摘要：随着制造技术向纳米级别迈进，对SEM精确计量的需求也日益增长。为满足这种需求，建立准确且可靠的电子束与样品相互作用的理论模型变得尤为重要。

半导体工程师 2025年05月16日 10:16 北京

随着制造技术向纳米级别迈进，对SEM精确计量的需求也日益增长。为满足这种需求，建立准确且可靠的电子束与样品相互作用的理论模型变得尤为重要。

本文旨在系统探讨电子束与样品相互作用的物理机制、信号生成过程、建模技术以及其在计量学中的实际应用。

电子束与样品相互作用建模

在扫描过程中，入射电子束直接进入样品表面并与之相互作用。这种相互作用会产生多种信号，其相互作用区域的大小主要由电子束的加速电压和样品成分决定。

在SEM的成像与计量中，历史和实际应用中通常关注背散射电子（BSE）和二次电子（SE）这两种主要信号，这是SEM成像中最常用的信号类型，主要应用于表面特征的高分辨率成像。但是在低电子束能量下，BSE与SE的信号特性差异变得模糊，相互区分更加困难。此外，在某些特定计量场景中，还可能使用透射电子作为信号来源。

除BSE和SE外，SEM还能生成多种次级信号，用于不同的检测与分析目的，包括：X射线，俄歇电子，阴极发光（光信号），被样品吸收的电子信号，这些信号在不同的实验需求中具有重要价值。

SEM信号建模

虽然SEM照片的外观直观易懂，但背后的信号生成却涉及到复杂的电子与固体的相互作用。每个电子在能量耗尽或逃逸之前，可能经历数千次散射。每秒钟可能有数十亿电子轰击样品表面，形成复杂的动态过程。由于相互作用本质的复杂性，统计技术被用作描述和建模电子行为的一种有效方法。

蒙特卡罗模拟技术是一种数学建模工具，通过跟踪单个电子的行为来模拟电子与样品间的相互作用。该技术通过随机数算法选择电子可能经历的每一次散射事件或轨迹，从而重建电子在样品中的运动路径。这种随机选择让每种散射事件的发生几率由“机会”主导，因此称为“蒙特卡罗”。重复模拟足够多的入射电子（通常1000个或更多）后，可以获得相互作用的平均行为，从而提供对电子总体动态的有用认识。

蒙特卡罗技术最初被用于X射线分析，以便理解信号生成的物理机制。如今，该技术已扩展到整个SEM信号生成过程，并广泛应用于BSE和SE的信号建模。利用现代计算机，即使是台式高性能个人电脑，也能在合理的时间内生成有用的数据。蒙特卡罗模型灵活性高，可以将样品几何形状、探测器位置和实验条件等因素纳入建模。

在最简单的形式下，蒙特卡罗模拟通常用于计算BSE信号：因为BSE的能量高于50 eV，且散射过程相对简单，建模速度较快。这是入门阶段分析电子散射过程的重要第一步，有助于理解SEM信号的基础动态。

与BSE相比，SE信号的模拟更具挑战性。SE信号的生成涉及更多低能电子的复杂散射与能量损失过程。此外，由于需要跟踪更多电子及其多次相互作用，尤其是复杂样品几何形状时，建模任务变得更耗时。尽管如此，SE信号是SEM中最常用于成像和计量的信号，相关建模技术仍在不断改进中，比如更高效的算法和多层级计算方法。

通过蒙特卡罗模拟，研究者可以量化不同实验变量对信号剖面的影响：束能、探针直径、样品几何形状、信号类型选择等。对电子离开样品时的能量和方向进行分类，可优化探测器的几何形状及效率。这些研究直接提升了对实验变量的控制能力以及精确的边缘几何形状建模与线宽检测改进。

精确的SEM建模代码

为了实现高精度的计量，适当且经过充分测试的计算机模型至关重要。早期在计量中应用的蒙特卡罗模型，基于David Joy、Dale Newbury和Robert Myklebust等人的开创性研究成果。近年来，美国国家标准与技术研究院（NIST）专为关键尺寸（CD）计量开发了一种蒙特卡罗计算机代码，目前仍在持续优化中。

