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扫描电镜中的振动和漂移：如何量化与避免？

芯片测试

2023/11/17

扫描电镜（SEM/EDS）

来源半导体工程师作者：孙千

扫描电子显微镜（SEM）广泛用于纳米制造表征、计量和过程控制。本文讨论了由振动和漂移引起的测量不确定度，以及一些可能的解决方案。

在SEM图像采集过程中，设备可能会受到周围环境的不利影响。环境的机械和噪声会明显的影响电镜性能。SEM的镜筒直接耦合到样品台上，因此，通过框架和隔离系统传递到镜筒的任何外部振动最终都可以传递到样品上。传输的振动会在记录的图像中产生有害的假像。

此外，样品台移动及其组件中的摩擦会导致漂移、不受控制的运动。温度升高和电子束与电磁场的相互作用也是漂移的原因。所有这些都可能破坏SEM图像质量，因为漂移可能表现为一定程度的严重图像失真，拉长和振动通常表现为成像物体边缘的锯齿状。

1 振动

SEM通常使用单通道的电子探测器，这种探测器要求电子束以逐点的方式扫描整个感兴趣的区域。因此，如果电子束在扫描过程中抖动，或者如果样品/载物台相对于入射电子束移动，就会导致振动或漂移，那么正在记录的数据可能会受到损害。振动会对SEM的成像和测量产生明显的不利影响，振动明显时，在观察屏幕上很容易看到，这种情况通常是一些环境参数发生了改变，比如真空泵电机已经打开，或者样品松动。

仪器操作员或服务工程师通常很容易观察和诊断这种大的振动。调整隔振系统或拧紧样品可能是有效的弥补措施。在无人值守的全自动仪器中，这个问题可能不容易观察和诊断，最终会导致错误的数据或产品损失。

更细微的纳米级振动在图像中更难看到，因此经常无法诊断。在之前的一篇论文中，仅由涡轮分子泵的小型风扇电机在SEM图像中引起的振动效应(以及测量结果)，被证明是该仪器测量误差的重要组成部分(图1)。25nm的误差加宽了所示的半导体线(图1b和c ),这是由冷却风扇直接造成的。这很容易通过在慢扫描图像采集期间打开和关闭风扇来演示。

这一误差量虽然令人不安，但当半导体微处理器结构的宽度约为500-750nm时，这还不是一个问题，但今天，仅由风扇电机引起的误差范围就比许多当代半导体微处理器门或许多纳米尺寸大得多。因此，这个振动范围对于更小纳米尺度的精确测量，是不可接受。

图 1. 刻意引起的振动对成像和结构宽度测量的影响。(a) SEM照片，显示小型冷却风扇对图像的影响，光源关闭（上）和开启（下）；(b) 在SEM正常运行的典型环境振动水平下，采用任意40%正阈值交叉算法进行的线宽测量。(c) 使用相同的测量条件，在引起振动后的相同样品位置进行测量。(HFW = 1050 nm，30 keV）。

同样如图1所示，振动会导致边缘锐度和细节的损失，同时导致纳米和亚纳米结构和颗粒的边缘增宽和测量误差。图2显示了轻轻敲击SEM镜筒的效果以及振动对图像造成的破坏，以及局部噪声的影响。图3显示了通过仪器的物镜的冷却水的泵送动作所引起的振动效果。所有这些都是在典型的计量实验室场景中遇到的常见问题。

随着纳米技术的发展以及＜100纳米成像和测量的需要，诊断和消除所有类型的振动是非常必要的。但这并能轻易实现的，因此应该采用一些新的方法。

图 2. 对 SEM 镜筒（HFV= 25nm）的短时机械冲击（轻轻敲击）的效果（左）。（右）中等响度的电脑扬声器声音打开（上）和关闭（从中间向下）（HFW= 75nm）。

图3 物镜和扩散泵的冷却循环对振动的影响：旧泵、新泵（左、中）和自来水（右）（HFW=75 nm）。

2 机械漂移

除了振动之外，仪器载物台的不稳定性也会导致机械漂移，这通常是由于工作台运动控制中的残余滞后。部件中的载物台弹性和摩擦也会导致样品出现漂移，从而导致不受控制的运动或载物台“爬行”。当使用长的图像采集时间时，这通常会特别麻烦。在预期的运动停止并找到感兴趣的区域后，蠕动导致载物台继续在一个或多个方向上移动。这通常导致在慢扫描应用中结构在蠕变方向上伸长，并且在数字帧存储采集中锐度损失。

