文章來(lái)源：老千和他的朋友們

原文作者：孫千

本文介紹了關(guān)鍵尺寸掃描電鏡（CD-SEM）技術(shù)。

計(jì)量學(xué)是推動(dòng)當(dāng)前及未來(lái)幾代半導(dǎo)體器件開發(fā)與制造的重要基石。隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)不斷縮小至100納米，甚至更小的線寬，以及高深寬比結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，掃描電子顯微鏡（SEM）憑借其高分辨率和多功能性，依然在全球半導(dǎo)體制造的多個(gè)階段中占據(jù)核心地位。

相比于當(dāng)前依賴光學(xué)顯微鏡的測(cè)量技術(shù)，SEM展現(xiàn)出更卓越的分辨率與檢測(cè)能力，同時(shí)相比掃描探針技術(shù)（SPM），在處理速度上具有顯著優(yōu)勢(shì)。此外，SEM提供了多種分析模式，每種模式針對(duì)特定類型的樣品、器件或電路，能夠揭示其物理、化學(xué)及電學(xué)特性，提供獨(dú)特而詳細(xì)的信息。

1 CD-SEM的基本結(jié)構(gòu)

無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室通用型還是用于集成電路結(jié)構(gòu)和尺寸測(cè)量的專用設(shè)備，SEM的基本工作原理基本一致。SEM之所以得名，是因?yàn)樗眉?xì)聚焦的電子束，以精確的光柵掃描模式（通常為矩形或正方形）逐點(diǎn)掃描樣品表面。

SEM的電子束來(lái)自電子源，通常在0.2千伏到30千伏的加速電壓下運(yùn)行。在半導(dǎo)體生產(chǎn)中，CD-SEM多在0.4千伏至1千伏的電壓范圍內(nèi)工作。電子束沿鏡筒向下，通過一個(gè)或多個(gè)電子光學(xué)聚光鏡被縮小，其直徑從幾微米逐漸收縮到納米量級(jí)。

操作者通過調(diào)整加速電壓和聚光鏡縮小程度，根據(jù)樣品特性、分辨率需求和放大倍數(shù)，優(yōu)化電子束成像效果。最終，當(dāng)電子束撞擊樣品時(shí)，其直徑約為幾納米。

SEM中受控的掃描線圈偏轉(zhuǎn)電子束，使其以光柵模式掃描樣品表面。這種掃描與顯示屏的偏轉(zhuǎn)同步，從而將樣品生成的信號(hào)逐點(diǎn)顯示和記錄。放大倍數(shù)由掃描區(qū)域大小決定，樣品上一個(gè)像素所代表的區(qū)域越小，有效放大倍數(shù)越高。因此，正確的光柵掃描校準(zhǔn)對(duì)于精確測(cè)量至關(guān)重要。SEM能夠?qū)崿F(xiàn)極高的分辨率和放大倍數(shù)，而傳統(tǒng)光鏡因衍射限制，最佳分辨率僅為0.25-0.5微米。

圖1 CD-SEM結(jié)構(gòu)示意圖

圖1展示了典型“自上而下”設(shè)計(jì)的SEM，這種優(yōu)化設(shè)計(jì)適合高效觀測(cè)平面結(jié)構(gòu)，但樣品不能傾斜。一些實(shí)驗(yàn)室型和缺陷檢測(cè)型儀器允許樣品傾斜，適用于觀察側(cè)壁結(jié)構(gòu)、橫截面信息以及優(yōu)化X射線采集。一些現(xiàn)代儀器甚至能夠生成樣品的立體圖像。

與光鏡相比，SEM的景深更大（約為光鏡的100-500倍），使其在高放大倍數(shù)下能清晰呈現(xiàn)粗糙表面的顯微圖像。然而，對(duì)于某些高縱橫比的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其景深仍可能不足。另一個(gè)重要特性是SEM的等焦性：操作者可在高放大倍數(shù)下完成對(duì)焦和像散校正，降低放大倍數(shù)后圖像依然保持清晰。

為了有效傳播電子束，SEM鏡筒需保持高真空狀態(tài)，因?yàn)樵诳諝庵械碾娮觽鬏斁嚯x有限。真空水平由儀器設(shè)計(jì)決定，通常采用離子泵、擴(kuò)散泵或渦輪分子泵來(lái)維持真空。在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中，新型低真空設(shè)計(jì)允許觀察更多樣的樣品類型，但尚未在半導(dǎo)體生產(chǎn)中普及，這種設(shè)計(jì)或?qū)⒃谖磥?lái)迎來(lái)更廣泛的應(yīng)用。

