扫描电子显微镜(SEM)是一种介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的一种观察手段。其利用聚焦的很窄的高能电子束来扫描样品，通过光束与物质间的相互作用，来激发各种物理信息，对这些信息收集、放大、再成像以达到对物质微观形貌表征的目的。SEM是一种表征半导体器件结构的关键仪器。在芯片制造过程中，高分辨率 SEM可用于诸多精细检测和计量应用，比如图案特征的关键尺寸测量、极小缺陷的识别和分类等。有了这些信息，可以更好的帮助芯片工程师调整并改进他们的制造工艺，生产出质量更加上乘的芯片。
图1截锥体阵列
SEM以电子束作为照明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上。当电子束与理想路径发生轻微偏离或电子束撞击芯片表面的角度产生微小偏差都可能会导致SEM图像发生扭曲或失真。为了解决这个问题，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 和半导体及相关行业检测和测量系统提供商 KLA 公司的研究人员通过改进电子束的角度偏差有效提高了 SEM 的测量精度。
为了测量电子束的倾斜角度，NIST和KLA创建了一个电子显微镜的原型标准，并以一种新的方式分析了由此产生的电子显微照片。原型标准由一组被称为锥形圆台的逐渐变细的硅柱组成，形成对光束倾斜高度敏感的图像。倾斜表现为圆锥台的上边缘和下边缘的图像中心之间的偏移。研究人员利用他们在模拟电子与物质相互作用方面的专业知识，利用模拟来证明亚毫弧度精度的潜力，指导他们正在进行的标准工件的设计和制造。
在已知位置处的圆锥台阵列可以测量 SEM 扫描和成像区域内光束倾斜的任何变化。这些测量可以进一步校准电子显微镜的放大倍率和畸变。此外，新标准还适用于芯片制造中使用的其他显微镜，包括原子力和超分辨率光学显微镜。这种能够比较不同显微镜之间测量结果的能力有助于在不同方法之间可靠且重复地传递信息，并提高测量模型的准确性。
图2 SEM图像的模拟，表示电子束倾斜的影响，如在截锥体顶部和底部边缘的中心之间的移动。
NIST研究员、论文第一作者Andrew C. Madison表示，电子束倾斜会改变器件特征的明显位置，从而降低 SEM 测量的准确性，但他们的新标准和分析方法可以有效检测电子束在成像领域变化时的位移。NIST 研究员兼首席研究员 Samuel M. Stavis称，利用这些数据，SEM 制造商能够进行校准和校正，从而提高图像质量和测量精度。
KLA公司高级副总裁兼总经理Yalin Xiong提到，“作为半导体检测和计量领域的专家，我们不断探索能够扩展当前测量极限的新技术”。与研究机构的合作在发现有助于推进芯片行业过程控制的创新方面发挥着重要作用。公司与 NIST 的联合研究旨在提高用于表征芯片制造流程的基本测量的准确性。” NIST计划下一步将新的标准和分析方法广泛应用于芯片制造行业和学术界。
原标题：一种提高扫描电子显微镜测量精度的新技术