机械漂移通常可以通过现代仪器和载物台的设计来解决。大气压力的变化、物镜冷却系统的微小温度变化或任何其他不稳定性(如电磁干扰)也可能导致漂移。因此，这可能是一个非常复杂的问题。同样，下面描述的新方法可以用来补偿和诊断这些问题。

3 数字帧存储的两面性

应该注意的是，现代SEM中常用的组件会加剧本文讨论的振动和漂移；这就是数字帧存储。SEM是非常有效的工具。取决于信号收集的模式，组成图像的“信号电子”的量可能非常小。此外，无论何时获得信号，电子噪声总是叠加在其上。SEM图像中的噪声是信号和不同噪声成分的混合物。其他噪声源包括电子源、信号处理电子设备、放大器等。通过采用数字帧存储(DFS)技术，这一总体问题得到了极大的改善。

自20世纪80年代末以来，DFS一直被用于中小企业。DFS的引入要求计算机变得足够小和足够快，以适合粒子束仪器的控制台。此外，计算机存储器(磁盘存储器和随机存取存储器)的成本必须降低到可以经济地将许多兆字节的存储容量整合到仪器中的程度。

DFS是SEM技术的一大优势，因为它能够在超低或低信噪比的情况下提高信噪比(S/N)。这一改进有助于SEM的所有成像模式，尤其是对低着陆能量应用有价值。DFS技术还促进了实时电视扫描速率、可靠的自动亮度和对比度以及自动聚焦和像散控制的开发和实施。因此，DFS技术的应用带来了许多非常积极的成果。

然而，像大多数与SEM相关的成像技术一样，并非所有DFS技术的结果都是有利的，因为存在“平衡的优化”。帧平均图像不总是等同于同等积分的慢扫描图像。慢速扫描图像是逐行构建的。任何存在的振动或漂移都会随着线的产生而被记录下来，并显示为对该线上的结构边缘的破坏。当仔细观察时，多条线显示出锯齿状边缘。

另一方面，帧平均图像逐帧对齐512×512、1024×1024等。系统的像素彼此直接重叠，类似于图6a所示。所获得的图像像素的强度不受影响，但是导致它们的位置被错误地分配。由于振动或漂移引起的任何未对准将被平均，从而从图像中消除。总振动仍会显示为锯齿，但一般来说，这会导致图像变宽，结构变得更加微妙和不清晰，并可能危及数据。

4 漂移范围评估

对于大范围的视场(低放大率)，非预期运动的漂移幅度可能影响不大，但是它们对图像的影响在越来越小的视场中变得越来越明显。操作员的任务是为SEM找到最佳、优化的成像条件，例如，采集速度、帧时间、图像像素数和停留时间等，这也可能影响这些失真的效果。

有定性和定量评估方法可用于评估非预期运动。建议进行定性评估，以证明非预期运动不会导致成像质量问题或测量中的重大误差。如果误差高得不可接受，那么定量评估是必要的，并且补偿措施是必要的，以实现所需的成像和测量质量。

图4显示了一种定性评估漂移相关失真的方法示例，该方法使用抛光碳基板上的蒸发金颗粒标准样品。256纳米水平视场(HFV)图像显示了低频(漂移)和高频(振动)相关的问题。

图 4. 连续拍摄的四幅慢速扫描图像，展示了对漂移进行定性评估的一种方法。(HFW = 256 纳米）。更详细的说明见（Cizmar，2011）。

图5中的漂移最初可能并不明显，但更彻底的观察揭示了图像之间缺乏良好的位置可重复性。如果使用标准的图像编辑程序将四幅图像叠加起来，可以很好地观察到这种漂移。如果SEM完美工作，所有这四个图像将显示完全相同的样品细节，四个图像帧将完全对齐，并且不会有模糊、扭曲或缺失的区域。

图6a显示了一个简单的帧间叠加图，显示确实存在漂移相关问题。这种程度是否可以忽略，取决于图像的预期用途。数据完整性应该是最重要的，不应该容忍任何失真。例如，对于生物细胞样品，各种细胞器的实际形状可能并不重要，因为它们本身存在较大的差异。另一方面，对于纳米尺度的粒子测量，这种失真可能是完全不可接受的。

总的来说，任何误差都会随着显微照片一起出现。今天看似不重要的事情，将来可能会成为一个关键问题。图6b示出了通过将图像与共同的结构对齐，实际的可重复性问题不太严重，因为四个重复图像的许多共享区域重叠并且失真较小。但是，以这种方式将图像分层以实现结构可重复性，则是以丢失图像外围区域的数据为代价。显然，如果可能的话，最好选择失真更小的成像方法。