NIST针对CD计量的研究开发了基于第一性原理物理学的MONSEL（Monte Carlo for Secondary Electron）系列代码，不仅能够模拟SE，还可处理BSE和透射电子的信号生成过程。还能够处理高分辨率SEM下复杂靶均的信号行为，在测量精度方面显著提升。应用该代码，通过比较实测信号与模拟信号数据，可以将硅靶中图案边缘位置的不确定度降至6纳米以下。

没有模拟的情况下，只能使用经验方法粗略估计边缘大致位置，信号的不确定度可能非常高。而通过模拟分析，边缘位置的不确定度显著降低到。这比传统估测方法的精度提高了4倍以上。这些结果基于MONSEL-II代码的分析，该代码专用于二维靶材信号模拟。NIST随后开发了更先进的MONSEL-III版本，该版本能够模拟三维靶材并进一步提升精度。

NIST的MONSEL建模代码主要是一个研究工具，专为研究人员设计。Metrologia（SPECTEL公司）是一个采用蒙特卡罗计算机代码的商业化建模程序。NIST与Metrologia开发者的合作使得两个程序得以进行测试和比较，以确定其一致性水平。两种代码都进行了多次建模实验。目前两种代码的运行和结果在总体上是相互兼容且一致的。

充电效应的模拟

绝缘试样上正电荷或负电荷的积累仍然是扫描电镜计量的一个问题。充电会影响电子束，从而影响测量结果。扫描电镜中的精确计量需要开发一个准确的充电模型。Ko等人利用蒙特卡罗建模定量研究了充电效应。由于试样和仪器的变化使充电难以重现，因此难以进行精确计量所需的定量研究。Davidson和Sullivan也研究了电荷积累对电子束的偏转，并开发发表了初步的充电模型。Grella等人还研究了诱导局部电场。

反向（模拟）建模

对已定义结构进行蒙特卡罗建模是一个非常有价值的计量工具。利用模型得到的数据形成图像类比（反向建模）是一个更强大的工具，因为所有测量参数都是完全已知的。这种图像可用于测试计量算法并比较测量仪器。

图1是使用NIST MONSEL代码在NIST Cray计算机上建模的1微米硅线（具有近乎垂直的边缘）的线扫描。像素间距为1.15纳米。获得数据后，通过卷积添加了各种束斑直径效应。下一步将线扫描转换为扫描电镜图像类比，如图2所示。添加噪声和字母数字后，图像看起来与任何扫描电镜图像相似。

模拟图像是标准图像文件，因此可以导入任何商业测量程序或输入其他计量仪器。这种建模方法已用于测试各种计量算法，包括表观束宽算法。

图1 光刻胶SE的蒙特卡洛模拟线扫描

图2 基于图1所示相同数据完成的模拟扫描电镜图像。

SE与BSE计量的比较

需要对SE和BSE测量之间的差异进行更深入的研究和理解。目前大多数CD-SEM测量SE图像，因为这种操作模式提供更大的信号。过去一些工具使用基于BSE图像的测量，但由于信噪比较差导致测量速度慢和产量降低，这种方法已不再受欢迎。

BSE信号测量提供一些明显的优势，例如由于BSE轨迹非常清晰，因此信号建模更容易。研究发现，在低加速电压扫描电镜中，SE和BSE图像测量的光刻胶线宽度存在明显差异。这种差异必须在建模中考虑。在实验室和生产线仪器中都观察到并记录了SE和BSE图像测量之间的差异。这些差异与微通道板电子探测器开发期间早期发表的类似实验结果相同。

图3a是SE图像，图3b是BSE图像。在这个例子中，两种电子检测模式之间的测量差异为17纳米。使用高度倾斜（但未截面）样品获得的SE图像显示，成像结构的壁面是倾斜的。这可以解释成像模式之间的部分差异；然而，扫描探针显微镜线扫描显示测量区域的壁面轮廓更垂直。

目前可用的电子束相互作用模型无法解释SE图像和BSE图像之间的差异。需要良好表征的导电样品来排除样品产生的充电效应。这个实验有三个组成部分：仪器、样品和操作者。自动化消除了操作者因素，通过适当的样品选择可以排除样品问题，从而只剩下仪器效应需要研究。

