关键尺寸扫描电镜（CD-SEM）技术解读

计量学是推动当前及未来几代半导体器件开发与制造的重要基石。随着技术节点不断缩小至100纳米，甚至更小的线宽，以及高深宽比结构的广泛应用，扫描电子显微镜（SEM）凭借其高分辨率和多功能性，依然在全球半导体制造的多个阶段中占据核心地位。

相比于当前依赖光学显微镜的测量技术，SEM展现出更卓越的分辨率与检测能力，同时相比扫描探针技术（SPM），在处理速度上具有显著优势。此外，SEM提供了多种分析模式，每种模式针对特定类型的样品、器件或电路，能够揭示其物理、化学及电学特性，提供独特而详细的信息。

1 CD-SEM的基本结构

无论是实验室通用型还是用于集成电路结构和尺寸测量的专用设备，SEM的基本工作原理基本一致。SEM之所以得名，是因为它利用细聚焦的电子束，以精确的光栅扫描模式（通常为矩形或正方形）逐点扫描样品表面。

SEM的电子束来自电子源，通常在0.2千伏到30千伏的加速电压下运行。在半导体生产中，CD-SEM多在0.4千伏至1千伏的电压范围内工作。电子束沿镜筒向下，通过一个或多个电子光学聚光镜被缩小，其直径从几微米逐渐收缩到纳米量级。

操作者通过调整加速电压和聚光镜缩小程度，根据样品特性、分辨率需求和放大倍数，优化电子束成像效果。最终，当电子束撞击样品时，其直径约为几纳米。

SEM中受控的扫描线圈偏转电子束，使其以光栅模式扫描样品表面。这种扫描与显示屏的偏转同步，从而将样品生成的信号逐点显示和记录。放大倍数由扫描区域大小决定，样品上一个像素所代表的区域越小，有效放大倍数越高。因此，正确的光栅扫描校准对于精确测量至关重要。SEM能够实现极高的分辨率和放大倍数，而传统光镜因衍射限制，最佳分辨率仅为0.25-0.5微米。 

图1 CD-SEM结构示意图

 

图1展示了典型“自上而下”设计的SEM，这种优化设计适合高效观测平面结构，但样品不能倾斜。一些实验室型和缺陷检测型仪器允许样品倾斜，适用于观察侧壁结构、横截面信息以及优化X射线采集。一些现代仪器甚至能够生成样品的立体图像。

与光镜相比，SEM的景深更大（约为光镜的100-500倍），使其在高放大倍数下能清晰呈现粗糙表面的显微图像。然而，对于某些高纵横比的半导体结构，其景深仍可能不足。另一个重要特性是SEM的等焦性：操作者可在高放大倍数下完成对焦和像散校正，降低放大倍数后图像依然保持清晰。

为了有效传播电子束，SEM镜筒需保持高真空状态，因为在空气中的电子传输距离有限。真空水平由仪器设计决定，通常采用离子泵、扩散泵或涡轮分子泵来维持真空。在实验室应用中，新型低真空设计允许观察更多样的样品类型，但尚未在半导体生产中普及，这种设计或将在未来迎来更广泛的应用。

2 CD-SEM的电子信号

当高能电子束与固体样品发生相互作用时，会在样品的相互作用区域内生成多种信号。这些信号能够被SEM收集、分析并用于成像。

在SEM中，最常用的信号类型是二次电子（Secondary Electrons, SE）和背散射电子（Backscattered Electrons, BSE）。图2显示了它们的强度分布特点。

图2 SEM中典型信号的强度分布

 

信号的形成区域受以下因素影响：1入射电子束的加速电压决定了电子的穿透深度和相互作用范围。2样品成分会影响信号强度及生成机制。3样品几何形状决定了电子的散射路径和探测器的捕获效率。当相互作用区域内产生的信号穿透样品表面，并由适当的收集和显示设备捕获后，可用于生成高分辨率的样品图像，实现物理、化学及结构信息的提取。

2.1 电子射程

即使在较低加速电压下，入射电子束仍然能够穿透样品一定距离，形成相互作用体积。因此，理解并量化这一相互作用区域对于分析信号来源至关重要。

电子射程代表了电子在样品中的最大穿透深度。由于低加速电压下电子与样品的相互作用机制复杂，目前尚无通用方程能完全准确地预测电子在材料中的运动轨迹。不过，近年来针对这一问题的研究取得了显著进展。Kanaya和Okayama提出的一种表达式对低原子量元素和低加速电压条件下的电子射程提供了较准确的近似计算。