图 6：（左）图 5中的四幅图像的简单帧对帧叠加。右）图 5中的四幅图像的图像叠加（HFW = 256 nm）。

在用SEM进行任何重要的定量工作之前，应该了解上述两种扰动中的一种或两种的存在。NIST的工作人员对此进行了研究，并开发了一系列与实验验证相结合的计算机模型，其中包括振动和漂移的测试和诊断^{^1-2}。此外，还开发了基于计算机的SEM测量方法，所有这些都有助于实现更高性能的仪器和更精确的3-D SEM计量。这些计算机模型包括精确的蒙特卡罗电子束相互作用建模程序，以便理解信号产生和图像形成^³。

1 Cizmar, P, Vladár, A. V., Ming, B. and Postek, M. T. “Simulated SEM Images for Resolution Measurement,” SCANNING 30:381-391, (2008)

2 Cizmar, P., Vladar, A. E., and Postek, M. T. “Optimization of Accurate SEM imaging by use of artificial images,”SCANNING/SPIE Proceedings 7378:737815-1 – 737815-6, (2009)3 Postek, M. T., and Vladar, A., “Modeling for Accurate Dimensional Scanning Electron Microscope Metrology: Then and Now,” SCANNING 33: 111-125 (2011)

此外，使用蒙特卡洛建模方法，NIST的工人开发了制造二维人工图像（artificial images）的程序，以测试仪器和测量算法^⁴。此外，为了加速建模过程，最近的工作涉及一种更快的图像建模方法，这种方法可以生成可信的图像来测试上述失真^{^5-6}。因此，多年来，NIST对仪器改进进行了大量研究，以消除粒子束仪器中测量不确定性的来源。

4 Postek, M. T., Vladar, A. E. Lowney, J., Larrabee, R. D. and Keery, W. J., Two-Dimensional Simulation and Modeling in Scanning Electron Microscope Imaging and Metrology Research,” SCANNING 24:179-185, (2002).

5 Postek, M. T., “Critical Issues in Scanning Electron Microscope Metrology,” NIST J. Res. 99(5): (1994).

6 Cizmar, P., Vladar, A. E. and Postek, M. T. “Advances in modeling of scanning charged particle microscopy images,”SPIE Proceedings 7729 77290Z -1 – 9, (2010).

5 其他漂移失真校正方法

已经开发了几种校正方法来补偿上述的一些影响。在类似于扫描粒子束显微镜的领域中，例如原子力显微镜^{^7-8}，已经进行了校正时间相关漂移失真的工作。此外，Sutton等人已经发表了关于SEM中漂移失真评估和校正的研究^{^9-11}。这些文章中描述的技术涵盖了具有缓慢漂移的图像中的校正，并且通常在宽水平视场下，总成像时间很长，达到几十分钟，放大倍数不超过10，000倍。在信噪比（SNR）可能降至5 x 10^{^-1} 以下的情况下，仍然需要用于高度缩小的水平视场、非常快速的SEM图像扫描或其他粒子束仪器(扫描氦离子束显微镜或聚焦离子束显微镜)的技术。下面描述了一种解决方案。

7 Mantooth, B. A., Donhauser, Z. J., Kelly, K. F., and Weiss, P. S., “Cross-correlation image tracking for drift correctionand adsorbate analysis,” Review of Scientific Instruments, 73(2, Part 1):313–317 (2002).

8 “Drift and spatial distortion elimination in atomic force microscopyimages by the digital image correlation technique,” J. Strain Analysis for Eng Design, (2008).

9 Sutton, M. A. Metrology in a scanning electron microscope: theoretical developments and experimental validation. MEASUREMENT SCIENCE &TECHNOLOGY, 17(10):2613–2622 (2006).

10 Sutton, M. A.“Scanning electron microscopy for quantitative small and large deformation measurements – Part II: Experimental validation for magnifi cations from 200 to 10,000,” Exp. Mech. (2007).

11 Sutton, M.A. “Scanning electron microscopy for quantitative small andlarge deformation measurements Part I: SEM imaging at magnifications from 200 to 10,000,” Exp. Mech. 47(6):775–787(2007).