图3 未涂层光刻胶的SE和BSE图像对比。(a) SE图像显示宽度测量值为492.2纳米。(b) BSE图像显示宽度测量值为475.7纳米。

建模方法与计量

半导体行业需要对非常小的三维特征进行全自动尺寸和形状测量。这些特征目前为100纳米及更小，这些测量必须在几秒钟内完成，精确度和精密度接近原子水平。一个主要问题是测量使用原始的边缘判据（回归算法、阈值交叉）和某些不一定合理的假设和信念。

表1显示了对模拟线图像应用几种算法的测量结果。模拟图像在这种测量中极其有价值，因为模拟图像的所有输入参数都是已知的；因此，节距、线宽和间距都是已知的。在SEM实验室间研究中也证实了宽度测量之间的类似差异。要准确确定应在强度轮廓的哪个位置进行宽度测量，需要一个准确的模型。

表1 测量算法对比

算法

间距宽度(nm)

线宽(nm)

峰值法

109.52

91.15

阈值法

91.65

110.6

回归法

75.63

125.2

S形曲线法

92.95

110.52

CD-SEM获得的图像和线扫描包含的信息远多于通常使用的信息。例如，在不同焦点和剂量设置下获得的"相同宽度"光刻胶线的这些图像和单个线扫描是不同的。除了这是测量误差的来源之外，还可以提取更多信息，比如给定的线是否以预期的剂量和焦点曝光。这些信息对当前和紫外光刻至关重要。

光刻工艺中的形状控制

光刻工艺预期以特定形状创建集成电路特征（导电和非导电线路和区域、接触孔和互连等），具有设计的尺寸和公差。在许多步骤中，在包含多个芯片的晶圆上的单个芯片上同时制作数百万个晶体管及其之间的连接。

总体目标是找到一个可靠的联系，即设计和显影的光刻胶特征与最终刻蚀的多晶硅结构之间的某种传递函数。图4显示了光刻胶显影后（上图）、底部抗反射涂层（BARC）去除后（中图）和多晶硅刻蚀后（下图）的孤立光刻胶线。显影后，光刻胶线具有一定的高度、宽度和壁角，顶部和底部角略有圆化。

图4 光刻工艺流程图，分别展示了显影后的光刻胶线条（上图）、BARC刻蚀后（中图）以及最终多晶硅线条刻蚀后（下图）的状态。

通过BARC去除，线的形状特别是高度发生实质性变化。在这一步骤之后，光刻胶特征仍必须有足够的材料来承受多晶硅刻蚀工艺。如果这些工艺步骤可接受地进行，则可以制造具有所需尺寸和公差的多晶硅特征（见底部的多晶硅线）。

焦距-曝光矩阵

光刻工具（步进机或扫描仪）在特定的焦距设置下工作，并对光敏抗蚀材料施加一定量的光照。焦距对于产生正确的光强分布至关重要，而施加的光量通常由激光脉冲数量来控制。这些参数在光刻工具中都受到极其严格的控制。使用电子束和X射线等其他照明源的技术也适用类似的条件。

焦距-曝光矩阵(FEM)用于模拟光刻过程中出现的焦距和剂量变化。FEM是一种获得焦距和曝光最佳设置的机制，并用于找出能提供"工艺窗口"的这些参数范围。在此窗口内，光刻工艺被认为能产生具有指定尺寸和形状的特征。通常，在工艺开发过程中，工程师会关注孤立线条、密集线条和接触孔的形成和形状变化。设计的和显影后的抗蚀剂特征之间的关系传统上是通过FEM建立的。

图5显示了孤立和密集抗蚀剂线条的两组图像。在这种情况下，标称线宽为250纳米。那些最终刻蚀后能产生可接受多晶硅线宽的线条都标注了数值。在某些情况下，这种评估不一定足够；例如，在非线条特征（如存储器单元结构）的情况下，情况可能会有很大不同。

图5 孤立和密集光刻胶线条的焦距-曝光矩阵

在制造工厂中，工艺速度非常重要，对于接近100纳米线宽的这些参数的尺寸测量必须在几秒钟内完成，且具有原子级的不确定度。基于高质量的抗蚀剂测量，工程师可以决定是继续进行工艺还是重新进行抗蚀剂形成步骤（照明、显影和烘烤）。缺乏适当的表征或有缺陷的尺寸测量会导致巨大损失。因此，良好的计量学正在成为一项关键的基础技术。这是必要的，但并非易事。

