行求和。如圖2所示，這是大多數(shù)二次電子圖像的特征（在隨后的顯微照片中也能觀察到邊緣增強(qiáng)）。邊緣信號(hào)增強(qiáng)也會(huì)隨探測(cè)器位置、樣品和其他儀器操作條件的不同而變化。

圖2 懸浮在網(wǎng)格上的碳納米管樣品的SEM圖，二次電子成像，顯示了邊緣增強(qiáng)效應(yīng)。

由于二次電子圖像的邊緣信號(hào)增強(qiáng)效應(yīng)會(huì)掩蓋樣品真正的邊緣位置，人們對(duì)此進(jìn)行了大量研究。邊緣位置的不確定可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)SEM圖像的許多解釋和測(cè)量出現(xiàn)錯(cuò)誤。在操作條件（著陸能量、信號(hào)選擇、傾斜度等）或信號(hào)選擇方面通?？梢宰龀鲈S多調(diào)整，如果操作人員能夠識(shí)別這些調(diào)整，通?？梢詫⑦@些影響降至最低。重要的是，要想獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，必須使用基于物理的建模方法來解釋。

儀器校準(zhǔn)

簡單地說，校準(zhǔn)是指將SEM的X和Y掃描電路調(diào)整為名義上以 1:1 的比例掃描，總體結(jié)果是圓形物體顯示為圓形，方形物體顯示為方形。如果不正確，圖像就會(huì)出現(xiàn)扭曲，出現(xiàn)長方形和橢圓形。此外，還必須確保"放大倍率"或水平視場寬（通常也稱為視場寬度或 FOV—field of view）正確。

水平視野寬度（HFW）是幾年前采用的一種常規(guī)方法，用于清楚的定義顯微照片上的圖像比例，以便于出版和展示。當(dāng)圖像在印刷過程中被縮小或放大，或投射到屏幕上的尺寸與原始校準(zhǔn)參考圖像的尺寸不同時(shí)，HFW尤其有用。在這種情況下，顯微照片字母數(shù)字上顯示的放大倍率通常是不正確和誤導(dǎo)性的，但HFW值保持不變，并且是正確的。

當(dāng)然，并非所有SEM儀器都會(huì)在圖片輸出HFW數(shù)值，但基本都會(huì)顯示線刻度，因此，HFW很容易計(jì)算。但應(yīng)注意的是，如果顯微鏡平臺(tái)在"Y"方向（即垂直方向）傾斜移動(dòng)和顯示，這時(shí)，視野寬度就成了問題，因?yàn)槿魏蝺A斜都有可能尺寸不準(zhǔn)確。因此，任何類似的"Y"向測(cè)量都必須在傾斜度為零的情況下進(jìn)行，這就是垂直場寬度。

精確校準(zhǔn)刻度，即HFW非常重要。SEM出廠時(shí)總是經(jīng)過一定程度的校準(zhǔn)。但是，即使它們的 HFW 在出廠時(shí)已經(jīng)校準(zhǔn)，SEM設(shè)備的設(shè)置也會(huì)隨著時(shí)間的推移而漂移。研究人員使用SEM放大率校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)樣品（RM）證明，精確的SEM放大率校準(zhǔn)和誤差分析是影響SEM成像和測(cè)量的重要問題。該研究結(jié)果還表明，許多SEM儀器校準(zhǔn)不當(dāng)，誤差會(huì)在10%到60%之間。

此外，在許多SEM儀器中，"X"掃描與"Y"掃描的校準(zhǔn)比例不是1:1，因此在這種情況下記錄的圓形顆粒會(huì)失真。在同一項(xiàng)研究中，還對(duì)同一實(shí)驗(yàn)室的多臺(tái)儀器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)存在嚴(yán)重差異。這意味著，除了使用其中一臺(tái)儀器所產(chǎn)生的固有數(shù)據(jù)誤差之外，當(dāng)使用另一臺(tái)儀器代替第一臺(tái)儀器時(shí)，誤差會(huì)更大。這種情況可能是多儀器實(shí)驗(yàn)室的常見問題，研究人員會(huì)根據(jù)時(shí)間安排，隨機(jī)使用其中某一臺(tái)儀器。

