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《美国国家标准与技术研究院（NIST）发布基于AI的基础扫描电子显微镜（SEM）尺寸计量检测极限的研究》

  • 来源专题：计量基标准与精密测量
  • 编译者： 张宇
  • 发布时间：2025-03-13
  • 近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）在研究报告中指出基础扫描电子显微镜（SEM）对线宽、接触孔和覆盖层的测量速度对于识别测量区域和生成不可或缺的过程控制信息至关重要。为了避免敏感集成电路结构的损坏，在样品充电时要求进行低电压和电流的涓流充电模式。但这些要求不可避免地会导致图像信噪比增大，以及对比度降低的问题，这（取决于噪声和对比度）会使传统的尺寸测量不再可行。尽管由于所谓大模型的幻觉问题，可能会出现误导性的错误结果，但是基于人工智能（AI）模型的对象分割测量法可以拓展这些测量的可行性。这项工作验证了基于AI的SEM尺寸计量检测极限的可行性。
  • 原文来源：https://www.nist.gov/publications/detection-limits-ai-based-sem-dimensional-metrology
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）旨在通过减少扫描电子显微镜（SEM）的不确定度来增强其实用性》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2025-05-07
    • 使用扫描电子显微镜（SEM）的电子束辅助成像技术来检测微型芯片上最微小的缺陷，长期以来一直是半导体行业健康发展的基石。但是，随着该行业不断将芯片组件小型化（对于计算机、植入式药物分配器、手机和其他新型设备的研发至关重要），对SEM图像中更详细信息的需求也在不断增加。 尽管扫描电子显微镜（SEM）精细的原子级分辨率几乎没有改进的余地，但美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员在CHIPS测量计划的资助下，已开始一项多年研究，旨在减少基于SEM图像数据的测量结果中的不确定性。为此，NIST物理学家约翰·维亚鲁比亚（John Villarrubia）及其同事正在开展一系列实验，研究人员企图让SEM中的电子从不同的材料上散射。该研究团队希望通过将散射实验的结果与理论值进行比较，从而在SEM图像和所研究对象的特征之间建立更精确的联系。 扫描电子显微镜（SEM）通过用一束聚焦的电子束扫描样品表面来生成样品的原子级分辨率的图像。电子束与样品之间的相互作用会生成从样品中逸出的具有广泛能量范围的额外电子。其中能量最低的电子，称为次级电子，对于创建SEM图像至关重要，因为它们来自于样品表面或表面以下不远处，并且携带有关表面特征的大部分信息。能量更高的电子（能量超过50电子伏特的电子）对表面的敏感性较低，因为它们中的大多数由来自源光束的电子组成，这些电子因与材料深处的原子核碰撞而被反向散射。 确定究竟产生了多少次级电子，以及探测器实际记录了多少次级电子，是正确解读扫描电子显微镜（SEM）图像的关键。然而，精确计算这两个数字并非易事。 例如，从样品凹陷处产生的次级电子可能会被周围的材料重新吸收，而不是到达检测器。另一方面，从倾斜区域逸出的次级电子比水平区域更多。为了正确解读扫描电子显微镜（SEM）图像数据中表面特征的真实大小和形状，必须考虑这些影响。然而，物理学家们对电子散射过程，特别是在低能级下的散射，知之甚少，这就导致在对扫描电子显微镜（SEM）生成的图像数据进行解读时存在很大的不确定性。 “由于我们对电子散射的知识很欠缺，并且可能还存在一些错误认知，因此计量学家用来解读扫描电子显微镜（SEM）图像的数学模型也会存在这些问题，” Villarrubia说。 为了确保他们全面考虑了SEM图像中的所有次级电子因素，他与他的NIST合作者奥尔加·里德泽尔（Olga Ridzel）和格伦·霍兰德（Glenn Holland）设计了一个更简单但新颖的散射实验。在他们的研究中，将有一束电子撞击样品表面，产生次级和反向散射电子，就像扫描电子显微镜（SEM）的工作方式一样。 但是，该实验在两个重要方面与扫描电子显微镜（SEM）研究有所不同。首先，该样品表面被制造成完全平坦的状态，这使得分析散射电子的强度和能量变得更加容易。其次，样品将被放置在一个被称为延迟场分析仪（RFA）的装置中，该装置可以根据能量过滤反向散射电子和次级电子。