工艺开发过程中的尺寸测量

在光刻工艺的开发或修改过程中，常常需要进行大量测量以研究工艺有意或无意变化的后果。由于各种测量方法都有其局限性，工程师选择正确的技术至关重要。例如，要调查晶圆内部或晶圆间的变化，电学线宽测量可能比其他任何方法都要好，即使这些测量必须在特殊的范德堡测试图形上进行。这些测量通常仅限于IC制造工艺中的导电层或步骤，如多晶硅结构。在其他情况下，SEM或扫描探针测量将提供必要的信息。在大多数情况下，需要结合多种方法。

形状分析

测量孤立和密集线条的线宽不一定足够；在许多情况下，线宽值虽然在规格范围内，但其他区域显影不够充分，无法在最终刻蚀后形成适当尺寸的特征。图6显示了同一晶圆上三个不同位置的相同特征的示例。左侧形状的特征完全没有产量；中间的产量可以接受；而右侧抗蚀剂结构的区域产量极好。

图6 同一晶圆上三个不同位置的相同特征点

未来，由于结构的真实三维性，形状测量必须超越或替代仅仅的线宽（即一维尺寸）测量。这些测量必须考虑各种结构和图案在形状和尺寸上的所有可能变化。这一要求将导致更频繁地使用基于图像的测量。

CD-SEM的产能可能会变差，因为不是测量几十条线，而是要在更长的图像采集过程中收集数百条具有良好信噪比的线条。巧妙的成像方法，例如选区成像，可以缓解这些问题。

必须正确测量抗蚀剂特征的高度、宽度、侧壁角度以及顶部和底部拐角和尖端圆化，否则将制造出有缺陷的电路。所有这些都会影响横截面和俯视SEM成像中的图像形成。任何变化都会产生略有不同的图像，这一事实为确定这些参数提供了可能性。特别是在300毫米晶圆的情况下，由于晶圆成本太高，晶圆切割将不太受欢迎。幸运的是，俯视图像确实显示了各种形状的差异。图6的图像清楚地显示了差异，即使底部轮廓非常相似。

最近引入的方法旨在提供对形状更好的敏感性。这些方法可能依赖于与先前保存的最佳图像或线扫描的比较或相关性，或使用已知良好结构的图像或模板库，或利用从同一结构的多个角度视图提供的信息。

线扫描和图像建模比仅仅更好的线宽测量更有前途；通过它似乎可以进行更准确的真实三维测量。最终，这种基于模型的计量方法的质量可以好到允许重建包含高度信息的真实3D结构。这些先进尺寸计量方法的准确性和可靠性将提供足够的信息来计算光刻工艺的最佳焦距和曝光设置。

基于模型的计量学

基于模型的计量学是一种新兴概念，旨在结合现有的多个研究领域，形成一套统一且高效的计量方法。这种方法可以显著提升关键尺寸（CD）计量的精度与可靠性，为半导体制造和科学研究提供更加可靠的技术支持。

下文详细描述了其五个关键组成部分，以及关键尺寸测量的比对方法。

1.建模与图像模拟：随着新的蒙特卡罗方法的不断涌现，特别是NIST开发的MONSEL系列代码，研究的准确性大幅提升。这些模拟方法不仅能够生成与实际SEM测量数据非常接近的结果，还可以通过对模拟数据的处理生成高度逼真的图像。这些模拟图像可以用于实际样品的测量比对，为理解样品特性提供重要的辅助工具。目前，模拟与真实测量的匹配度正在逐步提高。

2. 自适应蒙特卡罗建模：利用已有的测量视频波形数据库与模拟波形库进行匹配分析。当对新结构进行扫描时，其信号波形可以与库中多个波形或线扫描记录进行比较。自适应建模可以准确地确定多项关键尺寸参数，包括：线条宽度，顶角圆化，侧壁角度，抗蚀剂线条高度。

图7展示了一个光刻胶线条的横截面，其形状是基于俯视CD-SEM图像与蒙特卡罗建模计算生成的。这项技术正快速发展，并已准备在工业环境中广泛应用。

图7 光刻胶线的横截面，其结构是根据俯视图和建模数据计算得出的

3..样品充电的研究：样品充电被视为实现基于模型的SEM计量的主要技术难点之一。国际半导体技术路线图（ITRS）和先进计量咨询组（AMAG）均将充电效应作为真实集成电路几何建模的重点问题。未来需要改进抗蚀剂材料的导电性，以缓解充电问题。开发更准确的充电模型，将其整合到基础的样品相互作用与信号生成建模中。

