MRS-4 SEM 放大倍率标样

主要特点

• SEM 倍率校准范围约为 10×–200,000×
• 包含 1/2 µm、1 µm、2 µm、50 µm 和 500 µm Pitch 周期结构
• 集成 X、Y 两方向 6 mm 长、1 µm 分度的微型刻度尺
• 可用于 X/Y 倍率校准以及图像线性、倾斜角检查
• 1/2 µm Pitch 结构可用于高倍率校准至 200,000×
• 采用石英基底和铬薄膜图形
• 提供可追溯和不可追溯版本
• 可提供 X-Y-Z 追溯版本及清洁、重新镀膜和重新校准服务

图形结构

1. 多级方框 Pitch 图形

MRS-4 包含多组嵌套方框结构，周期分别为：

500 µm　50 µm　2 µm　1 µm　1/2 µm

最大的 500 µm Pitch 图形整体尺寸约为 8 × 8 mm，线条和间隔均为 250 µm，可用于约 10×–100× 的倍率检查。

50 µm Pitch 图形适用于约 100×–1,000× 的倍率范围；2 µm、1 µm 和 1/2 µm Pitch 图形则用于更高倍率的校准，最高可扩展至约 200,000×。

2. X/Y 微型刻度尺

标样集成 X、Y 两方向的微型刻度尺，每个方向长度约 6 mm，分度为 1 µm。该结构可用于不同倍率下的尺寸测量和倍率校准。

3. 圆形、方形及矩形测试结构

除主要 Pitch 图形外，MRS-4 还包含用于尺寸测量和校准确认的圆形、方形和矩形结构。

技术资料中列出的圆形结构尺寸范围约为 2–100 µm；矩形结构包括约 1–31 µm 的 1 µm 递增尺寸，以及约 30–75 µm 和 70–120 µm 的系列尺寸。

倍率校准原理

SEM 的基本倍率计算为：

M = I / O

例如，若 SEM 图像中包含 5 个周期的 2 µm Pitch 图形，则实际物体尺寸为 10 µm。如果这 10 µm 的结构在显示图像上对应 90 mm，则：

M = 90 mm ÷ 0.01 mm = 9,000×

如果显微镜显示倍率为 10,000×，则实际测得倍率与显示值之间存在约 −10% 的误差。

Pitch 测量方式

MRS-4 的 Pitch 是一个完整的周期，即相邻一条线和一个间隔的边缘到边缘距离：

Pitch = 线条 + 相邻间隔

技术说明中的校准测量采用单个图形的实际 Pitch，而不是通过大面积图形的光学衍射来获得平均周期。对于 500 µm、50 µm 和 2 µm Pitch，测量沿器件中心的水平和垂直方向进行；1 µm 和 1/2 µm Pitch 则按照规定的图形位置进行测量。1/2 µm Pitch 图形还进行多次重复测量，以获得相应的尺寸数据。

