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(lái)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(lái)越多，CPU的計(jì)算速度越來(lái)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(duì)器件的尺寸進(jìn)行精確檢測(cè)；在納米計(jì)量研究領(lǐng)域如何對(duì)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(cè)量的問(wèn)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(jiǎn)稱(chēng)可溯源計(jì)量電鏡）可高效完成上述任務(wù)。

中國(guó)科學(xué)院電工研究所聯(lián)合中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、國(guó)家納米科學(xué)中心共同構(gòu)建了國(guó)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(zhǎng)度計(jì)量測(cè)量功能，以及對(duì)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(guò)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(cè)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(cè)樣品淺層原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生二次電子信號(hào)，通過(guò)對(duì)二次電子信號(hào)進(jìn)行放大處理及檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)微觀成像。

普通掃描電鏡通過(guò)調(diào)整放大倍率改變掃描范圍，通過(guò)偏轉(zhuǎn)電子束獲得掃描圖像。中國(guó)科學(xué)院電工研究所高級(jí)工程師殷伯華對(duì)《中國(guó)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(cè)量的不確定度難以評(píng)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(guó)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。“同時(shí)，可溯源計(jì)量電鏡引入激光干涉儀作為位移臺(tái)的測(cè)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(cè)量，是半導(dǎo)體器件尺寸檢測(cè)過(guò)程中必不可少的儀器。”

具體地說(shuō)，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(guò)程中，通過(guò)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(duì)應(yīng)的納米臺(tái)位置坐標(biāo)從激光干涉測(cè)量系統(tǒng)中獲取?！斑@種成像方法使圖像的像素點(diǎn)位置與激光干涉儀的測(cè)量結(jié)果直接相關(guān)，實(shí)現(xiàn)了納米尺寸測(cè)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(duì)應(yīng)一個(gè)激光干涉儀測(cè)量獲得的精確位置坐標(biāo)?！半S后在測(cè)量圖像中的樣品尺寸時(shí)，直接對(duì)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(cè)量結(jié)果。”韓立告訴《中國(guó)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(duì)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(cè)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(chǎng)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(cè)量系統(tǒng)、電子學(xué)控制系統(tǒng)和測(cè)量控制軟件5部分構(gòu)成。

其中熱場(chǎng)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(cè)樣品、精確定位和掃描成像；激光干涉測(cè)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(guò)程中每個(gè)位置的二次電子圖像信號(hào)采集；測(cè)量控制軟件負(fù)責(zé)圖像顯示、結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量與邊沿識(shí)別。

可溯源計(jì)量電鏡的構(gòu)建，是依靠無(wú)數(shù)個(gè)細(xì)節(jié)堆積出來(lái)的。從開(kāi)始的電路設(shè)計(jì)，到軟件開(kāi)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(lèi)軟件和硬件，都沒(méi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(jiǎn)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(méi)有接好。”殷伯華說(shuō)，接上地線后，激光測(cè)量數(shù)據(jù)立馬恢復(fù)正常?！霸O(shè)備制作過(guò)程中，類(lèi)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(wú)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(cè)量、嵌入式軟件開(kāi)發(fā)、電子學(xué)控制、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(cè)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(kāi)發(fā)的可溯源計(jì)量電鏡是繼美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所和德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院之后，國(guó)際上第3臺(tái)同類(lèi)儀器?！斑@使得我們國(guó)家相關(guān)科研人員可以參加國(guó)際納米組織的國(guó)際計(jì)量比對(duì)工作，提高了中國(guó)在國(guó)際納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)制定領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)?！表n立表示。

中科院電工研究所是設(shè)備研制團(tuán)隊(duì)，國(guó)家納米科學(xué)中心是應(yīng)用團(tuán)隊(duì)，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院是制定國(guó)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定，這樣三位一體結(jié)合起來(lái)工作才能體現(xiàn)設(shè)備的意義。閉門(mén)造車(chē)，自賣(mài)自夸沒(méi)用，用戶(hù)覺(jué)得準(zhǔn)確、滿意才好?！币蟛A說(shuō)。

據(jù)悉，目前，該可溯源計(jì)量電鏡成像及測(cè)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(cè)試工作在中國(guó)科學(xué)院電工研究所的SIGMA場(chǎng)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(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)樣品尺寸可溯源測(cè)量。

第二臺(tái)可溯源計(jì)量電鏡成像及測(cè)量系統(tǒng)安裝在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的ULTRA55場(chǎng)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(zhuān)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(guó)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(guó)家納米科學(xué)中心的MERLIN場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡平臺(tái)上，利用該系統(tǒng)順利完成了中國(guó)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(guó)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(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)、納米標(biāo)樣和標(biāo)物的校準(zhǔn)、參與國(guó)際長(zhǎng)度比對(duì)等方面將起到重要作用。

接下來(lái)，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(duì)顯微鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究基于激光測(cè)量位置的圖像重整方法，從而進(jìn)一步提高測(cè)量精度、降低測(cè)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(cè)領(lǐng)域的‘慧眼’和‘尺子’，還原真實(shí)的納米世界?！币蟛A說(shuō)。