關鍵尺寸掃描電鏡（CD-SEM）技術解讀

計量學是(shì)推動當前及未來(lái)幾代半導體器件開發與制造的(de)重要(yào / yāo)基石。随着技術節點不(bù)斷縮小至100納米，甚至更小的(de)線寬，以(yǐ)及高深寬比結構的(de)廣泛應用，掃描電子(zǐ)顯微鏡（SEM）憑借其高分辨率和(hé / huò)多功能性，依然在(zài)全球半導體制造的(de)多個(gè)階段中占據核心地(dì / de)位。

相比于(yú)當前依賴光學顯微鏡的(de)測量技術，SEM展現出(chū)更卓越的(de)分辨率與檢測能力，同時(shí)相比掃描探針技術（SPM），在(zài)處理速度上(shàng)具有顯著優勢。此外，SEM提供了(le／liǎo)多種分析模式，每種模式針對特定類型的(de)樣品、器件或電路，能夠揭示其物理、化學及電學特性，提供獨特而(ér)詳細的(de)信息。

1 CD-SEM的(de)基本結構

無論是(shì)實驗室通用型還是(shì)用于(yú)集成電路結構和(hé / huò)尺寸測量的(de)專用設備，SEM的(de)基本工作原理基本一(yī / yì ／yí)緻。SEM之(zhī)所以(yǐ)得名，是(shì)因爲(wéi / wèi)它利用細聚焦的(de)電子(zǐ)束，以(yǐ)精确的(de)光栅掃描模式（通常爲(wéi / wèi)矩形或正方形）逐點掃描樣品表面。

SEM的(de)電子(zǐ)束來(lái)自電子(zǐ)源，通常在(zài)0.2千伏到(dào)30千伏的(de)加速電壓下運行。在(zài)半導體生産中，CD-SEM多在(zài)0.4千伏至1千伏的(de)電壓範圍内工作。電子(zǐ)束沿鏡筒向下，通過一(yī / yì ／yí)個(gè)或多個(gè)電子(zǐ)光學聚光鏡被縮小，其直徑從幾微米逐漸收縮到(dào)納米量級。

操作者通過調整加速電壓和(hé / huò)聚光鏡縮小程度，根據樣品特性、分辨率需求和(hé / huò)放大(dà)倍數，優化電子(zǐ)束成像效果。最終，當電子(zǐ)束撞擊樣品時(shí)，其直徑約爲(wéi / wèi)幾納米。

SEM中受控的(de)掃描線圈偏轉電子(zǐ)束，使其以(yǐ)光栅模式掃描樣品表面。這(zhè)種掃描與顯示屏的(de)偏轉同步，從而(ér)将樣品生成的(de)信号逐點顯示和(hé / huò)記錄。放大(dà)倍數由掃描區域大(dà)小決定，樣品上(shàng)一(yī / yì ／yí)個(gè)像素所代表的(de)區域越小，有效放大(dà)倍數越高。因此，正确的(de)光栅掃描校準對于(yú)精确測量至關重要(yào / yāo)。SEM能夠實現極高的(de)分辨率和(hé / huò)放大(dà)倍數，而(ér)傳統光鏡因衍射限制，最佳分辨率僅爲(wéi / wèi)0.25-0.5微米。 

圖1 CD-SEM結構示意圖

 

圖1展示了(le／liǎo)典型“自上(shàng)而(ér)下”設計的(de)SEM，這(zhè)種優化設計适合高效觀測平面結構，但樣品不(bù)能傾斜。一(yī / yì ／yí)些實驗室型和(hé / huò)缺陷檢測型儀器允許樣品傾斜，适用于(yú)觀察側壁結構、橫截面信息以(yǐ)及優化X射線采集。一(yī / yì ／yí)些現代儀器甚至能夠生成樣品的(de)立體圖像。

與光鏡相比，SEM的(de)景深更大(dà)（約爲(wéi / wèi)光鏡的(de)100-500倍），使其在(zài)高放大(dà)倍數下能清晰呈現粗糙表面的(de)顯微圖像。然而(ér)，對于(yú)某些高縱橫比的(de)半導體結構，其景深仍可能不(bù)足。另一(yī / yì ／yí)個(gè)重要(yào / yāo)特性是(shì)SEM的(de)等焦性：操作者可在(zài)高放大(dà)倍數下完成對焦和(hé / huò)像散校正，降低放大(dà)倍數後圖像依然保持清晰。

爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)有效傳播電子(zǐ)束，SEM鏡筒需保持高真空狀态，因爲(wéi / wèi)在(zài)空氣中的(de)電子(zǐ)傳輸距離有限。真空水平由儀器設計決定，通常采用離子(zǐ)泵、擴散泵或渦輪分子(zǐ)泵來(lái)維持真空。在(zài)實驗室應用中，新型低真空設計允許觀察更多樣的(de)樣品類型，但尚未在(zài)半導體生産中普及，這(zhè)種設計或将在(zài)未來(lái)迎來(lái)更廣泛的(de)應用。

2 CD-SEM的(de)電子(zǐ)信号

當高能電子(zǐ)束與固體樣品發生相互作用時(shí)，會在(zài)樣品的(de)相互作用區域内生成多種信号。這(zhè)些信号能夠被SEM收集、分析并用于(yú)成像。

