SEM专题 | 扫描电镜能测出线宽的真实长度吗？

“大部分扫描电镜实验室对于纳米尺寸的准确测量，要求没有那么严格，比如线宽或颗粒大小到底是105nm还是95nm，似乎不太重要，大部分用户关心统计趋势而不是某一个值的准确值。但在半导体领域，105nm或95nm的误差，是不可接受的。这就提出了一个问题，我们如何才能测准？本文讨论了SEM成像参数/仪器校准以及电子束-

样品相互作用模型对准确度的影响。”

自扫描电子显微镜（SEM）问世以来，经历了巨大的演变，已成为许多科学和工业领域的重要研究工具。高分辨SEM特别适合定性和定量方面的应用1，尤其是纳米技术和纳米制造。备注1：SEM

定量方面应用主要是在半导体行业的测量或计量。

在第一张SEM图像被记录之前，人们最先提出的问题之一很可能是："......这个东西到底有多宽？"

在过去的几年里，这个问题的答案精度有了很大的提高，特别是如今CD-SEM已被用作半导体加工生产线上的主要测量工具，用于监控生产过程。半导体生产的明确需求推动了SEM设备及其功能的快速发展。在过去20年左右的时间里，通过半导体行业大量的研发资金投入，SEM仪器制造商极大地提高了这些仪器的性能。所有用户都能从这些投资中受益匪浅，尤其是在使用SEM进行定量测量时。但是，这些数据到底有多好或者多准确？

本文讨论了与SEM成像和测量技术以及其涉及到的关键问题，每个用户在尝试任何重要的定量工作之前都应该了解和理解这些问题。

1  SEM技术发展

SEM广泛应用于科学、医学、工业研究以及制造业的各个领域。自20世纪50年代诞生和60年代作为商业产品问世以来，SEM经历了巨大的发展，成为许多应用领域不可或缺的工具。

SEM性能和操作都有了许多改进。电子源从常规钨灯丝到六硼化镧，再发展到冷场和热场电子枪，提供了更高的亮度和更好的仪器性能。新的电磁透镜和静电透镜的设计以及数字电子技术的应用，也使仪器的性能得到了提升。如今，自动化程序、自动对焦、自动像散校正和数字成像等其他操作改进，使曾经的核心且难掌握的功能，对用户而言，可以轻而易举应付。

这些改进总体上提高了SEM的整体性能，并使仪器更易于操作。但是，操作简便也助长了操作员的自满情绪。此外，对用户的友好功能也减少了对这些仪器进行更全面操作培训的需求。因此，这种总体的态度助长了这样一种观念，即认为SEM只是另一种昂贵的数码相机。

因此，使用该仪器的人可能会以为所有潜在的不准确的隐患都已消除，他们相信在显微照片上看到的一切总是准确或正确的。但事实可能并非如此。

2 我们将要讨论的问题

SEM是一种重要的科学仪器，因此必须小心谨慎，并牢记某些注意事项，就像使用任何科学仪器生成可靠的数据一样。这里，我们只讨论三个主要主题：第一个是图像的获取，第二个是仪器的校准，第三个是前两个领域如何影响使用 SEM 的计量（测量）。

显然，样品制备、污染沉积和充电效应仍然是关键问题，但它们并不是本文讨论的计量工作的主题。这些主题可在另一份文献中找到详细的介绍。（Damazo et al.2001）。

3 二次电子图像的边缘效应

现代SEM显示和记录的图像看似快速、实时。实际上，电子束是以典型的矩形（或正方形）"光栅"模式快速穿过样品的。当电子束穿过检查区域时，会产生几种不同类型的信号，如透射电子、二次电子、背散射电子、特征X射线等。

如果配备了合适的电子探测器，就可以收集并显示其中部分或全部信号。事实上，SEM可以同时显示或记录多个信号。无论选择哪种信号，它都是电子束光栅式扫描图案时与样品相互作用产生的逐点信号。