2 CD-SEM的電子信號(hào)

當(dāng)高能電子束與固體樣品發(fā)生相互作用時(shí)，會(huì)在樣品的相互作用區(qū)域內(nèi)生成多種信號(hào)。這些信號(hào)能夠被SEM收集、分析并用于成像。

在SEM中，最常用的信號(hào)類型是二次電子（Secondary Electrons, SE）和背散射電子（Backscattered Electrons, BSE）。圖2顯示了它們的強(qiáng)度分布特點(diǎn)。

圖2 SEM中典型信號(hào)的強(qiáng)度分布

信號(hào)的形成區(qū)域受以下因素影響：1入射電子束的加速電壓決定了電子的穿透深度和相互作用范圍。2樣品成分會(huì)影響信號(hào)強(qiáng)度及生成機(jī)制。3樣品幾何形狀決定了電子的散射路徑和探測(cè)器的捕獲效率。當(dāng)相互作用區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)穿透樣品表面，并由適當(dāng)?shù)氖占惋@示設(shè)備捕獲后，可用于生成高分辨率的樣品圖像，實(shí)現(xiàn)物理、化學(xué)及結(jié)構(gòu)信息的提取。

2.1 電子射程

即使在較低加速電壓下，入射電子束仍然能夠穿透樣品一定距離，形成相互作用體積。因此，理解并量化這一相互作用區(qū)域?qū)τ诜治鲂盘?hào)來(lái)源至關(guān)重要。

電子射程代表了電子在樣品中的最大穿透深度。由于低加速電壓下電子與樣品的相互作用機(jī)制復(fù)雜，目前尚無(wú)通用方程能完全準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電子在材料中的運(yùn)動(dòng)軌跡。不過，近年來(lái)針對(duì)這一問題的研究取得了顯著進(jìn)展。Kanaya和Okayama提出的一種表達(dá)式對(duì)低原子量元素和低加速電壓條件下的電子射程提供了較準(zhǔn)確的近似計(jì)算。

圖3展示了5千電子伏（5 keV）及800電子伏（800 eV）條件下，電子在光刻膠層中的計(jì)算軌跡。射程界限被視為類似“材料的連續(xù)層”，近似代表電子作用范圍。

圖3 高加速電壓(5 kV)(左)和低加速電壓(800 V)(右)的蒙特卡洛電子軌跡圖。

此外，在多面幾何結(jié)構(gòu)樣品中，較高加速電壓的電子會(huì)沿著更復(fù)雜的路徑運(yùn)動(dòng)，可能多次穿透和離開樣品表面。這種復(fù)雜性顯著增加了精確建模的難度。

2.2 二次電子（SE）

在CD-SEM中，SE是最常用的信號(hào)，其在SEM圖像中占主要比例。二次電子主要由主電子束與樣品表面前幾納米范圍內(nèi)的相互作用產(chǎn)生。它們的逃逸深度因加速電壓和樣品材料原子序數(shù)而異：對(duì)金屬材料，約為2-10納米。對(duì)非導(dǎo)體，約為5-50納米。此外，背散射電子離開樣品表面，或與樣品室內(nèi)壁發(fā)生碰撞時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生二次電子。

二次電子能量范圍一般在1-50電子伏特（eV）之間。由于其低能量，二次電子只能從樣品極淺表層逃逸，因此攜帶著高分辨率的表面特征信息。在低加速電壓下，二次電子易于收集，信號(hào)強(qiáng)度明顯高于其他類型的電子信號(hào)，適合用于表面形貌的精確檢測(cè)。

圖4 光刻膠的掃描電鏡圖像

實(shí)際上，二次電子信號(hào)并不完全來(lái)源于主電子束與樣品的直接相互作用。研究表明，遠(yuǎn)程生成電子（能量小于50 eV）的數(shù)量遠(yuǎn)超于入射電子束直接作用產(chǎn)生的電子（多達(dá)3倍）。由于電子散射的作用，一部分二次電子可來(lái)源于入射電子束撞擊位置以外的區(qū)域，這使得信號(hào)的來(lái)源更加復(fù)雜。

二次電子信號(hào)來(lái)源復(fù)雜，它是由多種相互作用機(jī)制共同生成的，具體可以分為四種主要信號(hào)來(lái)源：SE-1：入射電子束首次與樣品直接相互作用時(shí)，在表面產(chǎn)生的二次電子。SE-2：背散射電子（BSE）在離開樣品表面時(shí)產(chǎn)生的二次電子。

