“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(méi)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(wèn)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?！?/p>
自掃描電子顯微鏡(SEM)問(wèn)世以來(lái)，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。備注1：SEM定量方面應(yīng)用主要是在半導(dǎo)體行業(yè)的測(cè)量或計(jì)量。
在張SEM圖像被記錄之前，人們更先提出的問(wèn)題之一很可能是："......這個(gè)東西到底有多寬?"
在過(guò)去的幾年里，這個(gè)問(wèn)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(guò)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(guò)去20年左右的時(shí)間里，通過(guò)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。所有用戶都能從這些投資中受益匪淺，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 計(jì)量/測(cè)量
有人曾經(jīng)說(shuō)過(guò)："如果我想得到準(zhǔn)確的尺寸，我就把被測(cè)樣品交給SEM操作員。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(guò)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(guò)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(shuō)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(jiǎn)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(Orji 2011)。不過(guò)，由于三維或輪廓計(jì)量學(xué)仍處于發(fā)展階段，因此本文不對(duì)其進(jìn)行討論。
間距測(cè)量
如果我們將兩條線分開(kāi)一定的距離，那么測(cè)量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(Jensen，1980;Postek，1994)。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。
平均多條線可以更大程度地減少校準(zhǔn)樣本中邊緣效應(yīng)造成的影響。使用的間距標(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(guò)程;可根據(jù)要求提供計(jì)算間距的軟件程序(Postek，2010 )。
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)樯鲜龅脑S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(lái)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(guò)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。
上文提到的實(shí)驗(yàn)室間研究也證明，參與者報(bào)告的200 nm名義線寬的寬度測(cè)量值有的偏大了60%之多(Postek，1993)。造成這些結(jié)果的影響因素很多，尤其是用于解釋所獲圖像或數(shù)據(jù)的測(cè)量算法類型。因此，基于寬度測(cè)量的校準(zhǔn)包含許多誤差成分，需要開(kāi)發(fā)和使用電子束-試樣相互作用模型。
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。