图像线性检查

任何成像系统都可能存在图像畸变。MRS-4 可以利用其直线结构检查图像的线性，并观察不同位置的尺寸变化。

原厂技术说明列举的典型图像畸变包括：

• 桶形畸变（Barrel distortion）
• 枕形畸变（Pincushion distortion）
• 倾斜/偏斜（Skew）

线性误差通常以相对于理想直线的百分比偏差表示。例如，在 100 mm 的图像长度上出现 1 mm 的直线偏差，对应约 1% 的畸变。

样品倾斜角检查

对于 SEM，MRS-4 在进行标准倍率校准时应尽量使标样表面垂直于电子束，即保持约 0° 倾斜。此时 X、Y 两方向的倍率应基本一致。

当标样绕 X 轴发生倾斜时，Y 方向的尺寸会由于投影缩短而减小，其变化关系与倾斜角的余弦有关：

倾斜角 = cos⁻¹（测得的 Y 尺寸 / X 尺寸）

例如，若一个名义尺寸为 100 µm × 100 µm 的方框，在 X 方向测得 100 µm，而 Y 方向测得 50 µm，则：

倾斜角 = cos⁻¹(50 / 100) = 60°

因此，X/Y 两方向的尺寸差异不仅可以反映倍率问题，也可以用于判断样品相对于电子束的倾斜状态。

材料与制造工艺

第五代 MRS-4.2 采用高精度电子束直写制造设备，在石英基底上制作铬图形。

图形结构由约 40 nm Cr + 30 nm Cr₂O 的铬基抗反射结构组成，并覆盖专用导电层。该结构可在 SEM 的二次电子（SE）和背散射电子（BSE）模式下获得较高的图像对比度。导电涂层使标样能够在不同加速电压条件下进行 SEM 成像。

对于主要用于光学显微镜的应用，原厂建议可选择不带导电涂层的版本，因为导电层可能降低反射光成像时的光学对比度。

测量精度

上述精度数据来自原厂引用的英国国家物理实验室（NPL）测量结果。

计量追溯

MRS-4 可提供可追溯版本和不可追溯版本。X、Y 方向的尺寸追溯来自经英国国家物理实验室（NPL）测量的标准母版；Z 方向的 100 nm 高度则基于经美国国家标准与技术研究院（NIST）测量的 MRS 母版建立。

MRS-4 的计量方式是使用专用 SEM 对单个图形进行实际测量。测量结果与经过 NPL 测量的参考 MRS 进行直接比较，从而建立连续的计量追溯链。

对于提供认证的 MRS-4，每个标样具有独立的唯一序列号，并刻印于标样上。认证文件包括序列号、认证日期、操作人员、使用的测量仪器、实际图形测量结果以及精度数据。认证按照原厂所述的 ISO 指南进行。

校准测量方法

MRS-4 的 X/Y 尺寸测量在真空环境下使用改造后的扫描电子显微探针系统进行。

500 µm、50 µm 和 2 µm Pitch 沿标样中心区域的水平和垂直方向进行测量；1 µm 和 1/2 µm Pitch 按照指定图形位置进行测量。1/2 µm Pitch 图形分别在中心区域左侧和上方进行多次测量。

每个测量结果以 Pitch 的形式报告，即相邻一条线和一个间隔的边缘到边缘距离之和。

可选的 Z 轴高度测量则通过轮廓仪测量，并与经过 NIST 测量的 MRS 标准进行比较。原厂说明中，X/Y 数据在真空中测量，Z 方向数据在空气中测量。

使用条件为约 25°C ±10°C、相对湿度低于 90%，扩展不确定度采用 k=2 的覆盖因子报告。

适用显微镜与分析系统

标样尺寸与安装

由于 MRS-4 采用石英基底，边缘容易发生崩裂，因此建议配合专用保护固定座使用。

标准固定座通过超高真空兼容的导电银环氧胶固定标样。可选 SEM/R 保护固定座和 OM/R 光学显微镜适配器。

保护固定座与特殊版本

复校与维护

建议进行年度复校。长期使用过程中，标样可能因物理损伤、严重污染、电子束损伤或腐蚀而无法通过重新认证。

其中，物理损伤常见于光学显微镜物镜直接划过标样表面或其他不当操作；电子束长期作用以及不适当的保存环境也可能造成损伤。

原厂提供清洁、重新镀膜和重新校准服务。实际复校周期也可根据实验室自身的质量管理体系以及 ISO 9000、QS9000、ISO/IEC 17025 等相关质量要求确定。

产品型号

保存

为减少污染，建议将 MRS 标样存放在真空环境中。对于安装在样品台上的 MRS 标样，可使用 PELCO 真空干燥样品盒进行保存。

相关校准标准

引用了以下显微镜倍率校准相关标准：

• ASTM E766：扫描电子显微镜倍率校准标准实践
• ASTM E1951：光学显微镜、摄影倍率、视频显示倍率及测量标尺校准指南

使用 ASTM E766 的方法可以对 SEM 倍率进行校准；MRS-4 的 1/2 µm Pitch 结构则可将适用倍率范围进一步扩展至约 200,000×。