图3展示了5千电子伏（5 keV）及800电子伏（800 eV）条件下，电子在光刻胶层中的计算轨迹。射程界限被视为类似“材料的连续层”，近似代表电子作用范围。

图3 高加速电压(5 kV)(左)和低加速电压(800 V)(右)的蒙特卡洛电子轨迹图。

 

此外，在多面几何结构样品中，较高加速电压的电子会沿着更复杂的路径运动，可能多次穿透和离开样品表面。这种复杂性显著增加了精确建模的难度。

2.2 二次电子（SE）

在CD-SEM中，SE是最常用的信号，其在SEM图像中占主要比例。二次电子主要由主电子束与样品表面前几纳米范围内的相互作用产生。它们的逃逸深度因加速电压和样品材料原子序数而异：对金属材料，约为2-10纳米。对非导体，约为5-50纳米。此外，背散射电子离开样品表面，或与样品室内壁发生碰撞时，也会产生二次电子。

二次电子能量范围一般在1-50电子伏特（eV）之间。由于其低能量，二次电子只能从样品极浅表层逃逸，因此携带着高分辨率的表面特征信息。在低加速电压下，二次电子易于收集，信号强度明显高于其他类型的电子信号，适合用于表面形貌的精确检测。

图4 光刻胶的扫描电镜图像

 

实际上，二次电子信号并不完全来源于主电子束与样品的直接相互作用。研究表明，远程生成电子（能量小于50 eV）的数量远超于入射电子束直接作用产生的电子（多达3倍）。由于电子散射的作用，一部分二次电子可来源于入射电子束撞击位置以外的区域，这使得信号的来源更加复杂。

二次电子信号来源复杂，它是由多种相互作用机制共同生成的，具体可以分为四种主要信号来源：SE-1：入射电子束首次与样品直接相互作用时，在表面产生的二次电子。SE-2：背散射电子（BSE）在离开样品表面时产生的二次电子。

SE-3：背散射电子经过多次相互作用（包括与样品其他结构或仪器内部部件的碰撞）生成的二次电子。SE-4：来自电子光学镜筒中杂散电子的二次电子。如图5所示，这也是二次电子信号建模复杂且具有挑战性的原因之一。

图5 典型实验室SEM中四种可能的二次电子产生方式的示意图

 

根据Peters的实验测量数据（以金的晶体为例），二次电子图像中各组分的贡献比例如下：SE-1约占10%。SE-2约占30%。SE-3占主要比例，约为60%。标准的Everhart-Thornley探测器无法区分这些不同来源的电子，因此最终收集的信号是所有这些来源的综合结果。

由于二次电子信号形成机制复杂且依赖多种因素，其一致性和准确性容易受到以下因素干扰：样品相关因素，如成分、几何形状的不同。仪器相关因素，例如仪器内部的几何结构或探测器的收集场异常（如载物台运动）。信号高变性，二次电子的复杂来源及其与仪器设计的强依赖性，使其极难被精确建模。

这种信息的不确定性，可能导致计量学中对关键尺寸（CD）的结果解读出现偏差。因此，在分析二次电子信号时，需特别关注可能存在的误差来源，并根据具体样品和设备条件做出优化。

2.3 二次电子的收集

在SEM中，二次电子信号的检测通常依赖专门设计的探测器设备，这些探测器决定了信号收集的效率和图像质量。最常见的闪烁体式探测器，由Everhart和Thornley设计，也叫Everhart-Thornley（E/T）探测器，该探测器配备正偏压收集器，以吸引低能量的二次电子，提高信号采集效率。也包括商业型号众多的镜筒内探测器，比如Inlens探测器，T2探测器，TLD探测器，UP探测器等。也有其他探测器，例如微通道板探测器，这是一种高灵敏度的探测器类型，适用于特定高分辨率应用。

由于二次电子的能量较低，其轨迹很容易受到局部电场和磁场的干扰，因此探测器的设计和安装影响至关重要：1探测器位置及电势，收集效率直接与探测器的物理位置及样品周围电场的分布相关。2与样品几何形状的关系，位置不合理的探测器可能导致信号收集的不对称性，尤其是用于检测窄垂直结构（如光刻胶线）时。

