可溯源計量型掃描電子顯微鏡裝置設計方案  殷伯華供圖

人們探索世界的尺度越來(lái)越精細，微電子器件的應用也更加顯示出其優(yōu)越性。例如，芯片上可集成的晶體管數越來(lái)越多，CPU的計算速度越來(lái)越快，功耗也極大的降低。

隨著(zhù)半導體器件的尺寸逐漸逼近摩爾定律的極限，在納米尺度下如何看清這些器件芯片上的微結構，如何對器件的尺寸進(jìn)行精確檢測；在納米計量研究領(lǐng)域如何對納米標準顆粒、標準線(xiàn)寬、線(xiàn)紋尺等標準樣品進(jìn)行計量標定等，都面臨精確測量的問(wèn)題。具備高精度和低誤差的可溯源計量型掃描電子顯微鏡（以下簡(jiǎn)稱(chēng)可溯源計量電鏡）可高效完成上述任務(wù)。

中國科學(xué)院電工研究所聯(lián)合中國計量科學(xué)研究院、國家納米科學(xué)中心共同構建了國內首臺可溯源計量電鏡，實(shí)現了微納米器件及標準物質(zhì)等納米尺度的高精度長(cháng)度計量測量功能，以及對樣品掃描成像的納米尺寸量值溯源。該裝備可有效減少電子束掃描成像過(guò)程中放大倍率波動(dòng)和掃描線(xiàn)圈非線(xiàn)性特征在納米尺度測量中產(chǎn)生的誤差。

“消滅”掃描電鏡在可溯源計量中的誤差

溯源計量電鏡的成像原理與普通掃描電鏡相同，都是利用聚焦成納米尺寸的電子探針與被檢測樣品淺層原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生二次電子信號，通過(guò)對二次電子信號進(jìn)行放大處理及檢測，從而實(shí)現微觀(guān)成像。

普通掃描電鏡通過(guò)調整放大倍率改變掃描范圍，通過(guò)偏轉電子束獲得掃描圖像。中國科學(xué)院電工研究所高級工程師殷伯華對《中國科學(xué)報》表示，影響掃描電鏡圖像放大倍率準確性的因素很多，如加速電壓波動(dòng)、偏轉掃描非線(xiàn)性特征、圖形漂移等，這些因素最大可導致普通掃描電鏡放大倍率的誤差達到5%~10%，尺寸測量的不確定度難以評價(jià)。

值得一提的是，可溯源計量電鏡與普通掃描電鏡偏轉電子束掃描的成像方式不同。

中國科學(xué)院電工研究所研究員韓立提出，在可溯源計量電鏡中，用納米位移臺的步進(jìn)掃描方式進(jìn)行成像?！巴瑫r(shí)，可溯源計量電鏡引入激光干涉儀作為位移臺的測量工具，可以實(shí)現高精度可溯源的微納米結構尺寸測量，是半導體器件尺寸檢測過(guò)程中必不可少的儀器?！?/span>

具體地說(shuō)，可溯源計量電鏡的新穎性在于保持電子束斑不動(dòng)的前提下，在納米位移臺逐點(diǎn)位移的過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)采樣二次電子圖像信號方法獲取掃描圖像。同時(shí)，每個(gè)像素點(diǎn)對應的納米臺位置坐標從激光干涉測量系統中獲取?！斑@種成像方法使圖像的像素點(diǎn)位置與激光干涉儀的測量結果直接相關(guān)，實(shí)現了納米尺寸測量的量值溯源?！表n立表示。

這樣獲得的顯微鏡圖像中，每個(gè)像素點(diǎn)都對應一個(gè)激光干涉儀測量獲得的精確位置坐標?！半S后在測量圖像中的樣品尺寸時(shí)，直接對指定像素位置坐標進(jìn)行計算，即可獲得樣品的精確尺寸，因此掃描電鏡掃描范圍的波動(dòng)等誤差不會(huì )影響測量結果?！表n立告訴《中國科學(xué)報》。

基于此，研究團隊先后研制了3套可溯源計量電鏡系統。目前可以對50mm×50mm的標準樣品中的微納結構進(jìn)行尺寸溯源測量，單次掃描成像范圍達到100μm×100μm。

需環(huán)環(huán)相扣、層層把關(guān)

據悉，研究團隊研制的可溯源計量電鏡實(shí)驗平臺主要由熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡主體、宏微結合堆疊結構的雙位移臺定位掃描系統、激光干涉測量系統、電子學(xué)控制系統和測量控制軟件5部分構成。