6 漂移校正方法：ACCORD软件

如上所述，对振动和漂移问题的解决方案的需求发展成了被称为漂移校正图像合成(DCIC)的校正方法，这是在被称为ACCORD的免费软件程序中实现的。该计算机程序能够从SEM图像中消除振动和漂移失真。

该技术使用互相关进行二维位移探测，它不仅提供更精确的成像，还提供样品漂移位置信息。样品位置信息可成功用于诊断应用，以绘制仪器及其载物台的漂移。利用这种方法，解决方案是快速的、多平台的、多处理器能力的，而且可以容易地集成到大多数SEM仪器及其软件中。

ACCORD中涉及的基本方法和数学严密性已在文献中进行了描述^{^12-13}。

12 Cizmar, P., Vladar, A., and Postek, M. T. “Real-time scanning charged particle microscope image composition with correction of drift,” Microsc. Microanal. 17:302-308, (2011).

13 Cizmar, P., Vladar, A., and Postek, M. T. “Advanced Image composition intra-frame drift correction” Proc. SPIE 8036:803680360D-1–80360D-5 (2011).

ACCORD是一个利用DFS技术优势并将其与交叉方法相结合的程序，可以输出比其他传统显微镜成像技术更精确的图像。由于上述原因，传统的“慢扫描”和“快扫描”技术提供的图像经常失真或模糊，因此ACCORD对于亚纳米计量是必要的。

ACCORD程序处理单个捕获的帧，这些帧是在仪器能力允许的情况下以最快的速度拍摄的。然后，这些图像中的每一个都提供了一个窄的、时间上的快照，其中运动量是最小的(类似于高速帧捕捉)。由于物理漂移导致每对帧之间的位移取决于漂移的时间常数，然后用互相关软件搜索该位移，以使适当的像素彼此对准。快速获取的帧通常非常嘈杂(但是在空间上对齐良好)。对几个对齐的帧进行平均可以消除大部分噪声，但降噪算法也是ACCORD技术的一部分，用于降低任何额外的噪声。

ACCORD属于免费软件，可以从http://wiki.accord.cizmar.org/doku.php下载。

ACCORD方法在金标样上进行了实验测试，如图 8 所示。像素停留时间设定为 100 毫微秒。(帧频为每秒 1 帧，这也是所使用仪器的最快设置）。采集到的单帧图像（图 8a）噪声很大；只能看到最突出的特征（直径约 200 nm）。对 10 幅图像进行整合后（图 8b），背景（直径约为 20 纳米）中已经开始出现更多可见特征；晶粒的一些内部结构（大小约为 5-10 纳米）也变得清晰可见。38 个图框的组合（图 8c）展示了传统图框叠加的结果。图 8 d 显示了同样 38 幅图像的 ACCORD 校正组合，显示了更多细节，晶粒的内部结构以及所有背景特征现在都清晰可见。

8. ACCORD 在金标样上的真实 SEM 图像演示。所有图像的水平视场角均为 298 nm：a和b 是以100 ns像素停留时间拍摄的典型单帧图像；c是38幅图像的传统叠加合成结果（d）同样38幅图像的ACCORD 校正合成结果。

与使用 ACCORD 方法合成的图像相比，传统的平均图像由于残余振动或漂移的影响，清晰度明显降低（更加模糊），图像也更加失真。两幅图像的信噪比相似。最终图像在保留形状和尺寸的同时，噪点更低，细节更丰富。

漂移跟踪。使用 ACCORD 技术的一个积极结果是可以识别和记录帧间的位移量及其矢量。获得的位移矢量序列用于跟踪样品的位置。这些信息对于研究漂移的原因和解决方法非常有用。在图 8 所示的样品中，出现了大约 27 纳米长的直线启动漂移，随后是周期性的圆形漂移。这可能是由镜筒内部的温度变化引起的。通常情况下，与控制良好的仪器的典型漂移相关的位移矢量序列小于 0.5 nm，相当于约0.5个像素。

7 总结

ACCORD技术可以成功补偿粒子束仪器的漂移和振动。ACCORD 属于免费软件，是用 C 语言编写的计算机程序。由于大多数现代粒子束仪器的硬件都足以支持 ACCORD，因此C语言具有快速融入SEM管理软件。使用速度相当快的计算机，该程序能够进行实时处理。该算法可随时发布，因此适合在计算机集群、多核或多处理器环境（包括图形处理单元）中运行。该方法已在SEM图像上进行了验证，证明了其在真实形状成像和漂移研究应用中的可用性。

参考资料： Postek M T ,András E. Vladár, Cizmar P .Does your SEM really tell the truth? How would you know? part 3: vibration and drift[C]//SPIE Scanning Microscopies.International Society for Optics and Photonics, 2014.DOI:10.1117/12.2195344.来源于老千和他的朋友们，作者孙千

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