當(dāng)然，并非所有的實(shí)驗(yàn)室的研究數(shù)據(jù)都很糟糕。在一些實(shí)驗(yàn)室中，訓(xùn)練有素的操作人員要求儀器校準(zhǔn)精確，并且對(duì)儀器進(jìn)行例行測(cè)試，因此報(bào)告的誤差極小，完全在儀器的機(jī)械校準(zhǔn)能力范圍之內(nèi)。同時(shí)，使用合適的長度標(biāo)準(zhǔn)，如提供了許多附加結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)材料8820，也有助于準(zhǔn)確校準(zhǔn)SEM的掃描。

圖3 20mm×20mm的標(biāo)準(zhǔn)樣品8820的明視場光學(xué)顯微照片

圖4 標(biāo)準(zhǔn)材料 8820 螺距結(jié)構(gòu)的SEM圖

SEM計(jì)量/測(cè)量

如前所述，SEM是一種儀器，人們常常想當(dāng)然地認(rèn)為它是正確的，所產(chǎn)生的任何測(cè)量值也是正確的。在過去的幾年里，SEM的測(cè)量精度有了極大的提高，CD-SEM也已經(jīng)成為半導(dǎo)體加工生產(chǎn)線上監(jiān)控制造過程的主要工具之一。但是，事實(shí)還是會(huì)被掩蓋，我們必須小心謹(jǐn)慎。

使用任何科學(xué)儀器進(jìn)行定量測(cè)量，都需要比想象中更加謹(jǐn)慎和深入了解。定量測(cè)量所依據(jù)的物理原理必須在測(cè)量中得到充分理解和說明。例如，在光學(xué)中，必須克服衍射的影響；在掃描探針顯微鏡中，必須考慮掃描探針針尖的形狀；在SEM中，必須考慮測(cè)量信號(hào)的產(chǎn)生、電子束參數(shù)、樣品充電以及電子束與試樣的相互作用。如果不仔細(xì)檢查就認(rèn)為一切正常，很容易得出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

如今，使用SEM進(jìn)行的測(cè)量主要有三種，尤其是在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。如圖5所示，最簡單的是間距（或位移）測(cè)量，第二種是結(jié)構(gòu)寬度（臨界尺寸或線寬測(cè)量）。不久之后，第三種測(cè)量方式也將成為主流，即輪廓正三維（3D）測(cè)量，但三維或輪廓計(jì)量學(xué)仍處于發(fā)展階段。

圖5 RM8820放大100,000倍的SEM圖，標(biāo)準(zhǔn)間距為200nm(水平場寬=964 nm）。圖像下方的圖表說明了間距測(cè)量與寬度測(cè)量之間的區(qū)別。

4.1 間距測(cè)量

如果我們將兩條線分開一定的距離，那么測(cè)量第一條線的前緣到第二條線的前緣的距離就定義了間距或位移。間距測(cè)量中的一些系統(tǒng)誤差（由于振動(dòng)、電子束相互作用效應(yīng)等）在兩個(gè)前緣上都是相同的，這些誤差，包括試樣與電子束相互作用的影響，被認(rèn)為是可以忽略的。因此，與邊緣相關(guān)的誤差有相當(dāng)大的一部分不在用于計(jì)算間距的等式中。成功測(cè)量的主要標(biāo)準(zhǔn)是測(cè)量的兩條邊緣必須在所有方面都相似。平均多條線可以最大程度地減少校準(zhǔn)樣本中邊緣效應(yīng)造成的影響。使用精確的間距標(biāo)準(zhǔn)可以輕松完成SEM放大校準(zhǔn)。RM8820有許多間距結(jié)構(gòu)可用于此過程。

4.2 寬度測(cè)量

任何納米結(jié)構(gòu)、納米粒子或半導(dǎo)體線路的寬度測(cè)量都很復(fù)雜，因?yàn)樯鲜龅?strong>許多系統(tǒng)誤差現(xiàn)在都是相加的。因此，在測(cè)量中還包括來自兩個(gè)邊緣的邊緣檢測(cè)誤差。SEM的放大倍率不應(yīng)校準(zhǔn)為寬度測(cè)量值。寬度測(cè)量會(huì)將這些誤差加在一起，導(dǎo)致測(cè)量不確定性增加。

此外，由于電子束-樣品的相互作用效應(yīng)不同，這些誤差也因樣品而異。使測(cè)量更加復(fù)雜的是，每臺(tái)SEM都會(huì)因操作條件和電子收集特性而產(chǎn)生其特有的儀器效應(yīng)。實(shí)際上，通過這種測(cè)量方法，我們并不知道圖像中邊緣的準(zhǔn)確位置，更重要的是，不知道它是如何隨儀器條件而變化的。因此，基于寬度測(cè)量的校準(zhǔn)包含許多誤差成分，需要開發(fā)和使用電子束-試樣相互作用模型。