其中熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡作為實(shí)現計量型電鏡成像方法的載體，負責電子束聚焦掃描與二次電子圖形信號的收集；雙位移臺單元負責承載被測樣品、精確定位和掃描成像；激光干涉測量系統負責記錄位移臺系統移動(dòng)的位置信息；電子學(xué)控制系統負責高速掃描過(guò)程中每個(gè)位置的二次電子圖像信號采集；測量控制軟件負責圖像顯示、結構尺寸測量與邊沿識別。

可溯源計量電鏡的構建，是依靠無(wú)數個(gè)細節堆積出來(lái)的。從開(kāi)始的電路設計，到軟件開(kāi)發(fā)，再到工藝實(shí)驗、掃描成像實(shí)驗……任何一個(gè)環(huán)節都決定著(zhù)整個(gè)設計的成敗。

殷伯華回憶，在進(jìn)行第二套可溯源計量電鏡的制作時(shí)，激光干涉儀的數據讀取出現了故障。研究團隊檢查了各類(lèi)軟件和硬件，都沒(méi)發(fā)現問(wèn)題的原因。

“反復折騰了一個(gè)月，最后檢查發(fā)現，我們犯了一個(gè)特別簡(jiǎn)單、低級的錯誤：激光干涉儀到DSP控制器之間的一根信號線(xiàn)——地線(xiàn)沒(méi)有接好?！币蟛A說(shuō)，接上地線(xiàn)后，激光測量數據立馬恢復正常?！霸O備制作過(guò)程中，類(lèi)似這樣的細節工作非常多，每一個(gè)細節都會(huì )決定設備的進(jìn)展。無(wú)數個(gè)細節堆在一塊兒，才有了最后精準的儀器?！?/span>

此外，殷伯華介紹，光機電和軟件是一體的，它包括光學(xué)測量、嵌入式軟件開(kāi)發(fā)、電子學(xué)控制、控制系統的設計開(kāi)發(fā)等，整個(gè)實(shí)驗過(guò)程需環(huán)環(huán)相扣、層層把關(guān)，才能獲得高清晰度計量電鏡的圖像，才能準確測量微結構的數據。

三位一體“丈量”納米世界

研究團隊開(kāi)發(fā)的可溯源計量電鏡是繼美國國家標準技術(shù)研究所和德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院之后，國際上第3臺同類(lèi)儀器?！斑@使得我們國家相關(guān)科研人員可以參加國際納米組織的國際計量比對工作，提高了中國在國際納米計量標準制定領(lǐng)域的話(huà)語(yǔ)權?！表n立表示。

中科院電工研究所是設備研制團隊，國家納米科學(xué)中心是應用團隊，中國計量科學(xué)研究院是制定國家標準的團隊?！霸O備制造者研制儀器、應用者進(jìn)行使用、再由制定標準者進(jìn)行國家標準的制定，這樣三位一體結合起來(lái)工作才能體現設備的意義。閉門(mén)造車(chē)，自賣(mài)自夸沒(méi)用，用戶(hù)覺(jué)得準確、滿(mǎn)意才好?！币蟛A說(shuō)。

據悉，目前，該可溯源計量電鏡成像及測量系統已經(jīng)在3個(gè)單位安裝運行。

其中，第一臺原理樣機的研制和測試工作在中國科學(xué)院電工研究所的SIGMA場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上進(jìn)行，已經(jīng)成功驗證了基于納米位移臺步進(jìn)掃描成像和基于激光干涉測量數據的標準樣品尺寸可溯源測量。

第二臺可溯源計量電鏡成像及測量系統安裝在中國計量科學(xué)研究院的ULTRA55場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡平臺上，2014年順利完成了質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專(zhuān)項項目的科研任務(wù)，實(shí)現了40微米區域的掃描成像與可溯源計量工作。2018年，依托該裝置制訂了國家標準“掃描電子顯微鏡用微納米標準樣板校準方法”。

第三臺系統安裝在國家納米科學(xué)中心的MERLIN場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡平臺上，利用該系統順利完成了中國科學(xué)院支持項目，實(shí)現了100微米區域的掃描成像與可溯源計量研究工作。

殷伯華指出，可溯源計量電鏡的成功研制在中國納米尺度計量標準的制定、掃描電子顯微鏡及其他納米尺寸測量?jì)x器的校準、納米標樣和標物的校準、參與國際長(cháng)度比對等方面將起到重要作用。

接下來(lái)，研究團隊將進(jìn)一步在激光光路、納米臺設計與運動(dòng)控制策略以及電子學(xué)控制方面對顯微鏡進(jìn)行優(yōu)化設計，研究基于激光測量位置的圖像重整方法，從而進(jìn)一步提高測量精度、降低測量不確定度。

“讓可溯源計量電鏡儀器真正成為計量行業(yè)和半導體檢測領(lǐng)域的‘慧眼’和‘尺子’，還原真實(shí)的納米世界?！币蟛A說(shuō)。