在(zài)SEM中，最常用的(de)信号類型是(shì)二次電子(zǐ)（Secondary Electrons, SE）和(hé / huò)背散射電子(zǐ)（Backscattered Electrons, BSE）。圖2顯示了(le／liǎo)它們的(de)強度分布特點。

圖2 SEM中典型信号的(de)強度分布

 

信号的(de)形成區域受以(yǐ)下因素影響：1入射電子(zǐ)束的(de)加速電壓決定了(le／liǎo)電子(zǐ)的(de)穿透深度和(hé / huò)相互作用範圍。2樣品成分會影響信号強度及生成機制。3樣品幾何形狀決定了(le／liǎo)電子(zǐ)的(de)散射路徑和(hé / huò)探測器的(de)捕獲效率。當相互作用區域内産生的(de)信号穿透樣品表面，并由适當的(de)收集和(hé / huò)顯示設備捕獲後，可用于(yú)生成高分辨率的(de)樣品圖像，實現物理、化學及結構信息的(de)提取。

2.1 電子(zǐ)射程

即使在(zài)較低加速電壓下，入射電子(zǐ)束仍然能夠穿透樣品一(yī / yì ／yí)定距離，形成相互作用體積。因此，理解并量化這(zhè)一(yī / yì ／yí)相互作用區域對于(yú)分析信号來(lái)源至關重要(yào / yāo)。

電子(zǐ)射程代表了(le／liǎo)電子(zǐ)在(zài)樣品中的(de)最大(dà)穿透深度。由于(yú)低加速電壓下電子(zǐ)與樣品的(de)相互作用機制複雜，目前尚無通用方程能完全準确地(dì / de)預測電子(zǐ)在(zài)材料中的(de)運動軌迹。不(bù)過，近年來(lái)針對這(zhè)一(yī / yì ／yí)問題的(de)研究取得了(le／liǎo)顯著進展。Kanaya和(hé / huò)Okayama提出(chū)的(de)一(yī / yì ／yí)種表達式對低原子(zǐ)量元素和(hé / huò)低加速電壓條件下的(de)電子(zǐ)射程提供了(le／liǎo)較準确的(de)近似計算。

圖3展示了(le／liǎo)5千電子(zǐ)伏（5 keV）及800電子(zǐ)伏（800 eV）條件下，電子(zǐ)在(zài)光刻膠層中的(de)計算軌迹。射程界限被視爲(wéi / wèi)類似“材料的(de)連續層”，近似代表電子(zǐ)作用範圍。

圖3 高加速電壓(5 kV)(左)和(hé / huò)低加速電壓(800 V)(右)的(de)蒙特卡洛電子(zǐ)軌迹圖。

 

此外，在(zài)多面幾何結構樣品中，較高加速電壓的(de)電子(zǐ)會沿着更複雜的(de)路徑運動，可能多次穿透和(hé / huò)離開樣品表面。這(zhè)種複雜性顯著增加了(le／liǎo)精确建模的(de)難度。

2.2 二次電子(zǐ)（SE）

在(zài)CD-SEM中，SE是(shì)最常用的(de)信号，其在(zài)SEM圖像中占主要(yào / yāo)比例。二次電子(zǐ)主要(yào / yāo)由主電子(zǐ)束與樣品表面前幾納米範圍内的(de)相互作用産生。它們的(de)逃逸深度因加速電壓和(hé / huò)樣品材料原子(zǐ)序數而(ér)異：對金屬材料，約爲(wéi / wèi)2-10納米。對非導體，約爲(wéi / wèi)5-50納米。此外，背散射電子(zǐ)離開樣品表面，或與樣品室内壁發生碰撞時(shí)，也(yě)會産生二次電子(zǐ)。

二次電子(zǐ)能量範圍一(yī / yì ／yí)般在(zài)1-50電子(zǐ)伏特（eV）之(zhī)間。由于(yú)其低能量，二次電子(zǐ)隻能從樣品極淺表層逃逸，因此攜帶着高分辨率的(de)表面特征信息。在(zài)低加速電壓下，二次電子(zǐ)易于(yú)收集，信号強度明顯高于(yú)其他(tā)類型的(de)電子(zǐ)信号，适合用于(yú)表面形貌的(de)精确檢測。

圖4 光刻膠的(de)掃描電鏡圖像

 

實際上(shàng)，二次電子(zǐ)信号并不(bù)完全來(lái)源于(yú)主電子(zǐ)束與樣品的(de)直接相互作用。研究表明，遠程生成電子(zǐ)（能量小于(yú)50 eV）的(de)數量遠超于(yú)入射電子(zǐ)束直接作用産生的(de)電子(zǐ)（多達3倍）。由于(yú)電子(zǐ)散射的(de)作用，一(yī / yì ／yí)部分二次電子(zǐ)可來(lái)源于(yú)入射電子(zǐ)束撞擊位置以(yǐ)外的(de)區域，這(zhè)使得信号的(de)來(lái)源更加複雜。

