為芯片制造提高掃描電子顯微鏡的測量水平

一個(gè)圓錐體陣列。資料來源：美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所

來自美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）和KLA公司（一家為半導(dǎo)體及相關(guān)行業(yè)提供檢測和測量系統(tǒng)的供應(yīng)商）的研究人員提高了掃描電子顯微鏡（SEM）測量的準(zhǔn)確性。用于半導(dǎo)體制造的過程控制應(yīng)用，SEM有助于確保高產(chǎn)的功能性、高性能芯片的生產(chǎn)。

掃描電子顯微鏡使用聚焦電子束對小至一納米的特征進(jìn)行成像，使其成為描述半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)的重要儀器。在芯片制造過程中，高分辨率的SEM被用于許多檢查和計(jì)量應(yīng)用，包括檢測非常小的缺陷，識別和分類由光學(xué)檢查員發(fā)現(xiàn)的缺陷，圖案特征的關(guān)鍵尺寸測量，疊加測量，等等。這些信息有助于芯片工程師描述和微調(diào)他們的制造工藝。

當(dāng)電子束通過SEM時(shí)，它被仔細(xì)地控制。電子束與理想路徑的輕微偏差或電子束撞擊芯片表面的角度的微小錯(cuò)位都會扭曲所產(chǎn)生的SEM圖像，并誤導(dǎo)設(shè)備的結(jié)構(gòu)。NIST和KLA通過考慮電子束的這些角度錯(cuò)位來提高SEM的準(zhǔn)確性。該聯(lián)合研究項(xiàng)目測量光束傾斜的精度低于一毫弧度，即百分之一的五度，這需要在角度分辨率和測量驗(yàn)證方面取得進(jìn)展。

為了測量光束傾斜，NIST和KLA創(chuàng)建了一個(gè)電子顯微鏡的原型標(biāo)準(zhǔn)，并以一種新的方式分析了所得到的電子顯微照片。原型標(biāo)準(zhǔn)由一排錐形硅柱組成，被稱為圓錐體，它們形成的圖像對光束傾斜高度敏感。傾斜顯示為錐體的頂部和底部邊緣的圖像中心之間的移動。研究人員利用他們在模擬電子-物質(zhì)相互作用方面的專業(yè)知識，用模擬來證明亞毫弧度精度的潛力，指導(dǎo)他們正在進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)工件的設(shè)計(jì)和制造。

掃描電子顯微照片的模擬顯示了電子束傾斜的影響，它是一個(gè)果殼的頂部和底部邊緣的中心之間的移動。資料來源：美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所

位于已知位置的錐形果殼陣列有可能測量電子顯微鏡掃描和成像區(qū)域內(nèi)的電子束傾斜的任何變化。這些測量可以進(jìn)一步校準(zhǔn)電子顯微鏡的放大率和失真。此外，新標(biāo)準(zhǔn)還可應(yīng)用于芯片制造中使用的其他顯微鏡方法，包括原子力和超分辨率光學(xué)顯微鏡。比較不同顯微鏡方法的結(jié)果的能力有助于在不同方法之間可靠和可重復(fù)地傳遞信息，并提高測量模型的準(zhǔn)確性。

"電子束傾斜改變了設(shè)備特征的表觀位置，降低了SEM測量的準(zhǔn)確性，"NIST研究員、涵蓋這項(xiàng)研究的行業(yè)論文的第一作者Andrew C. Madison說。"我們的新標(biāo)準(zhǔn)和分析方法可以檢測到電子束傾斜，因?yàn)樗谡麄€(gè)成像領(lǐng)域的變化。"

"有了這些數(shù)據(jù)，SEM制造商可以實(shí)施校準(zhǔn)和修正，提高圖像質(zhì)量和測量精度，"NIST研究員和主要研究人員Samuel M. Stavis說。

"作為半導(dǎo)體檢測和計(jì)量方面的專家，我們正在不斷探索能夠擴(kuò)展當(dāng)前測量極限的新技術(shù)，"KLA公司高級副總裁兼總經(jīng)理Yalin Xiong說。"與研究機(jī)構(gòu)的合作在發(fā)現(xiàn)有助于推進(jìn)芯片行業(yè)過程控制的創(chuàng)新方面發(fā)揮著重要作用。我們與NIST的聯(lián)合研究旨在提高用于描述芯片制造過程的基本測量的準(zhǔn)確性"。

NIST計(jì)劃通過出版物和最終分發(fā)地殼陣列，向芯片制造行業(yè)和科學(xué)界廣泛提供新的標(biāo)準(zhǔn)和分析方法。

參考資料：A.C. Madison et al, Proc. SPIE 12496, Metrology, Inspection, and Process Control XXXVII, 1249606 (2023); doi.org/10.1117/12.2673963