SEM、TEM 与 AFM 成像及尺寸计量
SEM, TEM and AFM Imaging and Dimensional Metrology（SEM / TEM / AFM / CD Metrology）也称 扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、SEM尺寸计量、TEM截面、AFM形貌
SEM、TEM与AFM分别以电子与表面交互、电子穿透散射和探针—表面力建立图像，图像只有经标尺、传递函数、制样与不确定度审查后才能变成尺寸证据。
速览
约 1 分钟SEM擅长快速观察表面和截面，TEM/STEM使用薄样品观察晶格、缺陷与界面，AFM用探针扫描得到高度和力响应。三者的亮暗都不是材料图片的“原样复制”：束能、探针几何、角度、电荷、厚度、污染和数据处理都会改变图像。
系统理解
约 2 分钟SEM聚焦电子束逐点扫描样品，二次电子对浅表面和边缘敏感，背散射电子更易呈现原子序数和取向差异。互作用体积随束能、材料和倾角改变，所以“空间分辨率”、“信号产生深度”与“尺寸测量不确定度”不是同一个数。
TEM/STEM需要电子可穿透的薄样品。质量—厚度、衍射、相位和Z-contrast可分别提供不同信息，但图像对焦差、厚度、取向、像差与动力学散射敏感。FIB制样可引入镎损伤、再沉积、非晶化、污染和应力松弛，因此原始结构与制样伪影必须分离。
AFM通过悬臂变形或振幅/相位变化跟踪表面。接触、轻敲、非接触模式的力学边界不同；测得轮廓是真实表面与探针几何的卷积，窄沟和近垂直侧壁容易被探针宽化。XY标尺、Z传感器、探针尺寸、悬臂刚度和反馈带宽需各自校准。
定量结论要明确被测量、标尺溯源、像素采样、阈值/边缘模型、样品代表性与不确定度。最可靠的微区结论常来自同坐标SEM、TEM、AFM及其他方法的相互约束，而不是单张最清晰的图。
承接材料制样与失效定位，向后连接谱学/衍射、APT/SIMS成分剖析与相关计量。
公式提示
关键参数
| 参数 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| 电子束能量、电流、工作距离与倾角 | keV / pA–nA / mm / ° | 决定交互体积、信噪比与几何偏差 |
| TEM样品厚度、取向与焦差 | nm / ° / nm | 限定穿透散射和像对比解释 |
| AFM探针尖端、悬臂刚度与接触力 | nm / N·m⁻¹ / nN | 控制卷积、变形和力学伪影 |
| XY/Z标尺、偏移、漂移与反馈带宽 | nm / % / nm·min⁻¹ / Hz | 建立尺寸溯源和扫描稳定性 |
| 边缘模型、重复测量与扩展不确定度 | — / n / nm | 把图像转为可审计尺寸 |
常见误区
- 把SEM亮暗直接当作高低或成分
- 把TEM高分辨像当成原子实景照片
- 忽略FIB制样损伤与再沉积
- 把AFM探针卷积后宽度当真实CD
- 用厂商标称分辨率代替测量不确定度
工程深入
12 条结论 · 1 道例题SEM信号
SEM计量
TEM成像
制样伪影
AFM力反馈
AFM探针卷积
AFM标定
关联计量
采样与代表性
采样算例
二十纳米周期结构至少需十纳米像素间隔才不违反Nyquist下限
这一计算只检查数字采样下限，不证明束斑、交互体积、探针或噪声已达到所需分辨率。14
Δx≤P/2=20 nm/2=10 nm
- P
- 目标空间周期，单位 nm
- Δx
- 像素间隔，单位 nm
成立条件 目标最小空间周期20 nm；均匀采样；仅Nyquist充要检查
例题：动手算一次教学假设，可复算
需观察20 nm周期的线空结构，采样间隔上限是多少？
已知
- P=20 nm
- 每周期至少两个样点
步骤
- Δx≤P/2，写出Nyquist采样下限。
- Δx≤10 nm，代入20 nm周期。
实际计量通常需更密采样以支持边缘拟合。
不能外推到 未包含电子束/探针空间响应、漂移、振动、噪声、边缘模型和标尺不确定度；两点每周期不足以给出高准确CD。
出处
4 份资料 · 5 处引用- 1
微纳制造与半导体器件
- 第 9 章 §§9.1–9.2，第 146–150 页 支持：SEM图像是扫描位置与选定检测信号的映射；束能与材料共同决定SEM交互体积；SEM标称分辨率不等于CD测量不确定度；TEM需在电子可穿透的薄样品上解释散射；高分辨TEM晶格条纹不是原子实景照片；FIB薄片制备可引入镎注入、非晶化与再沉积；SEM、TEM与AFM对同一结构的灵敏方向不同；高分辨局部图不自动代表整片或整批；二十纳米周期结构至少需十纳米像素间隔才不违反Nyquist下限
- 第 9 章 §9.3，第 151–153 页 支持：AFM由探针—表面作用引起的悬臂响应重建表面；AFM横向轮廓包含探针尖端几何；AFM尺寸与力计量需不同校准链
- 2
Scanning-electron microscopy
- NIST project §§Summary–Description，model-based SEM dimensional metrology 支持：SEM图像是扫描位置与选定检测信号的映射；束能与材料共同决定SEM交互体积；SEM标称分辨率不等于CD测量不确定度
- 3
Semiconductor Metrology and 3D Chemical and Structural Imaging
- NIST semiconductor metrology §§SEM, TEM/STEM, FIB, EDS/EELS and 3D imaging capabilities 支持：TEM需在电子可穿透的薄样品上解释散射；高分辨TEM晶格条纹不是原子实景照片；FIB薄片制备可引入镎注入、非晶化与再沉积；SEM、TEM与AFM对同一结构的灵敏方向不同
- 4
Atomic-force microscopy
- NIST project §§Summary–Description，CD-AFM, T-AFM and tip calibration 支持：AFM由探针—表面作用引起的悬臂响应重建表面；AFM横向轮廓包含探针尖端几何；AFM尺寸与力计量需不同校准链；高分辨局部图不自动代表整片或整批；二十纳米周期结构至少需十纳米像素间隔才不违反Nyquist下限