二次電子(zǐ)信号來(lái)源複雜，它是(shì)由多種相互作用機制共同生成的(de)，具體可以(yǐ)分爲(wéi / wèi)四種主要(yào / yāo)信号來(lái)源：SE-1：入射電子(zǐ)束首次與樣品直接相互作用時(shí)，在(zài)表面産生的(de)二次電子(zǐ)。SE-2：背散射電子(zǐ)（BSE）在(zài)離開樣品表面時(shí)産生的(de)二次電子(zǐ)。

SE-3：背散射電子(zǐ)經過多次相互作用（包括與樣品其他(tā)結構或儀器内部部件的(de)碰撞）生成的(de)二次電子(zǐ)。SE-4：來(lái)自電子(zǐ)光學鏡筒中雜散電子(zǐ)的(de)二次電子(zǐ)。如圖5所示，這(zhè)也(yě)是(shì)二次電子(zǐ)信号建模複雜且具有挑戰性的(de)原因之(zhī)一(yī / yì ／yí)。

圖5 典型實驗室SEM中四種可能的(de)二次電子(zǐ)産生方式的(de)示意圖

 

根據Peters的(de)實驗測量數據（以(yǐ)金的(de)晶體爲(wéi / wèi)例），二次電子(zǐ)圖像中各組分的(de)貢獻比例如下：SE-1約占10%。SE-2約占30%。SE-3占主要(yào / yāo)比例，約爲(wéi / wèi)60%。标準的(de)Everhart-Thornley探測器無法區分這(zhè)些不(bù)同來(lái)源的(de)電子(zǐ)，因此最終收集的(de)信号是(shì)所有這(zhè)些來(lái)源的(de)綜合結果。

由于(yú)二次電子(zǐ)信号形成機制複雜且依賴多種因素，其一(yī / yì ／yí)緻性和(hé / huò)準确性容易受到(dào)以(yǐ)下因素幹擾：樣品相關因素，如成分、幾何形狀的(de)不(bù)同。儀器相關因素，例如儀器内部的(de)幾何結構或探測器的(de)收集場異常（如載物台運動）。信号高變性，二次電子(zǐ)的(de)複雜來(lái)源及其與儀器設計的(de)強依賴性，使其極難被精确建模。

這(zhè)種信息的(de)不(bù)确定性，可能導緻計量學中對關鍵尺寸（CD）的(de)結果解讀出(chū)現偏差。因此，在(zài)分析二次電子(zǐ)信号時(shí)，需特别關注可能存在(zài)的(de)誤差來(lái)源，并根據具體樣品和(hé / huò)設備條件做出(chū)優化。

2.3 二次電子(zǐ)的(de)收集

在(zài)SEM中，二次電子(zǐ)信号的(de)檢測通常依賴專門設計的(de)探測器設備，這(zhè)些探測器決定了(le／liǎo)信号收集的(de)效率和(hé / huò)圖像質量。最常見的(de)閃爍體式探測器，由Everhart和(hé / huò)Thornley設計，也(yě)叫Everhart-Thornley（E/T）探測器，該探測器配備正偏壓收集器，以(yǐ)吸引低能量的(de)二次電子(zǐ)，提高信号采集效率。也(yě)包括商業型号衆多的(de)鏡筒内探測器，比如Inlens探測器，T2探測器，TLD探測器，UP探測器等。也(yě)有其他(tā)探測器，例如微通道(dào)闆探測器，這(zhè)是(shì)一(yī / yì ／yí)種高靈敏度的(de)探測器類型，适用于(yú)特定高分辨率應用。

由于(yú)二次電子(zǐ)的(de)能量較低，其軌迹很容易受到(dào)局部電場和(hé / huò)磁場的(de)幹擾，因此探測器的(de)設計和(hé / huò)安裝影響至關重要(yào / yāo)：1探測器位置及電勢，收集效率直接與探測器的(de)物理位置及樣品周圍電場的(de)分布相關。2與樣品幾何形狀的(de)關系，位置不(bù)合理的(de)探測器可能導緻信号收集的(de)不(bù)對稱性，尤其是(shì)用于(yú)檢測窄垂直結構（如光刻膠線）時(shí)。

偏軸角度安裝的(de)探測器在(zài)一(yī / yì ／yí)些實驗室儀器中較爲(wéi / wèi)常見，這(zhè)種配置可能導緻對樣品特征邊緣檢測的(de)不(bù)對稱性。比如，窄垂直結構的(de)左右側可能表現出(chū)不(bù)同的(de)信号強度和(hé / huò)形态，影響輪廓的(de)對稱性。此外，CD的(de)準确測量還涉及儀器電學系統引入的(de)噪聲，樣品與電子(zǐ)束相互作用的(de)非對稱性或樣品本身的(de)不(bù)均勻性。

2.4 背散射電子(zǐ)（BSE）

BSE是(shì)指在(zài)樣品中發生彈性或非彈性碰撞後，以(yǐ)能量大(dà)于(yú)50 eV發射出(chū)的(de)電子(zǐ)。這(zhè)些電子(zǐ)具有獨特的(de)物理特性，在(zài)成像和(hé / huò)表征中發揮着重要(yào / yāo)作用。

