可溯源計(jì)量型掃描電子顯微鏡裝置設(shè)計(jì)方案  殷伯華供圖

人們探索世界的尺度越來越精細(xì)，微電子器件的應(yīng)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(shù)越來越多，CPU的計(jì)算速度越來越快，功耗也極大的降低。

隨著半導(dǎo)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(jié)構(gòu)，如何對器件的尺寸進(jìn)行精確檢測；在納米計(jì)量研究領(lǐng)域如何對納米標(biāo)準(zhǔn)顆粒、標(biāo)準(zhǔn)線寬、線紋尺等標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行計(jì)量標(biāo)定等，都面臨精確測量的問題。具備高精度和低誤差的可溯源計(jì)量型掃描電子顯微鏡（以下簡稱可溯源計(jì)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(jì)量科學(xué)研究院、國家納米科學(xué)中心共同構(gòu)建了國內(nèi)首臺(tái)可溯源計(jì)量電鏡，實(shí)現(xiàn)了微納米器件及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等納米尺度的高精度長度計(jì)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程中放大倍率波動(dòng)和掃描線圈非線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(jì)量中的誤差

溯源計(jì)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(hào)，通過對二次電子信號(hào)進(jìn)行放大處理及檢測，從而實(shí)現(xiàn)微觀成像。

普通掃描電鏡通過調(diào)整放大倍率改變掃描范圍，通過偏轉(zhuǎn)電子束獲得掃描圖像。中國科學(xué)院電工研究所高級(jí)工程師殷伯華對《中國科學(xué)報(bào)》表示，影響掃描電鏡圖像放大倍率準(zhǔn)確性的因素很多，如加速電壓波動(dòng)、偏轉(zhuǎn)掃描非線性特征、圖形漂移等，這些因素最大可導(dǎo)致普通掃描電鏡放大倍率的誤差達(dá)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(jì)量電鏡與普通掃描電鏡偏轉(zhuǎn)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(jì)量電鏡中，用納米位移臺(tái)的步進(jìn)掃描方式進(jìn)行成像?！巴瑫r(shí)，可溯源計(jì)量電鏡引入激光干涉儀作為位移臺(tái)的測量工具，可以實(shí)現(xiàn)高精度可溯源的微納米結(jié)構(gòu)尺寸測量，是半導(dǎo)體器件尺寸檢測過程中必不可少的儀器。”

具體地說，可溯源計(jì)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(tái)逐點(diǎn)位移的過程中，通過實(shí)時(shí)采樣二次電子圖像信號(hào)方法獲取掃描圖像。同時(shí)，每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的納米臺(tái)位置坐標(biāo)從激光干涉測量系統(tǒng)中獲取。“這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(jié)果直接相關(guān)，實(shí)現(xiàn)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(yīng)一個(gè)激光干涉儀測量獲得的精確位置坐標(biāo)?！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(biāo)進(jìn)行計(jì)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(jié)果。”韓立告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)先后研制了3套可溯源計(jì)量電鏡系統(tǒng)。目前可以對50mm×50mm的標(biāo)準(zhǔn)樣品中的微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸溯源測量，單次掃描成像范圍達(dá)到100μm×100μm。

需環(huán)環(huán)相扣、層層把關(guān)

據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)研制的可溯源計(jì)量電鏡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由熱場發(fā)射掃描電鏡主體、宏微結(jié)合堆疊結(jié)構(gòu)的雙位移臺(tái)定位掃描系統(tǒng)、激光干涉測量系統(tǒng)、電子學(xué)控制系統(tǒng)和測量控制軟件5部分構(gòu)成。

其中熱場發(fā)射掃描電鏡作為實(shí)現(xiàn)計(jì)量型電鏡成像方法的載體，負(fù)責(zé)電子束聚焦掃描與二次電子圖形信號(hào)的收集；雙位移臺(tái)單元負(fù)責(zé)承載被測樣品、精確定位和掃描成像；激光干涉測量系統(tǒng)負(fù)責(zé)記錄位移臺(tái)系統(tǒng)移動(dòng)的位置信息；電子學(xué)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)高速掃描過程中每個(gè)位置的二次電子圖像信號(hào)采集；測量控制軟件負(fù)責(zé)圖像顯示、結(jié)構(gòu)尺寸測量與邊沿識(shí)別。

