一个圆锥体阵列。资料来源：美国国家标准和技术研究所

来自美国国家标准与技术研究所（NIST）和KLA公司（一家为半导体及相关行业提供检测和测量系统的供应商）的研究人员提高了扫描电子显微镜（SEM）测量的准确性。用于半导体制造的过程控制应用，SEM有助于确保高产的功能性、高性能芯片的生产。

扫描电子显微镜使用聚焦电子束对小至一纳米的特征进行成像，使其成为描述半导体设备结构的重要仪器。在芯片制造过程中，高分辨率的SEM被用于许多检查和计量应用，包括检测非常小的缺陷，识别和分类由光学检查员发现的缺陷，图案特征的关键尺寸测量，叠加测量，等等。这些信息有助于芯片工程师描述和微调他们的制造工艺。

当电子束通过SEM时，它被仔细地控制。电子束与理想路径的轻微偏差或电子束撞击芯片表面的角度的微小错位都会扭曲所产生的SEM图像，并误导设备的结构。NIST和KLA通过考虑电子束的这些角度错位来提高SEM的准确性。该联合研究项目测量光束倾斜的精度低于一毫弧度，即百分之一的五度，这需要在角度分辨率和测量验证方面取得进展。

为了测量光束倾斜，NIST和KLA创建了一个电子显微镜的原型标准，并以一种新的方式分析了所得到的电子显微照片。原型标准由一排锥形硅柱组成，被称为圆锥体，它们形成的图像对光束倾斜高度敏感。倾斜显示为锥体的顶部和底部边缘的图像中心之间的移动。研究人员利用他们在模拟电子-物质相互作用方面的专业知识，用模拟来证明亚毫弧度精度的潜力，指导他们正在进行的标准工件的设计和制造。

扫描电子显微照片的模拟显示了电子束倾斜的影响，它是一个果壳的顶部和底部边缘的中心之间的移动。资料来源：美国国家标准和技术研究所
位于已知位置的锥形果壳阵列有可能测量电子显微镜扫描和成像区域内的电子束倾斜的任何变化。这些测量可以进一步校准电子显微镜的放大率和失真。此外，新标准还可应用于芯片制造中使用的其他显微镜方法，包括原子力和超分辨率光学显微镜。比较不同显微镜方法的结果的能力有助于在不同方法之间可靠和可重复地传递信息，并提高测量模型的准确性。

"电子束倾斜改变了设备特征的表观位置，降低了SEM测量的准确性，"NIST研究员、涵盖这项研究的行业论文的第一作者Andrew C. Madison说。"我们的新标准和分析方法可以检测到电子束倾斜，因为它在整个成像领域的变化。"

"有了这些数据，SEM制造商可以实施校准和修正，提高图像质量和测量精度，"NIST研究员和主要研究人员Samuel M. Stavis说。

"作为半导体检测和计量方面的专家，我们正在不断探索能够扩展当前测量极限的新技术，"KLA公司高级副总裁兼总经理Yalin Xiong说。"与研究机构的合作在发现有助于推进芯片行业过程控制的创新方面发挥着重要作用。我们与NIST的联合研究旨在提高用于描述芯片制造过程的基本测量的准确性"。

NIST计划通过出版物和最终分发地壳阵列，向芯片制造行业和科学界广泛提供新的标准和分析方法。
参考资料：A.C. Madison et al, Proc. SPIE 12496, Metrology, Inspection, and Process Control XXXVII, 1249606 (2023); doi.org/10.1117/12.2673963