背散射電子(zǐ)的(de)特點：1高能量組成：背散射電子(zǐ)的(de)能量通常接近入射電子(zǐ)束的(de)入射能量。例如：30 keV的(de)入射電子(zǐ)束可産生能量範圍在(zài)24-30 keV的(de)背散射電子(zǐ)。1 keV的(de)入射電子(zǐ)束則對應約1 keV的(de)BSE。高能背散射電子(zǐ)信号不(bù)僅可以(yǐ)直接被探測器收集成像，也(yě)可能與樣品或樣品室繼續相互作用，産生其他(tā)信号。2方向性：由于(yú)較高的(de)能量，BSE具有較強的(de)方向性，不(bù)易受到(dào)周圍電場的(de)幹擾。當BSE進入視線範圍并擊中E/T探測器時(shí)，會間接對二次電子(zǐ)圖像産生影響。

影響背散射電子(zǐ)信号的(de)因素：1樣品化學成分：不(bù)同材料的(de)BSE産額依賴于(yú)其原子(zǐ)序數，意味着BSE可以(yǐ)用于(yú)區分樣品的(de)化學組成。2加速電壓：在(zài)約5 kV以(yǐ)上(shàng)，BSE信号與加速電壓關系較弱，但較低電壓時(shí)可能更敏感。3 探測器和(hé / huò)樣品幾何：探測器位置及樣品的(de)傾斜角度會顯著影響BSE的(de)收集效率和(hé / huò)信号質量。

背散射電子(zǐ)的(de)優勢：1抗表面充電能力：背散射電子(zǐ)因其高能量，受表面電荷幹擾的(de)程度遠低于(yú)二次電子(zǐ)。這(zhè)使得它在(zài)檢測未塗層樣品或表面容易充電的(de)材料時(shí)表現出(chū)色。2優化成像技術：通過調整樣品的(de)傾斜角度和(hé / huò)探測器的(de)偏壓，可以(yǐ)更有效地(dì / de)檢測未塗層樣品，解決通常受表面充電限制的(de)觀察問題。

2.5 背散射電子(zǐ)的(de)收集

BSE從樣品表面向多個(gè)方向發射，但其分布在(zài)半球空間中并不(bù)均勻。由于(yú)其高能量和(hé / huò)直線軌迹，探測器必須精确地(dì / de)放置在(zài)能夠截獲BSE路徑的(de)位置以(yǐ)确保有效收集。

爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)有效探測背散射電子(zǐ)，可使用以(yǐ)下類型的(de)探測器：1 固态二極管探測器：利用BSE的(de)高能量直線性設計，能夠高效收集表面産生的(de)信号。2 微通道(dào)闆探測器：多功能、高靈敏度探測器，适用于(yú)更複雜的(de)應用場景。3 閃爍體探測器：專爲(wéi / wèi)背散射電子(zǐ)設計，能夠通過優化放置位置截獲BSE路徑，大(dà)多設計在(zài)鏡筒内。

探測器的(de)尺寸、幾何位置及其相對樣品的(de)擺放方式會顯著影響采集到(dào)的(de)信号：偏置探測器可能導緻圖像的(de)不(bù)均勻性，甚至影響測量精度。仔細分析探測器的(de)特性（如靈敏度、收集角度）及其與樣品的(de)關系，對于(yú)準确解讀BSE信号尤爲(wéi / wèi)重要(yào / yāo)。

BSE還可以(yǐ)采用能量過濾探測器進行檢測，這(zhè)些探測器具有獨特的(de)優勢：

1能量過濾能隔離那些與樣品相互作用程度較低的(de)電子(zǐ)（低損耗電子(zǐ)）。這(zhè)些電子(zǐ)的(de)信号通常産生于(yú)樣品體積的(de)較淺層，因而(ér)提供了(le／liǎo)更高分辨率的(de)信息。在(zài)低加速電壓下，能量過濾探測器已被廣泛成功應用，盡管可能面臨信噪比的(de)限制。

2建模優勢，能量過濾探測器的(de)已知輸入參數使電子(zǐ)束與樣品的(de)相互作用建模更加直觀有序，有助于(yú)精确開發關鍵尺寸（CD）計量學标準。

3  CD-SEM計量學

在(zài)1987年的(de)一(yī / yì ／yí)篇關于(yú)SEM計量學的(de)綜述中，當時(shí)使用的(de)主要(yào / yāo)電子(zǐ)源爲(wéi / wèi)熱發射型陰極，其中尤以(yǐ)常規發夾鎢絲和(hé / huò)六硼化镧（LaB6）爲(wéi / wèi)代表。而(ér)當時(shí)SEM光學鏡筒的(de)設計較爲(wéi / wèi)簡單，CD-SEM的(de)計量學應用剛剛起步，這(zhè)些設備實際上(shàng)是(shì)通過實驗室儀器改裝而(ér)來(lái)。

現代SEM設計中的(de)諸多重要(yào / yāo)變化和(hé / huò)技術進步。特别是(shì)以(yǐ)下兩個(gè)方面的(de)升級：場發射電子(zǐ)槍的(de)廣泛應用，大(dà)幅提高了(le／liǎo)電子(zǐ)束亮度和(hé / huò)分辨率。改進物鏡設計的(de)引入，增強了(le／liǎo)電子(zǐ)束的(de)聚焦能力和(hé / huò)成像質量。讀者可以(yǐ)參考相關研究文章，了(le／liǎo)解這(zhè)些發展對SEM計量學的(de)深遠影響。表1對CD-SEM的(de)一(yī / yì ／yí)些關鍵特性和(hé / huò)主要(yào / yāo)技術要(yào / yāo)求進行了(le／liǎo)總結。