收集和显示的信号被称为"二次"电子信号，形成典型的SEM图像。如图1（a）所示，二次电子信号中的"二次"特意用引号表示，因为它可以是多个成分的总和（Peters，1982，1985）。不过，这并不是本文讨论的主题，因为其他一些出版物已经对此进行了详细介绍（Peters，1982，1985；Vladar和Postek，2009）。

图1 (a) 二次电子信号的图示，以及可能对图像产生影响的四种二次电子。(b) 边缘信号增强的一种可能性推导图示，显示了SEM

中边缘物理位置的不确定性。

在图像推导方面的第二个考虑因素是，根据被测材料的成分和入射电子束的着陆能量，电子束可以穿透样品到一定的距离。高能电子在进入样品和离开样品时都会产生信号（图1(b)）。根据所观察样品的形貌，当电子束接近边缘时，会在这些形貌特征（如尖端、台阶等）处产生更多的二次电子信号。

所有这些信号，不管是有用的还是无关的，都会针对该点进行求和。如图2所示，这是大多数二次电子图像的特征（在随后的显微照片中也能观察到边缘增强）。边缘信号增强也会随探测器位置、样品和其他仪器操作条件的不同而变化。

图2 悬浮在网格上的碳纳米管样品的SEM图，二次电子成像，显示了边缘增强效应

。

人们对二次电子图像的边缘信号增强效应进行了大量研究，因为它会掩盖样品真正的边缘位置（Postek，1984，1994；Postek，1988）。因此，边缘位置的不确定可能会导致对SEM图像的许多解释和任何测量出现错误。在操作条件（着陆能量、信号选择、倾斜度等）或信号选择方面通常可以做出许多调整，如果操作人员能够识别这些调整，通常可以将这些影响降至最低。重要的是，要想获得准确的测量结果，必须使用基于物理的建模方法来解释，下文将对此进行讨论。

4 仪器校准

简单地说，校准是指将SEM的 X 和 Y 扫描电路调整为名义上以 1:1 的比例扫描，总体结果是圆形物体显示为圆形，方形物体显示为方形。如果不正确，图像就会出现扭曲，出现长方形和椭圆形。此外，还必须确保"放大倍率"或水平视场宽（通常也称为视场宽度或 FOV—field of view）正确。

水平视野宽度（HFW）是几年前采用的一种常规方法，用于清楚的定义显微照片上的图像比例，以便于出版和展示（Boyde，1979）。当图像在印刷过程中被缩小或放大，或投射到屏幕上的尺寸与原始校准参考图像的尺寸不同时，HFW尤其有用。在这种情况下，显微照片字母数字上显示的放大倍率通常是不正确和误导性的，但HFW值保持不变，并且是正确的。

当然，并非所有SEM仪器都会在图片输出 HFW数值，但基本都会显示线刻度，因此，HFW很容易计算。但应注意的是，如果显微镜平台在"Y"方向（即垂直方向）倾斜移动和显示，这时，视野宽度就成了问题，因为任何倾斜都有可能尺寸不准确。因此，任何类似的"Y"向测量都必须在倾斜度为零的情况下进行，这就是垂直场宽度。

精确校准刻度，即HFW非常重要。SEM出厂时总是经过一定程度的校准。但是，即使它们的 HFW 在出厂时已经校准，SEM设备的设置也会随着时间的推移而漂移。Postekand Gettings在1995使用SEM放大率校准的标准样品（RM）证明，精确的SEM放大率校准和误差分析是影响SEM成像和测量的重要问题。该研究结果还表明，许多SEM仪器校准不当，误差会在10%到60%之间。

此外，在许多SEM仪器中，"X"扫描与"Y"扫描的校准比例不是1:1，因此在这种情况下记录的圆形颗粒会失真。在同一项研究中，还对同一实验室的多台仪器进行了测试，结果发现校准存在严重差异。这意味着，除了使用其中一台仪器所产生的固有数据误差之外，当使用另一台仪器代替第一台仪器时，误差会更大。这种情况可能是多仪器实验室的常见问题，研究人员会根据时间安排，随机使用其中某一台仪器。