4. 信号路径建模:包括SEM电子学和信号处理的研究，是实现高精度建模的基础。信号传输路径的优化和准确量化对开发集成化测量模型至关重要，特别是在复杂模型的信号回归分析中具有重要意义。

5.算法开发与分析:目前，大多数计量仪器所采用的算法缺乏坚实的物理分析基础。随着基于模型的集成技术发展，用于准确测量的物理算法将逐步完善。新算法的引入将全面提高CD计量的可靠性和适用性。

关键尺寸测量比对

基于图像推断线宽，需要对仪器与样品之间形成图像的物理互动本质有清晰认识，并能量化地描述表观边缘位置与真实位置的差异。以下是实验研究与比对方法的重点内容：研究者利用高度理想化的样品，如通过200纳米厚的氧化层电隔离的硅线条，以避免干扰。

对三种测量技术扫描电子显微镜（SEM），原子力显微镜（AFM），电学关键尺寸（ECD）进行了对比，并根据NIST与ISO不确定度指南制定了不确定度预算。

表2 单晶硅样品的线宽测量结果

技术

宽度 (纳米)

3σ 不确定度 (纳米)

扫描电镜

447

7

原子力显微镜

449

16

电化学沉积

438

53

不确定度的主要来源：1 SEM的不确定度：标尺（放大倍数校准）占据了总不确定度的大约一半，这是一个亟需改进的领域。2 表面缺陷的影响：实际样品中，如圆角、非垂直侧壁或边缘粗糙度等问题，会对线宽测量的准确性产生明显影响，均需进一步研究与建模。

进一步测试在工业中接近真实产品特征的样品，对改进模型和计量技术具有重要意义。

测量的准确度和精密度及计量标准

准确度与精密度是两个互相独立但同等重要的概念：准确度（Accuracy）描述测量结果与真实值（或参考值）之间的接近程度。精密度（Precision）反映测量结果在多次重复测量中的一致性。

在半导体制造中，工艺工程师通常更关心尺寸测量的准确性。然而，准确度的实现难度较高，因为它依赖于对边缘位置的准确判定，而这一点对现有测量技术而言始终存在挑战。如：SEM线宽测量从左边缘至右边缘的绝对位置出现误差DeltaL时，将导致线宽测量积累2DeltaL的误差。

为了提升准确度，必须基于适当的模型开发与验证具体的校准与测量方法。最近的研究表明，SEM计量需要涵盖以下三种不同的标准：

放大倍率认证

在SEM中，放大倍率的准确性直接影响到测量的可靠性。

传统认证标准：当前唯一的放大倍率认证标准是NIST开发的SRM 484，其通过镍层分隔的薄金线结构提供一个从1到50微米的节距（pitch）。这一标准广泛适用于大多数SEM应用。

改进版本：更新版的SRM 484最小节距为0.5微米，用于低加速电压SEM的实验室研究中。它后续被升级为编码为NIST SRM 2090的参考材料，这种设备专为工业应用开发，能够提供更精确的放大倍率认证。

在典型SEM中，放大倍率定义为：

放大倍率=样品上扫描区域大小/电子束在显示屏上显示区域大小

当前的校准目标已逐步转向数字测量系统中X和Y方向像素大小的精确校准。

如图8所示，节距型标准样品（如SRM 484和SRM 2090）是校准放大倍率的重要工具：通过测量经过认证的“节距”距离并校准扫描场宽，可以定义每个像素单位的宽度。节距测量的系统误差（例如样品束的相互作用效应）能自然抵消，使得其测量具有自补偿性质。

图8 SRM 2090

宽度测量不适合作为放大倍率校准依据

与节距测量不同，线宽测量中累积了两条边缘的误差，且这些误差因电子束/样品的相互作用而变化。例如：在实验室间的研究中，0.2微米标称线宽的测量结果显示不同实验员之间存在明显差异。在这种情况下，实际边缘的准确位置无法确定，且仪器条件的变化会进一步加剧误差。

为了将宽度测量用于高精度校准，必须开发更为全面的电子束建模方法，目前这一领域仍在不断完善。例如，NIST的MONSEL计算机代码已在特殊样品的线宽关联性预验证中取得了成功。