表1 早期典型CD-SEM計量儀器規格

參數	規格
最小可測特征尺寸	< 0.1 μm
圖像分辨率（@1 kV）	< 4 nm
加速電壓範圍	通用型：0.5-30 kV
	在(zài)線型：0.5-2.5 kV
放大(dà)倍數	100×-500,000×
晶圓尺寸處理能力	300 mm
清潔度	≪ 1個(gè)粒子(zǐ)/道(dào)次
平均故障間隔時(shí)間	≫ 1000小時(shí)
可用性	> 95%
3σ重複性（線和(hé / huò)間距）	靜态 < 2 nm

 

3.1 低加速電壓檢測和(hé / huò)計量

低加速電壓操作目前對半導體工業的(de)生産和(hé / huò)制造非常重要(yào / yāo)。在(zài)低加速電壓(200 V至2.5 kV)下，可以(yǐ)以(yǐ)非破壞性方式檢查在(zài)制晶圓。随着納米幾何尺寸的(de)出(chū)現，對許多加工步驟進行在(zài)線檢查變得勢在(zài)必行。使用渦輪分子(zǐ)泵和(hé / huò)離子(zǐ)泵的(de)現代清潔真空技術能夠實現幾乎無污染的(de)檢查，以(yǐ)篩查晶圓的(de)适當顯影、對準、蝕刻、光刻膠去除，以(yǐ)及在(zài)下一(yī / yì ／yí)個(gè)加工步驟之(zhī)前是(shì)否存在(zài)可見污染物。

低加速電壓操作不(bù)僅限于(yú)晶圓制造，光掩模檢查也(yě)可以(yǐ)在(zài)SEM中進行。光掩模中的(de)缺陷，無論是(shì)随機的(de)還是(shì)重複的(de)，都是(shì)器件制造中産率損失的(de)來(lái)源。缺陷可能出(chū)現在(zài)玻璃、光刻膠或鉻中，表現爲(wéi / wèi)針孔、橋接、玻璃斷裂、突起、溶劑斑點、凹陷，甚至缺失幾何特征。許多爲(wéi / wèi)半導體工業開發的(de)技術正在(zài)其他(tā)領域得到(dào)應用，如聚合物工業和(hé / huò)生物應用。

目前，所有關鍵尺寸（CD）計量學都在(zài)“非破壞性”條件下進行。所謂非破壞性，指的(de)是(shì)樣品在(zài)放入SEM之(zhī)前不(bù)會發生物理改變，且SEM檢測的(de)過程不(bù)會損壞樣品的(de)後續功能或使用價值。

在(zài)此之(zhī)前，掃描電鏡通常使用20-30千伏的(de)高加速電壓以(yǐ)優化圖像分辨率和(hé / huò)信噪比。然而(ér)，這(zhè)種高電壓操作存在(zài)幾大(dà)不(bù)足：對于(yú)非導電樣品，需在(zài)其表面鍍上(shàng)一(yī / yì ／yí)層金等導電材料，以(yǐ)增強信号并提供接地(dì / de)通路。儀器隻能容納尺寸較小的(de)樣品，導緻半導體行業常用的(de)大(dà)面積晶圓在(zài)檢測前必須被分割。尤其是(shì)後者，每次加工過程需犧牲昂貴的(de)晶圓樣品，這(zhè)種方法随着晶圓尺寸增大(dà)而(ér)變得更加不(bù)可行。

如今，生産過程中的(de)在(zài)線檢測要(yào / yāo)求操作過程完全非破壞性，樣品無需鍍層且保持完整無損。這(zhè)一(yī / yì ／yí)需求推動了(le／liǎo)掃描電鏡以(yǐ)下技術的(de)革新：1場發射源，提高了(le／liǎo)低加速電壓的(de)性能。2大(dà)腔室設計，支持更大(dà)樣品（如整片晶圓）的(de)檢測。3改進透鏡技術，增強聚焦能力和(hé / huò)成像精度。4清潔抽氣系統與數字幀存儲，提升了(le／liǎo)設備整體性能與數據管理效率。這(zhè)種現代化的(de)技術改進背後，半導體行業一(yī / yì ／yí)直是(shì)核心驅動力。

高能電子(zǐ)可能會對敏感器件造成物理損傷，這(zhè)是(shì)在(zài)線檢測的(de)一(yī / yì ／yí)大(dà)潛在(zài)問題。低加速電壓操作正在(zài)成爲(wéi / wèi)解決這(zhè)一(yī / yì ／yí)問題的(de)重要(yào / yāo)手段，通常定義爲(wéi / wèi)加速電壓低于(yú)2.5千伏（通常在(zài)0.4至1.2千伏範圍）。

低加速電壓操作的(de)主要(yào / yāo)優勢有：1減少樣品損傷，低能電子(zǐ)束穿透距離短，對光刻膠等材料的(de)敏感層影響更小；2電荷積累風險更低，更适合非破壞性評估。3優化信号強度，低能電子(zǐ)束在(zài)樣品表面附近産生更多二次電子(zǐ)，這(zhè)些電子(zǐ)更容易逃逸并被收集，從而(ér)提高圖像質量。4精确控制加速電壓和(hé / huò)束能量，在(zài)非破壞性檢測中至關重要(yào / yāo)。