電子束-試樣相互作用的建模（蒙特卡洛）

SEM圖像并非樣品真實(shí)細(xì)節(jié)的完美再現(xiàn)，而是樣品、電子束和激發(fā)體積的近似卷積。此外，收集到的信號(hào)會(huì)被探測(cè)器和電子設(shè)備"塑造"。有些影響可以忽略不計(jì)，有些則會(huì)導(dǎo)致對(duì)這些數(shù)據(jù)的誤讀。電子束于樣品激發(fā)體積的大小通常遠(yuǎn)大于測(cè)量分辨率，而且直接取決于作為樣品和儀器參數(shù)（加速電壓）。因此，必須使用能準(zhǔn)確反映信號(hào)產(chǎn)生、獲取和處理的物理原理的模型。

起初，研究人員認(rèn)為電子顯微鏡比用光學(xué)顯微鏡觀察樣品更能準(zhǔn)確地描述樣品，原因很簡單，圖像的"分辨率"或清晰度要高得多。遺憾的是，情況并非如此。通過建模，可以更清楚地了解構(gòu)成并導(dǎo)致 SEM 成像和測(cè)量不確定性的眾多因素。建模至關(guān)重要，只有通過對(duì)整個(gè)測(cè)量過程建模，才能實(shí)現(xiàn)真正的尺寸精度。對(duì)于某些應(yīng)用來說，這一過程可能過于復(fù)雜或沒有必要，但要保證基于SEM的尺寸測(cè)量的準(zhǔn)確性，建模是必不可少的。

圖6 不同粗糙度振幅線條的模擬CD-SEM圖像

總結(jié)

校準(zhǔn)良好的現(xiàn)代CD-SEM儀器能夠進(jìn)行極高分辨率和高度精確的測(cè)量。由于對(duì)SEM進(jìn)行了許多改進(jìn)，可以使用適當(dāng)?shù)男?zhǔn)樣本以較高的置信度精確校準(zhǔn)放大倍率（或刻度）。測(cè)量精度一般可以達(dá)到或優(yōu)于0.2nm (1σ)，在半導(dǎo)體生產(chǎn)等許多應(yīng)用中，這樣的高精度已經(jīng)足夠。但在測(cè)量過程中往往有一些潛在誤區(qū)。

誤區(qū)1：SEM圖像的形成像標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡一樣，可以同時(shí)觀察和記錄整個(gè)領(lǐng)域。

真相1：SEM圖像是以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式形成的，記錄的是樣品掃描時(shí)產(chǎn)生的采集信號(hào)的調(diào)制。

誤區(qū)2：SEM圖像是所觀察樣品的真實(shí)再現(xiàn)。

真相2：由于電子束-樣品相互作用、原子序數(shù)差異、形貌和邊緣增強(qiáng)效應(yīng)會(huì)使二次電子圖像解讀復(fù)雜化，并掩蓋樣品的真實(shí)邊緣，從而增加測(cè)量的不確定性。

誤區(qū)3：顯微照片上顯示的放大倍率和線條刻度是長度尺寸的真實(shí)測(cè)量值。

真相3：不一定，掃描校準(zhǔn)對(duì)獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)至關(guān)重要，但用戶還必須檢查成像或顯示中使用的任何其他校準(zhǔn)，例如顯示圖像的字母數(shù)字校準(zhǔn)，通常這些校準(zhǔn)是相互獨(dú)立的。

對(duì)于成像和測(cè)量，了解造成誤差的因素至關(guān)重要。精度是準(zhǔn)確性的必要條件，但并不是充分條件。為了保證目前的準(zhǔn)確性，以及未來的準(zhǔn)確性，圖像和儀器建模至關(guān)重要。此外，建模還能揭示這些數(shù)據(jù)中大量未見的額外信息。要做到這一點(diǎn)，需要采用經(jīng)過測(cè)試和驗(yàn)證的基于物理學(xué)的電子束-樣品相互作用和信號(hào)生成模型。整個(gè)模型還必須考慮到電子設(shè)備、和可能的樣品充電效應(yīng)等。模型所模擬的圖像可以與SEM的實(shí)際圖像進(jìn)行比較。建模將揭示更多被測(cè)樣品的結(jié)構(gòu)和尺寸信息，并最終在不確定度水平上提供精確的測(cè)量結(jié)果。

審核編輯：劉清