线宽标准的开发现状

近年来，针对与半导体生产密切相关的线宽标准，各领域均取得了显著进展，尤其集中在以下三个方面：

1 建模改进：NIST与International SeMaTech合作，在电子束—固态相互作用的建模方面取得了重要突破。多次国际研讨会为世界各地的建模开发者提供了交流合作的机会，加速了该领域的发展。基于MONSEL代码的建模在某些明确定义的结构实验验证中取得了优异效果。

2 模型比较与验证：通过NIST和Spectel公司的模型对比研究，增强了MONSEL模型在实际计量任务中的信心。这一比较项目表明，结合多种计量方法（如SEM、AFM等）的协同验证，在评估测量不确定性方面尤为重要。

3 线宽测试晶圆开发：最近开发的线宽测试图案已被设计为下一套AMAG测试晶圆的核心部分（如图9所示）。这种晶圆由半导体工艺相关材料构成，能够同时适用于多种计量技术的测量，如NIST干涉仪和SEM。晶圆的制造为集成电路生产中的线宽标准的可追溯性提供了重要依据。

图9 线宽样品原型图

实验表明，宽度测量的不确定性主要来源于边缘检测误差和电子束/样品的交互效应：边缘形貌偏离理想化，例如圆角或非垂直侧壁，会显著影响线宽测量的准确性。为实现准确测量，必须基于模型的计量方法，进一步消除仪器条件和样品性质变化导致的误差。

自动化CD-SEM仪器性能监测与测量方法

随着CD-SEM在半导体等工业生产中的广泛应用，自动化需求日益增强。用户希望SEM仪器在长期无人操作下运行，但当前多数仪器并未配备自检系统以实时验证其性能。因此，开发定期的性能测试流程成为行业迫切需求。

本章提出了两个关键性能测量指标，即清晰度测量和表观束宽（ABW）测量，并讨论了污染监测在性能诊断中的重要性。

清晰度测量

在完全自动化的生产环境中，准确设置仪器的清晰度对于确保数据和测量的可靠性至关重要。一旦缺乏人工监控，仪器需要通过客观的诊断程序来确保性能稳定。

清晰度的下降可作为仪器需要维护的指标之一。Postek和Vladar首次结合二维傅里叶变换技术提出了清晰度测量方法，为自动化分析仪器性能提供了重要工具。

清晰度测量的核心方法是对SEM图像应用二维傅里叶变换，以客观表征信号中不同频率分量的分布：1高频分量代表图像更加清晰，包含更多细节信息；2低频分量则包含大特征信息，如样品的大尺寸边缘等。利用这一方法可实现清晰度的定量化和自动化监测，而无需人工干预。

图10展示了使用自动化CD-SEM工具进行光刻胶线条测量的实验结果：

图10 CD-SEM性能与线宽的对比

仪器的初始性能较差，平均线宽测量值为247.7纳米，且标准偏差较高。经过更换透镜光阑并正确调整电子光学镜筒后，仪器性能显著提升，线宽测量值为238.1纳米，且标准偏差减小。实验表明，仪器性能对清晰度的调整敏感，这种性能差异在生产工程中会导致重要的测量误差，尤其是在小线宽的情况下。

为监测SEM清晰度，NIST开发了RM 8091参考材料：材料由沉积在硅晶圆上的微晶钨层组成，可用于高、低加速电压下的清晰度测量（图11）。

图11 RM 8091参考材料

标准样品可制作为嵌入式晶圆（150或200毫米），安装于测试平台中以便轻松测量。这种样品与现代集成电路技术兼容。钨样品的替代品包括蒸发锡球，其具有更大的“z”深度，从而减少污染敏感性。

清晰度的定量监测可以显著优化主电子束的参数，如聚焦与像散。傅里叶变换分析方法的优势在于：提供关于整体图像清晰度的高灵敏度数据；能够同步获取重点信息，包括聚焦和像散的优化情况。最佳实践是将清晰度测量集成至SEM系统，作为自动化性能检查的一部分。

表观束宽（ABW）测量

表观束宽（ABW）测量是一种用于诊断CD-SEM在线工具性能的潜在方法，能够定量反映束扫描样品时多种因素的综合影响（图12），包括：束直径，样品壁角，振动及充电效应。