SE-3：背散射電子經(jīng)過多次相互作用（包括與樣品其他結(jié)構(gòu)或儀器內(nèi)部部件的碰撞）生成的二次電子。SE-4：來(lái)自電子光學(xué)鏡筒中雜散電子的二次電子。如圖5所示，這也是二次電子信號(hào)建模復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的原因之一。

圖5 典型實(shí)驗(yàn)室SEM中四種可能的二次電子產(chǎn)生方式的示意圖

根據(jù)Peters的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)（以金的晶體為例），二次電子圖像中各組分的貢獻(xiàn)比例如下：SE-1約占10%。SE-2約占30%。SE-3占主要比例，約為60%。標(biāo)準(zhǔn)的Everhart-Thornley探測(cè)器無(wú)法區(qū)分這些不同來(lái)源的電子，因此最終收集的信號(hào)是所有這些來(lái)源的綜合結(jié)果。

由于二次電子信號(hào)形成機(jī)制復(fù)雜且依賴多種因素，其一致性和準(zhǔn)確性容易受到以下因素干擾：樣品相關(guān)因素，如成分、幾何形狀的不同。儀器相關(guān)因素，例如儀器內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)或探測(cè)器的收集場(chǎng)異常（如載物臺(tái)運(yùn)動(dòng)）。信號(hào)高變性，二次電子的復(fù)雜來(lái)源及其與儀器設(shè)計(jì)的強(qiáng)依賴性，使其極難被精確建模。

這種信息的不確定性，可能導(dǎo)致計(jì)量學(xué)中對(duì)關(guān)鍵尺寸（CD）的結(jié)果解讀出現(xiàn)偏差。因此，在分析二次電子信號(hào)時(shí)，需特別關(guān)注可能存在的誤差來(lái)源，并根據(jù)具體樣品和設(shè)備條件做出優(yōu)化。

2.3 二次電子的收集

在SEM中，二次電子信號(hào)的檢測(cè)通常依賴專門設(shè)計(jì)的探測(cè)器設(shè)備，這些探測(cè)器決定了信號(hào)收集的效率和圖像質(zhì)量。最常見的閃爍體式探測(cè)器，由Everhart和Thornley設(shè)計(jì)，也叫Everhart-Thornley（E/T）探測(cè)器，該探測(cè)器配備正偏壓收集器，以吸引低能量的二次電子，提高信號(hào)采集效率。也包括商業(yè)型號(hào)眾多的鏡筒內(nèi)探測(cè)器，比如Inlens探測(cè)器，T2探測(cè)器，TLD探測(cè)器，UP探測(cè)器等。

也有其他探測(cè)器，例如微通道板探測(cè)器，這是一種高靈敏度的探測(cè)器類型，適用于特定高分辨率應(yīng)用。

由于二次電子的能量較低，其軌跡很容易受到局部電場(chǎng)和磁場(chǎng)的干擾，因此探測(cè)器的設(shè)計(jì)和安裝影響至關(guān)重要：1探測(cè)器位置及電勢(shì)，收集效率直接與探測(cè)器的物理位置及樣品周圍電場(chǎng)的分布相關(guān)。2與樣品幾何形狀的關(guān)系，位置不合理的探測(cè)器可能導(dǎo)致信號(hào)收集的不對(duì)稱性，尤其是用于檢測(cè)窄垂直結(jié)構(gòu)（如光刻膠線）時(shí)。

偏軸角度安裝的探測(cè)器在一些實(shí)驗(yàn)室儀器中較為常見，這種配置可能導(dǎo)致對(duì)樣品特征邊緣檢測(cè)的不對(duì)稱性。比如，窄垂直結(jié)構(gòu)的左右側(cè)可能表現(xiàn)出不同的信號(hào)強(qiáng)度和形態(tài)，影響輪廓的對(duì)稱性。此外，CD的準(zhǔn)確測(cè)量還涉及儀器電學(xué)系統(tǒng)引入的噪聲，樣品與電子束相互作用的非對(duì)稱性或樣品本身的不均勻性。

2.4 背散射電子（BSE）

BSE是指在樣品中發(fā)生彈性或非彈性碰撞后，以能量大于50 eV發(fā)射出的電子。

這些電子具有獨(dú)特的物理特性，在成像和表征中發(fā)揮著重要作用。

背散射電子的特點(diǎn)：1高能量組成：背散射電子的能量通常接近入射電子束的入射能量。例如：30 keV的入射電子束可產(chǎn)生能量范圍在24-30 keV的背散射電子。1 keV的入射電子束則對(duì)應(yīng)約1 keV的BSE。高能背散射電子信號(hào)不僅可以直接被探測(cè)器收集成像，也可能與樣品或樣品室繼續(xù)相互作用，產(chǎn)生其他信號(hào)。2方向性：由于較高的能量，BSE具有較強(qiáng)的方向性，不易受到周圍電場(chǎng)的干擾。當(dāng)BSE進(jìn)入視線范圍并擊中E/T探測(cè)器時(shí)，會(huì)間接對(duì)二次電子圖像產(chǎn)生影響。