偏轴角度安装的探测器在一些实验室仪器中较为常见，这种配置可能导致对样品特征边缘检测的不对称性。比如，窄垂直结构的左右侧可能表现出不同的信号强度和形态，影响轮廓的对称性。此外，CD的准确测量还涉及仪器电学系统引入的噪声，样品与电子束相互作用的非对称性或样品本身的不均匀性。

2.4 背散射电子（BSE）

BSE是指在样品中发生弹性或非弹性碰撞后，以能量大于50 eV发射出的电子。这些电子具有独特的物理特性，在成像和表征中发挥着重要作用。

背散射电子的特点：1高能量组成：背散射电子的能量通常接近入射电子束的入射能量。例如：30 keV的入射电子束可产生能量范围在24-30 keV的背散射电子。1 keV的入射电子束则对应约1 keV的BSE。高能背散射电子信号不仅可以直接被探测器收集成像，也可能与样品或样品室继续相互作用，产生其他信号。2方向性：由于较高的能量，BSE具有较强的方向性，不易受到周围电场的干扰。当BSE进入视线范围并击中E/T探测器时，会间接对二次电子图像产生影响。

影响背散射电子信号的因素：1样品化学成分：不同材料的BSE产额依赖于其原子序数，意味着BSE可以用于区分样品的化学组成。2加速电压：在约5 kV以上，BSE信号与加速电压关系较弱，但较低电压时可能更敏感。3 探测器和样品几何：探测器位置及样品的倾斜角度会显著影响BSE的收集效率和信号质量。

背散射电子的优势：1抗表面充电能力：背散射电子因其高能量，受表面电荷干扰的程度远低于二次电子。这使得它在检测未涂层样品或表面容易充电的材料时表现出色。2优化成像技术：通过调整样品的倾斜角度和探测器的偏压，可以更有效地检测未涂层样品，解决通常受表面充电限制的观察问题。

2.5 背散射电子的收集

BSE从样品表面向多个方向发射，但其分布在半球空间中并不均匀。由于其高能量和直线轨迹，探测器必须精确地放置在能够截获BSE路径的位置以确保有效收集。

为了有效探测背散射电子，可使用以下类型的探测器：1 固态二极管探测器：利用BSE的高能量直线性设计，能够高效收集表面产生的信号。2 微通道板探测器：多功能、高灵敏度探测器，适用于更复杂的应用场景。3 闪烁体探测器：专为背散射电子设计，能够通过优化放置位置截获BSE路径，大多设计在镜筒内。

探测器的尺寸、几何位置及其相对样品的摆放方式会显著影响采集到的信号：偏置探测器可能导致图像的不均匀性，甚至影响测量精度。仔细分析探测器的特性（如灵敏度、收集角度）及其与样品的关系，对于准确解读BSE信号尤为重要。

BSE还可以采用能量过滤探测器进行检测，这些探测器具有独特的优势：

1能量过滤能隔离那些与样品相互作用程度较低的电子（低损耗电子）。这些电子的信号通常产生于样品体积的较浅层，因而提供了更高分辨率的信息。在低加速电压下，能量过滤探测器已被广泛成功应用，尽管可能面临信噪比的限制。

2建模优势，能量过滤探测器的已知输入参数使电子束与样品的相互作用建模更加直观有序，有助于精确开发关键尺寸（CD）计量学标准。

3  CD-SEM计量学

在1987年的一篇关于SEM计量学的综述中，当时使用的主要电子源为热发射型阴极，其中尤以常规发夹钨丝和六硼化镧（LaB6）为代表。而当时SEM光学镜筒的设计较为简单，CD-SEM的计量学应用刚刚起步，这些设备实际上是通过实验室仪器改装而来。

现代SEM设计中的诸多重要变化和技术进步。特别是以下两个方面的升级：场发射电子枪的广泛应用，大幅提高了电子束亮度和分辨率。改进物镜设计的引入，增强了电子束的聚焦能力和成像质量。读者可以参考相关研究文章，了解这些发展对SEM计量学的深远影响。表1对CD-SEM的一些关键特性和主要技术要求进行了总结。