通过调整滤波器，使得只有高于某一特定阈值能量的电子才能到达探测器，该操作可以高精度地测量次级电子的总数，以及特定能量范围内的次级电子数。 该团队计划使用在扫描电子显微镜（SEM）工作范围内的不同光束能量重复这些测量。研究人员还将对以不同角度倾斜的平坦表面的样品进行相同的测量，以评估改变斜率将如何影响收集到的电子数量。 然后，科学家们将把他们的测量结果与各种电子散射理论模型的预测结果进行比较。Villarrubia说，其中一种可能性是，现有的某个模型可能被证明是正确的。但他指出，更有可能的是，这种比较的结果“会证明即使是我们最好的物理模型依然是不准确”。最后，这些新数据将成为改进新的和现有的电子散射模型的基础数据集，以便该团队用这些新数据对电子散射实验的结果进行比较研究。 一旦研究人员确定了最佳模型，就可以将其应用于利用电子显微镜（SEM）的电子束扫描晶体管或其他具有不规则表面的芯片组件时发生的更复杂的散射过程的研究。 企业用户最终将可以确信他们所依赖的扫描电子显微镜（SEM）图像能够真正确定样品表面裂缝的实际大小、或者仅相当于十个氢原子大小的孔的宽度，乃至集成电路中逻辑门的形貌等等。
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员发现了一种更便宜、更方便的石棉检测方法》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-06-28
    • 几十年来，一种被称为透射电子显微镜（TEM）的实验室程序一直被用于检测建筑工地样本中的石棉。 1989年，美国环境保护局（EPA）要求大多数正在进行石棉减排的学校在重新开放前使用TEM测试空气样本中是否存在石棉纤维。几个州要求或建议使用TEM进行测试，作为商业建筑中石棉清除的一部分。 但是TEM必须在专业实验室由训练有素的工作人员进行，而且费用可能很高。另一种方法，相位对比显微镜，更容易、更便宜，但精度较低。 近日，美国国家标准与技术研究所院（NIST）的研究人员已经确定，第三种选择，扫描电子显微镜（SEM），可以获得与TEM大致相当的结果。NIST研究人员Jason Holm和Elisabeth Mansfield在《Analytical Methods》期刊上发表的一篇新论文中写道，SEM是“目前石棉识别和分类监管方法的可行替代方案”。 由于在许多情况下，SEM比TEM更便宜、更方便，这一发现可能会加快并减少美国石棉修复的费用，估计每年要花费30亿美元。 石棉是一种天然矿物，其纤维用于隔热、防风雨、防火和加固建筑材料。20世纪70年代，随着研究人员意识到其健康风险，包括与癌症的联系，其使用量开始下降。3月，环保局禁止了仍在使用的最后一种石棉。 顾名思义，TEM和SEM都是电子显微镜的类型。在这两种方法中，技术人员都将电子束聚焦在微观量的材料上。电子与材料相互作用，产生关于材料成分、结构和形状的高度详细的信息。 在TEM中，电子穿过样品，而在传统的SEM中，电子从表面反射。这使得TEM能够产生更详细的图像并探测表面的内部。TEM还提供了比SEM更好的空间分辨率，即区分非常靠近的物体的能力。 但近年来，SEM制造商已经提高了该技术的成像能力和其他能力。现在有几家公司生产桌面SEM，使其有可能在现场使用该技术，而TEM仍必须在实验室中进行。霍尔姆说，使用和操作SEM设备的培训可以在几个月内完成，而“TEM的专业知识可能需要数年时间才能建立。” Holm说：“TEM有一些SEM没有的能力，但我们认为SEM足够好”，可以用于石棉减排。 为了测试石棉的SEM，Holm和Mansfield使用了NIST标准参考物质（SRM）1866，这是该机构为实验室生产的石棉纤维样品，用于对其设备和测试程序进行基准测试。SRM提供了大量表征材料特性的数据。 利用扫描电镜，研究人员分析了SRM 1866。他们的结果与SRM文件中列出的结果非常一致，表明了该方法的准确性。 Holm和Mansfield总结了SEM的潜在优势，他们写道，与TEM相比，SEM可以降低设备成本、降低操作员培训要求、增加样品吞吐量和扩大视野。 文章信息：Jason D. Holm and Elisabeth Mansfield. Transmission electron imaging and diffraction of asbestos fibers in a scanning electron microscope. Analytical Methods. Published online June 24, 2024. DOI: 10.1039/D4AY00555D
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