影響背散射電子信號(hào)的因素：1樣品化學(xué)成分：不同材料的BSE產(chǎn)額依賴于其原子序數(shù)，意味著BSE可以用于區(qū)分樣品的化學(xué)組成。2加速電壓：在約5 kV以上，BSE信號(hào)與加速電壓關(guān)系較弱，但較低電壓時(shí)可能更敏感。3 探測(cè)器和樣品幾何：探測(cè)器位置及樣品的傾斜角度會(huì)顯著影響B(tài)SE的收集效率和信號(hào)質(zhì)量。

背散射電子的優(yōu)勢(shì)：1抗表面充電能力：背散射電子因其高能量，受表面電荷干擾的程度遠(yuǎn)低于二次電子。這使得它在檢測(cè)未涂層樣品或表面容易充電的材料時(shí)表現(xiàn)出色。2優(yōu)化成像技術(shù)：通過調(diào)整樣品的傾斜角度和探測(cè)器的偏壓，可以更有效地檢測(cè)未涂層樣品，解決通常受表面充電限制的觀察問題。

2.5 背散射電子的收集

BSE從樣品表面向多個(gè)方向發(fā)射，但其分布在半球空間中并不均勻。由于其高能量和直線軌跡，探測(cè)器必須精確地放置在能夠截獲BSE路徑的位置以確保有效收集。

為了有效探測(cè)背散射電子，可使用以下類型的探測(cè)器：1 固態(tài)二極管探測(cè)器：利用BSE的高能量直線性設(shè)計(jì)，能夠高效收集表面產(chǎn)生的信號(hào)。2 微通道板探測(cè)器：多功能、高靈敏度探測(cè)器，適用于更復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。3 閃爍體探測(cè)器：專為背散射電子設(shè)計(jì)，能夠通過優(yōu)化放置位置截獲BSE路徑，大多設(shè)計(jì)在鏡筒內(nèi)。

探測(cè)器的尺寸、幾何位置及其相對(duì)樣品的擺放方式會(huì)顯著影響采集到的信號(hào)：偏置探測(cè)器可能導(dǎo)致圖像的不均勻性，甚至影響測(cè)量精度。仔細(xì)分析探測(cè)器的特性（如靈敏度、收集角度）及其與樣品的關(guān)系，對(duì)于準(zhǔn)確解讀BSE信號(hào)尤為重要。

BSE還可以采用能量過濾探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，這些探測(cè)器具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

能量過濾能隔離那些與樣品相互作用程度較低的電子（低損耗電子）。這些電子的信號(hào)通常產(chǎn)生于樣品體積的較淺層，因而提供了更高分辨率的信息。在低加速電壓下，能量過濾探測(cè)器已被廣泛成功應(yīng)用，盡管可能面臨信噪比的限制。

建模優(yōu)勢(shì)，能量過濾探測(cè)器的已知輸入?yún)?shù)使電子束與樣品的相互作用建模更加直觀有序，有助于精確開發(fā)關(guān)鍵尺寸（CD）計(jì)量學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

3 CD-SEM計(jì)量學(xué)

在1987年的一篇關(guān)于SEM計(jì)量學(xué)的綜述中，當(dāng)時(shí)使用的主要電子源為熱發(fā)射型陰極，其中尤以常規(guī)發(fā)夾鎢絲和六硼化鑭（LaB6）為代表。而當(dāng)時(shí)SEM光學(xué)鏡筒的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，CD-SEM的計(jì)量學(xué)應(yīng)用剛剛起步，這些設(shè)備實(shí)際上是通過實(shí)驗(yàn)室儀器改裝而來(lái)。

現(xiàn)代SEM設(shè)計(jì)中的諸多重要變化和技術(shù)進(jìn)步。特別是以下兩個(gè)方面的升級(jí)：場(chǎng)發(fā)射電子槍的廣泛應(yīng)用，大幅提高了電子束亮度和分辨率。改進(jìn)物鏡設(shè)計(jì)的引入，增強(qiáng)了電子束的聚焦能力和成像質(zhì)量。讀者可以參考相關(guān)研究文章，了解這些發(fā)展對(duì)SEM計(jì)量學(xué)的深遠(yuǎn)影響。表1對(duì)CD-SEM的一些關(guān)鍵特性和主要技術(shù)要求進(jìn)行了總結(jié)。