表1 早期典型CD-SEM计量仪器规格

参数	规格
最小可测特征尺寸	< 0.1 μm
图像分辨率（@1 kV）	< 4 nm
加速电压范围	通用型：0.5-30 kV
	在线型：0.5-2.5 kV
放大倍数	100×-500,000×
晶圆尺寸处理能力	300 mm
清洁度	≪ 1个粒子/道次
平均故障间隔时间	≫ 1000小时
可用性	> 95%
3σ重复性（线和间距）	静态 < 2 nm

 

3.1 低加速电压检测和计量

低加速电压操作目前对半导体工业的生产和制造非常重要。在低加速电压(200 V至2.5 kV)下，可以以非破坏性方式检查在制晶圆。随着纳米几何尺寸的出现，对许多加工步骤进行在线检查变得势在必行。使用涡轮分子泵和离子泵的现代清洁真空技术能够实现几乎无污染的检查，以筛查晶圆的适当显影、对准、蚀刻、光刻胶去除，以及在下一个加工步骤之前是否存在可见污染物。

低加速电压操作不仅限于晶圆制造，光掩模检查也可以在SEM中进行。光掩模中的缺陷，无论是随机的还是重复的，都是器件制造中产率损失的来源。缺陷可能出现在玻璃、光刻胶或铬中，表现为针孔、桥接、玻璃断裂、突起、溶剂斑点、凹陷，甚至缺失几何特征。许多为半导体工业开发的技术正在其他领域得到应用，如聚合物工业和生物应用。

目前，所有关键尺寸（CD）计量学都在“非破坏性”条件下进行。所谓非破坏性，指的是样品在放入SEM之前不会发生物理改变，且SEM检测的过程不会损坏样品的后续功能或使用价值。

在此之前，扫描电镜通常使用20-30千伏的高加速电压以优化图像分辨率和信噪比。然而，这种高电压操作存在几大不足：对于非导电样品，需在其表面镀上一层金等导电材料，以增强信号并提供接地通路。仪器只能容纳尺寸较小的样品，导致半导体行业常用的大面积晶圆在检测前必须被分割。尤其是后者，每次加工过程需牺牲昂贵的晶圆样品，这种方法随着晶圆尺寸增大而变得更加不可行。

如今，生产过程中的在线检测要求操作过程完全非破坏性，样品无需镀层且保持完整无损。这一需求推动了扫描电镜以下技术的革新：1场发射源，提高了低加速电压的性能。2大腔室设计，支持更大样品（如整片晶圆）的检测。3改进透镜技术，增强聚焦能力和成像精度。4清洁抽气系统与数字帧存储，提升了设备整体性能与数据管理效率。这种现代化的技术改进背后，半导体行业一直是核心驱动力。

高能电子可能会对敏感器件造成物理损伤，这是在线检测的一大潜在问题。低加速电压操作正在成为解决这一问题的重要手段，通常定义为加速电压低于2.5千伏（通常在0.4至1.2千伏范围）。

低加速电压操作的主要优势有：1减少样品损伤，低能电子束穿透距离短，对光刻胶等材料的敏感层影响更小；2电荷积累风险更低，更适合非破坏性评估。3优化信号强度，低能电子束在样品表面附近产生更多二次电子，这些电子更容易逃逸并被收集，从而提高图像质量。4精确控制加速电压和束能量，在非破坏性检测中至关重要。

加速电压需保持在入射电子束的最小实用值，例如200伏至2.5千伏范围内。理想操作条件常需逐步调整加速电压，步长可小至10伏。这种调节方式可以使得无用的带电图像转变为有用的样品信息图像。此外，加速电压的小幅调整（如仅改变100伏）或样品的轻微倾斜，可能显著影响成像结果。例如，不同光刻胶样品的导电性质多变，因此，低加速电压的成功应用需要深刻理解样品的电性能及其变化趋势。最近研究表明，样品的位置、衬底的性质以及光刻胶的类型和厚度都会影响理想加速电压的选择。

3.2 总电子发射

总电子发射是指从样品中发射的电子总数（标记为δ），其行为对非破坏性、低加速电压操作中的成像和样品表征至关重要。图6和图7分别展示了总电子发射的行为曲线及其在绝缘样品成像中的应用。