可溯源計(jì)量電鏡的構(gòu)建，是依靠無數(shù)個(gè)細(xì)節(jié)堆積出來的。從開始的電路設(shè)計(jì)，到軟件開發(fā)，再到工藝實(shí)驗(yàn)、掃描成像實(shí)驗(yàn)……任何一個(gè)環(huán)節(jié)都決定著整個(gè)設(shè)計(jì)的成敗。

殷伯華回憶，在進(jìn)行第二套可溯源計(jì)量電鏡的制作時(shí)，激光干涉儀的數(shù)據(jù)讀取出現(xiàn)了故障。研究團(tuán)隊(duì)檢查了各類軟件和硬件，都沒發(fā)現(xiàn)問題的原因。

“反復(fù)折騰了一個(gè)月，最后檢查發(fā)現(xiàn)，我們犯了一個(gè)特別簡單、低級(jí)的錯(cuò)誤：激光干涉儀到DSP控制器之間的一根信號(hào)線——地線沒有接好?！币蟛A說，接上地線后，激光測量數(shù)據(jù)立馬恢復(fù)正常?！霸O(shè)備制作過程中，類似這樣的細(xì)節(jié)工作非常多，每一個(gè)細(xì)節(jié)都會(huì)決定設(shè)備的進(jìn)展。無數(shù)個(gè)細(xì)節(jié)堆在一塊兒，才有了最后精準(zhǔn)的儀器?！?/span>

此外，殷伯華介紹，光機(jī)電和軟件是一體的，它包括光學(xué)測量、嵌入式軟件開發(fā)、電子學(xué)控制、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)等，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程需環(huán)環(huán)相扣、層層把關(guān)，才能獲得高清晰度計(jì)量電鏡的圖像，才能準(zhǔn)確測量微結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。

三位一體“丈量”納米世界

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的可溯源計(jì)量電鏡是繼美國國家標(biāo)準(zhǔn)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(tái)同類儀器。“這使得我們國家相關(guān)科研人員可以參加國際納米組織的國際計(jì)量比對工作，提高了中國在國際納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)制定領(lǐng)域的話語權(quán)。”韓立表示。

中科院電工研究所是設(shè)備研制團(tuán)隊(duì)，國家納米科學(xué)中心是應(yīng)用團(tuán)隊(duì)，中國計(jì)量科學(xué)研究院是制定國家標(biāo)準(zhǔn)的團(tuán)隊(duì)?！霸O(shè)備制造者研制儀器、應(yīng)用者進(jìn)行使用、再由制定標(biāo)準(zhǔn)者進(jìn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的制定，這樣三位一體結(jié)合起來工作才能體現(xiàn)設(shè)備的意義。閉門造車，自賣自夸沒用，用戶覺得準(zhǔn)確、滿意才好?！币蟛A說。

據(jù)悉，目前，該可溯源計(jì)量電鏡成像及測量系統(tǒng)已經(jīng)在3個(gè)單位安裝運(yùn)行。

其中，第一臺(tái)原理樣機(jī)的研制和測試工作在中國科學(xué)院電工研究所的SIGMA場發(fā)射掃描電鏡上進(jìn)行，已經(jīng)成功驗(yàn)證了基于納米位移臺(tái)步進(jìn)掃描成像和基于激光干涉測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)樣品尺寸可溯源測量。

第二臺(tái)可溯源計(jì)量電鏡成像及測量系統(tǒng)安裝在中國計(jì)量科學(xué)研究院的ULTRA55場發(fā)射掃描電鏡平臺(tái)上，2014年順利完成了質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目的科研任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了40微米區(qū)域的掃描成像與可溯源計(jì)量工作。2018年，依托該裝置制訂了國家標(biāo)準(zhǔn)“掃描電子顯微鏡用微納米標(biāo)準(zhǔn)樣板校準(zhǔn)方法”。

第三臺(tái)系統(tǒng)安裝在國家納米科學(xué)中心的MERLIN場發(fā)射掃描電鏡平臺(tái)上，利用該系統(tǒng)順利完成了中國科學(xué)院支持項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了100微米區(qū)域的掃描成像與可溯源計(jì)量研究工作。

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

接下來，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步在激光光路、納米臺(tái)設(shè)計(jì)與運(yùn)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(shè)計(jì)，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(jì)量電鏡儀器真正成為計(jì)量行業(yè)和半導(dǎo)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。