当然，并非所有的实验室的研究数据都很糟糕。在一些实验室中，训练有素的操作人员要求仪器校准精确，并且对仪器进行例行测试，因此报告的误差极小，完全在仪器的机械校准能力范围之内。

使用合适的长度标准，比如标准材料8820 (http://www.nist.gov/srm/index.cfm)）有助于准确校准 SEM的扫描（图 3）。标准材料8820还可用于校准实验室中的光学显微镜、原子力显微镜和其他类似仪器，所有这些仪器都采用通用尺寸标准（Postek ，2010 ）。标准材料8820（芯片）上还提供了许多附加结构，如图 4（a）和（b）所示，此外还可用于测试仪器污染。

图 3. 整个20 毫米X20毫米的标准样品 8820的明视场光学显微照片。Postek（2010

）对该样品进行了更详细的描述。

图 4：（a 和 b）标准材料 8820 的螺距结构，SEM图。这些结构可用于校准同一参考材料的扫描电镜、原子力显微镜、高分辨力显微镜或光学显微镜。(水平视场宽度= 12.7

毫米）。

5 SEM 计量/测量

有人曾经说过："如果我想得到准确的尺寸，我就把被测样品交给SEM操作员。如前所述，SEM是一种仪器，人们常常想当然地认为它是正确的，所产生的任何测量值也是正确的。在过去的几年里，SEM的测量精度有了极大的提高，CD-SEM也已经成为半导体加工生产线上监控制造过程的主要工具之一。但是，事实还是会被掩盖，我们必须小心谨慎。

使用任何科学仪器进行定量测量，都需要比想象中更加谨慎和深入了解。定量测量所依据的物理原理必须在测量中得到充分理解和说明。例如，在光学中，必须克服衍射的影响；在扫描探针显微镜中，必须考虑扫描探针针尖的形状；在SEM中，必须考虑测量信号的产生、电子束参数、样品充电以及电子束与试样的相互作用。如果不仔细检查就认为一切正常，很容易得出错误的数据。

如今，使用SEM进行的测量主要有三种，尤其是在半导体制造领域。如图5所示，最简单的是间距（或位移）测量，第二种是结构宽度（临界尺寸或线宽测量）。不久之后，第三种测量方式也将成为主流，即轮廓正三维（3D）测量（Orji 2011）。不过，由于三维或轮廓计量学仍处于发展阶段，因此本文不对其进行讨论。

图5 RM8820 放大100,000 倍SEM图，标准间距为200nm(水平场宽=964 nm

）。图像下方的图表说明了间距测量与宽度测量之间的区别。

5.1 间距测量

如果我们将两条线分开一定的距离，那么测量第一条线的前缘到第二条线的前缘的距离就定义了间距或位移。间距测量中的一些系统误差（由于振动、电子束相互作用效应等）在两个前缘上都是相同的；这些误差，包括试样与电子束相互作用的影响，被认为是可以忽略的（Jensen，1980；Postek，1994）。因此，与边缘相关的误差有相当大的一部分不在用于计算间距的等式中。成功测量的主要标准是测量的两条边缘必须在所有方面都相似。

平均多条线可以最大程度地减少校准样本中边缘效应造成的影响。使用精确的间距标准可以轻松完成SEM放大校准。RM8820有许多间距结构可用于此过程；可根据要求提供计算间距的软件程序（Postek，2010 ）。

5.2 宽度测量

任何纳米结构、纳米粒子或半导体线路的宽度测量都很复杂，因为上述的许多系统误差现在都是相加的。因此，在测量中还包括来自两个边缘的边缘检测误差。SEM的放大倍率不应校准为宽度测量值。宽度测量会将这些误差加在一起，导致测量不确定性增加。

此外，由于电子束-样品的相互作用效应不同，这些误差也因样品而异。使测量更加复杂的是，每台SEM都会因操作条件和电子收集特性而产生其特有的仪器效应。实际上，通过这种测量方法，我们并不知道图像中边缘的准确位置，更重要的是，不知道它是如何随仪器条件而变化的。