表1 早期典型CD-SEM計(jì)量?jī)x器規(guī)格

3.1 低加速電壓檢測(cè)和計(jì)量

低加速電壓操作目前對(duì)半導(dǎo)體工業(yè)的生產(chǎn)和制造非常重要。在低加速電壓(200 V至2.5 kV)下，可以以非破壞性方式檢查在制晶圓。隨著納米幾何尺寸的出現(xiàn)，對(duì)許多加工步驟進(jìn)行在線檢查變得勢(shì)在必行。使用渦輪分子泵和離子泵的現(xiàn)代清潔真空技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎無(wú)污染的檢查，以篩查晶圓的適當(dāng)顯影、對(duì)準(zhǔn)、蝕刻、光刻膠去除，以及在下一個(gè)加工步驟之前是否存在可見污染物。

低加速電壓操作不僅限于晶圓制造，光掩模檢查也可以在SEM中進(jìn)行。光掩模中的缺陷，無(wú)論是隨機(jī)的還是重復(fù)的，都是器件制造中產(chǎn)率損失的來(lái)源。缺陷可能出現(xiàn)在玻璃、光刻膠或鉻中，表現(xiàn)為針孔、橋接、玻璃斷裂、突起、溶劑斑點(diǎn)、凹陷，甚至缺失幾何特征。許多為半導(dǎo)體工業(yè)開發(fā)的技術(shù)正在其他領(lǐng)域得到應(yīng)用，如聚合物工業(yè)和生物應(yīng)用。

目前，所有關(guān)鍵尺寸（CD）計(jì)量學(xué)都在“非破壞性”條件下進(jìn)行。所謂非破壞性，指的是樣品在放入SEM之前不會(huì)發(fā)生物理改變，且SEM檢測(cè)的過程不會(huì)損壞樣品的后續(xù)功能或使用價(jià)值。

在此之前，掃描電鏡通常使用20-30千伏的高加速電壓以優(yōu)化圖像分辨率和信噪比。然而，這種高電壓操作存在幾大不足：對(duì)于非導(dǎo)電樣品，需在其表面鍍上一層金等導(dǎo)電材料，以增強(qiáng)信號(hào)并提供接地通路。儀器只能容納尺寸較小的樣品，導(dǎo)致半導(dǎo)體行業(yè)常用的大面積晶圓在檢測(cè)前必須被分割。尤其是后者，每次加工過程需犧牲昂貴的晶圓樣品，這種方法隨著晶圓尺寸增大而變得更加不可行。

如今，生產(chǎn)過程中的在線檢測(cè)要求操作過程完全非破壞性，樣品無(wú)需鍍層且保持完整無(wú)損。這一需求推動(dòng)了掃描電鏡以下技術(shù)的革新：1場(chǎng)發(fā)射源，提高了低加速電壓的性能。2大腔室設(shè)計(jì)，支持更大樣品（如整片晶圓）的檢測(cè)。3改進(jìn)透鏡技術(shù)，增強(qiáng)聚焦能力和成像精度。4清潔抽氣系統(tǒng)與數(shù)字幀存儲(chǔ)，提升了設(shè)備整體性能與數(shù)據(jù)管理效率。這種現(xiàn)代化的技術(shù)改進(jìn)背后，半導(dǎo)體行業(yè)一直是核心驅(qū)動(dòng)力。

高能電子可能會(huì)對(duì)敏感器件造成物理?yè)p傷，這是在線檢測(cè)的一大潛在問題。低加速電壓操作正在成為解決這一問題的重要手段，通常定義為加速電壓低于2.5千伏（通常在0.4至1.2千伏范圍）。

低加速電壓操作的主要優(yōu)勢(shì)有：1減少樣品損傷，低能電子束穿透距離短，對(duì)光刻膠等材料的敏感層影響更小；2電荷積累風(fēng)險(xiǎn)更低，更適合非破壞性評(píng)估。3優(yōu)化信號(hào)強(qiáng)度，低能電子束在樣品表面附近產(chǎn)生更多二次電子，這些電子更容易逃逸并被收集，從而提高圖像質(zhì)量。4精確控制加速電壓和束能量，在非破壞性檢測(cè)中至關(guān)重要。