加速電壓需保持在(zài)入射電子(zǐ)束的(de)最小實用值，例如200伏至2.5千伏範圍内。理想操作條件常需逐步調整加速電壓，步長可小至10伏。這(zhè)種調節方式可以(yǐ)使得無用的(de)帶電圖像轉變爲(wéi / wèi)有用的(de)樣品信息圖像。此外，加速電壓的(de)小幅調整（如僅改變100伏）或樣品的(de)輕微傾斜，可能顯著影響成像結果。例如，不(bù)同光刻膠樣品的(de)導電性質多變，因此，低加速電壓的(de)成功應用需要(yào / yāo)深刻理解樣品的(de)電性能及其變化趨勢。最近研究表明，樣品的(de)位置、襯底的(de)性質以(yǐ)及光刻膠的(de)類型和(hé / huò)厚度都會影響理想加速電壓的(de)選擇。

3.2 總電子(zǐ)發射

總電子(zǐ)發射是(shì)指從樣品中發射的(de)電子(zǐ)總數（标記爲(wéi / wèi)δ），其行爲(wéi / wèi)對非破壞性、低加速電壓操作中的(de)成像和(hé / huò)樣品表征至關重要(yào / yāo)。圖6和(hé / huò)圖7分别展示了(le／liǎo)總電子(zǐ)發射的(de)行爲(wéi / wèi)曲線及其在(zài)絕緣樣品成像中的(de)應用。

圖6 用于(yú)無損SEM計量和(hé / huò)檢測的(de)典型總電子(zǐ)發射曲線。E1和(hé / huò)E2表示樣品上(shàng)預期不(bù)會發生充電的(de)點 

 

圖7 未塗層光刻膠的(de)低加速電壓圖像

 

總電子(zǐ)發射曲線與單位線相交的(de)點（E1和(hé / huò)E2）顯示了(le／liǎo)樣品沒有淨電荷積累的(de)條件，即發射電子(zǐ)數剛好等于(yú)入射電子(zǐ)數。絕緣樣品（如光刻膠或二氧化矽）在(zài)電子(zǐ)束輻照下可能會吸收束電子(zǐ)并産生負電荷，從而(ér)降低入射電子(zǐ)束的(de)實際入射能量。例如，如果入射電子(zǐ)束能量爲(wéi / wèi)2.4 keV，而(ér)樣品的(de)E2點爲(wéi / wèi)2 keV，樣品将生成約-0.4 keV的(de)負電位，迫使入射能量降至E2點。負電荷積累可能對電子(zǐ)束産生不(bù)利影響，降低圖像質量，甚至導緻信号丢失。

當主電子(zǐ)束操作點處于(yú)E1和(hé / huò)E2之(zhī)間時(shí)，樣品可能發射的(de)電子(zǐ)多于(yú)入射電子(zǐ)，從而(ér)帶正電。正電荷的(de)影響較小，通常局限在(zài)幾伏範圍内。然而(ér)，這(zhè)可能抑制低能二次電子(zǐ)的(de)持續發射，減少被探測器收集的(de)信号量。

總之(zhī)， 操作點越接近單位産額點（E1和(hé / huò)E2），樣品的(de)充電效應越小，從而(ér)得到(dào)更高質量的(de)成像。

不(bù)同材料有各自的(de)總發射曲線，因此需要(yào / yāo)在(zài)所有樣品材料的(de)E1和(hé / huò)E2點之(zhī)間找到(dào)一(yī / yì ／yí)個(gè)折中電壓值。對大(dà)多數材料而(ér)言，0.2-1 keV的(de)加速電壓範圍通常能有效減少充電效應，并将器件損傷降到(dào)最低。另外，增大(dà)樣品傾斜通常會将E2點移向更高的(de)加速電壓值，這(zhè)有助于(yú)優化操作條件。

總電子(zǐ)信号的(de)形成機制非常複雜，主要(yào / yāo)受以(yǐ)下因素的(de)綜合影響：1電子(zǐ)束着陸能量：入射電子(zǐ)束的(de)能量直接決定了(le／liǎo)發射電子(zǐ)的(de)數量和(hé / huò)其動能特性。2發射電子(zǐ)的(de)軌迹：發射電子(zǐ)的(de)方向性與樣品表面特性有關，并受到(dào)局部電磁場的(de)強烈影響。3局部電磁場影響：樣品充電效應和(hé / huò)探測器周圍的(de)電磁場都會改變發射電子(zǐ)的(de)軌迹，從而(ér)影響探測器的(de)信号收集能力。

總電子(zǐ)發射理論爲(wéi / wèi)優化樣品觀察提供了(le／liǎo)基礎指導。通過選擇接近單位産額點的(de)操作點，可有效消除樣品的(de)充電效應，提高信号質量。針對不(bù)同樣品材料，需要(yào / yāo)調節加速電壓、電子(zǐ)束能量和(hé / huò)樣品傾斜角度，以(yǐ)觀察到(dào)最佳圖像。進一(yī / yì ／yí)步研究電子(zǐ)發射行爲(wéi / wèi)還可爲(wéi / wèi)開發更先進的(de)掃描電鏡技術，如精确的(de)非破壞性檢測提供支持。