图6 用于无损SEM计量和检测的典型总电子发射曲线。E1和E2表示样品上预期不会发生充电的点 

 

图7 未涂层光刻胶的低加速电压图像

 

总电子发射曲线与单位线相交的点（E1和E2）显示了样品没有净电荷积累的条件，即发射电子数刚好等于入射电子数。绝缘样品（如光刻胶或二氧化硅）在电子束辐照下可能会吸收束电子并产生负电荷，从而降低入射电子束的实际入射能量。例如，如果入射电子束能量为2.4 keV，而样品的E2点为2 keV，样品将生成约-0.4 keV的负电位，迫使入射能量降至E2点。负电荷积累可能对电子束产生不利影响，降低图像质量，甚至导致信号丢失。

当主电子束操作点处于E1和E2之间时，样品可能发射的电子多于入射电子，从而带正电。正电荷的影响较小，通常局限在几伏范围内。然而，这可能抑制低能二次电子的持续发射，减少被探测器收集的信号量。

总之， 操作点越接近单位产额点（E1和E2），样品的充电效应越小，从而得到更高质量的成像。

不同材料有各自的总发射曲线，因此需要在所有样品材料的E1和E2点之间找到一个折中电压值。对大多数材料而言，0.2-1 keV的加速电压范围通常能有效减少充电效应，并将器件损伤降到最低。另外，增大样品倾斜通常会将E2点移向更高的加速电压值，这有助于优化操作条件。

总电子信号的形成机制非常复杂，主要受以下因素的综合影响：1电子束着陆能量：入射电子束的能量直接决定了发射电子的数量和其动能特性。2发射电子的轨迹：发射电子的方向性与样品表面特性有关，并受到局部电磁场的强烈影响。3局部电磁场影响：样品充电效应和探测器周围的电磁场都会改变发射电子的轨迹，从而影响探测器的信号收集能力。

总电子发射理论为优化样品观察提供了基础指导。通过选择接近单位产额点的操作点，可有效消除样品的充电效应，提高信号质量。针对不同样品材料，需要调节加速电压、电子束能量和样品倾斜角度，以观察到最佳图像。进一步研究电子发射行为还可为开发更先进的扫描电镜技术，如精确的非破坏性检测提供支持。

3.3 线宽测量

在集成电路的制造过程中，线宽和器件结构的其他关键尺寸的精确控制对于确保集成电路性能满足设计规格至关重要。然而，传统的光学测量方法已无法满足检测超大规模集成电路（VLSI）和超超大规模集成电路（ULSI）几何尺寸的精度需求。这是因为现代晶圆制造采用极短波长辐射（如X射线和电子束）进行光刻，使得测试与测量也需要相匹配的短波长光学系统和高分辨率技术。

线宽测量有两个核心测量参数：线宽与节距。线宽是指沿某一特定轴向的单个结构的尺寸，是评估集成电路物理特性的关键参数之一。节距（或位移）是指两个或多个近似相同的结构上对应位置之间的间距测量（见图8）。

图8 节距和线宽对比

 

相比光镜，SEM具备更卓越的可操作性，其放大倍数可以跨越四个数量级以上，因此特别适用于纳米级几何结构的精准测量。

SEM线宽测量依赖于放大倍数的准确性，而这直接受到工作距离和加速电压等多个运行因素的影响。尽管典型SEM的放大倍数已经适应大多数应用需求，但对于关键测量工作，这种准确性可能仍不满足长时间高精度测量的要求，因为放大倍数会随时间出现漂移。为实现关键尺寸的可重复测量，所有影响放大倍数稳定性的不确定因素（如机械误差、电流波动和环境变化）都必须被降至最低。

Jensen和Swyt以及Postek分别概述了影响SEM图像形成及线宽测量的常见误差源，如样品充电效应、电子束散射、探测器响应等。在开展高精度的线宽测量之前，这些误差必须加以校正，否则可能影响测量结果的可靠性。

3.4  颗粒计量学

颗粒计量和表征已经成为半导体制造中一个快速发展的领域。这是因为颗粒在制造过程中可能对产品质量和设备性能产生深远的影响。事实上，颗粒计量可以被视为关键尺寸（CD）计量的一种特例，因为测量线宽时遇到的许多挑战同样适用于颗粒尺寸测量。