图12 左边缘和右边缘的ABW分析

ABW为单一评估值，便于不同仪器的性能对比。该方法已经通过实验证明能有效反映仪器的性能水平，对于0.25微米及以下工艺尤为关键。

在实际生产中，一些仪器的表观束宽远大于其标称“分辨率”：例如，一个标称4纳米分辨率的仪器，在某些样品上可能显示20纳米甚至更大的表观束宽（图23）。

图13 未涂层光刻胶显微照片展示了相对于扫描速度的ABW差异。(a) 慢速单帧扫描图像采集。(b) 集成快速帧扫描图像。

这种差异不仅违背设计规范，还会对精确线宽测量造成严重误差。

表观束宽的增加可能由多种因素导致：样品动态充电和放电对电子束的偏转影响；环境振动效应累积；数据捕获过程中的采样偏差。

应对措施包括：使用完全导电的样品排除充电效应；比较节距测量与线宽测量，验证结果的合理性和一致性。

污染监测

SEM系统性能的一个常见问题是样品表面的污染沉积。污染不仅降低图像质量，还显著影响性能测量的准确性。标准样品如SRM 2091因其低表面粗糙度，成为污染监测的理想参考对象。为避免污染，应确保仪器在清洁环境中操作，并尽量缩短测试时间。

SRM 2091主要由低粗糙度的材料制成，在测量样品表面污染方面表现优越：样品在实验过程中易受污染的敏感性，可以反映操作环境的清洁度；样品表面的长期可重复测量，有助于建立污染监测的客观标准。

SEM在关键尺寸计量中的发展与未来

SEM自20世纪60年代末成功商品化以来，已成为诸多研究领域的核心工具。其独特优势在于能够提供其他方法无法获得的局部信息和丰富细节，使其在多领域应用中占据重要地位。尤其是在半导体制造领域，SEM作为一种关键尺寸（CD）测量仪器经历了显著的技术跃迁，并仍在不断演进。

第一台商用SEM于20世纪60年代末问世，为研究者提供了全新的观察和分析方法。这种革命性工具迅速普及，并在材料科学、生命科学及其他前沿领域中发挥了不可替代的作用。

到20世纪80年代中后期，SEM被引入作为关键尺寸测量仪器服务于半导体工艺。得益于其高分辨率和局部精确测量能力，SEM在集成电路生产环境中得到广泛应用。从那时起，SEM逐渐在工业领域奠定了其不可动摇的地位，成为确保生产一致性和提升制造良率的关键设备。

近年来，SEM在多项技术上的发展为其性能和应用潜力注入了更多活力：借助先进的算法与计算机技术，SEM能够精准提取样品表面特征信息。数字化数据分析消除了许多原始图像因噪声或分辨率限制带来的障碍，使测量更可靠。从自动数据处理到全流程自动化，计算机技术的深度应用提升了测量效率和重复性。

此外，自动化使SEM操作更为用户友好，减少了对专业技能的依赖。

与传统二维平面测量不同，现代基于模型的测量方法引入了三维形貌重建，将样品细节呈现得更全面、更精确。形状敏感的算法进一步提高了对复杂结构的识别能力，为光刻胶、侧壁倾斜角等测量提供了重要创新。

新型电子源（例如场发射电子源）的研发提供了更高的亮度和能量稳定性，显著增强了SEM的分辨率与测量深度。与此同时，蒙特卡罗建模等理论工具的引入，优化了电子束与样品相互作用的预测能力，为测量提供了更可靠的理论支持。

从当前的技术趋势来看，SEM将在未来制造和研究中继续扮演核心角色。主要驱动因素包括：SEM在短时间内捕获并解析特定位置的高分辨率样品图像的能力，是其在快速制造工艺中不可或缺的优势。随着技术的成熟，这一特点将在制造复杂化、尺寸微缩化的行业中愈发重要。

新型基于建模的测量方法正在快速发展，这些技术正推动SEM从传统测量工具向功能多样化、智能化分析仪器迈进。例如：三维重建进一步增强了对多层结构和复杂几何形貌的解析能力；定量分析和人工智能模型的结合，为新生成的测量数据提供额外洞察力。

无论是在当下还是在可预见的未来，SEM作为高分辨率的“电子眼”，将继续引领工业计量发展的前沿。

来源于老千和他的朋友们，作者孙千

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