3.3 線寬測量

在(zài)集成電路的(de)制造過程中，線寬和(hé / huò)器件結構的(de)其他(tā)關鍵尺寸的(de)精确控制對于(yú)确保集成電路性能滿足設計規格至關重要(yào / yāo)。然而(ér)，傳統的(de)光學測量方法已無法滿足檢測超大(dà)規模集成電路（VLSI）和(hé / huò)超超大(dà)規模集成電路（ULSI）幾何尺寸的(de)精度需求。這(zhè)是(shì)因爲(wéi / wèi)現代晶圓制造采用極短波長輻射（如X射線和(hé / huò)電子(zǐ)束）進行光刻，使得測試與測量也(yě)需要(yào / yāo)相匹配的(de)短波長光學系統和(hé / huò)高分辨率技術。

線寬測量有兩個(gè)核心測量參數：線寬與節距。線寬是(shì)指沿某一(yī / yì ／yí)特定軸向的(de)單個(gè)結構的(de)尺寸，是(shì)評估集成電路物理特性的(de)關鍵參數之(zhī)一(yī / yì ／yí)。節距（或位移）是(shì)指兩個(gè)或多個(gè)近似相同的(de)結構上(shàng)對應位置之(zhī)間的(de)間距測量（見圖8）。

圖8 節距和(hé / huò)線寬對比

 

相比光鏡，SEM具備更卓越的(de)可操作性，其放大(dà)倍數可以(yǐ)跨越四個(gè)數量級以(yǐ)上(shàng)，因此特别适用于(yú)納米級幾何結構的(de)精準測量。

SEM線寬測量依賴于(yú)放大(dà)倍數的(de)準确性，而(ér)這(zhè)直接受到(dào)工作距離和(hé / huò)加速電壓等多個(gè)運行因素的(de)影響。盡管典型SEM的(de)放大(dà)倍數已經适應大(dà)多數應用需求，但對于(yú)關鍵測量工作，這(zhè)種準确性可能仍不(bù)滿足長時(shí)間高精度測量的(de)要(yào / yāo)求，因爲(wéi / wèi)放大(dà)倍數會随時(shí)間出(chū)現漂移。爲(wéi / wèi)實現關鍵尺寸的(de)可重複測量，所有影響放大(dà)倍數穩定性的(de)不(bù)确定因素（如機械誤差、電流波動和(hé / huò)環境變化）都必須被降至最低。

Jensen和(hé / huò)Swyt以(yǐ)及Postek分别概述了(le／liǎo)影響SEM圖像形成及線寬測量的(de)常見誤差源，如樣品充電效應、電子(zǐ)束散射、探測器響應等。在(zài)開展高精度的(de)線寬測量之(zhī)前，這(zhè)些誤差必須加以(yǐ)校正，否則可能影響測量結果的(de)可靠性。

3.4  顆粒計量學

顆粒計量和(hé / huò)表征已經成爲(wéi / wèi)半導體制造中一(yī / yì ／yí)個(gè)快速發展的(de)領域。這(zhè)是(shì)因爲(wéi / wèi)顆粒在(zài)制造過程中可能對産品質量和(hé / huò)設備性能産生深遠的(de)影響。事實上(shàng)，顆粒計量可以(yǐ)被視爲(wéi / wèi)關鍵尺寸（CD）計量的(de)一(yī / yì ／yí)種特例，因爲(wéi / wèi)測量線寬時(shí)遇到(dào)的(de)許多挑戰同樣适用于(yú)顆粒尺寸測量。

顆粒的(de)産生貫穿于(yú)加工的(de)多個(gè)環節，以(yǐ)下是(shì)主要(yào / yāo)來(lái)源：

1加工過程中，許多設備部件的(de)磨損會通過機械作用産生顆粒。此外，檢測過程本身（包括SEM操作）也(yě)可能成爲(wéi / wèi)顆粒生成的(de)原因。

2晶圓在(zài)傳輸進出(chū)系統時(shí)，與傳輸機構的(de)物理接觸可能産生顆粒。抽真空時(shí)由于(yú)湍流效應，顆粒可能移動并最終沉積在(zài)晶圓表面。

3樣品更換涉及溫度和(hé / huò)壓力的(de)波動，這(zhè)可能引發水蒸氣凝結、液滴形成以(yǐ)及液相化學反應，從而(ér)産生顆粒污染。

顆粒污染不(bù)僅影響産品質量，還可能對檢測系統本身造成損害，例如：顆粒的(de)存在(zài)可能幹擾器件結構的(de)完整性，甚至導緻晶圓報廢。在(zài)SEM内部，顆粒可能通過磨損或電荷積累的(de)方式幹擾儀器運行。如果帶電顆粒沉積在(zài)SEM敏感部位（如透鏡系統或探測器），會顯著降低設備分辨率，影響成像質量甚至導緻設備失效。

3.5 套準計量

目前，可見光和(hé / huò)紫外光光學系統的(de)分辨率已經足夠滿足現有工藝中套準計量的(de)需求。然而(ér)，随着套準計量結構的(de)持續微縮化，傳統光學方法将逐漸無法滿足要(yào / yāo)求。這(zhè)種情況下，SEM将在(zài)套準計量中發揮越來(lái)越重要(yào / yāo)的(de)作用。