加速電壓需保持在入射電子束的最小實(shí)用值，例如200伏至2.5千伏范圍內(nèi)。理想操作條件常需逐步調(diào)整加速電壓，步長(zhǎng)可小至10伏。這種調(diào)節(jié)方式可以使得無(wú)用的帶電圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫臉悠沸畔D像。此外，加速電壓的小幅調(diào)整（如僅改變100伏）或樣品的輕微傾斜，可能顯著影響成像結(jié)果。例如，不同光刻膠樣品的導(dǎo)電性質(zhì)多變，因此，低加速電壓的成功應(yīng)用需要深刻理解樣品的電性能及其變化趨勢(shì)。最近研究表明，樣品的位置、襯底的性質(zhì)以及光刻膠的類型和厚度都會(huì)影響理想加速電壓的選擇。

3.2 總電子發(fā)射

總電子發(fā)射是指從樣品中發(fā)射的電子總數(shù)（標(biāo)記為δ），其行為對(duì)非破壞性、低加速電壓操作中的成像和樣品表征至關(guān)重要。圖6和圖7分別展示了總電子發(fā)射的行為曲線及其在絕緣樣品成像中的應(yīng)用。

圖6 用于無(wú)損SEM計(jì)量和檢測(cè)的典型總電子發(fā)射曲線。E1和E2表示樣品上預(yù)期不會(huì)發(fā)生充電的點(diǎn)

圖7 未涂層光刻膠的低加速電壓圖像

總電子發(fā)射曲線與單位線相交的點(diǎn)（E1和E2）顯示了樣品沒有凈電荷積累的條件，即發(fā)射電子數(shù)剛好等于入射電子數(shù)。絕緣樣品（如光刻膠或二氧化硅）在電子束輻照下可能會(huì)吸收束電子并產(chǎn)生負(fù)電荷，從而降低入射電子束的實(shí)際入射能量。例如，如果入射電子束能量為2.4 keV，而樣品的E2點(diǎn)為2 keV，樣品將生成約-0.4 keV的負(fù)電位，迫使入射能量降至E2點(diǎn)。負(fù)電荷積累可能對(duì)電子束產(chǎn)生不利影響，降低圖像質(zhì)量，甚至導(dǎo)致信號(hào)丟失。

當(dāng)主電子束操作點(diǎn)處于E1和E2之間時(shí)，樣品可能發(fā)射的電子多于入射電子，從而帶正電。正電荷的影響較小，通常局限在幾伏范圍內(nèi)。然而，這可能抑制低能二次電子的持續(xù)發(fā)射，減少被探測(cè)器收集的信號(hào)量。

總之， 操作點(diǎn)越接近單位產(chǎn)額點(diǎn)（E1和E2），樣品的充電效應(yīng)越小，從而得到更高質(zhì)量的成像。

不同材料有各自的總發(fā)射曲線，因此需要在所有樣品材料的E1和E2點(diǎn)之間找到一個(gè)折中電壓值。對(duì)大多數(shù)材料而言，0.2-1 keV的加速電壓范圍通常能有效減少充電效應(yīng)，并將器件損傷降到最低。另外，增大樣品傾斜通常會(huì)將E2點(diǎn)移向更高的加速電壓值，這有助于優(yōu)化操作條件。

總電子信號(hào)的形成機(jī)制非常復(fù)雜，主要受以下因素的綜合影響：1電子束著陸能量：入射電子束的能量直接決定了發(fā)射電子的數(shù)量和其動(dòng)能特性。2發(fā)射電子的軌跡：發(fā)射電子的方向性與樣品表面特性有關(guān)，并受到局部電磁場(chǎng)的強(qiáng)烈影響。3局部電磁場(chǎng)影響：樣品充電效應(yīng)和探測(cè)器周圍的電磁場(chǎng)都會(huì)改變發(fā)射電子的軌跡，從而影響探測(cè)器的信號(hào)收集能力。

總電子發(fā)射理論為優(yōu)化樣品觀察提供了基礎(chǔ)指導(dǎo)。通過選擇接近單位產(chǎn)額點(diǎn)的操作點(diǎn)，可有效消除樣品的充電效應(yīng)，提高信號(hào)質(zhì)量。針對(duì)不同樣品材料，需要調(diào)節(jié)加速電壓、電子束能量和樣品傾斜角度，以觀察到最佳圖像。進(jìn)一步研究電子發(fā)射行為還可為開發(fā)更先進(jìn)的掃描電鏡技術(shù)，如精確的非破壞性檢測(cè)提供支持。