颗粒的产生贯穿于加工的多个环节，以下是主要来源：

1加工过程中，许多设备部件的磨损会通过机械作用产生颗粒。此外，检测过程本身（包括SEM操作）也可能成为颗粒生成的原因。

2晶圆在传输进出系统时，与传输机构的物理接触可能产生颗粒。抽真空时由于湍流效应，颗粒可能移动并最终沉积在晶圆表面。

3样品更换涉及温度和压力的波动，这可能引发水蒸气凝结、液滴形成以及液相化学反应，从而产生颗粒污染。

颗粒污染不仅影响产品质量，还可能对检测系统本身造成损害，例如：颗粒的存在可能干扰器件结构的完整性，甚至导致晶圆报废。在SEM内部，颗粒可能通过磨损或电荷积累的方式干扰仪器运行。如果带电颗粒沉积在SEM敏感部位（如透镜系统或探测器），会显著降低设备分辨率，影响成像质量甚至导致设备失效。

3.5 套准计量

目前，可见光和紫外光光学系统的分辨率已经足够满足现有工艺中套准计量的需求。然而，随着套准计量结构的持续微缩化，传统光学方法将逐渐无法满足要求。这种情况下，SEM将在套准计量中发挥越来越重要的作用。

SEM正逐步被引入套准计量工艺，尤其是在极高精度要求的结构中。例如，SEM被用于双极集成电路技术中的关键控制任务发射极到基极的套准测量。Rosenfield，以及Rosenfield和Starikov的研究表明，SEM具有采集下一代半导体器件所需信息的重要潜力。这表明SEM在超高分辨率和复杂结构测量中正在展现其独特优势。

3.6 自动化CD-SEM特点

自动化CD-SEM的主要技术特性为半导体制造和检测提供了必要的指导方向。为确保180纳米及以下制造技术的光刻和刻蚀过程的CD测量和控制，国际SEMATECH联盟、美国国家标准与技术研究院（NIST）以及国际SEMATECH的专家组联合制定了CD-SEM的统一规范。

这份规范作为一个动态的“活文件”，随着仪器技术进步而不断更新，覆盖了以下关键领域并提出改进要求和测试标准。

仪器重复性：仪器的重复性是指在一段时间内重复进行特定测量的能力，其稳定性直接影响半导体生产的测量可信度。根据ISO文件，重现性和重复性的定义统称为精密度（precision）。SEMI文件E89-0999进一步扩展了相关定义，以便更好地解释和比较工艺公差。仪器重复性是确保产品质量控制及工艺稳定性的关键组成部分。

CD-SEM准确度：在VLSI制造中，目前缺乏与特征相关的可追溯线宽标准，因此，如何提升CD-SEM的测量准确度仍是重点研究领域。要实现精准测量仍需针对这些参数进行大量测试和改进。

充电与污染：充电和污染是CD计量中需要重点解决的问题。在电子束照射晶圆的过程中，样品上积累的电荷会降低测量精度。污染的逐步积累改变了电子的轨迹、能量及到达探测器的数量，使得测量结果产生偏差。由于难以单独分离和测量充电与污染效应，研究仍在集中于如何优化系统设计以减少其共同影响。

系统性能匹配：系统性能的匹配性表征的是多台CD-SEM之间的测量一致性。同品牌与型号的仪器通常较易实现匹配，但不同品牌或型号间的匹配因设计差异而存在挑战。基于ISO定义，匹配误差是因测量工具更换而引起的不确定性的一部分。针对180纳米代CD-SEM，系统之间的平均测量差异要求小于1.5纳米，多台仪器平均值的误差范围则限制在2.1纳米以内。

图案识别与工作台导航准确度：图案捕获率应>97%，识别性能与尺寸特征、层间对比度及样品充电相关联。所有错误必须分类记录以便分析和改进。CD-SEM需支持从5微米到100微米或以上范围内的精准导航，并能够识别距离最近识别目标100微米内的特征，保证测量的灵敏性和可靠性。

通量：通量是指CD-SEM对批量晶圆的高速分类能力，是生产计量中的重要指标。在满足精度、污染与充电控制、以及其他性能参数的条件下，SEM需具备高通量检测晶圆的能力。通量测试必须与其他测量（如匹配性和灵敏度测试）在相同SEM配置下完成，以确保结果的一致性。