SEM正逐步被引入套準計量工藝，尤其是(shì)在(zài)極高精度要(yào / yāo)求的(de)結構中。例如，SEM被用于(yú)雙極集成電路技術中的(de)關鍵控制任務發射極到(dào)基極的(de)套準測量。Rosenfield，以(yǐ)及Rosenfield和(hé / huò)Starikov的(de)研究表明，SEM具有采集下一(yī / yì ／yí)代半導體器件所需信息的(de)重要(yào / yāo)潛力。這(zhè)表明SEM在(zài)超高分辨率和(hé / huò)複雜結構測量中正在(zài)展現其獨特優勢。

3.6 自動化CD-SEM特點

自動化CD-SEM的(de)主要(yào / yāo)技術特性爲(wéi / wèi)半導體制造和(hé / huò)檢測提供了(le／liǎo)必要(yào / yāo)的(de)指導方向。爲(wéi / wèi)确保180納米及以(yǐ)下制造技術的(de)光刻和(hé / huò)刻蝕過程的(de)CD測量和(hé / huò)控制，國(guó)際SEMATECH聯盟、美國(guó)國(guó)家标準與技術研究院（NIST）以(yǐ)及國(guó)際SEMATECH的(de)專家組聯合制定了(le／liǎo)CD-SEM的(de)統一(yī / yì ／yí)規範。

這(zhè)份規範作爲(wéi / wèi)一(yī / yì ／yí)個(gè)動态的(de)“活文件”，随着儀器技術進步而(ér)不(bù)斷更新，覆蓋了(le／liǎo)以(yǐ)下關鍵領域并提出(chū)改進要(yào / yāo)求和(hé / huò)測試标準。

儀器重複性：儀器的(de)重複性是(shì)指在(zài)一(yī / yì ／yí)段時(shí)間内重複進行特定測量的(de)能力，其穩定性直接影響半導體生産的(de)測量可信度。根據ISO文件，重現性和(hé / huò)重複性的(de)定義統稱爲(wéi / wèi)精密度（precision）。SEMI文件E89-0999進一(yī / yì ／yí)步擴展了(le／liǎo)相關定義，以(yǐ)便更好地(dì / de)解釋和(hé / huò)比較工藝公差。儀器重複性是(shì)确保産品質量控制及工藝穩定性的(de)關鍵組成部分。

CD-SEM準确度：在(zài)VLSI制造中，目前缺乏與特征相關的(de)可追溯線寬标準，因此，如何提升CD-SEM的(de)測量準确度仍是(shì)重點研究領域。要(yào / yāo)實現精準測量仍需針對這(zhè)些參數進行大(dà)量測試和(hé / huò)改進。

充電與污染：充電和(hé / huò)污染是(shì)CD計量中需要(yào / yāo)重點解決的(de)問題。在(zài)電子(zǐ)束照射晶圓的(de)過程中，樣品上(shàng)積累的(de)電荷會降低測量精度。污染的(de)逐步積累改變了(le／liǎo)電子(zǐ)的(de)軌迹、能量及到(dào)達探測器的(de)數量，使得測量結果産生偏差。由于(yú)難以(yǐ)單獨分離和(hé / huò)測量充電與污染效應，研究仍在(zài)集中于(yú)如何優化系統設計以(yǐ)減少其共同影響。

系統性能匹配：系統性能的(de)匹配性表征的(de)是(shì)多台CD-SEM之(zhī)間的(de)測量一(yī / yì ／yí)緻性。同品牌與型号的(de)儀器通常較易實現匹配，但不(bù)同品牌或型号間的(de)匹配因設計差異而(ér)存在(zài)挑戰。基于(yú)ISO定義，匹配誤差是(shì)因測量工具更換而(ér)引起的(de)不(bù)确定性的(de)一(yī / yì ／yí)部分。針對180納米代CD-SEM，系統之(zhī)間的(de)平均測量差異要(yào / yāo)求小于(yú)1.5納米，多台儀器平均值的(de)誤差範圍則限制在(zài)2.1納米以(yǐ)内。

圖案識别與工作台導航準确度：圖案捕獲率應>97%，識别性能與尺寸特征、層間對比度及樣品充電相關聯。所有錯誤必須分類記錄以(yǐ)便分析和(hé / huò)改進。CD-SEM需支持從5微米到(dào)100微米或以(yǐ)上(shàng)範圍内的(de)精準導航，并能夠識别距離最近識别目标100微米内的(de)特征，保證測量的(de)靈敏性和(hé / huò)可靠性。

通量：通量是(shì)指CD-SEM對批量晶圓的(de)高速分類能力，是(shì)生産計量中的(de)重要(yào / yāo)指标。在(zài)滿足精度、污染與充電控制、以(yǐ)及其他(tā)性能參數的(de)條件下，SEM需具備高通量檢測晶圓的(de)能力。通量測試必須與其他(tā)測量（如匹配性和(hé / huò)靈敏度測試）在(zài)相同SEM配置下完成，以(yǐ)确保結果的(de)一(yī / yì ／yí)緻性。