3.3 線寬測(cè)量

在集成電路的制造過程中，線寬和器件結(jié)構(gòu)的其他關(guān)鍵尺寸的精確控制對(duì)于確保集成電路性能滿足設(shè)計(jì)規(guī)格至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)量方法已無(wú)法滿足檢測(cè)超大規(guī)模集成電路（VLSI）和超超大規(guī)模集成電路（ULSI）幾何尺寸的精度需求。這是因?yàn)楝F(xiàn)代晶圓制造采用極短波長(zhǎng)輻射（如X射線和電子束）進(jìn)行光刻，使得測(cè)試與測(cè)量也需要相匹配的短波長(zhǎng)光學(xué)系統(tǒng)和高分辨率技術(shù)。

線寬測(cè)量有兩個(gè)核心測(cè)量參數(shù)：線寬與節(jié)距。線寬是指沿某一特定軸向的單個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸，是評(píng)估集成電路物理特性的關(guān)鍵參數(shù)之一。節(jié)距（或位移）是指兩個(gè)或多個(gè)近似相同的結(jié)構(gòu)上對(duì)應(yīng)位置之間的間距測(cè)量（見圖8）。

圖8 節(jié)距和線寬對(duì)比

相比光鏡，SEM具備更卓越的可操作性，其放大倍數(shù)可以跨越四個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此特別適用于納米級(jí)幾何結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)測(cè)量。

SEM線寬測(cè)量依賴于放大倍數(shù)的準(zhǔn)確性，而這直接受到工作距離和加速電壓等多個(gè)運(yùn)行因素的影響。盡管典型SEM的放大倍數(shù)已經(jīng)適應(yīng)大多數(shù)應(yīng)用需求，但對(duì)于關(guān)鍵測(cè)量工作，這種準(zhǔn)確性可能仍不滿足長(zhǎng)時(shí)間高精度測(cè)量的要求，因?yàn)榉糯蟊稊?shù)會(huì)隨時(shí)間出現(xiàn)漂移。為實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵尺寸的可重復(fù)測(cè)量，所有影響放大倍數(shù)穩(wěn)定性的不確定因素（如機(jī)械誤差、電流波動(dòng)和環(huán)境變化）都必須被降至最低。

Jensen和Swyt以及Postek分別概述了影響SEM圖像形成及線寬測(cè)量的常見誤差源，如樣品充電效應(yīng)、電子束散射、探測(cè)器響應(yīng)等。在開展高精度的線寬測(cè)量之前，這些誤差必須加以校正，否則可能影響測(cè)量結(jié)果的可靠性。

3.4 顆粒計(jì)量學(xué)

顆粒計(jì)量和表征已經(jīng)成為半導(dǎo)體制造中一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域。這是因?yàn)轭w粒在制造過程中可能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。事實(shí)上，顆粒計(jì)量可以被視為關(guān)鍵尺寸（CD）計(jì)量的一種特例，因?yàn)闇y(cè)量線寬時(shí)遇到的許多挑戰(zhàn)同樣適用于顆粒尺寸測(cè)量。

顆粒的產(chǎn)生貫穿于加工的多個(gè)環(huán)節(jié)，以下是主要來(lái)源：

1加工過程中，許多設(shè)備部件的磨損會(huì)通過機(jī)械作用產(chǎn)生顆粒。此外，檢測(cè)過程本身（包括SEM操作）也可能成為顆粒生成的原因。

2晶圓在傳輸進(jìn)出系統(tǒng)時(shí)，與傳輸機(jī)構(gòu)的物理接觸可能產(chǎn)生顆粒。抽真空時(shí)由于湍流效應(yīng)，顆?？赡芤苿?dòng)并最終沉積在晶圓表面。

3樣品更換涉及溫度和壓力的波動(dòng)，這可能引發(fā)水蒸氣凝結(jié)、液滴形成以及液相化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生顆粒污染。

顆粒污染不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，還可能對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)本身造成損害，例如：顆粒的存在可能干擾器件結(jié)構(gòu)的完整性，甚至導(dǎo)致晶圓報(bào)廢。在SEM內(nèi)部，顆?？赡芡ㄟ^磨損或電荷積累的方式干擾儀器運(yùn)行。如果帶電顆粒沉積在SEM敏感部位（如透鏡系統(tǒng)或探測(cè)器），會(huì)顯著降低設(shè)備分辨率，影響成像質(zhì)量甚至導(dǎo)致設(shè)備失效。

3.5 套準(zhǔn)計(jì)量

目前，可見光和紫外光光學(xué)系統(tǒng)的分辨率已經(jīng)足夠滿足現(xiàn)有工藝中套準(zhǔn)計(jì)量的需求。然而，隨著套準(zhǔn)計(jì)量結(jié)構(gòu)的持續(xù)微縮化，傳統(tǒng)光學(xué)方法將逐漸無(wú)法滿足要求。這種情況下，SEM將在套準(zhǔn)計(jì)量中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