上文提到的实验室间研究也证明，参与者报告的200 nm名义线宽的宽度测量值有的偏大了60%之多（Postek，1993）。造成这些结果的影响因素很多，尤其是用于解释所获图像或数据的测量算法类型。因此，基于宽度测量的校准包含许多误差成分，需要开发和使用电子束-试样相互作用模型。

6 电子束-试样相互作用的建模（蒙特卡洛）

SEM图像并非样品真实细节的完美再现，而是样品、电子束和激发体积的近似卷积。此外，收集到的信号会被探测器和电子设备"塑造"。在能量色散X射线EDS显微分析中，类似的效应也有详细记录（Newbury和Myklebust，2005 ）。

有些影响可以忽略不计，有些则会导致对这些数据的误读。电子束于样品激发体积的大小通常远大于测量分辨率，而且直接取决于作为样品和仪器参数（加速电压）。因此，必须使用能准确反映信号产生、获取和处理的物理原理的模型。

起初，SEM专家认为，电子显微镜比用光学显微镜观察样品更能准确地描述样品，原因很简单，图像的"分辨率"或清晰度要高得多。遗憾的是，情况并非如此。通过建模，可以更清楚地了解构成并导致 SEM 成像和测量不确定性的众多因素。建模至关重要，只有通过对整个测量过程建模，才能实现真正的尺寸精度。对于某些应用来说，这一过程可能过于复杂或没有必要，但要保证基于SEM的尺寸测量的准确性，建模是必不可少的

。

图6不同粗糙度振幅线条的模拟 CD-SEM 图像。输入参数为 H = 100 nm，W = 40nm，α = 3°和a= 6nm。(a)-(e): 粗糙度振幅的3σ从0到9 nm。电子束的能量为 1 keV。

7 总结

校准良好的现代CD-SEM仪器能够进行极高分辨率和高度精确的测量。由于对SEM进行了许多改进，可以使用适当的校准样本以较高的置信度精确校准放大倍率（或刻度）。测量精度一般可以达到或优于0.2nm (1σ)，在半导体生产等许多应用中，这样的高精度已经足够。

在本文中，我们试图让读者了解SEM技术员测量尺寸可能遇到的潜在误区，其中包括：

误区1：SEM图像的形成像标准光学显微镜一样，可以同时观察和记录整个领域。真相1：SEM图像是以点对点的方式形成的，记录的是样品扫描时产生的采集信号的调制。

误区2：SEM图像是所观察样品的真实再现。真相2：由于电子束-样品相互作用、原子序数差异、形貌和边缘增强效应会使二次电子图像解读复杂化，并掩盖样品的真实边缘，从而增加测量的不确定性。

误区3：显微照片上显示的放大倍率和线条刻度是长度尺寸的真实测量值。

真相3：不一定，扫描校准对获得准确数据至关重要，但用户还必须检查成像或显示中使用的任何其他校准，例如显示图像的字母数字校准--通常这些校准是相互独立的。

对于成像和测量，了解造成误差的因素至关重要。精度是准确性的必要条件，但并不是充分条件。为了保证目前的准确性，以及未来的准确性，图像和仪器建模至关重要。

建模对于从采集的图像中确定实际结构至关重要。此外，建模还能揭示这些数据中大量未见的额外信息。要做到这一点，需要采用经过测试和验证的基于物理学的电子束-样品相互作用和信号生成模型。整个模型还必须考虑到电子设备、和可能的样品充电效应等。模型所模拟的图像可以与SEM的实际图像进行比较。建模将揭示更多

被测样品的结构和尺寸信息，并最终不确定度水平上提供精确的测量结果。

参考资料：

1 Michael T Postek 1 , András E Vladár.Does your SEM really tell the truth?--How would you know? Part 1  Scanning. 2013  DOI: 10.1002/sca.21075

2 Li Y G , Mao S F , Ding Z J .Monte Carlo Simulation of SEM and SAM Images[M].InTech,2011.