SEM正逐步被引入套準(zhǔn)計(jì)量工藝，尤其是在極高精度要求的結(jié)構(gòu)中。例如，SEM被用于雙極集成電路技術(shù)中的關(guān)鍵控制任務(wù)發(fā)射極到基極的套準(zhǔn)測(cè)量。Rosenfield，以及Rosenfield和Starikov的研究表明，SEM具有采集下一代半導(dǎo)體器件所需信息的重要潛力。這表明SEM在超高分辨率和復(fù)雜結(jié)構(gòu)測(cè)量中正在展現(xiàn)其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

3.6 自動(dòng)化CD-SEM特點(diǎn)

自動(dòng)化CD-SEM的主要技術(shù)特性為半導(dǎo)體制造和檢測(cè)提供了必要的指導(dǎo)方向。為確保180納米及以下制造技術(shù)的光刻和刻蝕過程的CD測(cè)量和控制，國(guó)際SEMATECH聯(lián)盟、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）以及國(guó)際SEMATECH的專家組聯(lián)合制定了CD-SEM的統(tǒng)一規(guī)范。

這份規(guī)范作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的“活文件”，隨著儀器技術(shù)進(jìn)步而不斷更新，覆蓋了以下關(guān)鍵領(lǐng)域并提出改進(jìn)要求和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

儀器重復(fù)性：儀器的重復(fù)性是指在一段時(shí)間內(nèi)重復(fù)進(jìn)行特定測(cè)量的能力，其穩(wěn)定性直接影響半導(dǎo)體生產(chǎn)的測(cè)量可信度。根據(jù)ISO文件，重現(xiàn)性和重復(fù)性的定義統(tǒng)稱為精密度（precision）。SEMI文件E89-0999進(jìn)一步擴(kuò)展了相關(guān)定義，以便更好地解釋和比較工藝公差。儀器重復(fù)性是確保產(chǎn)品質(zhì)量控制及工藝穩(wěn)定性的關(guān)鍵組成部分。

CD-SEM準(zhǔn)確度：在VLSI制造中，目前缺乏與特征相關(guān)的可追溯線寬標(biāo)準(zhǔn)，因此，如何提升CD-SEM的測(cè)量準(zhǔn)確度仍是重點(diǎn)研究領(lǐng)域。要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量仍需針對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行大量測(cè)試和改進(jìn)。

充電與污染：充電和污染是CD計(jì)量中需要重點(diǎn)解決的問題。在電子束照射晶圓的過程中，樣品上積累的電荷會(huì)降低測(cè)量精度。污染的逐步積累改變了電子的軌跡、能量及到達(dá)探測(cè)器的數(shù)量，使得測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。由于難以單獨(dú)分離和測(cè)量充電與污染效應(yīng)，研究仍在集中于如何優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)以減少其共同影響。

系統(tǒng)性能匹配：系統(tǒng)性能的匹配性表征的是多臺(tái)CD-SEM之間的測(cè)量一致性。同品牌與型號(hào)的儀器通常較易實(shí)現(xiàn)匹配，但不同品牌或型號(hào)間的匹配因設(shè)計(jì)差異而存在挑戰(zhàn)?；贗SO定義，匹配誤差是因測(cè)量工具更換而引起的不確定性的一部分。針對(duì)180納米代CD-SEM，系統(tǒng)之間的平均測(cè)量差異要求小于1.5納米，多臺(tái)儀器平均值的誤差范圍則限制在2.1納米以內(nèi)。

圖案識(shí)別與工作臺(tái)導(dǎo)航準(zhǔn)確度：圖案捕獲率應(yīng)>97%，識(shí)別性能與尺寸特征、層間對(duì)比度及樣品充電相關(guān)聯(lián)。所有錯(cuò)誤必須分類記錄以便分析和改進(jìn)。CD-SEM需支持從5微米到100微米或以上范圍內(nèi)的精準(zhǔn)導(dǎo)航，并能夠識(shí)別距離最近識(shí)別目標(biāo)100微米內(nèi)的特征，保證測(cè)量的靈敏性和可靠性。

通量：通量是指CD-SEM對(duì)批量晶圓的高速分類能力，是生產(chǎn)計(jì)量中的重要指標(biāo)。在滿足精度、污染與充電控制、以及其他性能參數(shù)的條件下，SEM需具備高通量檢測(cè)晶圓的能力。通量測(cè)試必須與其他測(cè)量（如匹配性和靈敏度測(cè)試）在相同SEM配置下完成，以確保結(jié)果的一致性。